Промышленный дизайн с 3D печатью

Что такое проектирование для производства?  

Проектирование для производства (DFM) или проектирование для производства и сборки (DFM/A) — это набор технологических методов проектирования, направленных на снижение стоимости и сложности детали или продукта, чтобы упростить и удешевить их производство. 

Чем дальше продвигается разработка продукта, тем дороже становятся изменения, поэтому крайне важно решать проблемы проектирования как можно раньше. За последние десятилетия инструментарий инженеров значительно расширился, и сегодня такие передовые инструменты, как 3D принтеры, помогают преодолеть разрыв между проектированием и производством, улучшая рабочие процессы, ускоряя и упрощая их.

Зачем нужен дизайн для производства?  

DFM снижает затраты и сокращает время выхода на рынок, а также значительно повышает качество и надежность продукта. Анализ существующих компонентов с целью проверки их эффективности проектирования и производства также может дать значительные результаты.  

При проектировании для конкретного производственного процесса или технологии DFM позволяет преобразовать геометрию, механизмы и требования к функциям, сформировавшиеся в процессе разработки продукта, в нечто, что можно легко изготовить и собрать с помощью промышленного оборудования.  

На более глубоком уровне DFM/A используется не только для того, чтобы убедиться, что деталь может быть изготовлена, но и для того, чтобы убедиться, что деталь может быть изготовлена надежно в соответствии с первоначальными требованиями инженера, с минимальными затратами на оснастку, низкой стоимостью деталей, высокой скоростью цикла и незначительным количеством брака. 

На практике это означает, что процесс DFM часто представляет собой своего рода переговоры между разработчиками и производителями о том, как выпускать продукцию в больших объемах с минимальными затратами.  

Общие правила и принципы DFM  

В процессе проектирования следует принимать во внимание следующие факторы: 

• Процесс: выберите правильные производственные процессы, так как они будут определять направление проектирования.
• Дизайн: следуйте рекомендациям по проектированию выбранных основных производственных процессов.  
• Материал: проектируйте изделия с учётом выбранного материала, поскольку к разным материалам предъявляются разные требования к производству.
• Тестирование: спроектируйте деталь таким образом, чтобы ее можно было легко проверить и протестировать.  

Хотя DFM во многом зависит от производственного процесса, общие правила и рекомендации всегда будут актуальны независимо от типа детали или технологии:  

Сократите количество деталей. Использование меньшего количества деталей снижает затраты и повышает эффективность производства и логистики. Сокращение общего количества компонентов упростит сборку, проверку и тестирование, а также снизит затраты на инструменты. По возможности объединяйте собранные детали в один компонент.

Используйте стандартные компоненты. Сократите количество деталей, изготовленных по индивидуальному заказу, и замените их стандартными готовыми компонентами, чтобы сэкономить на спецификации материалов (BOM), сократить сроки выполнения заказа и упростить поиск поставщиков.

Создавайте многофункциональные детали. Одна деталь может выполнять несколько функций, например, быть конструктивным элементом и одновременно теплоотводящим элементом или выполнять вспомогательные функции, такие как выравнивание, фиксация или сборка.

Разработайте детали для использования в разных линейках продуктов. Некоторые детали могут выполнять одинаковые или разные функции при использовании в разных продуктах, если у компании есть несколько связанных продуктов или продуктовых линеек. Используйте эти существующие компоненты, чтобы сократить потребность в деталях, изготовленных на заказ.

Определите допустимый диапазон подгонки и отделки. Заключительные операции, такие как покраска, полировка, механическая обработка или соблюдение более строгих допусков и уровней отделки, увеличивают производственные затраты и могут не требоваться в зависимости от конечного использования деталей. Определите, какие размеры детали действительно важны, и допустите большую погрешность по некритичным размерам, чтобы снизить производственные затраты и расходы на контроль качества.

Упростите работу. Детали следует собирать только в одном направлении. По возможности это направление должно быть сверху, в вертикальном направлении, чтобы использовать силу тяжести. Сделайте каждую деталь симметричной, чтобы упростить ориентацию, так как симметричные детали нельзя установить неправильно и для их ориентации при автоматической сборке не требуются специальные датчики или механизмы. Если симметричная конструкция невозможна, сделайте детали явно асимметричными и используйте внешние направляющие, чтобы избежать ошибок.

Упростите сборку. При проектировании деталей для фиксации учитывайте производственный процесс. Детали, предназначенные для автоматизированной сборки, должны иметь функции регистрации, так как станкостроительному оборудованию, сборочным станциям и автоматизированному транспортному оборудованию необходимо захватывать или фиксировать деталь в известном положении для последующих операций. Отклонения в размерах и точности деталей могут привести к ошибкам при сборке и повредить деталь или оборудование.

Промышленный дизайн для разных технологий производства

Выбор наиболее подходящих вариантов дизайна и поиск компромиссов во многом зависят от масштаба производства, бюджета и того, насколько важно сохранить первоначальный замысел.

Например, обработка на станках с ЧПУ — это превосходный способ изготовления прототипов или деталей в небольших количествах (менее 1000 штук) с высокой рентабельностью. Однако он не подходит для массового производства потребительских устройств из-за высокой стоимости. Поиск альтернативных способов производства металлических деталей, таких как литье или штамповка, может привести к снижению затрат, но потребует перепроектирования детали.

Как правило, конструкторам рекомендуется заменять крепежные элементы для деталей, изготовленных методом литья под давлением, на выступы или заклепки. Это связано с тем, что крепежные элементы требуют дополнительных манипуляций и подачи, что увеличивает время и стоимость производства. Однако если изделие будет производиться в меньших объемах, использование механических крепежных элементов может снизить общую стоимость, так как затраты на инструменты для добавления кулачков и направляющих для создания заклепок будут выше.

На некоторых участках деталей, изготовленных методом литья под давлением, остаются заметные следы от выталкивающих штифтов, которые давят на деталь, чтобы отделить ее от сердечника. Хотя большинство из них можно скрыть, команда разработчиков должна решить, стоит ли это дополнительных затрат или следы допустимы на внутренних или скрытых частях пластикового корпуса.

Подводя итог, можно сказать, что каждый производственный процесс имеет свои ограничения, а также лучшие практики и хитрые уловки, которые позволяют максимально эффективно использовать каждую деталь с минимальными затратами. Обязательно ознакомьтесь с правилами и рекомендациями DFM для конкретного процесса и проконсультируйтесь с контрактными производителями.

Ускорение и упрощение DFM с помощью 3D печати

3D печать активно внедряется в массовое производство. Изготовленные на заказ приспособления для 3D печати, а также инструменты и оснастка, напечатанные на 3D принтере, широко используются на производстве. Автоматизированные принтерные ячейки становятся доступны для производства небольших и средних объемов, так как профессиональные станки становятся всё более доступными, и всё больше компаний получают доступ к преимуществам этой технологии.

Во многих случаях 3D печать также используется в дополнение к традиционным производственным процессам для создания литейных деталей, малосерийных форм или специальных инструментов для производства.

Разработка продукта

Провести оценку проектных решений с помощью одной только CAD-модели может быть сложно. Дизайнеры иногда не решаются экспериментировать с прототипами, так как изготовление одной детали или узла с использованием традиционных материалов и технологий обходится дорого и занимает много времени.

Технология 3D печати значительно упрощает создание прототипов, позволяя дизайнерам получать функциональные детали с высокой точностью всего за несколько часов и по гораздо меньшей цене, чем традиционные прототипы.

Стереолитография (SLA) и селективное лазерное спекание (SLS) — идеальные технологии для 3D печати прототипов. Профессиональные 3D принтеры предлагают широкий выбор инженерных материалов и позволяют создавать гладкие, изотропные детали, которые одновременно прочны и высокодетализированы. Принтеры SLS больше ориентированы на создание функциональных прототипов и производственных деталей из гибких или жестких термопластичных материалов, таких как нейлон.

Суррогатные части

Суррогатные части — это детали-заполнители, которые используются для оценки конкретных функциональных аспектов конструкции и настройки в процессе окончательного производства перед массовым выпуском. Это помогает избежать риска слишком поздно обнаружить, что деталь и процесс не подходят или функционируют не так, как предполагалось.

3D печатные детали-заменители могут использоваться для замены дорогостоящих или труднодоступных деталей, что позволяет сократить время производства на недели и месяцы.

С помощью суррогатных частей можно оценить следующие факторы:

Производство: качество деталей, получаемых в результате сложных производственных процессов, таких как литьё под давлением или экструзия.

Сборка: как деталь взаимодействует с существующими компонентами.

Удобство обслуживания: насколько просто выполнять техническое обслуживание детали или узла.

Установка: насколько легко будет установить деталь.

Литьевые формы малого объема

Некоторые материалы SLA, устойчивые к высоким температурам, можно использовать для изготовления небольших пресс-форм для литья под давлением. Эти пресс-формы можно использовать для:

• Тестовых проектов в промышленном дизайне.
• Проверки конфигурации оснастки пресс-формы.
• Экспериментов с материалами.
• Выполнения малосерийных производственных циклов.

Дизайнеры могут напечатать несколько вариантов пресс-форм за небольшую часть стоимости и времени, необходимых для изготовления механических инструментов.

Изготовление на заказ

Когда речь заходит о производстве компонентов по индивидуальному заказу в ограниченном количестве, традиционные процессы, такие как литье под давлением, зачастую нерентабельны из-за высоких затрат на оснастку.

Благодаря свободе проектирования и постоянно улучшающимся характеристикам, 3D печать становится все более привлекательной для производства уникальных компонентов.

Заключение

Соблюдение этих правил и рекомендаций поможет вам разработать продукт, который будет легко изготавливать и собирать, а также снизит затраты на производство и повысит качество продукции.

Наши предыдущие статьи: