Rapid Prototyping: een benadering van moderne productontwikkeling

“Met snelle prototyping worden snel aangepaste 2D- of 3D-modellen en -assemblages gefabriceerd, waardoor productie in kleine volumes en tests vóór de definitieve productie mogelijk zijn.”

Snelle prototyping is een productieproces in kleine volumes dat kan worden gebruikt om in een korte doorlooptijd een daadwerkelijk onderdeel of assemblage te maken op basis van een onderdeelontwerp. Prototyping stelt ingenieurs en ontwerpfabrikanten in staat een beter eindproduct te ontwikkelen door meerdere keren snel en tegen een lagere prijs te ontwerpen en prototypen. Met de hulp van Prolean China voor snelle prototyping bedrijf dat gespecialiseerd is in 3D-printen en op aanvraag productiekan iedereen realistische proofs of concept maken en deze concepten doorontwikkelen tot high-fidelity prototypes die op eindproducten lijken. Het belangrijkste is dat 3D-geprinte prototypes relatief goedkoop zijn, wat betekent dat de teams snel tientallen goedkope prototypes kunnen produceren. 

In deze handleiding maakt u kennis met de basisbeginselen van snelle productie, het gebruik ervan en hoe 3D-printen kan helpen bij het sneller en tegen lagere kosten maken van prototypes.

Wat is Rapid Prototyping en de betekenis ervan?

Snelle prototyping

In een competitieve wereld moeten organisaties creatief zijn en nieuwe producten zo snel mogelijk op de markt brengen. Als zodanig verbetert het ontwerpen doordat teams cycli snel kunnen voltooien. 

Valideren en verfijnen van ontwerpen 

Dankzij de snelle productie kan een productontwerp in een vroeg stadium worden getest op vorm, pasvorm en functie. Deze vroege tests helpen bij het vaststellen van de problemen die zich bij de uiteindelijke productie voordoen en deze zo te verhelpen. Bovendien garandeert het dat het product voldoet aan de technische specificaties en zakelijke doelstellingen, waardoor de kans op succes op de markt groter wordt. 

Het integreren van prototyping in de ontwikkelingsprocessen van organisaties kan de kwaliteit en geschiktheid van producten op de markt verbeteren en daarmee de prestaties en tevredenheid van de gebruikers verbeteren.

Rapid Prototyping in drie eenvoudige stappen 

Rapid prototyping verhoogt het tempo van de productontwikkeling, omdat het de ontwikkeling van modellen met zich meebrengt die snel te maken zijn. Dit iteratieve proces is behoorlijk effectief bij het verfijnen van ontwerpen op een betaalbare manier. 

creëren 

In de Create-fase is het doel om het prototype-ontwerpconcept te actualiseren. Schets en teken eerst de ontwerpconcepten. Werk deze ideeën uit tot een nauwkeurig 2D- of 3D-model met behulp van de CAM/CAD-software. Selecteer geschikte materialen voor de ontwikkeling van het prototype. Gebruik vervolgens de optimale processen om het prototypeontwerp samen te stellen. 

Schatten 

Evalueer vervolgens het ontwerp. Het prototype-evaluatieproces bepaalt de mate waarin het ontwikkelde prototype voldoet aan de ontwerpeisen en de eisen van de gebruikers. Dit proces omvat functionele, prestatie- en bruikbaarheidstesten in reële omstandigheden. Er worden gegevens verzameld van de belanghebbenden om de huidige uitdagingen en mogelijkheden voor verbetering in kaart te brengen. Het doel is ervoor te zorgen dat het beoogde probleem wordt opgelost door het prototype zoals het is ontworpen. Het proces van het verfijnen van het prototype vóór de start van de massaproductie is nuttig om bepaalde risico's te minimaliseren of op zijn minst hun effect te verminderen en geld te besparen. Het zorgt er ook voor dat een succesvolle productlancering wordt gerealiseerd. 

Verbeteren 

De verbeterfase van een prototype is gericht op het verbeteren van het ontwikkelde prototype op basis van de feedback en testresultaten. Het houdt in dat er enkele wijzigingen moeten worden aangebracht die de bruikbaarheid, efficiëntie en effectiviteit kunnen verbeteren voordat er overgegaan wordt op massaproductie.

Onderscheid maken tussen Rapid Prototyping en 3D-printen 

Hoewel rapid prototyping en 3D-printen termen zijn die in dezelfde context worden gebruikt, zijn ze verschillend. Prototyping omvat verschillende processen die worden gebruikt bij het ontwikkelen van een fysiek model op basis van een computermodel. Additive manufacturing daarentegen is een brede categorie, terwijl 3D-printen een techniek is waarbij objecten in lagen worden gemaakt. Hoewel 3D-printen werd omarmd vanwege de efficiëntie bij het genereren van prototypes, is het slechts een van de hulpmiddelen die kunnen worden gebruikt bij rapid prototyping. 

De evolutie van 3D-printen  

In het begin werd 3D-printen vooral gebruikt om snel prototypes te maken. Naarmate de technologie evolueerde, kon het echter onderdelen van hoge kwaliteit produceren die direct in toepassingen konden worden gebruikt. Dit heeft het gebruik van 3D-printen voor prototyping echter nog niet geëlimineerd, omdat sommige methoden duurder zijn. Het is cruciaal om onderscheid te maken tussen de technologie (3D-printen) en de toepassing (rapid prototyping) om de beste strategie te kiezen. 

Drie soorten Rapid Prototyping 

Rapid prototyping kan worden onderverdeeld in drie hoofdtypen:

Low-Fidelity-prototypes 

De eerste en basisprototypes zijn de low-fidelity-prototypes, die op papier gebaseerde mock-ups en eenvoudige wireframes omvatten. Ze zijn het nuttigst in de vroege stadia van het ontwerpproces, wanneer de nadruk meer ligt op de herkenning van het ontwerp dan op de specifieke kenmerken ervan. Deze prototypes helpen bij het genereren van eerste concepten door ze snel te vinden en te evalueren. Wat de specifieke informatie over het construeren van deze prototypes betreft, moet men mogelijk zoeken naar informatie over wireframing-tools en -strategieën. 

Medium-fidelity-prototypes 

Vergeleken met low-fidelity-prototypes bevatten medium-fidelity-prototypes de meeste interacties en een deel van de beelden. Dit niveau van betrouwbaarheid wordt tegenwoordig vaak gebruikt bij rapid prototyping vanwege de beschikbare ontwerptools en -systemen. Door Figma te gebruiken kunnen ontwerpers deze prototypes bouwen met behulp van de beschikbare middelen en ontwerpsystemen. Op deze manier kan men belangrijke interacties en workflows uitproberen zonder dat men zich hoeft te verdiepen in de implementatiedetails. 

High-Fidelity-prototypes 

Realistische prototypes zijn nauwkeurig en lijken bijna op het daadwerkelijke product. Het kunnen UX-modellen zijn die door de gebruikers moeten worden getest, of volledig gecodeerde applicaties die bedoeld zijn om aan de gebruikers of ontwikkelaars te worden geleverd. Het maken van een high-fidelity-prototype is eenvoudiger en sneller als de ontwerpbibliotheek interactieve functies bevat. Stel dat u geïnteresseerd bent in de best practices voor het bouwen van zeer realistische prototypes. In dat geval is het beter om te zoeken naar artikelen en materialen die gericht zijn op de moderne benadering van prototyping.

Wanneer moet u Rapid Prototyping gebruiken? 

Rapid prototyping moet worden gebruikt wanneer feedback op het concept of een ontwerpkenmerk nodig is. Het is het beste om te gebruiken als je een sleutelscherm of flow vroeg wilt testen, en er geen probleem mee hebt als het niet mooi is. Deze methode is relatief informeel en vereist weinig voorbereiding vooraf. Er zijn echter enkele cruciale fases. Deze techniek is het nuttigst wanneer u een systeem moet ontwikkelen dat waarschijnlijk vaak zal worden gewijzigd op basis van de feedback van gebruikers. Het helpt ervoor te zorgen dat het resultaat acceptabel is voor de gebruiker en winstgevend voor het bedrijf.

Rapid Prototyping-technieken voor het ontwikkelen van producten?

Om realistische reacties te krijgen, moeten mock-ups zo realistisch mogelijk zijn. Wat de aanbevelingen betreft, wordt gesuggereerd dat de verschillen tussen deze en het daadwerkelijke product worden vermeden om vertekening in de feedback te voorkomen. Dit betekent het ontwikkelen van klikbare modellen met nauwkeurige gegevens en afbeeldingen, ook al zijn ze nep. 

High-fidelity-prototypen worden ontwikkeld om heel dicht bij het daadwerkelijke product te komen. Dit impliceert een adequate planning van de interactie en het gebruik van paden door de gebruikers. Deze realistische prototypes vereisen vaardigheden op het gebied van softwareontwikkeling en gebruikerservaring (UX). Ze worden over het algemeen snel gebouwd in plaats van op een geplande manier. 

Soms is het mogelijk om een ​​volwaardig prototype te ontwikkelen, maar dit kan overdreven of te kostbaar zijn. Wireframes bieden uitkomst in de vorm van eenvoudige interacties en processen tussen de gebruiker en de website. De productmanagers maken deze vereenvoudigde ontwerpen, die gebruikt kunnen worden voor de eerste test met gebruikers. Ze helpen bij het identificeren van de belangrijkste parameters die nodig zijn om een ​​werkend prototype te ontwikkelen, wat op zijn beurt de creatie van het prototype eenvoudiger maakt. 

Er zijn klikbare prototypes of gevelprototypes beschikbaar voor iets tussen wireframes en functionele mock-ups. Hoewel deze ontwerpen niet volledig op data zijn gebaseerd, kunnen gebruikers op verschillende aspecten feedback verzamelen. Ze kunnen snel worden ontwikkeld met behulp van ontwerp- en UX-instrumenten die gegevens verschaffen over de acties en voorkeuren van gebruikers. 

Rapid prototyping kan ook worden opgevat als het creëren van verschillende prototypes die tegelijkertijd verder worden getest en geëvalueerd. Door deze aanpak kunnen de teams de verschillende versies tegelijkertijd vergelijken en bepalen welke versie goed wordt geaccepteerd door de gebruikers.

Wat zijn de voordelen van snelle prototypering? 

Zoals hierboven vermeld heeft rapid prototyping veel voordelen, voornamelijk op twee gebieden. Ten eerste garandeert het dat een product of onderdeel voldoet aan de ontwerpspecificatie, aangezien het vermogen van de gebruiker om het product of onderdeel en de prestaties en functionaliteit ervan te begrijpen in dit stadium kan worden beoordeeld. Dit helpt het ontwerp te verbeteren voordat de productie op grote schaal wordt uitgevoerd. Ten tweede verlaagt het de kosten omdat er geen gereedschap en productieapparatuur voor nodig is, zoals bij massaproductie het geval zou zijn. Echter, CNC rapid prototyping is niet zo duur, en technologieën zoals 3D-printen, CNC-bewerking of rapid prototyping van aluminium worden gebruikt voor productie in kleine volumes en kleine batches. 

Net als bij elke andere activiteit zijn er veel manieren om prototypes te maken, die elk voor- en nadelen hebben. De hierboven besproken methoden zijn de meest voorkomende en afhankelijk van het technologieniveau moet de ontwerper de beste voor het project kiezen. Dit houdt in dat de voor- en nadelen van de verschillende prototypingmethoden in kaart worden gebracht. Dus, rekening houdend met de beschrijving van elke methode en de kenmerken van het materiaal dat kan worden geïdentificeerd, kan men beslissen. Een besluitvormingsgids bevat ook enkele factoren waarmee u rekening moet houden bij het selecteren van de prototypingtechniek. De grondgedachte is om te helpen de juiste oplossing te vinden voor het gebruik van prototypen voor ontwikkelingsprocessen.

Snelle productieprocessen vergelijken 

Hier zijn enkele snelle productieprocessen en hun verschillen.

SLA (stereolithografie) 

SLA snelle productie

Stereolithografie (SLA) omvat het gebruik van een laser om fotopolymeren uit te harden en prototypes uit één enkele laag te ontwikkelen. Deze techniek biedt sterkte variërend van 2,500 tot 10,000 psi (17.2 tot 68.9 MPa). De standaardlaagdikte ligt tussen 0.002 en 0.006 inch of 0.051 tot 0.152 millimeter breed. SLA is het meest nauwkeurig en wordt meestal gebruikt bij thermoplastische fotopolymeren. 

SLS (selectieve lasersintering) 

SLS-prototypeonderdelen

Selective Laser Sintering (SLS) maakt gebruik van een laser om de poedermaterialen te smelten. De sterkte van de geproduceerde onderdelen varieert van 5,300 tot 11,300 psi of 36.5 tot 77.9 MPa. De additieve lagen zijn gewoonlijk 0.004 inch (0.102 mm) dik. SLS wordt vaak toegepast op nylon- en TPU-materialen met goede mechanische prestaties en een lange levensduur. 

DMLS (Direct Metaal Laser Sinteren) 

DMLS-prototyping

Direct Metal Laser Sintering (DMLS) is een proces waarbij metaalpoeder wordt gesmolten met behulp van een laser. Dit proces resulteert in een hoge sterkte variërend van 37,700 tot 190,000 psi. De laagdikte ligt gewoonlijk tussen 0.0008 en 0.0012 inch (0.020 tot 0.030 mm). DMLS is ideaal voor de productie van metalen onderdelen zoals roestvrij staal, titanium, chroom, aluminium en Inconel en wordt gebruikt om solide en hoogwaardige onderdelen te produceren. 

FDM (Fused Deposition Modelling) 

Modellering van gefuseerde afzetting

Fused Deposition Modeling (FDM) is een proces waarbij thermoplastische materialen in lagen worden geëxtrudeerd. Het leidt tot onderdelen met een sterkte variërend tussen 5,200 en 9,800 psi (35.9 tot 67.6 MPa). De laagdikte varieert van 0.005 tot 0.013 inch (0.127 tot 0.330 mm). De materialen die het meest worden gebruikt voor FDM zijn ABS, PC, PC/ABS en PPSU. Deze methode wordt veel gebruikt vanwege de effectiviteit en kostenefficiëntie in vergelijking met andere methoden. 

MJF (Multi Jet Fusion) 

Multi jet fusion (MJF)-prototype

Multi Jet Fusion (MJF) past een inkjet-array toe om nylonpoeder selectief te smelten. De gemaakte onderdelen hebben een sterkte van ongeveer 6,960 psi (48 MPa). De laagdikte varieert van 0.0035 en 0.008 inch (0.089 tot 0.203 mm). MJF wordt vaak geassocieerd met fijne details en goede mechanische eigenschappen van het laatste onderdeel, meestal gemaakt van zwart Nylon 12. 

PJET (PolyJet)  

PJET-prototyping

PolyJet-technologie maakt gebruik van UV-uitgeharde fotopolymeren. Componenten die met dit proces worden gemaakt, hebben een treksterkte tussen 7200 en 8750 psi of 49 tot 6 MPa. De additieve lagen liggen doorgaans tussen 60 en 3 inch (0.0006 tot 0 mm). PolyJet maakt zeer nauwkeurige prototypes met materialen zoals op acryl gebaseerde en elastomere fotopolymeren.  

CNC (computer numeriek bestuurde bewerking) 

Snelle CNC-prototyping omvat het maken van onderdelen door de toepassing van computernumerieke besturingsfrezen en -draaibanken. De ontwikkelde sterkte varieert tussen 3,000 en 20,000 psi (20.7 tot 137.9 MPa). Deze subtractieve productiemethode resulteert in nauwkeurige en hoogwaardige eindproducten. Het wordt gebruikt in veel grondstoffen en van technische kwaliteit kunststof prototypes.

IM (spuitgieten) 

IM is een proces waarbij aluminium gereedschappen worden gebruikt om onderdelen te vormen. Dit proces creëert onderdelen met sterktes variërend van 3,100 tot 20,000 psi (21.4 tot 137.9 MPa). De vormdelen kunnen ook een glad oppervlak of een geselecteerde textuur hebben. Spuitgieten is flexibel en kan materialen verwerken zoals thermoplastische grondstoffen en technische materialen, metalen en vloeibaar siliconenrubber.

Voor- en nadelen van Rapid Prototyping 

VOORDELEN

Versnelt het testen van ontwerpen

Rapid prototyping is een techniek waarbij in korte tijd een model op ware grootte van een onderdeel wordt gebouwd; daarom kan het ontwerp worden beoordeeld. Deze snelle cyclus helpt snel te reageren op de ontwerpproblemen en de bijbehorende oplossingen. 

Ondersteunt meerdere ontwerpwijzigingen

Hierdoor kan het ontwerp vaak worden gewijzigd met weinig effect op de kosten. Dit maakt het ontwerp vooruitstrevend en helpt zo bij het verbeteren van het ontwerp in de volgende cycli. 

Bespaart kosten

Vanuit dit productieperspectief is rapid prototyping goedkoper omdat er geen mallen en gereedschappen voor nodig zijn. Het wordt daarom een ​​betaalbare methode voor het genereren van ideeën en als een eerste fase van het testen van ideeën in de markt of omgeving. 

Verkort de time-to-market

Dit komt omdat het relatief snel maken van prototypes nuttig is bij de algehele productontwikkeling. Dit betekent dat producten sneller kunnen worden ontwikkeld en op de markt kunnen worden gebracht, wat een concurrentievoordeel is. 

Verbetert de ontwerpnauwkeurigheid

Snelle prototyping is nuttig bij het verfijnen van het product, aangezien er tests worden uitgevoerd op de prototypes. Dit helpt bij het komen tot het beoogde ontwerp en de verwachtingen van de gebruikers ten aanzien van het eindproduct. 

NADELEN

Kan bij overmatig gebruik tot hogere kosten leiden

Als de omvang van prototyping tot het maximale niveau wordt gebracht of als het beheer van het belang van prototyping niet wordt gecontroleerd, zullen de kosten hoger zijn. Daarom is het noodzakelijk om prototyping en projectbehoeften te voorkomen, zodat men alleen uitgeeft wat nodig is. 

Niet geschikt voor alle ontwikkelingsfasen

Dit komt overeen met de vroege discussie, waarin werd benadrukt dat rapid prototyping niet op alle stadia van het productontwikkelingsproces kon worden toegepast. Voor sommige stadia is mogelijk nog steeds een conventionele productiebenadering nodig om precisie en stijfheid te bereiken. 

Kan misleidende resultaten opleveren

Prototyping in de beginfase is misschien niet erg nuttig bij het bepalen van de uiteindelijke prestaties van het product of zelfs het algehele uiterlijk van het product. Dit kan leiden tot verkeerde aannames en mogelijk tot verkeerde ontwikkelingsbeslissingen over de doelmarkt. 

Niet ideaal voor grootschalige productie

Rapid prototyping wordt toegepast bij de kleinschalige en voorlopige tests van het product. Het wordt niet gebruikt bij massaproductie, omdat er meerdere productieprocessen bij betrokken zijn. 

Technische beperkingen

Enkele nadelen van het gebruik van enkele van de rapid prototyping-technieken zijn onder meer: ​​materiaalkeuze, nauwkeurigheid en sterkte. Deze vormen een beperking voor de kwaliteit en functionaliteit van het te ontwikkelen prototype.

CNC-gereedschappen voor snelle prototyping 

CNC-tools (Computer Numerical Control) zijn aftrekkingstechnieken, terwijl additieve technieken FDM, SLA of SLS zijn. In tegenstelling tot traditionele constructietechnieken, waarbij het materiaal in lagen wordt opgebouwd, werken CNC-gereedschappen met massieve blokken, staven of staven, waarna het benodigde snijden, boren, kotteren of slijpen wordt gedaan.  

Andere Rapid Prototyping-technieken

CNC frezen en draaien zijn twee van de meest voorkomende processen die in een productiefaciliteit worden uitgevoerd. Bij het frezen is het snijgereedschap het gereedschap dat beweegt terwijl het werkstuk stilstaat, terwijl bij het draaien het werkstuk het werkstuk is dat roteert terwijl het snijgereedschap stilstaat. Lasersnijders zijn nauwkeurig omdat het snijgereedschap een laser is die het juiste materiaal graveert of snijdt voor ingewikkelde ontwerpen. Waterstraalsnijders daarentegen gebruiken een hogedrukwaterstraal met schuurmiddelen om metaalcomposieten en andere materialen te snijden. 

De meest gebruikte materialen voor CNC-gereedschappen zijn kunststoffen, zachte en harde metalen, hout, acryl, steen, glas en composieten. Ze zijn vooral geschikt voor het maken van complexe ontwerpen en complexe onderdelen die moeilijk te maken kenmerken bevatten. Het toepassen van CNC-gereedschappen kan echter iets ingewikkelder zijn dan de additieve productieprocessen. Dit komt omdat CNC-prototyping kostbaar is bij eenmalige productie of productie in kleine series vanwege de verschillende methoden, de gebruikte gereedschappen en de kwetsbaarheid van de materialen. 

CNC-gereedschappen zijn zeer nuttig bij het maken van essentiële skelet- en metalen onderdelen die niet efficiënt kunnen worden gemaakt met behulp van additieve productietechnologieën in snelle gereedschappen. Ze zijn betrouwbaar voor het vormen van goede en nauwkeurige prototypes als additieve processen onmogelijk zijn.

Opsommen

Snelle prototyping is een nuttige techniek omdat het niet alleen helpt tijd te besparen, maar ook de risico's vermindert. Prototypes helpen de productmanagers bij het verkrijgen van nuttige feedback van de gebruikers om de ontwerpconcepten te bevestigen of de wijzigingen te identificeren die mogelijk nodig zijn voordat het product op de markt wordt gebracht. Dit minimaliseert de kans dat het eindproduct niet aan de verwachtingen van de gebruiker voldoet, vandaar de term 'gebruikerservaring'. 

Bij prolean Tech wordt de communicatie verbeterd en wordt het werk van de teams hierop afgestemd snelle prototyping services. Proleantech helpt het bedrijf kwalitatief hoogwaardige producten op de markt te brengen, die op hun beurt voldoen aan de behoeften van de klanten en prospects.

Gerelateerd aan: Wat is plaatwerkprototyping? Voorbeelden en voordelen