Selección rápida del proceso de creación de prototipos

El éxito o el fracaso de un prototipo depende de su selección de procesos de creación rápida de prototipos para el desarrollo de nuevos productos. Hay varias formas en las que se pueden hacer prototipos de diseño de productos de ingeniería, desde simples maquetas de cartón hasta subensamblajes de metal completamente mecanizados.

La creación de prototipos es crucial para cualquier diseño de producto de ingeniería, especialmente para el desarrollo de nuevos productos. Es el proceso de hacer modelos aproximados del producto, por ejemplo, para probar su funcionalidad, forma, tamaño, etc. Lea más sobre los distintos tipos de prototipos y su importancia aquí.

Este artículo trata sobre prototipos basados ​​en piezas, es decir, cómo se pueden fabricar piezas individuales para crear prototipos de productos a nivel de sistema.

5 factores clave a tener en cuenta al seleccionar un proceso de creación rápida de prototipos

Los prototipos varían de tantas maneras como cada proyecto, producto y elemento de diseño del producto son diferentes. Dado que el éxito de cualquier prototipo dependerá de los criterios de selección de los procesos de creación de prototipos, estos 5 factores clave deben tenerse en cuenta al comienzo de cualquier proceso de selección de creación rápida de prototipos.

1. Propósito
2. Calidad
3. Cantidad
4. Complejidad
5. Presupuesto/coste

Profundicemos en estos factores clave para comprender por qué son esenciales para elegir su próximo proceso de creación de prototipos.

1. Propósito

Dentro de un proyecto de diseño y desarrollo de productos de ingeniería, los prototipos se crean con cuatro propósitos, según Ulrich y Eppinger (2008). Están aprendiendo , Comunicación , Integración y Hitos . Estos propósitos de la creación de prototipos variarán dependiendo de cuál de las 4 etapas de desarrollo de nuevos productos (NPD) están adentro. Cada etapa del NPD tendrá su requisito de característica y funcionalidad para eliminar el riesgo. Esto definirá el tipo de fidelidad del prototipo requerido, que es la calidad del prototipo que se analiza más adelante.

Primero, dependería de las pruebas planificadas o ejercicios de mitigación de riesgos tales como tipos de prueba, comentarios de interacción con el cliente, etc. Si el producto pasara por pruebas rigurosas, implementación externa y verificación del producto, la selección de materiales jugaría un papel clave en la selección de técnicas de creación de prototipos.

En segundo lugar, cualquier aspecto funcional que le gustaría en su prototipo debe ser considerado. ¿Está planeando pruebas funcionales o tiene alguna pieza móvil? Esto dictará la selección y el montaje.

Tercero, cambios y modificaciones . Es muy poco probable que su prototipo sea un éxito sin algunos ajustes. Entonces, considere cuán fácil o difícil sería modificar para que los prototipos funcionen.

Etapa NPD

• Tarea de planificación y aclaración del producto

  • Esta etapa generalmente requiere maquetas de prueba de concepto muy tempranas, unidades de demostración y prototipos de diseño industrial
  • Técnicas de creación de prototipos
    • Modelos de espuma mecanizados por CNC
    • Maquetas de cartón
    • Piezas y ensamblajes impresos en 3D (FDM, SLA, SLS, etc.)

• Diseño conceptual

  • En esta etapa, probablemente necesite piezas a escala o ensamblajes del diseño junto con alguna interfaz de usuario y funciones limitadas
  • Nuevamente, las piezas FDM son excelentes para tener una idea de la forma y el tamaño. Si necesita más precisión, puede pasar al siguiente nivel de impresión 3D, es decir, SLA, SLS y piezas de chorro de polietileno. Si las partes son de metal, entonces CNC en esta etapa es su mejor opción. En algunos casos, también vale la pena considerar la fabricación de láminas de metal

• Diseño de realización

  • Esta es la fase de desarrollo en la que debe explorar prototipos completamente funcionales (forma, ajuste y función), por lo que los detalles son importantes. En esta etapa, es más que probable que los prototipos sean ensamblajes funcionales que contengan muchas piezas
  • En esta etapa, también necesitará más de una unidad para fines de prueba, y también vale la pena considerar las técnicas de fabricación finales para poder simularlas
  • Considere la fundición al vacío y la impresión 3D de alta resolución como SLS y SLA para piezas de plástico
  • Las piezas SLM/DMLS son ideales para simular piezas de fundición (arena, inversión y fundición a presión)

• Diseño detallado

  • Es más que probable que cualquier prototipo creado durante esta fase se utilice para pruebas funcionales y también para pruebas piloto de preproducción
  • Las piezas moldeadas por inyección se pueden crear prototipos mediante fundición al vacío, mientras que las piezas de plástico mecanizadas se pueden imprimir en 3D

2. Calidad

Como se discutió anteriormente, la fidelidad o la precisión del producto requerido dictará qué tipo de proceso y posprocesamiento necesitará. También se debe considerar la calidad del prototipo en comparación con su producto final o subcomponente. Dado que los prototipos de alta fidelidad cuestan más, deben considerarse en términos de retorno de la inversión.

Por ejemplo, si tiene una función de rosca en una pieza, SLA es mejor que FDM pero costaría más.

La vida del prototipo también es crucial a la hora de decidir la tecnología. Por ejemplo, si las piezas tienen sujetadores que se usarán con frecuencia, los insertos mecanizados o metálicos son una mejor opción que los orificios roscados o autorroscantes impresos en 3D.

Selección de materiales también juega un papel vital en términos de la calidad del prototipo. Si los elementos funcionales están vinculados a propiedades especiales del material, como el acabado de la superficie y la durabilidad, entonces elegir piezas fabricadas con aditivos podría no ser la mejor opción. Las opciones generales de materiales para los diferentes métodos de fabricación son las siguientes:

impresión 3d	CNC	Fundición al vacío
Nylon, PLA, ABS, ULTEM, ASA, TPU	ABS, nailon, policarbonato, PEEK	ABS, nailon nailon HT
Aluminio, Acero inoxidable, Titanio, Inconel	Aluminio, Acero inoxidable, Titanio, Latón	N/A

Si el prototipo está hecho de más de una pieza, se deberá considerar la tolerancia de las piezas prototipo para facilitar la integración.

3. Cantidad

La cantidad de piezas de prototipo requeridas es esencial para decidir el proceso, ya que algunas tecnologías de creación de prototipos solo son rentables para cantidades más pequeñas. Para la fabricación aditiva, el volumen de piezas también juega un papel crucial en el costeo, ya que las piezas más grandes requerirán más tiempo para imprimirse en comparación con las piezas más pequeñas. Como regla general, se aplican las siguientes reglas.

Piezas de plástico

prototipos de procesos
Piezas de plástico		Cantidad
		Bajo (1)	Medio (10)
Tamaño	Pequeño	impresión 3D	Mecanizado CNC (sencillo) Impresión 3D (complicado)
Grande	impresión 3D	Fundición al vacío Mecanizado CNC

Piezas metálicas

prototipos de procesos
Piezas metálicas		Cantidad
		Bajo (1)	Medio (10)
Tamaño	Pequeño	Mecanizado CNC Impresión 3D	Mecanizado CNC Fundición por inversión
Grande	Mecanizado CNC	Mecanizado CNC

4. Complejidad

La complejidad de la pieza y la complejidad de las características también dictarán la selección rápida del proceso de creación de prototipos. La fabricación aditiva es buena para producir piezas pequeñas muy complicadas, pero se debe tener cuidado con el diseño final porque lo complicado significa una producción en masa muy costosa.

Proceso	Tolerancia (mm)	Espesor de pared mínimo (mm)
FDM	±0,20 – ±0,50	0.8 -1.0
SLS/SLA	±0,20 – ±0,30	0,7 – 1,0
SLM/DMLS	±0,10	0,4 – 0,5
Lanzamiento de ligante	±0,20	1,5 mm – 2,0 mm
CNC *	±0,012	0.5
Fundición al vacío	±0,1	0,9 – 1,0

Tenga en cuenta que estas tolerancias y el grosor mínimo de la pared son valores típicos y varían enormemente según la elección del material y el diseño de características.

Las piezas que finalmente se producen mediante moldeo por inyección, se pueden crear prototipos de diversas formas de fundición mediante impresión 3D, mientras que las piezas mecanizadas se pueden imprimir en 3D o fabricarse mediante procesos de formación convencional o de fabricación sustractiva.

5. Costo

Finalmente, los recursos disponibles; el objetivo del prototipo iría de la mano con los recursos disponibles. El tiempo, el dinero y las horas de mano de obra necesarias para que los prototipos se fabriquen y funcionen deben tenerse en cuenta al elegir la tecnología de creación rápida de prototipos.

Cosas para reflexionar:

• La mayoría de las veces, el tiempo consumido por el posprocesamiento o para que la pieza funcione a partir de prototipos de baja calidad será mayor que el de los prototipos de alta calidad
• Algunos procesos, como la impresión 3D, pueden necesitar algún tiempo de posprocesamiento, pero es relativamente más rápido y económico, mientras que la fundición al vacío daría piezas casi idénticas a las del moldeo por inyección y se pueden usar sin posprocesamiento. Sin embargo, esto será más costoso con el costo de las herramientas
• El costo de CNC es proporcional a la complejidad de la pieza, mientras que el costo de AM es directamente proporcional al volumen y tamaño
• El costo general también estaría estrechamente relacionado con las cantidades más para un proceso como CNC debido al mayor costo de configuración

Resumen

El desarrollo de nuevos productos de ingeniería casi siempre implica hacer prototipos para probar ideas, funcionalidades, etc. Pero la calidad de sus pruebas y la posterior toma de decisiones dependerán en gran medida de qué tan bien simule su prototipo el producto final. Por lo tanto, seleccionar el proceso correcto para hacer el prototipo es crucial para el éxito de cualquier producto de ingeniería.

Una vez que tenga una comprensión clara de los 5 factores clave anteriores, puede decidir qué tipo de proceso explorar. Hay tantas maneras de hacer prototipos, y cada proceso de creación de prototipos tendrá sus ventajas y limitaciones. Por lo tanto, elegir el correcto es vital para el éxito de su creación de prototipos.

Pasos del proceso de selección de creación rápida de prototipos

• Definir el propósito del prototipo
• Establecer el nivel de aproximación (calidad y complejidad)
• Describir el método de evaluación y el plan para identificar cantidades
• Asegúrese de que su costo se mantenga dentro del presupuesto de su prototipo