Snelle Prototyping Uitgelegd: Voordelen, Technieken en Fideliteitsniveaus

Snelle prototyping, vaak uitgevoerd via additieve productie, stelt een ontwerper in staat om meerdere iteraties van een prototype te ontwikkelen zonder de extra kosten of tijd die komen met traditionele productie- en ontwerptechnieken.

Wat zijn de verschillende typen snelle prototyping?

De fideliteit van een prototype – dat wil zeggen, hoe nauw het prototype het eindproduct benadert – varieert per project, op een spectrum van lager naar hoger fideliteit.

Wat is prototyping met lagere fideliteit?

We spreken van lagere fideliteit wanneer een prototype losjes het eindproduct benadert. Het prototype kan gebruikt worden om algemene pasvorm of functie te testen zonder het ontwerp te optimaliseren voor gewicht, produceerbaarheid of afwerking. Het prototype kan ook gebruikt worden om het ontwerp alleen in sleutelgebieden van zorgen voor de ontwerper te testen of om een verkleinde versie van het eindproduct te creëren. Een voordeel van prototypen met lagere fideliteit is dat ze doorgaans veel minder tijd in beslag nemen om te printen.

Wat is prototyping met hogere fideliteit?

We spreken van hogere fideliteit wanneer een prototype het eindproduct nauwkeurig benadert – inclusief geometrie, toleranties en materiaaleigenschappen. Prototypen met hogere fideliteit nemen meestal langer om te printen en hebben hogere geassocieerde kosten.

Wat is de juiste fideliteit voor uw prototype?

Het niveau van fideliteit dat geschikt is voor een gegeven ontwerpiteratie hangt af van de algemene projectdoelstellingen, de rijpheid van het ontwerp en de interesses van de ontwerper. Het bepalen van het juiste fideliteitsniveau in snelle prototyping kan tijd besparen in het ontwerpproces en de resource-allocatie optimaliseren.

Voor een enkele iteratie kunnen verschillende prototype-attributen zoals geometrie, materiaaleigenschappen, pasvorm en afwerking op verschillende fideliteitsniveaus worden overwogen. Deze overwegingen beïnvloeden de algehele fideliteit van het prototype.

Lees onze casestudy

Wat zijn de meest voorkomende snelle prototyping-processen?

Deze overzichtelijke samenvatting presenteert veelvoorkomende additieve productietechnieken die typisch gebruikt worden in snelle prototyping-processen.

Snelle prototyping gebruikt doorgaans additieve productie om testonderdelen, modellen of assemblageën te creëren. Afhankelijk van beschikbare middelen en de behoeften van de ontwerper, kunnen echter ook andere conventionele productieprocessen zoals frezen, slijpen of gieten worden gebruikt.

De veelvoorkomende prototyping-processen kunnen in vijf groepen worden onderverdeeld:

• Vat-fotopolymerisatie

• Poederbedfusie
• Materiaalextractie
• Jetting
• Binder jetting

Meer informatie over elk proces vindt u hieronder. Voor een overzicht van deze snelle prototyping-processen, leer meer over additieve productietechnologieën.

Vat-fotopolymerisatie

Een onderdeel wordt laag voor laag gecreëerd door licht te gebruiken om een fotopolymerhars om te zetten in een vast lichaam.

Stereolithografie (SLA) kan onderdelen produceren met zeer hoge dimensionele nauwkeurigheid en ingewikkelde details. Ze zijn echter doorgaans bros en hun mechanische eigenschappen kunnen achteruitgaan na verloop van tijd, waardoor de onderdelen doorgaans ongeschikt zijn voor functionele prototypes. Dit proces is het beste geschikt voor snelle prototyping van ontwerpgeometrie en bewijs van concept van onderdeelinterfaces. Het is ook geschikt voor details in de vroege fasen van het ontwerp en wanneer mechanische eigenschappen niet de primaire ontwerpfocus zijn.

Direct Light Processing (DLP) is vergelijkbaar met SLA, met het hoofdverschil in detailniveau en materiaaleigenschappen. Onderdelen geproduceerd met DLP hebben niet hetzelfde ingewikkelde detail als SLA, maar wel vergelijkbare dimensionele nauwkeurigheid en onderdeelsterkte die gelijk of groter wordt geacht dan traditionele gespruitgoten onderdelen. DLP is daarom het beste geschikt voor snelle prototyping van ontwerpgeometrie en bewijs van concept wanneer de ontwerpfocus algemene geometrie is in plaats van specifieke details, of wanneer mechanische eigenschappen een prioriteit zijn.

Continu DLP (CDLP), net als DLP, produceert onderdelen die niet hetzelfde detailniveau hebben als SLA, maar wel vergelijkbare dimensionele nauwkeurigheid en onderdeelsterkte die gelijk of groter wordt geacht dan traditionele gespruitgoten onderdelen. CDLP is daarom het beste geschikt voor snelle prototyping van ontwerpgeometrie en bewijs van concept wanneer de ontwerpfocus algemene geometrie is in plaats van specifieke details of wanneer mechanische eigenschappen een ontwerprioriteit zijn.

Poederbedfusie

Poederbedfusie (PBF) technologieën produceren een vast onderdeel door een thermische bron te gebruiken die fusie induceert, via sinteren of smelten, tussen de deeltjes van een kunststof- of metaalpoeder, laag voor laag. De belangrijkste variaties in PBF-processen worden bepaald door de verschillende energiebronnen (bijv. lasers of elektronenbundels) en poeders (kunststoffen of metalen).

Selectieve Lasersintering (SLS) gebruikt thermoplastische polymermaterialen in korrelvorm. Omdat SLS-onderdelen met veel lagen geprint worden, kunnen kleine variaties tussen onderdelen optreden. SLS kan daarom minder effectief zijn voor prototypes met ingewikkelde details of kleine toleranties. Een gladde oppervlakte is wel mogelijk te bereiken met nabewerking. SLS is het beste geschikt voor snelle prototyping wanneer onderdeelgeometrie of algemene pasvorm en functie ontwerpprioriteiten zijn. SLS kan ook voordelig zijn voor marketing- of proof-of-concept-prototypes als nabewerking haalbaar is.

Selectieve Lasersmelting (SLM) en Direct Metal Laser Sintering (DMLS) kunnen gebruikt worden voor een breed scala aan metalen materialen en vereisen doorgaans nabewerking voor oppervlakteafwerking. Deze processen zijn daarom het beste geschikt voor snelle prototyping wanneer materiaaleigenschappen een ontwerpprioriteit zijn. Ze kunnen kosteneffectief zijn als onderdeelafwerking geen probleem is.

Elektronenbundelsmelting (EBM), net als SLM en DMLS, is het beste geschikt voor snelle prototyping wanneer materiaaleigenschappen een ontwerpprioriteit zijn en kan kosteneffectief zijn als onderdeelafwerking geen probleem is. Het hoofdverschil is dat EBM beperkte materiaaltoepassingen heeft (titaan of chroom-kobalt-aliages), maar wellicht de meest geschikte optie is voor specialistische industrieën die deze materialen vereisen, zoals in de luchtvaart- en medische sector.

Multi Jet Fusion (MJF) is erg vergelijkbaar met SLS, maar met kortere afkoel- en nabewerkingstijden en grotere nauwkeurigheid en detaillering. Een diepgaande vergelijking van SLS- en MJF-processen vindt u hier. Net als SLS is MJF het beste geschikt voor snelle prototyping wanneer onderdeelgeometrie of algemene pasvorm en functie een ontwerpprioriteit zijn en kan ook gebruikt worden om een hoger detailniveau of strakkere toleranties te ondersteunen dan SLS.

Fused Deposition Modeling (FDM) is een heel veelzijdig proces voor een breed scala aan thermoplastische materialen met een korte productielevertijd. Een nadeel is dat de dimensionele nauwkeurigheid en resolutie van FDM lager zijn dan die van andere additieve productieprocessen. FDM is het beste geschikt voor vroeger in de prototypingfase, wanneer onderdeelgeometrie of algemene pasvorm en functie een ontwerpprioriteit zijn. Het is ook het beste geschikt wanneer het materiaal van het eindonderdeel vergelijkbaar is met het prototype, maar er geen zorgen zijn over details zoals functionele of betrouwbaarheidstests.

Material Jetting wordt beschouwd als een van de meest nauwkeurige 3D-printtechnologieën en kan gebruikt worden met een breed scala aan materialen in variërende kleuren en afwerkingen. Materiaaleigenschappen zijn echter niet geschikt voor functionele prototypes. Material Jetting is het beste te gebruiken voor snelle prototyping wanneer onderdeelgeometrie of pasvorm een ontwerpprioriteit is en onderdeelsterkte niet vereist is. Het is ook het beste geschikt wanneer er geen zorgen zijn over materiaaleigenschappen, zoals bewijs van concept of marketing-prototypes.

Nanopartikel Jetting (NJP) deposeert een vloeistof die metaalnanodeeltjes of ondersteuningsnanodeeltjes bevat op het bouwvak in extreem dunne lagen van druppels. De bouwomhulling wordt blootgesteld aan hoge temperaturen, waardoor de vloeistof verdampt en de metaalonderdeelstructuur achterlaat.

Drop-on-Demand (DOD) material jetting printers hebben twee printjets: één om het bouwmateriaal (meestal een wasachtige vloeistof) te depositieren en een ander voor oplosbaar ondersteuningsmateriaal. DOD-printers depositieren materiaal in een puntgewijze weg en gebruiken een vliegmes dat het bouwgebied na elke laag bijsnijdt om het oppervlak voor te bereiden voor de volgende laag.

Binder Jetting

Onderdelen gemaakt met binder jetting hebben een hoge afwerking en vorm, hoewel ze bros zijn. Binder jetting is het beste geschikt voor snelle prototyping wanneer algemene pasvorm of onderdeelgeometrie een ontwerpprioriteit is en er geen zorgen zijn over materiaaleigenschappen, zoals bewijs van concept of marketing-prototypes.

Wat zijn de voordelen en nadelen van snelle prototyping?

Vergeleken met traditionele productie- en ontwerptechnieken, gebruikt snelle prototyping moderne productietechnieken die het ontwerpproces verbeteren, inclusief verbeteringen in algehele kosten en tijd. Maar bij het overwegen van snelle prototyping, vermijd de valkuilen van overmatig gebruik, misbruik en misrepresentatie.

Hier is een overzicht van de voordelen en nadelen.

Voordelen van snelle prototyping

• Eerdere 3D-visualisatie en testen

• Meer ontwerpiteraties tegen lagere kosten

• Kosteneffectief instrument voor productontwerp en onderzoek en ontwikkeling

Nadelen van snelle prototyping

• Overmatig gebruik heeft mogelijk geen positieve impact op kosten- of tijdsbesparing

• Niet nuttig voor alle fasen van het prototypingproces

Wat zijn de commerciële toepassingen van snelle prototyping?

Toepassingen van snelle prototyping voor 3D-ontwerp en productie zijn alleen beperkt door de creativiteit van de ontwerper. Ze kunnen in alle fasen van het ontwerp- en productieproces worden gebruikt. De populairste use cases zijn hieronder gegeven.

Bewijs van concept

Een veelvoorkomende toepassing is bewijs van concept. 3D-prototypes kunnen snel en vroeg in het ontwerpproces geproduceerd worden om productlevensvatbaarheid te evalueren, ontwerpteambesprekingen te faciliteren, interesse te genereren van belangrijke stakeholders (bijv. marketing- en investeringspartijen) en verschillende ontwerpalternatieven te vergelijken. Het primaire voordeel dat snelle prototyping-processen bieden voor proof-of-concept-toepassingen is verbetering in kosten en tijd voor 3D-prototypes.

Ontwerpoptimalisatie

Snelle prototyping is ook een kosteneffectieve manier om optimalisatie te versnellen, inclusief productontwerp en onderzoek en ontwikkeling. Een ontwerkteam kan de algehele productfunctionaliteit evalueren of zich richten op sleutelattributen (bijv. geometrie, pasvorm, materiaaleigenschappen, produceerbaarheid) vroeg in het ontwerpproces zonder kosten te maken die geassocieerd zijn met traditionele productieprocessen.

Hoog-fideliteitsprototypes

Door de veelzijdigheid van additieve productieprocessen en materialen kan snelle prototyping gebruikt worden om hoog-fideliteitsprototypes te creëren die het eindproduct nauwkeurig benaderen. Dit stelt ontwerpers vaak in staat om productfunctionaliteit te demonstreren of betrouwbaarheidstesten uit te voeren tegen lagere kosten of sneller dan traditionele productieprocessen.

Wil je prototypen als een pro? Bekijk deze video over FDM 3D-printen.