Hitra izdelava prototipov

Stroj za hitro izdelavo prototipov z uporabo selektivnega laserskega sintranja (SLS)

Rezanje 3D modela
Hitra izdelava prototipov je skupina tehnik, ki se uporabljajo za hitro izdelavo pomanjšanega modela fizičnega dela ali sklopa z uporabo podatkov tridimenzionalnega računalniško podprtega načrtovanja (CAD).Konstrukcija dela ali sklopa se običajno izvaja s 3D tiskanjem ali tehnologijo "proizvodnje z dodatnimi plastmi".

Prve metode za hitro izdelavo prototipov so postale na voljo sredi osemdesetih let in so bile uporabljene za izdelavo modelov in prototipnih delov.Danes se uporabljajo za širok spekter aplikacij in se uporabljajo za izdelavo delov proizvodne kakovosti v razmeroma majhnem številu, če je to potrebno, brez tipične neugodne kratkoročne ekonomije.To gospodarstvo je spodbudilo spletne storitvene urade.Zgodovinski pregledi tehnologije RP se začnejo z razpravami o tehnikah izdelave simulakra, ki so jih uporabljali kiparji iz 19. stoletja.Nekateri sodobni kiparji uporabljajo tehnologijo potomcev za izdelavo razstav in različnih predmetov.Zmožnost reprodukcije modelov iz nabora podatkov je povzročila vprašanja pravic, saj je zdaj mogoče interpolirati volumetrične podatke iz enodimenzionalnih slik.

Tako kot pri CNC subtraktivnih metodah se računalniško podprto načrtovanje – računalniško podprta proizvodnja CAD -CAM delovni tok v tradicionalnem procesu hitre izdelave prototipov začne z ustvarjanjem geometrijskih podatkov, bodisi kot 3D trdno telo z uporabo delovne postaje CAD ali 2D rezine z uporabo naprava za skeniranje.Za hitro izdelavo prototipov morajo ti podatki predstavljati veljaven geometrijski model;in sicer tisto, katere mejne površine obdajajo končno prostornino, ne vsebujejo lukenj, ki bi razkrivale notranjost, in se ne prepognejo nazaj.Z drugimi besedami, predmet mora imeti "notranjost".Model je veljaven, če lahko računalnik za vsako točko v 3D prostoru enolično določi, ali ta točka leži znotraj, na ali zunaj mejne površine modela.Postprocesorji CAD bodo približali notranje geometrijske oblike CAD prodajalcev aplikacij (npr. B-zlepke) s poenostavljeno matematično obliko, ki je nato izražena v določenem formatu podatkov, ki je običajna značilnost aditivne proizvodnje: format datoteke STL, de facto standard za prenos trdnih geometrijskih modelov na stroje SFF.

Za pridobitev potrebnih trajektorij nadzora gibanja za poganjanje dejanskega SFF, hitre izdelave prototipov, 3D-tiskanja ali mehanizma za aditivno proizvodnjo, se pripravljeni geometrijski model običajno razreže na plasti, rezine pa se skenirajo v črte (pri čemer se ustvari "2D-risba", ki se uporablja za ustvarjanje trajektoriji kot v CNC-jevi poti orodja), ki v obratni smeri posnema proces fizične gradnje od plasti do plasti.

1. Področja uporabe
Hitra izdelava prototipov se pogosto uporablja tudi v programskem inženirstvu za preizkušanje novih poslovnih modelov in aplikacijskih arhitektur, kot so vesoljska industrija, avtomobilizem, finančne storitve, razvoj izdelkov in zdravstvo.Ekipe za vesoljsko oblikovanje in industrijske ekipe se zanašajo na izdelavo prototipov, da ustvarijo nove metodologije AM v industriji.S SLA lahko hitro naredijo več različic svojih projektov v nekaj dneh in hitreje začnejo testirati.Hitra izdelava prototipov omogoča oblikovalcem/razvijalcem, da zagotovijo natančno predstavo o tem, kakšen bo končni izdelek, preden vložijo preveč časa in denarja v prototip.3D-tiskanje, ki se uporablja za hitro izdelavo prototipov, omogoča izvedbo industrijskega 3D-tiskanja.S tem bi lahko v kratkem času hitro izčrpali velike kalupe za rezervne dele.

2. Zgodovina
V sedemdesetih letih prejšnjega stoletja so Joseph Henry Condon in drugi v Bell Labs razvili sistem Unix Circuit Design System (UCDS), ki je avtomatiziral težavno in k napakam nagnjeno nalogo ročnega pretvarjanja risb v izdelavo tiskanih vezij za namene raziskav in razvoja.

Do osemdesetih let prejšnjega stoletja so bili oblikovalci politik v ZDA in industrijski menedžerji prisiljeni ugotoviti, da je ameriška prevlada na področju proizvodnje strojnih orodij izginila, v tako imenovani krizi strojnih orodij.Številni projekti so se skušali zoperstaviti tem trendom na tradicionalnem področju CNC CAM, ki se je začel v ZDA.Kasneje, ko so se sistemi za hitro izdelavo prototipov preselili iz laboratorijev, da bi jih komercializirali, je bilo ugotovljeno, da je razvoj že mednaroden in da si ameriška podjetja za hitro izdelavo prototipov ne bi privoščila razkošja, da bi pustila, da bi se vodila izmuznila.Nacionalna znanstvena fundacija je bila krovna za Nacionalno upravo za aeronavtiko in vesolje (NASA), ameriško ministrstvo za energijo, ameriško ministrstvo za trgovino NIST, ameriško ministrstvo za obrambo, agencijo za napredne obrambne raziskovalne projekte (DARPA) in urad za Naval Research je koordiniral študije za obveščanje strateških načrtovalcev pri njihovih posvetovanjih.Eno takšnih poročil je bilo poročilo o hitri izdelavi prototipov v Evropi in na Japonskem iz leta 1997, v katerem Joseph J. Beaman, ustanovitelj DTM Corporation, ponuja zgodovinsko perspektivo:

Korenine tehnologije hitre izdelave prototipov lahko izsledimo v praksah v topografiji in fotoskulpturi.Znotraj TOPOGRAFIJE Blanther (1892) je predlagal večplastno metodo za izdelavo kalupa za dvignjene reliefne papirnate topografske zemljevide. Postopek je vključeval rezanje konturnih črt na vrsti plošč, ki so bile nato zložene.Matsubara (1974) iz Mitsubishija je predlagal topografski postopek s fotopolimerno smolo, ki utrjuje svetlobo, za oblikovanje tankih plasti, zloženih v kalup za ulivanje.FOTOSKULPTURA je bila tehnika iz 19. stoletja za ustvarjanje natančnih tridimenzionalnih replik predmetov.Najbolj znan je Francois Willeme (1860), ki je postavil 24 kamer v krožni niz in hkrati fotografiral predmet.Silhueta vsake fotografije je bila nato uporabljena za izrezovanje replike.Morioka (1935, 1944) je razvil hibridno fotografsko skulpturo in topografski postopek z uporabo strukturirane svetlobe za fotografsko ustvarjanje obrisov predmeta.Črte bi lahko nato razvili v liste in jih razrezali in zložili ali projicirali na osnovni material za rezbarjenje.Munz (1956) proces je reproduciral tridimenzionalno sliko predmeta s selektivnim osvetljevanjem, plast za plastjo, fotoemulzije na spuščajočem se batu.Po fiksaciji je v trdnem prozornem valju slika predmeta.

— Joseph J. Beaman
»Začetki hitre izdelave prototipov – RP izhajajo iz nenehno rastoče industrije CAD, natančneje iz strani CAD modeliranja trdnih delcev.Preden je bilo v poznih 1980-ih uvedeno trdno modeliranje, so bili tridimenzionalni modeli ustvarjeni z žičnimi okvirji in površinami.Toda šele z razvojem pravega trdnega modeliranja je bilo mogoče razviti inovativne procese, kot je RP.Charles Hull, ki je leta 1986 pomagal ustanoviti podjetje 3D Systems, je razvil prvi postopek RP.Ta postopek, imenovan stereolitografija, gradi predmete s strjevanjem tankih zaporednih plasti nekaterih tekočih smol, občutljivih na ultravijolično svetlobo, z laserjem nizke moči.Z uvedbo RP bi lahko CAD trdni modeli nenadoma zaživeli«.

Tehnologije, imenovane Solid Freeform Fabrication, so tisto, kar danes prepoznavamo kot hitro izdelavo prototipov, 3D tiskanje ali aditivno proizvodnjo: Swainson (1977), Schwerzel (1984) sta delala na polimerizaciji fotoobčutljivega polimera na presečišču dveh računalniško vodenih laserskih žarkov.Ciraud (1972) je obravnaval magnetostatično ali elektrostatično nanašanje z elektronskim žarkom, laserjem ali plazmo za sintrano površinsko oblogo.Vsi so bili predlagani, vendar ni znano, ali so bili izdelani delovni stroji.Hideo Kodama iz mestnega industrijskega raziskovalnega inštituta Nagoya je prvi objavil poročilo o trdnem modelu, izdelanem s fotopolimernim sistemom za hitro izdelavo prototipov (1981).Prvi sistem za hitro izdelavo 3D prototipov, ki temelji na modeliranju z zlitjem nanosa (FDM), je aprila 1992 izdelal Stratasys, vendar je patent izdal šele 9. junija 1992. Sanders Prototype, Inc je predstavil prvi namizni brizgalni 3D tiskalnik (3DP) z uporabo izum iz 4. avgusta 1992 (Helinski), Modelmaker 6Pro konec leta 1993 in nato večji industrijski 3D-tiskalnik Modelmaker 2 leta 1997. Z-Corp, ki uporablja prašno vezavo MIT 3DP za Direct Shell Casting (DSP), izumljen leta 1993, je bil predstavljen v na trg leta 1995. Že takrat je veljalo, da ima tehnologija svoje mesto v proizvodni praksi.Izhod nizke ločljivosti in nizke trdnosti je imel vrednost pri preverjanju zasnove, izdelavi kalupov, proizvodnih šablon in drugih področjih.Rezultati so vztrajno napredovali proti uporabam z višjimi specifikacijami.Sanders Prototype, Inc. (Solidscape) je začel kot proizvajalec 3D-tiskanja za hitro izdelavo prototipov z modelom Modelmaker 6Pro za izdelavo žrtvenih termoplastičnih vzorcev modelov CAD, ki uporablja tehnologijo brizgalnih enojnih šob Drop-On-Demand (DOD).

Nenehno se iščejo inovacije za izboljšanje hitrosti in zmožnosti obvladovanja aplikacij množične proizvodnje.Dramatičen razvoj, ki si ga RP deli s sorodnimi področji CNC, je brezplačna odprtokodnost aplikacij na visoki ravni, ki sestavljajo celotno verigo orodij CAD-CAM.To je ustvarilo skupnost proizvajalcev naprav z nizko ločljivostjo.Ljubitelji so se lotili celo zahtevnejših oblik naprav z laserskim delovanjem

Najzgodnejši seznam procesov RP ali tehnologij izdelave, objavljen leta 1993, je napisal Marshall Burns in zelo temeljito razlaga vsak postopek.Poimenuje tudi nekatere tehnologije, ki so bile predhodnice imen na spodnjem seznamu.Na primer: Visual Impact Corporation je proizvedla samo prototip tiskalnika za nanašanje voska in je namesto tega licencirala patent podjetju Sanders Prototype, Inc.BPM je uporabil iste brizgalne tiskalnike in materiale.