i korthet:

• vare sig high tech eller low tech, prototyper kommer i många former. Processen är vanligtvis iterativ, olinjär och automatiserad.
• Protolabs automatiserar produktionsprocessen för additiv tillverkning genom en integrerad e-handelsplattform för livscykel. Ford gick med i rivalerna GM och Fiat Chrysler när de använde sin tillverkningsmakt för att göra snabba prototyper för personlig skyddsutrustning under COVID-19-utbrottet.
• Pipeline Design & Engineering gynnar en icke-linjär prototypstil som betonar att man bygger en väldefinierad lista över funktionella krav för medicintekniska maskiner under utveckling.

Thomas Edison uppfann inte glödlampan, men hans arbete med att prototypa det första glödljussystemet är ett klassiskt exempel på försök och fel.

den produktiva uppfinnaren skickade människor till de avlägsna delarna av Afrika och Japan på jakt efter tillfredsställande filamentmaterial, och det skulle ta mer än 1 200 experiment, 6 000 provväxter och 40 000 dollar för att avslöja den uppskattade glödande elektriska glödlampan. Den prototypen (US patent 223,898), med sin glödtråd av karboniserad sytråd, brann i 13,5 timmar och tände upp hela hans Menlo Park industrial research laboratory.

å ena sidan, Edisons uppfinningar-han utfärdades totalt 1,093 patent—är det fullständiga godkännandet för att snabbt Itera för att få det rätt. Å andra sidan har få tillverkningsföretag lyxen att göra otaliga misstag i dagens starkt konkurrenskraftiga, snabbare, bättre och billigare marknadsplats.

Thomas Edisons första glödlampa som visas på Menlo Park.Wikimedia Commons

år 2020 hävdade IBM till exempel rankningen nr 1 med 9 130 patent bland företag som hade flest patent tilldelade dem och överträffade Samsung Electronics, Canon och Microsoft. Det fanns inga garantier för att var och en av dessa patenterade ideer och konceptuella lösningar skulle integreras i en slutprodukt, men designingenjörer kommer sannolikt att utvärdera varje koncept för att säkerställa att endast de mest lovande är utvalda för design och prototyper för tillverkningsförmåga.

påskynda processen

oavsett om högteknologiska eller lågteknologiska prototypprocesser finns i många former, men involverar vanligtvis att utveckla en första version av en produkt i syfte att utvärdera designen, lösa designproblem och fastställa förbättringsområden innan produkten kommer till utvecklingsstadiet. Bland fördelarna med att se en fysisk version är att det gör det möjligt för designers att utöka befintlig teknik och underlätta nästa generations teknik.

Rapid prototyping omfattar i förlängningen en uppsättning tekniker som snabbt och exakt skapar konkreta tredimensionella skalmodeller med hjälp av datorstödd design och tillverkning (CAD/CAM)-data. CAD-teknik, i kombination med additiv tillverkning (AM) programvara och hårdvara kapacitet, har avsevärt påskyndat prototypprocesser. Alltid, rapid prototyping är förknippad med AM, men större leverantörer av anpassade 3D-utskrift alltmer reengineering sina prototyper metoder genom att utvidga sina tjänster till att omfatta formsprutning, plåt tillverkning och CNC-bearbetning.

en föreslagen ejektorlayout visas i Protolabs e-handelsplattform.Protolabs

stiger till utmaningen att producera 3D-utskrift, Protolabs, en Lönnslätt, Minn.- baserad tillverkare av anpassade prototyper och on-demand produktionsdelar, lanserade en e-handelsplattform i februari som påstås omstrukturerar produktens livscykel genom att påskynda online citat, designanalys och beställning. ”Plattformen är inriktad på att hjälpa till att omvandla designingenjörens ideer—från det ögonblick de har en ide till att få dem att iterera, prototypa, komma igenom den resan—hela vägen till slutmarknaden”, säger Mark Flannery, global produktdirektör, e-handel, på Protolabs. ”Det verkliga värdet är att låta (kunder) veta exakt vad de kommer att få praktiskt taget innan de faktiskt får det fysiskt, eftersom det minskar livscykeln.”

ett av sätten Protolabs tillgodoser utvecklande behov är genom tillägg av en” tillverkningsanalys ” -funktionalitet på sin e-handelsplattform. Systemet kan utföra djup analys av en tredimensionell modell och ge feedback om geometrin hos en CAD-fil, inklusive att markera områden som kan vara besvärliga och rekommendera ändringar för att förbättra tillverkningsförmågan. ”Vi presenterar all denna information till ingenjörer, så att de kan fatta sina beslut om huruvida de ska göra förbättringar innan (del eller komponent) faktiskt tillverkas,” sa Flannery.

Protolabs e-handelsplattform utför tillverkningsanalys.Protolabs

blanda erbjudandena

ingenstans var behovet av snabb prototypning mer relevant än när personlig skyddsutrustning som N95-masker var bristfällig i början av koronavirusutbrottet förra året.

Will Martin, chef för marknadsföring och kommunikation på Protolabs, berättar stolt bakgrunden till B2-andningsskyddet. Benämnd bland tidens bästa uppfinningar 2020 var B2 en redesign av en prototyp som mekanisk designingenjör Max Bock-Aronson trollade tillbaka 2013 för att bekämpa luftföroreningar, sa Martin. Protolabs stödde Bock-Aronsons start, Breathe99, genom att utveckla Maskintvättbar andningsskydd filterkoppar, frontplatta substrat och filterlock som tar bort 99% av föroreningarna.

GT500 är tippad som den mest aerodynamiskt avancerade Mustang någonsin.Ford Motor Company

Håll hjulen vända

på samma sätt visade användningen av snabba metoder för att påskynda produktutvecklingen och ge teknisk feedback kritisk för bilindustrin. Ford Motor Company gick med i andra biltillverkare GM och Fiat Chrysler för att använda sin 3D-utskrift och tillverkning för att göra snabba prototyper, tillverka ansiktssköldar och skala upp produktionen av medicinsk utrustning som luftrenande andningsskydd och ventilatorer. Ford samarbetade med GE Healthcare för att utnyttja designen av Airon Corps FDA-rensade ventilator och producera 50 000 enheter inom 100 dagar vid sin Michigan-anläggning.

denna bedrift av tillverkning var i någon liten del tack vare den snabba prototyper kapacitet och årtionden av erfarenhet av 3D-utskrift, noterade Ellen Lee, Teknisk ledare för additiv tillverkning forskning vid Ford Motor Company. ”Medan pandemin verkligen har förändrat vårt sätt att samarbeta och nätverk, har dessa virtuella plattformar verkligen hjälpt oss att fortsätta att innovera tillsammans,” sade Lee.

hennes arbete fokuserar på de många sätt additiv tillverkning kan skapa nya värdekällor i hela företaget, samt på att utveckla ny teknik som hanterar luckor i att uppnå produktion i skala.

Ellen Lee, Teknisk ledare – additiv Tillverkningsforskning, Ford Motor Company

Tänk på att Fords superdatorer och toppmoderna 3D-utskriftsfunktioner förmörkar vanliga produktionsstandarder. Lågvolymproduktion inom bilindustrin kan betyda allt från partistorlek en till upp till tiotusentals enheter, och det förklarar varför biltillverkarens högpresterande divisionsdesigners, drivlinor och aerodynamikingenjörer kan förlita sig på toppmoderna am-prototypverktyg för att släppa loss den ultimata prestanda street-legal Mustang Shelby GT500 2020.

för en utförande av denna kaliber måste varje millimeter räkna för att leverera på downforce, bromsning och kylning mål. Utvecklingstiden påskyndades och de mest lovande mönstren trycktes på några dagar. Aerodynamiska förbättringar gjordes, och för att öka prestandans trohet var simuleringar tvungna att arbeta i låssteg med fysiska valideringar vid Fords vindtunnlar i Michigan och Windshear rolling wind tunnel i Concord, sa Lee.

”att leverera mer än 700 hästkrafter med 93-oktanbränsle, vilket maximerar kylning på framsidan är avgörande för Shelby GT500S kraftfulla spårprestanda”, uppgav Fords pressanteckning vid den tiden. ”Vid vidöppen Gas måste kylsystemet extrahera upp till 230 kilowatt värmeenergi, tillräckligt för att värma ett dussin hem. De massiva främre bromsarna avvisar ytterligare 100 kilowatt värme vid maximal bromsning, så teamet använde avancerad 3D-luftflödesmodellering för att maximera den totala kylningen medan de arbetade för att minimera påverkan på Frontlyft och drag.”

avslöja den främre änden av Mustang Shelby GT500.Ford Motor Company

vid lanseringen kunde Ford skryta med att designteamet segrade genom att uppnå maximal bakre downforce på 550 lb vid 180 mph, utnyttja Mustang GT4 race-beprövad bakre spårvinge för att leverera den mest downforce någonsin på en street-legal Mustang. När det gäller superbilens bakre spoilerdesign, kallad ”The swing”, var avancerade simuleringar och prototypprocesser ansvariga för att fordonet skulle leverera 379 lb bakre downforce vid 180 mph.

eftersom bromssystemet för Shelby performance-fordonet skiljer sig från basmodellen behövdes en ny design för just denna del. Lee sa att Ford kunde konvertera från en metalldel till en plastdel med över 60% viktminskning och kunde minska komplexiteten i utformningen av den ursprungliga modellen, som bestod av en vänsterhänt och en högerhänt konsol.

till skillnad från traditionella verktygsprocesser tillät AM design tools ingenjörer att konsolidera delen från tre delar till en ”ambidextrous” del, som kan användas antingen på fordonets förar-eller passagerarsida och minskad komplexitet och montering. ”Vi hade betydande kostnadsbesparingar jämfört med verktyget denna del,” sade Lee.

elektrisk parkeringsbromsfäste på Shelby performance-fordonet.Ford Motor Company

Puttering i sandlådan

biltillverkare upptäckte tidigt att AM kunde ändra hur de närmar sig produktdesign och processer. Fords historia med 3D-utskrift går tillbaka till 1986, då biltillverkaren investerat i Stereolitografi efter att ha köpt sin första SLA 3D-skrivare. Den nya processen skulle skapa en mängd olika delar, vilket satte scenen för ytterligare am-investeringar i smält deponeringsmodellering, selektiv lasersintrering och 3D-sandutskrift.

” år 2004 resulterade ett betydande skifte i motorprototypning från införandet av sandtryck eller snabb sandgjutning, vilket ytterligare minskade vår designtid för nya motordesigner”, säger Lee. Värdet var inte nödvändigtvis i förmågan att gjuta metalldelar för slutanvändning, men för prototyper av ny motordesign, eftersom det gjorde det möjligt för Ford att använda samma material för att gjuta aluminium, eller vilket material som skulle användas för produktionsmotorn, utan att ha ett verktyg, sade Lee.

under 2014 testade automaker prestandan hos AM-tryckta artiklar för att se vad processen kan leverera för ett utskriftsklart verktyg. Detta forskningsområde tillägnad prototypverktyg är relativt billigare och snabbare att producera, säger Lee. Möjligheten att direkt skriva ut växer också. ”När vi utvecklar nya material som beter sig mer som produktionskvalitetsmaterial och prestanda för de tryckta delarna, kan vi utöka prototypfunktionstestning ytterligare längs processen”, säger Lee.

am-processer har potential att förmörkas de traditionella metoderna för att göra en prototyp av ett verktyg—skära det från ett material som är billigare än stål, såsom aluminium, och forma delarna för prototyptestning innan ett slutligt hårt verktyg kan skäras för produktion. Prototyper kan nu användas för att testa nästan alla delar av fordonet, eftersom de används för att mäta praktiska, styrka och popularitet hos nya mönster.

medan traditionella verktygsmetoder kan ta månader och rack upp orimliga kostnader, snabba prototyper 3D-tryckta delar kan produceras i några dagar till låg kostnad. ”Att utöka kapaciteten hos 3D-utskriftsteknik kan potentiellt avstå från att göra ett prototypverktyg helt och hållet”, säger Lee.

en 3D-tryckt front-end grill.Ford Motor Company

Design för tillverkbarhet

för Aaron Moncur, VD för Pipeline Design& Engineering, en av begränsningarna för snabb prototypning är att det inte nödvändigtvis är den bästa metoden för att validera en ny lösning. Men fördelarna med låg kostnad och hastighet kan uppväga dyra, arbetsintensiva mjukverktyg gjutning eller bearbetning, sade han, särskilt om prototypen är avsedd att verifiera en design och funktion och när den inte är avsedd för produktion.

med bara 10 anställda, Tempe, Ariz.- baserade företaget Moncur startade 2009 erbjuder produktutvecklingstjänster, främst med fokus på automationsutrustning och testmaskiner för medicintekniska företag. ”Det mesta av det arbete som vi har gjort, särskilt under de senaste sex åren, har omfattat CNC-bearbetat aluminium,” förklarade Moncur. ”Nästan varje utrustning Vi utvecklar måste hålla en enhet i den. Denna typ av arbete bygger ofta på stora, tjocka, tunga delar, i motsats till konsumentprodukter, som karakteristiskt skulle ha tunnväggiga formsprutade plastdelar.”

Aaron Moncur, VD, Pipeline Design & Engineering

pipeline prototyping process kan karakteriseras som en progression som sparkar av när en klient presenterar en ide. En första brief kan manifestera en robust lista över krav eller en grov-och-tumble idea. På samma sätt kan en prototyp sträcka sig från en rå skiss eller ”tecknad CAD”, där en blockform kan representera en del och en pil kan beteckna en enkel rörelse, och där kartong och varmt lim kan användas för att cobble ihop en mock-up för testning.

Moncurs team betonar behovet av att utveckla en väldefinierad lista över funktionskrav för en maskin under utveckling. Varje design måste vara upprepade gånger och ekonomiskt Tillverkbar för att bli en slutprodukt. ”Det är vår regelbok-vi behöver veta hur framgång ser ut”, säger Moncur, en maskiningenjör med en magisterexamen i bioengineering. ”Om vi har en väldefinierad lista över funktionella krav kan vi peka tillbaka på listan i slutet av projektet och säga:” den här maskinen uppfyller alla krav (klienten) gav oss.'”

När ett tidigt koncept har genererats och feedback från kunden har införlivats börjar arbetet med mer detaljerat design-och ingenjörsarbete. ”Det är till stor del en CAD-operation, där vi spenderar veckor eller månader på att göra allt detaljerat designarbete”, säger Moncur. Leveransen slutar vanligtvis som en kombination av bearbetade delar och tryckta delar

När projektet går in i upphandlingsstadiet fattas beslut om att antingen skriva ut delar internt eller att arbeta med maskinaffärspartner till CNC olika komponenter. ”Vi får allt tillbaka i vår anläggning och gör montering och funktionell validering för att se till att allt fungerar korrekt, och sedan levererar vi utrustningen”, säger Moncur.

i en applikation fick Pipeline i uppdrag att designa en uppsättning armaturer för funktionell och egenskapstestning utförd på optiska medicinska katetrar. Moncur förklarade att hållare är utvecklade för att placera enheten på en mycket exakt plats i förhållande till annan utrustning och testverktyg som omger den. ”Mekanisk positionering av enheten måste vara repeterbar, så det finns en nivå av precision involverad,” förklarade Moncur. ”Historiskt sett hade vi dem gjorda av CNC-bearbetat aluminium, vilket vanligtvis skulle kosta $2,500 till $3,000 och ta två till tre veckor för att få delen bearbetad.

” vi började 3D-utskrift med kontinuerlig kolfiber, vilket gjorde delarna nästan lika starka som aluminium,” tillade han. ”Nu, istället för tre stora och väntar tre veckor för att få en av dessa innehavare, spenderar vi en dag eller två på att skriva ut dem, och kunden kan betala $500 istället för $2,500. De är mycket snabbare, mycket billigare och lika funktionella som CNC-bearbetade aluminiumversioner.”

validera tillvägagångssättet

Pipeline prototyping tillvägagångssätt är bestämt mindre automatiserad än Protolabs digitala plattform. Men det är inte alls mindre robust; vid Pipeline är det bara hälften av slaget att ha en livskraftig prototyp och att ingenjörsteam översätter användarbehov till mekaniska krav för att skapa testarmaturer och kvalifikationsutrustning som behövs för att validera produktprestanda är en rigorös övning.

Flannery påpekade att Protolabs automatiserade process har utvecklats genom sin förvärvsstrategi under 20 år-från ett första fokus på formsprutning och snabb formsprutning, genom förvärv och sammanslagna tjänster av formsprutning, CNC-tillverkning, 3D-utskrift och plåt. Protolabs digitala citatplattform ger mer konsistens över alla dessa tjänster. Utdelningen, sade Flannery, är att kundfokus har skiftat från att bestämma vilken tillverkningsprocess eller tjänst som ska användas, till att fokusera på vad som är det bästa resultatet.

Mark Flannery, global product director, ProtolabsProtolabs

”våra kunder har fortfarande de ursprungliga behoven—där en enda ingenjör arbetar på en enda del, och de är prototyper och är inriktade på en enda tillverkningsprocess”, säger Flannery. ”Men nu har vi också team av ingenjörer som gör flera delar över flera tjänster, och de gör prototyper och produktion och tillverkning på begäran.”

Fords Lee håller med om att snabb prototypning måste vara en del av det övergripande tillverkningsverktyget. ”Jag ser mycket mer fokus i branschen kring att använda additiv tillverkning för olika applikationer inom bilindustrin,” sa hon.

Lee håller med om att hinder kvarstår när det gäller tillverkning av produktionsdelar. Övergången till högvolymproduktion rankas högt på en lista med begränsningar; snabb prototypning kan vara dyrt, materialegenskaper kan inte alltid matchas, vissa viktiga funktioner kan fortfarande inte prototypas och processen kräver kvalificerad arbetskraft. Skalning till direktutskriftsdelar kan vara kapitalintensiv, sa hon. Form, passform och funktion offras ofta i tillverkningsprocesser när hög avkastning prioriteras.

med unika metoder för produktion, Ford, Pipeline och Protolabs har varje orkestrerade olinjära prototyper stilar. Om Fords avsikt är att främja am-prototyptekniken som behövs för att öka produktionen, är Protolabs och Pipeline böjda på att stärka kundrelationer som främjar valet av prototyper där trohet matchar designprocessen.

Redaktörens anmärkning: Machine Designs Women in Science and Engineering (WISE) hub sammanställer vår täckning av könsrepresentationsfrågor som påverkar ingenjörsområdet, förutom bidrag från kvinnliga författare och ämnesexperter inom olika subdiscipliner. Klicka här för mer.