Como fazer um protótipo de plástico

O desenvolvimento de ideias em produtos reais requer um planeamento minucioso, através do qual a prototipagem em plástico surge como um passo essencial. Os engenheiros e os designers utilizam protótipos de plástico para verificar o funcionamento dos objectos e rever a estética do produto, enquanto recolhem as respostas dos clientes antes de avançar para a produção final. Uma técnica de protótipo de produto na empresa First Mold fornece múltiplas funções que permitem a avaliação do desempenho funcional e a apresentação aos investidores. O método permite que a receção do consumidor garanta o desenvolvimento ideal da conceção e a clareza do fluxo de trabalho de aquisição.

As empresas produzem protótipos de alta qualidade que se aproximam dos produtos finais através de diferentes métodos de fabrico de protótipos de plástico. Algumas técnicas padrão da Firstmold incluem impressão 3D, maquinação CNC e moldagem por injeção rápida. A solução torna-se mais económica e eficiente quando as empresas selecionam materiais e técnicas de prototipagem adequados, uma vez que diminuem as despesas de produção e minimizam os riscos. O processo completo para protótipos de plástico consiste em quatro secções principais, incluindo a definição do objetivo e a seleção do material. Depois, passa-se ao teste antes de se chegar ao ponto de otimização final.

Porque é que precisa de um protótipo de plástico?

Os engenheiros e designers utilizam protótipos de plástico para ligar os seus conceitos entre os processos de conceção e a produção em grande escala. Uma versão física do produto permite que as equipas avaliem o seu aspeto, a sua capacidade de funcionamento e a sua prontidão para a produção durante as fases iniciais de desenvolvimento. O procedimento proactivo ajuda os designers a aperfeiçoar os seus produtos e a diminuir os riscos de produção, o que minimiza as despesas com erros evitáveis, proporcionando uma melhor transição do desenvolvimento para o fabrico. Seguem-se algumas das razões pelas quais os protótipos de plástico são úteis.

Visualizar o design

Um protótipo transforma os designs digitais em pontos de contacto físicos porque os designers utilizam os protótipos para avaliar a estética, a ergonomia e a presença da forma em interações práticas. As interações com modelos físicos permitem aos designers reconhecer problemas de design, otimizar as dimensões do produto e melhorar a usabilidade antes do fabrico. O teste do protótipo através de uma avaliação prática permite a verificação da qualidade do produto relativamente à funcionalidade do design, às normas de aparência e à identificação de problemas relacionados com a construção ou os materiais. A abordagem de teste físico fornece aos designers observações sobre as condições do mundo real que a modelação digital, por si só, não consegue detetar. O desenvolvimento da qualidade do produto e da experiência do utilizador, a par da eficiência, é possível através de medidas de prototipagem iterativas.

Testes e aperfeiçoamento

Os engenheiros podem aceder às possibilidades de avaliação operacional do mundo real através do fabrico de modelos de protótipos em plástico. Os engenheiros testam a resistência à durabilidade juntamente com o comportamento do material para validar se o projeto satisfaz as normas de desempenho. O teste das fases iniciais de produção permite aos engenheiros descobrir pontos fracos, evitando assim o aparecimento de problemas significativos durante os ciclos de desenvolvimento posteriores. O teste de protótipos de plástico permite aos engenheiros aumentar a resistência estrutural, selecionando os melhores materiais para os seus produtos e melhorando o design através da análise objetiva dos dados. As rápidas alterações de conceção melhoram a fiabilidade e a eficiência, produzindo um produto final mais potente. O processo de avaliação repetida garante que o projeto funciona de acordo com as especificações para avançar para a escala de fabrico total.

Otimização da funcionalidade

O objetivo de um protótipo é verificar a forma como os componentes funcionam, validando simultaneamente o ajuste e o alinhamento precisos e verificando o desempenho do sistema. A avaliação da funcionalidade e a identificação de problemas levam os engenheiros a implementar as modificações necessárias. A melhoria da qualidade do produto com maior eficiência e facilidade de utilização torna-se possível através do aperfeiçoamento da conceção antes de se iniciar a produção em massa.

Melhorar a capacidade de fabrico

As operações de fabrico introduzem frequentemente problemas de produção inesperados. Quando os fabricantes produzem um protótipo de plástico, detectam problemas de fabrico que resultam da variabilidade do material e das complexidades dimensionais. Os engenheiros resolvem os problemas de produção antecipadamente através da prevenção precoce para simplificar os métodos de produção e minimizar atrasos dispendiosos.

Cenários de aplicação de protótipos de plástico em diferentes indústrias

Aplicação na indústria automóvel

As empresas automóveis recorrem a protótipos de plástico para simular os seus futuros componentes interiores e exteriores. A equipa de engenheiros utiliza a análise de elementos finitos (FEA) e testes de campo reais para avaliar a forma como as peças se encaixam, o tempo que duram e a solidez que mantêm.

Os engenheiros de testes avaliam as propriedades mecânicas dos componentes, incluindo a resistência à tração, a resistência ao impacto e a expansão térmica, para validar a resistência do material contra factores de tensão e alterações de temperatura. Os testes de protótipos revelam potenciais problemas como deformação e retração, bem como fragilidades das peças em produtos fabricados por moldagem por injeção, para que o design do molde possa ser melhorado. Os engenheiros utilizam simulações de dinâmica de fluidos computacional (CFD) como parte do seu trabalho para otimizar a aerodinâmica dos componentes exteriores.

Os testes demonstram como as peças se integram nos sistemas existentes para permitir uma conetividade e interoperabilidade perfeitas entre todos os elementos de fixação, colas e conjuntos electrónicos. Os fabricantes de produtos reduzem os desperdícios de fabrico e aumentam a eficiência operacional e as melhorias de desempenho dos veículos, modificando os projectos durante o desenvolvimento inicial do produto.

Aplicação na indústria médica

O trabalho dos engenheiros médicos produz protótipos de plástico que ajudam a fazer avançar os dispositivos médicos, bem como as ferramentas cirúrgicas ao longo das suas fases de criação. As equipas de fabrico realizam avaliações de biocompatibilidade à medida que efectuam testes às propriedades dos plásticos médicos para a segurança dos materiais, juntamente com as normas de desempenho. O pessoal de saúde e os cirurgiões podem avaliar a ergonomia do design através de protótipos, uma vez que os dispositivos permitem verificações reais de usabilidade e conforto.

Os engenheiros avaliam as capacidades de estiramento, a dureza e as caraterísticas de movimento para obterem especificações exactas. A sua combinação de maquinagem CNC e técnicas de fabrico aditivo acelera o desenvolvimento de implantes personalizados, dispositivos médicos de diagnóstico e próteses através de prototipagem rápida. Os engenheiros que aperfeiçoam os protótipos melhoram as normas de segurança médica e a precisão dos procedimentos, a par dos avanços no desenvolvimento de produtos médicos.

Eletrónica de consumo

A avaliação dos invólucros e botões dos produtos electrónicos de consumo e dos seus componentes baseia-se em protótipos de plástico como instrumentos utilizados pelos engenheiros. Estes verificam o ajuste adequado, a durabilidade e as propriedades de dissipação de calor para garantir o desempenho e a fiabilidade.

As vantagens dos protótipos incluem testes de materiais, que confirmam a resistência contra impactos e parâmetros de estabilidade estrutural. Os engenheiros inspeccionam as reacções tácteis dos botões para garantir que os utilizadores obtêm respostas consistentes através de interações tácteis uniformes.

A otimização do desempenho da caixa eletrónica ocorre através de programas de simulação de temperatura, que melhoram o fluxo de ar do sistema e a gestão do calor. A conceção de componentes de encaixe e aparafusamento melhora através de técnicas de prototipagem para melhores abordagens de montagem. Os fabricantes que resolvem problemas de design ao longo da produção criam uma excelente qualidade de produto, aumentando a longevidade e tornando o fabrico em massa mais eficaz.

Aeroespacial

Os engenheiros que trabalham na conceção aeroespacial e desenvolvem protótipos de plástico para a construção de componentes leves também demonstram caraterísticas de desempenho melhoradas. Os testes de fumo avaliam três componentes: aerodinâmica, resistência estrutural e tolerância térmica para efeitos de fiabilidade.

O fabrico de componentes complexos através de métodos aditivos gera produções rápidas de protótipos que permitem reduzir o desperdício de produtos e encurtar os tempos de produção. Os engenheiros executam testes de resistência à tração, resistência à fadiga e amortecimento de vibrações para melhorar a durabilidade.

As simulações de dinâmica de fluidos computacional (CFD) permitem aos engenheiros melhorar o desempenho de componentes críticos através da gestão do fluxo de ar, bem como da avaliação do controlo térmico. Os protótipos permitiriam aos investigadores identificar a extensão da interação entre componentes, metal e materiais compósitos.

A seleção de materiais é um dos aspectos críticos da indústria aeroespacial. A escolha correta dos materiais, como os protótipos de plástico, aumenta a produtividade. Estes materiais podem ajudar a reduzir o peso dos aviões, aumentando assim a eficiência operacional da indústria aeroespacial.

Pedido de equipamento industrial

Os protótipos de plástico funcionam bem na produção industrial devido às suas vastas aplicações. A maioria dos equipamentos fabris depende de níveis de precisão exactos. Os defeitos das máquinas estão na origem da maioria dos acidentes registados nas instalações industriais. A determinação destes três elementos-chave é essencial para os engenheiros quando projectam máquinas. Os protótipos de plástico são ferramentas necessárias quando utilizados em tais aplicações.

Os materiais plásticos permitem testar e definir o funcionamento do equipamento industrial, que funciona melhor em condições de calor térmico severo e de fricção intensa. A utilização de métodos de refinamento durante o projeto de componentes permite uma melhor mecânica de montagem e um menor atrito, resultando num melhor rendimento mecânico. A análise FEA permite que as indústrias localizem as regiões onde os produtos podem falhar antes da sua vida útil esperada.

Passos para criar um protótipo de plástico

Passo 1: Definir objectivos e requisitos

O objetivo adequado é um elemento essencial do projeto de engenharia. Ao criar os protótipos de plástico, os engenheiros devem começar por definir o seu objetivo. O objetivo pode ser associado aos requisitos do protótipo. O objetivo tem origem no problema que o protótipo tem de resolver. As capacidades de exame dos protótipos para teste dependem em grande medida do grau de alinhamento das suas propriedades mecânicas com as esperadas no produto final fabricado. O principal objetivo dos protótipos de demonstração visual é obter uma elevada qualidade de superfície e detalhes precisos dos componentes. Os protótipos de feedback do utilizador requerem uma melhor ergonomia e aparência - uma conceção eficiente resulta da determinação inicial do objetivo principal.

As limitações financeiras do projeto determinam os materiais a utilizar, as técnicas de produção e as despesas de equipamento. A escolha entre a impressão 3D e a maquinagem CNC depende dos requisitos de volume do protótipo, mas a moldagem por injeção tornou-se essencial para o fabrico de grandes volumes. A seleção de métodos de fabrico acessíveis que não afectem a qualidade do produto conduz à sustentabilidade económica. Segue-se a equação para determinar o custo total da criação do protótipo.

C_total=C_m+C_p+C_pp

C_total é o custo total, C_m é o custo das matérias-primas, C_p é o custo de processamento, e C_pp é a despesa de pós-processamento.

Um calendário concebido de forma realista ajuda a manter o progresso do projeto. O projeto deve definir restrições de tempo para todas as fases de desenvolvimento, desde a conceção, passando pelo fabrico, até aos testes. Todo o calendário de fabrico depende dos tempos de espera para a aquisição de materiais, operações de maquinagem e actividades de pós-processamento. O tempo total para o projeto é dado como:

T_total=T_d+T_m+T_t

T_total é o tempo de conceção, T_m é o tempo de fabrico, e T_t é o tempo de ensaio. 

Etapa 2: Desenho e modelação 3D

O nível de precisão de um modelo 3D estabelece todos os padrões de qualidade críticos necessários para produzir protótipos de plástico bem sucedidos. O programa de software Computer-Aid Design (CAD) permite aos engenheiros criar protótipos melhorados utilizando as ferramentas da aplicação. Um desenho que tenha sido submetido a uma otimização adequada permite que os produtos sejam fabricados de forma eficiente, proporcionando um desempenho excecional a um preço razoável.

Escolha o software CAD correto

Uma boa produção de protótipos depende de programas CAD avançados que permitem aos engenheiros conceber modelos 3D precisos.

O SolidWorks oferece aos seus utilizadores fortes capacidades de modelação paramétrica para desenhos mecânicos e industriais, mas o Fusion 360 brilha melhor quando é utilizado para modelos de superfície que requerem colaboração na nuvem. O software apresenta as melhores capacidades para desenho 2D e aplicações simples de modelação 3D. Os dois programas, CATIA e NX, servem aplicações industriais e automóveis de alta precisão devido às suas poderosas capacidades. A utilização da modelação baseada em caraterísticas no âmbito do design permite aos programadores estabelecer restrições geométricas, definir tolerâncias e definir a intenção do design, criando assim protótipos de plástico sólidos e produzíveis.

Otimizar para a capacidade de fabrico

A criação de um protótipo de plástico fabricável diminui os problemas de fabrico e as despesas de produção. O principal fator a considerar durante a conceção envolve a redução de estruturas sem suporte e saliências. Qualquer saliência angular superior a 45 graus em peças impressas em 3D necessita de estruturas de suporte que causam um elevado desperdício de material e tempo de procedimento pós-impressão. O limite aceitável para os ângulos de saliência atinge um máximo em:

θ_máximo≈45°

Os ângulos autoportantes ou os filetes de projeto devem ser integrados sempre que as saliências se tornem inevitáveis para minimizar a necessidade de apoio. A análise correta da espessura das paredes adquire uma importância fundamental, uma vez que as paredes de baixa qualidade acabam por se deformar ou partir quando sofrem tensão. Durante os processos de fabrico, manter os requisitos mínimos para as especificações da circunferência do material.

A obtenção de um arrefecimento equilibrado e de um menor desenvolvimento de tensões torna-se possível através da manutenção de espessuras de parede uniformes. Deve-se utilizar corretamente os reforços das nervuras para contrariar a fraqueza das secções finas sem produzir um peso desnecessário de material. A formação de cantos internos agudos leva à acumulação de tensões localizadas, aumentando a probabilidade de falha do material. Os filetes concordam em distribuir a tensão por todo o material. O cálculo do Fator de Concentração de Tensões (SCF) é o seguinte

K_t​=1+2(r/d)

Os residentes exigem que este raio de filete seja r e que a espessura da secção seja d. O raio de filete mínimo recomendado para as peças moldadas por injeção é de 0,5× a espessura da parede para melhorar a durabilidade do componente a par da redução do risco de falha.

Assegurar a resistência, a estética e a funcionalidade

Os engenheiros envolvidos no fabrico de protótipos de plástico devem estabelecer métodos de integridade estrutural enquanto criam capacidades de teste estético e funcional. A análise de elementos finitos (FEA) permite a simulação de forças fundamentais, permitindo aos investigadores avaliar as distribuições de tensão de Von Mises em todo o sistema.

σ_v=√[(σ₁-σ₂)²+(σ₂-σ₃)²+(σ₃-σ₁)²]/2

Onde σ₁, σ₂e σ₃ são tensões principais. O material só falha se a tensão permanecer abaixo da sua tensão de cedência (σ_yield).

As texturas de superfície aplicadas às peças diminuem as imperfeições dos componentes moldados por injeção e, juntamente com os acabamentos de matéria, resolvem os problemas de brilho e as manchas de impressões digitais. Os protótipos visuais necessitam de tratamentos de acabamento, incluindo procedimentos de revestimento ou polimento, para alcançar uma qualidade avançada.

Etapa 3: Escolher um método de prototipagem

Existem várias técnicas para igualar a velocidade, a precisão e a relação custo-eficácia dos processos de prototipagem em plástico. Os métodos de impressão tridimensional FDM SLA e SLS fornecem técnicas de fabrico para construir peças de plástico.

Estas técnicas produzem formas complexas e ciclos de desenvolvimento acelerados. A solução rápida e económica funciona perfeitamente para a produção de alguns artigos em simultâneo. A maquinagem CNC é o método principal para produzir protótipos de alta precisão, uma vez que proporciona uma excelente durabilidade e precisão com capacidades de repetibilidade, tornando-a ideal para testes funcionais e validação mecânica.

As empresas, incluindo a First Mold, beneficiam das injecções rápidas de ferramentas como forma de produção de protótipos de plástico. Esta tecnologia melhora o desenvolvimento de produtos em massa de alta qualidade. As organizações beneficiam de preços competitivos para os requisitos de produção. Para o fabrico de pequenos lotes, o processo de fundição a vácuo gera resultados notáveis porque duplica as especificações da moldagem por injeção, ao mesmo tempo que oferece várias opções de materiais flexíveis.

Etapa 4: Seleção do material

A seleção dos plásticos adequados determina o sucesso da obtenção das caraterísticas mecânicas, do comportamento térmico e das qualidades estéticas necessárias nos protótipos de plástico. A eletrónica de consumo e as peças para automóveis utilizam o Acrilonitrilo Butadieno Estireno (ABS) como material de eleição porque oferece uma força excecional e uma forte resistência ao impacto.

Etapa 5: Bricolage vs. subcontratação

A escolha entre fabricar o protótipo de plástico na linha de produção da organização ou subcontratá-lo a outros fabricantes depende de vários factores. Embora a Fastmold se dedique à produção destes produtos, algumas das diferentes partes são subcontratadas. Como engenheiro, é necessário avaliar os factores de produção, incluindo a disponibilidade dos materiais, o tempo de produção e a urgência do produto.

Por exemplo, com uma linha de produção e maquinaria bem definidas, a First Mold considera sobretudo a bricolage em vez da externalização. As fases iniciais de desenvolvimento e as rápidas modificações de design apresentam o melhor desempenho para o método de prototipagem DIY. Pode utilizar as suas impressoras 3D ou máquinas CNC disponíveis para fazer protótipos dentro da sua organização, o que oferece um melhor controlo e resultados mais rápidos com um nível de orçamento semelhante. As técnicas de bricolage revelam pontos fracos na produção de componentes com elevada precisão, tolerâncias apertadas e desempenho avançado dos materiais.

Devem ser selecionados fabricantes profissionais para produzir protótipos de plástico que exijam elevada precisão, caraterísticas geométricas complexas e qualidade de fabrico. Os fornecedores especializados superam o equipamento interno, fornecendo maquinação CNC de alta precisão, moldagem por injeção e capacidades de impressão 3D de nível industrial. Os fabricantes especializados permitem que os clientes acedam a inúmeros materiais juntamente com diversas opções de acabamento e métodos de pós-processamento através do outsourcing. O processo de planeamento da externalização requer atenção, uma vez que os diferentes fornecedores têm diferentes prazos de entrega e estruturas de custos.

A aquisição de fornecedores para outsourcing requer uma avaliação centrada nos elementos de preço, nos prazos de construção e nas capacidades de produção, bem como nos testemunhos dos consumidores. Verifique se o fabricante funciona de acordo com as normas da indústria e se oferece uma entrega consistente durante o período de tempo pré-determinado.

Etapa 6: Testes e Iteração

O fabrico de protótipos de plástico atinge um ponto crucial com os testes. Os testes demonstram se o projeto cumpre as suas exigências funcionais. Os testes também garantem que o produto cumpre os requisitos mecânicos e os padrões estéticos. A avaliação de elementos-chave através de testes funcionais utiliza simulações que reproduzem condições reais para detetar pontos fracos antes do lançamento do produto. Os engenheiros utilizam a análise de elementos finitos (FEA) para prever a forma como a tensão se distribuirá e como os objectos se deformarão ao longo das suas estruturas. Os ensaios físicos permitem aos fabricantes verificar a integridade dos produtos através de testes de queda, exames de suporte de carga e avaliações da resistência ao stress térmico dos materiais selecionados.

As opiniões dos clientes sobre as funções do produto são fundamentais para desenvolver um protótipo melhor. Os testes laboratoriais com utilizadores finais, engenheiros e partes interessadas demonstram a valiosa capacidade de identificar questões relacionadas com o sistema que afectam a usabilidade, ao mesmo tempo que detectam alterações de aparência física fáceis de utilizar. Os ensaios de elementos de mobilidade devem abordar a eficiência funcional, a facilidade de montagem e a perceção tátil para satisfazer os requisitos do produto. O protótipo beneficia de múltiplas actualizações de desempenho através da contribuição direta de aplicações do mundo real, o que resulta numa maior facilidade de utilização pelos utilizadores finais.

A primeira etapa da estratégia de melhoria do design envolve a recolha de dados a partir do feedback recebido. Os engenheiros modificam o modelo CAD antes de gerar a nova versão, alterando as tolerâncias, melhorando as geometrias e implementando modificações no design. O aperfeiçoamento iterativo do produto garante que os fabricantes cumprem as propriedades exigidas. Este processo elimina possíveis erros na satisfação das exigências dos clientes.

Redução de custos na prototipagem de plástico

Os materiais económicos devem ser selecionados em primeiro lugar como uma abordagem de redução de despesas para protótipos de plástico, ao mesmo tempo que se alinham com os objectivos do protótipo. Os modelos conceptuais mantêm-se económicos nas fases iniciais de conceção através da aplicação de materiais PLA e ABS, uma vez que proporcionam um excelente desempenho com despesas reduzidas. Ao selecionar materiais para protótipos funcionais, é crucial escolher materiais que apresentem caraterísticas de resistência e factores de custo e durabilidade mínimos.

Os especialistas utilizam técnicas de otimização do design escrito para reduzir os materiais durante a produção e acelerar as operações de maquinagem, reduzindo assim os custos de fabrico. Os engenheiros atingem estes objectivos através de elementos de suporte simplificados, dimensões de parede uniformes e eliminação de todos os componentes de hardware.

Para minimizar as despesas, a seleção das tecnologias de prototipagem adequadas deve corresponder à quantidade de produção e ao nível de complexidade do design. Os projectos técnicos de baixo volume beneficiam da impressão 3D e a produção complexa de alta precisão utiliza a maquinagem CNC. Quando a produção industrial recorre a fabricantes de protótipos de plástico, recebe conhecimentos especializados a preços de desconto em massa através do acesso a equipamento de produção avançado. Os fornecedores devem ser avaliados através destes factores para obter as melhores soluções, combinando a relação custo-eficácia com uma excelente qualidade e uma entrega rápida.

Estudos de caso e ferramentas

A utilização de técnicas de prototipagem em plástico permite reduzir significativamente a produção industrial, de acordo com aplicações práticas da indústria. Os custos de fabrico de uma empresa de eletrónica de consumo diminuíram 40% através da utilização de protótipos de plástico impressos em 3D na fase inicial de testes. Através de iterações de impressão FDM e SLA, a empresa detectou falhas de conceção problemáticas, evitando a utilização de ferramentas de moldagem por injeção dispendiosas. A implementação precoce desta abordagem poupou despesas de fabrico e evitou despesas desnecessárias com ferramentas e retrabalho, simplificando a prontidão da produção em massa.

O SolidWorks e o Fusion 360, juntamente com o ANSYS, impulsionam a eficiência através das suas funções nas simulações de modelação CAD e na análise estrutural. A otimização do material de validade do design e os testes de tensão dos designs tornam-se possíveis através destas ferramentas durante o período de produção, antes do início do fabrico físico. O software de estimativa de custos de fabrico ajuda os engenheiros a comparar as despesas do produto entre materiais e métodos de produção, juntamente com os fornecedores, para encontrar a solução de prototipagem mais económica.

Conclusão

Antes de se comprometerem com a produção em massa, as empresas devem conceber protótipos de plástico que confirmem a funcionalidade e a conceção do produto através de testes, melhorando simultaneamente a eficiência do processo de fabrico. As empresas atingem os seus requisitos de protótipo definindo objectivos, selecionando materiais adequados e utilizando métodos de fabrico de plástico adequados para a criação de protótipos.

A repetição de testes e ciclos de melhoramento pode melhorar o desempenho do produto e a eficiência de custos. A criação de protótipos adequados de métodos plásticos com recursos internos ou fabricantes externos ajuda a acelerar a velocidade da inovação e a reduzir os riscos para uma transição suave das ideias para a produção em massa.