Szybkie prototypowanie

Maszyna do szybkiego prototypowania wykorzystująca selektywne spiekanie laserowe (SLS)

Cięcie modelu 3D
Szybkie prototypowanie to grupa technik wykorzystywanych do szybkiego wytwarzania modelu w skali fizycznej części lub zespołu przy użyciu trójwymiarowych danych projektowania wspomaganego komputerowo (CAD).Konstrukcja części lub zespołu jest zwykle wykonywana za pomocą druku 3D lub technologii „wytwarzania warstw addytywnych”.

Pierwsze metody szybkiego prototypowania stały się dostępne w połowie lat 80. XX wieku i służyły do ​​produkcji modeli i części prototypowych.Obecnie są one wykorzystywane do szerokiego zakresu zastosowań i są wykorzystywane do produkcji części o jakości produkcyjnej w stosunkowo niewielkich ilościach, jeśli jest to pożądane, bez typowej niekorzystnej ekonomii krótkoterminowej.Ta gospodarka zachęciła biura usług online.Historyczne przeglądy technologii RP rozpoczynają się od omówienia technik wytwarzania symulakrów stosowanych przez dziewiętnastowiecznych rzeźbiarzy.Niektórzy współcześni rzeźbiarze wykorzystują technologię potomstwa do produkcji wystaw i różnych obiektów.Możliwość odtwarzania projektów ze zbioru danych spowodowała problemy z prawami, ponieważ obecnie możliwa jest interpolacja danych wolumetrycznych z obrazów jednowymiarowych.

Podobnie jak w przypadku metod subtraktywnych CNC, projektowanie wspomagane komputerowo – przepływ pracy wspomaganej komputerowo produkcji CAD-CAM w tradycyjnym procesie szybkiego prototypowania rozpoczyna się od utworzenia danych geometrycznych w postaci bryły 3D przy użyciu stacji roboczej CAD lub przekrojów 2D przy użyciu urządzenie skanujące.W przypadku szybkiego prototypowania dane te muszą reprezentować prawidłowy model geometryczny;mianowicie taki, którego powierzchnie graniczne obejmują skończoną objętość, nie zawierają otworów odsłaniających wnętrze i nie zaginają się.Innymi słowy, obiekt musi mieć „wnętrze”.Model jest ważny, jeśli dla każdego punktu w przestrzeni 3D komputer może jednoznacznie określić, czy ten punkt leży wewnątrz, na powierzchni granicznej modelu, czy na zewnątrz.Postprocesory CAD będą aproksymować wewnętrzne formy geometryczne CAD dostawców aplikacji (np. de facto standard przenoszenia bryłowych modeli geometrycznych na maszyny SFF.

Aby uzyskać niezbędne trajektorie sterowania ruchem do napędzania rzeczywistego SFF, szybkiego prototypowania, drukowania 3D lub mechanizmu wytwarzania addytywnego, przygotowany model geometryczny jest zazwyczaj dzielony na warstwy, a plasterki są skanowane w linie (tworząc „rysunek 2D” używany do generowania trajektorii, jak w ścieżce narzędzia CNC), naśladując w odwrotnej kolejności fizyczny proces budowania warstwa po warstwie.

1. Obszary zastosowania
Szybkie prototypowanie jest również powszechnie stosowane w inżynierii oprogramowania w celu wypróbowania nowych modeli biznesowych i architektur aplikacji, takich jak lotnictwo, motoryzacja, usługi finansowe, rozwój produktów i opieka zdrowotna.Zespoły projektowe i przemysłowe w przemyśle lotniczym opierają się na prototypowaniu w celu stworzenia nowych metodologii AM w branży.Korzystając z SLA, mogą szybko stworzyć wiele wersji swoich projektów w ciągu kilku dni i szybciej rozpocząć testowanie.Szybkie prototypowanie umożliwia projektantom/programistom przedstawienie dokładnego wyobrażenia o tym, jak będzie wyglądał gotowy produkt, zanim poświęci się zbyt wiele czasu i pieniędzy na prototyp.Druk 3D wykorzystywany do szybkiego prototypowania umożliwia przemysłowe drukowanie 3D.Dzięki temu można szybko wypompować duże formy do części zamiennych w krótkim czasie.

2. Historia
W latach 70. Joseph Henry Condon i inni pracownicy Bell Labs opracowali Unix Circuit Design System (UCDS), automatyzując pracochłonne i podatne na błędy zadanie ręcznego przekształcania rysunków w płytki drukowane do celów badawczo-rozwojowych.

W latach 80. amerykańscy decydenci i menedżerowie przemysłowi byli zmuszeni zauważyć, że dominacja Ameryki w dziedzinie produkcji obrabiarek wyparowała, co nazwano kryzysem obrabiarek.Liczne projekty miały na celu przeciwdziałanie tym trendom w tradycyjnym obszarze CNC CAM, który rozpoczął się w Stanach Zjednoczonych.Później, kiedy Rapid Prototyping Systems wyprowadził się z laboratoriów w celu komercjalizacji, uznano, że rozwój był już międzynarodowy, a amerykańskie firmy zajmujące się szybkim prototypowaniem nie miałyby luksusu wymknięcia się ołowiu.National Science Foundation była parasolem dla Narodowej Agencji Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NASA), Departamentu Energii USA, Departamentu Handlu USA NIST, Departamentu Obrony USA, Agencji Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony (DARPA) oraz Biura ds. Naval Research koordynowało badania, aby informować planistów strategicznych w ich obradach.Jednym z takich raportów był raport panelu Rapid Prototyping in Europe and Japan z 1997 r., W którym Joseph J. Beaman, założyciel DTM Corporation, przedstawia perspektywę historyczną:

Korzenie technologii szybkiego prototypowania można doszukiwać się w praktykach topografii i fotorzeźby.W ramach TOPOGRAFII Blanther (1892) zasugerował warstwową metodę wykonywania form dla map topograficznych z wypukłego papieru. Proces ten polegał na wycinaniu linii konturowych na szeregu płyt, które następnie układano w stos.Matsubara (1974) z Mitsubishi zaproponował proces topograficzny z fotoutwardzalną żywicą fotopolimerową w celu utworzenia cienkich warstw ułożonych w stos w celu wykonania formy odlewniczej.FOTORZEŹBIARKA była XIX-wieczną techniką tworzenia dokładnych trójwymiarowych replik przedmiotów.Najbardziej znany Francois Willeme (1860) umieścił 24 aparaty w okrągłym układzie i jednocześnie sfotografował obiekt.Sylwetka każdej fotografii została następnie wykorzystana do wyrzeźbienia repliki.Morioka (1935, 1944) opracował hybrydową rzeźbę fotograficzną i proces topograficzny, wykorzystując światło strukturalne do fotograficznego tworzenia konturów obiektu.Linie można następnie rozwinąć w arkusze, pociąć i ułożyć w stos lub rzutować na materiał wyjściowy do rzeźbienia.Proces Munza (1956) odtwarzał trójwymiarowy obraz obiektu poprzez selektywne naświetlanie, warstwa po warstwie, fotoemulsji na obniżającym się tłoku.Po utrwaleniu solidny przezroczysty cylinder zawiera obraz przedmiotu.

— Joseph J. Beaman
„Początki szybkiego prototypowania – RP wywodzą się z ciągle rozwijającej się branży CAD, a dokładniej z części CAD związanej z modelowaniem brył.Zanim pod koniec lat 80. wprowadzono modelowanie bryłowe, tworzono trójwymiarowe modele z ramami drucianymi i powierzchniami.Ale dopiero po opracowaniu prawdziwego modelowania bryłowego można było opracować innowacyjne procesy, takie jak RP.Charles Hull, który pomógł założyć 3D Systems w 1986 roku, opracował pierwszy proces RP.Ten proces, zwany stereolitografią, buduje obiekty poprzez utwardzanie cienkich kolejnych warstw pewnych płynnych żywic wrażliwych na światło ultrafioletowe za pomocą lasera o małej mocy.Wraz z wprowadzeniem RP modele bryłowe CAD mogły nagle ożyć”.

Technologie określane jako Solid Freeform Fabrication są tym, co dziś uznajemy za szybkie prototypowanie, drukowanie 3D lub wytwarzanie addytywne: Swainson (1977), Schwerzel (1984) pracowali nad polimeryzacją światłoczułego polimeru na przecięciu dwóch sterowanych komputerowo wiązek laserowych.Ciraud (1972) rozważał osadzanie magnetostatyczne lub elektrostatyczne za pomocą wiązki elektronów, lasera lub plazmy dla spiekanego powlekania powierzchni.Wszystkie zostały zaproponowane, ale nie wiadomo, czy zbudowano działające maszyny.Hideo Kodama z Miejskiego Przemysłowego Instytutu Badawczego w Nagoi jako pierwszy opublikował opis modelu bryłowego wykonanego przy użyciu fotopolimerowego systemu szybkiego prototypowania (1981).Pierwszy system szybkiego prototypowania 3D oparty na technologii Fused Deposition Modeling (FDM) został stworzony w kwietniu 1992 r. przez firmę Stratasys, ale patent został przyznany dopiero 9 czerwca 1992 r. Sanders Prototype, Inc. wynalazek z 4 sierpnia 1992 r. (Helinski), Modelmaker 6Pro pod koniec 1993 r., a następnie większą przemysłową drukarkę 3D, Modelmaker 2, w 1997 r. Firma Z-Corp wykorzystująca spoiwo proszkowe MIT 3DP do technologii Direct Shell Casting (DSP) wynaleziona w 1993 r. na rynek w 1995 roku. Nawet w tak wczesnym okresie technologia ta była postrzegana jako mająca miejsce w praktyce produkcyjnej.Niska rozdzielczość, niska wytrzymałość wyjściowa miała wartość w weryfikacji projektu, tworzeniu form, przyrządach produkcyjnych i innych obszarach.Produkty stale rozwijały się w kierunku zastosowań o wyższej specyfikacji.Firma Sanders Prototype, Inc. (Solidscape) zaczynała jako producent szybkiego prototypowania druku 3D z Modelmaker 6Pro do tworzenia protektorowych modeli termoplastycznych modeli CAD z wykorzystaniem technologii pojedynczej dyszy druku atramentowego Drop-On-Demand (DOD).

Nieustannie poszukuje się innowacji, aby poprawić szybkość i zdolność radzenia sobie z aplikacjami masowej produkcji.Dramatycznym osiągnięciem, które RP dzieli z pokrewnymi obszarami CNC, jest darmowe open-sourcing aplikacji wysokiego poziomu, które składają się na cały łańcuch narzędzi CAD-CAM.Stworzyło to społeczność producentów urządzeń o niskiej rozdzielczości.Hobbyści robili nawet wyprawy w kierunku bardziej wymagających projektów urządzeń z efektem laserowym

Najwcześniejsza lista procesów RP lub technologii wytwarzania opublikowana w 1993 roku została napisana przez Marshalla Burnsa i bardzo dokładnie wyjaśnia każdy proces.Wymienia również niektóre technologie, które były prekursorami nazw z poniższej listy.Na przykład: firma Visual Impact Corporation wyprodukowała tylko prototypową drukarkę do nanoszenia wosku, a następnie udzieliła licencji na patent firmie Sanders Prototype, Inc.BPM używał tych samych drukarek atramentowych i materiałów.