En prototyp fungerar. CAD-modellen ser färdig ut. Kanske har några exemplar redan 3D-printats och testats med gott resultat.
Då är det frestande att ta nästa stora steg och beställa formverktyget.
Men just här förändras förutsättningarna.
Att ändra en radie, flytta ett hål eller justera en väggtjocklek i en CAD-modell är förhållandevis enkelt. När samma geometri väl finns bearbetad i ett formverktyg blir förändringen betydligt mer komplicerad.
Därför handlar steget från prototyp till serieproduktion inte bara om att produkten fungerar.
Den måste också vara konstruerad för att kunna tillverkas stabilt, repeterbart och till en rimlig kostnad.
Ett formverktyg låser fler beslut än man tror
Ett formverktyg byggs inte bara efter detaljens yttre form.
Verktygets konstruktion påverkas av bland annat material, krympning, delningslinjer, släppvinklar, ingöt, kylning och hur detaljen ska lämna verktyget efter formningen.
Även produktionsvolymen spelar stor roll.
Ett verktyg som ska producera några tusen detaljer ställs inför andra krav än ett verktyg som ska köra hundratusentals eller miljontals cykler.
Det betyder att beställningen egentligen börjar långt innan verktygsmakaren börjar bearbeta stålet.
Först behöver man veta vilken produkt verktyget faktiskt ska producera.
Börja med funktionen
Det kan låta självklart, men innan geometrin låses behöver produktens funktion vara tydligt definierad.
Vad måste detaljen klara?
Ska den bära belastning?
Utsätts den för värme, kyla, fukt, kemikalier eller UV-ljus?
Ska den snäppas ihop med en annan komponent?
Finns det ytor som ska täta?
Vilka mått påverkar funktionen och vilka är främst kosmetiska?
Om kraven inte är tydliga är det svårt att veta vilka delar av konstruktionen som verkligen måste vara exakta.
Risken är annars att man antingen ställer onödigt hårda krav eller upptäcker för sent att ett viktigt mått inte fått tillräcklig uppmärksamhet.
Materialet bör vara bestämt innan verktyget konstrueras
Två plastmaterial kan formas till detaljer som på ritningen ser identiska ut, men ändå bete sig helt olika i produktionen.
Materialen kan skilja sig när det gäller bland annat krympning, styvhet, fuktupptagning, flöde och temperaturberoende egenskaper. Glasfiber och andra förstärkningar kan förändra beteendet ytterligare.
Verktyget behöver ta hänsyn till detta.
Det är därför problematiskt att först konstruera ett färdigt formverktyg och sedan börja fundera på vilket material som ska användas.
Materialvalet behöver inte alltid vara låst till exakt handelsnamn från första dagen, men materialfamilj och viktiga egenskaper bör vara tillräckligt definierade för att verktygstillverkaren ska kunna dimensionera lösningen efter rätt förutsättningar.
CAD-modellen måste vara gjord för tillverkning
En detalj kan fungera utmärkt som 3D-printad prototyp men vara svår att formspruta.
Det beror på att tillverkningsmetoderna ställer helt olika krav på geometrin.
Vid formsprutning behöver man exempelvis tänka på väggtjocklekar, övergångar, radier och släppvinklar. Djupa geometrier måste kunna lämna verktyget och underskär kan kräva rörliga delar i formverktyget.
En detalj som från början ser enkel ut kan därför resultera i ett ganska avancerat verktyg.
Det är här en genomgång för tillverkningsbarhet, ofta kallad DFM – Design for Manufacturing – blir viktig.
Frågan är inte bara:
Går detaljen att tillverka?
Den mer intressanta frågan är:
Går den att tillverka på ett stabilt och ekonomiskt sätt tusentals gånger?
Jämna väggtjocklekar förenklar processen
Tjocka och tunna partier i samma detalj kyls olika snabbt.
Det kan påverka både krympning, ytfinish och detaljens slutliga form.
Därför försöker man ofta hålla godstjockleken så jämn som konstruktionen tillåter och istället använda exempelvis ribbor när högre styvhet behövs.
Det innebär inte att alla väggar alltid måste vara exakt lika tjocka.
Men stora och plötsliga förändringar bör vara genomtänkta.
En massiv förstärkning som ser bra ut i CAD-modellen kan ge helt andra konsekvenser när varm plast ska fylla geometrin och därefter kylas i verktyget.
Släppvinklar måste finnas där de behövs
När en detalj har formats ska den också kunna tas ur verktyget.
Ytor som ligger parallellt med öppningsriktningen behöver därför normalt en viss släppning.
Utan tillräcklig släppvinkel kan detaljen hålla fast i verktyget eller få märken när den stöts ut.
Det här blir särskilt viktigt vid djupa geometrier och strukturerade eller texturerade ytor.
Problemet med släppvinklar är att de lätt glöms bort under den tidiga produktutvecklingen.
En helt rak vägg kan vara enklast att rita.
Det betyder inte att den är enklast att producera.
Alla toleranser behöver inte vara snäva
Det är lätt att tänka att mindre toleranser alltid betyder en bättre produkt.
I serieproduktion är det sällan så enkelt.
En snäv tolerans ska helst finnas av en anledning. Den kan vara avgörande för en passning, tätning eller annan funktion, men på andra mått kan samma krav skapa onödiga problem.
Ju fler mått som måste ligga inom mycket små intervall, desto högre krav ställs på verktyg, material, process och mätning.
Därför bör konstruktionen skilja mellan funktionskritiska mått och mått där en större variation inte påverkar produkten.
Samma sak gäller hur måtten ska kontrolleras.
Det behöver vara tydligt var detaljen refereras, hur den ska mätas och under vilka förhållanden den ska godkännas.
Annars kan en leverantör och en beställare mäta samma detalj på olika sätt och ändå komma fram till olika resultat.
Bestäm vilka ytor som faktiskt är viktiga
En formsprutad detalj får spår av hur den produceras.
Det kan finnas en delningslinje där verktygets olika delar möts. Ingötet lämnar ett område där materialet har kommit in. Utstötare kan lämna mindre märken där detaljen trycks ur verktyget.
Dessutom kan materialflödet skapa synliga linjer på vissa ytor.
Därför behöver det vara känt vilka ytor som är visuellt kritiska.
Är en sida helt dold inne i en maskin spelar ett mindre utstötarmärke kanske ingen roll.
Sitter samma märke mitt på framsidan av en konsumentprodukt är situationen en annan.
Ytstruktur och finish behöver också diskuteras tidigt, eftersom de kan påverka både verktygets konstruktion och möjligheten att få detaljen ur formen.
Glöm inte komponenterna runt omkring
En detalj fungerar nästan aldrig ensam.
Den ska kanske monteras mot en plåtdetalj, skruvas mot en annan plastkomponent, hålla en packning eller passa runt elektronik.
När bara den enskilda komponenten granskas är det lätt att missa toleranskedjan i den färdiga produkten.
Ett hål kan ligga inom sin tolerans.
Den anslutande komponenten kan också ligga inom sin tolerans.
Ändå kanske monteringen inte fungerar när båda måtten hamnar i varsin ände av sina tillåtna intervall.
Därför bör monteringen testas innan konstruktionen låses.
Det är den färdiga funktionen som är viktig, inte bara att varje enskild ritning ser korrekt ut.
En prototyp är värdefull – men den berättar inte allt
Prototyper är ett av de viktigaste verktygen i produktutvecklingen.
De kan visa om geometrin fungerar, om produkten går att montera och om användaren kommer åt rätt funktioner.
Men en 3D-printad eller maskinbearbetad prototyp är inte samma sak som en formsprutad detalj.
Materialegenskaperna kan skilja sig. Ytan kan vara annorlunda. Måtten kan bete sig på ett annat sätt och prototypen behöver inte ta hänsyn till samma släppvinklar och materialflöden som serieproduktionen.
Prototypen ska därför användas för att besvara rätt frågor.
Den kan bekräfta konstruktionen.
Den kan däremot inte automatiskt bekräfta att formsprutningsprocessen kommer att fungera utan justeringar.
Produktionsvolymen påverkar verktygets konstruktion
Hur många detaljer ska egentligen produceras?
Det är en fråga som bör ha ett rimligt svar innan verktyget beställs.
Planerad årsvolym och förväntad total produktlivslängd påverkar vilka krav som bör ställas på verktyget.
Vid höga volymer kan exempelvis antalet kaviteter, cykeltid, kylning och automatiserad hantering få stor ekonomisk betydelse.
Vid lägre volymer kan ett enklare verktyg vara mer rationellt.
Det dyraste verktyget är inte automatiskt det bästa.
Det bästa verktyget är det som är anpassat efter den produktion som faktiskt ska köras.
Bestäm hur de första detaljerna ska godkännas
När verktyget är färdigt börjar nästa fas.
De första provkörningarna används för att se hur detaljen faktiskt beter sig när den produceras i rätt material och rätt process.
Då behöver det finnas tydliga kriterier för vad som ska kontrolleras.
Vilka mått ska mätas?
Vilka ytor är kosmetiskt viktiga?
Vilka funktionstester ska genomföras?
Ska detaljen provmonteras i den färdiga produkten?
Vad räknas som godkänt?
Om dessa frågor diskuteras först när de första provdetaljerna ligger på bordet blir bedömningen lätt subjektiv.
Det är betydligt enklare om kravbilden finns dokumenterad redan innan verktyget beställs.
Se till att alla arbetar med samma revision
Produktutveckling innebär nästan alltid ändringar.
Problemet uppstår när olika personer arbetar med olika versioner.
Verktygstillverkaren har en CAD-fil.
Konstruktören har gjort en ny version.
Inköparen har skickat en äldre ritning med offertunderlaget.
Plötsligt är det oklart vilken geometri som egentligen gäller.
Innan verktyget släpps för tillverkning bör därför CAD-modell, ritning, materialkrav och övriga specifikationer ha tydliga revisionsnummer.
Det ska inte råda någon tvekan om vilket underlag verktyget byggs efter.
Vad bör vara klart före beställningen?
Det exakta underlaget varierar mellan olika produkter och processer, men några frågor bör normalt kunna besvaras:
- Är produktens funktion och användningsmiljö definierad?
- Är materialet valt eller tillräckligt tydligt specificerat?
- Är konstruktionen granskad med hänsyn till tillverkningsmetoden?
- Är väggtjocklekar, radier och släppvinklar genomgångna?
- Är eventuella underskär och rörliga verktygsfunktioner identifierade?
- Är funktionskritiska toleranser tydligt angivna?
- Är kosmetiskt viktiga ytor definierade?
- Är monteringen mot övriga komponenter verifierad?
- Finns en uppskattning av årsvolym och total produktionsvolym?
- Är kriterierna för godkännande av de första provdetaljerna bestämda?
- Är CAD-modeller, ritningar och specifikationer versionshanterade?
Om flera av dessa frågor fortfarande saknar svar kan det vara ett tecken på att produkten behöver ytterligare ett varv i utvecklingen innan verktyget beställs.
Formverktyget ska reproducera lösningen – inte hitta den
Det finns nästan alltid möjlighet att justera ett formverktyg.
Men verktyget är en dyr plats att fortsätta grundläggande produktutveckling på.
Ju fler frågetecken som kan lösas medan produkten fortfarande är en CAD-modell, ritning eller prototyp, desto bättre är förutsättningarna när serieproduktionen väl ska starta.
Det betyder inte att allt måste vara perfekt innan den första spånan tas i verktyget.
Provkörningar, mätningar och mindre justeringar är en naturlig del av processen.
Skillnaden ligger i vilken typ av frågor som finns kvar.
Ett formverktyg bör användas för att finjustera en genomarbetad produkt och process.
Inte för att ta reda på hur produkten egentligen skulle ha konstruerats från början.
