At a Glance:

• Whether high tech or low tech, prototyping comes in many forms. O processo é tipicamente iterativo, não linear e automatizado.Protolabs está a automatizar o processo de produção de aditivos através de uma plataforma integrada de comércio electrónico de ciclo de vida. a Ford juntou-se aos rivais GM e Fiat Chrysler para fabricar protótipos rápidos para equipamentos de protecção individual durante o surto de COVID-19.
• Pipeline Design & Engineering favors a nonlinear prototyping style that emphashes building a well-defined list of functional requirements for medical device machines under development.

Thomas Edison não inventou a lâmpada, mas seu trabalho na prototipagem do primeiro sistema de iluminação incandescente é um exemplo clássico de tentativa e erro.

O prolífico inventor Enviou pessoas para os confins da África e do Japão em busca de material de filamento satisfatório, e seriam necessários mais de 1.200 experimentos, 6.000 plantas de espécimes e $40.000 para revelar a preciosa lâmpada elétrica incandescente. Esse protótipo (patente dos EUA 223.898), com seu filamento de linhas de costura carbonizadas, queimou por 13.5 horas e acendeu todo o seu laboratório de Pesquisa industrial Menlo Park. por um lado, as invenções de Edison—ele recebeu um total de 1.093 patentes—são o endosso consumado para iterar rapidamente para acertar. Por outro lado, poucas empresas fabris têm o luxo de cometer inúmeros erros no mercado extremamente competitivo, mais rápido, melhor e mais barato de hoje.

em 2020, por exemplo, IBM reivindicou o ranking No. 1 com 9.130 patentes entre as empresas que tinham mais patentes atribuídas a eles, superando Samsung Electronics, Canon e Microsoft. Não havia garantias de que cada uma dessas ideias patenteadas e soluções conceituais seriam integradas em um produto final, mas os engenheiros de design provavelmente avaliarão cada conceito para garantir que apenas os mais promissores sejam selecionados para projetar e prototipar para a capacidade de fabricação.

acelere o processo

Se alta tecnologia ou baixa tecnologia, os processos de prototipagem vêm em muitas formas, mas normalmente envolvem o desenvolvimento de uma versão inicial de um produto com o propósito de avaliar o projeto, resolver problemas de design e identificar áreas de melhoria antes que o produto chegue à fase de desenvolvimento. Entre os benefícios de ver uma versão física é que ela permite aos designers para aumentar as tecnologias existentes e facilita tecnologias de próxima geração. prototipagem rápida, por extensão, engloba um conjunto de tecnologias que rapidamente e com precisão criam modelos tangíveis em escala tridimensional utilizando dados CAD/CAM. As tecnologias CAD, juntamente com a fabricação de aditivos (AM) software e capacidades de hardware, aceleraram significativamente os processos de prototipagem. Invariavelmente, a prototipagem rápida está associada com a AM, mas os maiores fornecedores de Impressão 3D personalizada estão cada vez mais reengenhando suas abordagens de prototipagem, estendendo seus serviços para incluir moldagem por injeção, fabricação de chapas de metal e maquinação CNC.

uma disposição proposta de ejector é mostrada na plataforma de E-commerce do Protolabs.Protolabs Subing to the challenge of productionizing 3D printing, Protolabs, a Maple Plain, Minn.- fabricante baseado de protótipos personalizados e peças de produção a pedido, lançou uma plataforma de comércio eletrônico em Fevereiro que supostamente reestrutura o ciclo de vida do produto, acelerando a citação on-line, análise de design e encomenda. “A plataforma está focada em ajudar a transformar as idéias do engenheiro de projeto—a partir do momento que eles têm uma idéia para fazê-los interagir, prototipagem, ficando através dessa jornada—todo o caminho até o mercado final,” disse Mark Flannery, diretor global de produtos, e-commerce, em Protolabs. “O valor real é deixar (clientes) saber exatamente o que eles vão receber virtualmente antes de realmente obtê-lo fisicamente, porque isso reduz o ciclo de vida.uma das formas de Protolabs atender às necessidades em evolução é através da adição de uma funcionalidade de” análise de fabricação ” na sua plataforma de comércio eletrônico. O sistema pode realizar uma análise profunda de um modelo tridimensional e fornecer feedback sobre a geometria de um arquivo CAD, incluindo áreas de destaque que podem ser problemáticas e recomendando mudanças para melhorar a capacidade de fabricação. “Nós apresentamos toda essa informação aos engenheiros, para que eles possam tomar suas decisões sobre se eles devem fazer refinamentos antes que a (parte ou componente) seja realmente fabricada”, disse Flannery.

baralhar as ofertas

em nenhum lugar a necessidade de prototipagem rápida foi mais relevante do que quando Equipamentos de proteção pessoal, tais como máscaras N95 estavam em falta no início do surto de coronavírus no ano passado. Will Martin, director de marketing e comunicações da Protolabs, orgulha-se de contar a história do Respirador B2. Nomeado entre as melhores invenções do tempo de 2020, O B2 foi um redesenho de um protótipo que o engenheiro de design mecânico Max Bock-Aronson conjurou em 2013 para combater a poluição do ar, disse Martin. Protolabs suportou a inicialização de Bock-Aronson, Breathhe99, ao desenvolver os copos de filtro laváveis pela máquina, substrato faceplate e tampa do filtro que removem 99% dos contaminantes.

O GT500 é considerado o Mustang mais aerodinamicamente avançado de sempre.Ford Motor Company

Keep the Wheels Turning

Similarly, the use of fail-fast methods to speed up product development and provide engineering feedback proved critical for the automotive industry. Ford Motor Company juntou colegas montadoras GM e Fiat Chrysler para usar a sua impressão 3D e fabricação pode fazer protótipos rápidos, fabricar escudos de face e aumentar a produção de dispositivos médicos, tais como respiradores purificadores de ar e ventiladores. Ford colaborou com a GE Healthcare para alavancar o projeto do ventilador limpo pela Airon Corp. e produzir 50.000 unidades em 100 dias em sua fábrica em Michigan.

esta façanha de fabricação foi em grande parte graças à rápida capacidade de prototipagem e décadas de experiência com a impressão 3D, observou Ellen Lee, líder técnico de pesquisa de fabricação aditiva na Ford Motor Company. “Embora a pandemia tenha certamente mudado a forma como colaboramos e trabalhamos em rede, ter essas plataformas virtuais realmente nos ajudou a continuar inovando juntos”, disse Lee.

o seu trabalho centra-se nas muitas formas como a produção aditiva pode criar novas fontes de valor em toda a empresa, bem como no desenvolvimento de tecnologias emergentes que resolvam lacunas na obtenção de produção em escala.

Ellen Lee, líder técnico – Fabricação de Aditivos de Investigação, a Ford Motor Company

tenha em mente que a Ford supercomputadores e estado-da-arte da impressão 3D capacidades eclipse comum-prática de produção de normas. A produção de baixo volume na indústria automotiva poderia significar qualquer coisa desde o tamanho de lote um até dezenas de milhares de unidades, e isso explica por que os designers de divisão de alto desempenho da automaker, engenheiros powertrain e aerodynamics poderiam confiar em ferramentas de prototipagem AM estado-da-arte para liberar o desempenho final Mustang Shelby GT500 street-legal Em 2020.para uma execução deste calibre, cada milímetro teria de contar para atingir os alvos de downforce, travagem e arrefecimento. O tempo de desenvolvimento foi acelerado e os projetos mais promissores foram impressos em questão de dias. Refinamentos aerodinâmicos foram feitos, e para aumentar a fidelidade do desempenho, simulações tiveram que trabalhar em sintonia com validações físicas nos túneis de vento da Ford em Michigan e Windshear rolling wind tunnel em Concord, disse Lee.

“entregar mais de 700 cavalos usando 93 octanas de combustível, maximizando o resfriamento na frente é fundamental para o desempenho vigoroso da trilha Shelby GT500”, afirmou A Nota De Imprensa da Ford na época. “A grande velocidade, o sistema de refrigeração precisa extrair até 230 quilowatts de energia térmica, o suficiente para aquecer uma dúzia de casas. The massive front brakes reject another 100 kilowatts of heat at maximum French, so the team utilized advanced 3D airflow modeling to maximize overall cooling while working to minimize impact on front-end lift and drag.”

no momento do lançamento Ford poderia se gabar de que a equipe de design triunfou, alcançando a força traseira máxima de 550 lb a 180 mph, alavancando a asa traseira Mustang GT4 prova corrida para entregar o mais downforce de sempre em um Mustang street-legal. Quanto ao Projeto de spoiler traseiro do supercar, apelidado de “o balanço”, simulações avançadas e processos de prototipagem foram responsáveis por fazer o veículo entregar 379 lb de downforce traseira a 180 mph.uma vez que o sistema de Travagem Do Veículo de desempenho Shelby é distinto do modelo de base, foi necessário um novo projeto para esta parte em particular. Lee disse Ford foi capaz de converter-se a partir de uma peça de metal para uma peça de plástico com mais de 60% de redução no peso, e foi capaz de reduzir a complexidade no desenho do modelo original, que consistia de um canhoto e um destro suporte. ao contrário dos processos tradicionais de ferramentas, A AM design tools permitiu que os engenheiros consolidassem a parte de três partes para uma parte “ambidextrous”, que poderia ser usada tanto no lado do condutor como no lado do passageiro do veículo e reduzida complexidade e montagem. “Tivemos economias de custos significativas em comparação com a ferramenta desta parte”, disse Lee.

Puttering in the Sandbox

Automakers discovered early on that AM could change the way they approach product design and processes. A história da Ford com a impressão 3D data de 1986, quando a automaker investiu em estereolitografia depois de comprar sua primeira impressora SLA 3D. O novo processo criaria uma variedade de peças, preparando o palco para novos investimentos da AM em modelagem de deposição fundida, sinterização de laser seletiva e impressão de areia 3D.

“By 2004, a significant shift in engine prototyping resulted from the introduction of sand printing or rapid sand casting, which further reduced our design time for new engine designs,” said Lee. O valor não foi necessariamente na capacidade de lançar peças de metal para uso final, mas para prototipagem novo projeto do motor, pois permitiu que Ford para usar o mesmo material para lançar o alumínio, ou qualquer material que seria utilizado para a produção do motor, sem a necessidade de uma ferramenta, disse Lee.

em 2014, a automaker testou o desempenho de itens am-printed para ver o que o processo pode entregar para uma ferramenta pronta para impressão. Esta área de pesquisa dedicada a ferramentas de prototipagem é relativamente menos cara e mais rápida de produzir, disse Lee. A capacidade de imprimir diretamente também está crescendo. “À medida que desenvolvemos novos materiais que se comportam mais como materiais de qualidade de produção e o desempenho dessas peças impressas, podemos estender o teste funcional protótipo ao longo do processo”, disse Lee.os processos

AM têm o potencial de eclipsar os métodos tradicionais de fazer um protótipo de uma ferramenta—cortá-lo de um material que é menos caro do que o aço, como o alumínio, e moldando as peças para testes de protótipo antes de uma ferramenta dura final pode ser cortada para a produção. Protótipos podem agora ser usados em testar quase todas as partes do veículo, como eles são usados para medir praticidade, força e popularidade de novos projetos. enquanto os métodos tradicionais de ferramentas podem levar meses e acumular custos exorbitantes, as peças impressas 3D de prototipagem rápida podem ser produzidas em questão de dias a baixo custo. “Expandir as capacidades das tecnologias de Impressão 3D poderia potencialmente renunciar a fazer um protótipo de ferramenta completamente”, disse Lee.

Design para a Fabricação

Para Arão, Moncur, CEO do Projeto de tubulações & Engenharia, uma das limitações de prototipagem rápida, é que ele não é necessariamente o melhor método para a validação de uma nova solução. Mas as virtudes de baixo custo e velocidade podem superar o custo, mão-de-obra intensiva moles de fundição ou usinagem, disse ele, particularmente se o protótipo se destina a verificar um design e função e quando não é destinado à produção. com apenas 10 empregados, the Tempe, Ariz.- empresa baseada Moncur começou em 2009 fornece serviços de desenvolvimento de produtos, com foco principalmente em equipamentos de automação e máquinas de teste para empresas de dispositivos médicos. “A maior parte do trabalho que temos feito, especialmente nos últimos seis anos, tem englobado o alumínio maquinado CNC”, explicou Moncur. “Praticamente todos os equipamentos que desenvolvemos têm de conter um dispositivo. Este tipo de trabalho muitas vezes se baseia em peças grandes, chunky, pesadas, em oposição a produtos de consumo, que caracteristicamente tem paredes finas de injeção moldadas peças de plástico.”

Arão Moncur, CEO, Projeto de tubulações & EngineeringPipeline Design & Engenharia

Pipeline do processo de prototipagem pode ser caracterizado como uma progressão que começa quando um cliente apresenta uma idéia. Um breve resumo inicial pode manifestar uma lista robusta de requisitos ou uma ideia grosseira. Da mesma forma, um protótipo pode variar de um esboço bruto ou “cartoon CAD”, onde uma forma de bloco pode representar uma parte e uma seta pode denotar um movimento simples, e onde cardstock e cola quente podem ser usados para juntar um maquete para testar. a equipe de Moncur enfatiza a necessidade de desenvolver uma lista bem definida de requisitos funcionais para uma máquina em desenvolvimento. Cada projeto tem que ser repetidamente e economicamente viável para se tornar um produto final. “Esse é o nosso livro de regras—precisamos saber como é o sucesso”, disse Moncur, um engenheiro mecânico com um mestrado em Bioengenharia. “Se tivermos uma lista bem definida de requisitos funcionais, podemos apontar para a lista no final do projeto e dizer, ‘Esta máquina satisfaz todos os requisitos (o cliente) nos deu.'”

Uma vez que um conceito de estágio inicial é gerado e feedback do cliente foi incorporado, o trabalho começa em trabalhos de design e engenharia mais detalhados. “Essa é em grande parte uma operação CAD, onde estamos passando semanas ou meses fazendo todo o trabalho de design detalhado”, disse Moncur. A entrega geralmente termina como uma combinação de peças maquinadas e peças impressas

Quando o projeto entra na fase de aquisição, uma decisão é tomada quer para imprimir peças internamente ou para trabalhar com parceiros de máquinas-shop para CNC vários componentes. “Nós recebemos tudo de volta em nossas instalações e fazemos a montagem e validação funcional para garantir que tudo está funcionando corretamente, e então entregamos o equipamento”, disse Moncur.

In one application, Pipeline was commissioned to design a set of fixtures for functional and characteristics testing performed on optical medical cateters. Moncur explicou que os suportes são desenvolvidos para posicionar o dispositivo em uma localização muito precisa em relação a outros equipamentos e ferramentas de teste que o rodeiam. “O posicionamento mecânico do dispositivo precisa ser repetido, então há um nível de precisão envolvido”, explicou Moncur. “Historicamente, nós os tínhamos feitos de alumínio maquinado CNC, que normalmente custaria US $2,500 a US $3,000 e levaria duas a três semanas para fazer a parte maquinada.

“começamos a impressão 3D com fibra de carbono contínua, o que tornou as peças quase tão fortes como o alumínio”, acrescentou. “Agora, em vez de três mil e esperar três semanas para conseguir um desses suportes, passamos um dia ou dois imprimindo-os, e o cliente pode pagar US $500 em vez de US $2.500. Eles são muito mais rápidos, muito mais baratos e tão funcionais quanto as versões de alumínio maquinadas pela CNC.”

Validate the Approach

Pipeline’s prototyping approach is decidedly less automatic than Protolabs’ digital platform. Mas não é de forma alguma menos robusta; em Pipeline, ter um protótipo viável é apenas metade da batalha e ter equipes de engenharia traduzir as necessidades do usuário em requisitos mecânicos para criar os dispositivos de teste e equipamentos de qualificação necessários para validar o desempenho do produto é um exercício rigoroso.

Flannery apontou que Protolab do processo automatizado tem evoluído através de sua estratégia de aquisição ao longo de 20 anos—a partir de um foco inicial na moldagem por injeção e rápida de moldagem por injeção, por meio de aquisições e mesclado serviços de moldagem por injeção, CNC fabricação, impressão 3D e folha de metal. A plataforma de citações digitais da Protolab traz mais consistência em todos esses serviços. O pagamento, disse Flannery, é que o foco do cliente mudou de decidir qual processo de fabricação ou serviço a usar, para se concentrar no que é o melhor resultado.

Marcar Flannery, diretor global de produtos, ProtolabsProtolabs

“os Nossos clientes têm ainda a original necessidades, onde um único engenheiro está trabalhando em uma única peça, e são de prototipagem e estão focados em um único processo de fabricação”, disse Flannery. “Mas agora também temos equipes de engenheiros fazendo várias peças através de vários serviços, e eles estão fazendo prototipagem e produção, e fabricação on-demand.”

Ford’s Lee agrees that rapid prototyping needs to be part of the overall manufacturing toolset. “Estou vendo muito mais foco na indústria em torno do uso de aditivos de fabricação para várias aplicações na indústria automotiva”, disse ela.

Lee concorda que os obstáculos permanecem quando se trata de fabricação de peças de grau de produção. A transição para a produção de alto volume está no topo de uma lista de restrições; a prototipagem rápida pode ser cara, as propriedades do material nem sempre podem ser correspondidas, algumas características-chave ainda não podem ser prototipadas e o processo requer mão-de-obra qualificada. Dimensionar para partes de impressão direta pode ser capital-intensivo, disse ela. Forma, ajuste e função são muitas vezes sacrificados em processos de fabricação Quando alta produtividade é priorizada.

com abordagens únicas para a produção, Ford, Pipeline e Protolabs têm cada estilo orquestrado de prototipagem não-linear. Se a intenção da Ford é avançar as tecnologias de prototipagem AM necessárias para aumentar a produção, Protolabs e Pipeline estão empenhados em reforçar as relações dos clientes que promovem a seleção de protótipos onde a fidelidade corresponde ao processo de design.

Nota do Editor: o Projeto da Máquina de Mulheres em Ciências e Engenharia (SÁBIO) hub compila a nossa cobertura da representação dos sexos problemas que afetam o campo da engenharia, além de contribuições a partir da fêmea autores e especialistas no assunto, dentro de vários subdisciplines. Clique aqui para mais informações.