dintr-o privire:

• fie high tech sau low tech, prototipuri vine în mai multe forme. Procesul este de obicei iterativ, neliniar și automatizat.
• Protolabs automatizează procesul de producție de fabricație aditivă printr-o platformă integrată de comerț electronic pe ciclul de viață.
• Ford s-a alăturat rivalilor GM și Fiat Chrysler în utilizarea puterii lor de fabricație pentru a realiza prototipuri rapide pentru echipamente de protecție personală în timpul focarului COVID-19.
• proiectarea conductelor& Ingineria favorizează un stil de prototipare neliniar care subliniază construirea unei liste bine definite de cerințe funcționale pentru mașinile de dispozitive medicale în curs de dezvoltare.

Thomas Edison nu a inventat becul, dar munca sa în prototiparea primului sistem de iluminat incandescent este un exemplu clasic de încercare și eroare. inventatorul prolific a trimis oameni în Africa și Japonia în căutarea unui material de filament satisfăcător și ar fi nevoie de mai mult de 1.200 de experimente, 6.000 de plante specimene și 40.000 de dolari pentru a dezvălui prețiosul bec electric incandescent. Prototipul (brevetul SUA 223.898), cu filamentul său de ață de cusut carbonizată, a ars timp de 13,5 ore și a aprins întregul său laborator de cercetare industrială Menlo Park.

pe de o parte, invențiile lui Edison—i s—au eliberat în total 1.093 De brevete-sunt aprobarea desăvârșită pentru iterarea rapidă pentru a o corecta. Pe de altă parte, puține companii producătoare au luxul de a face nenumărate greșeli în piața de astăzi extrem de competitivă, mai rapidă, mai bună și mai ieftină.

în 2020, de exemplu, IBM a obținut locul 1 cu 9.130 De brevete printre companiile care au avut cele mai multe brevete atribuite, depășind Samsung Electronics, Canon și Microsoft. Nu au existat garanții că fiecare dintre aceste idei brevetate și soluții conceptuale ar fi integrate într-un produs final, dar inginerii de proiectare sunt susceptibili să evalueze fiecare concept pentru a se asigura că numai cele mai promițătoare sunt selectate pentru proiectare și prototipare pentru manufacturabilitate.

accelera procesul

dacă high tech sau low tech, procesele de prototipare vin în mai multe forme, dar de obicei implică dezvoltarea unei versiuni inițiale a unui produs în scopul evaluării de proiectare, rezolvarea problemelor de proiectare și identificarea zonelor de îmbunătățire înainte de produsul ajunge la etapa de dezvoltare. Printre beneficiile de a vedea o versiune fizică este că permite proiectanților să sporească tehnologiile existente și facilitează tehnologiile de generație următoare. prototiparea rapidă, prin extensie, cuprinde un set de tehnologii care creează rapid și precis modele tangibile la scară tridimensională folosind date de proiectare și fabricație asistate de computer (CAD/CAM). Tehnologiile CAD, împreună cu capacitățile software și hardware de fabricație aditivă (am), au accelerat semnificativ procesele de prototipare. Invariabil, prototiparea rapidă este asociată cu AM, dar furnizorii mai mari de imprimare 3D personalizată își reinginerează din ce în ce mai mult abordările de prototipare prin extinderea serviciilor lor pentru a include turnarea prin injecție, fabricarea tablelor și prelucrarea CNC.

un aspect ejector propus este prezentat în platforma de comerț electronic Protolabs.Protolabs

ridicându-se la provocarea de productionizing imprimare 3D, Protolabs, o câmpie de arțar, Minn.producătorul de prototipuri personalizate și piese de producție la cerere, a lansat în februarie o platformă de comerț electronic care se presupune că restructurează ciclul de viață al produsului prin accelerarea citării online, a analizei de proiectare și a comenzii. „Platforma se concentrează pe a ajuta la transformarea ideilor inginerului de proiectare—din momentul în care au o idee până la iterarea, prototiparea, trecerea prin acea călătorie-până la piața finală”, a declarat Mark Flannery, director global de produse, comerț electronic, la Protolabs. „Valoarea reală este de a permite clienților să știe exact ce vor primi practic înainte de a-l obține fizic, deoarece acest lucru reduce ciclul de viață.”

unul dintre modurile în care Protolabs răspunde nevoilor în evoluție este prin adăugarea unei funcționalități de” analiză de fabricație ” pe platforma sa de comerț electronic. Sistemul poate efectua o analiză profundă a unui model tridimensional și poate oferi feedback cu privire la geometria unui fișier CAD, inclusiv evidențierea zonelor care s-ar putea dovedi supărătoare și recomandarea modificărilor pentru a îmbunătăți manufacturabilitatea. „Prezentăm toate aceste informații inginerilor, astfel încât aceștia să poată lua decizii dacă ar trebui să facă îmbunătățiri înainte ca piesa sau componenta să fie efectiv fabricată”, a spus Flannery.

platforma de comerț electronic Protolabs efectuează analize de fabricație.Protolabs

Shuffle ofertele

nicăieri nu a fost nevoie de prototipuri rapide mai relevante decât atunci când echipamentele de protecție personală, cum ar fi măștile N95, au fost insuficiente la începutul focarului de coronavirus anul trecut.

Will Martin, director de marketing și comunicații la Protolabs, spune cu mândrie povestea din spate a aparatului respirator B2. Numit printre cele mai bune invenții ale Time din 2020, B2 a fost o reproiectare a unui prototip pe care inginerul de proiectare mecanică Max Bock-Aronson l-a evocat în 2013 pentru a combate poluarea aerului, a spus Martin. Protolabs a sprijinit pornirea lui Bock-Aronson, Breathe99, prin dezvoltarea cupelor de filtrare a aparatului respirator, a substratului plăcii frontale și a capacului filtrului care elimină 99% din contaminanți.

păstrați roțile de cotitură

în mod similar, utilizarea unor metode fail-rapid pentru a accelera dezvoltarea de produse și să ofere feedback-ul de inginerie s-au dovedit critice pentru industria auto. Ford Motor Company s-a alăturat colegilor producători auto GM și Fiat Chrysler pentru a-și folosi imprimarea 3D și puterea de fabricație pentru a realiza prototipuri rapide, pentru a fabrica scuturi faciale și pentru a spori producția de dispozitive medicale, cum ar fi respiratoarele și ventilatoarele de purificare a aerului. Ford a colaborat cu GE Healthcare pentru a valorifica designul ventilatorului aprobat de FDA al Airon corp și pentru a produce 50.000 de unități în decurs de 100 de zile la uzina sa din Michigan.

Acest lucru de fabricație a fost în mare parte datorită capacității de prototipare rapidă și a deceniilor de experiență cu imprimarea 3D, a remarcat Ellen Lee, liderul tehnic al cercetării de fabricație aditivă la Ford Motor Company. „În timp ce Pandemia A schimbat cu siguranță modul în care colaborăm și în rețea, având aceste platforme virtuale ne-a ajutat într-adevăr să continuăm să inovăm împreună”, a spus Lee.

munca ei se concentrează pe numeroasele moduri în care producția aditivă poate crea noi surse de valoare în întreaga întreprindere, precum și pe dezvoltarea tehnologiilor emergente care abordează lacunele în realizarea producției la scară.

Ellen Lee, lider tehnic – cercetare de fabricație aditivă, Ford Motor Company

rețineți că supercomputerele Ford și capacitățile de imprimare 3D de ultimă generație eclipsează standardele de producție obișnuite. Producția cu volum redus în industria auto ar putea însemna orice, de la dimensiunea lotului unu până la zeci de mii de unități și explică de ce designerii diviziei de înaltă performanță a producătorului auto, inginerii de propulsie și aerodinamică s-ar putea baza pe Instrumente de prototipare AM de ultimă generație pentru a dezlănțui Mustang Shelby GT500 de ultimă generație în 2020.

pentru o execuție a acestui calibru, fiecare milimetru ar trebui să conteze pentru a livra ținte de forță, frânare și răcire. Timpul de dezvoltare a fost accelerat și cele mai promițătoare modele au fost tipărite în câteva zile. S-au făcut îmbunătățiri aerodinamice și, pentru a crește fidelitatea performanței, simulările au trebuit să funcționeze în pas cu validările fizice la tunelurile eoliene Ford din Michigan și la tunelul eolian Windshear rolling Din Concord, a spus Lee.

„furnizarea a peste 700 de cai putere folosind combustibil cu cifra octanică 93, maximizarea răcirii în față este esențială pentru performanța viguroasă a modelului Shelby GT500”, a declarat nota de presă a Ford la acea vreme. „La clapeta de accelerație larg deschisă, sistemul de răcire trebuie să extragă până la 230 kilowați de energie termică, suficient pentru a încălzi o duzină de case. Frânele frontale masive resping încă 100 de kilowați de căldură la frânare maximă, astfel încât echipa a utilizat modelarea avansată a fluxului de aer 3D pentru a maximiza răcirea generală în timp ce lucrează pentru a minimiza impactul asupra ridicării și tragerii frontale.”

demascarea capătului frontal al Mustang Shelby GT500.Ford Motor Company

la momentul lansării, Ford s-ar putea lăuda că echipa de proiectare a triumfat prin obținerea unei forțe maxime de forță spate de 550 lb la 180 mph, folosind Mustang GT4 dovedit de cursă aripa din spate pentru a oferi cea mai mare forță de forță vreodată pe un Mustang legal de stradă. În ceea ce privește designul spoilerului spate al supercarului, supranumit „The swing”, simulările avansate și procesele de prototipare au fost responsabile pentru a face vehiculul să livreze 379 lb de forță spate la 180 mph.

deoarece sistemul de frânare al vehiculului Shelby performance este diferit de modelul de bază, a fost nevoie de un nou design pentru această piesă. Lee a spus că Ford a reușit să transforme dintr-o parte metalică într-o parte din plastic cu o reducere de greutate de peste 60% și a reușit să reducă complexitatea în proiectarea modelului original, care consta dintr-un suport stângaci și unul dreptaci. spre deosebire de procesele tradiționale de scule, instrumentele de proiectare AM au permis inginerilor să consolideze piesa de la trei părți la o parte „ambidextră”, care ar putea fi utilizată fie pe partea șoferului, fie pe partea pasagerului vehiculului și a redus complexitatea și asamblarea. „Am avut economii semnificative de costuri în comparație cu scularea acestei părți”, a spus Lee.

suportul frânei de parcare electrice a vehiculului Shelby performance.Ford Motor Company

Puttering în Sandbox

auto descoperit devreme că AM ar putea schimba modul în care se apropie de design de produs și procese. Istoria Ford cu imprimarea 3D datează din 1986, când producătorul auto a investit în stereolitografie după achiziționarea primei sale imprimante 3D SLA. Noul proces ar crea o varietate de piese, stabilind scena pentru investiții suplimentare AM în modelarea depunerii topite, sinterizarea selectivă cu laser și imprimarea 3D a nisipului. „până în 2004, o schimbare semnificativă în prototiparea motorului a rezultat din introducerea imprimării cu nisip sau a turnării rapide a nisipului, ceea ce a redus și mai mult timpul nostru de proiectare pentru noile modele de motoare”, a spus Lee. Valoarea nu a fost neapărat în capacitatea de a arunca piese metalice pentru uz final, ci pentru prototiparea noului design al motorului, deoarece a permis Ford să folosească același material pentru a arunca aluminiul sau oricare material ar fi folosit pentru motorul de producție, fără a avea un instrument, a spus Lee.

în 2014, producătorul auto a testat performanța articolelor tipărite AM pentru a vedea ce poate oferi procesul pentru un instrument pregătit pentru imprimare. Această zonă de cercetare dedicată instrumentelor de prototipare este relativ mai puțin costisitoare și mai rapidă de produs, a spus Lee. Capacitatea de a imprima direct este, de asemenea, în creștere. „Pe măsură ce dezvoltăm noi materiale care se comportă mai mult ca materiale de calitate a producției și performanța acestor piese tipărite, putem extinde testarea funcțională a prototipului în continuare de-a lungul procesului”, a spus Lee.

procesele AM au potențialul de a eclipsa metodele tradiționale de a face un prototip al unui instrument—tăierea acestuia dintr-un material mai puțin costisitor decât oțelul, cum ar fi aluminiul, și modelarea pieselor pentru testarea prototipului înainte ca un instrument dur final să poată fi tăiat pentru producție. Prototipurile pot fi acum utilizate în testarea aproape a fiecărei părți a vehiculului, deoarece sunt utilizate pentru a evalua caracterul practic, puterea și popularitatea noilor modele.

în timp ce metodele tradiționale de scule ar putea dura luni și ar putea genera costuri exorbitante, prototiparea rapidă a pieselor tipărite 3D poate fi produsă în câteva zile la un cost redus. „Extinderea capabilităților tehnologiilor de imprimare 3D ar putea renunța la realizarea unui instrument prototip cu totul”, a spus Lee.

un grătar frontal imprimat 3D.Ford Motor Company

Design pentru Manufacturability

pentru Aaron Moncur, CEO al Pipeline Design& Inginerie, una dintre limitările de prototipuri rapide este că nu este neapărat cea mai bună metodă pentru validarea unei noi soluții. Dar virtuțile costurilor și vitezei reduse pot depăși turnarea sau prelucrarea costisitoare, cu forță de muncă intensivă, mai ales dacă prototipul este destinat să verifice un design și o funcție și atunci când nu este destinat producției.

cu doar 10 angajați, Tempe, Arizona.compania cu sediul în Moncur a început în 2009 oferă servicii de dezvoltare de produse, concentrându-se în principal pe echipamente de automatizare și mașini de testare pentru companiile de dispozitive medicale. „Cea mai mare parte a muncii pe care am făcut-o, în special în ultimii șase ani, a cuprins aluminiu prelucrat CNC”, a explicat Moncur. „Aproape fiecare echipament pe care îl dezvoltăm trebuie să dețină un dispozitiv în el. Acest tip de lucru se bazează adesea pe piese mari, groase, grele, spre deosebire de produsele de consum, care ar avea în mod caracteristic piese din plastic turnate prin injecție cu pereți subțiri.”

Aaron Moncur, CEO, Pipeline design & EngineeringPipeline Design & Engineering

procesul de prototipare a conductei poate fi caracterizat ca o progresie asta începe odată ce un client prezintă o idee. Un brief inițial poate manifesta o listă robustă de cerințe sau o idee dură. În același mod, un prototip poate varia de la o schiță brută sau „cartoon CAD”, unde o formă de bloc ar putea reprezenta o parte și o săgeată ar putea denota o mișcare simplă și unde carton și lipici fierbinte ar putea fi folosite pentru a repara împreună o machetă pentru testare.

echipa Moncur subliniază necesitatea elaborării unei liste bine definite a cerințelor funcționale pentru o mașină în curs de dezvoltare. Fiecare design trebuie să fie în mod repetat și economic fabricabil pentru a deveni un produs final. „Acesta este regulamentul nostru—trebuie să știm cum arată succesul”, a spus Moncur, inginer mecanic cu un master în bioinginerie. „Dacă avem o listă bine definită de cerințe funcționale, putem să ne întoarcem la lista de la sfârșitul proiectului și să spunem:” această mașină satisface toate cerințele (clientul) pe care ni le-a dat.'”

odată ce un concept în stadiu incipient este generat și feedback-ul de la client a fost încorporat, lucrările încep cu lucrări de proiectare și Inginerie mai detaliate. „Aceasta este în mare parte o operațiune CAD, unde petrecem săptămâni sau luni făcând toate lucrările de proiectare detaliate”, a spus Moncur. Livrabil, de obicei, se termină ca o combinație de piese prelucrate și piese imprimate

atunci când proiectul intră în etapa de achiziție, o decizie este luată fie pentru a imprima piese in-house sau de a lucra cu partenerii de mașini-magazin la CNC diverse componente. „Primim totul înapoi în instalația noastră și facem asamblarea și validarea funcțională pentru a ne asigura că totul funcționează corect și apoi livrăm echipamentul”, a spus Moncur.

într-o singură aplicație, Pipeline a fost însărcinat să proiecteze un set de corpuri pentru testarea funcțională și a caracteristicilor efectuate pe catetere medicale optice. Moncur a explicat că deținătorii sunt dezvoltați pentru a poziționa dispozitivul într-o locație foarte precisă în raport cu alte echipamente și instrumente de testare care îl înconjoară. „Poziționarea mecanică a dispozitivului trebuie să fie repetabilă, deci există un nivel de precizie implicat”, a explicat Moncur. „Din punct de vedere istoric, le-am făcut din aluminiu prelucrat CNC, care de obicei ar costa între 2.500 și 3.000 de dolari și ar dura două până la trei săptămâni pentru a obține piesa prelucrată. „am început imprimarea 3D cu fibră de carbon continuă, ceea ce a făcut piesele aproape la fel de puternice ca aluminiul”, a adăugat el. „Acum, în loc de trei mii și așteptând trei săptămâni pentru a obține unul dintre acești deținători, petrecem o zi sau două tipărindu-le, iar clientul poate plăti 500 USD în loc de 2.500 USD. Sunt mult mai rapide, mult mai ieftine și la fel de funcționale ca versiunile din aluminiu prelucrate CNC.”

validați abordarea

abordarea prototipurilor conductei este cu siguranță mai puțin automatizată decât platforma digitală a Protolabs. Dar nu este în niciun caz mai puțin robust; la Pipeline, a avea un prototip viabil este doar jumătate din luptă și a avea Echipe de inginerie traduce nevoile utilizatorilor în cerințe mecanice pentru a crea dispozitivele de testare și echipamentele de calificare necesare pentru a valida performanța produsului este un exercițiu riguros.

Flannery a subliniat că procesul automatizat al Protolab a evoluat prin strategia sa de achiziție pe parcursul a 20 de ani—de la un accent inițial pe turnarea prin injecție și turnarea rapidă prin injecție, prin achiziții și servicii fuzionate de turnare prin injecție, fabricație CNC, imprimare 3D și tablă. Platforma digitală de cotare Protolab aduce mai multă coerență în toate aceste servicii. Răsplata, a spus Flannery, este că accentul pe client s-a mutat de la a decide ce proces de fabricație sau serviciu să utilizeze, la concentrarea asupra celui mai bun rezultat.

Mark Flannery, Global product director, ProtolabsProtolabs

„clienții noștri au încă nevoile originale—în cazul în care un singur inginer lucrează la o singură parte, și sunt prototipuri și sunt axate pe un singur proces de fabricație”, a spus Flannery. „Dar acum avem, de asemenea, Echipe de ingineri care fac mai multe piese în mai multe servicii și fac prototipuri și producție și producție la cerere.”

Lee de la Ford este de acord că prototiparea rapidă trebuie să facă parte din setul general de instrumente de fabricație. „Văd mult mai multă concentrare în industrie în jurul utilizării fabricării aditive pentru diverse aplicații din industria auto”, a spus ea.

Lee este de acord că obstacolele rămân atunci când vine vorba de fabricarea pieselor de producție. Tranziția la producția de volum mare se situează pe o listă de restricții; prototiparea rapidă poate fi costisitoare, proprietățile materialelor nu pot fi întotdeauna potrivite, unele caracteristici cheie încă nu pot fi prototipate și procesul necesită forță de muncă calificată. Scalarea la piesele de imprimare directă poate fi intensivă în capital, a spus ea. Forma, potrivirea și funcția sunt adesea sacrificate în procesele de fabricație atunci când randamentul ridicat este prioritizat.

cu abordări unice de producție, Ford, Pipeline și Protolabs au fiecare stiluri de prototipuri neliniare orchestrate. Dacă intenția Ford este de a avansa tehnologiile de prototipare AM necesare pentru a consolida producția, Protolabs și Pipeline sunt înclinate să susțină relațiile cu clienții care încurajează selecția prototipurilor în care fidelitatea se potrivește cu procesul de proiectare.

Nota editorului: Machine Design Women in Science and Engineering (WISE) hub compilează acoperirea noastră de probleme de reprezentare de gen care afectează domeniul ingineriei, în plus față de contribuțiile de la autori de sex feminin și experți subiect în cadrul diferitelor subdiscipline. Click aici pentru mai multe.