Gyors prototípuskészítés

Gyors prototípuskészítő gép szelektív lézerszinterezéssel (SLS)

3D modell szeletelés
A gyors prototípuskészítés olyan technikák csoportja, amelyeket egy fizikai alkatrész vagy összeállítás méretarányos modelljének gyors elkészítésére használnak háromdimenziós számítógéppel segített tervezési (CAD) adatok felhasználásával.Az alkatrész vagy összeállítás építése általában 3D nyomtatás vagy „adalékréteg gyártási” technológia alkalmazásával történik.

A gyors prototípuskészítés első módszerei az 1980-as évek közepén váltak elérhetővé, és modellek és prototípus-alkatrészek gyártására használták őket.Ma már széles körben alkalmazzák őket, és kívánság szerint viszonylag kis darabszámban gyártanak gyártási minőségű alkatrészeket a jellemzően kedvezőtlen rövid távú gazdaságosság nélkül.Ez a gazdaság ösztönözte az online szolgáltató irodákat.Az RP technológia történeti áttekintése a 19. századi szobrászok által használt szimulákragyártási technikák megvitatásával kezdődik.Egyes modern szobrászok az utódtechnológiát használják kiállítások és különféle tárgyak készítésére.A tervek adatkészletből történő reprodukálhatósága jogi problémákat vet fel, mivel ma már lehetőség van egydimenziós képekből térfogati adatok interpolálására.

A CNC kivonó módszerekhez hasonlóan a számítógéppel segített tervezés – számítógéppel segített gyártás CAD-CAM munkafolyamata a hagyományos gyors prototípuskészítési folyamatban a geometriai adatok létrehozásával kezdődik, akár 3D-s szilárd anyagként CAD-munkaállomással, akár 2D-s szeletekkel. szkennelő eszköz.A gyors prototípuskészítéshez ezeknek az adatoknak érvényes geometriai modellt kell képviselniük;nevezetesen olyat, amelynek határfelületei véges térfogatot zárnak be, nem tartalmaznak a belsejét feltáró lyukakat, és nem hajtódnak vissza magukra.Más szavakkal, az objektumnak „belül” kell lennie.A modell akkor érvényes, ha a számítógép a 3D-s tér minden pontjára egyedileg meg tudja határozni, hogy az adott pont a modell határfelületén belül, azon vagy azon kívül található.A CAD utófeldolgozók az alkalmazásszállítók belső CAD geometriai alakjait (pl. B-spline) egy egyszerűsített matematikai formával közelítik, ami viszont meghatározott adatformátumban van kifejezve, ami az additív gyártásban általános jellemző: STL fájlformátum, de facto szabvány a tömör geometriai modellek SFF gépekre való átviteléhez.

A tényleges SFF meghajtásához, gyors prototípuskészítéshez, 3D nyomtatáshoz vagy additív gyártási mechanizmushoz szükséges mozgásvezérlési pályák eléréséhez az elkészített geometriai modellt jellemzően rétegekre szeleteljük, és a szeleteket vonalakká szkenneljük (a generáláshoz használt „2D rajzot” készítve). pálya, mint a CNC szerszámpályáján), fordítva utánozva a rétegek közötti fizikai építési folyamatot.

1. Alkalmazási területek
A gyors prototípuskészítést a szoftverfejlesztésben is gyakran alkalmazzák új üzleti modellek és alkalmazásarchitektúrák kipróbálására, mint például a repülés, az autóipar, a pénzügyi szolgáltatások, a termékfejlesztés és az egészségügy.A repülőgép-tervező és az ipari csapatok prototípus-készítésre támaszkodnak, hogy új AM-módszereket hozzanak létre az iparágban.Az SLA használatával gyorsan, néhány nap alatt elkészíthetik projektjeik több verzióját, és gyorsabban megkezdhetik a tesztelést.A Rapid Prototyping lehetővé teszi a tervezők/fejlesztők számára, hogy pontos képet adhassanak arról, hogyan fog elkészülni a késztermék, mielőtt túl sok időt és pénzt fordítanának a prototípusra.A gyors prototípuskészítéshez használt 3D nyomtatás lehetővé teszi az ipari 3D nyomtatást.Ezzel a nagyméretű öntőformákat a pótalkatrészek gyors, rövid időn belüli kiszivattyúzásához érheti el.

2. Történelem
Az 1970-es években Joseph Henry Condon és mások a Bell Labs munkatársai kifejlesztették a Unix Circuit Design System (UCDS) rendszert, amely automatizálja azt a fáradságos és hibalehető feladatot, amikor a rajzokat manuálisan konvertálják áramköri lapok előállítására kutatási és fejlesztési célokra.

Az 1980-as évekre az Egyesült Államok politikai döntéshozói és ipari vezetői kénytelenek voltak tudomásul venni, hogy Amerika dominanciája a szerszámgépgyártás területén elpárolgott, az úgynevezett szerszámgép-válságban.Számos projekt próbált ellensúlyozni ezeket a trendeket a hagyományos CNC CAM területén, amely az Egyesült Államokban kezdődött.Később, amikor a Rapid Prototyping Systems kiköltözött a laborokból, hogy kereskedelmi forgalomba kerüljön, felismerték, hogy a fejlesztések már nemzetköziek, és az amerikai gyorsprototípus-gyártó cégek nem élveznék azt a luxust, hogy elengedjék az ólmot.A Nemzeti Tudományos Alapítvány a Nemzeti Repülési és Űrhivatal (NASA), az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma, az Egyesült Államok Kereskedelmi Minisztériuma, a NIST, az Egyesült Államok Védelmi Minisztériuma, a Védelmi Fejlett Kutatási Projektek Ügynöksége (DARPA) és az amerikai űrkutatási hivatal ernyője volt. A Naval Research tanulmányokat koordinált, hogy tájékoztassa a stratégiai tervezőket tanácskozásaik során.Az egyik ilyen jelentés az 1997-es Rapid Prototyping in Europe and Japan Panel Report volt, amelyben Joseph J. Beaman, a DTM Corporation alapítója történelmi perspektívát ad:

A gyors prototípus-készítési technológia gyökerei a topográfia és a fotószobrászat gyakorlataihoz vezethetők vissza.A TOPOGRÁFIÁN belül Blanther (1892) egy réteges módszert javasolt a domborműves papír topográfiai térképek öntőformájának elkészítésére. A folyamat során a kontúrvonalakat egy sor lemezre vágták, amelyeket aztán egymásra raktak.Matsubara (1974) a Mitsubishitől egy topográfiai eljárást javasolt fotokeményítő fotopolimer gyantával, hogy vékony rétegeket alakítsanak ki egymásra rakva öntőforma készítéséhez.A FOTÓSZOBRA egy 19. századi technika a tárgyak pontos háromdimenziós másolatainak létrehozására.A leghíresebb Francois Willeme (1860) 24 kamerát helyezett el egy kör alakú tömbbe, és egyidejűleg fényképezett egy tárgyat.Ezután minden fénykép sziluettjét használták fel egy másolat elkészítéséhez.Morioka (1935, 1944) hibrid fotószobrot és topográfiai eljárást dolgozott ki strukturált fény felhasználásával egy tárgy kontúrvonalainak fényképészeti létrehozására.A vonalak ezután lapokká alakíthatók, vághatók és egymásra rakhatók, vagy faragáshoz kivetíthetők az alapanyagra.A Munz (1956) eljárás egy tárgy háromdimenziós képét reprodukálta úgy, hogy rétegről rétegre szelektíven exponált egy fotóemulziót egy leengedő dugattyún.Rögzítés után egy tömör átlátszó henger tartalmazza a tárgy képét.

- Joseph J. Beaman
„A Rapid Prototyping eredete – RP az egyre növekvő CAD-iparból, pontosabban a CAD szilárd modellező oldalából ered.Mielőtt az 1980-as évek végén bevezették volna a tömör modellezést, háromdimenziós modelleket hoztak létre drótvázzal és felületekkel.De csak a valódi szilárdtest-modellezés kifejlesztéséig lehet kifejleszteni olyan innovatív folyamatokat, mint az RP.Charles Hull, aki 1986-ban segített a 3D Systems megalapításában, kifejlesztette az első RP folyamatot.Ez a sztereolitográfiának nevezett eljárás bizonyos ultraibolya fényre érzékeny folyékony gyanták vékony, egymást követő rétegeinek kis teljesítményű lézerrel történő kikeményítésével épít fel tárgyakat.Az RP bevezetésével a szilárd CAD modellek hirtelen életre kelhetnek.”

A Solid Freeform Fabrication néven emlegetett technológiákat ma gyors prototípus-készítésnek, 3D nyomtatásnak vagy additív gyártásnak ismerjük: Swainson (1977), Schwerzel (1984) egy fényérzékeny polimer polimerizációján dolgozott két számítógéppel vezérelt lézersugár metszéspontjában.Ciraud (1972) az elektronsugárral, lézerrel vagy plazmával történő magnetosztatikus vagy elektrosztatikus leválasztást tekintette szinterezett felületek burkolására.Ezeket mind javasolták, de nem ismert, hogy működő gépeket építettek-e.Hideo Kodama, a Nagoya Városi Ipari Kutatóintézet munkatársa volt az első, aki egy fotopolimer gyors prototípus-készítő rendszerrel készült szilárd modellről tett közzé beszámolót (1981).A legelső 3D gyors prototípus-készítő rendszert, amely olvasztott lerakódási modellezésen (FDM) támaszkodik 1992 áprilisában a Stratasys készítette, de a szabadalmat csak 1992. június 9-én adták ki. A Sanders Prototype, Inc. bemutatta az első asztali tintasugaras 3D nyomtatót (3DP) 1992. augusztus 4-i találmány (Helinski), 1993 végén a Modelmaker 6Pro, majd 1997-ben a nagyobb ipari 3D nyomtató, a Modelmaker 2. A Z-Corp az 1993-ban feltalált, MIT 3DP porkötést használó Direct Shell Casting (DSP) számára Már akkoriban a technológiát úgy látták, hogy megvan a helye a gyártási gyakorlatban.Az alacsony felbontású, kis szilárdságú kimenet értéket jelentett a tervezés ellenőrzésében, a formák gyártásában, a gyártásban és más területeken.A kimenetek folyamatosan fejlődtek a magasabb specifikációjú felhasználások felé.A Sanders Prototype, Inc. (Solidscape) Rapid Prototyping 3D Printing-gyártóként indult a Modelmaker 6Pro-val a CAD-modellek feláldozó termoplasztikus mintáinak elkészítéséhez, Drop-On-Demand (DOD) tintasugaras egyfúvókás technológiát használ.

Folyamatosan újításokat keresnek a sebesség és a tömeggyártási alkalmazásokkal való megbirkózás javítása érdekében.Egy drámai fejlesztés, amelyen az RP osztozik a kapcsolódó CNC-területekkel, a magas szintű alkalmazások ingyenes nyílt forráskódú beszerzése, amelyek egy teljes CAD-CAM eszközláncot alkotnak.Ez létrehozta az alacsony felbontású eszközgyártók közösségét.A hobbibarátok még az igényesebb lézerhatású készüléktervekbe is belevágtak

Az RP folyamatok vagy gyártási technológiák legkorábbi, 1993-ban közzétett listáját Marshall Burns írta, és nagyon alaposan elmagyarázza az egyes folyamatokat.Megnevez néhány olyan technológiát is, amelyek az alábbi listán szereplő nevek előfutárai voltak.Például: A Visual Impact Corporation csak egy prototípus nyomtatót gyártott viaszfelhordáshoz, majd a szabadalmat a Sanders Prototype, Inc. számára engedélyezte.A BPM ugyanazokat a tintasugaras nyomtatókat és anyagokat használta.