Prototypowanie – niezbędny etap przed uruchomieniem seryjnej produkcji z tworzyw sztucznych.

Wprowadzenie nowego produktu, lub komponentu na rynek to proces wymagający precyzji, doświadczenia i odpowiedniego przygotowania. W produkcji seryjnej z tworzyw sztucznych, przed wdrożeniem produktu, kluczowy jest etap prototypowania, który determinuje późniejszą produkcję seryjną, a także pozwala na eliminację błędów, optymalizację procesu oraz zapewnienie wysokiej jakości finalnego produktu. W niniejszym artykule opisano, na czym polega prototypowanie w kontekście produkcji z tworzyw sztucznych.

Co to jest prototypowanie i dlaczego jest niezbędne?

Prototypowanie to etap poprzedzający rozpoczęcie seryjnej produkcji, który ma na celu dokładne przeanalizowanie projektu, wykonanie próbnych elementów i wprowadzenie ewentualnych korekt. W kontekście tworzyw sztucznych ten proces obejmuje szereg działań, które zapewniają, że finalny produkt spełni wszystkie wymagania techniczne, estetyczne i funkcjonalne.

Bez etapu prototypowania ryzykujemy kosztowne błędy w późniejszej produkcji seryjnej, które mogą skutkować nieodpowiednią jakością produktów, problemami technologicznymi czy stratami materiałów.

Co to jest prototyp

Prototyp to wstępna wersja produktu, która służy do testowania i weryfikacji założeń projektowych przed rozpoczęciem produkcji seryjnej. Jest to model odzwierciedlający końcowy produkt pod względem kształtu, wymiarów, funkcjonalności i estetyki, jednak wykonany często w sposób uproszczony lub przy użyciu materiałów tymczasowych.

W kontekście produkcji z tworzyw sztucznych pojęcie prototypu jest szerokie. Może być to element:

• wykonany przy użyciu formy prototypowej lub 
• wykonany za pomocą technik szybkiego prototypowania (np. druk 3D)
• wykonany na formie roboczej z innego materiału
• wykonany na formie roboczej element z docelowego materiału, który ma na celu przetestowanie przed rozpoczęciem produkcji seryjnej. W tym przypadku powstały prototyp jest bliski docelowemu produktowi

Jego głównym celem jest:

• weryfikacja projektu – czy spełnia oczekiwania użytkownika i wymagania techniczne i założenia biznesowe.
• testowanie funkcjonalności – czy produkt działa zgodnie z założeniami.
• identyfikacja błędów – znalezienie i wyeliminowanie potencjalnych problemów przed produkcją seryjną, szczególnie jeżeli nowy produkt zawiera niestandardowe rozwiązania.

Prototyp dostarcza informacji zwrotnej i jest podstawą do oceny i wprowadzenia modyfikacji, aby zapewnić, że finalny produkt będzie w pełni zgodny z wymaganiami.

Prototypowanie – dwie podstawowe drogi

Do produkcji seryjnej z tworzyw sztucznych dla większości produktów potrzebujemy narzędzia (formy). Najpopularniejszą technologią jest wtryskiwanie, ale formy potrzebne są także w innych technologiach takich jak wytłaczanie, termoformowanie czy odlewanie rotacyjne. Mamy dwie możliwości, czyli stworzenie prototypu przed wykonaniem formy roboczej, a także dopiero po jej wykonaniu.

Pierwsza droga – stworzenie prototypu przed wykonaniem formy roboczej

Jeżeli jest to możliwe i uzasadnione, warto tworzyć prototypy przed inwestycją w formę, która jest znacznym kosztem. Prototypy wizualne (fizyczne produkty które możemy wziąć do ręki) w przydatny sposób pozwalają ocenić docelowy produkt, czy jest odpowiednio wytrzymały, co należy poprawić, itd. W tym przypadku mamy dwie możliwości, prototyp może być wykonany:

• wykonany za pomocą technik szybkiego prototypowania, np. druk 3D. Rozwiązanie to jest atrakcyjne kosztowo, w porównaniu do kosztu formy roboczej.
• wykonany przy użyciu formy prototypowej. Formy prototypowe mogą stanowić 10-40% kosztu formy roboczej. W niektórych sytuacjach warto stosować to rozwiązanie, zwłaszcza w technologii termoformowania, gdyś formy prototypowe są stosunkowo tanie. Rozwiązanie jest rzadziej stosowane w technologii wtryskiwania.

Druga droga – prototypowanie na formie roboczej

Nie zawsze przed wykonaniem formy możliwe jest stworzyć prototyp, który oddaje właściwości docelowego produktu. Szczególnie ma to znaczenie dla produktów, które muszą cechować się odpowiednią wytrzymałością, lub dokładnością wymiarową. Dla przykładu rozważmy prototypy drukowane 3D przed wykonaniem formy wtryskowej. Należy pamiętać, że druk 3D ma inną tolerancję wymiarową niż wtrysk. Poza tym obie technologie cechują się inną strukturę wewnętrzną. Sprawia to, że mimo niskich kosztów wykonania prototypu drukowanego 3D, nie jest to zawsze stosowane rozwiązanie. 

Na formie roboczej powstają precyzyjne prototypy, które mogą być

• wykonane z innego materiału
• wykonane z docelowego materiału. W tym przypadku powstaje prototyp bliski docelowemu produktowi

Proces prototypowania krok po kroku

W oparciu o informacje przestawione w powyższych akapitach opisujemy krok po kroku, na czym polega prototypowanie.

1. Analiza i walidacja projektu

Pierwszym etapem prototypowania jest szczegółowa analiza projektu produktu. Na tym etapie oceniamy:

• możliwości technologiczne, a także to, czy sam projekt jest technologiczny, czy należy dokonać pewnych korekt
• dobór materiału,
• potencjalne problemy, które mogą wystąpić podczas produkcji.

Przy projektach z tworzyw sztucznych szczególną uwagę zwracamy na specyfikę materiału, grubość ścianek, sposób łączenia elementów, strukturę wewnętrzną czy tolerancję wymiarową.

Na tym etapie powstaje rysunek lub model produktu

2. Etap opcjonalny – Wykonanie prototypu za pomocą technik szybkiego prototypowania, np. druku 3D

Jeżeli jest to uzasadnione, to na podstawie modelu 3D, który powstał w pierwszym kroku, wykonujemy fizyczny prototyp, aby ocenić i przetestować fizyczny element, pamiętając, że nie będzie on miał w 100% właściwości docelowego elementu. Proces tworzenia druku 3D jest szybki i może pełnić kluczową rolę w dostarczeniu niezbędnych informacji zanim przejdziemy do dalszych etapów wdrażania produktu na rynek. 

3. Projektowanie formy, np. wtryskowej

Forma to serce produkcji z tworzyw sztucznych. Dla przykładu, dla wtryskiwania, na tym etapie tworzony jest szczegółowy projekt formy, który uwzględnia:

• geometrię produktu,
• kanały wlewowe,
• systemy chłodzenia i inne,

Celem jest stworzenie formy, która będzie wydajna, precyzyjna i zoptymalizowana pod kątem kosztów produkcji seryjnej.

Etap ten kończy się dokumentacją projektową formy wtryskowej.

4. Etap opcjonalny – Wykonanie formy prototypowej i produkcja prototypów

Forma prototypowa różni się od produkcyjnej, ponieważ jest tworzona z myślą o testach. Często stosuje się materiały bardziej ekonomiczne, aby minimalizować koszty na tym etapie.

Pozwala to na sprawdzenie elementu zbliżonego lub takiego samego jak dla późniejszej produkcji seryjnej. Ze względu na poziom kosztów jest to częsta praktyka w technologii termoformowania.

Etap ten kończy się wykonaniem prototypów na formie.

5. Wykonanie formy roboczej i produkcja prototypów

Po zaakceptowaniu projektu formy następuje jej wykonanie i przystosowanie do maszyny, a następnie wykonanie serii próbnej.

Wykonane prototypy są dokładnie mierzone, testowane i oceniane pod kątem:

• wymiarów,
• wytrzymałości,
• estetyki,
• funkcjonalności,
• innych.

Etap ten kończy się wykonaniem prototypów na formie roboczej (produkcyjnej).

6. Dokonywanie korekt i ostateczny dobór parametrów produkcji

Wykonywanie prototypów i dokonywanie korekt jest procesem iteracyjnym. Korekty mogą dotyczyć zarówno parametrów produkcyjnych jak i zmian na samej formie. 

Optymalizowane są parametry procesu produkcji, takie jak:

• temperatura wtrysku,
• czas cyklu,
• siła docisku,
• i inne.

Precyzyjne ustawienie tych parametrów jest kluczowe, aby zapewnić powtarzalność i wysoką jakość w produkcji seryjnej.

Korekty na formie mogą obejmować:

• modyfikację geometrii,
• poprawę systemu chłodzenia,
• zmiany w kanałach wlewowych.

Cały ten proces powtarzany jest do momentu, w którym prototypy uznajemy za wzorce (produkty spełniające wszystkie stawiane przed nimi wymagania)

7. Zatwierdzenie i przygotowanie do produkcji seryjnej

Po osiągnięciu satysfakcjonujących wyników prototypowania, projekt zostaje zatwierdzony do produkcji seryjnej. Forma wtryskowa jest wówczas dostosowywana do pełnej wydajności produkcyjnej, a proces wytwarzania jest gotowy do realizacji na dużą skalę.

Korzyści wynikające z prototypowania

Prototypowanie to nie tylko eliminacja błędów, ale także:

• oszczędność kosztów – wczesne wykrycie i korekta błędów jest znacznie tańsze niż poprawki na etapie produkcji seryjnej.
• optymalizacja procesu – precyzyjne ustawienie parametrów produkcji pozwala na osiągnięcie wysokiej efektywności i minimalizację odpadów.
• wyższa jakość produktu – testowanie i modyfikacje zapewniają, że finalny produkt spełnia najwyższe standardy.

Podsumowanie

Prototypowanie to kluczowy etap, który pozwala na płynne przejście od projektu do produkcji seryjnej. Dzięki dokładnemu analizowaniu projektu, testowaniu prototypów oraz optymalizacji procesu produkcji możemy zagwarantować, że finalny produkt z tworzyw sztucznych będzie spełniał wszystkie oczekiwania klientów.

W Plastipol zdajemy sobie sprawę, jak ważne jest prototypowanie, dlatego oferujemy kompleksowe wsparcie na każdym etapie – od analizy projektu po przygotowanie produkcji seryjnej. Jeśli planujesz produkcję nowego elementu, skontaktuj się z nami, aby dowiedzieć się więcej, jak możemy Ci pomóc.