Rapid Prototyping en de gieterij

De impact van 3D-printen op zand en gietstukken

3D-printen is een van de vele ontwikkelingen die snellere prototyping mogelijk maken.

Een ontwerper, ondernemer of uitvinder krijgt een idee en begint het proces om het tot leven te brengen. In eerste instantie is het idee gemaakt van schetsen en plannen, onderzoek en ontwerp, maar de focus van de ontwerper ligt op het creëren van een fysiek object. Er is geen vervanging voor het vasthouden van een mockup of prototype en het zien van een visie tot leven komen. Prototyping stelt de ontwerper in staat om vertrouwen te hebben in zijn idee, productiefouten op te lossen en investeerders of klanten na te jagen.

Tijdens de eerste lancering van een object in de wereld, moet een maker zijn nieuwe product beheren door middel van intellectuele eigendomskwesties, definitieve kostenanalyse, mechanische en esthetische zorgen, en investeerders, klanten of marktverwachtingen. Een goede prototyping-run maakt ruimte voor al deze problemen om te onderzoeken.

Gelukkig heeft de opkomst van snelle, computergestuurde prototyping de technische details van dit proces vereenvoudigd, waardoor een maker het best mogelijke product kan produceren.

Geschiedenis van prototyping

Vóór de opkomst van computerondersteunde technologieën werden alle in metaal gegoten prototypes gemaakt van met de hand ontworpen patronen. Na de eerste ontwerpfase zou een ambachtelijke patroonmaker de tekening omzetten in een driedimensionale sculptuur. Voor zandafgietsels waren deze patronen meestal gemaakt van hout, maar af en toe van metaal of keramiek. Sommige patronen werden uit was gemaakt voor een investeringsgietproces. Deze losse patronen waren de eerste algemene weergave van het uiteindelijke object.

Deze patronen zouden niet identiek zijn aan het prototype, ook al lijken ze misschien op het eindproduct. Patronen zijn vaak iets groter dan het uiteindelijke model, om krimp tijdens het metaalgieten te compenseren. Ze kunnen ook worden opgedeeld in secties, gemaakt als louter geometrische contouren voor veegmallen, of vreemde hoeken hebben die zijn ontworpen om de vervorming van samentrekkend metaal te compenseren of om trek te geven aan het patroon dat uit een zandvorm moet worden verwijderd.

Patronen zouden worden gegeven aan een deskundige gieter op de gieterijvloer, meestal om een ​​zandvorm te maken die nodig is voor het prototypegieten. De vormstap was vroeger een uitdaging, niet zo eenvoudig als gewoon een patroon in zand drukken. Een gieter moest de scheidingslijnen van het gietstuk uitsnijden en de nodige kanalen en gaten plaatsen waardoor het gesmolten metaal de mal gelijkmatig en volledig zou kunnen vullen en zonder gebreken zou kunnen afkoelen. Deze kanalen omvatten de spruw, of de ingang waarin vloeibaar metaal wordt gegoten; poorten, kanalen met variabele afmetingen die de stroomsnelheid van het gesmolten materiaal regelen; lopers, waardoor vloeibaar metaal van het ene deel van de mal naar het andere kan stromen; en stijgbuizen, zwembaden met een groot volume die langer warm blijven dan het gietstuk en daarom vloeibaar metaal in het gietstuk kunnen voeren terwijl het afkoelt en krimpt, waardoor er geen gaten ontstaan.

Uit dit nauwgezette werk van zowel de patroonmaker als de vormer zouden metalen prototypes worden gegoten.

Nadat gieterijarbeiders een schoon metalen gietstuk hadden ontvormd, kon de oorspronkelijke ontwerper het evalueren. Esthetiek, gewicht, afwerking en pasvorm zouden duidelijk worden. Als het niet alleen een decoratief object was, maar iets dat is ontworpen om mechanische belasting aan te kunnen, zou de ontwerper het object testen door het tot de aangegeven tolerantie te laden, en daarbuiten, om de constructie te controleren. Gieterijen zouden ook prototypes testen door ze te vernietigen:het gietstuk zou in stukken worden gesneden om te zoeken naar misvormingen binnenin.

Een ontwerp naar fabricage brengen zou ook de investering en het rendement duidelijker maken. Een ontwerper of uitvinder kan de prototypingfase gebruiken om te budgetteren en efficiëntie te vinden voor een volledige productierun.

Na op al deze manieren over het prototype te hebben nagedacht, kunnen er wijzigingen in het ontwerp nodig zijn. Of de aanpassingen nu groot of klein waren, ze zouden meestal weer uren werk opleveren voor de ambachtelijke patroonmaker en daarna voor de vormer.

Prototyping was een lang en kostbaar proces.

Digitalisering en computerondersteund ontwerp

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

Blauwdrukken en technische schetsen werden ooit met de hand gemaakt. Nu worden ze gedigitaliseerd via CAD-programma's (Computer Assisted Design). Het is heel eenvoudig om digitale CAD-bestanden vele malen te wijzigen via het prototypingproces, terwijl historische blauwdrukken arbeidsintensief waren om opnieuw te tekenen.

CAD-tekeningen kunnen worden omgezet in complexe en goed doordachte simulaties van de productierun en het eindproduct. Ze zijn een digitale prototypingstap, waarbij een compleet computermodel wordt gecreëerd dat meer als een eerste prototype fungeert dan mogelijk was met pen en papier. CAD-bestanden kunnen ook worden gebruikt door computerprogramma's met productie- en productie-informatie. Als een ontwerper CAD-bestanden met zijn object naar een gieterij stuurt, kunnen metaalbewerkers programma's met uitgebreide databases van metaaleigenschappen en vormprocessen gebruiken om de schets te evalueren en mogelijke problemen te voorspellen. Problemen die ooit een prototype-run hebben gekost om te ontdekken, kunnen worden gevonden voordat het eerste metaal wordt gegoten.

Deze programma's zijn ook nuttig voor de gieterij, omdat ze helpen bij het plaatsen van sprues, poorten, geleiders en stootborden op de plaatsen waar het meest solide gietstuk ontstaat, voordat het patroon ooit de gieterijvloer bereikt.

Maar hoe complex of goed ingebeeld ook, het 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 worden gemaakt, vaak lang voordat er contact wordt opgenomen met een fabrikant. Het is nu gebruikelijk dat ontwerpers hun eigen eerste prototypes in eigen huis bouwen. Of het nu in miniatuur of op schaal is, een ontwerper kan een mock-up van zijn project houden om te zien hoe het allemaal samenkomt.

3D-printen maakt deel uit van een nieuwe stijl van snel veranderend 'iteratief ontwerp'. 3D-modellen kunnen binnen een dag worden afgedrukt, bekritiseerd, gewijzigd en opnieuw worden afgedrukt. Dit is snel en goedkoop in vergelijking met het complexe proces van het maken van patronen en het gieten van metaal.

In de gieterij kan snelle prototyping ook helpen bij het creëren van patronen die op nieuwe en nieuwe manieren in de mal kunnen worden geperst. Lasergestuurde bewerking kan een patroon uit metaal fabriceren. 3D-printen kan direct patronen creëren voor het gieten van investeringen, wat efficiënt kan zijn voor korte of complexe runs.

Productie prototypes

Uiteindelijk zullen prototypes gemaakt moeten worden van het juiste materiaal op de juiste maat en zal er een korte productierun besteld worden bij de fabrikant. De komst van digitale technologieën betekent dat de patroonmaker en vormer nu elk door computerprogramma's door hun werk worden geleid, waardoor deze prototypingstappen worden versneld. Toch is niet alles veranderd. Voor de eerste prototypes van een zandgietproductieloop (of een waspatroon voor een investeringsgietstuk) wordt meestal nog een los houtpatroon gemaakt. Deze werkende modellen worden gemaakt en getest zoals ze altijd zijn geweest.

De gieterij doet nog steeds destructief onderzoek. Metaalbewerkers zullen een deel van de gietstukken snijden of kernen om ervoor te zorgen dat ze vrij zijn van defecten of dat eventuele defecten binnen de overeengekomen toleranties vallen. Wanneer de gieterij zeker is, sturen ze monsters naar de klant. De klant voltooit het gieten dan zoals hij het wil, en zet het aan het werk. Ziet het werkende prototype eruit en gedraagt ​​het zich zoals bedoeld? Kan het de verwachte belasting aan?

Bij nieuwe uitvindingen kan de innovator meerdere ronden van werkende prototypes nodig hebben om aan het ontwerp of materiaal te sleutelen. Voor meer standaardonderdelen kan het werkende prototype het proof-of-concept zijn dat klanten of investeerders zal vinden om te betalen voor een volledige productierun.

De snelheid van deze prototyping-runs wordt verhoogd door de komst van technologieën zoals echografie en röntgenstraling. Gieterijen kunnen nu zowel op niet-destructieve als op destructieve manieren testen. Technici kunnen de degelijkheid van het metaal controleren zonder het gietstuk te snijden. Dit betekent dat er minder prototypes gemaakt kunnen worden en toch volledige proofing op de productielijn mogelijk blijven. Artikelen die op niet-destructieve manieren door een gieterij zijn geïnspecteerd, kunnen van de gieterij naar de klant worden gestuurd voor inspectie, afwerking en belastingtests. Snelle prototyping wordt dan ook geboden door nieuwe niet-destructieve testopties, waardoor er minder hoeft te worden geïnvesteerd in productieprototyping-runs.

Geheimhoudingsovereenkomsten en patenten

Rapid prototyping heeft niet alleen technische problemen, maar ook intellectueel eigendom. Zodra het ontwerp de werkplaats van de ontwerper verlaat en de productiewereld betreedt, wordt IP een punt van zorg.

Als een product het eerste in zijn soort is, zal een uitvinder doorgaans van plan zijn om een ​​octrooi in te dienen. In veel situaties is het onverstandig om een ​​octrooi in te dienen voordat een werkend, productie prototype is getest. Zowel het werk dat in het maken van prototypes zit, als het testen van het ontwerp daarna, kunnen fouten opsporen die de octrooiaanvraag kunnen veranderen.

Octrooien worden openbaar aangekondigd wanneer ze worden ingediend. Rapid prototyping verwarmt de productiecyclus voor iedereen. Een gebrekkig octrooi kan creatief voer zijn voor een concurrent, die snel zijn eigen onderzoek en ontwikkeling kan starten, met het octrooi als uitgangspunt. Daarom is wachten tot het einde van het prototypen met patenteren vaak zowel kosten- als intellectuele eigendomsbescherming. Een uitvinder wil meestal geen geld uitgeven aan een ingewikkeld octrooiproces, maar het opnieuw moeten doen met concurrentie op de hielen.

Door dit proces kan een uitvinder zich kwetsbaar voelen dat iemand in het prototypingproces zijn ontwerp zou kopiëren en als eerste op de markt zou brengen. Het is daarom belangrijk om een ​​goede relatie te hebben met een gerenommeerde fabrikant en ontwerpen te laten beschermen met duidelijke geheimhoudingsverklaringen.

Snel prototypen voor een beter ontwerp

De andere kant van deze voorzichtigheid is de zakelijke drang om een ​​product op de markt te brengen, zelfs in beperkte testmarkten of voor bètatesters. Reid Hoffman, de oprichter van LinkedIn, wordt vaak geciteerd:"Als je je niet schaamt voor de eerste versie van je product, ben je te laat gelanceerd."

Rapid prototyping helpt ontwerpers een beter product te realiseren voordat ze op de markt komen. Het gemak van deze stage kan echter een sirenenlied zijn, waardoor ontwerpers blijven sleutelen om dingen perfect te krijgen voordat ze worden gelanceerd. Het is belangrijk om te onthouden dat ontwikkeling het werk van het verfijnen en perfectioneren van producten niet hoeft te beëindigen. De levensduur van een gietstuk kan beginnen met ontwerp en prototyping, maar vaak ontstaan ​​er generaties producten die van stijl, materiaal, gietmethode, mechanisch vermogen, formaat of functie enigszins veranderen.

Vorige post:Ontwerp van metaalgietenMetalen gietprocesVolgende post:Methoden voor metaalgieten