Perspektiven des Maschinenbaus, Teil 2: Geschwindigkeit, Kosten und Funktion

Sep 04, 2023

Adam Smith, leitender Maschinenbauingenieur | 27. August 2022

Dies ist der zweite Artikel einer 6-teiligen Reihe mit dem Titel „Mechanical Engineering Perspectives for Efficient, Integrated Commercial Product Design“. Wenn wir über Produktdesign nachdenken, konzentrieren wir uns häufig sofort auf die Entwicklung dessen, was wir in einem Produkt sehen und erleben. Während UX- und UI-Design für den Produkterfolg von entscheidender Bedeutung sind, können die weniger sichtbaren Maschinenbaufunktionen das Arbeitstier sein, das die Innovation bis zur erfolgreichen Kommerzialisierung vorantreibt. Adam Smith, leitender Maschinenbauingenieur bei Product Creation Studio, verfügt über jahrzehntelange Erfahrung in der Entwicklung und Planung Dutzender Produkte für die Kommerzialisierung. In dieser Reihe gibt Smith Einblicke und Tipps, wie der Maschinenbau die Umsetzung von Produktideen in die Realität unterstützt, indem er während der gesamten Entwicklung synchron mit allen Disziplinen zusammenarbeitet.

Prototypenbauten sind ein wichtiger Teil der Entwicklung eines Produkts für die Kommerzialisierung. Leider können Zeitplan, Kosten und Herstellbarkeit das frühe und häufige Bauen einschränken oder sogar verhindern.

Verwandte Themen: Perspektiven des Maschinenbaus, Teil 1: Materialkosten, Funktion und Haltbarkeit

Das Warten auf ein ausgereifteres Design vor dem Einsatz von Fertigungsmethoden kann zu kostspieligen Designiterationen führen, die sich auf Budget und Zeitplan auswirken. Durch die Kombination des Wissens über verfügbare Rapid-Manufacturing-Methoden mit kreativen „Design for Prototyping“-Anpassungen können Sie früher und häufiger bauen. Mit dem Aufkommen hochwertigerer, kostengünstigerer und einfacher zu verwendender interner Fertigungswerkzeuge ist die Herstellung des Prototyps selbst möglicherweise die effizienteste Methode.

In diesem Artikel finden Sie Beispiele und Tipps, die Ihnen dabei helfen sollen, kreativ darüber nachzudenken, wie Sie Ihr Design mithilfe von Prototypenmethoden herstellen und gleichzeitig wichtige Informationen erhalten, die Sie für die Prüfung Ihres Designs für die Serienfertigung benötigen.

Durch die Aufteilung Ihrer Baugruppe in logische Unterbaugruppen zur Erleichterung der Prototypenerstellung können Herstellungsbeschränkungen umgangen werden, was zu klareren Testergebnissen führt.

Handwerkzeuge verfügen beispielsweise typischerweise über eine proximale Benutzerschnittstelle mit distalen Endeffektoren und einem Übertragungsmechanismus dazwischen. Der alleinige Aufbau des distalen Endes aus 3D-gedruckten Metallteilen aus Titan oder Edelstahl kann eine Mechanismusanalyse in Tagen statt in Wochen ermöglichen.

Eine gezielte Bewertung jedes einzelnen Mechanismus kann einfacher zu verstehen und zu iterieren sein, da diese Unterbaugruppen für ihre eigenen Funktionen optimiert werden, bevor sie mit der größeren, komplizierten Baugruppe verbunden werden.

Der Bau kleiner Modelle von extrem großen Baugruppen wie Wolkenkratzern und Brücken gibt es schon seit langem. Wenn Sie extrem kleine Baugruppen entwerfen, können Sie großformatige Prototypen mit Materialien erstellen, die die Eigenschaften Ihrer winzigen Teile im Produktionsmaßstab nachahmen.

Kleine Edelstahl- und Titanteile können 10- bis 12-fach vergrößert und in PLA oder ABS-Kunststoff 3D-gedruckt werden und verhalten sich ähnlich wie die tatsächlichen Produktionsmetallteile. Dies ermöglicht ein extrem schnelles iteratives Design und reduziert die Anzahl der tatsächlichen Build-to-Scale-Prototyp-Iterationen.

Kleinere Skalenanpassungen können ebenfalls sehr effektiv sein. Durch die Anpassung der Wellen- und Rohrdurchmesser in Ihrem Design an die am besten verfügbaren Standardmaterialien (McMaster-Carr) ist es möglich, frühzeitig Machbarkeitsnachweise für Mechanismen zusammenzustellen, ohne auf Produktionsextrusionen warten zu müssen. Wenn Sie zu Beginn etwas nachsichtig mit den genauen Spezifikationen umgehen, kann dies die Zeit bis zur Prototypenerstellung erheblich verkürzen.

Maßgeschneiderte Befestigungselemente aus Edelstahl 304 zum Festhalten von Stoff.

Es ist schwer, die Geschwindigkeit und Flexibilität handrasierter Schaumstoffmodelle für Benutzeroberflächenmodelle von Handgeräten zu übertreffen, aber 3D-gedruckte Kunststoffteile können eine großartige Lösung für die schnelle Erstellung kleinerer Iterationen/Anpassungen von einem Modell zum nächsten sein.

Die meisten von uns verstehen den Wert des 3D-Drucks und viele von uns kennen kostengünstige, benutzerfreundliche interne Desktop-3D-Drucker (Prusa, Ultimaker, Raize usw.), mit denen sich erstaunlich nützliche Kunststoffteile, Vorrichtungen usw. herstellen lassen. und Vorlagen, es stehen jedoch eine Handvoll zusätzlicher Technologien für den Desktop des Ingenieurs zur Verfügung, die die Design- und Konstruktionsvisualisierung verbessern und die Markteinführungszeit verkürzen.

Desktop-Laserschneider (Glowforge, Flux, OMTech) und Wasserstrahlschneider (Wazer) können für frühe Prototypen von Mechanismen äußerst wertvoll sein, insbesondere wenn der Ingenieur mit der Konstruktion flacher Baugruppen (ineinandergreifende Schlitze oder Lasche und Schlitz) vertraut ist.

Mithilfe von Acrylplatten und Lösungsmittelklebung können komplexe Mechanismen in Stunden statt Tagen gebaut und beurteilt werden.

Ein weiterer aufstrebender Markt für Designer und Ingenieure ist das Desktop-Fräsen. Es gibt eine Handvoll Präzisions-Tischfräsen (PocketNC, Bantam, HAAS), die das schnelle Fräsen von Kunststoffen und Metallen (einschließlich Titan und Edelstahl) direkt auf Ihrem Schreibtisch ermöglichen.

Fräsen von Edelstahl 304 mit einem 1/8 Zoll Hartmetall-Schaftfräser.

Mit den 5-Achsen-Fräsfunktionen der Pocket NC V2-10 und V2-50 war ich in der Lage, sechs Iterationen eines medizinischen Geräts in ein paar Wochen statt in vier Monaten zu bauen. Hätte ich die Teile ausgelagert (sechs Tage), auf deren Ankunft gewartet (zwei Tage), die Funktion beurteilt (ungefähr eine Stunde), die notwendigen Anpassungen vorgenommen (10 Minuten) und bei jeder Iteration aktualisierte Teile angefordert (ein weiterer Tag). würde zwei Wochen dauern.

Mithilfe einer hauseigenen Desktop-Mühle konnte ich die Iterationen auf weniger als zwei Tage reduzieren. Sie werden wahrscheinlich feststellen, dass die sofortige Verfügbarkeit der Tools Sie dazu veranlasst, sie häufiger zu nutzen. Die Erstellung eines schnellen Prototyps, um anderen dabei zu helfen, Ihre Designabsicht zu visualisieren oder ein mechanisches Konzept zu testen, wird zur Norm statt zur Ausnahme.

Obwohl das Endziel ein erfolgreiches Produkt ist, ist der Weg dorthin nicht gerade direkt. Manchmal müssen Sie einen Schritt zurücktreten und für die Bewertung bestimmter Funktionen entwickeln, anstatt sich auf einmal mit dem gesamten Design zu befassen.

Wenn Sie dabei flexibel und kreativ sind, können Sie die „beste“ Lösung für Ihr erstes Produkt effizienter entwickeln.

Weitere Teile dieser Reihe finden Sie unter Perspektiven des Maschinenbaus, Teil 1: Materialkosten, Funktion und Haltbarkeit und Perspektiven des Maschinenbaus, Teil 3: Menge, Qualität und Markteinführungszeit.

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