Impressão 3D para desenvolvimento rápido de produtos: prototipagem para produção de baixo volume

Se você estiver envolvido no desenvolvimento de produtos eletrônicos de consumo, equipamentos industriais ou dispositivos médicos, este guia apresentará como a impressão 3D pode encurtar esse processo, quais processos são adequados em diferentes estágios e como usá-los para passar para a produção de baixo volume.

Onde a impressão 3D se encaixa no desenvolvimento de produtos

Dos modelos conceituais aos protótipos funcionais

Os protótipos não são apenas uma forma. No mesmo projeto, pode ser necessário encomendar vários tipos diferentes de peças.

• Modelos conceituais: foco na proporção, tamanho e sensação. O acabamento da superfície é mais importante do que a resistência.
• Protótipos de aparência e montagem: verifique folgas, encaixes e tolerâncias de montagem entre componentes.
• Protótipos funcionais: verificam características de carga, movimento, vedação, fluxo de ar e temperatura.
• Peças de validação de engenharia: desempenho próximo ao das peças finais de produção e testadas de acordo com especificações técnicas.
• Peças de produção piloto: usadas para testes de campo, testes de certificação ou produtos reais fornecidos aos primeiros clientes.

Um processo não pode cobrir todas as etapas

Se todas essas peças forem feitas do mesmo material, isso desperdiçará o orçamento inicial e também distorcerá os dados do teste.

Escolheremos o processo apropriado com base nas necessidades específicas:

• SLA: adequado para apresentar detalhes finos e superfícies de aparência lisa.
• MJF e SLS: adequados para peças que precisam suportar operação e testes reais.
• FDM: adequado para amostras de engenharia grandes e sensíveis ao custo.
• SLM: adequado para peças metálicas que necessitam de propriedades metálicas.

Quando a prototipagem tradicional se torna um gargalo

Do ponto de vista de compras, olhando para o último projeto, muito tempo no cronograma não foi realmente gasto no corte de metal. Foi gasto nestas etapas:

• Cada mudança de projeto significava refazer ou modificar as ferramentas e acessórios.
• A capacidade do fornecedor teve que ser reservada com semanas de antecedência.
• Você só precisava de algumas peças, mas precisava fazer o pedido com a quantidade mínima.
• Antes do primeiro corte, o equipamento teve que ser configurado, os acessórios instalados e os programas CAM escritos.
• Uma dimensão mudou e o molde teve que ser reparado.
• Os materiais tinham que ser transportados entre a oficina de moldagem por injeção, a oficina mecânica e o laboratório de testes.

A usinagem de um suporte pode levar apenas algumas horas. Mas colocar esse suporte nas mãos do engenheiro geralmente leva semanas. O que realmente atrasa o desenvolvimento é toda essa espera e retrabalho. Cada mudança de design adiciona outra camada de custo.

Como a impressão 3D acelera o desenvolvimento de produtos

Produza protótipos sem ferramentas

A moldagem por injeção exige que você invista muito dinheiro antes que o projeto seja finalizado. Um molde de aço para uma habitação de tamanho médio custa entre alguns milhares e dezenas de milhares de dólares. O ciclo de usinagem geralmente leva de três a seis semanas. Se a equipe de design industrial mover uma saliência de montagem em dois milímetros, a cavidade do molde deverá ser soldada e usinada novamente.

A impressão 3D pode ser produzida diretamente do seu arquivo STEP. Não há necessidade de cavidades de molde, núcleos, layouts de mecanismo ejetor ou depósitos de molde.

Quando o design ainda estiver mudando, use o dinheiro para iterações de design. Assim que a geometria estiver finalizada, comece a fazer os moldes.

Teste mais iterações de design

O primeiro protótipo impresso raramente passa na primeira tentativa. Muitas vezes revela problemas que você não consegue ver na tela, como interferência de montagem entre dois invólucros, folgas deixadas muito pequenas, fluxo de ar insuficiente em torno de fontes de calor, pontos de montagem deformados sob carga ou caminhos de roteamento de fios inadequados.

Esses problemas são muito comuns. O objetivo de um protótipo é expô-los antes da produção em massa. O que realmente importa é a rapidez com que você pode responder depois de encontrar um problema. Com a impressão 3D, você pode modificar o arquivo CAD e imprimir a próxima versão na mesma semana.

Reduza o tempo de espera entre iterações

Em um processo tradicional, o projeto, a fabricação, o envio, os testes e a revisão exigem uma transferência. Antes de cada transferência, muitas vezes há espera na fila.

A impressão 3D comprime essas etapas. Um fornecedor pode concluir a impressão. As peças são enviadas diretamente após serem concluídas. Testes e modificações também podem ser acompanhados mais rapidamente.

Quais etapas de desenvolvimento de produto são mais beneficiadas

A velocidade é importante durante todo o processo de desenvolvimento, mas algumas etapas se beneficiam mais da impressão 3D.

Validação de conceito em estágio inicial

Na fase inicial do projeto, o foco principal é confirmar se o produto se sente bem na mão, se os componentes principais podem ser montados conforme planejado e se o tamanho geral está próximo das expectativas. Quanto à capacidade das peças de suportar anos de uso, isso poderá ser verificado posteriormente.

Este estágio é adequado para impressão 3D. Antes de o material ser finalizado, você pode verificar rapidamente as dimensões externas, aparência geral, ergonomia, relações de montagem e posições das peças. Especificar materiais de qualidade de produção demasiado cedo apenas acrescenta custos e não ajuda muito na validação antecipada, porque os riscos nesta fase advêm principalmente da forma e do ajuste, e não da resistência.

Materiais de alto desempenho devem ser deixados para as etapas posteriores, para serem selecionados quando a forma e a montagem forem confirmadas como corretas e o teste de carga começar.

Engenharia e testes funcionais

Após a confirmação da forma básica, o foco dos testes muda para o desempenho real. Os alvos de teste comuns incluem:

• Resistência de montagem e integridade da saliência do parafuso
• Fluxo de ar e desempenho térmico
• Interação mecânica entre peças móveis
• Exposição ao calor perto de motores, drivers ou fontes de alimentação
• Dobradiças vivas, encaixes rápidos e ciclos repetidos
• Folga interna após a instalação dos componentes reais

O material deve corresponder ao alvo do teste. A resina padrão é suficiente para verificações dimensionais. Testes de queda ou suportes de suporte de carga precisam de PA12 de MJF ou SLS, náilon reforçado com fibra de vidro ou peças metálicas SLM. Quando a seleção do material corresponde ao objetivo do teste, o orçamento do protótipo pode ser concentrado nos testes que realmente necessitam desse desempenho.

Validação de pré-produção

Antes da fabricação do molde, muitas equipes usarão peças impressas em 3D novamente para mais uma rodada de validação. Isso inclui validação de montagem, testes de instalação, inspeção de embalagens, testes de usuários e produção experimental de baixo volume.

Os problemas estruturais encontrados nesta fase podem ser resolvidos modificando o modelo CAD. Se os mesmos problemas só aparecerem após a saída das primeiras amostras moldadas por injeção, será necessário modificar o molde. Isso custa um mês extra ou até mais.

Escolhendo o processo de impressão 3D correto

SLA para protótipos visuais detalhados

O SLA mantém bem as características finas e seu acabamento superficial é o melhor entre todos os processos. A espessura da camada é de cerca de 0,05 mm. O texto em relevo é claro e as bordas são nítidas. A superfície precisa de muito pouco pré-tratamento antes do primer e do acabamento.

Cenários adequados:

• Caixas de eletrônicos de consumo para análises de projeto
• Modelos de aparência para exposições e reuniões de investidores
• Pequenas peças finas, lentes, guias de luz, peças transparentes
• Exiba protótipos que precisam se parecer com produtos reais

A resina padrão é quebradiça e flutua sob exposição prolongada aos raios UV. Portanto, as peças SLA são usadas principalmente para inspeção dimensional e de aparência. Eles não são adequados para suportar cargas.

MJF e SLS para peças funcionais

MJF e SLS usam pó de náilon para formar peças. As peças possuem resistência isotrópica e podem ser utilizadas em caixas, suportes, encaixes de pressão, dutos de ar, coletores e acessórios de oficina.

• A MJF tem um desempenho uniforme em força, detalhe e capacidade de produção. Recursos finos reproduzem bem. A qualidade da superfície é consistente em todo o lote. Quanto mais peças embaladas na mesma câmara de construção, mais rápido o custo por peça cai.
• O SLS é bom para lidar com formas complexas e paredes finas. As peças PA12 podem ser usadas diretamente para testes funcionais, mesmo sem tratar a superfície impressa.

PA12 pode atender à maioria das necessidades funcionais. Quando precisar de maior rigidez e resistência ao calor, escolha material reforçado com fibra de vidro. Quando você tiver requisitos de retardante de chama, escolha um tipo de retardante de chama.

FDM para peças maiores e econômicas

A vantagem do FDM reside no grande tamanho e no baixo custo. Quando você precisa de uma caixa de 600 mm, painéis de gabinete de piso ou um conjunto completo de acessórios de montagem, a impressão com ABS, PC ou ASA custa muito menos do que os processos em pó.

Cenários de uso comuns:

• Caixas grandes e painéis de cobertura
• Gabaritos, acessórios e ferramentas de linha de produção
• Amostras de engenharia que não requerem alto acabamento superficial
• Iterações iniciais cuja geometria ainda não foi fixada e ainda será modificada posteriormente

Impressão 3D de metal para validação de alto desempenho

SLM pode imprimir liga de alumínio, aço inoxidável, aço para ferramentas e liga de titânio. Quando você precisa de protótipos para atingir o desempenho de peças metálicas de produção, o SLM é adequado. Por exemplo:

• Suportes metálicos de suporte de carga
• Peças resistentes ao calor perto de queimadores, motores ou vias de exaustão
• Canais de resfriamento conformados e passagens internas que as ferramentas de corte não conseguem usinar
• Estruturas leves e otimizadas para topologia

A impressão em metal tem um custo por peça mais elevado. Se os resultados dos testes dependerem do desempenho real do metal, o investimento vale a pena.

Quando a impressão 3D não é a melhor escolha

A impressão 3D é valiosa em alguns estágios de desenvolvimento, mas não é adequada para todos os estágios.

Produção de alto volume

Quando o volume anual excede vários milhares de peças, a moldagem por injeção ganha no custo unitário. O custo amortizado do molde mais um ciclo de moldagem de 30 segundos supera as peças de construção, camada por camada. Quando os clientes ultrapassam esse limite, dizemos-lhes honestamente.

Depois que o projeto é finalizado e entra na produção em massa de longo prazo, o custo unitário da moldagem por injeção é geralmente muito menor do que a impressão 3D. O investimento em moldes que parecia arriscado durante a fase de desenvolvimento pode ser estendido a uma faixa razoável quando o volume atinge vários milhares ou dezenas de milhares de peças.

Requisitos rigorosos de materiais de produção

Alguns produtos requerem materiais certificados específicos ou processos de produção específicos. A impressão 3D não pode replicá-los totalmente, como plásticos de uso médico ou materiais automotivos certificados.

Neste caso, os protótipos impressos em 3D ainda podem ser utilizados para verificar o projeto estrutural e a montagem, mas não podem representar totalmente o desempenho real dos materiais de produção certificados. Antes da aprovação final, você deve adicionar mais uma etapa para verificar o material de produção real.

Peças que Requerem Acabamento Especializado

Transparência óptica, acabamento espelhado, aparência Classe A e requisitos rígidos de rugosidade geralmente precisam de pós-processamento além do que a impressão 3D sozinha pode alcançar. Combinar a impressão 3D com o pós-processamento ou outros métodos de fabricação é a única maneira de chegar perto da aparência final.

Impressão 3D versus prototipagem tradicional

Pensamento final

Xunjie é um fabricante de impressão 3D com sede na China. Temos fábrica própria e oferecemos suporte a cinco processos: SLA, SLS, MJF, FDM e SLM. Envie um arquivo STEP ou STL e você receberá uma cotação e feedback DFM de nossos engenheiros dentro de 24 horas.

Desde um modelo conceitual único até um pequeno lote de 500 peças, a impressão, o pós-processamento e a inspeção são concluídos internamente. Envie-nos os seus desenhos e indicaremos a solução mais adequada.

Perguntas frequentes

1. A impressão 3D é econômica para produção de pequenos lotes?

Para quantidades de dezenas a cem ou duzentas peças, é bastante adequado. Não há custos de molde para distribuir e não há necessidade de manter estoque. Você pode simplesmente imprimir sob demanda. É especialmente bom para vendas experimentais ou peças funcionais.

2. Quais opções de pós-processamento a impressão 3D Xunjie oferece?

Oferecemos suporte para jateamento de areia, tingimento preto e de cores padrão, suavização de vapor, lixamento e pintura de acordo com códigos de cores RAL ou Pantone, revestimento transparente, galvanoplastia, inserções roscadas termofixadas, serigrafia e montagem simples. Diga-nos a aparência do alvo e recomendaremos uma solução de pós-processamento adequada.

3、 As peças impressas em 3D podem ser vendidas diretamente?

Sim, muitos gabinetes e acessórios já são enviados diretamente em pequenos lotes. Se os requisitos de superfície forem altos, um pouco de lixamento ou pintura será suficiente.