Nem mindegy, milyen anyagból készülnek a 3D-prototípusok

Alapvető formájában a prototípus az ötlet fizikai megtestesülése. A prototípusok lehetővé teszik a tervezők számára, hogy a gyártás előtt kipróbálhassák terveiket kézzel fogható módon is. Az esetleges hibákat jóval drágább orvosolni a gyártás során, mint amikor még a tervezési folyamat során rögzítik őket. A prototípus készítése számos módszerrel elvégezhető, de az anyagoknak meg kell felelniük a különféle elvárásoknak.

3D nyomtatás: gyors és olcsó prototípus-készítés

A 3D nyomtatás, vagy additív gyártás a prototípus építés legáltalánosabb módszerévé vált az elmúlt időszakban, ugyanis az alkatrészek nyomtatása viszonylag gyors és olcsó lehetőséget biztosít a tervek értékelésére. Egy 2019-es ipari tanulmányban a vállalkozások 80 százaléka nyilatkozta azt, hogy a 3D nyomtatásnak köszönhetően sokkal gyorsabban tudnak fejleszteni.

A 3D nyomtatási technológiáknak számos típusa létezik – a kicsi, olcsó asztali egységektől kezdve egészen a nagy, ipari, több részből álló gyártási egységekig. Ezek közt a legfőbb különbség a gyártási anyagok, a méretek, a sebesség, a felület és a pontosság alapján határozhatók meg. Eddig egyetlen olyan technológiát sem fejlesztettek ki, amely minden opciót tökéletesen megvalósított volna a felhasználók számára. A prototípus és a tesztelési módszerek összetettségétől függően a tervezési folyamat különböző pontjain különböző technológiák valósulnak meg.

A prototípus készítés fő funkciói

A tervezők és a mérnökök körében népszerű az úgynevezett Fit-Form-Function tesztelési folyamat. A fit funkció az alkatrész azon képességére utal, melynek segítségével csatlakozni és illeszkedni tud egy másik alkatrészhez az összeszerelés során. A form funkció az alkatrész jellemzőire – például külső méretekre, súlyra, méretre és megjelenésre – utal. A function opció pedig a tervezett alkatrész által végrehajtandó műveleteket foglalja össze.

A jellemzők teszteléséhez a prototípus különböző verzióira lehet szükség. Ez azt jelenti, hogy a különböző verziókat más és más technológiákkal, vagy más anyagokból készítik el. Például két rész illeszkedésének teszteléséhez megfelelő módszer lehet az alapszintű ABS (akrilnitril-butadién-sztirol) modell. Ugyanez a technológia azonban egy túlformázott rész ergonómiai tesztelése során már nem lenne elegendő.

Sok vállalat azt állítja, hogy a 3D nyomtatási technológiával nem lehetséges a Fit-Form-Function tesztelés elvégzése. A MachineDesign szerint azonban a nyomtatott elemekkel is végrehajthatóak a kísérletek.

A hagyományos módszerek hátránya és előnye

Mielőtt a 3D nyomtatás elterjedt volna, a vállalatok a prototípusokat puha szerszámokkal vagy fröccsöntéssel állították elő. A nyomtatáshoz képest ezek a technológiák általában lassabbak és drágábbak. Emellett a 3D nyomtatást előnyben részesítők szerint a hagyományos módszerek használata felesleges időt és költséget jelent a tervezési ciklusban. Egyetlen tulajdonságot azonban valóban ki kell emelni, mely a hagyományos technológiák előnyeként említhető – a modelleket a gyártás során felhasználandó anyagokból készítik el.

Mennyire fontosak a gyártási anyagok a prototípus készítésekor?

A Fit-Form-Function jellemzők elemzéséhez egy 3D-nyomtatott modell is nyugodtan használható. A finomabb elemek felmérése azonban ebben az esetben nem biztos, hogy megvalósul. Ebben az esetben lehet előnyős a korábbiakban említett, eredeti anyagokból elkészített prototípus.

A fit funkció tesztelésekor különösen fontos az alapanyag, hiszen a különféle anyagok különféle tulajdonságokkal és reakcióval rendelkeznek. Például az ABS-ben nyomtatott alkatrész nem lesz ugyanolyan hajlékony, mint a polipropilénből öntött alkatrész. Tehát a modern technológiával előállított részek másképp viselkedhetnek a tesztelés során, mint élesben, ezáltal komoly hibákat generálhatnak a gyártás során.

A form opció esetében át kell gondolni, hogy az anyagok esztétikája, tapintása és rugalmassága kritikus lehet a használat vagy a vonzerő szempontjából. Tehát egy prototípusban a nem a gyártás során felhasználandó alapanyagból gyártott elem nem tudja igazán megmutatni és átadni a tervezők eredeti elképzeléseit.

Végül pedig a function opció kapcsán kiemelendő, hogy a funkcionális tesztek típusától függően a rossz anyagból készült prototípus akár használhatatlan és balesetveszélyes is lehet. A rossz anyagból elkészített prototípusok hibás adatokat szolgáltathatnak.

Bár nem feltétlenül szükséges, hogy a Fit-Form-Function tesztelésének minden aspektusában a gyártási anyagokat használják fel, vannak olyan tesztek, amelyek megkövetelik, hogy a prototípust a megfelelő anyagokkal készítsék el.

A prototípus készítés rejtett előnyei a gyártási anyagokban

A pontos tesztadatokon túl további előnyökkel jár a gyártási anyagok prototípusokban történő felhasználása, melyeket a tervezők gyakran figyelembe sem vesznek.

Először is, a tervezők általában kiválasztják a szükséges anyagokat, a beszerzésért azonban már nem ők felelnek. Egy-egy fontosabb megrendelés teljesítése egyes gyártók esetében akár 14 hetet is igénybe vehet. Azonban ha egy anyagot a tervezési folyamat során már korábban jóváhagytak, akkor az lehetővé teszi a gyártói csapat számára, hogy jóval korábban megrendeljék a szükséges anyagot – ezáltal sokkal korábban, ütemezetten meg tudják kezdeni a gyártást.

Egy másik módszer, amellyel ezek a prototípusok segíthetik a gyártási csapatot, az egy adott gyártási folyamat validálása. Ilyen például a PPE maszkok légszűrője – a szelep merev anyag, a szűrő szövetből készül. A gyártási mérnököknek az volt az ötlete, hogy szonikusan hegesszék a szűrőt a szelephez. A szelep prototípusával a gyártás során használni kívánt PC-ABS anyagban validálni tudták a szonikus hegesztési folyamatot, és így már a forma elkészülte előtt megkezdhették a gyártócella beállítását.

3D nyomtatás gyártási anyagokkal

A vállalatok többsége azt keresi, hogy hogyan lehetne 3D nyomtatott modelleket a szükséges eredeti anyagokból előállítani. Például az egyik 3D-nyomtatási technológia, az úgynevezett APF (Arburg Plastic Freeforming) fröccsöntő minőségű granulátumot használ az alapvető nyomtatási anyagként – ebben a folyamatban a felhasználó saját gyártási anyagait használhatja fel. Ennek a technológiának két fő előnye van.

Egyrészt a megfelelő anyag használata pontosabbá teszi a tesztelést. Igaz, hogy a 3D-nyomtatott alkatrészek nem azonosak a fröccsöntött alkatrészekkel, de ha ismertek a különbségek, akkor egyszerű korrekciós beállításokkal pontos teszteredményeket érhetnek el. Másrészt a technológia újabb lehetőségeket biztosít az alacsony volumenű gyártás számára – a szervezetek kihasználhatják az igény szerinti és a helyszíni termelés előnyeit egyaránt – írja a MachineDesign oldala.