Rapid Prototyping: Meer vertrouwen en goedkoper voor OEM's

Waarom kiezen veel bedrijven ervoor om prototype ontwikkeling over te slaan en meteen over te gaan op matrijs ontwikkeling? Waarom zouden ze duizenden euro's en maanden ontwikkelingstijd riskeren? Voornamelijk om twee redenen:

1. Onderschatting van de kracht van rapid prototyping
2. Rapid prototyping wordt gezien als tijdrovend en kostenverhogend, in plaats van tijd- en kostenbesparend.
    

Elk van deze redenen hoeft geen probleem te zijn, mits correct behandeld. Hoe? Dat komt in deze gids aan de orde.

Laten we, voordat we ingaan op de misverstanden over rapid prototyping, eerst ontleden wat rapid prototyping precies is. In wezen kunt u met rapid prototyping een fysiek (schaal)model maken van een onderdeel of een eenheid. Dit doet u met behulp van een CAD-tekening en een methode zoals 3D-printen of CNC-productie om het onderdeel te maken.

De rapid in rapid prototyping verwijst naar de snelheid waarmee prototypes worden geproduceerd. Met behulp van verschillende producttechnieken kunt u snel prototypes maken en daarop itereren. Het maken van prototypes uit een matrijs kan weken duren, terwijl dat met rapid prototyping in enkele dagen kan.

Prototyping begint met het grondig bepalen van de behoeften voor het specifieke onderdeel en eventuele aangrenzende eisen. De prototypes worden vervolgens gebruikt om de aannames op papier te verifiëren met een echt model. U kunt eventuele fouten opsporen, herhalingen aanmaken en problemen oplossen. Dit helpt een robuust product te creëren en de eerste stappen te zetten naar een bekwaam productieproces.

Zoals gezegd vereist rapid prototyping in zijn meest elementaire vorm niet meer dan een CAD-tekening en een methode om het fysieke model te maken. Maar om het maximale uit rapid prototyping te halen, moet u een volledig overzicht hebben van de eisen die aan het onderdeel worden gesteld:

• Toepassing/functie van het product - U hebt bijvoorbeeld een product nodig in een vacuüm. Maar wat is een vacuüm en hoe genereer je dat vacuüm?
• Kritische aspecten van het product - Dit kan een lipafdichting zijn waarbij de lip onder een exacte hoek moet staan.
• Vereiste documentatie - Productinformatie, werkinstructies, enz.
• Normen en certificaten - Voedselkwaliteit, medisch, enz.
• Kwaliteitseisen - Oppervlakte afwerking, kleurtype en consistentie. 1 op de 1000 producten kan een defect hebben.
• Leveringseisen - Hoe zorgt u voor een foutloze levering?
   

Het verzamelen van deze vereisten helpt u om het concept van rapid prototyping optimaal te benutten en het werkelijke doel van deze techniek te bereiken. Met de tekening kunt u het prototype maken, terwijl u met de eisen het prototype kunt verifiëren. Het is belangrijk om te onthouden dat een tekening een samenvatting is van alle keuzes en veronderstellingen die gemaakt zijn bij het ontwerpen van het onderdeel. Tekeningen vermelden de meeste hiervan vaak niet. De vereisten wel.

Om de kracht van rapid prototyping echt te begrijpen, moet u eerst naar Design for Six Sigma kijken. Een ontwerpfilosofie gericht op het maximaliseren van de productkwaliteit en het minimaliseren van fouten en time-to-market. DfSS wordt in verschillende stappen uitgevoerd:

1. Identificeren van problemen in het ontwerp van de machine of het onderdeel, terwijl alle eisen, vereisten en invloeden van het onderdeel worden vastgelegd.
2. Het gebruik van simulaties, zoals Finite Element Analysis door middel van computersimulaties.
3. Prototypes ontwikkelen en herhalen met behulp van rapid prototyping.
4. Een 0-serie maken om het productieproces te testen.
5. De serieproductie starten met het vertrouwen dat uw onderdelen en proces aan de eisen voldoen.
    

Door prototypes te ontwikkelen, hun vorm en functie te valideren en herhalingen uit te voeren, gaat u met vertrouwen de 0-serie fase in. Vertrouwen dat u alle kritieke of opvallende problemen hebt opgelost.

Rapid prototyping is dus geen doel op zich. Het is een middel om een doel te bereiken. Het doel is een product te leveren dat aan 3 criteria voldoet:

1. Hoge kwaliteit. Om aan de kwaliteitsnormen te voldoen, moet het product binnen de kwaliteitsparameters vallen. Parameters die vaak een verhouding van 1:10.000 of zelfs 1:100.000 vereisen als het gaat om productfouten.
2. Op tijd. Ja, rapid prototyping kost tijd, maar minder tijd dan eerst een matrijs ontwikkelen om prototypes te leveren. Het is een kwestie van 1 week versus 2-3 maanden. Tegelijkertijd kost het vinden en elimineren van fouten minder tijd in deze fase van het ontwikkelingsproces dan wanneer u een 0-serie produceert of in volle productie bent.
3. Goedkoop. Terwijl een enkel prototype ongeveer 500 euro kost, kost een matrijs al gauw 25.000 tot 300.000 euro. Bovendien is het herstellen van fouten veel goedkoper tijdens de ontwikkeling van het prototype dan tijdens de productie, omdat er minder herstelwerk nodig is.
    

Hoe dichter u bij de lancering van een nieuw product komt, hoe groter de inspanning wordt om eventuele problemen op te lossen. Na de lancering wordt de inspanning nog groter. Het vroegtijdig opsporen en corrigeren van deze problemen is essentieel om later vertragingen en extra kosten te voorkomen.

Rapid prototyping wordt vaak onderschat, vanwege de perceptie ervan. Voor veel mensen is rapid prototyping synoniem aan 3D-printen. U gebruikt een CAD-tekening van uw onderdeel om een 3D-print te maken, en die 3D-print is ongeveer nauwkeurig genoeg om de vorm te testen. U gebruikt een CAD-tekening van uw onderdeel om een 3D-print te maken, en die 3D-print is ongeveer nauwkeurig genoeg om de vorm te testen.

• Een manier om vorm en functie te testen.
• Een kans om de kosten en eigendomskosten (TCO) te verlagen.
• Een kans om verbeteringen in het productieproces te identificeren.

Het testen van de vorm is een integraal onderdeel van rapid prototyping. Testen op pasvorm is een van de belangrijkste voordelen van het maken van een prototype. Naast de pasvorm valideert de testvorm ook of een product eruit ziet zoals u het bedoeld had en of u het kunt installeren.

Het prototype maakt van een tekening een echt product. Een tekening is niet tastbaar, een prototype wel.

Functietesten zijn een recente ontwikkeling, vooral als het gaat om 3D-printen. Dit is een enorme sprong voorwaarts in de toepasbaarheid van rapid prototyping. Hiermee kunt u mechanische en dynamische aspecten van een product testen voordat u overgaat tot matrijsontwikkeling.

Vooral bij materialen die gevoelig zijn voor milieu-invloeden is het testen van de mechanische eigenschappen van cruciaal belang. Denk aan siliconen, wanneer dit in contact komt met bepaalde materialen kan het zijn mechanische eigenschappen verliezen. Als u een siliconenafdichting met een slechte chemische weerstand gebruikt, krijgt u te maken met lekken, storingen en duur herstelwerk. De mogelijkheid om het materiaal zelf te testen, biedt zekerheid vooraf.

Rapid prototyping maakt tests mogelijk, zoals:

• Materiaaltesten
• Sterktetesten
• Procestesten (kunnen we dit produceren?)
• Krachttesten
• Dempingstesten voor trillingsdempers
   

Elk van deze methoden dient als een manier om de kwaliteit van uw product te valideren, fouten te vinden en deze op een tijd- en kostenefficiënte manier te herstellen.

Fouten voorkomen betekent kosten voorkomen, maar rapid prototyping doet meer dan alleen kosten voorkomen. Het kan bijvoorbeeld een manier zijn om de productiekosten actief te verlagen:

• Test een goedkoper materiaal om te zien of dit een geldig alternatief is.
• Het ontwerp wijzigen om minder materiaal te gebruiken en toch de vereiste functionele eigenschappen te genereren.
• De vorm van het product optimaliseren, om de complexiteit en de kosten van de matrijs te verminderen.
   

Hoewel deze kostenbesparingen mogelijk zijn zonder het gebruik van rapid prototyping, kunt u met een prototype deze beslissingen verifiëren. Minder materiaal gebruiken kan een groot risico vormen als u niet test of het product nog functioneert. Met een prototype kunt u op een weinig riskante manier de grens vinden, zonder deze te overschrijden.

De belangrijkste focus van rapid prototyping is het valideren van het product. Maar het kan ook worden gebruikt om het productieproces te verbeteren. De verbeteringen komen in 2 vormen: het opruimen van versperringen en het vinden van optimalisaties. Een echt voorbeeld van een versperring is een lasrobot die de lasnaad niet kon bereiken vanwege de constructie van de slang die hij moest lassen.

Aan de verbeteringskant kunt u met een prototype vragen beantwoorden als:

• Kunnen we onnodige stappen in de productie verwijderen?
• Kunnen we afzonderlijke onderdelen combineren tot één onderdeel?

Het tweede misverstand is dat rapid prototyping wordt gezien als tijdrovend en kostenverhogend, in plaats van tijd- en kostenbesparend. Dit kan niet verder van de waarheid afliggen. Bij het maken van een onderdeel dat met een matrijs moet worden geproduceerd, is rapid prototyping de aangewezen weg. Een prototype voorkomt dat u een matrijs opnieuw moet maken, wat u weken en duizenden euro's kost. Een prototype dat niet aan uw criteria voldoet, kost u hooguit een week.

Mensen die rapid prototyping zien als tijdrovend, zullen wijzen op het feit dat er extra ontwikkelingstijd en geld mee gemoeid is. Hoewel dit waar kan zijn, creëert het een valse tweedeling. Niet vooraf investeren kan later tot veel hogere kosten leiden. Elke ingenieur weet dat het elimineren van fouten in een machine tijdrovender en duurder wordt naarmate je verder in het ontwikkelingsproces komt. Laten we het niet hebben over de tijd en moeite van het herwerken na de lancering.

Bij het berekenen van de kosten van rapid prototyping worden de 'verborgen kosten' van het niet prototypen vaak vergeten. Een prototype is een fractie van de kosten die worden gemaakt als u de uren berekent die worden besteed aan rework, laat staan de gemiste of vertraagde inkomsten door gemiste release deadlines.

Het verifiëren van een product door middel van rapid prototyping vermindert drastisch de kans op latere nabewerkingen. Het geeft vertrouwen in uw ontwerp, voorkomt een langere time-to-market en verlaagt de kosten. Het is niet voor niets dat elke grote OEM gebruik maakt van rapid prototyping, van autofabrikanten zoals Volkswagen tot halfgeleiderbedrijven, zoals ASML. Zelfs in de MRO-wereld wordt rapid prototyping steeds gebruikelijker. Wanneer een drankenproducent als Heineken een nieuwe flesvorm introduceert, test hij eerst zijn productielijnen met prototypes van de uiteindelijke fles.

Wanneer het prototype stabiel is op de kritische criteria, bent u klaar om verder te gaan. Wilt u antwoord op de vraag: zal dit product doen wat u wilt in de vorm waarin u het hebt ontworpen? Tegelijkertijd moet u ook kijken naar het productieproces.

Het vervolg op rapid prototyping is de 0-serie. Hier maakt u een demomatrijs die wordt gebruikt om het productieproces van de onderdelen te testen. Deze demomatrijs is vaak gemaakt van een materiaal dat lang genoeg meegaat om de 0-serie af te maken, maar niet robuust genoeg is om in serieproductie te worden gebruikt. En terwijl rapid prototyping productgericht is, is de 0-serie zeer procesgericht.

Met de optimalisaties die u tijdens de rapid prototyping-fase hebt aangebracht, kunt u vol vertrouwen verdergaan. In het vertrouwen dat er geen verrassingen zullen zijn wat betreft de vorm en functie van het onderdeel. U weet zeker dat u niet te maken krijgt met rework of vertragingen door onvoorziene problemen met uw component. U kunt erop vertrouwen dat de 0-serie eruit komt zoals u wilt, zonder productfouten die u weken of maanden terugzetten.

En dat is uiteindelijk waar het bij rapid prototyping om gaat: vertrouwen ontwikkelen in uw product en proces.

Rapid prototyping is het proces van het maken van een tastbaar product en stelt u in staat dingen te zien die u op een tekening niet ziet. Het prototype moet het eindproduct zo goed mogelijk weergeven, zo snel mogelijk in de ontwikkeling. Zo krijgt u feedback over de technische aspecten van het product.

Het gaat er ook om dat u gewoon begrijpt wat u precies doet en wat de gevolgen zijn van bepaalde ontwerpkeuzes.

Nee, rapid prototyping kan worden uitgevoerd met 3D-printen, maar 3D printen is niet de enige methode om prototypes te maken. Tegelijkertijd zijn niet alle 3D-geprinte onderdelen snelle prototypes.

De belangrijkste vormen van rapid prototyping zijn:

• Additieve productie/3D-printing
• CNC-bewerking
• Plotten en snijden
• Vacuümvormen - U maakt eerst het contradeel met 3D-printing en vervolgens met vacuümvormen het onderdeel.

Om een prototype te maken waarmee u zowel de vorm als de functie kunt testen, moet u het produceren in het uiteindelijke materiaal. Dit kan met de volgende materialen:

• Elastomeren
• Kunststoffen
• Metalen
• Keramiek
• Vezelversterkte materialen
   

Deze laatste is een relatief nieuwe techniek. Met koolstofvezel en een CNC-machine kunt u een prototype maken dat 80% van de sterkte van een eindproduct bereikt.