Вот что на самом деле произошло с разработкой продукта

Быстрое прототипирование, по сути, сломало производство в самом лучшем смысле этого слова. Не в смысле "больше не работает", а в смысле "все, что мы привыкли делать, вдруг стало нерациональным".

Представьте себе: 1995 год, какому-то инженеру нужен прототип кронштейна. Сначала нарисуйте его от руки (если повезет, в AutoCAD). Затем идет в механический цех, объясняет Бобу, что нужно, Боб чешет голову, называет три недели и $500. Через три недели выясняется, что это неправильно, потому что Боб по-другому интерпретировал чертеж. Все повторяется снова и снова.

А сейчас? Печать одного и того же кронштейна занимает четыре часа, а пластик стоит около двадцати баксов. Протестируйте его, возненавидьте, переделайте, напечатайте снова. Если нужно, сделайте это пять раз за день.

NIST опубликовал некоторые цифры по этому поводу¹ - циклы разработки сократились на 60-80% в разных отраслях. Но цифры не отражают психологический сдвиг. Когда прототипы были дорогими и медленными, инженеры проектировали в страхе. Когда они дешевые и быстрые, инженеры разрабатывают смело.

Дело не только в скорости, хотя и это, безусловно, важно. Речь идет о том, что итерации стали практически бесплатными. Идеи, которые никогда бы не стали тестировать по причине "а вдруг не сработает", теперь тестируются по причине "а почему бы не посмотреть, что получится?".

Машины, которые сделали это возможным

Быстрое прототипирование охватывает не только 3D-печатьНо аддитивное производство привлекает наибольшее внимание, поскольку оно наиболее сильно отличается от традиционных методов.

FDM-принтеры: Рабочие лошадки, о которых знают все

FDM (Fused Deposition Modeling) - это то, о чем большинство людей думает как о 3D-печати. В Википедии описаны основы², но не упоминается кривая обучения. Эти машины одновременно и очень прощают, и очень расстраивают.

Вот как это работает: пластиковая нить нагревается и выдавливается из сопла, а затем наслаивается друг на друга для создания объектов. Все это звучит просто, пока первый слой не приклеится должным образом, мост в печати не сломается посередине, или нить не засорится посреди ночи, когда у вас есть дедлайн на следующее утро.

Высота слоев обычно составляет от 0,1 мм до 0,3 мм. Точность размеров? Может быть ±0,1 мм, если все правильно выровнено. Ориентация печати имеет гораздо большее значение, чем ожидалось - идентичные проекты удаются или не удаются только на основе позиционирования монтажных пластин.

FDM отлично подходит для создания функциональных прототипов, которые не обязательно должны выглядеть красиво. Отлично подходит для кронштейнов, корпусов, тестовых приспособлений. Ужасно подходит для гладких поверхностей или мелких деталей. Линии слоев всегда видны, придавая всему отчетливо "3D-печатный" вид.

SLA: когда FDM недостаточно хорош

В стереолитографии используется жидкая смола, отверждаемая ультрафиолетовым светом. Гораздо лучше обработка поверхности и разрешение деталей - высота слоя может достигать 0,025 мм. Детали, которые кажутся невозможными при использовании FDM, становятся обычными.

Но за это приходится платить. Жидкая смола ужасно пахнет и вызывает раздражение кожи. Постобработка включает промывку в спирте, УФ-отверждение и тщательную утилизацию токсичных отходов. Принтеры стоят дороже, материалы - дороже, а с учетом постобработки все занимает больше времени.

В UT Austin проводятся исследования в области передовых SLA-систем³, которые позволяют повысить разрешение еще больше, но для большинства задач по изготовлению прототипов стандартная SLA обеспечивает более высокую детализацию, чем требуется, при более высокой стоимости, чем это оправдано.

SLS: Промышленный вариант

Селективное лазерное спекание плавит пластиковый порошок с помощью лазеров. Нет необходимости в опорных конструкциях, возможна сложная внутренняя геометрия, механические свойства приближаются к деталям, изготовленным методом литья под давлением.

Поверхность выглядит как мелкая наждачная бумага, что очень полезно для функциональных испытаний. Детали выходят из станка готовыми к использованию без длительной постобработки.

Недостатки? Системы стоят шестизначные суммы, для работы с порошком требуется специальная вентиляция, а стоимость материалов делает FDM дешевой. Это не то, что большинство компаний могут оправдать для себя. быстрое прототипирование потребности.

Обработка методом быстрого прототипирования: Старая школа и новые скорости

Быстрая обработка прототипов сочетает в себе традиционные системы ЧПУ и современное программирование, что позволяет получить обработанные прототипы за несколько дней, а не недель. Время программирования доминирует над временем наладки, но когда точность размеров важнее скорости, обработка часто остается единственным вариантом.

Стандарты ASTM охватывают аддитивное производство⁴, но обработка подчиняется другим правилам. Промышленные покрытия от Ra 0,4 до Ra 3,2 в зависимости от времени и стоимости. Точность размеров до +/- 0,01 мм благодаря правильной настройке.

Хорошо работают гибридные подходы - печать близкой к окончательной формы, обработка критических поверхностей. Экономия материала по сравнению с обработкой массивных заготовок при обеспечении точности там, где это необходимо.

Где это все можно применить

Автомобиль: Скорость соответствует нормам безопасности

Автомобильные компании любят быстрое создание прототипов, потому что циклы разработки жестоки, а изменения постоянны. Проблема в том, что даже прототипы автомобилей должны соответствовать требованиям безопасности.

Национальная администрация безопасности дорожного движения установила правила тестирования прототипов, которые усложняют выбор материалов. Нельзя просто напечатать что-то из любого пластика, который есть под рукой - термостойкость, ударные свойства, воспламеняемость имеют значение для соответствия нормативным требованиям.

При разработке электромобилей компания Ford широко использовала быстрое прототипирование для изготовления корпусов аккумуляторных блоков. Традиционная оснастка означала срок изготовления 12-16 недель, 3D-печать позволила сократить его до 2-3 недель. Что еще более важно, можно было протестировать несколько конструкций каналов охлаждения и выбрать лучшую.

Ограничения по материалам расстраивают автомобильных инженеров. ABS подходит для большинства применений, PETG - для видимых частей, но все, что требует армирования стекловолокном или специальных добавок, обычно означает использование дорогих специальных материалов.

Аэрокосмическая промышленность: Все стоит слишком дорого и занимает много времени

Быстрое прототипирование в аэрокосмической отрасли работает в совершенно иных условиях, поскольку последствия отказа обычно катастрофичны. Требования FAA к компонентам самолетов⁶ весьма обширны - документация на все, прослеживаемость материалов, протоколы испытаний, по сравнению с которыми автомобильные требования выглядят обыденными.

При разработке самолета 787 компания Boeing использовала прототипы для изготовления компонентов интерьера, что позволило значительно сэкономить время по сравнению с традиционной оснасткой. Компоновка салона постоянно меняется по мере того, как авиакомпании изменяют требования, поэтому возможность быстро смоделировать различные конфигурации была невероятно ценной.

Требования к материалам часто доводят возможности быстрого прототипирования до предела. PEEK, титановые сплавы, композитные материалы из углеродного волокна - материалы, с которыми не могут справиться большинство систем 3D-печати. В итоге требуется промышленное оборудование, которое стоит дороже, чем дом большинства людей.

Медицинские изделия: Нормативные акты усложняют ситуацию

Быстрое создание прототипов в медицине сопряжено с требованиями Управления по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA), которые, кажется, призваны замедлить прогресс. Даже для тестирования прототипов требуется документация по биосовместимости любого материала, контактирующего с пациентами.

Стандарты ISO 10993 устанавливают правила проверки безопасности медицинского изделия, даже если это всего лишь временная модель. Это означает, что даже для краткосрочного использования необходимо провести множество испытаний. Необходимые документы и записи часто превышают те, что требовались раньше для обычных медицинских изделий.

В медицине большое значение имеют устройства, ориентированные на конкретного пациента. К ним относятся такие инструменты, как модели для планирования операций, протезы, изготовленные на заказ, и направляющие для установки имплантатов. То, что раньше было очень сложно сделать старыми методами, теперь легко сделать с помощью 3D-печати.

Биосовместимость материалов остается ограничивающим фактором. Большинство материалов для быстрого прототипирования не относятся к медицинскому классу, поэтому в итоге используются дорогие специальные смолы или металлы, которые ограничивают технологические возможности.

Техническая реальность, стоящая за шумихой

Ожидания точности в сравнении с реальностью

Точность быстрого прототипирования может зашкаливать и сильно варьироваться в зависимости от используемой технологии, а также размера детали и усилий, затраченных на настройку. Точность FDM обычно составляет +/-0,1-0,2 мм, SLA может составлять +/- 0,05 мм для небольших деталей, механическая обработка может достигать +/- 0,01-0,02 мм при хорошем креплении.

Качество поверхности - вот где большинство прототипов разочаровывает. На FDM всегда видны линии слоев - Ra 6,3 мкм является максимально гладкой. SLA может достичь Ra 0,8 мкм при высоких настройках разрешения, но время печати значительно увеличивается.

NIST поддерживает стандарты измерений для аддитивного производства⁹, но большинство мастерских работают с неформальным контролем качества. Следует проводить проверку КИМ для критических размеров, но это увеличивает время и затраты, что для многих применений не имеет смысла.

Для достижения хоть какого-то приближения к производственному виду обычно требуется постобработка. Шлифовка, химическое выравнивание, механическая обработка - все это трудоемкие операции, которые добавляют время к предположительно быстрому быстрое прототипирование процессы.

Материалы: Вечное ограничение

Приводы для выбора материала быстрое прототипирование успех больше, чем геометрия или выбор технологии. Материалы для прототипов должны достаточно точно отражать производственные свойства для проведения значимых испытаний, оставаясь при этом совместимыми с имеющимся оборудованием.

Распространенные материалы и их особенности:

• PLA: Легко печатать, пахнет конфетами, бесполезен при температуре выше 60°C
• ABS: Рабочая лошадка, хорошая ударопрочность, деформируется, если не соблюдать осторожность.
• PETG: Химически стойкие, оптически прозрачные, обычно хорошо себя ведут
• Нейлон: Отличные механические свойства, кошмарная стабильная печать
• Углеродное волокно: Высокое соотношение прочности и веса, дороговизна, разъедает сопла

Министерство энергетики отслеживает развитие передовых материалов¹⁰, но новые варианты всегда отстают от того, что действительно нужно дизайнерам. Обычно приходится идти на компромисс между требованиями к прототипу и доступными материалами, а не искать материалы, соответствующие требованиям.

Экономика: Цифры, о которых никто не говорит

Сколько это стоит на самом деле

Стоимость быстрого прототипирования варьируется в огромном диапазоне. Настольный FDM может стоить $2-20 за прототип, промышленный SLS может достигать $200-2000 за деталь, обработка для быстрого прототипирования варьируется в пределах $100-5000 в зависимости от сложности.

Сравнение времени более показательно, чем сравнение затрат. Традиционная оснастка для литья под давлением требует 6-12 недель, 3D-печать идентичной геометрии занимает 4-24 часа. Изготовление прототипов с механической обработкой занимает от 4-6 недель до 1-3 дней.

Исследования MIT по экономике производства¹¹ показывают, что быстрое прототипирование рентабельно примерно до 1000 деталей для большинства геометрий, но точка безубыточности сильно зависит от сложности. Простые формы благоприятствуют традиционному производству при меньших объемах, а сложные внутренние характеристики - 3D-печати даже при больших объемах.

Скрытые расходы включают в себя неудачные отпечатки, циклы итераций дизайна, трудозатраты на постобработку и отходы вспомогательных материалов. Большинство оценок стоимости не учитывают эти факторы и в итоге оказываются оптимистичными.

ОКУПАЕМОСТЬ ИНВЕСТИЦИЙ: Когда это имеет смысл

Инвестиции в быстрое прототипирование обычно позволяют добиться 3-5-кратного возврата инвестиций (ROI) за 18 месяцев, но только в том случае, если компания изменит процессы проектирования таким образом, чтобы использовать их возможности. Простая замена традиционного прототипирования на 3D-печать не даст всех преимуществ, если не изменить рабочий процесс.

Большая экономия достигается за счет раннего выявления проблем при проектировании. Обнаружение проблем с помехами во время быстрого прототипирования может стоить $50 для устранения. Обнаружение тех же проблем после изготовления производственной оснастки обойдется в $50 000. Такая экономия делает инвестиции в быстрое прототипирование легко оправданными.

Что будет дальше (и чего, вероятно, не будет)

Многоматериальные системы: Усложнение

Системы быстрого прототипирования нового поколения решают задачи создания конструкций из нескольких материалов - разные свойства в разных областях, встроенная электроника, различная жесткость. В Карнеги-Меллон проводятся интересные исследования¹² по встраиванию датчиков в процессе печати, что позволяет создавать прототипы со встроенными приборами.

Гибридные производственные системы, сочетающие аддитивные и субтрактивные процессы, становятся все более практичными в производственных условиях. Печатайте базовую форму, обрабатывайте критические элементы, добавляйте дополнительные операции - и все это без перемещения деталей между установками.

Индустрия 4.0: Жужжащие слова с некоторым содержанием

В промышленных системах появляются интеллектуальные прототипы с мониторингом в реальном времени и адаптивным управлением. Послойный контроль качества, автоматическая настройка параметров, предиктивное обслуживание - все это позволяет сократить количество отходов и повысить стабильность работы.

Облачные сервисы быстрого прототипирования меняют экономику небольших компаний. Загружайте файлы с дизайном, алгоритмы выбирают оптимальные методы и места производства в зависимости от возможностей и требований к доставке. Демократизация доступа к дорогостоящим промышленным технологиям быстрого прототипирования.

Принятие решений, которые действительно работают

Выбор технологии быстрого прототипирования сводится к пониманию компромиссов. Вам нужно быстрое выполнение заказа и не важна чистота поверхности? FDM. Сложная внутренняя геометрия без удаления опор? SLS. Прецизионные допуски? Механическая обработка. Гладкие поверхности? SLA с постобработкой.

Требования к материалам часто определяют выбор технологии больше, чем геометрия. Температурная стойкость, химическая совместимость, механические свойства - все это определяет, какие методы быстрого прототипирования подойдут для конкретных задач.

Контроль качества должен соответствовать требованиям тестирования. Прототипы для визуальной оценки не нуждаются в проверке размеров. Прототипы для функциональных испытаний нуждаются в проверке каждого критического размера. Стандарты ASTM обеспечивают руководство¹³, но большинство магазинов работают неформально.

Интеграция с существующими рабочими процессами проектирования имеет большее значение, чем выбор технологии. САПР, включающие анализ возможности печати, автоматическое построение опор и оптимизацию геометрии для аддитивного производства, - эти инструменты сокращают время от идеи до реальной визуализации.

Лучше всего использовать производство прототипов, когда оно включено в различные процессы проектирования, а не заменяет их. Фирмы, которые знают ограничения технологии и проектируют с учетом этих ограничений, получают максимальную выгоду. Люди, ожидающие, что 3D-печать спасет их во всем, обычно разочаровываются.

Суть: быстрое прототипирование полностью изменило индустрию разработки продуктов, потому что итерации стали недорогими и быстрыми. Но даже в этом случае это все еще инструмент. Чтобы стать успешным, важно использовать его правильно, но не делать чудес.