Услуги по изготовлению прототипов: руководство по процессам, материалам и выбору партнеров.

Изготовление прототипов может представлять собой нечто большее, чем просто «изготовление прототипов» —

В случаях, когда производители медицинского оборудования сталкиваются с застоем из-за засорения прототипов микрофлюидных чипов более чем на 30%, когда автопроизводители модифицируют имитационные модели новых конструкций для их подтверждения, и когда стартапы откладывают запуск продукции, высококачественные услуги по изготовлению прототипов часто могут стать тем, что поможет им преодолеть трудности.

В этом руководстве мы отойдём от общепринятого определения «прототип есть прототип» и перейдём к концепции «калибровочного эталона физического мира» и «предварительного испытательного стенда для проверки технологичности производства».

В нем будет описано, как инженеры могут использовать различные доступные услуги по изготовлению прототипов для выявления и проверки возможных точек отказа, связанных со структурой, температурой и жидкостью.

В нем также будет описан инженерный процесс, который поможет вам найти партнеров для решения основных технических проблем . Инновационная технология быстрого прототипирования также способствовала этому, обеспечивая эффективность и точность.

Рисунок 1. Промышленные 3D-принтеры демонстрируют технологию быстрого прототипирования путем послойного наложения прототипов светлого цвета.

Основная таблица ответов

Основные выводы:

• Изготовление прототипов — это форма стратегической проверки инженерных решений, ее применение предполагает снижение рисков, а не создание образцов.
• Выбор процесса требует понимания его принципов и ограничений; универсального процесса не существует.
• Материальные данные служат основой для принятия решений, в то время как характеристики прототипа должны объективно измеряться по показателям проверки.
• Компании, занимающиеся производством прототипов высшего уровня, входят в состав инженерного отдела ; их сила заключается в своевременной технической помощи и предоставлении данных на протяжении всего процесса.
• Для достижения успеха на всех этапах — от создания прототипа до массового производства — необходима непрерывность «цифровой цепочки». Эта «цифровая цепочка» принимает форму данных о проектировании и технологических процессах.

Почему стоит доверять этому руководству? Профессиональная квалификация и практический опыт компании JS Precision.

При поиске партнера для изготовления прототипов двумя необходимыми условиями являются профессионализм и опыт . Компания JS Precision работает в этой отрасли уже 15 лет и имеет сертификаты ISO 13485 для производства продукции медицинского назначения, а также сертификат системы качества аэрокосмического класса AS9100.

Мы поддерживаем компании из списка Fortune 500 и более 1000 высокотехнологичных стартапов, выполнив более 3000 заказов на прототипы . В рамках нашего проекта по созданию прототипов микрожидкостных чипов мы снизили процент отказов с 30% до 2%, сократили время цикла прототипирования медицинских устройств на 40% и обеспечили точность прототипов автомобильных конструкционных компонентов в пределах ±0,015 мм.

Мы располагаем чистым помещением класса 100 и возможностями цифрового управления производственными процессами, что обеспечивает отслеживаемость на всех этапах производства — от оптимизации конструкции прототипов до контроля качества.

Благодаря нашим возможностям в сфере комплексных инженерных услуг, многие научно-исследовательские организации сегодня рассматривают нас как продолжение научно-исследовательских возможностей внутри своих структур.

Наши экспертные знания в области технологий быстрого прототипирования позволяют нам реагировать в течение 48 часов в случае срочных запросов на НИОКР, эффективно создавая высокоточные прототипы и сокращая время НИОКР наших клиентов в среднем на 35%.

Хотите избежать проблем при производстве прототипов? Отправьте сейчас чертежи 3D-деталей и требования к проверке, и инженеры JS Precision предоставят вам бесплатный отчет по анализу DFM (проектирование для производства), который поможет вам снизить проектные риски, точно рассчитать затраты и сроки поставки, а также принимать более обоснованные решения в области НИОКР.

В чём заключается истинная инженерная ценность прототипирования?

Помимо «изготовления прототипов», создание производственных прототипов является важным инструментом в инженерной практике . Истинная цель создания производственных прототипов заключается в решении наиболее сложных задач в НИОКР с оптимальными затратами.

От данных моделирования к физической калибровке

Прототипы служат эталоном для корректировки моделей моделирования в рамках CAE-моделирования. Использование результатов моделирования для сравнения с экспериментальными результатами помогает улучшить точность прогнозов моделирования на этапах проектирования . Это является наивысшей ценностью кампании по созданию производственных прототипов и ключевым проявлением технологии быстрого прототипирования, способствующей развитию исследований и разработок.

Испытательный полигон для проектирования с учетом технологичности производства (DFM)

Прежде чем вкладывать средства в дорогостоящие пресс-формы для массового производства, прототипирование позволяет выявить и решить проблемы технологичности, такие как усадка при литье под давлением, растрескивание под напряжением и помехи при сборке, что в дальнейшем может сэкономить десятки раз средства и время .

Таким образом, многие фирмы избежали серьезных отклонений в процессе разработки своей продукции и упростили процесс модификации пресс-форм для устранения конструктивных ошибок на этапе массового производства , что позволило снизить стоимость опытного производства их проектов в среднем на 20-40%.

Хотите узнать больше о том, как производство прототипов деталей может снизить риски НИОКР для вашего продукта? Свяжитесь с JS Precision, чтобы запросить «Контрольный список проверки DFM», указав вашу отрасль и тип продукта, и получить целевое решение по проверке прототипов, гарантирующее, что каждая инвестиция в НИОКР принесет ощутимые результаты.

Как работают основные процессы прототипирования? Анализ на уровне физики.

Правильный выбор технологического процесса является наиболее важным фактором для успешного изготовления прототипов деталей . Физические принципы, лежащие в основе различных процессов, определяют сценарии их применения. Давайте подробно рассмотрим основную логику основных производственных процессов, чтобы помочь вам точно подобрать подходящий вариант.

Аддитивное производство (3D-печать)

• SLA/DLP: Глубина полимеризации при лазерном/оптическом сканировании обычно составляет 50-100 микрометров. Последующая полимеризация влияет на остаточные напряжения и прочность на растяжение, изменяя их до 20% . Подходит для высокоточных прототипов внешнего вида.
• SLS/MJF: Порошок предварительно нагревается почти до температуры плавления. Контролируемое охлаждение зоны лазерного плавления и зоны термического воздействия обеспечивает анизотропию <10% , в результате чего получаются нейлоновые детали с характеристиками, близкими к деталям, изготовленным методом литья под давлением.
• FDM: Прочность межслойного соединения будет иметь первостепенное значение. Повышение температуры в сопле на 30-50 °C выше точки плавления и оптимизация толщины слоя (0,1-0,3 мм) могут улучшить прочность по оси Z.

Субтрактивное производство (ЧПУ)

Для обработки алюминиевых сплавов требуются высокие скорости (более 18000 об/мин) и высокие скорости подачи, тогда как для нержавеющей стали /титановых сплавов необходимы низкие скорости (с большой глубиной резания) и специальные покрытия инструмента.

Вакуумное крепление подавляет вибрацию и позволяет достичь точности ±0,025 мм для тонкостенных прототипных деталей. Компенсация радиуса инструмента напрямую влияет на шероховатость поверхности (Ra 0,8-Ra 3,2).

Быстрое изготовление оснастки и литье из полиуретана

Срок службы силиконовой формы составляет 15-30 циклов. Низкая теплопроводность силикона может легко привести к неравномерному отверждению прототипов пластиковых деталей, что требует составления состава смолы, имитирующей свойства целевого пластика (твердость по Шору A50-D80).

В соответствии с требованиями заказчика мы можем добавлять наполнители, такие как стекловолокно и углеродное волокно, для оптимизации механических свойств. Кроме того, благодаря технологии контроля температуры в зоне формования, мы эффективно снижаем вероятность образования воздушных пузырьков и дефектов усадки, повышая процент успешных прототипов до более чем 98%.

Все еще не уверены, какой процесс выбрать для изготовления прототипов деталей? Просто загрузите свою геометрическую модель и технические характеристики детали. JS Precision предложит вам три бесплатных варианта для сравнения по точности, цене и срокам выполнения для каждого процесса.

Рисунок 2. Быстрое прототипирование может применяться ко многим различным методам производства, таким как 3D-печать, быстрое литье под давлением и обработка на станках с ЧПУ.

Почему материал является решающим фактором при изготовлении прототипов деталей?

Выбор материала напрямую определяет достоверность проверки прототипных деталей . В частности, в повседневном прототипировании пластиковые детали тесно связаны с выбором материала. Суть выбора материала заключается в «соответствии характеристик», а не в «сходстве внешнего вида».

Картирование производительности: преодоление разрыва между прототипированием и серийным производством.

Принцип «достаточно хорошего качества» лежит в основе выбора материалов: проверка внешнего вида касается стабильности размеров, функциональные испытания должны соответствовать ключевым механическим/термическим свойствам, а испытания на долговечность должны учитывать характеристики усталости и старения.

Передовые материалы для создания сложных прототипов

• Высокотемпературные условия: Полиэтиленимин (PEI, ULTEM 1010) для FDM/CNC-печати, с температурой гидротермической деформации 217°C, отлично подходит для периферийных компонентов двигателя.
• Биосовместимость: медицинская смола SLA, стерилизуемый CNC PEEK, устойчивый к стерилизации паром при температуре 134 °C.
• Электромагнитные характеристики: объемное удельное сопротивление композитного материала из углеродного волокна и углеродных нанотрубок составляет всего 1 Ом·см, а эффективность экранирования электромагнитных помех превышает 30 дБ, что соответствует требованиям электромагнитной совместимости потребительской электроники и военной продукции. Различные уровни экранирования могут быть точно согласованы путем регулирования соотношения наполнителя.

Рисунок 3. Выбор правильных материалов имеет решающее значение при проектировании прототипов, поскольку разные материалы обладают уникальными свойствами, которые могут влиять на производительность, стоимость и производственные процессы.

Кто является компетентным партнером по производству прототипов? Рамки технической оценки

Цена — лишь ориентир при выборе компании, занимающейся изготовлением прототипов, а техническая мощь — это главное. Высококачественный поставщик услуг по изготовлению прототипов, которого вы ищете, должен стать вашей расширенной инженерной командой .

Технический контрольный список

• Возможности инженерного диалога: Могут ли они участвовать в обзорах проекта, выявлять проблемы DFM, такие как неравномерная толщина стенок и острые углы, и предлагать решения по оптимизации?
• Возможности контроля качества: Предоставляют ли они стандартные отчеты по 3D-сканированию, результаты промышленной компьютерной томографии и отчеты о сертификации материалов сторонними организациями?
• Интегрированная технологическая цепочка: обладают ли они возможностью предоставлять комплексные услуги, включающие 3D-печать , обработку на станках с ЧПУ, обработку поверхности и сборку?

Обеспечение непрерывности: цифровая нить

Лучшие компании, занимающиеся изготовлением прототипов, создают «цифровую историю» для всех изготовленных прототипных деталей, включая параметры процесса, записи о термообработке и т. д. Это будет очень важно при переходе от прототипа к серийному производству.

Мы обеспечиваем непрерывность цифровой цепочки и беспрепятственно интегрируем данные прототипов в оборудование для массового производства, значительно снижая риски переноса процессов.

Пример из практики: снижение частоты отказов с 30% до 2% — восстановление прототипа микрофлюидного чипа за 40 дней.

Предыстория и проблемы:

Прототип микрофлюидного чипа одной стартап-компании, занимающейся разработкой устройств для диагностики in vitro, сталкивается с проблемами закупорки каналов (>30% отказов) и плохой герметизации соединений , что приводит к значительному дрейфу результатов обнаружения.

Размеры канала чипа составляют всего 150 мкм х 200 мкм, что требует толщины внутренней стенки Ra < 0,4 мкм, биосовместимого и прозрачного материала, а также имитации процесса литья под давлением и склеивания в массовом производстве.

Решение от JS Precision:

1. Выбор процесса:

При выборе технологического процесса была использована сверхвысокоточная микроSLA -печать толщиной 25 мкм, скоростью сканирования 8000 мм/с и длиной волны 405 нм с использованием УФ-источника для контроля точности размеров канала в пределах ±10 мкм и погрешности позиционирования ≤ ±2 мкм.

2. Материалы и постобработка:

Была выбрана биосовместимая фоточувствительная смола медицинского назначения, соответствующая стандарту цитотоксичности ISO 10993-5:2009 , класс 1. Кроме того, был разработан метод последующей очистки с использованием ультразвуковой обработки с переменной частотой (40 кГц и 80 кГц, попеременный режим, время 120 с).

Была проведена сегментированная фототермическая обработка при температуре 60℃ в течение 2 часов и дополнительно при 80℃ в течение 1 часа, чтобы остаточные количества материала внутри канала потока составляли <5 мкм, а напряжение ≤ 2,8 МПа.

3. Проверка качества соединения:

• Акриловая крышка была изготовлена методом высокоскоростного фрезерования на станке с ЧПУ при скорости вращения 24000 об/мин и подаче 0,15 мм/об. Необходимо обеспечить плоскостность крышки ≤0,005 мм.
• На основе фактических параметров горячего прессования для массового производства смоделировано пневматическое приспособление с точностью давления ±0,01 МПа (температура 85 ℃, давление 0,3 МПа, выдержка в течение 30 с). После 100 циклов испытаний при давлении 0,5 МПа утечек не наблюдалось, а прочность соединения достигла 1,2 МПа.
• Одновременный визуальный контроль в режиме онлайн: внутри стенки канала для потока была измерена средняя шероховатость Ra, равная 0,32 мкм, и результаты соответствовали требованиям проекта.

Результаты:

В итоге нам удалось создать пять функциональных инженерных прототипов за 40 дней и снизить процент засорения каналов потока до менее чем 2% . На основе данных, полученных при создании прототипов, мы также оптимизировали конструкцию пресс-форм для серийного производства. Это позволило нам ускорить запуск продукта как минимум на четыре месяца.

Ваш проект по созданию производственных прототипов сталкивается с аналогичными техническими проблемами? Позвоните на техническую горячую линию JS Precision, подробно опишите проблемы вашего продукта и требования к проверке, и мы разработаем для вас индивидуальное решение, используя наш практический опыт, чтобы помочь вам преодолеть трудности в области НИОКР и ускорить запуск продукта.

Рисунок 4. Микрофлюидный чип для оборудования для диагностики in vitro (IVD).

Какие передовые проблемы существуют сегодня в области прототипирования?

В условиях постоянного совершенствования различных продуктов, задачи, связанные с изготовлением прототипов пластиковых деталей и прототипированием, становятся все более актуальными, что способствует непрерывному прогрессу.

Многоматериальная или гетерогенная интеграция

Как создать прототип полностью интегрированной «механической, электрической и программной» системы , объединяющей жесткие детали, уплотнения и датчики? Решения заключаются в многокомпонентной печати PolyJet или в гибридном процессе, сочетающем 3D-печать с точным мозаичным соединением.

Микромасштаб и сверхвысокая точность

Для прототипов медицинских микрофлюидных устройств и микрооптических компонентов необходимы размеры элементов менее 10 мкм и шероховатость поверхности Ra менее 0,1 мкм. Микро- и наноразмерная обработка на станках с ЧПУ и двухфотонная полимеризация позволяют преодолеть этот барьер.

Прототипы для испытаний на долговечность в реальных условиях окружающей среды

Прототипы автомобильных деталей экстерьера и наружной электроники должны имитировать воздействие УФ-излучения в течение 1000 часов и выдерживать 1000 термических циклов от -40°C до 85°C. Для этих прототипов должны быть получены достоверные данные о деградации материалов или они должны быть модифицированы для проведения таких испытаний.

Использование атмосферостойких материалов и атмосферостойких покрытий позволяет нам свести погрешность между испытаниями прототипов на старение и серийными образцами к 10%, гарантируя эффективность проверки.

Ниже приведено сравнение основных эксплуатационных характеристик распространенных атмосферостойких материалов:

Хотите справиться с этими передовыми задачами и повысить конкурентоспособность ваших проектов по изготовлению прототипов? Тогда свяжитесь с JS Precision, чтобы организовать технический семинар. Мы поделимся последними примерами применения процесса, что позволит вам создать больше возможностей в области изготовления прототипов.

Часто задаваемые вопросы

В1: Какова средняя стоимость и сроки изготовления прототипов?

Цена может варьироваться от сотен до десятков тысяч долларов США в зависимости от сложности процесса, используемого материала и задействованных деталей. Изготовление небольших заказов на прецизионные алюминиевые детали на станках с ЧПУ займет приблизительно от 3 до 5 дней , в то время как изготовление сложных сборочных деталей из нескольких материалов может занять от 2 до 3 недель .

В2: Как выбрать наиболее подходящий процесс прототипирования для моего проекта?

Исходя из трех переменных, таких как сложность геометрии, свойства материала, а также стоимость и время, наиболее важными факторами выбора будут следующие: 3D-печать для высокой сложности геометрии и мелкосерийного производства, обработка на станках с ЧПУ для высокопроизводительных и высокоточных металлических деталей, и вакуумное литье для мелкосерийного производства, имитирующего только пластиковые детали.

В3: Можно ли использовать прототипы, напечатанные на 3D-принтере, для окончательного функционального тестирования?

Да, но условия испытаний должны быть одинаковыми, исходя из знаний о материалах . Для многих структурных испытаний можно использовать материал, применяемый в нейлоне SLS, и материал, применяемый в высокотемпературной смоле SLA, но для испытаний на динамическую усталость и устойчивость к атмосферным воздействиям необходимо проверить материал.

В4: Насколько велика разница в характеристиках материалов, использованных в прототипах, и материалов, применяемых в серийном производстве?

Разница может быть очень большой. Например, в процессе литья полиуретана для имитации АБС-пластика прочность может быть схожей, но для разных категорий ударной вязкости и устойчивости к длительному старению цель состоит в том, чтобы определить и найти наиболее важный показатель на текущем этапе проверки.

В5: Как обеспечить точность и качество прототипных деталей?

Вы можете запросить у поставщика отчет о проверке первого образца , например, изображение разницы цветов, полученное в результате сравнения 3D-сканирования, отчет о критических размерах, полученный с помощью КИМ, и документы о сертификации материалов. Эта информация может напрямую подтвердить уровень качества прототипных деталей.

В6: Можно ли проводить обработку поверхности (покраску, гальваническое покрытие) на прототипных деталях?

Да, это часто требуется. Однако для разных поверхностей необходимы разные уровни адгезии и различные виды предварительной обработки, такие как фоточувствительная смола, нейлон и т. д. Это необходимо уточнить у поставщиков в рамках сделки.

В7: Какой фактор является наиболее важным для плавного перехода от прототипа к серийному производству?

Самое важное — это непрерывность проектных данных и накопление производственных данных. Необходимо обеспечить полную фиксацию изменений в конструкции на этапе создания прототипа и получить ключевые параметры процесса в качестве эталона для серийного производства, сформировав таким образом полную цифровую цепочку.

В8: Каковы основные преимущества прототипирования в Китае?

Основные преимущества заключаются в полной интеграции управления цепочкой поставок, огромной экономической эффективности, а также скорости реагирования и итераций. Ведущие производители, такие как JS Precision, также разработали технологические процессы и компетенции, соответствующие мировым стандартам.

Краткое содержание

Отличительной чертой высококачественных услуг по изготовлению прототипов является умелое сочетание инженерных решений, материаловедения и высокоточной обработки материалов. Они преобразуют абстрактные идеи в проверяемые, итеративные и надежные физические объекты , обеспечивая самую раннюю и важнейшую гарантию конечного успеха продукта.

Лучшие китайские организации, предоставляющие услуги в сфере производства, такие как JS Precision, играют все более важную роль в качестве необходимого расширенного научно-исследовательского подразделения глобальных высокотехнологичных групп, благодаря тесно интегрированным производственным цепочкам и глубокому пониманию основ инженерного дела.

Свяжитесь с JS Precision сегодня и начните обсуждение технических вопросов. JS Precision поможет вам быстро воплотить в жизнь инновационные идеи с помощью высокоточного прототипирования .