Materialen voor snelle prototyping: soorten, voordelen en selectiegids

Materialen voor snelle prototyping

De basis voor de prestaties van een prototype ligt in het juiste materiaal. Snelle prototyping Hiermee kan een digitaal ontwerp snel worden omgezet in een fysiek onderdeel, maar het gebruik van het verkeerde materiaal voor rapid prototyping kan het validatieproces bemoeilijken en leiden tot kostbaar herstelwerk. 

De beschikbare materialen omvatten metalen, kunststoffen, harsen, keramiek, composieten, biomaterialen, was en papier & poeder. Ingenieurs gebruiken deze materialen om visuele en functionele modellen te ontwikkelen ter voorbereiding op de volledige productie. Fabrikanten die de deadlines willen halen en waarde willen bieden aan hun klanten, kunnen zich geen prototype veroorloven dat het gewenste onderdeel niet goed weergeeft of dat bij de geringste belasting al bezwijkt. 

Van stijve composieten tot bewerkbare kunststoffen, elk materiaal voor rapid prototyping dient een specifieke fase in het productontwikkelingsproces. Het juiste materiaal bevordert niet alleen ontwerpiteraties en helpt de kosten te beheersen, maar wekt ook de interesse van belanghebbenden. 

Met de gedetailleerde materiaalkeuze in deze handleiding leert u meer over de mogelijkheden, voordelen en beperkingen van elke categorie. Dit helpt u bij het kiezen van het juiste materiaal voor uw prototype in uw volgende project. 

Wat is snelle prototyping?

Rapid prototyping is een productietechniek waarmee een digitaal ontwerp snel wordt omgezet in een fysiek onderdeel. Deze techniek vermijdt de lange doorlooptijd en de kosten die gepaard gaan met conventionele gereedschappen. 

In de kern bestaat rapid prototyping uit vijf fasen;

Snelle prototypingfasen

Populaire snelle prototypingprocessen zijn onder andere plaatbewerking, CNC-bewerking, 3D-printen en spuitgieten met goedkope gereedschappen. Fabrikanten gebruiken visuele en functionele modellen uit rapid prototyping om vorm, pasvorm en functie te testen. Dit is een belangrijke stap vóór de volledige productie. 

Voordelen van Rapid Prototyping

Rapid prototyping overbrugt de kloof tussen een concept en een fysiek product. De zakelijke voordelen die dit oplevert, zijn onder andere een snellere marktintroductie, kostenefficiëntie, kwaliteit, testen en validatie, maatwerk, duurzaamheid en betere communicatie.

Metalen prototypes

De drie meest gebruikte metalen voor rapid prototyping zijn aluminium, roestvrij staal en titanium. Prototyping van metaal Het biedt voordelen zoals hittebestendigheid, duurzaamheid en sterkte. 

Hieronder wordt uitgelegd hoe elk van deze metalen voor snelle prototyping in projecten past. 

Aluminium metalen prototypes 

Redenen waarom aluminium een ​​topkeuze is voor materiaal voor snelle prototyping zijn onder andere de uitstekende bewerkbaarheid, de relatief lage kosten, de corrosiebestendigheid en een hoge sterkte-gewichtsverhouding van maximaal 1.8.3]

Aluminium prototype

Ingenieurs vertrouwen vaak op geëxtrudeerd aluminium dat is vervaardigd volgens de ASTM B221-normen voor consistente maattoleranties en mechanische prestaties.2]

Roestvrijstalen metalen prototypes

Prototypes van roestvrij staal worden gebruikt wanneer het onderdeel bestand moet zijn tegen corrosie, herhaalde mechanische belasting en over het algemeen zware omstandigheden. Door de hogere sterkte van roestvrij staal moet u rekening houden met meer gereedschapslijtage en een langere bewerkingstijd. 

Titanium metalen prototypes 

Deze metalen prototypes bieden prestaties die door andere metalen niet geëvenaard worden op het gebied van biocompatibiliteit, corrosiebestendigheid en sterkte-gewichtsverhouding. De prototypes worden veelvuldig toegepast in de lucht- en ruimtevaart en de medische industrie.

Medisch prototype van titanium

Omdat titanium relatief traag te bewerken en duur is, is het begrijpelijk dat het vooral wordt gebruikt voor prototypes die gericht zijn op validatie. Prototypes in een vroeg stadium kunnen beter worden vervaardigd uit minder hoogwaardige materialen die betaalbaarder en gemakkelijker te bewerken zijn. 

Prototyping van kunststof

De vijf meest gebruikte opties in prototypen van kunststofproducten zijn polycarbonaat (PC), poly(methylmethacrylaat) (PMMA), acrylonitril-butadieen-styreen (ABS), polypropyleen (PP) en polystyreen (PS).4]

Er zijn twee redenen waarom kunststoffen de meest gebruikte materialen zijn bij rapid prototyping: de beschikbaarheid in verschillende kwaliteiten en het gemak waarmee ze te bewerken zijn. 

Polycarbonaat (PC) kunststof prototyping

Een van de meest opvallende eigenschappen van PC is de uitstekende slagvastheid. Bovendien is het materiaal van nature transparant en biedt het uitzonderlijke prestaties met een breed bedrijfstemperatuurbereik (-30°C tot 120°C).5]

Poly(methylmethacrylaat) (PMMA) kunststof prototyping

Dit is een glasachtig acrylmateriaal; het wordt vaak gebruikt als glasvervanger bij het prototypen van kunststof. Het heeft een uitstekende optische helderheid. Het is mogelijk brosser dan polycarbonaat (PC), maar dankzij de goede weer- en UV-bestendigheid is het nog steeds geschikt voor snelle prototyping buitenshuis. 

Acrylonitril-butadieen-styreen (ABS) kunststof prototyping

ABS-kunststof prototype

ABS is een favoriet materiaal van fabrikanten voor functionele prototypes vanwege de uitstekende bewerkbaarheid, sterkte en kosteneffectiviteit. Net als PC heeft ABS een goede slagvastheid. Dit voordelige materiaal is bovendien gemakkelijk te bewerken en 3D-printen. En dat alles met een consistente oppervlakteafwerking. 

Polypropyleen (PP) kunststof prototyping

Polypropyleen heeft een hoge vermoeiingsweerstand, wat nodig is voor klikverbindingen en scharnieren. De goede chemische bestendigheid is ook belangrijk bij snelle prototyping van onderdelen die bestemd zijn voor veeleisende omgevingen. Een aandachtspunt bij dit plastic is de lagere dimensionale stabiliteit in vergelijking met PC of ABS. 

Polystyreen (PS) kunststof prototyping

Door de kosteneffectiviteit en het gemakkelijke verwerkingsproces is PS een perfect materiaal voor prototypes in een vroeg stadium. De broze aard van het materiaal maakt het echter ongeschikt voor mechanische validatietoepassingen. Ingenieurs geven er de voorkeur aan het te gebruiken in projecten waarbij vorm en pasvorm centraal staan. 

Typische eigenschappen van veelgebruikte kunststoffen voor prototyping

De volgende tabel toont de typische eigenschappen van veelgebruikte kunststoffen voor prototyping. 

[4]

Harsen voor snelle prototyping

Harsen bieden nauwe toleranties en fijne oppervlakteafwerkingen die metalen of kunststoffen niet kunnen evenaren. Of het nu gaat om DLP of SLA, de specifieke redenen waarom een ​​fabrikant voor harsen kan kiezen bij rapid prototyping zijn:

• Vereiste voor gedetailleerde visuele modellen
• Hoge maatnauwkeurigheid en fijne oppervlakteafwerking
• Eisen voor speciale formuleringen – standaard, flexibel, gietbaar en andere

De harsen die voor snelle prototyping worden gebruikt, zijn echter ongeschikt voor functionele prototypes vanwege hun UV-gevoeligheid en broosheid.

Keramiek voor snelle prototyping

Keramiek leent zich uitstekend voor prototypes wanneer het ontwerp moet voldoen aan eisen op het gebied van isolatie en extreme hittebestendigheid. De temperatuurlimiet ligt hoger dan wat de meeste kunststoffen of metalen kunnen verdragen. 

Keramische prototypes zijn niet de beste optie als je op zoek bent naar mechanische sterkte. 

Keramisch prototype

Composieten voor snelle prototyping

Composieten zijn sterk en stijf, maar niet zo zwaar als massief metaal. De mogelijkheden voor koolstofvezelprototyping Andere toepassingen voor snelle prototyping zijn onder andere mengsels van gehakte koolstofvezels en polyurethaan, met koolstofvezels versterkt nylon en met glasparels/glasvezels gevulde polymeren;

• Gehakte koolstof/polyurethaanmengsels
• Met koolstofvezel versterkt nylon
• Polymeren gevuld met glaskralen/glasvezels

Prototypen van koolstofvezel Het materiaal heeft met name de voorkeur voor zeer sterke, lichtgewicht prototypes. 

Biomaterialen voor snelle prototyping

Biomaterialen winnen steeds meer terrein in de snelle prototyping. Het belangrijkste voordeel van deze materialen voor snelle prototyping is de verminderde impact op het milieu. 

Enkele kenmerken van biomaterialen bij rapid prototyping:

• Ideaal voor conceptmodellen.
• Een lagere milieubelasting dan kunststoffen op basis van aardolie.
• Slechte mechanische sterkte en hittebestendigheid 

Voorbeelden van biomaterialen zijn biobased PA en PLA. 

Was voor snelle prototyping

Was is hét onmisbare materiaal voor het maken van gietvormen voor precisiegieten. De belangrijkste redenen waarom het zo'n gewaardeerd materiaal is voor snelle prototyping, zijn het vermogen om schoon uit te branden en de uitstekende oppervlakteafwerking die het oplevert. De broosheid van was maakt het materiaal echter ongeschikt voor functionele prototypes. Maar we zijn het er allemaal over eens dat het helpt om snel gegoten metalen onderdelen te maken. 

Papier en poeder voor snelle prototyping

De rol van dit materiaal bij rapid prototyping is beperkt, maar het is er wel degelijk. Het is een snelle en kosteneffectieve manier om visuele modellen te maken voor vroege prototypingdoeleinden. Omdat de mechanische sterkte van dergelijke modellen beperkt is, zijn ze geen optie voor functionele prototypes.

Probeer Prolean nu!

De voor- en nadelen van materialen voor rapid prototyping 

De volgende tabel geeft een overzicht van de voor- en nadelen van rapid prototyping voor verschillende materialen. Deze variëren van hoge sterkte versus hoge kosten voor metalen tot een lagere milieubelasting versus lage sterkte voor biomaterialen. 

Aandachtspunten bij de keuze van materialen voor rapid prototyping 

Bij de materiaalkeuze in de prototypefase zijn de volgende factoren het overwegen waard: snelheid, functionaliteit, kosten, oppervlakteafwerking, blootstelling aan de omgeving en mechanische belasting.  

• Snelheid De snelheid waarmee een materiaal wordt ingekocht, bewerkt, bedrukt of spuitgegoten, is een van de bepalende factoren voor het aantal ontwerpiteraties dat een team kan uitvoeren.  
• Functionaliteit Hoewel het uiterlijk van het prototype cruciaal is, moet het materiaal ook de daadwerkelijke prestaties van het onderdeel na de productie nabootsen. 
• Kosten – De materiaal- en verwerkingskosten moeten aansluiten bij het doel van het prototype. Het gebruik van productieklaar materiaal in de prototypefase is doorgaans niet nodig. 
• Oppervlaktebehandeling Sommige prototypes vereisen een productierijp uiterlijk, andere niet. Als de beoordelaar of belanghebbende het prototype vereist, is het beter om aan te dringen op materialen die een overeenkomende oppervlakteafwerking mogelijk maken. 
• Blootstelling aan het milieu – Chemische stoffen, luchtvochtigheid, zoutgehalte en dergelijke factoren kenmerken de omstandigheden in de praktijk. Het prototypemateriaal moet, waar van toepassing, bestand zijn tegen deze omstandigheden. 

Omgevingsomstandigheden zijn van belang

• Mechanische spanning – Het daadwerkelijke gebruik van een prototype betekent dat het wordt blootgesteld aan mechanische krachten. Het materiaal voor een functioneel prototype moet aan deze eisen voldoen. 

Materiaalselectie voor snelle prototyping op basis van doel: een tabelanalyse

De onderstaande tabel toont de aanbevolen materialen voor rapid prototyping, gebaseerd op het beoogde doel. 

*Kies voor polycarbonaat (PC) of titanium in plaats van materialen met slechts één functie als uw onderdelen zowel mechanische als thermische validatie vereisen. 

Prototypeprocessen voor verschillende materialen

De belangrijkste processen die de snelheid en kosten van een prototype bepalen, zijn CNC-bewerking, spuitgieten, 3D-printen en plaatbewerking. Maar hoe verhouden deze methoden zich tot materialen voor rapid prototyping?  

CNC Machining

CNC-bewerking is een betrouwbare methode voor het verwerken van materialen voor rapid prototyping vanwege de hoge compatibiliteit met een breed scala aan materialen. Het is bovendien relatief snel, wat perfect aansluit bij de snelheidseisen voor prototyping. 

De stappen voor het prototypen met behulp van CNC-bewerking zijn:

• Stap 1: Ontwerpideeën
• Stap 23D-bestandsproductie
• Stap 3: Identificatie van het specifieke CNC-proces – draaien, frezen, boren, enz.
• Stap 4CNC-programmering
• Stap 5: Prototyping 
• Stap 6: Testen 

CNC-prototypebewerking

Injection Molding 

Spuitgieten is een validatiemethode voor kunststofonderdelen die bestemd zijn voor massaproductie. Het wordt voornamelijk gebruikt om de prestaties van het spuitgietproces en de geschiktheid van productiematerialen te testen. Prototypematrijzen zijn doorgaans minder duur dan productiematrijzen. Ze kunnen van aluminium worden gemaakt. 

3D afdrukken

3D-printen is aantrekkelijk vanwege de snelheid en het vermogen om complexe geometrische vormen te verwerken zonder speciaal gereedschap. Het is geschikt voor een breed scala aan kunststoffen, composieten en harsen. Hoewel sommige 3D-geprinte componenten aan de mechanische eisen van productiemodellen kunnen voldoen, kiezen fabrikanten doorgaans voor 3D-printen voor snelle prototyping. 

Sheet Metal Fabrication

Fabricage van plaatwerk

Plaatbewerking is nuttig bij het maken van prototypes voor onderdelen zoals behuizingen, panelen en beugels. Net als bij de uiteindelijke productie van onderdelen worden processen zoals snijden en buigen gebruikt. 

Probeer Prolean nu!

Toekomstige trends voor materialen voor snelle prototyping 

De kloof tussen prototype en eindproduct wordt kleiner dankzij vooruitgang in de materiaalkunde. Flexibele harsen, biologisch afbreekbare kunststoffen, moderne composieten en Lichtere ontwerpen en duurzame prototypes kenmerken de volgende generatie materialen voor snelle prototyping. 

• Flexibele harsen DLP- en SLA-printing kenmerken zich door broosheid, maar moderne harssoorten zijn flexibeler. 
• Biologisch afbreekbare kunststoffen Door de toenemende druk op het gebied van duurzaamheid komen er steeds sterkere en hittebestendigere biologisch afbreekbare kunststoffen beschikbaar voor de productie. 
• Moderne composieten – Dankzij moderne, met polymeer gevulde en vezelversterkte materialen is het verschil tussen prototypes en productieklare onderdelen nu kleiner. 
• Lichtere ontwerpen en duurzame prototypes Over het algemeen worden materialen voor rapid prototyping steeds geschikter voor functionele tests, waarbij sterkere ontwerpen met een hogere sterkte-gewichtsverhouding steeds vaker voorkomen.

Conclusie 

Het materiaal dat je gebruikt, kan het uiterlijk en de prestaties van het prototype bepalen. De snelheid van de iteraties en de gelijkenis met het uiteindelijke product hangen nauw samen met deze materiaalkeuze. Aluminium, roestvrij staal en andere metalen bieden de mechanische sterkte die nodig is voor functionele prototypes. Kunststoffen zoals PS en ABS bieden een unieke combinatie van bewerkbaarheid en kosteneffectiviteit. Ingenieurs kiezen voor harsen en composieten voor respectievelijk zeer nauwkeurige en specialistische projecten. 

De kern van de zaak is dat er veel mogelijkheden zijn en dat je de functie van het prototype moet afstemmen op de materiaalkeuze. Wanneer u de overgang van een idee naar een onderdeel plant, dan is onze snelle prototyping services Wij bieden u het nodige advies over materiaalkeuze en meer. Upload het ontwerpbestand en u ontvangt binnen 24 uur een gratis offerte. 

Informatiebronnen 

[1]https://irp-cdn.multiscreensite.com/c0227285/files/uploaded/Polycarbonate%20Sheet%20Extruded%20-%20clear%20Edited.pdf

[2]https://store.astm.org/b0221m-13.html

[3]https://www.researchgate.net/publication/327805143_Failure_predictions_in_warm_forming_of_7075-T6_aluminum_structural_parts

[4]https://kunststoff-profi.de/en/materials/

[5]https://www.directplastics.co.uk/data-sheets