Материалы для быстрого прототипирования
Основой работоспособности прототипа является правильный материал. Быстрое прототипирование Быстрое преобразование цифрового проекта в физическую деталь, однако использование неподходящего материала для быстрого прототипирования может затруднить процесс проверки и привести к дорогостоящим переделкам.
В качестве материалов предлагаются металлы, пластмассы, смолы, керамика, композиты, биоматериалы, воск, а также бумага и порошок. Инженеры используют их для разработки визуальных и функциональных моделей перед началом полномасштабного производства. Производители, стремящиеся уложиться в сроки и предложить клиентам оптимальное соотношение цены и качества, не могут позволить себе прототип, который не соответствует требуемой детали или выходит из строя при малейшей нагрузке.
От жестких композитных материалов до обрабатываемых пластмасс — каждый материал для быстрого прототипирования служит определенному этапу процесса разработки продукта. Правильный материал не только способствует итерациям проектирования и помогает контролировать затраты, но и вызывает интерес у заинтересованных сторон.
В этом руководстве представлен подробный анализ вариантов материалов, который поможет вам узнать о возможностях, преимуществах и ограничениях каждой категории. Это позволит вам подобрать подходящий материал для прототипирования в вашем следующем проекте.
Что такое быстрое прототипирование?
Быстрое прототипирование — это производственная технология, позволяющая быстро преобразовать цифровой проект в физическую деталь. Эта технология позволяет избежать сроков и затрат, связанных с традиционным изготовлением оснастки.
По своей сути, быстрое прототипирование включает пять этапов;
Этапы быстрого прототипирования
К популярным процессам быстрого прототипирования относятся изготовление изделий из листового металла, обработка на станках с ЧПУ, 3D-печать и литье под давлением с использованием недорогой оснастки. Производители используют визуальные и функциональные модели, созданные с помощью быстрого прототипирования, для проверки формы, посадки и функциональности. Это важный этап перед началом полномасштабного производства.
Преимущества быстрого прототипирования
Быстрое прототипирование позволяет преодолеть разрыв между концепцией и физическим продуктом. В результате достигаются следующие преимущества для бизнеса: ускорение выхода на рынок, экономическая эффективность, качество, тестирование и проверка, персонализация, экологичность и улучшенная коммуникация.
| Преимущества быстрого прототипирования | Бизнес-выгода |
| Скорость выхода на рынок | Продукция быстрее доставляется покупателям и приносит доход. |
| Эффективность затрат | Этап валидации не влечет за собой затрат на оснастку. |
| Качество, тестирование и валидация | Физические детали используются для выявления проблем с посадкой и функциональностью до принятия решения о создании производственной оснастки. |
| Индивидуальная конфигурация | Изготовление нестандартных вариантов продукта может осуществляться без затрат на переоснащение производства. |
| Стабильность | Избегается расточительство материалов. |
| Лучшее общение | Физические модели являются более эффективным инструментом согласования интересов между заинтересованными сторонами. |
Металлические прототипы
Три наиболее распространенных металла для быстрого прототипирования — это алюминий, нержавеющая сталь и титан. Металлическое прототипирование Обладает такими преимуществами, как термостойкость, долговечность и прочность.
Вот как каждый из этих металлов, используемых для быстрого прототипирования, вписывается в проекты.
Металлические прототипы из алюминия
К преимуществам алюминия как материала для быстрого прототипирования относятся отличная обрабатываемость, относительно низкая стоимость, коррозионная стойкость и высокое соотношение прочности к весу, достигающее 1.8.3]
Алюминиевый прототип
Инженеры часто используют экструдированный алюминиевый профиль, изготовленный в соответствии со стандартами ASTM B221, для обеспечения стабильных допусков по размерам и механических характеристик.2]
Металлические прототипы из нержавеющей стали
Металлические прототипы из нержавеющей стали используются там, где деталь должна выдерживать коррозию, многократные механические нагрузки и в целом суровые условия эксплуатации. Из-за повышенной прочности нержавеющей стали следует ожидать большего износа инструмента и увеличения времени обработки.
Прототипы из титанового металла
Эти металлические прототипы обладают характеристиками, не имеющими аналогов среди других металлов, по таким параметрам, как биосовместимость, коррозионная стойкость и соотношение прочности к весу. Типичные области применения этих металлических прототипов — аэрокосмическая и медицинская промышленность.
Медицинский прототип из титана
Поскольку обработка титана занимает относительно много времени и обходится дорого, неудивительно, что его в основном используют для прототипов, ориентированных на проверку качества. Прототипы на ранних стадиях лучше изготавливать из менее дорогих материалов, которые более доступны по цене и проще в обработке.
Пластиковое прототипирование
Пять наиболее часто используемых вариантов в прототипирование пластиковых изделий Это поликарбонат (ПК), полиметилметакрилат (ПММА), акрилонитрилбутадиенстирол (АБС), полипропилен (ПП) и полистирол (ПС).4]
Пластмассы являются наиболее распространенными материалами в быстром прототипировании по двум причинам: доступность в различных марках и простота обработки.
Прототипирование из поликарбонатного (ПК) пластика
Одно из наиболее важных свойств поликарбоната — превосходная ударопрочность. Кроме того, материал обладает естественной прозрачностью и демонстрирует исключительные эксплуатационные характеристики в широком диапазоне рабочих температур (от -30°C до 120°C).5]
Прототипирование из полиметилметакрилата (ПММА)
Это стекловидный акриловый материал; его часто используют в качестве заменителя стекла при прототипировании из пластика. Он обладает превосходной оптической прозрачностью. Возможно, он более хрупкий, чем поликарбонат, но его хорошая устойчивость к атмосферным воздействиям и УФ-излучению все же позволяет использовать его для быстрого прототипирования на открытом воздухе.
Прототипирование из акрилонитрилбутадиенстирола (АБС-пластика)
прототип из АБС-пластика
ABS-пластик пользуется популярностью у производителей функциональных прототипов благодаря своей замечательной обрабатываемости, прочности и экономичности. Как и поликарбонат, ABS обладает хорошей ударопрочностью. Этот недорогой материал также легко поддается механической обработке и 3D-печати. Добавьте к этому ровную поверхность.
Прототипирование из полипропилена (ПП)
Полипропилен обладает высокой усталостной прочностью, что необходимо для изготовления защелкивающихся конструкций и шарниров. Его хорошая химическая стойкость также важна при быстром прототипировании деталей, предназначенных для работы в суровых условиях. Одной из проблем, связанных с этим пластиком, является более низкая стабильность размеров по сравнению с поликарбонатом или АБС-пластиком.
Прототипирование из полистирола (ПС)
Благодаря своей экономичности и простоте обработки, полистирол (ПС) идеально подходит для ранних концептуальных прототипов. Хрупкость материала исключает его использование в задачах механической проверки. Вместо этого инженеры предпочитают использовать его в проектах, требующих точной подгонки по форме.
Типичные свойства распространенных пластмасс, используемых в прототипировании.
В таблице ниже приведены типичные свойства распространенных пластмасс, используемых для прототипирования.
| Тип пластика | Плотность (г / см³) | Температура теплового отклонения (°C) | Прочность на растяжение (МПа) | Поведение при столкновении |
| ABS | 1.02-1.08 | 80-100 | 40-50 | Умеренная ударная вязкость, 8–25 кДж/м² с надрезом. |
| PC | 1.18-1.22 | 125-140 | 55-70 | Не ломается без надреза |
| ПММА (полиметилметакрилат), | 1.17-1.20 | 80-100 | 70-80 | Разрыв при удлинении 2–5%. |
| PP | 0.895-0.920 | 55-65 | 30-40 | Не ломается без надреза |
[4]
Смолы для быстрого прототипирования
Смолы обеспечивают жесткие допуски и высококачественную обработку поверхности, недостижимые при использовании металлов или пластика. Независимо от способа изготовления прототипов — DLP или SLA — производители могут выбирать смолы для быстрого прототипирования по следующим причинам:
- Требование к детальным визуальным моделям
- Высокая точность размеров и безупречная обработка поверхности.
- Требования к специальным составам – стандартным, гибким, литьевым и другим.
Однако смолы, используемые для быстрого прототипирования, непригодны для функциональных прототипов из-за чувствительности к УФ-излучению и хрупкости.
Керамика для быстрого прототипирования
Керамика отлично подходит для создания прототипов, когда конструкция должна соответствовать требованиям к теплоизоляции и экстремальной термостойкости. Предел рабочих температур выше, чем у большинства пластмасс или металлов.
Если вам нужна высокая механическая прочность, керамические прототипы — не лучший вариант.
Керамический прототип
Композитные материалы для быстрого прототипирования
Композитные материалы прочны и жестки, но не такие тяжелые, как цельный металл. Варианты прототипирование углеродного волокна К другим областям применения быстрого прототипирования относятся смеси рубленого углерода и полиуретана, нейлон, армированный углеродным волокном, и полимеры, наполненные стеклянными шариками/стекловолокном;
- Смеси рубленого углерода и полиуретана
- Нейлон, армированный углеродным волокном
- Полимеры, наполненные стеклянными шариками/стекловолокном
прототипирование из углеродного волокна Этот материал особенно предпочтителен для высокопрочных и легких прототипов.
Биоматериалы для быстрого прототипирования
Биоматериалы все чаще используются в быстром прототипировании. Главное преимущество таких материалов заключается в снижении воздействия на окружающую среду.
Некоторые особенности биоматериалов в быстром прототипировании:
- Идеально подходит для концептуальных моделей.
- Оказывает меньшее воздействие на окружающую среду, чем пластмассы на основе нефти.
- Низкая механическая прочность и термостойкость.
Примерами биоматериалов являются биооснованные полиамид (ПА) и полимолочная кислота (ПЛА).
Воск для быстрого прототипирования
Воск — незаменимый материал для изготовления моделей для литья по выплавляемым моделям. Основные причины его высокой ценности как материала для быстрого прототипирования — это способность к чистому выжиганию и превосходная чистота поверхности. Однако хрупкость воска исключает его использование для функциональных прототипов. Но все согласятся, что он помогает быстро изготавливать литые металлические детали.
Бумага и порошок для быстрого прототипирования
Роль этого материала в быстром прототипировании ограничена, но тем не менее он существует. Это быстрый и экономически эффективный способ создания визуальных моделей для целей раннего прототипирования. Поскольку механическая прочность таких моделей ограничена, они не подходят для функциональных прототипов.
Попробуйте Пролеан прямо сейчас!
Преимущества и недостатки материалов для быстрого прототипирования
В приведенной ниже таблице показаны преимущества и недостатки быстрого прототипирования для различных материалов, начиная от высокой прочности и высокой стоимости металлов и заканчивая меньшим воздействием на окружающую среду и низкой прочностью биоматериалов.
|
Материалы для быстрого прототипирования |
Плюсы |
Минусы |
|
Драгоценные металлы |
Прочный, износостойкий, термостойкий. |
Увеличение сроков выполнения заказа, повышение стоимости, более высокие требования к механической обработке. |
|
пластики |
Быстрое и недорогое производство, легко поддается механической обработке/3D-печати. |
УФ-излучение и химическое разложение, пониженная термостойкость |
|
Смолы |
Высокая точность размеров, превосходная чистота поверхности. |
Ограниченная прочность, хрупкость |
|
Керамический гранулированный песок для гидроразрыва |
Химическая стабильность, превосходная термостойкость |
Хрупкий, низкая ударопрочность |
|
композиты |
Высокое соотношение прочности к массе |
Высокозатратное сырье и переработка |
|
Воск |
Отличная чистота поверхности |
Не предназначено для функционального применения/хрупкое |
|
Биоматериалы |
Меньшее воздействие на окружающую среду |
Низкая термостойкость, низкая прочность |
|
Бумага и порошок |
Быстро, недорого |
Плохая механическая прочность |
Что следует учитывать при выборе материалов для быстрого прототипирования
При выборе материала на этапе прототипирования следует учитывать следующие факторы: скорость, функциональность, стоимость, качество поверхности, воздействие окружающей среды и механические напряжения.
- Скорость – Скорость поиска, обработки, печати или литья под давлением материала является одним из факторов, определяющих количество итераций проектирования, которые может выполнить команда.
- Функциональность системы – Хотя внешний вид прототипа имеет решающее значение, материал также должен имитировать фактические характеристики детали после завершения серийного производства.
- Стоимость – Материальные и технологические затраты должны соответствовать назначению прототипа. Использование материалов производственного класса на этапе создания прототипа, как правило, не требуется.
- Чистота поверхности – Некоторые прототипы могут требовать внешнего вида, близкого к серийному производству, в то время как другие – нет. Если рецензент или заинтересованная сторона требует прототип, лучше настаивать на использовании материалов, которые могут обеспечить соответствующую отделку поверхности.
- Воздействие окружающей среды – Химический состав, влажность, соленость и подобные факторы характеризуют реальные условия. Материал прототипа должен быть способен выдерживать эти условия там, где это применимо.
Условия окружающей среды имеют значение.
- Механическое напряжение – Фактическое использование прототипа подразумевает воздействие механических сил. Материал для функционального прототипа должен соответствовать этим требованиям.
Выбор материалов для быстрого прототипирования в зависимости от назначения: анализ таблиц.
В таблице ниже представлены рекомендуемые материалы для быстрого прототипирования в зависимости от предполагаемого назначения.
|
Цель прототипа |
Рекомендуемые материалы |
Причины |
|
Внешний вид |
ПС, смолы, воск |
Низкая стоимость, жесткие допуски, превосходное качество поверхности. |
|
Функциональное тестирование |
Алюминий, нержавеющая сталь, АБС-пластик, поликарбонат |
Прочная механическая прочность |
|
Термические испытания |
Керамика, титан |
Высокая термостойкость |
|
Проверка производства |
Производственный пластик, алюминий |
Соответствует конечным характеристикам и свойствам механической обработки/литья. |
*Если ваши детали требуют как механической, так и термической проверки, выбирайте поликарбонат или титан вместо материалов узкого назначения.
Процессы прототипирования для различных материалов
Основные процессы, определяющие скорость и стоимость прототипа, включают обработку на станках с ЧПУ, литье под давлением, 3D-печать и обработку листового металла. Как же эти методы соотносятся с материалами для быстрого прототипирования?
Обработка CNC
Обработка на станках с ЧПУ — это надежный метод обработки материалов для быстрого прототипирования благодаря высокой совместимости с широким спектром материалов. Кроме того, это относительно быстрый метод, идеально соответствующий требованиям к скорости прототипирования.
Этапы создания прототипа на станке с ЧПУ включают в себя:
- Шаг 1: Разработка дизайнерских идей
- Шаг 2: Создание 3D-файлов
- Шаг 3: Идентификация конкретного процесса обработки на станках с ЧПУ – токарная обработка, фрезерование, сверление и т. д.
- Шаг 4: Программирование ЧПУ
- Шаг 5: Прототипирование
- Шаг 6: Тестирование
Обработка прототипа с ЧПУ
Литье под давлением
Литье под давлением — это метод проверки качества пластиковых деталей перед их крупномасштабным производством. Он в основном используется для тестирования характеристик литья и материалов, пригодных для промышленного использования. Изготовление прототипов оснастки обычно обходится дешевле, чем серийное производство. Её можно изготавливать из алюминия.
3D печать
3D-печать привлекательна своей скоростью и способностью обрабатывать геометрически сложные формы без использования специальной оснастки. Она подходит для широкого спектра пластмасс, композитов и смол. Хотя некоторые компоненты, изготовленные с помощью 3D-печати, могут соответствовать механическим характеристикам, необходимым для серийного производства, производители обычно выбирают 3D-печать для целей быстрого прототипирования.
Изготовление изделий из листового металла
Изготовление листового металла
Изготовление деталей из листового металла в процессе прототипирования полезно для таких компонентов, как корпуса, панели и кронштейны. Как и при производстве готовых изделий, используются такие процессы, как резка и гибка.
|
Материал |
CNC-обработка |
литье под давлением |
3D печать |
Изготовление листового металла |
|
Драгоценные металлы |
Прекрасно |
Непригодный |
Ограниченный – высокая стоимость |
Прекрасно |
|
пластики |
Хорошо |
Прекрасно |
Прекрасно |
Непригодный |
|
композиты |
Редкий случай – зависит от формы смолы. |
Ограниченный |
Хорошо |
Непригодный |
|
смолы для 3D-печати |
Непригодный |
Непригодный |
Прекрасно |
Непригодный |
Попробуйте Пролеан прямо сейчас!
Тенденции развития материалов для быстрого прототипирования в будущем
Благодаря достижениям в материаловении, разрыв между прототипом и готовой деталью сокращается. Гибкие смолы, биоразлагаемые пластмассы, современные композитные материалы и Более легкие конструкции и прочные прототипы — вот что характеризует следующее поколение материалов для быстрого прототипирования.
- Гибкие смолы Для DLP- и SLA-печати характерна хрупкость, но современные типы смол обладают большей гибкостью.
- Биоразлагаемые пластики – В условиях растущего давления в сфере устойчивого развития в производстве появляются более прочные и термостойкие биоразлагаемые пластмассы.
- Современные Композиты – Благодаря современным составам, армированным наполненными полимерами и волокнами, разница между прототипами и деталями серийного производства теперь сократилась.
- Более лёгкие конструкции и долговечные прототипы – В целом, материалы для быстрого прототипирования становятся все более подходящими для функционального тестирования, и все чаще встречаются более прочные конструкции с более высоким соотношением прочности к весу.
Заключение
Используемый материал может определять внешний вид и характеристики прототипа. Скорость итераций и сходство с финальной деталью тесно связаны с этим выбором. Алюминий, нержавеющая сталь и другие металлы обеспечивают механическую прочность, необходимую для функциональных прототипов. Пластмассы, такие как полистирол (PS) и АБС-пластик (ABS), предлагают уникальное сочетание обрабатываемости и экономичности. Инженеры обращаются к смолам и композитам для высокоточных и специализированных проектов, соответственно.
Суть в том, что вариантов много, и вам следует подобрать материал, соответствующий функциональности прототипа. При планировании перехода от идеи к готовой детали, наши услуги быстрого прототипирования Мы предоставим вам необходимую консультацию по выбору материалов и многому другому. Загрузите файл с дизайном, и вы получите бесплатную смету в течение 24 часов.
Ресурсы
[2]https://store.astm.org/b0221m-13.html