¿Cuáles son las consideraciones clave de diseño e ingeniería en la creación rápida de prototipos?

La creación rápida de prototipos es una parte importante del proceso moderno de desarrollo de productos. Al crear rápidamente prototipos de productos, las empresas pueden verificar el diseño, la funcionalidad y la experiencia del usuario en una etapa temprana, reduciendo así los riesgos de desarrollo y mejorando la calidad del producto. Sin embargo, el éxito de la creación rápida de prototipos no es una tarea fácil y requiere la consideración de varios factores clave de diseño e ingeniería. Este artículo explorará estos factores clave y explicará por qué son importantes.

¿Qué es la creación rápida de prototipos?

La creación rápida de prototipos, en resumen, se refiere al uso de tecnología de fabricación avanzadao diseñar software en las primeras etapas del desarrollo del producto para producir un modelo preliminar o un prototipo rápido del producto a un costo menor y en un tiempo más corto. Estos prototipos rápidos pueden ser funcionales, cosméticos o incluso una combinación de ambos y se utilizan para probar, validar conceptos de diseño, evaluar la experiencia del usuario, presentar a inversores o marketing.

El principio es revisar y mejorar continuamente el diseño del producto a través del ciclo de "construir-probar-aprender-retroalimentación". En comparación con el proceso tradicional de desarrollo de productos, la creación rápida de prototipos se centra más en la velocidad y la flexibilidad, lo que permite a los diseñadores e ingenieros descubrir y resolver problemas en las primeras etapas del desarrollo del producto y evitar modificaciones costosas y que requieren mucho tiempo más adelante.

¿Cómo funciona la creación rápida de prototipos?

Creación de diseños:Utilice el software CAD para crear modelos digitales 3D de objetos. Esta etapa es crucial para sentar las bases del prototipo.
Preparación de datos:El modelo CAD se procesa y se convierte a un formato adecuado para la tecnología de creación rápida de prototipos elegida, normalmente un archivo STL.
Configuración de la máquina:Preparar, calibrar y cargar una máquina de prototipado rápido con el material adecuado, ya sea plástico, resina o polvo metálico.
Construcción de prototipos:La máquina construye el prototipo capa por capa de acuerdo con las especificaciones del modelo CAD.
Post-procesamiento:Después del proceso de construcción, los prototipos a menudo requieren un procesamiento posterior para lograr el acabado superficial o las propiedades mecánicas deseadas. Esto puede incluir lijado, pintura o montaje.

¿Cuáles son las consideraciones de diseño clave en la creación rápida de prototipos?

1. Selección de materiales

Plástico:El plástico se está convirtiendo en el material preferido para la creación rápida de prototiposdebido a sus excelentes capacidades de conformación, baja sobrecarga y facilidad de manejo. Pueden imitar las características visuales y táctiles finales del producto y son adecuados para la mayoría de los escenarios de aplicación. Al seleccionar un material plástico, considere cuidadosamente sus propiedades en términos de fuerza, tenacidad, resistencia al calor y resistencia al ataque químico.
Metal: Debido a su alta resistencia a la compresión, fuerte rigidez y excelente conductividad eléctrica, estas características lo convierten en un material prototipo adecuado para altas capacidades de carga o uso en entornos extremos. Sin embargo, el costo de fabricación del metal es relativamente alto y el proceso de fabricación es relativamente difícil. Al seleccionar materiales metálicos, la densidad, la dureza, la resistencia a la corrosión y la soldabilidad deben pesarse cuidadosamente.
Materiales compuestos: Estos materiales compuestos están compuestos por dos o más sustancias con diferentes propiedades y combinan las ventajas de cada uno de estos tres tipos de materiales. Muestran altas propiedades mecánicas, peso ligero y excelente resistencia a la corrosión, y son especialmente adecuados para aplicaciones con altos requisitos de rendimiento. Sin embargo, los materiales compuestos suelen ser más caros y sus procesos de producción son relativamente complejos.

2.Complejidad del modelo de prototipo

La complejidad del modelo prototipo debe determinarse en función de los requisitos. Cuanto mayor sea la complejidad, mayor será el tiempo de procesamiento y el costo requeridos.

Prototipo simple:Ideal para la verificación inicial de conceptos de diseño y funcionalidad. Los prototipos simples se pueden hacer rápidamente, a bajo costo, y son fáciles de modificar e iterar.
Prototipos complejos:Para aplicaciones que requieren una verificación detallada de los detalles de diseño y el rendimiento. Los prototipos complejos requieren una mayor precisión de mecanizado y tiempos de producción más largos, pero pueden proporcionar comentarios de diseño más detallados.

3. Exactitud y precisión

Garantizar la precisión de las piezas rápidas para satisfacer las necesidades de las aplicaciones del mundo real es un objetivo importante de la creación rápida de prototipos. Para lograr esto, se deben tomar las siguientes medidas:

Elija equipos de alta precisión:Elija equipos de creación rápida de prototipos con alta precisión y estabilidad, como estereolitografía (SLA), sinterización selectiva por láser (SLS), etc. Estas máquinas pueden proporcionar una alta precisión de mecanizado y calidad de superficie.
Optimice los parámetros de procesamiento:Optimice los parámetros de procesamiento como la potencia del láser, la velocidad de escaneo, el espesor de la capa, etc., de acuerdo con las características del material y el equipo seleccionados. La optimización de estos parámetros puede mejorar la precisión y la calidad de la superficie del prototipo.
Post-procesamiento:A través del procesamiento posterior, como lijado, arenado, pintura, etc., se puede mejorar aún más la precisión y la calidad de la superficie del prototipo. Estos tratamientos eliminan defectos como rebabas, manchas e irregularidades de la superficie del prototipo, acercándolo a la apariencia del producto final.

4. Tratamiento de la superficie

La elección del acabado adecuado puede simular el aspecto del producto final, lo que aumenta el realismo y la usabilidad del prototipo. Estos son algunos métodos comunes de tratamiento de superficies:

Pintura:La pintura es un tratamiento de superficie común que puede proporcionar un color intenso y un efecto de brillo. A la hora de elegir una pintura, hay que tener en cuenta factores como su adherencia, su resistencia a la abrasión y su resistencia a la corrosión.
Enchapado:El recubrimiento puede formar una película delgada de metal en la superficie del prototipo, mejorando su dureza superficial y resistencia a la corrosión. El enchapado puede simular el aspecto y el tacto del metal y es adecuado para aplicaciones que requieren un mejor rendimiento de la superficie de los prototipos.
Arenado:El chorro de arena puede eliminar las rebabas y las manchas de la superficie de un prototipo mediante el chorreado de partículas abrasivas al tiempo que aumenta su rugosidad y textura. El arenado puede simular el efecto superficial de materiales como el metal o el plástico, aumentando el realismo de los prototipos.

¿Qué factores de ingeniería se deben tener en cuenta en la creación rápida de prototipos?

1. Escalabilidad
La escalabilidad significa que los prototipos rápidos se pueden ajustar fácilmente en proporción y tamaño durante el proceso de diseño y fabricación para adaptarse a las necesidades de diseño de diferentes tamaños. A la hora de planificar la escalabilidad de su prototipo, hay que tener en cuenta algunos puntos:

Diseño modular:Adopte ideas de diseño modular y divida el prototipo en varios módulos independientes. De esta forma, cuando necesites ajustar el tamaño del prototipo, solo tendrás que sustituir o añadir o eliminar los módulos correspondientes.
Escalada:Durante la etapa de diseño del prototipo, se debe considerar completamente el impacto de los diferentes tamaños en el rendimiento del prototipo. A través del escalado, puede probar los efectos de diseño en diferentes tamaños para seleccionar la solución de diseño óptima.
Compatibilidad de la interfaz:Asegúrese de que las interfaces entre los diferentes módulos sean compatibles para que puedan conectarse y encajar sin problemas al cambiar el tamaño del prototipo.

2. Integridad estructural

La integridad estructural se refiere a la capacidad de un prototipo rápido para mantener su integridad estructural y funcional cuando se somete a estrés mecánico o ambiental. Para garantizar la integridad estructural, se deben tener en cuenta los siguientes puntos:

Selección de materiales:Seleccione los materiales apropiados en función del entorno de uso y las condiciones de tensión del prototipo. Por ejemplo, para prototipos que necesitan soportar cargas más grandes, se deben seleccionar materiales con alta resistencia y tenacidad.
Diseño estructural:Diseñar razonablemente la estructura del prototipo para evitar concentraciones de tensiones y eslabones débiles. Al optimizar la estructura, se puede mejorar la capacidad de carga y la estabilidad del prototipo.
Proceso de fabricación:Elija un proceso de fabricación adecuado para garantizar que el prototipo no se dañe durante el proceso de fabricación. Por ejemplo, el uso de la tecnología de mecanizado de precisión puede reducir los errores de mecanizado y los defectos superficiales.

3. Velocidad y costo de creación de prototipos

En el proceso rápido de creación de prototipos, la velocidad de producción y el costo son dos consideraciones importantes. Para optimizar el proceso de desarrollo, se deben tener en cuenta los siguientes puntos:

Selección de tecnología:Seleccione la tecnología de creación rápida de prototipos adecuada en función de las necesidades y el presupuesto del proyecto. Por ejemplo, para prototipos que requieren alta precisión y estructuras complejas, se pueden optar por tecnologías como la estereolitografía (SLA) o la sinterización selectiva por láser (SLS).
Control de costes:Durante el proceso de creación de prototipos, los costos deben controlarse estrictamente. Al optimizar el diseño y elegir los materiales y procesos de fabricación adecuados, se puede reducir el costo del prototipo.
Velocidad de producción:Con la premisa de garantizar la calidad del prototipo, aumente la velocidad de producción tanto como sea posible. Mediante la adopción de técnicas de fabricación eficientes y la optimización de los procesos de producción, se puede acortar el ciclo de producción de prototipos.

4. Flexibilidad de iteración

La flexibilidad iterativa significa que los prototipos rápidos se pueden ajustar e iterar fácilmente durante el proceso de diseño para adaptarse a los cambios frecuentes de diseño. Para garantizar la flexibilidad de la iteración, tenga en cuenta lo siguiente:

Modularización del diseño:Divida el diseño del prototipo en varios módulos independientes para que puedan reemplazarse o modificarse fácilmente durante el proceso de iteración.
Diseño paramétrico:Utilice el método de diseño paramétrico para cambiar la forma y el tamaño del prototipo ajustando los parámetros. Esto aumenta la flexibilidad del diseño y la reutilización.
Control de versiones:Durante el proceso de creación de prototipos, establezca un mecanismo de control de versiones. Los cambios de diseño se pueden rastrear y administrar fácilmente registrando los cambios y las diferencias para cada iteración.

¿Cuáles son los tipos de prototipado rápido?

1. Acuerdo de nivel de servicio (SLA)

SLA es un proceso industrial de impresión 3D, o fabricación aditiva, que construye piezas en un grupo de resina fotopolimérica curable por UV utilizando un láser controlado por computadora. El láser se utiliza para trazar y curar una sección transversal del diseño de la pieza en la superficie de la resina líquida. A continuación, la capa solidificada se baja justo por debajo de la superficie de la resina líquida y se repite el proceso. Cada capa recién curada se adhiere a la capa que se encuentra debajo. Este proceso continúa hasta que se completa la pieza.

Pros

Contras

Para modelos conceptuales, prototipos cosméticos y diseños complejos, SLA puede producir piezas con geometrías intrincadas y excelentes acabados superficiales en comparación con otros procesos aditivos. El costo es competitivo y la tecnología está disponible en varias fuentes.

Es posible que las piezas prototipadas no sean tan fuertes como las fabricadas con resinas de ingeniería, por lo que las piezas fabricadas con SLA tienen un uso limitado para las pruebas funcionales. Además, mientras que las piezas se someten a un ciclo UV para solidificar la superficie exterior de la pieza, las piezas construidas en SLA deben usarse con una exposición mínima a los rayos UV y la humedad para que no se degraden.

2. SLS

SLS es uno de los cinco procesos aditivos disponibles en Protolabs. Durante el proceso SLS, un CO controlado por ordenador₂El láser atrae sobre un lecho caliente de polvo a base de nailon desde la parte inferior hacia arriba, donde sinteriza (fusiona) ligeramente el polvo en un sólido. Después de cada capa, un rodillo coloca una nueva capa de polvo sobre la cama y el proceso se repite. SLS utiliza nailon rígido o polvos elastoméricos de TPU similares a los termoplásticos de ingeniería reales, por lo que las piezas exhiben una mayor dureza y son precisas, pero tienen una superficie rugosa y carecen de detalles finos. SLS ofrece un gran volumen de construcción, puede producir piezas con geometrías muy complejas y crear prototipos duraderos.

Pros	Contras
Las piezas SLS tienden a ser más precisas y duraderas que las piezas SLA. El proceso puede fabricar piezas duraderas con geometrías complejas y es adecuado para algunas pruebas funcionales.	Las piezas tienen una textura granulada o arenosa y el proceso tiene una elección limitada de resina.

3. FDM

FDM utiliza un método de extrusión que funde y vuelve a solidificar la resina termoplástica (ABS, policarbonato o mezcla de ABS/policarbonato) en capas para formar un prototipo terminado. Debido a que utiliza resinas termoplásticas reales, es más fuerte que la inyección de aglutinante y puede tener un uso limitado para pruebas funcionales.

Pros	Contras
Las piezas FDM tienen un precio moderado, son relativamente fuertes y pueden ser buenas para algunas pruebas funcionales. El proceso puede fabricar piezas con geometrías complejas.	Las piezas tienen un acabado superficial pobre, con un efecto ondulado pronunciado. También es un proceso aditivo más lento que SLA o SLS y tiene una idoneidad limitada para las pruebas funcionales.

4. Mecanizado CNC

En el mecanizado, un bloque sólido (o material de varilla) de plástico o metal se sujeta a una fresadora o torno CNC respectivamente y se corta en una pieza terminada a través de un proceso sustractivo. Este método generalmente produce una resistencia y un acabado superficial superiores a cualquier proceso de fabricación aditiva. También tiene las propiedades completas y homogéneas del plástico porque está hecho de bloques sólidos de resina termoplástica extruida o moldeada por compresión, a diferencia de la mayoría de los procesos aditivos, que utilizan materiales similares al plástico y se construyen en capas. La gama de opciones de materiales permite fabricar piezas con las propiedades deseadas del material, tales como: resistencia a la tracción, resistencia al impacto, temperaturas de deflexión térmica, resistencia química y biocompatibilidad. Las buenas tolerancias producen piezas adecuadas para pruebas de ajuste y funcionales, plantillas y accesorios, y componentes funcionales para aplicaciones de uso final. Varios fabricantes, incluido Protolabs, utilizan procesos de fresado de 3 ejes y fresado indexado de 5 ejes junto con torneado para fabricar piezas en una amplia gama de plásticos y metales de ingeniería.

Pros	Contras
Las piezas mecanizadas tienen buenos acabados superficiales y son bastante resistentes porque utilizan termoplásticos y metales de grado de ingeniería. Al igual que la impresión 3D, los prototipos personalizados se pueden entregar en tan solo un día en algunos proveedores.	Puede haber algunas limitaciones de geometría asociadas con el mecanizado CNC y, a veces, es más costoso hacerlo internamente que los procesos de impresión 3D. Debido a que el proceso consiste en eliminar material en lugar de agregarlo, el fresado de muescas a veces puede ser difícil.

5. Moldeo por inyección

El moldeo por inyección rápida funciona inyectando resinas termoplásticas en un molde, al igual que en el moldeo por inyección de producción. Lo que hace que el proceso sea "rápido" es la tecnología utilizada para producir el molde, que a menudo está hecho de aluminio en lugar del acero tradicional utilizado en los moldes de producción. Las piezas moldeadas son fuertes y tienen excelentes acabados. También es el proceso de producción estándar de la industria para piezas de plástico, por lo que existen ventajas inherentes a la creación de prototipos en el mismo proceso si la situación lo permite. Se puede utilizar casi cualquier plástico de grado de ingeniería o caucho de silicona líquida (LSR), por lo que el diseñador no está limitado por las limitaciones de material del proceso de creación de prototipos.

Pros	Contras
Las piezas moldeadas están hechas de una variedad de materiales de grado de ingeniería, tienen un excelente acabado superficial y son un excelente predictor de la capacidad de fabricación durante la fase de producción.	Hay un costo inicial de herramientas asociado con el moldeo por inyección rápida que no ocurre con ninguno de los procesos aditivos o con el mecanizado CNC. Entonces, en la mayoría de los casos, tiene sentido hacer una o dos rondas dePrototipos rápidospara verificar el ajuste y la función antes de pasar al moldeo por inyección.

6. Fabricación de chapa metálica

La fabricación rápida de chapa metálica es una tecnología de procesamiento de chapa eficiente y de alta precisión. A través del control por computadora, las láminas de metal se cortan, doblan y sueldan de acuerdo con los requisitos de diseño para producir rápidamente las piezas requeridas. Esta tecnología combina equipos CNC avanzados, corte por láser, estampado y otros métodos de proceso para completar la producción de piezas de chapa metálica con formas complejas y requisitos de alta precisión en poco tiempo.

Pros	Contras
La tecnología de fabricación rápida de chapa metálica tiene las características de alta eficiencia, alta precisión, flexibilidad, bajo costo y protección del medio ambiente.	Altos costos de equipo, altos requisitos técnicos, altas tasas de desperdicio y altos costos de personalización, etc.

¿Cómo elegir la tecnología de creación rápida de prototipos adecuada para su proyecto?

1. Aclarar los requisitos del proyecto:Aclarar cuál es el propósito de la creación de prototipos, como validar conceptos de productos, demostrar características de productos, probar la experiencia del usuario u otros fines; Comprenda quiénes son sus usuarios objetivo, cuáles son sus necesidades, preferencias y casos de uso; Determinar el nivel de detalle e interactividad del prototipo en función de las necesidades del proyecto. Por ejemplo, ya sea para hacer un prototipo de boceto simple o un prototipo interactivo de alta fidelidad.
2. Evaluar las capacidades técnicas del equipo:Tenga en cuenta las habilidades y la experiencia de los miembros del equipo, y elija técnicas de creación de prototipos con las que estén familiarizados o que puedan dominar rápidamente; Si el equipo necesita aprender una nueva tecnología o herramienta, evalúe el tiempo y el costo de la capacitación.
3. Tenga en cuenta las limitaciones de presupuesto y tiempo:Elija una tecnología de creación de prototipos rentable en función de su presupuesto, tenga en cuenta la velocidad y el ciclo de iteración de la creación de prototipos y asegúrese de que la creación de prototipos y las pruebas se completen en un tiempo limitado.
4. Comprender las técnicas de creación de prototipos:Las técnicas de creación de prototipos incluyen bocetos, prototipos en papel, wireframes, prototipos interactivos y otros tipos. Comprender las características y el ámbito de aplicación de cada tecnología; Elija la herramienta adecuada según el tipo de tecnología. Por ejemplo, para bocetos, se puede utilizar lápiz y papel o software de dibujo; Para los prototipos interactivos, se pueden elegir herramientas de creación de prototipos como Axure, Mockplus e InVision. Consulte las reseñas y los comentarios de otros equipos y usuarios y elija las herramientas y técnicas de creación de prototipos mejor valoradas del mercado.
5. Elige la tecnología adecuada:Antes de tomar una decisión formal, puede probar una variedad de tecnologías para comprender y comparar sus ventajas, desventajas y aplicaciones. Flexibilidad para ajustar las técnicas de creación de prototipos en función del progreso del proyecto y los comentarios del equipo.
6. Implementación e iteración:Desarrollar un plan detallado de creación de prototipos de acuerdo con la tecnología seleccionada para garantizar una comunicación y colaboración efectivas entre los miembros del equipo; Sobre la base de los comentarios de los usuarios y los resultados de las pruebas, los prototipos se iteran y optimizan continuamente.

Ventaja	Descripción
Acortar el ciclo de desarrollo	Las ideas de diseño pueden transformarse rápidamente en prototipos con determinadas funciones o piezas fabricadas directamente, acelerando el proceso de desarrollo del producto.
Reducir los costes de producción	Al reducir el número de producciones de prueba y evitar los riesgos causados por la producción en masa, los costos de producción se reducen de manera efectiva.
Alto grado de integración tecnológica	Integra varias tecnologías como ingeniería mecánica, CAD, tecnología de ingeniería inversa, tecnología de fabricación por capas, tecnología CNC, ciencia de materiales, tecnología láser, etc.
Amplia selección de materiales	Se puede fabricar utilizando una variedad de materiales metálicos y no metálicos, incluidos plásticos, metales, cerámicas y más.
Fácil de modificar y optimizar	Debido al diseño digital y al proceso de fabricación, los diseños de los productos se pueden modificar y optimizar fácilmente.
Alto grado de personalización	Capaz de llevar a cabo una producción personalizada de acuerdo con las necesidades específicas de los clientes para satisfacer las demandas diversificadas del mercado.

Longsheng