Prototypowanie do produkcji seryjnej

Wyobraź sobie miejsce, a w nim firmy z całej Polski  wykonujące usługi  prototypowania. Za pomocą jednego zlecenia Twoje zapytanie trafia do wszystkich jednocześnie. 

Tak działa LASERTRADE.

Dodawanie zleceń, otrzymywanie wycen i nawiązywanie współpracy dotyczących prototypowania jeszcze nigdy nie było tak proste.

Prototypowanie do produkcji seryjnej w technice 3D oraz w formach wtryskowych – porównanie obu technologii

Projektanci i producenci doskonale wiedzą, jak długa nieraz droga dzieli nas od pojawienia się w naszej głowie idei, koncepcji, pomysłu, aż do wdrożenia go w życie i trzymania w ręku gotowego produktu. Po to powstał Portal Produkcyjny LaserTrade – aby znacznie skrócić tę drogę i zdecydowanie ją ułatwić. W LaserTrade znajdziesz nie tylko moc inspiracji, ale także narzędzia, aby pomysł przekuć w czyn. Nie trzeba się martwić wykonaniem, albowiem w jednym miejscu skupiliśmy projektantów, dostawców materiałów i wykonawców z całej Polski. Ty sygnalizujesz chęć wykonania – nasi Partnerzy przedstawiają swoje oferty. Prościej już się nie da.

W wielu branżach, aby proces produkcyjny mógł zakończyć się sukcesem, warto budować prototypy.

Czym są prototypy i w jakim celu wykonuje się prototypowanie?

Zacznijmy od tego, że prototypowanie jest procesem eksperymentalnym, mogącym być realizowanym przez zespoły projektowe w formach namacalnych (w różnych materiałach), jak również formach cyfrowych – wszystko zależy od dziedziny w jakiej się poruszamy oraz ustalonego celu.

Krótko mówiąc: prototyp (z łacińskiego: proto – oryginał, typus – model) to po prostu pierwszy egzemplarz kontrolny (lub jeden z pierwszych egzemplarzy) jakiegoś nowego wyrobu bądź też wyrobu charakteryzującego się istotnymi zmianami w stosunku do wyrobów dotąd produkowanych. Wykonuje się go w celu dokonania oceny wprowadzonych zmian konstrukcyjnych. Badania prototypu mają ocenić przydatność wyrobu, jego charakterystyk technicznych i eksploatacyjnych, a także zweryfikować dokumentację konstrukcyjną (np. zgodność parametrów rzeczywistych z założonymi), a czasami również technologiczną (gdy istnieje). Mogą być wykonywane także po to, żeby porównać cechy wyrobu z wyrobem/wyrobami już istniejącymi – niejednokrotnie jest to w stanie przestrzec zakład produkcyjny przed stratami związanymi z wprowadzeniem do obiegu produktu wadliwego, przestarzałego, o cechach nieodpowiadających potencjalnym nabywcom. Z tego względu racjonalne przygotowanie i rzetelne przeprowadzenie prób prototypu ma duże znaczenie w produkcji masowej oraz wielkoseryjnej. Ważne jest, aby to właśnie na etapie prototypowania wychwycić wszystkie możliwe wady lub elementy wymagające dopracowania, bo koszty źle przeprowadzonej operacji mogą być znaczne i dotkliwe. 

Prototypy testujemy na określonej grupie użytkowników po to, aby mieć szansę w odpowiednim momencie walidować i udoskonalać projekty, po czym na rynek wypuścić wersję odpowiadającą potrzebom wytwórcy oraz nabywców. Odpowiednio wykorzystana rola prototypu, symulującego rzeczywisty i przyszły produkt, jest w stanie przyciągnąć klientów do inwestycji w produkt, jeszcze przed przydzieleniem zasobów koniecznych do jego wdrożenia. Przetestowanie poprawności projektu i wczesne wykrycie ewentualnych błędów projektowych przed uruchomieniem produkcji to często nie tylko wymierne korzyści finansowe wynikające z uniknięcia niepotrzebnych kosztów, ale także praca nad dobrym imieniem firmy i korzystnym wizerunkiem marki w oczach odbiorców.

Jakie jeszcze wartości niesie w sobie korzystanie z prototypowania?

Otóż jest ich znacznie więcej niż tylko wyżej wymienione. Prototypy – używane w każdej niemal gałęzi przemysłu – pomagają opracować aspekty rzeczywistego produktu końcowego i dostarczają wykonawcy wielu przydatnych informacji zwrotnych. Przede wszystkim pokazują, że wykonanie projektu jest możliwe do realizacji, wskazują na cechy produktu, pozwalają przetestować je w praktyce, ukażą efekt końcowy prac, finalną estetykę oraz użyteczność produktu. Dostarczą faktycznych informacji na temat technik produkcji, wykorzystanych materiałów oraz poniesionych kosztów. W końcu – pozwolą na realne „zetknięcie się” z dystrybutorami, sprzedawcami detalicznymi, klientami oraz zbadanie ich reakcji na wprowadzony produkt. Wszystko to pozwoli nam na ewentualne zmiany w dotychczasowych planach, które dotąd były tylko założeniami i koncepcjami, a teraz oparte są na faktycznie przeprowadzonych badaniach. Przecież jak coś robić, to najlepiej robić to dobrze, w końcu każdemu zależy na tym, aby odnieść sukces, a nie porażkę.

Często – w celu zmniejszenia prawdopodobieństwa całkowitej dyskwalifikacji prototypu lub konieczności jego znacznych przeróbek (zwłaszcza gdy mamy do czynienia z dużymi, ciężkimi maszynami czy urządzeniami w produkcji małoseryjnej lub jednostkowej) – korzysta się z badań modelowych wyrobów. Wynik badań może posłużyć do wprowadzenia zmian konstrukcji modelu (w miejsce znacznie kosztowniejszych zmian wyrobu) i może pozwolić na wyeliminowanie niektórych prób prototypu.

Obok pojęcia prototypu spotkać się można także z takimi określeniami jak: seria prototypowa czy seria próbna

W serii prototypowej chodzi o to, że zwiększenie liczby prototypów to jednocześnie zwiększenie zakresu prób bądź też skrócenie czasu ich trwania. Z kolei seria próbna ma na celu sprawdzenie, czy wykonane oprzyrządowanie produkcji zagwarantuje jakość i charakterystykę wyrobów takie same, jak w przypadku prototypu.

Przy okazji warto poruszyć temat homologacji, czyli prób prototypu, których działanie i charakterystyka muszą być zgodne z istniejącymi przepisami (np. dotyczącymi silników lotniczych), a zatem konieczne jest, aby przeprowadzane one były w obecności przedstawicieli władz ustanowionych do kontroli przestrzegania tych przepisów.

Prototyp w procesie innowacyjnym

Podobnie jak od idei do gotowego produktu droga czasem jest daleka, tak samo z powstaniem samego prototypu (a więc niejako pierwszym urzeczywistnieniem naszego pomysłu) związany jest cały ciąg uporządkowanych działań, noszący nazwę procesu innowacyjnego.

Z czego bierze się proces rozwoju innowacji produktowych? Naturalnie z – dobrze nam znanej (i bliskiej też sercu załogi Portalu Produkcyjnego LaserTrade) – idei UDOSKONALENIA. Ona przekształcana jest w kreację i ostateczne wdrożenie. Często wielowymiarowe badania poprzedzają aplikację nowego rozwiązania. Na podstawie szczegółowych opisów produktu (zawierających dane takie jak: elementy składowe, kształt, wielkość), zawartych w dokumentacji technicznej, konstruowane są prototypy testowe. Ich testowanie – testowanie alfa – odbywa się bardzo często przy współudziale klienta, który wskazuje, które obszary wymagają modyfikacji i poprawy; dopiero uzyskanie pozytywnego wyniku próby przekierowuje testy do warunków laboratoryjnych, gdzie przystępuje się do testu beta (związanego w głównej mierze z kontrolą parametrów wytrzymałościowych oraz reakcji produktu na skrajne warunki). Wyniki rzetelnych obserwacji pomagają wprowadzić ewentualne udoskonalenia techniczne i produkcyjne. Coraz częściej zwraca się przy tym uwagę na aspekt środowiskowy. Świadomość ekologiczna i zastosowanie podejścia „eco design” wpływają na minimalizację wpływu cyklu produkcyjnego oraz zastosowanych materiałów na środowisko.

Przedstawione wyżej podejście jest oczywiście jednym z wielu możliwych do zastosowania. Spotkać się można także z modelem podażowym i modelem popytowym. W tym pierwszym mamy do czynienia z niezwykle rozbudowaną strukturą naukowo-badawczą, dającą ogromne możliwości techniczne, technologiczne, a przy tym niosącą ze sobą szereg niespotykanych dotąd rozwiązań. W tym modelu opinii klienta nie uwzględnia się, z pełnymi konsekwencjami, podejmując ryzyko ujemnej oceny rynku nabywców. Odwrotnością jest tu model popytowy, który traktuje proces innowacyjny jako mający na celu zaspokojenie oczekiwań klientów. W tym przypadku istnieje mniejsze ryzyko odrzucenia produktu przez rynek, za to trzeba liczyć się z tym, że produkt prawdopodobnie będzie miał mniej cech określanych jako odkrywcze.

Podsumowując rozdział, można powiedzieć, iż prototypowanie ma swoje wyraźne miejsce w procesie innowacji. Wypełnia lukę pomiędzy pomysłami koncepcyjnymi a rzeczywistymi, możliwymi do wykonania rozwiązaniami. Pozwala twórcom rozmaitych rozwiązań odpowiadać na pytania i walidować/nieważne założenia, co wiedzie do testowania, uczenia się oraz doskonalenia komponentów i kompletnych rozwiązań. Jest to taki swoisty pomost pomiędzy koncepcjami a najlepszym możliwym rozwiązaniem. Proces prototypowania obejmuje zarówno prototypowanie „szybkie” lub „komponentowe”, jak i prototypowanie „pełne rozwiązanie”, i ma charakter cykliczny. 

Typologia prototypów

Kategorii prototypów istnieje kilka i dostarczają one innych informacji zwrotnych na różnych etapach produkcji. Każda z tych kategorii ma inną funkcję oraz wygląd. Prototypy można wykonywać z różnych materiałów, w innej skali, a czasem też i o innym wyglądzie niż zamierzony produkt końcowy – a korzyści z każdego z nich także będą odmienne i różnorodne.

  • Proof of Concept (PoC), czyli badanie słuszności koncepcji, czy też inaczej dowód koncepcji,to demonstracja mająca na celu sprawdzenie, czy dana koncepcja lub teoria ma przełożenie na potencjał praktyczny. Krótko mówiąc: jest to testowanie projektowe produktu bez pełnej funkcjonalności. Model ten ma na celu sprawdzenie, czy materiały i produkty zachowują się tak, jak powinny. Zdecydowaną korzyścią wypływająca z zastosowania tej kategorii prototypu jest możliwość dokonania zmian projektowych przed rozpoczęciem właściwego procesu produkcyjnego. Pozwala to zaoszczędzić zarówno pieniądze, jak i czas.
  • Prototyp Visual (wizualny prototyp) ma na celu dosłownie to, na co wskazuje jego nazwa, a zatem ma zobrazować wielkość i wygląd gotowego produktu, a nie skupiać się na jego funkcjonalności. Często wykorzystywany jest w marketingu reklam i opakowań.

Częścią tej kategorii jest prototyp Form Study, podkreślający geometryczne cechy projektu, ale nie wskazujący na takie aspekty jak kolor czy tekstura.

  • Prototyp roboczy skupia się na funkcjonalności gotowego produktu, na tym, czy będzie on wypełniał swoje funkcje jak należy (aby w razie czego móc zmienić projekt, poprawiając jego funkcjonalność), nie zaś na jego ostatecznym wyglądzie.
  • Prototyp funkcjonalny charakteryzuje to, że ma zarówno wygląd, jak i funkcjonalność produktu końcowego, może być jednak wykonany z innych materiałów, w innej skali oraz przy użyciu innych technik niż produkt finalny. Prototypy funkcjonalne wykorzystywane są często w celu uzyskania funduszy na produkcję, a wykorzystując inną skalę czy inne materiały – czyni się to w celu oszczędności.
  • Prototyp User Experience ma na celu umożliwienie przeprowadzenia badań konsumenckich, mających wskazać, czy produkt spełnia potrzeby i oczekiwania użytkownika końcowego. Pozwala on na sprawdzenie i ocenienie, w jaki sposób nabywcy będą użytkować produkt, jak będą z nim „współdziałać” – a dzięki tej wiedzy można wprowadzić różne usprawnienia, mogące wpłynąć na zwiększenie zadowolenia konsumentów.

Powszechne metody prototypowania

Istnieją różne metody prototypowania, a wśród najczęściej stosowanych wyróżniamy:

  • Modelowanie przepływu pracy – skoncentrowane głównie na czynniku ludzkim, demonstruje układ obecnie wykonywanych operacji.
  • Storyboarding – prezentuje układ obrazów i schematów (zawierających opisy tekstowe), demonstrujących zachodzące czynności.
  • Symulacja – używana zwykle do demonstracji rozwiązań, a także kluczowych komponentów rozwiązania, pozwalająca na testowanie scenariuszy, danych czy zachodzących procesów biznesowych.
  • Papier i ołówek – czyli podstawowe przybory pozwalające opracować najprostsze plany czy schematy procesu tudzież interfejsu.

Jakie są zalety wypływające ze stosowania prototypowania?

Stosowanie prototypów przynosi wiele korzyści, obejmujących między innymi:

  • wykrycie i określenie problemów projektowych oraz innych problemów produkcyjnych na wczesnym etapie – dzięki czemu ustrzec się można przed problemami na dalszym etapie, unikając przy tym jednocześnie ewentualnych kosztów odpadów czy reprodukcji wadliwych części,
  • możliwość oszacowania kosztów i czasu produkcji oraz wymagań materiałowych, a także zapotrzebowania na personel – czyli elementów niezbędnych na etapie tworzenia produktu finalnego – co pomaga w stworzeniu budżetu i określeniu finalnego kosztu produktu,
  • zdefiniowanie maszyn niezbędnych do produkcji – sprawdzenie, czy wystarczy obecny park maszynowy, czy też konieczny jest zakup nowych urządzeń albo przynajmniej adaptacja do istniejących,
  • przeprowadzenie badań mających określić wartości takie jak: zgodność czy trwałość – prototypy pomagają określić, czy wykorzystane materiały są trwałe, oporne na zużycie, a dopasowanie części prawidłowe (dzięki czemu oszczędza się czas na niepotrzebne przeróbki i koszty zmarnotrawionych materiałów),
  • obserwowanie informacji zwrotnych od użytkowników końcowych oraz dystrybutorów – dzięki feedbackowi od interesariuszy można zidentyfikować i wprowadzić konieczne usprawnienia, aby produkt w finalnej wersji okazał się pożądany na rynku oraz by dawał satysfakcję i spełniał potrzeby i oczekiwania odbiorców,
  • zdefiniowanie ostatecznej funkcji i konstrukcji,
  • możliwość pozyskania finansowania na zdefiniowany produkt, przekonania do niego inwestora.

Podsumowując: korzyści z prototypów jest naprawdę wiele i mogą być one wykorzystane w prawie każdym środowisku biznesowym. Prototyp daje możliwość szybkiego dostarczenia wizualnej reprezentacji końcowego rozwiązania. Poprzez prototypy można w swobodny sposób formułować swoje poglądy i pomysły. Precyzyjne i szczegółowe prototypy wybranego fragmentu funkcjonalności mogą służyć jako przydatny sposób na znalezienie nowych technologii bądź też mogą być wykorzystane przy sporządzeniu technologicznych studiów wykonalności. Dzięki prototypom wiele firm uniknęło problemów i niepowodzenia w postaci produktów, które okazały się niefunkcjonalne i niepożądane na rynku, choć formalnie spełniały warunki specyfikacji. Tak więc choć prototypowanie stanowi dodatkowy koszt, to zwraca się on wielokrotnie w postaci dopracowanego produktu oraz – co jest nie do przecenienia – lepszego wizerunku marki. A dzięki różnorodności i szerokiemu zakresowi dostępnych prototypów, bez względu na to, czy trzeba zidentyfikować problemy produkcyjne, poprawić jakieś elementy projektowe czy ich funkcjonalność, oszacować koszty i budżet, przeprowadzić konieczne badania albo postarać się o dofinansowanie na produkcję – każdy może wybrać metodę, podług swoich potrzeb.

Czy prototypowanie ma wady lub ograniczenia?

Ależ oczywiście, wszak każdy kij ma dwa końce.

  • Jedną z zasadniczych wad jest koszt tworzenia prototypów. Na szczęście obecne technologie dają rozmaite możliwości – przykładowo użycie do tworzenia prototypów drukarek 3D pozwala znacznie zminimalizować koszty. Nie trzeba do tego celu od razu kupować drukarki 3D, są firmy, które wykonują taką pracę na zlecenie. Portal Produkcyjny LaserTrade skupia poprzez sieć partnerską szereg takich firm.
  • W przypadku bardzo skomplikowanych procesów zdarza się, że cała uwaga skierowana zostaje głównie na to „jak stworzyć prototyp”, a nie skupia się na sednie, czyli na tym, „co musi być w nim zrealizowane”.
  • Może dojść do nieporozumień z klientem, który nie będzie rozumiał, że choć widzi „gotowy produkt”, to w rzeczywistości jest od dopiero w początkowej fazie rozwoju, a nie jest końcowym rozwiązaniem.
  • Może też zdarzyć się sytuacja, że uwaga użytkownika, któremu zostanie udostępniony prototyp, skoncentruje się głównie na zachowaniu oraz wyglądzie zaproponowanego rozwiązania, a nie wymaganej użyteczności. Albo może wystąpić pokusa narzucania producentowi rozwiązań, podczas gdy on sam – mając przecież odpowiednią ku temu wiedzę i doświadczenie – mógłby wypracować jakieś lepsze systemy.

PROTOTYPOWANIE 3D, czyli jak usprawnić proces produkcyjny?

Tworzenie prototypu bywa nietanim oraz długotrwałym procesem. Na szczęście, jak wspomnieliśmy wyżej, istnieją techniki mogące pomóc w usprawnieniu procesu rozwoju produktu, pozwalając na tworzenie wysokiej jakości prototypów, jednocześnie minimalizując poniesione na to koszty. Idealnym rozwiązaniem są tu ekonomiczne prototypy wykonane w technice druku 3D. Opracowywanie projektu z wykorzystaniem druku 3D otwiera dostęp do szerokiej gamy wydajnych materiałów do druku 3D, co pozwala zaoszczędzić czas i pieniądze. 

Prototypowanie 3D, zwane także szybkim prototypowaniem, nie ogranicza się jedynie do druku 3D, a w rzeczywistości odnosi się do procesu iteracji projektu poprzez szybkie wytwarzanie fizycznych prototypów i wprowadzanie niewielkich zmian na każdym etapie w celu jego ulepszenia.

Przykładowe rodzaje procesów drukowania 3D

Druk 3D jest metodą produkcji addytywnej, czyli – innymi słowy mówiąc – materiał dodawany jest do momentu powstania wymaganego kształtu. Z uwagi na wymagany poziom dokładności wyróżnić możemy następujące rodzaje procesów drukowania:

  • FDM – modelowanie osadzania stopionego

Zalecane przy prototypach pierwszej generacji lub do użytku domowego. Drukarki wykorzystujące tę metodę są najpopularniejszymi i najtańszymi dostępnymi na rynku drukarkami. Wykorzystują włókno termoplastyczne, stapiając je i wytłaczając warstwa po warstwie.

Zalety:

  • niski próg wejścia,
  • tanie materiały eksploatacyjne,
  • tania eksploatacja,
  • łatwość serwisowania,
  • możliwość drukowania z prawie tych samych materiałów, jakie są wykorzystywane w technologii formowania wtryskowego (ABS, PLA, nylon etc.),
  • szybkość pracy,
  • post-processing,

Wady:

  • niezbyt duża dokładność w porównaniu z innymi metodami wytwórczymi,
  • problemy ze skurczem,
  • post-processing skomplikowanych geometrii.
  • SLA – stereolitografia

Drukowanie w technologii SLA nie jest tak tanie jak we wcześniejszej wspomnianej technologii (FDM), ale zalecane jest w przypadku prototypów o wysokiej rozdzielczości. Polega na tym, że drukarka SLA posiada zbiornik wypełniony płynną żywicą, do którego powoli wsiąka platforma, a potem podnosi się i światło UV utwardza każdą warstwę. Proces jest powtarzany aż do momentu uzyskania modelu bryłowego. 

Zalety:

  • wysoka precyzja drukowanych modeli,
  • łatwość usuwania struktur podporowych,
  • możliwość stosowania żywic biokompatybilnych,

Wady:

  • wyższy próg wejścia,
  • wysoka cena materiałów eksploatacyjnych,
  • post-processing,
  • „brudny” proces druku.
  • SLS – selektywne spiekanie laserowe

Jest to metoda znacznie droższa niż FDM czy SLA, bardziej specjalistyczna, toteż zalecana do prototypów przemysłowych wysokiej klasy. W drukarkach tych używany jest proszek, spiekany za pomocą lasera warstwa po warstwie, aż do momentu ukończenia drukowania modelu 3D.

Zalety:

  • możliwość drukowania obiektów z wytrzymałych termoplastów,
  • możliwość drukowania obiektów o skomplikowanych geometriach,
  • możliwość piętrowania wydruków,
  • technologia dedykowana do produkcji seryjnej,
  • możliwość drukowania finalnych detali dla lotnictwa, motoryzacji etc.

Wady:

  • bardzo wysoki próg wejścia,
  • konieczność zapewnienia kosztownej infrastruktury,
  • „brudny” proces druku.

Przykładowe materiały wykorzystywane do druku prototypów 3D

Wybór materiału tak naprawdę zależy od projektu. Najtańszym rozwiązaniem na tym etapie rozwoju produktu są materiały plastikowe.

  • Nylon PA12 

 Jeden z najbardziej przystępnych cenowo materiałów, o wielu użytecznych właściwościach mechanicznych. Biały. Wykonany z drobnego poliamidu w proszku, idealny zarówno do prototypowania, jak i do produkcji. Wykorzystanie tego materiału pozwala na wykonanie wielu iterakcji, co daje dużą swobodę w zakresie geometrii.

  • Multi Jet Fusion PA12

Jest szarym tworzywem sztucznym. Jego surowa wersja jest tania, dlatego pozwala na wykonanie wielu iteracji po niższych kosztach. Materiał doskonale nadający się zarówno do prototypowania, jak i produkcji. Obiekty zadrukowane tym materiałem są dobrze zabezpieczone przed zarysowaniami i ścieraniem, dlatego są dobrym rozwiązaniem do przeprowadzania testów. Eksperymenty na nim przeprowadzać można również w warunkach zewnętrznych, gdyż jest stabilny na warunki atmosferyczne, a także stabilizowany na światło i na UV.

  • Żywica do prototypowania

Żywica opracowana specjalnie do prototypów, dobrze przystosowana do prototypów niefunkcjonalnych. Używana zwłaszcza w procesie stereolitografii (SLA). Idealna do produkowania bardzo szczegółowych części. Zapewnia gładkie wykończenie powierzchni, dość podobne do przedmiotów produkowanych metodą wtrysku tworzyw sztucznych. Żywica ta jest często wykorzystywana w procesie stereolitografii (SLA).

  • TPU

Przypominający gumę materiał o dużej elastyczności i wysokiej wytrzymałości. Idealny dla w pełni funkcjonalnych prototypów. Odporny na naprężenia i zmęczenie, dlatego może być stosowany nawet do produktów końcowych.

Zalety prototypów do druku 3D

  • Tworzenie różnych iteracji

Druk 3D to przede wszystkim dużo większe możliwości niż w przypadku innych technik produkcyjnych. Daje więcej swobody, głównie z uwagi na to, że jest tworzony z cyfrowego modelu, przy użyciu oprogramowania do modelowania 3D. Można stworzyć dowolny projekt od podstaw, uzyskać wizualizację, dostosować model 3D do określonych potrzeb, a następnie nadać mu formę, drukując go.

Nie trzeba przy tym tworzyć całej formy dla każdej iteracji projektu – można wykonywać różne iteracje, dzięki czemu można prototyp idealnie dopasować do oczekiwań co do produktu końcowego.

  • Elastyczność

Zaletą drukowania 3D jest zdolność do wytworzenia niemal wszystkiego, co zmieści się w obszarze pola roboczego. Ta możliwość tworzenia „niemal niemożliwych” geometrii, a także możliwość włączenia wielu materiałów podczas drukowania jednego obiektu oznacza jednocześnie możliwość wykonania praktycznie każdego projektu. Druk 3D to tak naprawdę nieograniczone możliwości.

  • Oszczędność pieniędzy

Przy zastosowaniu druku 3D nie ma konieczności tworzenia formy, aby móc stworzyć obiekt, dlatego od razu można przejść do tego, co jest istotne – i to pozwala na oszczędność pieniędzy, ale i czasu.

  • Oszczędność czasu

Zastosowanie druku 3D jest idealnym rozwiązaniem do szybkiego tworzenia prototypów i pozwala znacznie przyspieszyć cały proces rozwoju produktu. Dzięki drukowaniu 3D można wykonać tyle iterakcji, ile jest potrzebnych.

  • Przeprowadzanie testów z funkcjonalnymi prototypami

Szeroki dostęp do zróżnicowanych, zaawansowanych materiałów do druku 3D pozwala w pełni wykorzystać imponujące właściwości do produkcji zaawansowanych funkcjonalnych prototypów. Wiele z nich może być stosowanych zarówno w procesie prototypowania, jak i produkcji. Duża elastyczność druku 3D w zakresie szybkości i doboru materiałów pozwala na produkcję obiektów o niskiej lub średniej wydajności przy niskich kosztach, ale nie nadaje się do produkcji masowej.

Druk 3D jest przydatny do prototypowania w projektowaniu biżuterii, w architekturze lub inżynierii do tworzenia części mechanicznych, obudów, modeli architektonicznych, rekwizytów i funkcjonalnych produktów konsumenckich.

Jak drukować prototypy 3D?

Przymierzasz się do stworzenia funkcjonalnego prototypu, ale nie wiesz, jak to zrobić? Skorzystanie z zewnętrznej usługi druku 3D jest doskonałym rozwiązaniem. Korzystając z usług Portalu Produkcyjnego LaserTrade, uzyskasz dostęp do technologii, materiałów przemysłowych, a skupieni w jednym miejscu eksperci od druku 3D wyślą ofertę na Twoje zapytanie wprost na Twoją skrzynkę e-mailową. Korzystając z usług Portalu Produkcyjnego LaserTrade, nie musisz znać się na wszystkim – od tego są specjaliści zrzeszeni w naszej sieci partnerskiej. 

FORMOWANIE WTRYSKOWE

Formowanie wtryskowe jest jednym z najczęściej stosowanych procesów produkcji elementów z tworzyw sztucznych. Polega na tym, że tworzywo sztuczne jest topione w maszynie do formowania wtryskowego, a w kolejnym kroku wtryskiwane do formy, gdzie ulega schładzaniu i krzepnięciu w końcowej części.

Jest to proces przydatny zwłaszcza dla osób z sektora rozwoju produktów konsumenckich, gdyż tworzywa sztuczne są obecnie jednym z najczęściej stosowanych składników wielu produktów konsumenckich, a formowanie wtryskowe to jedna z najlepszych metod ich wytwarzania. 

Główne etapy formowania wtryskowego

  • Krok 1: Projektowanie produktu

Jest to jeden z ważniejszych etapów procesu produkcyjnego, ponieważ to właśnie w tym momencie jest okazja, aby pomyśleć i zapobiec kosztownym błędom. Właściwym projektem jest ten, który osiąga wymagane cele na zadowalającym poziomie, ale przy okazji może on wymagać sporej kreatywności. Projektowanie produktu odbywa się zazwyczaj przy użyciu oprogramowania wspomagającego projektowanie (CAD), takiego jak SolidWorks. Biegła znajomość oprogramowania CAD pozwala na szybsze iteracje i dokładniejsze prototypowanie w razie potrzeby.

Jednym ze sposobów uniknięcia kosztownych błędów podczas procesu projektowania jest planowanie jednolitej grubości ścianek (jeżeli tylko jest to możliwe), a gdy nie da się uniknąć zmian grubości – stopniowe przechodzenie z jednej na drugą. Istotną kwestią jest też unikanie naprężeń budowlanych w projekcie, takich jak narożniki o kącie 90 stopni lub mniejszym. 

  • Krok 2: Projektowanie form

Podobnie jak w przypadku ogólnego projektu produktu, również projektowanie form daje możliwość zapobieżenia wadom podczas procesu formowania wtryskowego. Formy najczęściej wykonywane są z następujących materiałów:

  • stal hartowana – z reguły najdroższy materiał, na obniżenie ceny jednostkowej wpływa jednak to, że jest też zazwyczaj najdłużej trwającym, z tego względu jest to dobry materiał do produkcji produktów wykonywanych w wielu setkach tysięcy sztuk,
  • stal wstępnie hartowana – tańsza w produkcji niż stal hartowana, niewytrzymująca też tylu cykli,
  • aluminium – używane zazwyczaj do produkcji pojedynczych wnęk „Prototype Tooling”, gdy do testów potrzeba stosunkowo niewielkiej liczby części; jak przetestuje się i zatwierdzi części formowane wtryskowo z tego narzędzia, produkuje się narzędzie do produkcji stali z wieloma gniazdami; z narzędzia aluminiowego uzyskać można wiele tysięcy części, najczęściej jednak używane jest ono w zdecydowanie mniejszych ilościach,
  • stopy berylu i miedzi: stosowane najczęściej w obszarach formy wymagających szybkiego usuwania ciepła lub tam, gdzie ciepło ścinania jest skoncentrowane.
  • Krok 3: Proces produkcyjny

Po etapie zaprojektowania produktu, zatwierdzenia, odlania ciśnieniowo, przychodzi czas na rozpoczęcie właściwej produkcji. Termostat albo tworzywo

 termoplastyczne w formie granulatu podaje się przez lej do beczki grzewczej. Następnie podgrzewa się je do wcześniej określonej temperatury i napędzane przez dużą śrubę przez zasuwę napełnia formę. Po napełnieniu śruba nadal pozostaje na swoim miejscu, aby zastosować odpowiednie dociskanie do formy.

Forma prototypowa czy seryjna?

Formy wtryskowe z tworzyw sztucznych stosuje się zarówno do szybkiego prototypowania, jak i też do produkcji części z tworzyw sztucznych. Bez względu na to, czy chodzi o prototypowanie, małe serie, duże, serie pilotażowe – proces wtrysku pozostaje (przynajmniej w zdecydowanej większości przypadków) taki sam i umożliwia produkcję niedrogich, funkcjonalnych i mechanicznych części zbliżonych do rzeczywistości, a różnica leży przede wszystkim w samej formie. Rozróżniamy formę prototypową (nazywaną szybkozłączem) oraz formę do produkcji masowej (zwaną oprzyrządowaniem masowym).

Forma prototypowa a forma do produkcji masowej – najważniejsze różnice

Formy są główną częścią procesu wtrysku, począwszy od formowania, a skończywszy na wyrzucaniu części.

Prototyp aluminiowej formy wtryskowej

Formy prototypowej używa się najczęściej do produkcji małych serii części wtryskiwanych z tworzyw sztucznych – od około 200 do kilku tysięcy. Struktura ma mieć na uwadze to, aby obniżyć całkowity koszt i przyspieszyć proces produkcji, dlatego jest uproszczona i zoptymalizowana. Ten rodzaj formy składa się ze standardowej metalowej wymiennej podstawy formy oraz aluminiowych rdzeni i wkładek wgłębnych (produkowanych za pomocą obróbki CNC). Obróbka aluminium jest wygodna, łatwa, szybka i elastyczna (gdyby trzeba było zmodyfikować albo dostosować projekt). Funkcje wyrzutu, prowadzenia, chłodzenia i regulacji termicznej są uproszczone, a zastosowanie aluminium obniża cykle wtrysku.

Charakterystyka formy prototypowej: 

  • małe serie części z „dobrego” materiału,
  • pierwsze wtryskiwane części od 2 do 4 tygodni,
  • niższy koszt w porównaniu do standardowej formy wtryskowej,
  • szeroki wybór materiałów,
  • ograniczone ryzyko koncepcyjne.

Forma do produkcji masowej

Ten typ formy wykorzystywany jest zazwyczaj do produkcji wielkoseryjnej serii elementów wtryskiwanych z tworzyw sztucznych – w tysiącach do kilku milionów. Struktura form do produkcji masowej jest bardziej złożona, produkowana z wytrzymałej, wysokojakościowej stali z komponentami pasującymi do długotrwałej produkcji masowej. W ten sposób zintegrowane zostają wszystkie tradycyjne funkcje, takie jak: precyzyjne wyżarzanie i prowadzenie, zaawansowana regulacja temperatury itp. Przekłada się to też na znacznie wyższe koszty rozwoju oraz dłuższy proces produkcyjny.

Charakterystyka formy do produkcji masowej:

  • części dla konsumentów końcowych,
  • serie produkcyjne na dużą skalę,
  • pierwsze wtryskiwane części od 6 do 8 tygodni,
  • wyższe koszty rozwoju i produkcji,
  • szeroki wybór materiałów.

Zalety i wady formowania wtryskowego

Wśród korzyści ze stosowania formowania wtryskowego należy wymienić:

  • możliwość wytwarzania niezwykle skomplikowanych wyrobów podczas jednej operacji technologicznej,
  • nie ma konieczności dodatkowej obróbki wykańczającej (otrzymana wypraska jest już gotowa do użytkowania),
  • gwarantowana wysoka jakość i powtarzalność kształtu oraz wymiaru,
  • wysoka estetyka produktu,
  • pełna automatyzacja procesu,
  • produkcja masowa,
  • niska pracochłonność,
  • niska emisja szkodliwych substancji.

Co do wad, są to:

  • wysoki koszt form wtryskowych (oprzyrządowania technologicznego),
  • nieekonomiczność w przypadku małych serii produkcyjnych,
  • pracownicy techniczni muszą mieć wysokie kwalifikacje,
  • spory czas oczekiwania na oprzyrządowanie procesu.

PORÓWNANIE DRUKU 3D Z FORMOWANIEM WTRYSKOWYM – KTÓRĄ Z METOD WYBRAĆ?

Znaleźć można wiele badań porównawczych, zestawiających wyniki osiągnięte poprzez drukowanie 3D z wynikami formowania wtryskowego. Pokazują one następujące zależności:

  • im większa złożoność produktów, tym wzrasta zasadność wykorzystania technologii druku 3D w produkcji, zarówno pod względem wykonalności, jak i konkurencyjności cenowej,
  • w przypadku ciągłej/powtarzalnej produkcji krótkoseryjnej, druk 3D gwarantuje większą produkcję i niższy koszt jednostkowy,
  • zwiększenie złożoności produktu równolegle z wydłużeniem okresu produkcji niskoseryjnej powoduje równoważenie się wydajności produkcyjnej pomiędzy tymi dwiema technologiami, przy jednoczesnym widocznym wzroście ceny jednostkowej formowania wtryskowego,
  • przy produkcji niskoseryjnej rosną oszczędności wynikające ze stosowania druku 3D, gdyż drukarki 3D pracujące ze zautomatyzowanymi systemami do post-processingu nie wymagają zmian narzędzi w zależności od realizowanego projektu,
  • początkowa inwestycja w formę do formowania wtryskowego może stanowić wysoki próg przejścia, zwłaszcza dla mniejszych lub początkujących producentów.

Porównując koszty wytworzenia produktów wyprodukowanych obiema metodami, przy użyciu tego samego materiału, korzystniejsze jest stosowanie druku 3D, gdy: 

  • mamy do czynienia w powtarzalną produkcją niskoseryjną (do kilkuset sztuk),
  • gdy produkt składa się z więcej niż jednej części składowej,
  • jeśli chcemy, by był wytrzymały, a przy tym też lekki,
  • gdy produkt musi zostać poddany post-processingowi,
  • a także wówczas, gdy dopiero zaczyna się swoją przygodę z produkcją, gdyż koszty wejścia przy metodzie wtryskowej mogą być znaczną barierą.

Przy tym wszystkim trzeba jednak dodać, że druk 3D nie ma obecnie na celu zastąpienia form wtryskowych, gdyż obie te technologie wzajemnie się uzupełniają.

Istnieje też taka opcja, że zastosowaniem druku 3D w produkcji mało- i średnioseryjnej będzie zaprojektowanie i wydrukowanie samej formy, która potem posłuży do produkcji metodą wtryskową. Wykorzystuje się do tego celu specjalny rodzaj żywicy, odpornej na wysokie temperatury. Wtedy koszt produkcji zmniejszy się znacząco o koszt gotowej formy pod wtrysk – i jest to faktycznie rozwiązanie godne przemyślenia.

Bez względu jednak na to, czy wybiorą Państwo prototypowanie metodą druku 3D, czy też poprzez zastosowanie form wtryskowych – gorąco zachęcamy do skorzystania z możliwości oferowanych przez Portal Produkcyjny LaserTrade. U nas zrealizujecie Państwo swoje zadanie kompleksowo i w jednym miejscu, a zapytanie złożycie przy mocy jednego, prostego, szybkiego formularza. 

Gotowy na szybkie cięcie?

My tak!

Cięcie laserem