Прототип корпуса для электроники: вырастить или фрезеровать?

  • Tutorial


Наша предыдущая статья об изготовлении рабочего прототипа электронного устройства вызвала много вопросов и обсуждений в комментариях, поэтому мы решили продолжить эту тему и сфокусироваться на создании прототипов корпусов и механизмов для электроники, чтобы вам было проще ориентироваться в различных материалах и технологиях прототипирования, которые предлагают современные производители.

Как всегда, уделим внимание самым актуальным вопросам и дадим полезные советы, исходя из нашей практики:
  1. Из каких материалов делается прототип корпус для электронных устройств?
  2. Обзор современных технологий прототипирования: что выбрать? Тут мы рассмотрим разные 3D-принтеры и сравним их с технологией фрезеровки на станках с ЧПУ.
  3. Как выбрать изготовителя прототипа, какие документы предоставить подрядчику?


1. Из чего делается прототип корпус для электронных устройств?


Оптимальные материалы для корпуса электроники подбирают с учетом требований дизайна, назначения прибора (условий работы), предпочтений заказчика и ценовой категории разработки. Современные технологии позволяют использовать следующие материалы для изготовления прототипов:
  • Различных видов пластика: ABS, PC, PA, PP и т.д. Для корпусов, требующих повышенной ударопрочности или устойчивости к воздействию агрессивных сред, используются полиамиды и полиформальдегиды (PA, POM)
  • Металлов: алюминий, различные марки нержавеющей стали, алюминиево-магниевые сплавы и др.
  • Стекло
  • Резина
  • Древесина (различные породы) и прочие экзотические материалы

Не все материалы поддаются прототипированию. Например, некоторые виды пластиков, которые используются при массовом производстве электронных устройств. В этом случае для изготовления прототипов используются аналоги, которые наиболее полно передают свойства основных материалов.

При совмещении в одном корпусе различных типов материалов важно получить консультацию специалистов, они помогут грамотно реализовать места стыковки, обеспечат нужные параметры герметичности, прочности, гибкости, т.е. сопоставят желания клиента и дизайнера устройства с реальными производственными возможностями.

2. Обзор современных технологий прототипирования: что выбрать?


Прототипы корпуса могут создаваться на оборудовании для серийного производства, но при этом используются другие технологии. Например, пластик не отливается, а фрезеруется или выращивается, поскольку создание литьевой пресс-формы — это длительный и дорогостоящий процесс.

Самые распространенные на сегодня технологии прототипирования — это фрезерование и выращивание (SLA, FDM, SLS).

Особой популярностью пользуется выращивание прототипов в 3D-принтерах, эта модная технология стремительно развивается и даже наслаивается на массовое производство. Сегодня выращивают самые разные изделия, вплоть до металлических изделий и пищевых продуктов, но всё это имеет свои ограничения. Рассмотрим эти технологии более подробно, а в конце попробуем выбрать оптимальный вариант для создания прототипа корпуса:

SLA (Stereo Lithography Apparatus) — технология стереолитографии, позволяет «выращивать» модель в жидком фотополимере, который затвердевает под воздействием ультрафиолетового лазера. Преимущества: высокая точность и возможность создания крупногабаритных моделей. Качественная поверхность SLA-прототипов легко поддается финальной обработке (ее можно шлифовать и красить). Важный недостаток технологии — хрупкость модели, SLA-прототипы не годятся для вкручивания саморезов или проверки корпусов на защелках.


SLS (Selective Laser Sintering) — технология селективного лазерного спекания, позволяет создавать прототип за счет послойного оплавления порошка. Преимущества: высокая точность и прочность, возможность получить образцы из пластика и металлов. SLS-прототипы позволяют проводить сборочные испытания корпусов с использованием шарниров, защелок и сложных узлов. Недостаток: более сложная обработка поверхности.


FDM (Fused Deposition Modeling) — технология послойного выращивания полимерной нитью. Преимущества: максимальная приближенность полученного образца к заводской версии устройства (до 80% прочности по сравнению с литьем пластика). FDM-прототип можно испытывать на функциональность, собираемость и климатику. Детали такого корпуса поддаются склейке и ультразвуковой сварке, можно использовать материалы ABS+PC (АБС-пластик + поликарбонат). Недостатки: среднее качество поверхности, сложности при финальной обработке.


Как видно, ограничения различных технологий выращивания не позволяют точно воспроизвести и передать тактильные характеристики корпуса. На основании прототипа нельзя будет сделать выводы о реальном внешнем виде устройства без дополнительной обработки. Обычно при выращивании может использоваться ограниченное количество материалов, чаще всего от одного до трех типов пластика. Главное достоинство этих методов – относительная дешевизна, но тут важно учесть, что дополнительная обработка, которая требуется для качественного внешнего вида изделия, перекрывает это достоинство. Более того, на качество прототипа влияет и точность выращивания, которая недостаточна для создания корпусов небольшого размера. А после обработки и полировки поверхности становится еще ниже.

При этом фрезеровка на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) позволяет достичь точности изготовления одного порядка с точностью массового производства. При этом можно использовать абсолютное большинство материалов, которые используются при массовом изготовлении корпусов. Основной недостаток фрезеровки — высокая трудоемкость и необходимость использования дорогостоящего оборудования, что обуславливает высокую стоимость этой технологии. Хотя эти затраты вполне сопоставимы с выращиванием корпуса, если учитывать длительную и дорогостоящую финальную обработку поверхности.

3. Как выбрать изготовителя прототипа, какие документы предоставить подрядчику?


При выборе подрядчика для изготовления прототипов стоит обратить внимание на следующие особенности:
  • Готовые прототипы должны быть полнофункциональными, максимально приближенными к серийным изделиям, чтобы их можно было использовать для сертификации, демонстрации инвестору, на выставках и презентациях.
  • Производитель должен работать с широким набором различных материалов и технологий, оказывать консультации по их выбору. Так вы сможете подобрать оптимальный вариант для вашего конкретного проекта.
  • Желательно, чтобы у подрядчика была база проверенных производителей как в СНГ, так и в Юго-Восточной Азии, чтобы вы получили оценку различных вариантов по срокам и стоимости изготовления различных компонентов вашего устройства. Так будет проще выбрать оптимальный вариант.

Напомним, что для изготовления прототипа корпуса вам нужно будет передать подрядчику сборочный чертеж либо 3D-модель в виде файла в формате STEP.

Мы надеемся, что наши советы помогут вам создать собственный прототип корпуса для электроники! Вопросы и комментарии приветствуются.
Promwad
66,00
Контрактная разработка и производство электроники
Поделиться публикацией

Комментарии 15

    +1
    Еще есть технология mjm обладающая высокой точностью и возможностью использовать разные материалы при печати. Например, поддержка делается из воска и потом легко удаляется в печке.
      +1
      Можно кстати и не удалять воск, а использовать как второй материал модели, получается хоть и не функционально, но красиво)
      image
      +1
      и еще есть литье в силикон
        0
        Согласен, сначала сделать хорошую SLA мастер-модель, а с нее отлить сколько нужно прототипов.
        Другое дело, что для отливки надо учитывать технологию отливки, так как принтер может сделать почти любую форму (например с полостью внутри, с литьем такого не получится).
          0
          С литьем можно тоже чего угодно достичь:) Полости внутри изделия получают с помощью стержневых ящиков.
        +1
        Что-то про фрезерование вы практические ничего не написали (во всяком случае в сравнение с информацией о принтерах). А например мне это было бы как раз наиболее интересно.
          0
          На самом деле про фрезеровку трудно что-то рассказать: берем 5-координатный станок с ЧПУ, который обеспечивает точность 0,05 мм; заготовку материала, из которого предполагается производить корпус; загружаем программу; а потом лучше смотреть, чем говорить.



          На выходе получаем прототип, пригодный для промо-акций, презентаций, рекламы, сертификации.
            0
            Так интересно именно в смысле прототипирования. Например какие материалы используются (насколько хорошо пластик так обрабатывать?), какие цены на станки подобные (лучше купить станок в команду разработки, как в случае с современными принтерами по пластику, или же выгоднее заказывать изготовление?), насколько ПО готово сразу изготовить деталь по модели и т.п.

            Хотя вообще наверное это уже на отдельную статью тянет… Вот предположим требуется как прототипирование, так и мелкосерийное производство в одном комплексе. Причём итоговые устройства весьма и весьма дорогие. Какие у нас варианты есть?
            Для пластиковых деталей:
            — свой 3д принтер средней цены
            — заказ стороннему производителю
            Для металлических:
            — заказ стороннему производителю
            — свой фрезерный чпу станок (вот непонятно как по деньгам)
            — свой 3d принтер (написал только для общности — по деньгам явно не проходит,)
            Сумбурно конечно написал, но вроде понятно направление интереса, да? )
              0
              Для фрезеровки можно использовать любые материалы, которые мягче фрезы.

              Примеры экзотических материалов для корпусов электроники (на сегодняшний день), которые не поддаются прототипированию методом фрезерования: керамика, стекло. Впрочем, выращивание керамических прототипов на 3D-принтерах сегодня имеет скорее академический интерес, сходный с намерением NASA выращивать космические корабли 3D-принтерами прямо на орбите.

              Фрезеровка термопластичных пластиков – вполне рутинная задача для производителей. Есть некоторые сложности с фрезеровкой тонких стенок (опасность перегрева и деформации), однако эта проблема решается режимами.

              Такие станки не покупаются для прототипирования, они слишком дорогие, чтобы их можно было просто купить и иногда использовать. Вряд ли вы сможете загрузить их на 100% прототипами.

              Если вы открываете мелкосерийное производство, то сможете использовать установленное оборудование И для прототипирования в том числе.

              Следует помнить, что фрезерованный прототип – это все равно прототип. Скажем, продолжая про пластик, отлитая на термопласт-автомате деталь будет плотнее, т.е. крепче фрезерованной. При фрезеровании нельзя получить заложенную в КД поверхность (VDI2400), но можно имитировать ее покраской.

              Давайте разделять прототипирование и мелкосерийное производство. Прототип – это несколько штук для проверки. Производство – это для потребителя.
                0
                Безусловно есть огромное количество нюансов, которые надо принимать во внимание, но если прототипировать корпуса для электроники, скажем, с линейными размерами до 20 см, то я бы предпочел именно 3д печать. Во всяком случае материал дешевле и машинка может прямо в офисе стоять. Даже для мелкой серии подойдет такой вариант.
            0
            А еще есть стандартные корпуса для радиолюбительских устройств, которые можно использовать «как есть», либо доработать сверлением/фрезерованием.
              0
              Мое сравнение корпуса напечатаного из ABS на UP! и отфрезерованного корпуса:
              image

              image
              Если интересно, скину ссылку на пост.
                0
                Не совсем понял зачем изолента. Ведь на 3д принтере вполне можно было задвигающуюся крышку сделать. Выглядело бы куда эстетичнее. При фрезеровке это уже чуть сложнее, но не невозможно.
                  0
                  А вы пробовали делать пазы на краю конструкции на экструзионном принтере?
                  Такое можно сделать только в глубине толстой детали, только в вертикальном направлении, так как будет очень тяжело убрать поддержку изнутри паза и при первой попытке вставить крышку (при условии плотного прилегания, допуск 0,2-0,5 мм) все это разлетится.
                  Ну и вид будет как у старого советского пенала.

                  Вот фото, получившегося почти идеально другого корпуса:
                  image
                  Видим, что внешний вид оставляет желать лучшего, шероховатости, слои:
                  image
                  Видны искажения геометрии при печать ABS длинной детали:
                  image
                  Заметны ошибки — стойки под болты не достаточно толстые для послойной печати, нужно делать касание к внешней стенке, либо сплошной угол с отверстием под саморез:
                  image
                0
                Изолента появилась из-за просчета в толщине стенок и крышки, казалось — делаем в два-три раза толще фабричного, должно быть точно хорошо, а нет, напечатанный хрупкий и гибкий, первоначально в углах заложены втулки под саморезы для фиксации крышки.
                Из-за геометрической формы, размера и материала ABS, после полутора сантиметров печати основного корпуса, начало сильно загибать вверх края, это неотъемлемое свойство ABS, корпус перекосило на пару миллиметров.
                Когда вставляли в распор сетевой шнур — лопнул по слоям пластик в этом месте. Крышку тоже чуть повело.
                В совокупности этих факторов и получилось, то что получилось.
                Конечно, раза с третьего, если увеличить еще раза в два толщину, переусилить все, что имеет малейшую нагрузку у нас получился более менее нормальный корпус, но опять же не совсем хорошо выглядящий с эстетической точки зрения из-за слоев.
                Печать усиленного корпуса на максимальном качестве заняла бы часов 5-6.
                Фрезерование этого корпуса заняло 20 минут, результат полностью предсказуемый и почти идеальный.
                Еще фото: image

                Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                Самое читаемое