Ταχεία προτυποποίηση

Μια μηχανή γρήγορης δημιουργίας πρωτοτύπων που χρησιμοποιεί επιλεκτική πυροσυσσωμάτωση λέιζερ (SLS)

Τρισδιάστατο μοντέλο κοπής
Η ταχεία δημιουργία πρωτοτύπων είναι μια ομάδα τεχνικών που χρησιμοποιούνται για τη γρήγορη κατασκευή ενός μοντέλου κλίμακας ενός φυσικού τμήματος ή συγκροτήματος χρησιμοποιώντας δεδομένα τρισδιάστατου σχεδιασμού με τη βοήθεια υπολογιστή (CAD).Η κατασκευή του εξαρτήματος ή της συναρμολόγησης γίνεται συνήθως με χρήση τρισδιάστατης εκτύπωσης ή τεχνολογίας «κατασκευής πρόσθετων στρωμάτων».

Οι πρώτες μέθοδοι για γρήγορη δημιουργία πρωτοτύπων έγιναν διαθέσιμες στα μέσα της δεκαετίας του 1980 και χρησιμοποιήθηκαν για την παραγωγή μοντέλων και πρωτότυπων ανταλλακτικών.Σήμερα, χρησιμοποιούνται για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών και χρησιμοποιούνται για την κατασκευή ανταλλακτικών ποιότητας παραγωγής σε σχετικά μικρούς αριθμούς, εάν το επιθυμείτε, χωρίς τα τυπικά δυσμενή βραχυπρόθεσμα οικονομικά.Αυτή η οικονομία έχει ενθαρρύνει τα διαδικτυακά γραφεία υπηρεσιών.Οι ιστορικές έρευνες της τεχνολογίας RP ξεκινούν με συζητήσεις για τις τεχνικές παραγωγής προσομοιωτών που χρησιμοποιούνται από γλύπτες του 19ου αιώνα.Ορισμένοι σύγχρονοι γλύπτες χρησιμοποιούν την τεχνολογία των απογόνων για να παράγουν εκθέσεις και διάφορα αντικείμενα.Η δυνατότητα αναπαραγωγής σχεδίων από ένα σύνολο δεδομένων έχει δημιουργήσει ζητήματα δικαιωμάτων, καθώς είναι πλέον δυνατή η παρεμβολή ογκομετρικών δεδομένων από μονοδιάστατες εικόνες.

Όπως και με τις μεθόδους αφαίρεσης CNC, η ροή εργασίας CAD-CAM κατασκευής με τη βοήθεια υπολογιστή – κατασκευής με τη βοήθεια υπολογιστή στην παραδοσιακή διαδικασία γρήγορης δημιουργίας πρωτοτύπων ξεκινά με τη δημιουργία γεωμετρικών δεδομένων, είτε ως τρισδιάστατο στερεό χρησιμοποιώντας σταθμό εργασίας CAD, είτε ως 2D φέτες χρησιμοποιώντας ένα συσκευή σάρωσης.Για γρήγορη δημιουργία πρωτοτύπων, αυτά τα δεδομένα πρέπει να αντιπροσωπεύουν ένα έγκυρο γεωμετρικό μοντέλο.Δηλαδή, ένα του οποίου οι οριακές επιφάνειες περικλείουν έναν πεπερασμένο όγκο, δεν περιέχουν τρύπες που εκθέτουν το εσωτερικό και δεν διπλώνουν πίσω στον εαυτό τους.Με άλλα λόγια, το αντικείμενο πρέπει να έχει ένα «μέσα».Το μοντέλο είναι έγκυρο εάν για κάθε σημείο του τρισδιάστατου χώρου ο υπολογιστής μπορεί να προσδιορίσει μοναδικά εάν αυτό το σημείο βρίσκεται μέσα, πάνω ή έξω από την οριακή επιφάνεια του μοντέλου.Οι μετα-επεξεργαστές CAD θα προσεγγίσουν τις εσωτερικές γεωμετρικές φόρμες CAD των προμηθευτών εφαρμογών (π.χ. B-splines) με μια απλοποιημένη μαθηματική μορφή, η οποία με τη σειρά της εκφράζεται σε μια καθορισμένη μορφή δεδομένων που είναι κοινό χαρακτηριστικό στην κατασκευή προσθέτων: μορφή αρχείου STL, ένα de facto πρότυπο για τη μεταφορά συμπαγών γεωμετρικών μοντέλων σε μηχανές SFF.

Για να αποκτηθούν οι απαραίτητες τροχιές ελέγχου κίνησης για την οδήγηση του πραγματικού μηχανισμού SFF, ταχείας δημιουργίας πρωτοτύπων, τρισδιάστατης εκτύπωσης ή κατασκευής πρόσθετων, το προετοιμασμένο γεωμετρικό μοντέλο συνήθως τεμαχίζεται σε στρώματα και οι φέτες σαρώνονται σε γραμμές (παράγοντας ένα "2D σχέδιο" που χρησιμοποιείται για τη δημιουργία τροχιά όπως στη διαδρομή εργαλείων του CNC), μιμούμενος αντίστροφα τη φυσική διαδικασία κατασκευής από στρώμα σε επίπεδο.

1. Τομείς εφαρμογής
Η ταχεία δημιουργία πρωτοτύπων εφαρμόζεται επίσης συνήθως στη μηχανική λογισμικού για τη δοκιμή νέων επιχειρηματικών μοντέλων και αρχιτεκτονικών εφαρμογών όπως η αεροδιαστημική, η αυτοκινητοβιομηχανία, οι χρηματοοικονομικές υπηρεσίες, η ανάπτυξη προϊόντων και η υγειονομική περίθαλψη.Οι ομάδες αεροδιαστημικής σχεδίασης και βιομηχανίας βασίζονται στη δημιουργία πρωτοτύπων προκειμένου να δημιουργήσουν νέες μεθοδολογίες AM στη βιομηχανία.Χρησιμοποιώντας το SLA μπορούν να κάνουν γρήγορα πολλαπλές εκδόσεις των έργων τους σε λίγες μέρες και να ξεκινήσουν τις δοκιμές πιο γρήγορα.Το Rapid Prototyping επιτρέπει στους σχεδιαστές/προγραμματιστές να παρέχουν μια ακριβή ιδέα για το πώς θα βγει το τελικό προϊόν προτού αφιερώσουν πολύ χρόνο και χρήμα στο πρωτότυπο.Η χρήση της τρισδιάστατης εκτύπωσης για τη γρήγορη δημιουργία πρωτοτύπων επιτρέπει τη βιομηχανική τρισδιάστατη εκτύπωση.Με αυτό, θα μπορούσατε να έχετε καλούπια μεγάλης κλίμακας για ανταλλακτικά που αντλούνται γρήγορα μέσα σε σύντομο χρονικό διάστημα.

2. Ιστορία
Στη δεκαετία του 1970, ο Joseph Henry Condon και άλλοι στα Bell Labs ανέπτυξαν το Unix Circuit Design System (UCDS), αυτοματοποιώντας την επίπονη και επιρρεπή σε σφάλματα εργασία της χειροκίνητης μετατροπής σχεδίων για την κατασκευή πλακών κυκλωμάτων για σκοπούς έρευνας και ανάπτυξης.

Μέχρι τη δεκαετία του 1980, οι υπεύθυνοι χάραξης πολιτικής των ΗΠΑ και οι βιομηχανικοί διαχειριστές αναγκάστηκαν να λάβουν υπόψη ότι η κυριαρχία της Αμερικής στον τομέα της κατασκευής εργαλειομηχανών εξατμίστηκε, σε αυτό που ονομάστηκε κρίση εργαλειομηχανών.Πολλά έργα προσπάθησαν να αντιμετωπίσουν αυτές τις τάσεις στην παραδοσιακή περιοχή CNC CAM, η οποία είχε ξεκινήσει στις ΗΠΑ.Αργότερα, όταν η Rapid Prototyping Systems εγκατέλειψε τα εργαστήρια για να διατεθεί στο εμπόριο, αναγνωρίστηκε ότι οι εξελίξεις ήταν ήδη διεθνείς και οι αμερικανικές εταιρείες ταχείας πρωτοτύπων δεν θα είχαν την πολυτέλεια να αφήσουν το προβάδισμα να ξεφύγει.Το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών ήταν μια ομπρέλα για την Εθνική Διοίκηση Αεροναυτικής και Διαστήματος (NASA), το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ, το Υπουργείο Εμπορίου των ΗΠΑ NIST, το Υπουργείο Άμυνας των ΗΠΑ, την Υπηρεσία Προηγμένων Ερευνητικών Προγραμμάτων Άμυνας (DARPA) και το Γραφείο Η Naval Research συντόνισε μελέτες για να ενημερώσει τους στρατηγικούς σχεδιαστές στις συζητήσεις τους.Μια τέτοια έκθεση ήταν η Έκθεση του 1997 Rapid Prototyping in Europe and Japan Panel, στην οποία ο Joseph J. Beaman ιδρυτής της DTM Corporation παρέχει μια ιστορική προοπτική:

Οι ρίζες της τεχνολογίας ταχείας δημιουργίας πρωτοτύπων μπορούν να εντοπιστούν στις πρακτικές στην τοπογραφία και τη φωτογλυπτική.Στο πλαίσιο της ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑΣ, ο Blanther (1892) πρότεινε μια πολυεπίπεδη μέθοδο για την κατασκευή ενός καλουπιού για τοπογραφικούς χάρτες ανάγλυφου χαρτιού. Η διαδικασία περιλάμβανε κοπή των γραμμών περιγράμματος σε μια σειρά πλακών που στη συνέχεια στοιβάζονταν.Ο Matsubara (1974) της Mitsubishi πρότεινε μια τοπογραφική διεργασία με φωτοσκληρυνόμενη φωτοπολυμερή ρητίνη για να σχηματιστούν λεπτές στρώσεις στοιβαγμένες για την κατασκευή ενός καλουπιού χύτευσης.Η ΦΩΤΟΓΛΥΠΤΙΚΗ ήταν μια τεχνική του 19ου αιώνα για τη δημιουργία ακριβών τρισδιάστατων αντιγράφων αντικειμένων.Ο πιο γνωστός Francois Willeme (1860) τοποθέτησε 24 κάμερες σε μια κυκλική διάταξη και ταυτόχρονα φωτογράφισε ένα αντικείμενο.Στη συνέχεια, η σιλουέτα κάθε φωτογραφίας χρησιμοποιήθηκε για να χαράξει ένα αντίγραφο.Ο Morioka (1935, 1944) ανέπτυξε μια υβριδική φωτογραφική γλυπτική και τοπογραφική διαδικασία χρησιμοποιώντας δομημένο φως για να δημιουργήσει φωτογραφικά γραμμές περιγράμματος ενός αντικειμένου.Οι γραμμές θα μπορούσαν στη συνέχεια να αναπτυχθούν σε φύλλα και να κοπούν και να στοιβαστούν ή να προβληθούν σε υλικό απόθεμα για σκάλισμα.Η διαδικασία Munz (1956) αναπαρήγαγε μια τρισδιάστατη εικόνα ενός αντικειμένου εκθέτοντας επιλεκτικά, στρώμα προς στρώμα, ένα γαλάκτωμα φωτογραφίας σε ένα έμβολο χαμηλώματος.Μετά τη στερέωση, ένας συμπαγής διαφανής κύλινδρος περιέχει μια εικόνα του αντικειμένου.

— Joseph J. Beaman
«Το Origins of Rapid Prototyping – RP πηγάζει από τη συνεχώς αναπτυσσόμενη βιομηχανία CAD, πιο συγκεκριμένα, τη σταθερή πλευρά μοντελοποίησης του CAD.Πριν εισαχθεί η στερεά μοντελοποίηση στα τέλη της δεκαετίας του 1980, δημιουργήθηκαν τρισδιάστατα μοντέλα με συρμάτινα πλαίσια και επιφάνειες.Αλλά όχι έως ότου η ανάπτυξη της πραγματικής στερεάς μοντελοποίησης θα μπορούσαν να αναπτυχθούν καινοτόμες διαδικασίες όπως η RP.Ο Charles Hull, ο οποίος βοήθησε στην ίδρυση της 3D Systems το 1986, ανέπτυξε την πρώτη διαδικασία RP.Αυτή η διαδικασία, που ονομάζεται στερεολιθογραφία, κατασκευάζει αντικείμενα ωριμάζοντας λεπτά διαδοχικά στρώματα ορισμένων υγρών ρητινών ευαίσθητων στο υπεριώδες φως με ένα λέιζερ χαμηλής ισχύος.Με την εισαγωγή του RP, τα συμπαγή μοντέλα CAD θα μπορούσαν ξαφνικά να ζωντανέψουν».

Οι τεχνολογίες που αναφέρονται ως Solid Freeform Fabrication είναι αυτό που αναγνωρίζουμε σήμερα ως ταχεία δημιουργία πρωτοτύπων, τρισδιάστατη εκτύπωση ή κατασκευή πρόσθετων: Swainson (1977), Schwerzel (1984) εργάστηκαν στον πολυμερισμό ενός φωτοευαίσθητου πολυμερούς στη διασταύρωση δύο ακτίνων λέιζερ ελεγχόμενων από υπολογιστή.Ο Ciraud (1972) εξέτασε τη μαγνητοστατική ή ηλεκτροστατική εναπόθεση με δέσμη ηλεκτρονίων, λέιζερ ή πλάσμα για την επίστρωση με πυροσυσσωματωμένη επιφάνεια.Όλα αυτά προτάθηκαν αλλά είναι άγνωστο εάν κατασκευάστηκαν μηχανές εργασίας.Ο Hideo Kodama του Δημοτικού Ινστιτούτου Βιομηχανικών Ερευνών της Ναγκόγια ήταν ο πρώτος που δημοσίευσε έναν απολογισμό ενός συμπαγούς μοντέλου που κατασκευάστηκε χρησιμοποιώντας ένα σύστημα ταχείας πρωτοτυποποίησης φωτοπολυμερούς (1981).Το πρώτο σύστημα τρισδιάστατης ταχείας δημιουργίας πρωτοτύπων που βασίζεται στο Fused Deposition Modeling (FDM) κατασκευάστηκε τον Απρίλιο του 1992 από την Stratasys, αλλά το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας εκδόθηκε μέχρι τις 9 Ιουνίου 1992. Η Sanders Prototype, Inc εισήγαγε τον πρώτο επιτραπέζιο εκτυπωτή inkjet 3D (3DP) χρησιμοποιώντας ένα εφεύρεση από τον Αύγουστο 4,1992 (Helinski), Modelmaker 6Pro στα τέλη του 1993 και στη συνέχεια ο μεγαλύτερος βιομηχανικός εκτυπωτής 3D, Modelmaker 2, το 1997. Η Z-Corp χρησιμοποιώντας τη σύνδεση σκόνης MIT 3DP για Direct Shell Casting (DSP) που εφευρέθηκε το 1993 εισήχθη στο στην αγορά το 1995. Ακόμη και σε εκείνη την πρώιμη ημερομηνία, η τεχνολογία θεωρήθηκε ότι κατείχε μια θέση στην πρακτική της παραγωγής.Μια χαμηλή ανάλυση, χαμηλή απόδοση είχε αξία στην επαλήθευση του σχεδιασμού, στην κατασκευή καλουπιών, στα εξαρτήματα παραγωγής και σε άλλους τομείς.Τα αποτελέσματα προχωρούν σταθερά προς χρήσεις υψηλότερων προδιαγραφών.Η Sanders Prototype, Inc. (Solidscape) ξεκίνησε ως κατασκευαστής Rapid Prototyping 3D Printing με το Modelmaker 6Pro για τη δημιουργία θυσιαστικών μοτίβων Thermoplast tic μοντέλων CAD χρησιμοποιεί τεχνολογία μεμονωμένων ακροφυσίων inkjet Drop-On-Demand (DOD).

Αναζητούνται συνεχώς καινοτομίες, για τη βελτίωση της ταχύτητας και της ικανότητας αντιμετώπισης εφαρμογών μαζικής παραγωγής.Μια δραματική εξέλιξη που μοιράζεται το RP με τις σχετικές περιοχές CNC είναι η δωρεάν παροχή ανοιχτού λογισμικού εφαρμογών υψηλού επιπέδου που αποτελούν μια ολόκληρη αλυσίδα εργαλείων CAD-CAM.Αυτό έχει δημιουργήσει μια κοινότητα κατασκευαστών συσκευών χαμηλής ανάλυσης.Οι χομπίστες έχουν κάνει ακόμη και επιδρομές σε πιο απαιτητικά σχέδια συσκευών που επηρεάζονται από λέιζερ

Η παλαιότερη λίστα RP Processes ή Fabrication Technologies που δημοσιεύτηκε το 1993 γράφτηκε από τον Marshall Burns και εξηγεί κάθε διαδικασία πολύ διεξοδικά.Ονομάζει επίσης ορισμένες τεχνολογίες που ήταν πρόδρομοι των ονομάτων της παρακάτω λίστας.Για παράδειγμα: Η Visual Impact Corporation παρήγαγε μόνο έναν πρωτότυπο εκτυπωτή για εναπόθεση κεριού και στη συνέχεια χορήγησε άδεια για το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας στη Sanders Prototype, Inc.Η BPM χρησιμοποίησε τα ίδια inkjet και υλικά.