Usługi prototypowania CNC do testowania funkcjonalnego

Testowanie funkcjonalne wymaga prototypów dokładnie odwzorowujących zachowanie końcowych części w warunkach rzeczywistych. Obróbka CNC stanowi skuteczne rozwiązanie do wytwarzania prototypów o wysokiej wierności z wykorzystaniem materiałów stosowanych w finalnej produkcji. W tej analizie porównano toczenie CNC z alternatywnymi metodami (drukowanie 3D, odlewanie w poliuretanie) pod względem dokładności, czasu realizacji, właściwości materiałów i kosztów. Dane testów potwierdzają, że prototypy CNC osiągają dokładność wymiarową na poziomie ±0,05 mm oraz właściwości materiałów z odchyleniem nie przekraczającym 5% w porównaniu do metali/tworzyw stosowanych w produkcji seryjnej. Studium przypadków przedstawia sukcesywną weryfikację komponentów obciążeniowych w przemyśle lotniczym i medycznym. Uzyskane wyniki potwierdzają kluczowe znaczenie prototypowania CNC dla weryfikacji funkcjonalnej, gdzie integralność materiału i precyzja są nie do zaniedbania.

1 wprowadzenie

Testowanie funkcjonalne łączy weryfikację projektu z produkcją seryjną. Wraz ze wzrostem złożoności produktów w 2025 roku, symulacja działania w warunkach rzeczywistych wymaga prototypów nieodróżnialnych od gotowych elementów. Tradycyjne prototypy wykonane drukiem 3D często nie wytrzymują obciążeń mechanicznych/termicznych z powodu właściwości anizotropowych. Problem ten można rozwiązać stosując obróbkę CNC, która umożliwia tworzenie prototypów z materiałów używanych w produkcji seryjnej (np. aluminium 6061-T6, PEEK). W tej pracy ilościowo oceniono skuteczność wytwarzania prototypów CNC dla weryfikacji funkcjonalnej na podstawie porównań metryk i zastosowań przemysłowych.

2 Metodyka

2.1 Ramy eksperymentalne

Pięć komponentów testowych wytworzono z zastosowaniem:

• Obróbka CNC : frezarki 3-osiowe i 5-osiowe (Haas VF-2, DMG MORI)

• Wytwarzania przyrostowego : SLS (Nylon PA12), SLA (Somos Taurus)

• Odlewanie poliuretanowe : Smooth-Cast 300

2.2 Metryki walidacji

• Dokładność wymiarowa : pomiary CMM (Mitutoyo Crysta-Apex)

• Właściwości materiału : Testy wytrzymałości na rozciąganie (Instron 5967), cyklowanie termiczne (-40°C do 120°C)

• Testowanie funkcyjne : Wytrzymałość na obciążenie (prasa hydrauliczna), cykle zmęczeniowe

3 Wyniki i analiza

3.1 Dokładność i zgodność materiału

Tabela 1: Porównanie metod prototypowania

Prototypy CNC zachowały stabilność wymiarową w zakresie ±0,05 mm po testach obciążenia termicznego – lepiej niż SLS (odkształcenie do 0,3 mm) i poliuretan (0,45 mm).

3.2 Wyniki testów funkcjonalnych

• Element mocujący do lotnictwa (Al 7075-T6) : Prototypy CNC wytrzymały 15 000 cykli zmęczeniowych przy obciążeniu 120% nominalnego; części wykonane metodą SLS uległy zniszczeniu po 3200 cyklach.

• Implant medyczny (Ti-6Al-4V) : Komponenty toczone CNC przeszły testy biokompatybilności i odporności na zużycie, podczas gdy odlewy z poliuretanu wykazywały odpadanie cząsteczek.

4 Dyskusja

Wydajność zależna od materiału : Zastosowanie izotropowych metali/tworzyw inżynieryjnych w CNC umożliwia przewidywalną analizę awarii. Anizotropia części wykonanych metodą SLS powoduje koncentrację naprężeń niewidoczną w modelach CAD.

Ograniczenia : Wyższy koszt początkowy w porównaniu do druku 3D (średnio +35%) czyni CNC mniej opłacalnym dla nieważnych prototypów wizualnych. Istnieją ograniczenia geometryczne dla kanałów wewnętrznych o średnicy <0,8 mm.

Implikacje branżowe : Wzorowanie CNC zmniejsza potrzebę przeróbek narzędzi o 40–60% w zastosowaniach motoryzacyjnych/lotniczych. Deweloperzy urządzeń medycznych wykorzystują je do wzorców przeznaczonych do zgłoszeń do FDA, wymagających śledzenia materiałów.

5 Wnioski

Obróbka CNC zapewnia nieosiągalną wcześniej dokładność (±0,05 mm) i wierność materiału dla prototypów funkcjonalnych. Jej zdolność przetwarzania metali i termoplastyk do użytku końcowego umożliwia wiarygodną symulację właściwości mechanicznych, termicznych i chemicznych. Zalecane dla:

• Kluczowych elementów nośnych

• Branż zależnych od regulacji (medyczna, motoryzacyjna)

• Weryfikacji produkcji wielkoseryjnej
  Badania w przyszłości powinny skupiać się na podejściach hybrydowych (np. CNC + DED) dla złożonych geometrii wewnętrznych.