Швидке прототипування

Машина швидкого прототипування з використанням селективного лазерного спікання (SLS)

Нарізка 3D моделі
Швидке створення прототипів — це група методів, які використовуються для швидкого виготовлення масштабної моделі фізичної частини або вузла з використанням даних тривимірного автоматизованого проектування (CAD).Конструювання деталі або вузла зазвичай виконується за допомогою 3D-друку або технології «виробництва додаткових шарів».

Перші методи швидкого прототипування стали доступними в середині 1980-х і використовувалися для виготовлення моделей і прототипів.Сьогодні вони використовуються для широкого спектру застосувань і використовуються для виробництва деталей виробничої якості у відносно невеликих кількостях, якщо це необхідно, без типової несприятливої ​​короткострокової економіки.Ця економіка сприяла появі онлайнових бюро обслуговування.Історичні огляди технології RP починаються з обговорення технік створення симулякрів, які використовували скульптори 19-го століття.Деякі сучасні скульптори використовують технологію потомства для виготовлення експозицій та різноманітних об’єктів.Можливість відтворювати проекти з набору даних породила проблеми з правами, оскільки тепер можна інтерполювати об’ємні дані з одновимірних зображень.

Як і субтрактивні методи з ЧПК, робочий процес автоматизованого проектування – автоматизоване виробництво CAD-CAM у традиційному процесі швидкого прототипування починається зі створення геометричних даних у вигляді 3D-тіла за допомогою робочої станції CAD або 2D-зрізів за допомогою скануючий пристрій.Для швидкого прототипування ці дані повинні представляти дійсну геометричну модель;а саме такий, граничні поверхні якого охоплюють кінцевий об’єм, не містять отворів, що оголюють внутрішню частину, і не згинаються назад.Іншими словами, об'єкт повинен мати «внутрішнє середовище».Модель дійсна, якщо для кожної точки в тривимірному просторі комп’ютер може однозначно визначити, чи лежить ця точка всередині, на або поза межею поверхні моделі.Постпроцесори САПР наближають внутрішні геометричні форми САПР постачальників додатків (наприклад, B-сплайни) за допомогою спрощеної математичної форми, яка, у свою чергу, виражається у визначеному форматі даних, який є загальною рисою адитивного виробництва: формат файлу STL, стандарт де-факто для передачі твердотільних геометричних моделей на машини SFF.

Щоб отримати необхідні траєкторії керування рухом для керування фактичним SFF, швидким прототипуванням, 3D-друком або механізмом адитивного виробництва, підготовлену геометричну модель зазвичай розрізають на шари, а зрізи сканують у лінії (виробляючи «2D-малюнок», який використовується для створення траєкторія, як у траєкторії інструменту ЧПК), імітуючи у зворотному порядку фізичний процес побудови від шару до шару.

1. Області застосування
Швидке прототипування також широко використовується в розробці програмного забезпечення для випробування нових бізнес-моделей і архітектур додатків, таких як аерокосмічна промисловість, автомобільна промисловість, фінансові послуги, розробка продуктів і охорона здоров’я.Команди аерокосмічного дизайну та промисловості покладаються на прототипування, щоб створити нові методології AM у галузі.Використовуючи SLA, вони можуть швидко створити кілька версій своїх проектів за кілька днів і швидше почати тестування.Швидке створення прототипів дозволяє дизайнерам/розробникам надати точне уявлення про те, як вийде готовий продукт, перш ніж вкладати надто багато часу та грошей у прототип.Тривимірний друк, який використовується для швидкого прототипування, дозволяє здійснювати промисловий 3D-друк.Завдяки цьому ви можете швидко викачувати великомасштабні прес-форми для запчастин протягом короткого періоду часу.

2. Історія
У 1970-х роках Джозеф Генрі Кондон та інші співробітники Bell Labs розробили систему Unix Circuit Design System (UCDS), автоматизувавши трудомістку та схильну до помилок задачу ручного перетворення креслень для виготовлення друкованих плат для цілей дослідження та розробки.

До 1980-х років політики США та промислові менеджери були змушені помітити, що американське домінування у сфері виробництва верстатів зникло, що було названо кризою верстатів.Численні проекти намагалися протистояти цим тенденціям у традиційній галузі CNC CAM, яка почалася в США.Пізніше, коли Rapid Prototyping Systems вийшли з лабораторій для комерціалізації, було визнано, що розробки вже є міжнародними, і американські компанії швидкого прототипування не дозволять собі розкоші дозволити вислизнути.Національний науковий фонд був парасолькою для Національного управління з аеронавтики та дослідження космічного простору (NASA), Міністерства енергетики США, Міністерства торгівлі США NIST, Міністерства оборони США, Агентства передових оборонних дослідницьких проектів (DARPA) та Управління Naval Research координував дослідження, щоб інформувати стратегічних планувальників у їхніх обговореннях.Одним із таких звітів був Звіт групи експертів із швидкого прототипування в Європі та Японії 1997 року, в якому Джозеф Дж. Бімен, засновник DTM Corporation, надає історичну перспективу:

Коріння технології швидкого прототипування можна простежити до практики топографії та фотоскульптури.У рамках ТОПОГРАФІЇ Блантер (1892) запропонував багатошаровий метод виготовлення прес-форми для рельєфних паперових топографічних карт. Процес передбачав вирізання контурних ліній на серії пластин, які потім складалися в стопку.Matsubara (1974) з Mitsubishi запропонував топографічний процес із фотополімерною смолою, що зміцнюється, щоб утворити тонкі шари, складені стопою для виготовлення ливарної форми.ФОТОСКУЛЬПТУРА була технікою 19-го століття для створення точних тривимірних копій об’єктів.Найвідомішим є те, що Франсуа Віллем (1860) помістив 24 камери в круговий масив і одночасно фотографував об’єкт.Потім силует кожної фотографії використовувався для копії.Моріока (1935, 1944) розробив гібрид фотоскульптури та топографічного процесу, використовуючи структуроване світло для фотографічного створення контурних ліній об’єкта.Лінії потім можна розгортати в аркуші, вирізати та складати в стопку або проектувати на вихідний матеріал для різьблення.Процес Мунца (1956) відтворював тривимірне зображення об’єкта шляхом вибіркового експонування, шар за шаром, фотоемульсії на опускаючому поршні.Після фіксації суцільний прозорий циліндр містить зображення предмета.

— Джозеф Дж. Бімен
«Витоки швидкого прототипування – RP походить від індустрії САПР, що постійно розвивається, а точніше, від сторони САПР, що займається твердотільним моделюванням.До появи твердотільного моделювання наприкінці 1980-х тривимірні моделі створювали за допомогою дротяних каркасів і поверхонь.Але лише після розробки справжнього твердотільного моделювання можна буде розробити інноваційні процеси, такі як RP.Чарльз Халл, який допоміг заснувати 3D Systems у 1986 році, розробив перший процес RP.Цей процес, який називається стереолітографією, створює об’єкти шляхом затвердіння тонких послідовних шарів певних рідких смол, чутливих до ультрафіолетового світла, за допомогою лазера малої потужності.З появою RP твердотільні моделі САПР могли раптово ожити».

Технології, які називають Solid Freeform Fabrication, — це те, що ми сьогодні розуміємо як швидке створення прототипів, 3D-друк або адитивне виробництво: Swainson (1977), Schwerzel (1984) працювали над полімеризацією фоточутливого полімеру на перетині двох керованих комп’ютером лазерних променів.Сіро (1972) розглядав магнітостатичне або електростатичне осадження за допомогою електронного променя, лазера або плазми для спеченого покриття поверхні.Усі вони були запропоновані, але невідомо, чи були створені робочі машини.Хідео Кодама з Муніципального промислового науково-дослідного інституту Нагої був першим, хто опублікував звіт про твердотільну модель, виготовлену за допомогою фотополімерної системи швидкого прототипування (1981).Першу систему швидкого 3D-прототипування, яка базується на моделюванні плавленого осадження (FDM), було створено компанією Stratasys у квітні 1992 року, але патент було видано лише 9 червня 1992 року. Компанія Sanders Prototype, Inc представила перший настільний струменевий 3D-принтер (3DP) за допомогою винахід від 4 серпня 1992 року (Хелінскі), Modelmaker 6Pro наприкінці 1993 року, а потім більший промисловий 3D-принтер Modelmaker 2 у 1997 році. Z-Corp використовує порошкове зв’язування MIT 3DP для Direct Shell Casting (DSP), винайдене у 1993 році, ринок у 1995 році. Навіть на той час ця технологія вважалася такою, що має місце у виробничій практиці.Вихід із низькою роздільною здатністю та низькою міцністю мав цінність у перевірці конструкції, виготовленні прес-форм, виробничих пристосуваннях та інших сферах.Результати неухильно просунулися до більш високого рівня використання.Компанія Sanders Prototype, Inc. (Solidscape) починала як виробник швидкого прототипування 3D-друку з Modelmaker 6Pro для створення жертовних термопластичних візерунків CAD-моделей із використанням струминної технології одного сопла Drop-On-Demand (DOD).

Інновації постійно шукаються для підвищення швидкості та здатності впоратися з додатками масового виробництва.Значний розвиток, який RP поділяє з пов’язаними напрямками ЧПК, — це безкоштовне відкрите програмне забезпечення високорівневих додатків, які становлять цілий інструментарій CAD-CAM.Це створило спільноту виробників пристроїв із низькою роздільною здатністю.Любителі навіть зробили набіги на більш вимогливі конструкції пристроїв з лазерним впливом

Найперший список процесів RP або технологій виготовлення, опублікований у 1993 році, був написаний Маршаллом Бернсом і дуже докладно пояснює кожен процес.Він також називає деякі технології, які були попередниками назв у списку нижче.Наприклад: корпорація Visual Impact виготовила лише прототип принтера для осадження воску, а потім надала ліцензію на патент компанії Sanders Prototype, Inc.BPM використовував ті самі струменеві принтери та матеріали.