Prototipe Logam Cepat: Percepat Pengembangan Produk dan Peluncuran Pasar

Produk berkualitas berkembang—dari desain, ke produksi, ke pasar—lebih cepat dari sebelumnya

Memperkenalkan produk baru ke pasar melibatkan proses yang kompleks dari desain, riset pasar, dan manufaktur. Rapid prototyping adalah bagian dari proses ini di mana bagian komponen dibuat untuk mengembangkan model yang berfungsi dari produk—menguji fungsionalitas dan keterbatasannya. Prototipe ini dapat dibuat dari material yang sama dengan produk akhir, atau material alternatif dapat digunakan untuk tujuan kasus uji.

Beberapa metode metal prototyping termasuk:

• 3D printing
• Sand casting (wooden pattern)
• Investment casting (wax pattern)
• Fabricating the part directly from metal stock
• Machining the part directly from metal stock

Rapid prototyping methods and applications

Setiap metode prototyping memiliki kelebihan dan kekurangannya, serta faktor-faktor yang membuatnya paling cocok untuk proyek tertentu.

3D printing

3D printing adalah proses yang relatif baru juga dikenal sebagai additive manufacturing—proses mencetak satu lapis produk pada satu waktu hingga komponen 3D terbentuk oleh banyak lapisan. Setiap lapisan bisa tebal sekitar 100 mikron. Printer dikontrol oleh sistem komputerisasi, yang mengambil desain 3D sebagai input dan menciptakan produk 3D sebagai output.

Teknologi telah berkembang seiring waktu, dan berbagai macam material telah tersedia untuk dicetak. Plastik, nylon, resin, perak, titan, baja, lilin, photopolimer, dan polykarbonat semuanya dapat digunakan sebagai material 3D printing.

Ada tiga jenis utama mesin 3D printing:

• Selective laser sintering (SLS) menggunakan material cetakan yang disediakan dalam bentuk bubuk. Setiap lapisan bagian dibuat dengan melelehkan bubuk menggunakan laser. Bubuk segar diutamakan di atas bagian yang sebagian selesai dan proses dimulai lagi hingga seluruh bagian terbentuk.
• Fused deposition modeling (FDM) menggunakan filamen termoplastik dan melehkannya untuk ekstrusi. Ekstrusi dikontrol secara presisi oleh komputer sesuai dengan desain 3D, mencetak setiap lapisan secara berurutan.
• Stereolithography juga menggunakan laser, tetapi dalam hal ini, produk cair diupil satu lapisan pada satu waktu oleh aksi laser—dikontrol untuk cocok dengan desain.

3D printing populer untuk rapid prototyping karena proses ini sangat efisien sumber daya. Tidak diperlukan tooling garis produksi, kebutuhan tenaga kerja minimal, dan sangat sedikit limbah yang dihasilkan. Kelemahan 3D printing adalah prosesnya dapat memakan waktu—membutuhkan jam, dan kadang-kadang hari, untuk membangun bagian yang kompleks. Ukuran bagian dibatasi oleh luas cetakan mesin. Selain itu, mungkin tidak memungkinkan untuk memproduksi bagian dalam material yang diinginkan karena titik leleh yang sangat tinggi dari beberapa logam.

Sand casting

Di pabrik cor logam, pola digunakan untuk membuat cetakan yang akan digunakan untuk mencetak bagian logam. Pola prototipe dibuat dalam cara yang paling sederhana dan hemat biaya, sehingga bagian dapat diuji dan disesuaikan jika diperlukan. Karena alasan ini, pola sering digunakan untuk membuat cetakan pasir karena ini adalah cetakan termurah dan tercepat untuk diproduksi. Dari awal hingga akhir, prototipe dapat dibuat dalam 2 hingga 4 minggu menggunakan pola kayu longgar.

Pola kayu longgar dibuat dari kayu oleh pembuat pola menggunakan teknik seperti turning, tool, die making, dan fine wood working. Pola diproduksi sesuai dengan desain prototipe dengan beberapa toleransi yang dibangun untuk penyusutan, yang terjadi saat logam mendingin. Di mana desain prototipe memerlukan bagian dengan backdraft, bagian-bagian ini dibuat sebagai potongan longgar pola yang dipegang oleh pin.

Molding sand khusus disusun dengan campuran yang benar dari komponen sehingga memiliki karakteristik yang dibutuhkan untuk pengecoran logam. Ini harus mempertahankan bentuknya, tidak melepaskan terlalu banyak kelembaban, dan memberikan finishing berkualitas baik. Pasir dipadatkan di sekitar pola kayu longgar untuk membentuk cetakan, yang kemudian dapat digunakan untuk membuat prototipe logam.

Pengecoran prototipe logam adalah proses pabrik cor standar di mana logam dilelehkan, komposisi dikontrol dan logam cair dicurahkan ke dalam cetakan. Setelah mendingin, cetakan dipatahkan dan prototipe logam siap untuk finishing.

Pengecoran logam prototipe cepat dengan pola kayu longgar populer karena biaya produksi rendah, dan relatif mudah untuk menyesuaikan pola dan mencetak ulang jika diperlukan. Juga memungkinkan untuk membuat prototipe dari material yang sama dengan produk akhir, sehingga menghilangkan langkah-langkah pengembangan lebih lanjut. Produsen sering menemukan bahwa proses untuk mengembangkan prototipe seringkali menjadi metode untuk produksi akhir dengan modifikasi kecil.

Investment casting

Investment casting juga merupakan proses pabrik cor logam, tetapi menggunakan teknik yang berbeda untuk membuat pola untuk pembuatan cetakan. Langkah pertama adalah pembuatan pola lilin yang cocok dengan desain prototipe. Secara historis, pola lilin dibuat dengan mesin injection molding atau press lilin, tetapi material baru dan pengembangan 3D printing telah menciptakan kesempatan untuk pola investment casting dibuat lebih mudah dan cepat.

Setelah pola dibuat, itu dikotori dengan material keramik yang mengambil bentuk pola saat mengeras. Cetakan kemudian dipanaskan hingga lilin mencair dan mengalir keluar dari cetakan cor—sebabnya nama alternatifnya, lost wax casting. Proses pencetakan pabrik cor standar diikuti, di mana logam cair dicurahkan ke dalam cetakan. Setelah logam mendingin dan mengeras, cetakan keramik dipatahkan, meninggalkan prototipe logam siap untuk finishing.

Keuntungan metode rapid prototyping ini serupa dengan pola kayu longgar—dengan manfaat tambahan toleransi dan finishing yang lebih halus.

Fabricating metal prototypes

Stock metal materials termasuk lembar, batang, pipa, besi, dan kawat. Semua ini dapat digunakan sebagai bahan baku untuk memproduksi prototipe logam sebagai langkah sekunder downstream, bukan melalui manufaktur primer seperti pengecoran atau 3D printing.

Untuk manufaktur prototipe lembar logam, banyak proses yang dapat digunakan untuk memproduksi prototipe. Misalnya, model fisik dapat diratakan dan diluncurkan pada lembar logam untuk digunakan sebagai templat, kemudian laser atau lampu pembakar dapat digunakan untuk memotong garis dan pembukaan, dan menandai lipatan. Press dapat digunakan untuk membengkokkan logam pada batas yang ditandai, dan peralatan pengelasan khusus dapat digunakan untuk menyatukan bagian-bagian.

Pipa dapat digunakan untuk prototyping dengan memprosesnya melalui sejumlah operasi yang beragam untuk membuat bagian prototipe yang cocok dengan desain:

• Flaring - melebar lubang di ujung tabung menjadi bentuk cangkir
• Swaging - mengurangi atau meningkatkan diameter tabung
• Dimpling - deformasi kecil pada permukaan logam
• Bending - menciptakan bentuk dengan menyisipkan lipatan pada titik yang ditentukan dalam tabung
• Flattening - menggunakan press untuk menekan tabung
• Piercing - menciptakan lubang dalam material
• Expanding - menggunakan panas dan alat untuk membuka diameter tabung

Keuntungan utama dari memproduksi prototipe logam dari stock material adalah efisiensi waktu. Pola atau cetakan tidak diperlukan, dan bahan baku tersedia dari rak. Kelemahan adalah beberapa desain prototipe akan terlalu kompleks untuk proses manufaktur standar dan oleh karena itu tidak dapat dibuat dengan teknik ini.

Machining metal prototypes

Machining adalah proses apa pun di mana potongan bahan baku dipotong menjadi bentuk dan ukuran akhir yang diinginkan oleh proses pengeluaran material yang terkontrol—juga dikenal sebagai subtractive manufacturing. Ini dapat digunakan untuk memproduksi berbagai produk logam, serta material seperti kayu, plastik, keramik, dan komposit. Dalam produksi modern, machining dilakukan oleh computer numerical control (CNC).

CNC adalah kontrol komputerisasi dari peralatan machining untuk membuat bagian sesuai dengan desain 3D. Peralatan machining termasuk bor, gergaji, router, bubut, dan gerinda. Bahan baku untuk mesin CNC adalah produk logam stok seperti lembar dan besi baja.

Desain 3D dikonversi menjadi program komputer, yang kemudian digunakan oleh sistem kontrol untuk mengarahkan mesin. Bahan baku yang dipilih harus lebih besar dari prototipe yang dibuat karena melalui pengeluaran logam dengan machining prototipe diproduksi. Mesin CNC canggih mengontrol operasi pada semua 3 sumbu (x, y, dan z) dan dapat membalik bagian dan beralih alat machining secara otomatis, menghasilkan finishing berkualitas tinggi dan tingkat akurasi.

Keuntungan mesin CNC dibandingkan teknik pembuatan lainnya adalah tindakan otomatis berdasarkan desain 3D. Campur tangan manusia terbatas dan prototipe yang diproduksi cocok dengan desain dengan tingkat akurasi tinggi. Prototipe yang lebih kompleks dapat diproduksi menggunakan mesin CNC daripada melalui operasi manual. Kelemahan dari memotong bagian adalah bagian dibuat dengan menghapus logam dari bahan baku dan ini menghasilkan limbah. Meskipun material limbah dapat didaur ulang, ada implikasi biaya dan kerugian yang akan terjadi.

Case studies on rapid prototyping

Automotive industry

Penelitian menunjukkan bahwa perkembangan dalam 3D printing memberikan dampak dramatis pada kemampuan insinyur untuk menguji ide-ide mereka dan membawa produk ke pasar dengan cepat. Sebuah artikel otomotif menyoroti fakta bahwa pengujian aerodinamika bagian otomotif tertentu sangat penting untuk mengukur dampaknya pada performa mobil. Seperti yang hasil uji diperoleh, penyesuaian kecil dapat dilakukan pada desain, dan prototipe baru dicetak ulang sangat cepat. Untuk pengujian aerodinamika, tidak penting bagian dibuat dari material akhir karena bentuk yang sedang diuji, bukan kekuatannya. 3D printing membantu insinyur otomotif untuk mempercepat pengembangan mereka dan meningkatkan efisiensi mereka.

Berbagai aplikasi cocok dengan metode manufaktur yang berbeda. Dalam satu contoh, seorang desainer menemukan hal ini saat memproduksi rangka cincin 2-bagian dengan ruang untuk kartu micro SD di ruang internal. Prototipe pertama dibuat oleh Direct Metal Laser Sintering (DMLS), tetapi finishing permukaan yang lebih buruk dan perakitan yang buruk mengarah pada penyelidikan penggunaan mesin CNC dengan elektrostat discharge machining. Performa yang ditingkatkan dari prototipe menyoroti keuntungan CNC dalam aplikasi spesifik ini.

High-tech industry

Mengurangi biaya pengembangan adalah kewajiban ekonomi bagi banyak perusahaan high-tech saat mereka membawa ciptaan baru mereka ke tempat pasar. Saat Icon Aircraft meluncurkan proyek untuk pesawat rekreasi A5 mereka, mereka meluangkan waktu dan energi yang signifikan untuk menemukan cara yang paling hemat biaya dan efisien untuk membangun komponen mereka untuk prototyping dan produksi massal. Sebuah studi kasus menunjukkan bahwa Icon Aircraft mendapatkan 2 hingga 3 minggu pada jadwal produksi, $2000, dan dua orang-hari per bagian saluran udara dengan mengurangi kebutuhan tooling khusus.

Aircraft industry

Hadiah American Foundry Society untuk pencetakan tahun 2017 diberikan kepada perusahaan yang mengembangkan pencetakan baru untuk rangka kursi penumpang pesawat. Secara historis, komponen struktural ini dibuat dari satu billet, tetapi proses desain dan rekayasa yang rinci menghasilkan struktur lattice yang terbuat dari magnesium—material yang lebih ringan daripada aluminium, tetapi tidak dapat dicetak 3D. Prototipe pencetakan menghasilkan produk yang memiliki kekuatan yang diperlukan namun jauh lebih ringan daripada bagian yang dipotong yang ada. Penghematan $100k/tahun pada satu pesawat penumpang dihitung berdasarkan pengurangan biaya bahan bakar karena kursi yang lebih ringan, serta pengurangan emisi yang terkait.

Rapid prototyping and the road ahead

Sedikit banyak metode untuk manufaktur prototipe cepat tersedia untuk inovator dan insinyur. Setiap metode memiliki kelebihan dan kekurangannya. Proses pengecoran cocok untuk aplikasi di mana prototipe harus dibuat dalam material yang sama dengan produk akhir, terutama untuk logam titik leleh tinggi. 3D printing cocok untuk komponen yang lebih kecil dari material cetakan tertentu—teknologi ini berkembang dan meningkat secara berkelanjutan. Machining dapat digunakan untuk memotong logam dari produk stok di mana kompleksnya tidak terlalu parah dan proses standar seperti milling dan grinding masih dapat digunakan.

Sir James Dyson adalah penemu, wirausaha, dan insinyur ikonik, paling terkenal dengan pengembangannya sistem vacuum siklonis yang menggantikan sistem vacuum kantong dalam pembersih rumah. Dalam wawancara yang menarik dengan BBC, Dyson mengungkapkan bahwa penemuannya memerlukan lima tahun untuk disempurnakan dan total 5.127 tweak dan modifikasi berbeda. Dia adalah penguat tepercaya dari motto kuno, “Jika pada awalnya Anda tidak berhasil, coba, coba lagi!” Cerita Dyson menyoroti kenyataan bahwa pengembang produk dan insinyur memerlukan banyak iterasi pengembangan dan perbaikan untuk membawa produk baru ke pasar. Perbaikan terhadap rapid prototyping akan terus mengurangi ketidakefisienan dan menurunkan biaya untuk manfaat inovator dan konsumen.

References

• 3ders. "3D Printing Basics”
• Marlin Steel. “3D Printing versus Traditional Manufacturing”
• Mechanical Inventions. “Types of Patterns”
• Mechanical Engineering. “Molding Patterns / Sand Casting Patterns / Patterns and Molds”
• miBot. “Making Sand Molds and Patterns”
• The Library of Manufacturing. “Investment Casting”
• Foundry Management and Technology. “Making Investment Casting a Better Investment”
• Thomas Net. “More about CNC Machining”
• Rapid Sheet Metal. “Rapid Prototype Fabrication”
• Creative Mechanisms. “Everything you need to know about CNC machines”
• Wikipedia. "Machining"