Prototipare rapida piese injectate materiale plastice

Prototiparea rapidă
1. Conceptul de Prototipare Rapidă
Pe perioada ultimului deceniu un nou concept de prototipare rapidă fizică numit fabricare stratificată sau fabricare solidă fără formă a câştigat popularitate în lume.
Activitatea numită “RP” îşi are începuturile de abia vreo 12 ani, cu apariţia sistemului stereolitografiere. Acest proces a avut un foarte mare impact în partea de design. Se baza pe un model 3D CAD şi a fost anunţat ca un “proces magic”, implicând surse necunoscute ca UV şi polimeri fotosensibili. În mod clar activitatea de creare rapidă a prototipului nu era nouă: chiar şi un proiectant putea crea modelul 3D fizic cu mâinile lui (bazându-se pe desenele 2D) mai rapid decât orice sistem de RP. Poate fi activitatea acestui proiectant (meşteşugar) numită RP sau nu?
Mulţi autori folosesc definiţii limitate ale RP, iar unii includ tehnologiile de creare a prototipului prin depunere în straturi subţiri de material (ca şi sistemul de stereolitografiere). Aspectul important al procesului de RP ca şi “cutie neagră” este translaţia automată a modelului 3D CAD către modelul fizic, tehnologia folosită neavând importanţă prea mare.
Vom defini procesul de RP ca şi Lennings: “Procesul care creează automat prototipul fizic pornind de la un model 3D CAD, într-o scurtă perioadă de timp”. [LEN 00]
Ideea cheie a acestei noi tehnologii de prototipare rapidă este bazată pe descompunerea 3D în straturi subţiri de secţiune transversală, urmate de formare fizică a straturilor şi stivuirea lor “strat după strat”. Crearea obiectelor 3D în dispunere stratificată este o idee aproape la fel de veche ca şi civilizaţia umană (piramidele egiptene au fost de asemenea construite bloc cu bloc şi strat cu strat). Aşezarea în stive a straturilor de materiale în formă individuală are o veche tradiţie în rândul aplicaţiilor de fabricaţie la fel ca turnarea pieselor sau ca şi topirea piesei. Ceva mai mult de un deceniu arta construcţiei de obiecte 3D cu straturi a fost avansată semnificativ de 3D System Inc., o companie americană din sudul Californiei. Disponibilitatea modelelor 3D computerizate a fost crucială în realizarea conceptului de creare a obiectelor stratificate, dar alte tehnologii precum sistemele laser şi computere puternice au ajutat la definirea acestei tehnologii numite stereolitografie.
Această tehnologie azi este capabilă să producă structuri 3D foarte complexe cu o foarte mică sau chiar deloc contribuţie umană. Apărând aproape în paralel cu progresul, stereolitografia a fost sistemul alternativ pentru fabricarea stratificată oferită de mai multe companii americane. Sunt incluse sisteme care construiesc obiecte stratificate prin laminarea straturilor de materiale (Helisys) şi prin fuziunea stratificata sau legarea materialelor pulverulente (DTM, Soligen) sau extrudarea firelor de sarmă (Stratosys).
Progresele au adăugat un şir de materiale noi care sunt mai bune decât polimerii utilizaţi în stereolitografie. Azi avantajele fabricării stratificate sunt majoritatea derivate din abilităţile sale de a crea rapid modele fizice, indiferent de complexitatea formei.
2. Tehnici de Prototipare Rapidă
Fabricarea cât mai rapidă şi cu un cost cât mai redus a unui model sau a unui nou produs a fost şi este un vis al oricărui inginer tehnolog. Începând cu anii ´90 acest vis s-a transformat şi se transformă în fiecare zi în realitate datorită apariţiei şi implementării în practica industrială a tehnologiilor de fabricare rapidă a prototipurilor (Rapid Prototyping - RP), care se deosebesc fundamental de tehnologiile cunoscute şi utilizate până în acel moment. Ca şi noţiune, prototiparea rapidă este asociată cu o seamă de procedee tehnologice relativ noi ce permit realizarea rapidă a modelului fizic, a prototipurilor funcţionale, a reperelor, a subansamblurilor sau a sculelor implicate în procesul de dezvoltare a produsului. Aceste tehnici de prototipare rapidă folosesc un alt principiu pentru materializarea piesei, prin adăugare de material atât cât este necesar şi unde este necesar. Tehnologiile care pot fi aplicate într-un demers de prototipare rapidă ca alternativă la metodele tradiţionale de fabricare sunt numeroase. Principiile folosite şi condiţiile de aplicare sunt extrem de variate dar, în mod invariabil, aplicarea industrială este dictată de eficacitatea dovedită în ceea ce priveşte impactul comercial în sensul reducerii timpului de lansare pe piaţă a unui produs oarecare.
Frecvent, aplicarea tehnologiilor de prototipare rapidă în diferite faze de dezvoltare a produsului, determină o creştere a costurilor globale de lansare. Această situaţie este acceptată de factorii de decizie deoarece:
- conferă avantajul devansării termenelor de lansare şi instalării rapide pe piaţă cu posibilitatea recuperării investiţiei din beneficiile suplimentare realizate;
- aplicarea acestor tehnologii permite experimentarea soluţiilor constructive ale echipamentelor tehnologice concepute, validarea sau, dacă este cazul, perfecţionarea acestora înainte ca modificările ce se impun să determine creşteri exagerate ale costurilor de realizare ale sculelor.
Rezultatul urmărit prin aplicarea acestor tehnologii este realizarea în termen scurt şi cu investiţie suplimentară neglijabilă a unui număr limitat de exemplare din:
- produsul propriu-zis ;
- replică (la scară sau din alt material) a produsului în diverse stadii de dezvoltare;
- scule şi dispozitive necesare realizării produsului, pentru validarea concepţiilor de creaţie până în faza curentă, diferite testări şi orientarea în continuare a demersului de dezvoltare a produsului.
O clasificare a tehnologiilor de fabricare rapidă a prototipurilor este prezentată în fig.3.9, clasificare care sugerează o grupare a acestor tehnologii în două categorii :
- tehnologii de formare prin depunere de material;
- tehnologii de modelare prin prelevare de material.
In continuare vor fi prezentate cele mai semnificative tehnici de prototipare rapidă:
Stereolitografierea (Stereolithography - SLA)
Principiul:
Stereolitografia a fost primul proces comercializat pe piaţă în 1987.[STI 01] Este cel mai pe larg cunoscut şi folosit în proporţie de 37% pe piaţă. În procesul SLA, fiecare strat este creat prin tratarea selectivă a unei răşini fotosensibile folosind un laser cu UV.
Odată ce fiecare strat este terminat, platforma de construcţie este coborâtă pe o adancime egală cu grosimea unui strat şi procesul este continuat până când piesa este terminată.
Deoarece acest proces foloseşte răşina lichidă ca material de bază, structurile de susţinere sunt cerute pentru a sprijini suprafeţele cu orientare în jos. Odată ce piesa a fost construită, trebuie să fie apoi tratată într-un cuptor cu UV. Odată ce acest proces este terminat, suporturile de susţinere sunt îndepărtate.[NOR 01]
Exista o gamă larga de materiale pentru acest proces, de la cele rezistente la umiditate, la materialele puternice şi rezistente la temperaturi înalte, dar ele încă nu pot intra în competiţie cu materialele plastice folosite în inginerie, cerute de ingineri.
Avantaje: precizie înaltă, gamă medie de materiale, posibila realizarea de piese de dimensiuni mari.
Dezavantaje: costuri ridicate, necesită facilităţi, necesită susţinere, necesita tratare ulterioară.
Schema de principiu:
Aplicaţii:
Stereolitografia este o metodă economică de a verifica forma, montarea şi funcţionarea, precum şi verificarea estetică şi ergonomică a noilor produse. Acesta este şi motivul pentru care stereolitografia a devenit o tehnologie folosită în aproape toate ramurile industriale. Aplicaţiile ei se regăsesc în domeniul aerospaţial, armamentului, automobilelor, consumului de electronice, produse, jucării, echipament industrial, echipament medical, aplicaţii chirurgicale, aplicaţii dentare.
Depunere de material topit (Fused Deposition Modeling – FDM)
Principiul:
Diferă de majoritatea celorlalte sisteme prin faptul că nu foloseşte un laser pentru a crea stratul de material. Materialul sub formă de filament trece printr-un cap de extrudare şi este încălzit până aproape de punctul său de topire. Acest material este apoi scos prin capătul capului şi depozitat pe masa maşinii sub forma unui singur fir de material; aceste „fire” sunt depuse unul după altul pentru a crea stratul. O data ce stratul a fost terminat, masa de construcţie coboară cu un strat şi procesul continuă până când următorul strat este completat. [MAS 00] Piesele cu suprafeţe orientate în jos necesită susţinere substanţială. În timp ce la celelalte procese aceste susţineri sunt generate automat, în cazul FDM se foloseşte material diferit de cel al piesei. Materialul este un plastic ABS, şi piesele construite în timpul procesului au o tărie de 80% din cea a materialului de origine. Alte materiale includ ceara, ABS medical şi un elastomer.[NIK 00]
Avantaje: precizie bună, materiale funcţionale, gamă medie de materiale, întreţinere uşoară.
Dezavantaje: material de susţinere.
Aplicaţii:
Se produc prototipuri pentru verificarea formei, montajului şi funcţionarii, la cost şi timp redus comparativ cu procedeele convenţionale.
Fabricarea de piese stratificate prin laminare (Laminated Object Manufacturing - LOM)
Principiul:
Primul sistem de fabricare LOM a fost dezvoltat în anul 1991 de către compania Helisys.
În LOM, obţinerea straturilor ce compun piesa se face prin decuparea dintr-o foaie de material solid (hârtie), folosind o sursa de laser infraroşu. Materialul care nu formează stratul prezent este „făcut cuburi” care vor fi îndepărtate manual la sfârşitul procesului. Odată ce fiecare strat este terminat, este legat la cel anterior folosind un adeziv (aflat pe partea inferioara a colii de hârtie) activat de căldură.
Există în prezent un singur material folosit pentru LOM (hârtie), deşi sunt o mulţime de alte materiale în curs de dezvoltare (plastic şi compozit). La finalul procesului, piesa este împachetată în materialul în exces, care trebuie îndepărtat; datorită acestui lucru, procesul LOM este cel mai potrivit pentru piese mari, care nu au detalii complicate.
Avantaje: precizie bună, construcţie la scară mare.
Dezavantaje: gamă limitata de materiale, proprietăţi slabe ale materialelor, este necesară îndepărtarea susţinerii.
Aplicaţii:
Se pretează în special pieselor tridimensionale voluminoase (matriţe).
Sinterizare laser selectivă (Selective laser sintering - SLS)
Principiul:
Procesul SLS este în prezent unul din cele mai versatile de pe piaţă, datorită în mare parte numărului mare de materiale disponibile. A fost dezvoltat de compania DTM (3D Systems) în anul 1986. [RED 06] În procesul SLS, pulberea este sinterizată selectiv sau topită de o sursă laser infraroşu. Din nou, odată ce un strat este terminat, patul de pulbere coboară pe o grosime de un strat şi un nou strat de pulbere este depus şi procesul continuă. La fel ca în procesul 3DP, nu sunt necesare dispozitive de susţinere, deoarece pulberea nesinterizată susţine materialul piesei. În final, suprafaţa piesei finalizate este puţin aspră la atingere. În prezent există şapte materiale disponibile pentru acest sistem, incluzând două materiale pentru realizarea de scule: materiale Duraform (Nylon), Glass Filled Duraform, Fine Nylon, Trueform, Elastomer, Copper Polyamide, oţel rapid si Sand Form.
Avantaje: gamă largă de materiale, precizie bună, se pot realiza piese de dimensiuni mari.
Dezavantaje: sunt cerute anumite facilităţi, finalizare deficitară a suprafeţei.
Aplicaţii:
SLS este ideală pentru obţinerea pieselor care necesită durabilitate ridicată, pentru testarea funcţională a celor mai multe aplicaţii, este o metodă rapidă pentru dezvoltarea prototipurilor şi oferă o precizie ridicată a produselor.
Printarea 3D (3D Printing - 3DP)
Principiul:
Procesele 3DP dezvoltate de MIT în cursul anilor 90 au fost comercializate în mai multe sisteme diferite, deşi numai unul, Z Corporation 3D Printer va fi descris aici. În procesele 3DP, un liant pe bază de apă este printat pe suprafaţa unui pat de pulbere pentru a crea un strat de material. Deoarece liantul are o vâscozitate foarte scăzută, poate fi printat într-o manieră similară unei imprimante cu jet de cerneală şi foarte rapid. [COS 04]
Sistemul este apreciabil mai rapid decât orice altă tehnologie de concepte de modelare, cu o rată de construcţie verticală de 50.8 mm pe oră. Odată ce stratul a fost printat, patul de pulbere este nivelat la grosimea unui singur strat, un nou strat de pulbere este împrăştiat deasupra celuilalt şi procesul este repetat până când partea este finalizată. Acest proces nu are nevoie de susţinere deoarece pulberea care înconjoară piesa susţine fiecare strat consecutiv. Odată ce piesa este finalizată, este scoasă din maşină, excesul de pulbere este curăţat şi piesa este supusă post-procesării. În acest proces, piesele rezultate sunt destul de slabe, şi au nevoie să fie infiltrate cu un material adiţional. Există în prezent două astfel de materiale: ceară şi răşină epoxidică.
Datorită versatilităţii acestui proces, potenţialului de adăugare de materiale şi preciziei relative a procesului, sistemul găseşte o varietate de utilizări în industria de injecţie a materiale polimerice, Concept Modelling. Piesele obţinute prin aceste tehnologii pot fi folosite şi pentru testare funcţională, realizând însă în prealabil infiltrarea piesei cu răşină epoxidică, crescând astfel cu mult duritatea ei.
Avantaje: foarte rapidă, costuri de utilizare scăzute, servicii uşoare.
Dezavantaje: necesită paşi de post-procesare.
3.Printare 3D:
a)- depunerea stratului de pulbere; b)- printarea zonei care va deveni piesă;
c)- pistonul este coborât pentru următorul strat [WIL 02]
Aplicaţii:
3DP este folosit pentru producerea rapidă a prototipurilor, a pieselor finale şi a matriţelor. Prin această metodă se pot crea piese de orice geometrie şi aproape din orice material, incluzând aici ceramici, metale, polimeri şi compozite.
Solid Ground Curing (SGC)
Principiul:
SGC a fost dezvoltat de o companie din Israel, Cubital Ltd.[MAI 95]
La fel ca stereolitografia, SGC acţionează prin tratarea unui polimer fotosensibil strat cu strat pentru a crea un model solid bazat pe date geometrice CAD.
- În loc să folosească un fascicul laser pentru scanare, pentru a acţiona asupra unui strat dat, întregul strat este expus unei surse UV printr-o mască situată deasupra polimerului lichid;
- Întărirea durează 2-3 s pentru fiecare strat;
- Secvenţa pentru fiecare strat durează în jur de 90de secunde;
- Se susţine că timpul pentru a produce o parte prin SGC este de opt ori mai rapid decât orice altă tehnica RP;
- Forma cubică solidă creată în SGC constă din polimer solid şi ceară;
- Ceara oferă susţinere pentru trasăturile fragile sau suspendate ale piesei în timpul fabricării, dar poate fi topită şi îndepărtată de pe piesă.
Avantaje: pot fi realizate simultan mai multe piese, poziţionate pe masa de lucru a maşinii, nu necesită material suport pretenţios (ceară), stabilitate dimensională obţinută în urma procesului (fără contracţii), posibilitatea obţinerii de piese complexe fără dificultăţi prea mari, secvenţa de construire poate fi întreruptă, iar stratul eronat poate fi şters.
Dezavantaje: procesul necesită cunoştinţe din partea operatorului, consumul de răşină nu tine seama de mărimea secţiunii transversale a piesei ce urmează a fi fabricată, ci depinde numai de numărul de straturi, ceea ce face ca procesul să fie prea scump pentru piesele cu secţiunea transversală mică, costul ridicat al echipamentului.
Aplicaţii:
Prin această metodă se pot fabrica modele din plastic, complexe, folosite pentru validare de design, dar şi ca modele funcţionale.
Prototiparea Rapidă prin prelevare de material - frezare
Dezvoltarea Prototipării Rapide este strâns legată de dezvoltarea aplicaţiilor pe calculator din domeniu. Costul în scădere al calculatoarelor, mai ales pentru calculatoarele personale sau minicalculatoare, a schimbat modul în care lucrează o fabrică. Creşterea utilizării calculatoarelor a stimulat avansul în multe domenii legate de calculatoare, cuprinzând Proiectarea Asistată de Calculator (CAD), Fabricaţia Asistată de Calculator (CAM) şi maşinile-unelte de Control Numeric pe Calculator (CNC). În particular, apariţia sistemelor RP nu ar fi fost posibilă fără existenţa CAD.
Totuşi, din examinarea atentă a numeroaselor sisteme RP existente în prezent, se poate deduce uşor că multe alte tehnologii, altele decât CAD, şi avansuri în alte domenii, cum ar fi sistemele şi materialele de fabricaţie, au fost la rândul lor cruciale în dezvoltarea sistemelor RP.[RAP 07]
Deşi termenul de prototipare rapidă se aplica la început tehnologiilor prin depunere de material, tot mai mulţi autori [NIC 00], [CUR 03], [LEN 00], [MOD 05] folosesc denumirea de SRP (Subtractive Rapid Prototyping), incluzând în aceasta categorie şi frezarea.
SRP (Subtractive Rapid Prototyping) este un proces de transformare a modelelor geometrice digitale într-un obiect fizic. Termenul Subtractiv sugerează prelevare de material în timpul procesului. Aceasta este tocmai ceea ce prototiparea rapidă CNC face. Orice model CAD, CAM poate fi îmbunătăţit. Subtractive Rapid Prototyping (SRP) este un proces în care obţinerea prototipului sau a piesei fabricate se realizează cu costuri scăzute. Modelul digital este remodelat şi transformat într-un obiect fizic care poate fi ţinut în mână.
Un proces de prototipare poate fi numit prototipare rapidă dacă:
- Procesul se bazează pe utilizarea datelor CAD tridimensionale;
- Piesa prototip este creată (aproape) automat (“aproape” se adaugă deoarece toate procesele curente implică şi unele munci manuale pentru pre- şi / sau postprocesare);
- Modelul este gata în câteva zile.
Rapid trebuie înţeles în opoziţie cu realizarea manuală a unei piese prototip, lucru care, în general vorbind, ar necesita mai multe săptămâni. Această definiţie nu include meseriaşii abili, care pot realiza un model din spumă, manual, în să zicem 10 minute (literar vorbind, prototipare rapidă într-adevăr!). Aspectul important este că nu contează tipul de proces implicat: sunt cuprinse aici tehnici incrementale (LMT = Tehnica de Fabricare Stratificată), ca şi decrementale (CNC = prelucrare Numerică Controlată).
Aplicaţia curentă de bază a sistemelor RP constă în reducerea timpului în care un produs nou este (aproape) terminat: chiar înainte de a face cheltuielile ample legate de crearea echipamentelor de fabricaţie. Testarea unei piese prototip complet funcţională în acest moment oferă oportunitatea localizării greşelilor de proiectare şi corectării lor în condiţiile în care costurile schimbării sunt încă mici, greşeli care se poate să fi rămas neobservate la testarea numai a modelului CAD 3D.
Vezi graficul costului efectiv din binecunoscuta figură 3.16. Acest test de preproducţie este vital: în multe cazuri se realizează chiar şi o serie limitată de piese prototip în scopuri de testare folosind un proces de prelucrare rapidă.
Deoarece această testare de preproducţie constituie aplicaţia de bază curentă a RP, cei mai mulţi producători de sisteme RP de până acum s-au concentrat pe dezvoltarea sistemelor RP sofisticate necesare. Totuşi, în ultimii ani s-a observat o divergenţă între aceste maşini pretenţioase şi un tip nou de maşini RP: Modelatoarele de Concept (Throup, 1996; Wohlers, 1997).
Un sistem de Prototipare Rapidă poate fi denumit Modelator de concept dacă:
1. Preţul întregului sistem este mai mic de 10 000 USD.
2. Sistemul poate fi folosit într-un birou de proiectare, fără să cauzeze nici o inconvenienţă legată de zgomot, miros rău sau materiale toxice.
3. Un model se poate realiza în timpul unei pauze de cafea (15 minute).
4. Operaţia este la fel de uşoară ca apăsarea unui buton (la fel de uşoară ca apăsarea butonului Imprimă dintr-un procesor de cuvinte).
Un sistem complet costă mai puţin de 10 000 USD (costul cel mai mic este de aproximativ 3 000 USD); piesa prototip poate fi gata în 10 minute (când se alege o precizie redusă şi un material uşor cum este spuma).
Utilizarea prelucrării CNC pentru crearea de piese prototip este desigur binecunoscută, cu toate acestea până de curând această tehnică nu era tocmai rapidă. Problema principală era calcularea traiectoriilor de prelucrare, pentru care era necesar un operator experimentat al programului de calculator CAM. Acest proces ar implica aplicarea mai multor straturi de suprafaţă, precum şi crearea şi verificarea traiectoriilor de prelucrare pentru fiecare suprafaţă separată, lucru ce ar lua mai multe ore (Wall, 1992).
În trecut, abordarea CNC nu era potrivită pentru modelarea conceptuală, datorită investiţiilor mari necesare pentru maşină şi pentru programul de calculator. Ambele probleme au fost rezolvate, iar acum CNC oferă posibilităţi de modelare conceptuală ce sunt în fapt superioare LMT. O a patra caracteristică este costul redus al programului, care îl face nimerit pentru Modelarea Conceptuală. Şi în ceea ce priveşte maşina, lucrurile s-au schimbat: se găseşte acum o nouă generaţie de maşini de prelucrare CNC, cu cost redus, pentru birou. Deoarece tehnica de bază pentru CNC este mai simplă decât cea pentru LMT, preţurile acestor maşini de prelucrat sunt mult mai mici. Suficient de mici pentru a „cumpăra pur şi simplu una”. Un avantaj important al utilizării unui sistem CNC pentru modelarea de concept este faptul că nu sunt necesare imagini tridimensionale veritabile (modele tridimensionale CAD - solide). Asta spre deosebire de sistemele LMT, care nu pot funcţiona cu solide incomplete. În faza de proiectare conceptuală în cele mai multe cazuri se folosesc modele CAD 3D simple, constând de exemplu numai din suprafeţe.
Unele birouri de proiectare folosesc chiar programe simple de calculator CAD speciale pentru proiectare conceptuală, care nu sunt capabile cu o modelare solidă (tridimensională) veritabilă. Este un lucru cunoscut utilizatorilor CAD experimentaţi că, trecerea la o imagine solidă veritabilă (fără tăieturi, goluri, suprafeţe duplicate, etc.) nu este uşoară şi poate lua de fapt câteva zile.[DES 07]

4 Noţiuni legate de piesa prototip
4.1 Definirea piesei prototip
Un prototip este o parte importantă şi vitală a procesului de dezvoltare al unui produs. În orice practică de proiectare, cuvântul “prototip” nu este departe de lucrurile în care se implică proiectanţii. Totuşi, în proiectare, el înseamnă deseori mai mult decât un simplu artefact. A fost utilizat adesea ca verb, spre exemplu, prototiparea unui proiect de motor pentru evaluarea tehnologiei, sau ca adjectiv, de exemplu, construirea unui tablou de circuite imprimate (PCB) prototip. Pentru a fi destul de general ca să acopere toate aspectele semnificaţiei cuvântului prototip legate de utilizarea sa în proiectare, este definit foarte pe larg aici ca: „o aproximare a unui produs (sau sistem) sau a componentelor sale într-o anumită formă, pentru un scop precis în aplicarea sa”.
Această definiţie foarte generală se îndepărtează de conceptul general acceptat al prototipului fizic. Ea cuprinde toate tipurile de prototipuri utilizate în procesul de dezvoltare al produsului, inclusiv obiectele de genul modelelor matematice, schiţelor în creion, modelelor de spumă şi desigur aproximarea fizică funcţională a produsului. Prototiparea este procesul de realizare a acestor prototipuri. Aici, procesul poate varia de la simpla executare a unui program de calculator la construirea efectivă a unui prototip funcţional.

4.2 Piese prototip
Diferite clasificări ale prototipurilor au fost incluse în numeroase lucrări. Cele referitoare la tehnica de prototipare rapidă sunt prezentate în [NOR 01], [ZOR 03].
Definiţia generală a prototipului conţine trei aspecte de interes:
1. Implementarea prototipului: de la întregul produs (sau sistem) în sine la subansamblele sau componentele sale;
2. Forma prototipului: de la un prototip virtual la unul fizic;
3. Gradul de aproximare a prototipului: de la o reprezentare foarte aproximativă la o copiere exactă a produsului.
Aspectul de implementare al prototipului acoperă domeniul de prototipare al întregului produs (sau sistem) la prototiparea unei părţi, subansamblu sau componente ale produsului.
Prototipul complet, aşa cum îi sugerează denumirea, înglobează cele mai multe, dacă nu toate, caracteristicile produsului.
Al doilea aspect, al formei prototipului, ţine seama de prototipul ce este pus în practică. Prototipurile virtuale, ce se referă la prototipuri intangibile, sunt reprezentate de obicei într-o anumită formă nefizică, de exemplu, un model matematic al unui sistem de control. Astfel de prototipuri sunt de obicei studiate şi analizate.
Un astfel de prototip se foloseşte adesea, fie când prototipul fizic este prea mare şi de aceea necesită prea mult timp să fie construit, fie când realizarea unui atare prototip este exorbitant de scumpă. Principalul dezavantaj al acestor tipuri de prototipuri este că se bazează pe înţelegerea curentă şi de aceea ele nu vor putea prevedea nici un fenomen neaşteptat. Ele sunt foarte slabe sau total nepotrivite pentru soluţionarea problemelor neanticipate. Modelul fizic, pe de altă parte, este manifestarea tangibilă a produsului, construit de obicei pentru testare şi experimentare. Exemple de astfel de prototipuri includ macheta unui telefon celular ce arată şi este percepută fizic în mare măsură ca produsul real, însă fără funcţiile sale specifice. Un prototip de felul acesta poate fi folosit doar pentru evaluarea factorilor estetic şi uman.
Al treilea aspect acoperă gradul de aproximare al reprezentativităţii prototipului. Pe de o parte, modelul poate fi o reprezentare foarte aproximativă o produsului dorit, cum ar fi un model din spumă, folosit cu precădere la studierea formei generale şi dimensiunilor produsului în faza sa iniţială de dezvoltare. Unele prototipuri brute pot nici măcar să nu arate ca produsul final, însă sunt folosite pentru a testa şi studia anumite probleme ale dezvoltării produsului.
Figura 3.17 prezintă diverse tipuri de prototipuri în funcţie de trei aspecte ale descrierii unui prototip. Fiecare din cele trei axe reprezintă un aspect al descrierii prototipului. Această ilustrare nu se doreşte a oferi o scală exactă pentru descrierea prototipului, ci serveşte la demonstrarea faptului că prototipurile pot fi descrise după aceste trei aspecte.
Prototiparea rapidă intră în mod tipic în sfera prototipului fizic, fiind de obicei foarte precisă şi putând fi implementată la nivelul unei componente sau unui sistem. Acesta reprezintă volumul umbrit prezentat în figura 3.17. Versatilitatea (caracterul schimbător) şi spectrul diferitelor prototipuri, de la sisteme complete la componente individuale, ce pot fi produse prin intermediul RP cu diverse grade de aproximare, constituie o unealtă importantă pentru prototipare în procesul de dezvoltare a produsului. Adăugând avantajul major al vitezei de redare, aceasta a devenit o componentă importantă în arsenalul de prototipare ce nu trebuie ignorată.
4.3 Rolul piesei prototip în cazul matriţelor de injectat
Clienţilor le place deseori să vadă şi să atingă o piesă prototip a părţii actuale înainte ca să o achiziţioneze. Acest lucru este adevărat mai ales când e vorba de o activitate de producţie în masă, cum ar fi matriţarea prin injecţie, extruziunea sau matriţarea prin rotaţie. Motivul este evident. Întrucât matriţele şi ştanţele sunt destul de scumpe, nimeni nu vrea să investească într-un produs a cărui finalizare este incertă. Astfel, este esenţial să construieşti mai întâi o piesă prototip pentru clientul tău. În funcţie de mărime, formă şi material, costurile pentru produsul de încercare vor varia. Schimbările pot fi făcute foarte uşor, iar costul este avantajos în această etapă a dezvoltării. Nu este întotdeauna posibil să schimbi matriţa de injectat. Este fezabil, dar de cele mai multe ori, este foarte scump.
Un alt avantaj al piesei prototip este că atât creatorul acestuia cât şi clientul pot lua parte la realizarea şi încercarea într-o situaţie reală a acesteia. Modificările necesare pot fi făcute până când amândoi sunt mulţumiţi de acel produs. Abia atunci poate începe producţia cu încrederea de a şti că părţile vor funcţiona.
Partea delicată în construirea unei piese prototip (PP) este să o faci să semene cât mai mult posibil cu produsul final şi destul de rezistent pentru a se potrivi aplicației. Unele produse pot fi prea mari faţă de PP, în mărime reală, şi atunci o PP în mărime redusă ar putea fi o soluţie (bineînţeles, cu acordul clientului). Aceasta va oferi o imagine despre funcţionarea şi comportamentul produsului final.
Se pot găsi modele pentru toate clădirile cu conducte, rezervoare şi maşini, containere speciale cu anumite funcţii, capace cu forme speciale, mobilier, componente de automobile şi aşa mai departe. Subiectul PP este foarte vast şi nu cunoaşte aproape nici o limită. După cum am menţionat la început, toate produsele pentru producţia de masă trebuie să aibă mai întâi o PP pentru a economisi bani şi nervi.
Aşadar, care este cel mai bun mod pentru a crea o PP? Mai întâi trebuie ascultat clientul pentru a-i înţelege nevoile. Uneori va fi necesar să se facă modificări în proiectul original pentru a se putea produce produsul. Alegerea materialului potrivit care se va comporta bine în funcţiune este, de asemenea, important. În această etapă este nevoie de multe consultări. Nu trebuie începută construirea primei PP până când nu este finalizat proiectul şi materialul. Crearea PP pentru producţia de masă este un pas foarte important pentru a fi orientat mai mult către client şi către costuri eficiente. De asemenea, este o piaţă bună de achiziţionat. Cu cât este mai bună PP, cu atât mai repede se poate face produsul final. Cheia pentru a produce PP bune este să înţelegi nevoile clientului, să cunoşti diferitele aplicaţii ale produsului şi să cunoşti materialele plastice şi cum se lucrează cu ele.
Proiectarea este o chestiune de echilibru: greutate vs. rezistenţă, cost vs. calitate, viteză vs. acurateţe, etc. În timp ce dezvoltarea progresează, prototipul este o parte esenţială a procesului de echilibrare şi reprezintă designerul cu alegerile sale. Tehnologia de proiectare a produsului ce urmează a fi injectat oferă o varietate de opţiuni. Prototiparea rapidă (RP) include stereolitografia, sinterizarea selectivă cu laser, modelarea cu depunere fuzionată, fabricarea prin laminare a obiectului şi tipărirea tridimensională. Fiecare dintre aceste tehnici construieşte una câte una, de la modelele 3D-CAD, unind straturile materialului pentru a crea prototipul finalizat.
Fabricaţia rapidă (Rapid Tooling - RT) foloseşte prototiparea rapidă pentru a crea iniţial modelul şi apoi pe baza acestuia se poate realiza matriţă în care pot fi făcute modificări suplimentare. Materialele matriţei pot varia de la cauciuc silicon la compuşi.
În sfârşit, există şi o matriţare prin injecţie tradiţională, care este folosită în primul rând pentru producţie, dar ar putea fi folosită uşor şi pentru a crea PP.
Prototiparea rapidă este cea mai rapidă metodă şi poate produce forme foarte complexe, fără nici un cost suplimentar privind sculele, poate fi necostisitoare atât timp cât este nevoie numai de câteva piese. Oricum, RP nu oferă nici o economie din punct de vedere al complexităţii modelului ce se doreşte a fi obţinut, iar costurile sale cresc rapid odată cu cantitatea. Piesele pot fi făcute numai dintr-o gamă limitată de materiale şi în mod tipic nu sunt finisate.
Fabricaţia rapidă poate produce uneori părţi de o calitate mai bună decât prototiparea rapidă, deşi alegerea materialelor este oarecum limitată. De asemenea, este şi mai lentă şi mai costisitoare datorită pasului suplimentar pentru a crea o sculă din prototipul original. Nevoia de a crea matriţe măreşte costurile şi poate limita complexitatea formelor care pot fi efectiv duplicate.
Matrițarea prin injecţie rapidă foloseşte matriţe din metal pentru a produce piese cu adevărat funcţionale, cu un finisaj bun şi într-o mare varietate de răşini. Este similară cu matrițarea prin injecţie tradiţională (deşi cu mult mai rapidă şi mai puţin costisitoare). Este competitivă cu fabricaţia rapidă din punct de vedere a vitezei de lucru şi oferă economisiri mai bune decât prototiparea rapidă sau fabricaţia rapidă.
Matrițarea prin injecţie tradiţională poate produce cea mai complexă şi finisată piesă, dar este considerată, în general, prea lentă şi costisitoare pentru PP, deşi poate fi folosită atunci când este foarte posibil că matriţele vor intra direct în producţia de masă.
Caracteristicile unei PP cuprind calitatea, costul şi viteza cu care este făcută. Calitatea impusă unei PP poate varia în mare măsură. În etapele de proiectare anterioare, asemănarea cu o parte produsă poate fi aproximativă, dar pe măsură ce procesul se îndreaptă către sfârşit, PP trebuie să fie şi mai aproape adecvată părţii finalizate. Există două măsuri ale calităţii. Prima este forma şi potrivirea în formă, mărime, finisare şi, chiar, culoare. Cealaltă este adecvarea din punct de vedere funcţional, în rezistenţă, durabilitate, rezistenţă chimică, toleranţă la căldură şi altele de acest gen. Evident, nu există o singură alegere bună pentru toate nevoile. Prototiparea rapidă, spre exemplu, poate fi o alegere bună pentru determinarea rapidă a formei şi corespondenţei, dar, în general, produce părţi slabe pentru testarea funcţională. Matrițarea prin injecţie rapidă, pe de altă parte, este oarecum mai costisitoare, dar produce PP ideale pentru testarea funcţională. Mulţi designeri dezvoltă o „trusă de scule” pentru metode de a face prototipuri, alegând o tehnologie specifică care corespunde nevoilor unui proiect sau unei anumite etape dintr-un proiect. Acest lucru le permite să aloce resurse, folosind banii economisiţi într-o etapă pentru a grăbi operaţiunile în altă etapă. Aceste PP scoase rapid şi cu bani relativ puţini pot fi utilizate pentru a ajusta imaginea şi impresia pe care o lasă piesa.
Odată ce a fost determinată o imagine aproximativă, designerii pot să o ducă la testarea funcţională, folosind matrițarea prin injecţie rapidă pentru a produce câteva sute de piese. Întrucât aceste piese pot fi produse rapid în oricare din sutele de răşini, ele sunt ideale pentru a testa rezistenţa, durabilitate, rezistenţă chimică, toleranţă la căldură a unei piese în utilizare reală sau simulată. Dacă este dorită o anumită răşină, pot fi refolosite aceleaşi matrițări prin injecţie rapidă pentru a produce piesa dintr-un material diferit. Sau, dacă sunt depistate erori chiar în proiect, pot fi produse rapid noi matriţe. În unele cazuri, matrițările prin injecţie rapide pot fi utilizate chiar pentru a produce funcţionări mai lungi pentru testarea pe piaţă.
Dacă PP trece testul, matrițele din oţel, tradiţionale, pot fi cerute pentru derularea producţiei finale. În unele cazuri, matriţele din aluminiu create pentru matrițarea prin injecţie rapidă pot fi utilizate ca o unealtă punte pentru producţia preliminară în timp ce sunt produse matriţele din oţel. Sau, dacă derularea producţiei finale nu este prea mare, sau dacă timpul pentru vânzare este critic, matriţele din aluminiu pot deveni de fapt, matriţe de producţie.
În alegerea metodelor de a face PP, trebuie să se definească atât condiţiile tehnice, cât şi constrângerile afacerii.
Dacă forma şi adecvarea constituie priorităţi, atunci unele opţiuni de prototipare rapidă sau fabricaţie rapidă vor funcţiona, întocmai ca şi matrițarea prin injecţie rapidă. Dacă sunt necesare piese pentru testarea funcţională, limitările materialelor pentru prototipare rapidă şi fabricaţie rapidă, pot fi o problemă. Modelarea prin injecţie, rapidă sau altfel, ajută mai mult răşinile care vor fi utilizate în producţie.
Dacă sunt necesare mai puţin de 10 produse, prototiparea rapidă va fi mai avantajoasă decât matrițarea prin injecţie rapidă sau fabricaţia rapidă. Pentru 10 până la 100 de produse, o alegere mai bună poate fi matrițarea prin injecţie rapidă sau fabricaţie rapidă. Pentru piese, care trebuie realizate în mai puţin de trei zile, singura alegere poate fi prototiparea rapidă. Dacă se poate aştepta între trei zile şi două săptămâni, cea mai bună soluţie o constituie matrițarea prin injecţie rapidă sau fabricaţia rapidă.
În cazul în care sunt necesare mai mult de 10 000 de produse, cel mai bun pariu îl reprezintă matrițarea prin injecţie tradiţională. Având o gamă largă de opţiuni în trusa de scule, se poate da o linie aerodinamică procesului de proiectare. Metoda adecvată în etapă potrivită a dezvoltării economiseşte timp şi bani, permiţând mai multe (sau mai eficiente) emiteri.
Banii economisiţi pot fi realocaţi, timpul economisit aduce produsele mai repede pe piaţă, iar PP mai bune înseamnă produse finale mai bune. Pe piaţa concurenţială de azi, mai rapid, mai bun, mai ieftin este o combinaţie foarte greu de depăşit.