RP技术:加快原型开发和制造的速度

作者:Lilli Manolis Sherman 文章来源:PT《现代塑料》2014年第9期 发布时间:2014-09-19
RP技术的诞生满足了模塑商们快速获得概念沟通模型的需求.随着技术的不断发展,如今的RP技术已经成为了一种覆盖产品设计,研发和制造的先进技术.三家有远见的订制模塑商投资了此项技术,本文将以他们的亲身实践为基础,介绍这种先进技术带来的优势.

RP技术的诞生满足了模塑商们快速获得概念沟通模型的需求。随着技术的不断发展,如今的RP技术已经成为了一种覆盖产品设计、研发和制造的先进技术。三家有远见的订制模塑商投资了此项技术,本文将以他们的亲身实践为基础,介绍这种先进技术带来的优势。

三家有远见的订制模塑商——Spectrum Plastics Group(以下简称“Spectrum”)、Thogus Products(以下简称“Thogus”)和Currier Plastics(以下简称“Currier”),投资了一种常被称为“快速成型(rapid prototyping,RP)”的技术,以简化其生产,加强新产品的开发力度,并扩大客户群。与以往采取的解决方案相比,此方法更具成本效益。

RP技术诞生于20世纪80年代后期,是基于材料堆积法的一种新型技术,被认为是近20年来制造领域的一项重大成果。2009年,美国ASTM专门成立了F42委员会,将各种RP技术统称为“增材制造(additive manufacturing,AM)”技术。

通过内部使用RP/AM技术,这三家模塑商以亲身实践证明了这是一种在未来可能被其他许多模塑商所采用的新方法。

作为模塑商,Spectrum和Thogus也经营自己的RP/AM业务。Spectrum的RP/AM能力和采用此技术制造注塑模具的能力通过其在2008年收购Dynacept公司、新Dynaclass快转模具系统以及一家原型开发服务办事处Protogenic等一系列举措后得到了进一步增强。Dynacept公司专门从事RP、快转成型或制造(QTM)。2012年,Dynacept公司的 QTM业务被转移到Spectrum位于康涅狄格州安索尼亚的工厂(该工厂是一家提供全方位服务的模塑商和模具制造商)中,其RP业务也与科罗拉多州的Protogenic业务相结合。

几年前,Thogus在购买第一台Stratasys FDM(熔融沉积建模)系统后,感受到了对RP/AM需求的增加。

2011年,该公司总裁Matt Hlavin建立了一家独立的RP/AM公司——rp+m,设在Thogus的工厂内。

Spectrum和Thogus的市场主要集中于医疗卫生和医疗设备领域。Spectrum安索尼亚工厂的高级技术顾问Tim Erwin把公司30%左右的业务定位于此领域,而航空航天/国防约占50%的比例,其更小的一块业务部分涵盖了从汽车到照明等领域,称为“精确工业”。

另外,Thogus还服务于消费品、电子产品、工业、食品饮料、草坪与花园以及管道市场。Hlavin预计,在未来5年中,公司医疗市场业务所占比例将增长到60%以上,且他相信AM技术在医疗器械开发中有很大的潜力。

第三家模塑商Currier是一家组合件订制注塑商和吹塑商,在RP的使用方面仍是新手。该公司在初次研发专利产品时(从10个数字打印原型到最终设计出PerfectSit腰部支撑座椅装置)获得了使用此技术的重要经验。

Currier首次接触RP是通过一家外部服务办事处,尽管如此,这次经验依然让该公司愿意购买属于自己的RP设备。自从2012年购买了一台Objet 30 3D数码打印机以来,该公司在经验和业务拓展方面已经取得了很大进步。

Spectrum

Spectrum宣布决定收购两家RP/AM公司时,其营销主管Tim Nakari说:“我们被要求为产品开发和生产过程提供更多价值,而并非只提供零部件。在产品开发过程中,我们的客户需要一个合作伙伴,能提供设计反馈、物理原型以及在全尺寸模具与成型之前的一些‘纽带式’生产解决方案,这正是我们为客户提供的服务。这种附加服务与众不同,我们通过将快转模具(Quick-Turn tooling)和生产级模具相结合,使我们的工作变得独一无二。”

快转模具之所以如此命名是因为与多腔模具的生产相比,它的交货时间更短,且能确保理想的质量,并以此作为一个“纽带式”模具用于有限的生产,直至生产模具制造完成。

Spectrum团队的Tim Erwin说:“公司原有的业务计划是将不同的塑料企业合并为一个从产品设计咨询、指导到生产服务(成型、装饰、装配、包装和无检查入货)的完整服务体系。RP业务是我们使用的一种重要工具,但我们并不打算成为RP服务的供应商。”

“许多企业需要基本技术上的帮助,特别是在塑料部件设计和材料指导方面。他们的很多概念没有基于共同和成熟的塑料设计原则,在此情况下,耐心地解释为什么一个产品不能成型,有助于引导客户更贴近可实际成型和制造的产品。” Tim Erwin补充说。

通常,这需要一定的费用,但并非总是如此。与一个提供全方位服务的供应商进行合作,客户能把这个成本融入到解决方案中。Erwin特别提到:“这是一个非常敏感的领域,如果不够警觉,很容易上当受骗。因为客户喜欢免费的东西,有时希望先获得设计变更的建议,使他们能从多家供应商处获得对等的报价,这种情况值得注意。但是,如果能避免这些陷阱,那么集成的RP便成为一种对完整的工程服务进行报价的功能强大的销售工具。”

Erwin非常重视设计过程中的RP值,特别是与那些看起来对部件没有太多准确概念的客户打交道时。他解释说:“RP部件会先为这些客户展示部件的外观。此技术对形成部件的外观模型有重要作用,同时也有助于促进合同的签订。我们已访问了潜在客户,检查了他们的设计,并提出了建议,还与他们的团队首次进行了面对面的会谈。为客户制作出一套立体3D模型(免费),可使他们看到并触摸到自己的产品,这是达成合作协议的有效方式。内部RP使这项工作变得容易,且不会花费很多费用。”

许多客户使用RP部件进行产品测试,对此,Spectrum团队将提供悉心的指导,因为RP部件没有复制注塑件的性能,所以不恰当的测试可能会使一项原本十分出色的设计无法得到理想的测试结果。

Spectrum还采用用于固定装置设计(装配、超声波焊接和热熔)的立体光固化成型(SLA)来实现产品开发时间上的突破。Erwin表示,他们的团队能将固定装置的制造时间从数周缩短到几小时,真正压缩了产品的开发周期。

“决定是否采用注塑成型或是否使用RP/AM取决于客户的需求和预期的最终用途。通常,材料是第一个决定准则。如果要采用一种特定的材料,如PEEK(聚醚醚酮)、可植入医用树脂或一种特定的工程塑料,那么快转模具和成型可能是合理选择。如果产品的数量要求非常低,那么数控加工是一个可行的选择。所以我们将数量作为确定最佳解决方案的第二个因素。”Nakari说,“在开发阶段,如果材料是一个灵活、可变的因素,那么Spectrum团队将考虑其他的RP方法,如SLA、3D打印、SLS或铸塑有机硅(或氨基甲酸乙酯)等,成本、力学性能和外观都要进行考虑。”

Thogus

随着两家新公司——rp+m和Jalex医疗公司的成立,Thogus正继续发展,并对自身进行重新定义。该公司市场营销经理Dana Foster介绍说:“我们已经进行了一段时间的努力,以获得内部RP/AM的能力。我们的总裁Matt Hlavin已经关注了Stratasys公司10年,并看到了AM为我们客户增加的价值。客户在投资模具前,就可触摸和感受他们的部件。不仅如此,RP/AM还能使我们轻松检验部件设计是否有问题,或者应该如何针对可制造性对部件进行重新设计。”

目前,Thogus的rp+m公司有6台Stratasys FDM机器和一台Objet Connex500喷墨式3D打印机。从一开始,该公司就看到了Stratasys公司所提供的材料(ABS、PC、PC/ABS及PPSU等)的价值,所以如今能够为客户提供概念构思、功能原型、原型模具、臂端工装和最终生产等方面的服务。

针对RP/AM的局限性,工程经理Patrick Gannon说:“我们最大的挑战是扩大能够加工的材料范围,包括一些我们在成型中运行的更加高度工程化的类型。现在,在应对这个挑战的过程中,我们超越了由Stratasys公司提供的材料种类,并帮助他们开发新材料。”rp+m公司与Dayton大学研究所、PolyOne公司、Stratasys公司以及GE航空集团一同获得了俄亥俄Third Frontier拨款,继续开发用于AM的新材料。

Gannon介绍说:“一个部件是否适合于AM,包括部件的尺寸、数量、质量和时间安排等方面的要求,我们没有一个简单的公式来确定这一点。如果一个客户来到我们这里成型小批量的部件,我们总是要分析对他们而言RP/AM技术是否是一种更经济的选择。”

Currier

2012年4月,该公司引进了一台Objet 30桌面3D打印机,该设备可以用类似ABS和PP的材料制备原型。据商业开发副总裁Max Leone介绍,这项采购背后的关键推动力是公司正越来越多地使用外部的RP服务。服务部门的交货时间总是一个问题,有很多变数,这会产生不好的结果。最后,随着一项能提供高品质原型的外部资源被卖给了其他公司,Currier的原型质量开始明显下降,公司很多潜在客户应该已经注意到此问题。

新产品开发副总裁Gary Kieffer说:“Currier花了几年时间寻找一款能满足其需求的、理想的数字3D打印机。作为一家组合件模塑商和吹塑商,我们要用3D设计可视化、装配检验与功能模型原型向我们的客户证明公司的产品设计能力。”

Objet30设备可以制备尺寸范围在300mm×200mm×150mm以内的部件。Currier团队使用Durus White(一种类似PP的材料)实现了要求PP外观、柔软性、强度和韧性的大量应用。不仅如此,该公司还使用一种不透明的类似ABS的刚性材料(Vero White),进行了原型制作。该材料可提供优良的韧性、尺寸稳定性以及更细节的视觉化。

设计师兼CAD工程师Larry Jedik说:“我们采用Objet30制备用于个人护理乳液的具有不同大小的瓶子。如果一个瓶子太大,我们把它做成两片,然后再组装。这一切都取决于瓶子的大小和形状。此机器使我们可以打印一个6.5~7in.(1in.=2.54cm)的3D原型。另外,我们常用一个纸箱来模拟在Objet 30上制造的部件所占用的空间,并将它提交给客户,以展示其尺寸方面可能存在的限制。”

Currier的人员表示,RP设备帮助公司赢得了一个针对酒店设施组合件的修正模型合同,这非常直接地证明了引入此项技术的重要性。Leone说:“我们采用CAD设计组合件(一个吹塑成型瓶和一个注塑成型瓶盖)并进行修改,然后将它传到Objet 30打印机上,2h后,我们能够把修改后的产品原型交给顾客。”

在最初的8个月中,Objet?30被用来验证采用注塑或吹塑成型的24种不同组合件的设计。但实际上,该设备在此期间生产的实际原型的数量要更多,因为Currier团队常需要针对一种设计制备5个以上的复制品。Kieffer说:“这个功能的好处是,一旦设计获得批准,我们可以为客户的内部使用以及为他们的客户提供多个3D部件,并向我们的业务开发经理和我们的注塑成型或吹塑成型模具制造商提供复制件。”图1 Spectrum制备的若干一次性零部件中的一个,用于DNA分析。左边为SLA模型,右面QTM部件 图2 Thogus的rp+m休息室中放置着Fortus 900(最大的Stratasys FDM机器)设备,以及此设备打印的零部件样品(包括ABS桌腿和圆形壁架) 图3 Currier开发了一个演示软件,以向客户展示制作一个3D数字打印部件的步骤。图中所演示部件是一个用收缩套装饰的组合件 图4 Currier的Jedik(左)和Kieffer(右)在检查用该公司Objet 30数字3D打印机打印的原型组合件

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