Wprowadzenie
Masz projekt, który wymaga prototypowania kilkudziesięciu części. Koszt form do masowej produkcji jest zbyt wysoki; druk 3D jest zbyt powolny, a właściwości materiału są nieodpowiednie. Szybkie prototypowanie z silikonu wypełnia tę lukę.
Prototypowanie silikonowe zaspokaja specyficzne potrzeby. Pozwala na produkcję wielu części, które pod względem wyglądu i wydajności ściśle odpowiadają częściom produkowanym masowo. Części te mogą być wykorzystywane do testowania, walidacji, a nawet produkcji małoseryjnej. Ta metoda łączy prototypowanie pojedynczych egzemplarzy z produkcją na dużą skalę. Taki jest jej cel i dlatego producenci ją stosują.
Dlaczego w szybkim prototypowaniu stosuje się silikon?
Silikon to nie jedyny materiał na formy. Ale jest najlepszy do niektórych zadań. Jego właściwości pasują do procesu.
Doskonała replikacja szczegółów
Silikon precyzyjnie oddaje nawet najdrobniejsze detale, wiernie odtwarzając cechy powierzchni. Złożone geometrie można odtwarzać bez utraty detali. Niezależnie od tego, czy matryca ma ostre krawędzie, drobny tekst, czy skomplikowane wzory, powstałe części będą do nich idealnie pasować.
Elastyczne właściwości formy
Elastyczność silikonu to kluczowa zaleta. Elementy z fazami można łatwo wyjmować z formy. Elementy zakrzywione można wyjmować bez uszkodzeń. Skomplikowane elementy, które mogłyby utknąć w sztywnych formach, można łatwo wyjąć z formy w formach silikonowych.
Forma jest elastyczna, co pozwala na naturalne wyjmowanie elementów bez użycia siły i ryzyka rozerwania. Dzięki temu możliwe jest prototypowanie z silikonu w przypadku projektów, których nie da się formować ze sztywnych materiałów.
Niskie koszty narzędzi i szybka produkcja
Formy metalowe mogą kosztować dziesiątki tysięcy dolarów, a ich produkcja zajmuje miesiące. Dla porównania, formy silikonowe kosztują zaledwie ułamek tej kwoty i można je wyprodukować w ciągu zaledwie kilku dni. Formy można wycinać z formy głównej lub odlewu. Czas realizacji jest krótki. W przypadku prototypowania i produkcji małoseryjnej taka struktura kosztów oferuje znaczną przewagę.
Szeroka kompatybilność materiałowa
Formy silikonowe są kompatybilne z szeroką gamą materiałów. Żywice poliuretanowe są powszechnie stosowane do produkcji zarówno elementów sztywnych, jak i elastycznych. Materiały na bazie gumy zapewniają właściwości elastomerowe, a tworzywa sztuczne konstrukcyjne – wytrzymałość strukturalną. Odlewanie elastomerów silikonowych do form silikonowych pozwala uzyskać miękkie elementy, odpowiednie do kontaktu ze skórą. Proces ten można dostosować do konkretnych zastosowań.
Te cztery zalety sprawiają, że silikon jest standardowym materiałem do szybkiego prototypowania. Jest szybki, ekonomiczny, umożliwia odtwarzanie drobnych detali i nadaje się do formowania skomplikowanych kształtów. Żaden inny materiał do form nie oferuje wszystkich czterech tych zalet. Właśnie dlatego dominuje w tej dziedzinie.
Jak działa szybkie prototypowanie silikonu?
Utwórz model główny
Forma wzorcowa definiuje część. Istnieją trzy metody tworzenia formy wzorcowej.
| Obróbka CNC | Polega na cięciu litego materiału, co zapewnia wysoką precyzję i wyjątkowo gładką powierzchnię. |
| Druk 3D SLA | Zastosowanie płynnej żywicy pozwala na uzyskanie gładkich powierzchni i drobnych szczegółów. |
| Drukowanie SLS | Zastosowanie materiału sproszkowanego zapewnia większą wytrzymałość niż proces SLA. |
Chociaż istnieją inne technologie szybkiego prototypowania, te trzy sprawdzają się w większości scenariuszy zastosowań.
Forma główna określa górną granicę precyzji i jakości powierzchni ostatecznego prototypu.
Zgrubna forma główna pozwala uzyskać surowe odlewy; polerowana forma główna pozwala uzyskać odlewy polerowane. Wykończenie powierzchni formy głównej jest bezpośrednio przenoszone na element. Każda rysa, każda linia warstwy i każdy ślad narzędzia zostaną dokładnie odwzorowane.
Przed wyprodukowaniem formy należy obrobić formę główną zgodnie z wymaganymi normami.
Produkcja form silikonowych
Inżynier umieszcza formę wzorcową w komorze formującej, miesza płynny silikon i odgazowuje go, aby usunąć pęcherzyki powietrza. Na koniec silikon jest wylewany wokół formy wzorcowej. Po utwardzeniu silikonu, forma wzorcowa jest wyjmowana, a forma jest gotowa.
Zalety są oczywiste: można dokładnie odtworzyć szczegóły powierzchni, powierzchnia formy jest gładka i można ją w całości przenieść na część, a ponadto można odtwarzać złożone kształty, w tym podcięcia i zakrzywione powierzchnie.
Silikonowe formy prototypowe zazwyczaj wytrzymują od 20 do 50 odlewów. Dokładna liczba zależy od materiału odlewniczego, geometrii części oraz staranności podczas wyjmowania z formy. Jest to wystarczające w przypadku produkcji małoseryjnej. W przypadku produkcji wielkoseryjnej, wiele form można wykonać z tej samej formy wzorcowej.
Odlew prototypu
Pracownicy wlewają materiał odlewniczy (żywicę lub silikon) do formy. Odlew próżniowy z silikonu usuwa pęcherzyki powietrza przed i w trakcie odlewania. Środowisko próżniowe zapewnia całkowite wypełnienie formy, co skutkuje uzyskaniem elementu bez porów. Po utwardzeniu element jest wyjmowany z formy i poddawany obróbce końcowej: przycinaniu wlewu i czyszczeniu powierzchni. Prototypowe części silikonowe są gotowe do inspekcji i testów.
Części wytwarzane w tym procesie są identyczne z formą wzorcową pod względem geometrii i wykończenia powierzchni. Ich właściwości materiałowe są porównywalne z właściwościami części produkowanych masowo. Chociaż koszt jednostkowy jest wyższy niż w przypadku formowania wtryskowego, koszt formy stanowi jedynie ułamek tego drugiego. W przypadku serii produkcyjnych od 20 do 50 sztuk jest to najbardziej ekonomiczne rozwiązanie. To właśnie stanowi wartość szybkiego prototypowania silikonowego.
Typowe procesy szybkiego prototypowania silikonu
Odlewanie próżniowe silikonu
Najpierw należy stworzyć model główny, z którego następnie powstanie silikonowa forma. Umieść formę w komorze próżniowej, wlej do niej żywicę lub silikon pod próżnią, aby usunąć pęcherzyki powietrza, a po utwardzeniu elementu otwórz formę i wyjmij gotowy produkt.
Zalety
Forma bezpośrednio nadaje elementowi wysokiej jakości wykończenie powierzchni, gwarantując, że jego wygląd odpowiada oczekiwanemu produktowi końcowemu. Co więcej, ponieważ forma jest wykonana z silikonu, a nie ze stali, koszt produkcji małoseryjnej jest niższy.
Odlewanie próżniowe silikonu pozwala na produkcję prototypowych części z silikonu, które wyglądem i fakturą przypominają elementy produkcyjne. Charakteryzują się one wysoką jakością wykończenia powierzchni i wyraźnymi, ostrymi detalami. Właściwości materiału są zbliżone do właściwości tworzyw sztucznych i elastomerów stosowanych w produkcji masowej. Dlatego proces ten jest najczęściej stosowany w szybkim prototypowaniu silikonu.
Zastosowania
Zastosowania obejmują obudowy i przyciski do elektroniki użytkowej, elementy wyposażenia wnętrz samochodowych i uszczelki, a także prototypy urządzeń medycznych wymagających materiałów biokompatybilnych i gładkich powierzchni. Proces ten nadaje się do każdego zastosowania, w którym wygląd, dotyk i funkcjonalność muszą zostać zweryfikowane przed wdrożeniem do masowej produkcji.
Formowanie tłoczne z silikonu
Materiał silikonowy umieszcza się w rozgrzanej wnęce formy. Forma się zamyka. Ciepło i ciśnienie powodują, że materiał wpływa do wnęki, gdzie następnie utwardza się. Forma się otwiera, a wycięty element zostaje wyjęty.
Prototypowanie silikonu metodą formowania tłocznego jest idealne do produkcji części gumowych. Uszczelki, podkładki uszczelniające i elementy elastyczne to powszechne zastosowania. Ponieważ proces ten jest identyczny z produkcją masową – choć na mniejszą skalę – właściwości materiału spełniają standardy produkcji masowej.
W przypadku małych serii formowanie tłoczne jest wolniejsze niż odlewanie próżniowe. Jednak może ono obsługiwać materiały o słabych właściwościach płynięcia. Silikon o wysokiej lepkości, fluorosilikon i mieszanki wypełniane są łatwiejsze do formowania metodą formowania tłocznego niż odlewanie próżniowe. Prototypowe części silikonowe produkowane w ten sposób są funkcjonalnie identyczne z częściami produkcyjnymi.
Kompromisem jest czas. Wykonanie formy zajmuje kilka tygodni, a konfiguracja – kilka godzin. W przypadku krótkich serii prototypów silikonowych, odlewanie próżniowe jest zazwyczaj szybsze. Jednak w przypadku części, które muszą wykorzystywać dokładnie te same materiały i procesy, co w produkcji masowej, najlepszym wyborem jest formowanie tłoczne. Konkretny wybór zależy od zastosowania.
Formowanie wtryskowe płynnej gumy silikonowej (LSR).
Wymieszaj dwa płynne składniki. Maszyna wstrzykuje mieszankę do rozgrzanej formy, gdzie silikon utwardza się w jej wnętrzu. Następnie pracownicy wyjmują gotowe elementy z formy.
Zalety
Spójność i szybkość. Różnice między wtryskami są minimalne, a czasy cykli krótkie. Jest to proces produkcyjny dla części silikonowych produkowanych w dużych ilościach. Jest również stosowany do produkcji niskoseryjnej, gdy geometria części uzasadnia inwestycję w oprzyrządowanie.
Prototypowanie silikonu metodą wtrysku LSR jest rzadkością. Koszty form są wysokie, a proces debugowania skomplikowany. W przypadku produkcji małoseryjnej odlewanie próżniowe jest zazwyczaj bardziej ekonomiczne; w przypadku produkcji wielkoseryjnej, jedyną ekonomiczną opcją jest formowanie wtryskowe LSR. Próg rentowności pomiędzy tymi dwiema metodami zależy od rozmiaru, geometrii i materiału części.
Formowanie silikonowe
Silikon można formować bezpośrednio na inne materiały, takie jak wkładki z tworzywa sztucznego i elementy metalowe. Podczas procesu utwardzania silikon tworzy wiązania chemiczne, eliminując potrzebę stosowania klejów.
Zastosowania
Miękkie w dotyku uchwyty do narzędzi i urządzeń elektronicznych; urządzenia przenośne z powierzchniami mającymi kontakt ze skórą oraz uchwyty urządzeń medycznych wymagające powierzchni antypoślizgowych i łatwych do czyszczenia.
W przypadku szybkiego prototypowania silikonu, obtrysk jest wyzwaniem. Najpierw należy wyprodukować wkładki, a forma musi być w stanie je pomieścić. Proces konfiguracji jest bardziej złożony niż proste odlewanie. Jednak w przypadku testów funkcjonalnych zmontowanych komponentów jest to czasami jedyna opcja. Prototyp zachowuje się spójnie z produktem końcowym, co pozwala na weryfikację jego właściwości dotykowych, dopasowania i wydajności przed wyprodukowaniem form produkcyjnych.
Usługi szybkiego prototypowania silikonu w NOBLE
NOBLE to wiodąca firma produkcyjna. Jej główne obszary działalności obejmują obróbkę metali, obróbkę tworzyw sztucznych, szybkie prototypowanie, produkcję małoseryjną oraz produkcję części niestandardowych. Wspieramy naszych klientów na każdym etapie cyklu rozwoju produktu.
NOBLE pomaga firmom przekształcać koncepcje w funkcjonalne prototypy i części gotowe do produkcji. W przeciwieństwie do dostawców oferujących wyłącznie usługi prototypowania, NOBLE zapewnia kompleksowe rozwiązania produkcyjne, od wsparcia projektowego po montaż końcowy.
Możliwości NOBLE w zakresie szybkiego prototypowania silikonu
Szybkie prototypowanie silikonu w firmie NOBLE jest zintegrowane z innymi usługami. Wsparcie projektowe jest bezpośrednio włączone w proces produkcyjny. Obróbka CNC pozwala na produkcję form wzorcowych. Formowanie wtryskowe zaspokaja potrzeby produkcji masowej. Montaż i wykończenie powierzchni nadają produktowi ostateczną formę. Cały proces jest zarządzany przez jednego dostawcę.
Standardy jakości i certyfikaty
System jakości został certyfikowany i jest dobrze udokumentowany.
Norma ISO 9001:2015 obejmuje ogólne zarządzanie jakością. Kontrola procesu produkcyjnego zapewnia powtarzalność wyników; procedury kontroli weryfikują wymiary i jakość powierzchni.
Norma ISO 13485:2016 wprowadza bardziej rygorystyczne wymagania dotyczące produkcji wyrobów medycznych — bardziej rygorystyczną identyfikowalność i surowszą walidację procesów.
Najczęściej zadawane pytania dotyczące szybkiego prototypowania silikonu
Czy silikon jest używany jako materiał prototypowy czy materiał do formy?
Oba. Silikon może służyć obu celom. W większości zastosowań szybkiego prototypowania silikonu, silikon jest używany do tworzenia elastycznych form. Formy te służą do produkcji prototypów poprzez wlewanie do nich żywicy, poliuretanu lub materiałów silikonowych.
Ile części można wyprodukować za pomocą formy silikonowej?
Typowa forma silikonowa pozwala na wyprodukowanie od 20 do 50 części. Rzeczywista żywotność formy zależy od geometrii części, materiału odlewniczego, konstrukcji formy oraz warunków pracy. Większą liczbę części można wyprodukować, gdy geometria jest prosta i stosuje się żywice o niskiej lepkości; i odwrotnie, gdy geometria jest złożona i stosuje się materiały wypełniające, można wyprodukować mniej części. Forma ulega zużyciu. Jest to normalne.
Jak dokładne są prototypy części silikonowych?
Odlewanie próżniowe z silikonu pozwala na uzyskanie doskonałej reprodukcji detali. Poziom precyzji zależy od jakości formy wzorcowej, doboru materiału silikonowego, wymiarów i geometrii części oraz kontroli procesu odlewania. Wypolerowana forma wzorcowa w połączeniu ze stabilną formą silikonową może wytwarzać części spełniające wymagania projektowe i ścisłe tolerancje; z kolei niedokładna forma wzorcowa w połączeniu z niewłaściwie wykonaną formą doprowadzi do powstania wadliwych części.
Jak szybkie prototypowanie silikonu wypada w porównaniu z formowaniem wtryskowym?
Silikonowe formy prototypowe są tańsze i wymagają krótszego czasu przezbrojenia, dzięki czemu nadają się do produkcji małoseryjnej. Narzędzia do formowania wtryskowego są droższe i wymagają dłuższego czasu przezbrojenia, ale przekładają się na niższy koszt jednostkowy w przypadku produkcji wielkoseryjnej, co czyni je bardziej odpowiednimi do produkcji na dużą skalę i długoterminowej produkcji.
Kiedy powinienem wybrać szybkie prototypowanie silikonowe?
Jeśli potrzebujesz od 10 do 100 lub więcej prototypów części, elementów elastycznych lub gumowych, szybkiej walidacji projektu lub taniej produkcji przejściowej, wybierz szybkie prototypowanie silikonowe. Ten proces pozwala uzyskać części o jakości porównywalnej z częściami produkowanymi masowo, bez konieczności stosowania form produkcyjnych.
Czy NOBLE może świadczyć usługi szybkiego prototypowania silikonu, od projektu po produkcję?
Oczywiście! NOBLE zapewnia kompleksowe wsparcie.
Przeglądy projektu pomagają wcześnie zidentyfikować problemy. Prototypowanie służy do walidacji projektu. Formowanie wtryskowe silikonu służy do tworzenia form. Obróbka skrawaniem tworzyw sztucznych i metali obejmuje pozostałe komponenty. Wykończenie powierzchni zapewnia wykończenie części. Montaż łączy wszystkie komponenty. Wsparcie produkcji można elastycznie dostosowywać wraz ze wzrostem wolumenu produkcji.
