Prototiparea rapidă constă în principal din trei aplicații în cadrul fazei de dezvoltare a produsului a producției: modele conceptuale, verificarea potrivirii piesei fizice și evaluarea funcțională a prototipului. Fiecare dintre aceste aplicații are cerințe diferite necesare pentru a oferi valoare unei organizații.

Modelare conceptuală

La începutul dezvoltării produselor, proiectanții și inginerii au nevoie să dezvolte modele conceptuale ale proiectelor lor. Această aplicație se încadrează în fazele de idei și analiză a conceptului de proiectare a produsului. În această etapă, sunt adesea evaluate mai multe concepte pentru proiectarea produsului. Proiectanții obțin un avantaj competitiv evaluând rapid aceste concepte, selectând elemente din fiecare care promit și oferă valoare proiectului și iterând conceptele pentru a îmbunătăți, integra și restrânge suita de concepte aflate în evaluare.

Prototiparea rapidă este capabilă în mod unic de a oferi valoare prin modelarea conceptuală. În această aplicație, costul redus al piesei și timpul necesar pentru fabricarea unui model sunt factorii principali de valoare. În timp ce un anumit nivel de analiză a conceptului poate fi efectuat la nivel CAD 3D, capacitatea de a produce un model fizic permite o mai bună înțelegere și evaluare a proiectului. Ca regulă generală, prin creșterea numărului de concepte evaluate și a iterațiilor de analiză conceptuală pe care proiectanții le pot finaliza, proiectul final selectat pentru dezvoltare va fi mai robust și mai atractiv.

Având în vedere ritmul rapid al dezvoltării produsului necesar pentru a fi competitiv în lumea afacerilor de astăzi, această fază de proiectare este adesea strâns constrânsă atât de limitările de timp, cât și de costuri. Aceste limitări afectează alegerea ideală a tehnologiei de prototipare pentru livrarea modelelor conceptuale. Pentru a crește calitatea rezultatelor de proiectare, proiectanții și inginerii trebuie să evalueze mai multe concepte și iterații. Prin urmare, o tehnologie de prototipare ideală pentru această aplicație este una care poate produce modele fizice realiste ale proiectului, minimizând în același timp costul pe model și timpul necesar pentru a trece de la proiectarea CAD la modelul utilizabil. Este important să luați în considerare întregul proces, de la CAD până la piesa utilizabilă, atunci când evaluați timpul și costul, mai degrabă decât să limitați evaluarea doar la procesul de construire a tehnologiei. Procesul complet include adesea procesarea fișierelor, pregătirea sistemului, procesul de construire și orice pași post-build-procesare necesari pentru a face modelul fizic utilizabil pentru analiza conceptului.

Unele modele de concept produse prin prototipare rapidă sunt prezentate în Fig. 8 de mai jos:

Modele de potrivire fizică

Odată ce un concept a fost selectat pentru dezvoltare, următoarea fază a procesului de proiectare a piesei este de obicei asigurarea faptului că componentele individuale ale proiectului sunt potrivite fizic atunci când sunt asamblate. Această aplicare a prototipării rapide are cerințe ușor diferite față de cele ale modelelor conceptuale.

Când este selectat un proiect, fazele incipiente ale dezvoltării produsului continuă, de obicei, să se repete relativ rapid. Deoarece componentele sunt proiectate sau identificate pentru cumpărare, proiectul ansamblului trebuie să se schimbe adesea pentru a se potrivi acelei componente. Pentru a minimiza costul iterației, este important ca proiectanții și inginerii să aibă încredere că proiectul asamblat se va potrivi corect înainte de a investi în achiziția de componente sau scule. Prototiparea rapidă este capabilă să ofere valoare în această fază de proiectare prin tipărirea unor modele ieftine, exacte din punct de vedere dimensional, ale componentelor scumpe. Deținerea de replici ale tuturor componentelor din ansamblu permite inginerilor să testeze ansamblul proiectului pentru a se asigura că piesele se potrivesc așa cum era de așteptat și că procesul de asamblare este cât se poate de simplu și eficient.

Deși este posibil ca modelele CAD 3D să simuleze potrivirea componentelor într-un ansamblu, este adesea dificil de transpus modelul digital în realitate fizică. Aceste modele digitale sunt capabile să mențină toleranțe extrem de strânse, care rareori se traduc în toleranțe fizice fezabile pentru o producție rentabilă. În plus, în timp ce modelele CAD 3D pot verifica potrivirea asamblată a proiectului, este extrem de dificil să simuleze digital experiența de asamblare fizică a produsului. Un proiect excelent al ansamblului final este complet lipsit de valoare dacă procesul real de asamblare este greoi sau imposibil de realizat.

În timp ce aplicarea de modelare conceptuală a prototipării rapide subliniază capacitatea de a crea rapid multe modele la un cost minim, aplicarea de adaptare fizică a prototipării rapide extinde cerințele pentru a oferi valoare prin necesitatea de acuratețe și durabilitate de la modelul fizic. Costul și timpul rămân importante pentru a permite repetarea rapidă a proiectului, dar este mai important ca componentele prototipate să fie reprezentative pentru toleranțele fezabile necesare pentru producția finală a piesei și ca componentele prototip să fie suficient de puternice pentru a supraviețui procesului de asamblare. Capacitatea tehnologiei de a satisface aceste cerințe necesită adesea un sistem cu costuri mai mari decât cel necesar pentru modelele conceptuale, astfel încât alegerea ideală a tehnologiei poate să nu fie aceeași pentru aceste două aplicații.

Figura 9 prezintă un exemplu de piese care necesită potrivire produse prin sinterizarea metalului cu laser (partea metalică) și, respectiv, sinterizarea laser selectivă (polimer).

Modele funcționale

Faza finală a proiectării produsului implică de obicei crearea de prototipuri funcționale pentru evaluarea completă a conceptului și testarea pieței. Deoarece aceasta este ultima fază de proiectare a produsului înainte de producție, atât valoarea asigurării acurateței proiectului, cât și cerințele modelului prototip sunt mai mari decât cele ale modelelor conceptuale sau ale modelelor de potrivire fizică.

Până în momentul în care proiectarea produsului a intrat în faza în care este necesară prototiparea funcțională, frecvența iterației proiectului a scăzut adesea considerabil. Cele mai multe dintre schimbările majore de proiectare au loc în faza conceptuală și în timpul selecției componentelor și verificării ansamblului. Deși frecvența de iterare a scăzut, valoarea creării rapide a unui prototip al proiectului rămâne mare, deoarece modificările de proiectare devin mult mai mari odată ce s-au făcut achizițiile inițiale de componente și investițiile de scule pentru producție. În această fază, este esențial ca proiectanții și inginerii să fie siguri că proiectarea produsului funcționează așa cum se dorește și că produsul este dezirabil pentru piața țintă.

Cerințele de prototip în aplicarea modelului funcțional de prototipare rapidă sunt cele mai exigente în segmentul de prototip al fabricației aditive. În timp ce modelele funcționale pot să nu aibă cerințe atât de înalte precum cele din domeniile jig-urilor și dispozitivelor de fixare, uneltelor de fabricație sau pieselor de uz final, modelele funcționale sunt adesea necesare pentru a supraviețui unor condiții de mediu mai solicitante și pentru a imita mai îndeaproape calitățile eventualului produs, decât modelele create în fazele anterioare de proiectare.

Modelele funcționale necesită adesea prototiparea doar a componentelor unice din proiectul produsului: acele componente care vor necesita scule pentru fabricare, cum ar fi învelișurile externe ale produsului. Aceste componente unice sunt apoi asamblate cu electronice funcționale și componente mecanice achiziționate pentru a verifica dacă proiectul produsului va funcționa așa cum se dorește. Deoarece modelul funcțional este necesar să funcționeze ca eventual produs fabricat, componentele prototip trebuie să fie capabile să supraviețuiască mediilor de încărcare termică, chimică și fizică de utilizare comună a produsului.

Cerințele de mediu impuse componentelor prototip necesită proprietăți mecanice ale materialului prototip care să corespundă celor ale pieselor de producție. În plus, acuratețea rezultatului prototipului este, de asemenea, importantă pentru a se asigura că ansamblul se potrivește și se comportă ca și componentele de producție. Din acest motiv, costul și timpul de producere a prototipului sunt mai puțin critice în alegerea unei tehnologii prototip, iar materialele disponibile și acuratețea tehnologiei prototipului sunt cei mai importanți factori.

Considerentul final pentru selectarea unei tehnologii prototip într-o aplicație de model funcțional este capacitatea tehnologiei de a oferi o experiență reprezentativă în produsul prototip. În timp ce această considerație este adesea plasată în spatele celor legate de proprietățile materialelor și acuratețea pieselor, capacitatea tehnologiei prototip de a imita funcția și senzația tactilă a proiectului de producție oferă valoare adăugată modelului funcțional. Tehnologiile prototip care pot oferi culori reprezentative, rigiditate și calitatea suprafeței proiectului de producție dorit sunt mai capabile să simuleze experiența reală de utilizare a produsului în mediul său funcțional și astfel au valoare adăugată pentru evaluarea acceptării pe piață.