Snel Prototypen met 3D-printen: Gietereiprocessen Gerevolutioneerd

3D-printens impact op zand- en investment casting

3D-printen is een van de veel voordelen die sneller prototypen mogelijk maken.

Een ontwerper, ondernemer of uitvinder krijgt een idee en begint het proces om het tot leven te wekken. Aanvankelijk bestaat het idee uit schetsen en plannen, onderzoek en ontwerp, maar de focus van de ontwerper is gericht op het creëren van een fysiek object. Er is geen vervanging voor het vasthouden van een maquette of prototype en het zien van een visie tot leven komen. Prototypen stellen de ontwerper in staat om vertrouwen in hun idee te hebben, productiefouten op te lossen, en investeerders of klanten te werven.

Tijdens de eerste lancering van een object in de wereld, moet een schepper hun nieuwe product sturen door intellectuele eigendomsvraagstukken, finale kostenanalyse, mechanische en esthetische zorgen, en investeerder-, klant- of marktverwachtingen. Een goede prototypering run ruimte voor al deze kwesties om te worden onderzocht.

Gelukkig heeft de opkomst van snelle, computer-geleide prototypen de technische details van dit proces vereenvoudigd, waardoor een schepper het best mogelijke product kan produceren.

Geschiedenis van prototypen

Voor de opkomst van computer-geassisteerde technologieën werden alle metalen gietprototypen geconstrueerd uit handontworpen patronen. Na de initiële ontwerpfase zou een ambachtelijke patronenmaker de tekening omzetten in een driedimensionale sculptuur. Voor zandgietstukken waren deze patronen meestal van hout, maar soms van metaal of keramiek. Sommige patronen waren uit was gemaakt voor een investment casting proces. Deze losse patronen waren de eerste algemene weergave van het eindobject.

Deze patronen zouden niet identiek zijn aan het prototype, ook al zouden ze er lijken op het eindproduct. Patronen zijn vaak iets groter dan het eindmodel, om te compenseren voor krimp tijdens het metalen gietproces. Ze kunnen ook in secties gesplitst zijn, gecreëerd als louter geometrische contouren voor sweep-modellen, of rare hoeken hebben ontworpen om te compenseren voor de vervorming van krimpend metaal of om uittrek (draft) te bieden voor het patroon om uit een zandmodel te worden verwijderd.

Patronen zouden aan een expert modelmaker op de vloer van de gieterei gegeven worden, meestal om een zandmodel te maken nodig voor het prototypegieten. De modelvormingsstap was vroeger een uitdagende stap, niet zo simpel als gewoon een patroon in zand drukken. Een modelmaker moest de scheidingslijnen van het gietstuk uithollen, en de benodigde kanalen en gaten plaatsen die het vloeibare metaal zouden laten vullen het model gelijkmatig en volledig, en laten afkoelen zonder defecten. Deze kanalen omvatten de sprue, of de toegang waar vloeibaar metaal in wordt gegoten; poorten (gates), die variabel grote kanalen zijn die de stroomsnelheid van het vloeibare materiaal controleren; loopkanalen (runners), die vloeibaar metaal laten vloeien van het ene gebied van het model naar het andere; en risers, grote-volume reservoirs die langer heet blijven dan het gietstuk, en daarom vloeibaar metaal in het gietstuk kunnen voeden terwijl het afkoelt en krimpt, om gaten te voorkomen.

Uit deze zorgvuldige werk van zowel de patronenmaker als de modelmaker, zouden metalen prototypes gegoten worden.

Zodra gietereiarbeiders een schoon metalen gietstuk hadden ontmold, kon de oorspronkelijke ontwerper het evalueren. Esthetiek, gewicht, afwerking, en pasvorm zouden duidelijk worden. Als het niet alleen een decoratief object was, maar iets ontworpen om mechanische spanning te hanteren, zou de ontwerper het object testen door het te belasten tot zijn aangegeven tolerantie, en daarbuiten, om de engineering te controleren. Gietereiën zouden ook prototypes testen door ze te vernietigen: het gietstuk zou in stukken gesneden worden, om deformaties binnenin te zoeken.

Een ontwerp naar productie brengen zou ook de investering en opbrengst duidelijker maken. Een ontwerper of uitvinder zou de prototyperingsfase kunnen gebruiken om te budgetteren en efficiënties te vinden voor een volledige productierun.

Na na te denken over het prototype in al deze manieren, zouden veranderingen in het ontwerp nodig kunnen zijn. Of de wijzigingen groot of klein waren, ze zouden meestal weer uren werk creëren voor de ambachtelijke patronenmaker, en voor de modelmaker daarna.

Prototypen was een langdurig en kostbaar proces.

Digitalisatie en computer-geassisteerd ontwerp

De opkomst van rapid prototyping heeft het veel makkelijker gemaakt om een werkend model te creëren. Het vertraagt ook de eerste keer dat een fysiek object nodig is.

Blauwdrukken en technische schetsen werden vroeger allemaal met de hand gedaan. Nu worden ze gedigitaliseerd door CAD-programma's (Computer Aided Design). Het is heel simpel om digitale CAD-bestanden vaak te wijzigen tijdens het prototyperingsproces, terwijl historische blauwdrukken arbeidsintensief waren om opnieuw te tekenen.

CAD-tekeningen kunnen omgezet worden in complexe en goed geïmagineerde simulaties van de productierun en het eindproduct. Ze zijn een digitale prototyperingsstap, die een compleet computermodel creëert dat meer fungeert als een initieel prototype dan met pen en papier mogelijk was. CAD-bestanden kunnen ook gebruikt worden door computerprogramma's die productie- en fabricage-informatie hebben. Als een ontwerper CAD-bestanden met hun object naar een gieterei stuurt, kunnen metallurgen programma's met enorme databases van metaaleigenschappen en modelvormingsprocessen gebruiken om de schets te evalueren en mogelijke problemen te voorspellen. Problemen die ooit een prototyperingsrun nodig hadden om ontdekt te worden, kunnen gevonden worden voordat het eerste metaal wordt gegoten.

Deze programma's zijn ook handig voor de gieterei, helpen bij het plaatsen van sprues, gates, runners en risers op de plekken die het meest solide gietstuk zullen creëren, voordat het patroon ooit de vloer van de gieterei bereikt.

Toch, hoe complex of hoe goed geïmagineerd, ze zijn nog steeds abstracties. Mensen hebben vaak een fysiek prototype nodig om een ontwerp echt te begrijpen.

Mockups en pre-productie prototypes

Met de komst van 3D-printen, kunnen mockups snel en op elke schaal gemaakt worden, vaak wel voordat een fabrikant wordt gecontacteerd. Het is nu gangbaar voor ontwerpers om hun eerste prototypes in-house te bouwen. Of in miniatuur of op schaal, kan een ontwerper een mockup van hun project vasthouden om te zien hoe het allemaal bij elkaar past.

3D-printen is onderdeel van een nieuwe stijl van snel veranderend "iteratief ontwerp". 3D-modellen kunnen geprint, bekritiseerd, gewijzigd, en opnieuw geprint worden, allemaal binnen een dag. Dit is snel en goedkoop vergeleken met het complexe proces van patronenmaken en metalen gieten.

In de gieterei kan rapid prototyping ook helpen patronen te creëren die in het model worden geperst op nieuwe en nieuwe manieren. Lasergestuurde bewerking kan een patroon uit metaal fabriceren. 3D-printen kan direct patronen voor investment casting creëren, wat efficiënt kan zijn voor korte of complexe runs.

Productieprototypes

Uiteindelijk zullen prototypes gemaakt moeten worden van het juiste materiaal op de juiste maat en een korte productierun besteld worden bij de fabrikant. De aanval van digitale technologieën betekent dat de patronenmaker en modelmaker nu elk door computerprogramma's begeleid worden door hun werk, wat deze prototyperingsstappen versnelt. Toch is niet alles veranderd. Een los houten patroon wordt nog steeds meestal gecreëerd voor de eerste prototypes van een zandgietproductierun (of een waspatroon voor investment casting). Deze werkmmodellen zullen gemaakt en getest worden zoals ze altijd zijn.

De gieterei doet nog steeds destructieve testen. Metaalwerkers zullen sommige van de gietstukken snijden of boren om te zorgen dat ze vrij zijn van defecten, of dat eventuele defecten binnen overeengekomen toleranties liggen. Wanneer de gieterei vertrouwt, zullen ze monsters naar de klant sturen. De klant werkt het gietstuk dan af zoals ze van plan zijn, en zet het aan de slag. Ziet en gedraagt de werkende prototype als bedoeld? Kan het de verwachte belasting aan?

Bij nieuwe uitvindingen kan de innovator meerdere rondes werkende prototypes nodig hebben om met het ontwerp of materiaal te knutselen. Voor meer standaard onderdelen kan het werkende prototype het bewijs van concept zijn dat klanten of investeerders vindt om te betalen voor een volledige productierun.

De snelheid van deze prototyperingsruns wordt verbeterd door de komst van technologieën zoals ultrasoon en röntgen. Gietereiën kunnen nu op niet-destructieve manieren testen alsook destructieve. Technici kunnen de klankheid van het metaal controleren zonder het gietstuk te snijden. Dit betekent dat minder prototypes gemaakt hoeven te worden en toch volledige bewijskracht op de productielijn bieden. Items die door een gieterei op niet-destructieve manieren geïnspecteerd zijn, kunnen van de gieterei naar de klant gestuurd worden voor inspectie, afwerking, en belastingstesten. Rapid prototyping wordt dan ook geleverd door nieuwe niet-destructieve testopties, die toestaan dat minder geïnvesteerd hoeft te worden in productieprototyperingsruns.

Non-disclosure agreements en octrooien

Het is niet alleen technische kwesties die beïnvloed worden door rapid prototyping, maar ook kwesties van intellectueel eigendom. Zodra het ontwerp de werkplaats van de ontwerper verlaat en in de wereld van productie stapt, wordt IP een zorg.

Als een product eerste van zijn soort is, zal een uitvinder over het algemeen plannen om een octrooi in te dienen. In veel situaties is het onwijs om een octrooi in te dienen voordat een werkend, productieprototype getest is. Zowel het werk dat in prototypen gaat, als het testen van het ontwerp daarna, zouden fouten kunnen oppikken die de octrooiaanvraag zouden kunnen veranderen.

Octrooien worden openbaar gemaakt bij indiening. Rapid prototyping verhit de productiecyclus voor iedereen. Een foutief octrooi kan creatieve voedingsbodem zijn voor een concurrent, die snel in hun eigen onderzoek en ontwikkeling kan stappen, het octrooi als basislijn gebruikmakend. Daarom is wachten tot het einde van prototypen om te octrooieren vaak zowel kosten- als intellectueel-eigendomsbeschermend. Een uitvinder wil meestal geen geld uitgeven aan een ingewikkeld octrooiproces, om het daarna te moeten herhalen met concurrenten op de hielen.

Dit proces kan een uitvinder kwetsbaar laten voelen dat iemand in het prototyperingsproces hun ontwerp kan kopiëren en het eerder op de markt brengt. Het is daarom belangrijk om een goede relatie te hebben met een betrouwbare fabrikant en ontwerpen te beschermen met duidelijke Non-Disclosure Agreements.

Rapid prototyping voor beter ontwerp

De andere kant van deze voorzichtigheid is de zakelijke drang om een product eruit te krijgen, zelfs als in beperkte testmarkten of naar bètatesters. LinkedIn-oprichter Reid Hoffman wordt veel geciteerd met: "Als je niet beschaamd bent door de eerste versie van je product, heb je te laat gelanceerd."

Rapid prototyping helpt ontwerpers een beter product te realiseren voordat ze op de markt gaan. De gemak van deze fase kan een zirengezang zijn, die ontwerpers aan het knutselen houdt om dingen perfect te krijgen voordat ze lanceren. Het is belangrijk te onthouden dat ontwikkeling niet hoeft te eindigen met het verfijnen en perfect maken van producten. Het leven van een gietstuk mag beginnen met ontwerp en prototypen, maar ontkiemt vaak generaties producten die lichtjes veranderen in stijl, materiaal, gietmethode, mechanische capaciteit, grootte, of functie.