راهنمای نمونه سازی سریع برای توسعه محصول

نمونه سازی سریع چیست؟

نمونه سازی سریع از تکنیک هایی است که برای ساخت سریع مدل با مقیاس یک قطعه فیزیکی یا یک مجموعه، با استفاده از داده های طراحی سه بعدی به کمک کامپیوتر (CAD) استفاده می شود. این قطعات یا مجموعه‌ها معمولاً با استفاده از تکنیک‌های ساخت افزودنی بر خلاف روش‌های کاهشی سنتی ساخته می‌شوند.

تولید افزودنی در نمونه سازی، آزادی فرم تقریباً نامحدودی را فراهم می کند که نیازی به ابزار ندارد و می تواند قطعاتی با خواص مکانیکی مطابق با مواد مختلف ساخته شده با روش های سنتی تولید کند. فناوری‌های پرینت سه بعدی از دهه 1980 وجود داشته است، اما هزینه و پیچیدگی بالای آن‌ها عمدتاً استفاده را برای شرکت‌های بزرگ محدود می‌کند یا شرکت‌های کوچک‌تر را مجبور می‌کند تا تولید را به خدمات تخصصی برون سپاری کنند و هفته‌ها منتظر بمانند.

با استفاده از پرینت سه بعدی، طراحان می توانند به سرعت بین طرح های دیجیتال و نمونه های اولیه فیزیکی تکرار کنند و سریعتر به تولید برسند.

ظهور پرینت سه بعدی رومیزی این وضعیت موجود را تغییر داده است. با چاپ سه بعدی خانگی، مهندسان و طراحان می توانند به سرعت بین طرح های دیجیتال و نمونه های اولیه فیزیکی تکرار کنند. اکنون می‌توان نمونه‌های اولیه را در یک روز ایجاد کرد و بر اساس نتایج آزمایش‌ها و تحلیل‌های واقعی، چندین بار طراحی، اندازه، شکل یا مونتاژ را انجام داد. در نهایت، فرآیند نمونه سازی سریع به شرکت ها کمک می کند تا محصولات بهتری را سریعتر از رقبای خود به بازار عرضه کنند.

مزایای نمونه سازی سریع

• مفاهیم را سریعتر درک و کاوش کنید

نمونه‌سازی سریع ایده‌های اولیه را به کاوش‌های مفهومی کم‌ریسکی ارتقا می‌دهد که در کمترین زمان شبیه محصولات واقعی هستند. این به طراحان اجازه می دهد تا فراتر از تجسم مجازی بروند و درک ظاهر و احساس طراحی را آسان تر می کند و مفاهیم را در کنار یکدیگر مقایسه می کند.

• ایده ها را به طور موثر به اشتراک بگذارید

مدل‌های فیزیکی، طراحان را قادر می‌سازد تا مفاهیم خود را با همکاران، مشتریان به اشتراک بگذارند تا ایده‌ها را به روش‌هایی که صرفاً با تجسم طرح‌ها روی صفحه امکان‌پذیر نیست، منتقل کنند. نمونه سازی سریع بازخورد واضح و کاربردی کاربر را تسهیل می کند که برای سازندگان برای درک نیازهای کاربر و سپس اصلاح و بهبود طرح های خود ضروری است.

• طراحی های تکراری و تغییرات سریع

طراحی همیشه یک فرآیند تکراری است که قبل از رسیدن به محصول نهایی به چندین مرحله آزمایش، ارزیابی و اصلاح نیاز دارد. نمونه‌سازی سریع با پرینت سه بعدی، انعطاف‌پذیری را برای ایجاد نمونه‌های اولیه واقعی‌تر، سریع‌تر و اجرای سریع تغییرات فراهم می‌کند و این فرآیند آزمون و خطای حیاتی را ارتقا می‌دهد.

تکرارهای متوالی نمونه اولیه یک دستگیره ربات بر روی چاپگرهای سه بعدی SLA

یک مدل خوب یک چرخه طراحی 24 ساعته را دارد که شامل طراحی در حین کار، پرینت سه بعدی قطعات نمونه اولیه، تمیز کردن و آزمایش روز بعد، تغییر طراحی، سپس تکرار است.

• صرفه جویی در هزینه و زمان

با پرینت سه بعدی، نیازی به ابزار و راه اندازی پرهزینه نیست. می توان از تجهیزات مشابه برای تولید هندسه های مختلف استفاده کرد. نمونه‌سازی سریع داخلی هزینه‌های بالا و زمان پیش‌بینی مرتبط با برون‌سپاری را حذف می‌کند.

• به طور کامل تست کنید و نقص های طراحی را به حداقل برسانید

در طراحی و ساخت محصول، یافتن و رفع نقص‌های طراحی در مراحل اولیه می‌تواند به شرکت‌ها کمک کند تا از بازنگری‌های پرهزینه طراحی و تغییرات ابزارآلات در این مسیر اجتناب کنند.

نمونه‌سازی سریع به مهندسان اجازه می‌دهد تا نمونه‌های اولیه‌ای را که ظاهر و عملکردی مشابه محصولات نهایی را دارند، به طور کامل آزمایش کنند و خطرات مربوط به قابلیت استفاده و مسائل مربوط به تولید را قبل از شروع به تولید کاهش دهند.

کاربردهای نمونه سازی سریع

به لطف انواع فناوری‌ها و مواد موجود، نمونه‌سازی سریع از طراحان و مهندسان در طول توسعه محصول، از مدل‌های مفهومی اولیه تا مهندسی، آزمایش ، و تولید پشتیبانی می‌کند.

فرآیند توسعه سخت افزار

• نمونه های اولیه و مدل های مفهومی (PoC)

مدل‌های مفهومی یا نمونه‌های اولیه کانسپت (POC) به طراحان محصول کمک می‌کنند تا ایده‌ها و مفروضات را اعتبارسنجی کنند و دوام یک محصول را آزمایش کنند. مدل‌های مفهومی فیزیکی می‌توانند ایده‌ای را به کاربران نشان دهند، بحث ایجاد کنند، و با استفاده از کاوش‌های مفهومی کم خطر، پذیرش یا رد را بررسی کنند.

نمونه‌سازی PoC در مراحل اولیه فرآیند توسعه محصول اتفاق می‌افتد، و این نمونه‌های اولیه شامل حداقل عملکرد مورد نیاز برای اعتبارسنجی مفروضات قبل از انتقال محصول به مراحل بعدی توسعه هستند.

طرح کانسپت باید ساده باشد، و فقط تقلید از نحوه عملکرد محصول کافی است. به عنوان مثال، POC برای پایه شارژ ممکن است فقط یک محفظه پرینت سه بعدی باشد که به یک کابل شارژ USB استاندارد متصل است

کلید مدل سازی مفهومی موفق، سرعت است. طراحان باید قبل از ساخت و ارزیابی مدل‌های فیزیکی، ایده‌های فراوانی تولید کنند. در این مرحله قابلیت استفاده و کیفیت از اهمیت کمتری برخوردار است و تیم ها تا حد امکان به قطعات دور ریز تکیه می کنند.

طراحان از پرینت سه بعدی SLA استفاده کردند تا ظرف دو هفته از مفهومی به قطعه نهایی برسند

چاپگرهای سه بعدی ابزاری ایده آل برای پشتیبانی از مدل سازی مفهومی هستند. آنها زمان بی نظیری را برای تبدیل یک فایل کامپیوتری به یک نمونه اولیه فیزیکی فراهم می کنند و به طراحان اجازه می دهد تا مفاهیم اضافی را به سرعت آزمایش کنند. برخلاف اکثر ابزارهای کارگاهی و تولیدی، پرینترهای سه بعدی رومیزی سازگار با دفتر کار هستند و نیازی به فضای اختصاصی ندارند.

• نمونه های اولیه

نمونه های اولیه، ظاهر محصول نهایی را در سطحی انتزاعی نشان می دهند اما ممکن است بسیاری از جنبه های کاربردی آن را نداشته باشند. هدف آنها این است که ایده بهتری از یک محصول نهایی چگونه به نظر می رسد و تا نحوه تعامل کاربر نهایی با آن ارائه شود. ارگونومی، رابط‌های کاربری و تجربه کلی کاربر را می‌توان با نمونه‌های اولیه مشابه قبل از صرف زمان طراحی و مهندسی قابل توجه برای ایجاد کامل ویژگی‌های محصول تأیید کرد.

توسعه نمونه اولیه معمولاً با طرح‌ها، مدل‌های فوم یا خاک رس شروع می‌شود و سپس به مدل‌سازی CAD می‌رود. همانطور که چرخه های طراحی از یک تکرار به تکرار دیگر پیش می روند، نمونه سازی بین رندرهای دیجیتال و مدل های فیزیکی به جلو و عقب می رود. همانطور که طراحی نهایی انجام می شود، تیم های طراحی صنعتی با استفاده از رنگ ها، مواد و پرداخت ها (CMF) که برای محصول نهایی مشخص می کنند، قصد دارند نمونه های اولیه شبیه به قطعه ای ایجاد کنند که دقیقاً شبیه محصول نهایی باشد.

نمونه سازی اولیه با چاپگر سه بعدی  SLA

• نمونه های اولیه کار می کند

به موازات فرآیند طراحی صنعتی، تیم های مهندسی روی مجموعه دیگری از نمونه های اولیه برای آزمایش، تکرار و اصلاح سیستم های مکانیکی، الکتریکی و حرارتی سازنده محصول کار می کنند. این نمونه‌های اولیه ممکن است متفاوت از محصول نهایی به نظر برسند، اما شامل فناوری‌ها و عملکردهای اصلی هستند که باید توسعه و آزمایش شوند.

اغلب، این عملکرد های اصلی حیاتی قبل از تولید، در یک نمونه اولیه محصول در واحدهای فرعی جداگانه توسعه و آزمایش می شوند. این رویکرد زیرسیستمی متغیرها را جدا می‌کند، و تقسیم مسئولیت‌ها را برای تیم‌ها آسان‌تر می‌کند و قبل از جمع کردن همه عناصر با هم، قابلیت اطمینان را در سطحی دقیق‌تر تضمین می‌کند.

ساخت نمونه اولیه با کمک تکنولوژی SLA

• نمونه های اولیه مهندسی

نمونه اولیه مهندس، یک نسخه قابل دوام از محصول تجاری نهایی است که برای تولید (DFM) طراحی شده است. این نمونه‌های اولیه برای آزمایش‌های کاربر مبتنی بر آزمایشگاه با گروهی منتخب از کاربران اصلی و همینطور به عنوان یک نمایشگاه برای فروش استفاده می‌شوند.

در این مرحله، جزئیات اهمیت فزاینده ای پیدا می کنند. پرینت سه بعدی به مهندسان اجازه می دهد تا نمونه های اولیه با دقت بالا را ایجاد کنند که به طور دقیق محصول نهایی را نشان می دهد. این امر تأیید طراحی، تناسب، عملکرد و قابلیت ساخت را قبل از سرمایه‌گذاری در ابزارهای گران‌قیمت و حرکت به سمت تولید آسان‌تر می‌کند، مخصوصا زمانی که زمان و هزینه ایجاد تغییر به طور فزاینده‌ای گران‌ باشد.

سازنده دوربین غواصی از پرینت سه بعدی برای ایجاد نمونه های اولیه کاربردی استفاده کرد که در عمق 200 متری زیر سطح دریا آزمایش را تحمل کردند

مواد پرینت سه بعدی پیشرفته می توانند با ظاهر، احساس و ویژگی های مواد قطعات تولید شده با فرآیندهای تولید سنتی مانند قالب گیری تزریقی مطابقت داشته باشند. مواد مختلف می توانند قطعاتی با جزئیات و بافت های ظریف، سطوح صاف و کم اصطکاک، محفظه های سفت و محکم و یا اجزای شفاف را شبیه سازی کنند. قطعات پرینت سه بعدی را می توان با فرآیندهای ثانویه مانند سنباده زدن، پرداخت، رنگ آمیزی یا آبکاری الکتریکی برای تکرار هر گونه ویژگی بصری یک قطعه نهایی، و همچنین برای ایجاد مجموعه هایی از قطعات و مواد متعدد، رزوه کاری کرد.

مهندسان یک نمونه اولیه شبیه به کار رطوبت سنج را از چندین ماده با بدنه سفت و سخت و دکمه های لمسی نرم ساختند.

نمونه‌های اولیه مهندسی به آزمایش‌های کاربردی و قابلیت استفاده گسترده نیاز دارند تا ببینند یک قطعه یا مجموعه در هنگام قرار گرفتن در معرض تنش‌ها و شرایط استفاده در میدان چگونه عمل می‌کند. چاپ سه بعدی پلاستیک های مهندسی را برای نمونه های اولیه با کارایی بالا ارائه می دهد که می توانند در برابر استرس حرارتی، شیمیایی و مکانیکی مقاومت کنند.

• تست اعتبار سنجی و ساخت

نمونه‌سازی سریع به مهندسان امکان می‌دهد تا مجموعه‌های کوچک، راه‌حل‌های سفارشی یک‌باره، و مجموعه‌های فرعی برای ساخت‌های مهندسی، طراحی و اعتبارسنجی محصول (EVT، DVT، PVT) ایجاد کنند تا قابلیت ساخت را آزمایش کنند.

پرینت سه بعدی تست تلرانس ها را با در نظر گرفتن فرآیند ساخت واقعی و انجام آزمایشات داخلی و میدانی جامع قبل از حرکت به سمت تولید انبوه آسان تر می کند.

پرینت سه بعدی همچنین می تواند با فرآیندهای تولید سنتی مانند قالب گیری تزریقی، قالب گیری حرارتی یا قالب گیری سیلیکونی ترکیب شود تا با بهبود انعطاف پذیری، چابکی، مقیاس پذیری و کارایی هزینه فرآیندهای تولید را بهبود بخشد. این فناوری همچنین راه‌حلی کارآمد برای ایجاد دستگاه‌های آزمایشی سفارشی برای ساده‌سازی تست‌های عملکردی و صدور گواهینامه با جمع‌آوری داده‌های ثابت ارائه می‌کند.

شرکت طراحی تجهیزات پزشکی از جیگ های سفارشی برای تست های داخلی استفاده می کند

با چاپ سه بعدی، طراحی لازم نیست با شروع تولید به پایان برسد. ابزارهای نمونه سازی سریع به طراحان و مهندسان این امکان را می دهد که به طور مداوم محصولات را بهبود بخشند و به سرعت و به طور موثر به مشکلات موجود در خط با جگ ها و وسایلی که فرآیندهای مونتاژ یا QA را بهبود می بخشند، پاسخ دهند.

ابزارها و روش های نمونه سازی سریع

• تولید مواد افزودنی

نمونه سازی سریع اساساً مترادف با ساخت افزودنی و چاپ سه بعدی شده است. فرآیندهای پرینت سه بعدی متعددی در دسترس هستند که رایج ترین آنها برای نمونه سازی سریع عبارتند از مدل سازی (FDM)، (SLA)، (SLS).

• مدلسازی رسوب ذوب شده (FDM)

پرینت سه بعدی FDM که به نام (FFF) نیز شناخته می شود، یک روش پرینت سه بعدی است که با ذوب و اکسترود کردن رشته های ترموپلاستیک، قطعاتی را می سازد که نازل چاپگر لایه به لایه در ناحیه ساخت قرار می دهد.

برای اطلاعات بیشتر در مورد این تکنولوژی به مقالات ما مراجعه کنید.

• استریولیتوگرافی (SLA)

چاپگرهای سه بعدی SLA از لیزر برای تبدیل رزین مایع به پلاستیک سخت شده در فرآیندی به نام فوتوپلیمریزاسیون استفاده می کنند. SLA یکی از محبوب ترین فرآیندها در بین حرفه ای ها به دلیل وضوح بالا، دقت و تطبیق پذیری مواد است.

نمونه اولیه سریع پرینت سه بعدی ساعتی که با استفاده از چاپگر سه بعدی SLA در کنار محصول نهایی تولید شده است

قطعات SLA بالاترین وضوح و دقت، شفاف‌ترین جزئیات و صاف‌ترین سطح را در میان تمام فناوری‌های پرینت سه بعدی پلاستیکی دارند، که SLA را به گزینه‌ای عالی برای نمونه‌های اولیه شبیه به ظاهر با کیفیت بالا و نمونه‌های اولیه شبیه به کارکردی که نیاز به تحمل‌های دقیق دارند، تبدیل می‌کند.

با این حال، مزیت اصلی SLA در تطبیق پذیری کتابخانه رزین آن نهفته است. سازندگان مواد، فرمول‌های نوآورانه رزین فوتوپلیمر SLA را با طیف گسترده‌ای از خواص نوری، مکانیکی و حرارتی برای مطابقت با ترموپلاستیک‌های استاندارد، مهندسی و صنعتی ایجاد کرده‌اند.

Draft Resin چاپ سه بعدی SLA نیز یکی از سریع ترین ابزارهای نمونه سازی است که تا 10 برابر سریعتر از چاپ سه بعدی FDM است.

• جوش لیزری انتخابی (SLS)

این تکنولوژی رایج ترین فناوری تولید افزودنی برای کاربردهای صنعتی است که به دلیل توانایی آن در تولید قطعات قوی و کاربردی مورد اعتماد مهندسان و سازندگان در صنایع مختلف است.

چاپگرهای سه بعدی SLS از یک لیزر پرقدرت برای همجوشی ذرات کوچک پودر پلیمر استفاده می کنند. پودر ذوب نشده از قطعه در حین چاپ سه بعدی پشتیبانی می کند و نیاز به ساختارهای پشتیبانی اختصاصی را بی نیاز می کند. این باعث می شود SLS برای هندسه های پیچیده، از جمله ویژگی های داخلی، برش های زیرین، دیوارهای نازک و زوایای منفی ایده آل باشد. قطعات تولید شده با چاپ SLS دارای ویژگی های مکانیکی عالی هستند، با استحکامی مشابه قطعات قالب گیری تزریقی.

چاپ سه بعدی SLS می‌تواند نمونه‌های اولیه قوی و کاربردی و نمونه‌های اولیه مهندسی برای آزمایش‌های عملکردی دقیق محصولات تولید کند

در نمونه‌سازی سریع، چاپ سه‌بعدی SLS عمدتاً برای نمونه‌های اولیه شبیه به کار و نمونه‌های اولیه مهندسی برای آزمایش‌های عملکردی دقیق محصولات و بازخورد مشتری در میدان استفاده می‌شود.