Nopea prototyyppien valmistus

Selektiivistä lasersintrausta (SLS) käyttävä nopea prototyyppikone

3D-mallin viipalointi
Nopea prototyyppien luominen on ryhmä tekniikoita, joita käytetään fyysisen osan tai kokoonpanon mittakaavamallin nopeaan valmistukseen käyttämällä kolmiulotteista tietokoneavusteista suunnittelua (CAD).Osan tai kokoonpanon rakentaminen tehdään yleensä käyttämällä 3D-tulostusta tai "additive layer production" -tekniikkaa.

Ensimmäiset nopean prototyyppien valmistusmenetelmät tulivat saataville 1980-luvun puolivälissä, ja niitä käytettiin mallien ja prototyyppiosien valmistukseen.Nykyään niitä käytetään monenlaisiin sovelluksiin ja niistä valmistetaan haluttaessa tuotantolaatuisia osia suhteellisen pieninä määrinä ilman tyypillistä epäsuotuisaa lyhyen aikavälin taloudellisuutta.Tämä talous on rohkaissut verkkopalvelutoimistoja.RP-teknologian historialliset selvitykset alkavat keskustelulla 1800-luvun kuvanveistäjien käyttämistä simulakkien tuotantotekniikoista.Jotkut nykyaikaiset kuvanveistäjät käyttävät jälkeläistekniikkaa näyttelyiden ja erilaisten esineiden tuottamiseen.Mahdollisuus toistaa malleja tietojoukosta on aiheuttanut oikeuksiin liittyviä kysymyksiä, koska nyt on mahdollista interpoloida tilavuustietoja yksiulotteisista kuvista.

Kuten CNC-vähennysmenetelmissä, tietokoneavusteinen suunnittelu – tietokoneavusteinen valmistus CAD-CAM-työnkulku perinteisessä nopeassa prototyyppiprosessissa alkaa geometristen tietojen luomisella joko 3D-kiintoaineena CAD-työasemalla tai 2D-leikkauksina käyttämällä skannauslaite.Nopeaa prototyyppiä varten näiden tietojen tulee edustaa kelvollista geometristä mallia;nimittäin sellaisen, jonka rajapinnat sulkevat sisäänsä rajallisen tilavuuden, eivät sisällä sisäosia paljastavia reikiä eivätkä taivu takaisin päällensä.Toisin sanoen esineellä täytyy olla "sisä".Malli on kelvollinen, jos tietokone voi määrittää jokaiselle 3D-avaruuden pisteelle yksiselitteisesti, onko kyseinen piste mallin rajapinnan sisällä, päällä vai ulkopuolella.CAD-jälkiprosessorit approksimoivat sovellustoimittajien sisäiset CAD-geometriset muodot (esim. B-splinet) yksinkertaistetulla matemaattisella muodolla, joka puolestaan ​​ilmaistaan ​​tietyssä tietomuodossa, joka on yleinen ominaisuus additiivisessa valmistuksessa: STL-tiedostomuoto, de facto standardi kiinteiden geometristen mallien siirtämiseen SFF-koneisiin.

Jotta saadaan tarvittavat liikkeenohjausradat todellisen SFF:n ohjaamiseen, nopeaan prototyyppiin, 3D-tulostukseen tai lisäainevalmistusmekanismiin, valmistettu geometrinen malli tyypillisesti leikataan kerroksiksi ja viipaleet skannataan viivoiksi (tuottaen "2D-piirustuksen", jota käytetään luomiseen). liikeradan kuten CNC:n työstöradat), jäljittelemällä käänteisesti kerrosten välistä fyysistä rakennusprosessia.

1. Käyttöalueet
Nopeaa prototyyppiä käytetään yleisesti myös ohjelmistosuunnittelussa uusien liiketoimintamallien ja sovellusarkkitehtuurien, kuten ilmailun, autoteollisuuden, rahoituspalvelujen, tuotekehityksen ja terveydenhuollon, kokeilemiseen.Ilmailu- ja avaruusalan suunnittelu- ja teollisuustiimit luottavat prototyyppien luomiseen uusia AM-menetelmiä teollisuudelle.Palvelutasosopimusta käyttämällä he voivat nopeasti tehdä useita versioita projekteistaan ​​muutamassa päivässä ja aloittaa testauksen nopeammin.Nopea prototyyppien avulla suunnittelijat/kehittäjät voivat tarjota tarkan käsityksen siitä, miltä valmiista tuotteesta tulee, ennen kuin käytät liikaa aikaa ja rahaa prototyyppiin.Rapid Prototypingissa käytetty 3D-tulostus mahdollistaa teollisen 3D-tulostuksen.Tämän avulla voit saada suuren mittakaavan muotit varaosien pumppaamiseen ulos nopeasti lyhyessä ajassa.

2. Historia
1970-luvulla Joseph Henry Condon ja muut Bell Labsin työntekijät kehittivät Unix Circuit Design Systemin (UCDS), joka automatisoi työläs ja virhealtis tehtävä piirustusten manuaalinen muuntaminen piirilevyjen valmistukseen tutkimus- ja kehitystarkoituksiin.

1980-luvulle mennessä Yhdysvaltain päättäjät ja teollisuusjohtajat joutuivat huomioimaan, että Amerikan valta-asema työstökoneiden valmistuksen alalla haihtui niin sanotussa työstökonekriisissä.Lukuisat hankkeet pyrkivät vastustamaan näitä suuntauksia perinteisellä CNC CAM -alueella, joka oli alkanut Yhdysvalloissa.Myöhemmin, kun Rapid Prototyping Systems muutti pois laboratorioista kaupallistamista varten, havaittiin, että kehitys oli jo kansainvälistä, eikä yhdysvaltalaisilla nopealla prototyyppien valmistajilla olisi ylellisyyttä antaa lyijyä luisua pois.National Science Foundation oli sateenvarjo kansalliselle ilmailu- ja avaruushallinnolle (NASA), Yhdysvaltain energiaministeriölle, Yhdysvaltain kauppaministeriölle NIST:lle, Yhdysvaltain puolustusministeriölle, Defense Advanced Research Projects Agencylle (DARPA) ja virastolle. Naval Research koordinoi tutkimuksia tiedottaakseen strategisille suunnittelijoille heidän pohdinnoistaan.Yksi tällainen raportti oli vuoden 1997 Rapid Prototyping in Europe and Japan Panel Report, jossa DTM Corporationin perustaja Joseph J. Beaman tarjoaa historiallisen näkökulman:

Nopean prototyyppitekniikan juuret voidaan jäljittää topografian ja valokuvaveiston käytäntöihin.TOPOGRAFIASSA Blanther (1892) ehdotti kerroksellista menetelmää muotin valmistamiseksi kohokuviopaperin topografisia karttoja varten. Prosessi sisälsi ääriviivojen leikkaamisen sarjoille levyille, jotka sitten pinottiin.Mitsubishin Matsubara (1974) ehdotti topografista prosessia valokovettuvalla valopolymeerihartsilla ohuiden pinottujen kerrosten muodostamiseksi valumuotin valmistamiseksi.VALOKUVIVISTUS oli 1800-luvun tekniikka, jolla luodaan esineistä tarkkoja kolmiulotteisia kopioita.Tunnetuin Francois Willeme (1860) asetti 24 kameraa pyöreään taulukkoon ja kuvasi samanaikaisesti kohteen.Kunkin valokuvan siluettia käytettiin sitten jäljennöksen kaivertamiseen.Morioka (1935, 1944) kehitti hybridivalokuvaveistoksen ja topografisen prosessin käyttämällä strukturoitua valoa esineen ääriviivojen valokuvaamiseen.Viivat voitaisiin sitten kehittää arkeiksi ja leikata ja pinota tai projisoida varastomateriaalille veistämistä varten.Munzin (1956) prosessi toisti kolmiulotteisen kuvan kohteesta valottamalla selektiivisesti, kerros kerrokselta, valokuvaemulsion laskumännässä.Kiinnityksen jälkeen kiinteä läpinäkyvä sylinteri sisältää kuvan kohteesta.

- Joseph J. Beaman
”Rapid Prototyping – RP:n alkuperä on peräisin jatkuvasti kasvavasta CAD-teollisuudesta, tarkemmin sanottuna CAD:n vankasta mallinnuspuolelta.Ennen kuin kiinteä mallinnus otettiin käyttöön 1980-luvun lopulla, kolmiulotteisia malleja luotiin lankakehyksillä ja pinnoilla.Mutta vasta todellisen kiinteän mallinnuksen kehittämisessä voidaan kehittää innovatiivisia prosesseja, kuten RP.Charles Hull, joka auttoi perustamaan 3D Systemsin vuonna 1986, kehitti ensimmäisen RP-prosessin.Tämä stereolitografiaksi kutsuttu prosessi rakentaa esineitä kovettamalla ohuita peräkkäisiä kerroksia tiettyjä ultraviolettivalolle herkkiä nestemäisiä hartseja pienitehoisella laserilla.RP:n käyttöönoton myötä kiinteät CAD-mallit voivat yhtäkkiä herätä henkiin.

Solid Freeform Fabricationiksi kutsuttuja tekniikoita tunnemme nykyään nopeana prototyyppinä, 3D-tulostuksena tai lisäainevalmistuksena: Swainson (1977), Schwerzel (1984) työskentelivät valoherkän polymeerin polymeroinnissa kahden tietokoneohjatun lasersäteen leikkauskohdassa.Ciraud (1972) harkitsi magnetostaattista tai sähköstaattista pinnoitusta elektronisuihkulla, laserilla tai plasmalla sintratun pinnan verhouksessa.Näitä kaikkia ehdotettiin, mutta ei tiedetä, rakennettiinko työkoneita.Hideo Kodama Nagoya Municipal Industrial Research Institutesta julkaisi ensimmäisenä selvityksen kiinteästä mallista, joka oli valmistettu käyttämällä fotopolymeerin nopeaa prototyyppijärjestelmää (1981).Stratasys teki huhtikuussa 1992 ensimmäisen FDM (Fused Deposition Modeling) -pohjaisen 3D-prototyyppijärjestelmän, mutta patentti myönnettiin vasta 9. kesäkuuta 1992. Sanders Prototype, Inc esitteli ensimmäisen pöytäkoneen mustesuihkutulostimen (3DP) käyttämällä keksintö 4. elokuuta 1992 (Helinski), Modelmaker 6Pro vuoden 1993 lopulla ja sitten suurempi teollinen 3D-tulostin, Modelmaker 2, vuonna 1997. Vuonna 1993 keksitty Z-Corp, joka käytti MIT 3DP -jauhesidontaa Direct Shell Castingiin (DSP) markkinoille vuonna 1995. Jo tuolloin teknologialla nähtiin olevan paikka valmistuskäytännössä.Matala resoluutio ja alhainen lujuus tuotti arvoa suunnittelun tarkastuksessa, muottien valmistuksessa, tuotantojigeissä ja muilla aloilla.Tuotokset ovat edenneet tasaisesti kohti korkeampia määritelmiä.Sanders Prototype, Inc. (Solidscape) aloitti Rapid Prototyping 3D Printing -valmistajana Modelmaker 6Pron kanssa uhrautuvien lämpöplastisten kuvioiden tekemiseen CAD-malleista käyttää Drop-On-Demand (DOD) mustesuihkutulostustekniikkaa.

Innovaatioita etsitään jatkuvasti parantamaan nopeutta ja kykyä selviytyä massatuotantosovelluksista.Dramaattinen kehitys, jota RP jakaa vastaavien CNC-alueiden kanssa, on korkean tason sovellusten ilmainen avoin lähdekoodi, joka muodostaa kokonaisen CAD-CAM-työkaluketjun.Tämä on luonut alhaisen resoluution laitevalmistajien yhteisön.Harrastelijat ovat jopa tehneet töitä vaativampiin laservaikutteisiin laitemalleihin

Varhaisimman vuonna 1993 julkaistun luettelon RP-prosesseista tai valmistustekniikoista on kirjoittanut Marshall Burns, ja se selittää jokaisen prosessin erittäin perusteellisesti.Se myös nimeää joitain tekniikoita, jotka olivat edeltäjiä alla olevan luettelon nimille.Esimerkki: Visual Impact Corporation valmisti vain prototyyppitulostimen vahapinnoitusta varten ja lisensoi sen sijaan patentin Sanders Prototype, Inc:lle.BPM käytti samoja mustesuihkutulostimia ja -materiaaleja.