Rychlé prototypování

Rychlý prototypový stroj využívající selektivní laserové slinování (SLS)

Krájení 3D modelu
Rychlé prototypování je skupina technik používaných k rychlému zhotovení zmenšeného modelu fyzického dílu nebo sestavy pomocí trojrozměrných dat počítačově podporovaného návrhu (CAD).Konstrukce dílu nebo sestavy se obvykle provádí pomocí 3D tisku nebo technologie „výroby aditivní vrstvy“.

První metody pro rychlé prototypování byly k dispozici v polovině 80. let a byly použity k výrobě modelů a prototypových dílů.Dnes se používají pro širokou škálu aplikací a používají se k výrobě dílů ve výrobní kvalitě v relativně malých počtech, pokud je to žádoucí, bez typické nepříznivé krátkodobé ekonomiky.Tato ekonomika povzbudila online servisní kanceláře.Historické průzkumy technologie RP začínají diskusí o technikách výroby simulakra používaných sochaři 19. století.Někteří moderní sochaři využívají technologii potomstva k výrobě výstav a různých předmětů.Schopnost reprodukovat vzory z datové sady vyvolala problémy s právy, protože nyní je možné interpolovat objemová data z jednorozměrných obrázků.

Stejně jako u CNC subtraktivních metod začíná počítačově podporovaný návrh – počítačově podporovaná výroba CAD-CAM pracovní postup v tradičním procesu rychlého prototypování vytvářením geometrických dat, buď jako 3D těleso pomocí pracovní stanice CAD, nebo 2D řezy pomocí skenovací zařízení.Pro rychlé prototypování musí tato data představovat platný geometrický model;jmenovitě takový, jehož hraniční plochy uzavírají konečný objem, neobsahují žádné otvory odhalující vnitřek a neskládají se zpět na sebe.Jinými slovy, objekt musí mít „vnitřek“.Model je platný, pokud pro každý bod ve 3D prostoru může počítač jednoznačně určit, zda tento bod leží uvnitř, na nebo vně hraničního povrchu modelu.Postprocesory CAD přiblíží interní geometrické tvary CAD dodavatelů aplikací (např. B-splines) pomocí zjednodušené matematické formy, která je zase vyjádřena ve specifikovaném formátu dat, což je běžná vlastnost v aditivní výrobě: formát souboru STL, de facto standard pro přenos objemových geometrických modelů do strojů SFF.

Pro získání nezbytných trajektorií řízení pohybu pro řízení skutečného SFF, rychlého prototypování, 3D tisku nebo aditivního výrobního mechanismu se připravený geometrický model obvykle rozřeže na vrstvy a řezy se naskenují do čar (vytvoří se „2D výkres“ používaný k vytvoření trajektorii jako v dráze nástroje CNC), napodobující opačný proces fyzického vytváření vrstvy na vrstvu.

1. Oblasti použití
Rychlé prototypování se také běžně používá v softwarovém inženýrství k vyzkoušení nových obchodních modelů a aplikačních architektur, jako je letectví, automobilový průmysl, finanční služby, vývoj produktů a zdravotnictví.Letecký design a průmyslové týmy spoléhají na prototypování, aby vytvořily nové AM metodologie v průmyslu.Pomocí SLA mohou rychle vytvořit více verzí svých projektů během několika dní a rychleji začít testovat.Rapid Prototyping umožňuje návrhářům/vývojářům poskytnout přesnou představu o tom, jak bude hotový produkt vypadat, než do prototypu vloží příliš mnoho času a peněz.3D tisk používaný pro Rapid Prototyping umožňuje průmyslový 3D tisk.Díky tomu byste mohli mít velké formy na náhradní díly, které se rychle vyčerpají během krátké doby.

2. Historie
V 70. letech 20. století Joseph Henry Condon a další v Bellových laboratořích vyvinuli Unix Circuit Design System (UCDS), automatizující pracný a k chybám náchylný úkol ručního převodu výkresů na výrobu desek plošných spojů pro účely výzkumu a vývoje.

V 80. letech byli tvůrci politik a průmysloví manažeři v USA nuceni vzít na vědomí, že americká dominance v oblasti výroby obráběcích strojů se vypařila, což bylo nazváno krize obráběcích strojů.Četné projekty se snažily čelit těmto trendům v tradiční oblasti CNC CAM, která začala v USA.Později, když se Rapid Prototyping Systems přestěhovaly z laboratoří, aby byly komercializovány, bylo uznáno, že vývoj je již mezinárodní a americké společnosti pro rychlé prototypování si nebudou dopřát luxusu nechat uniknout vedení.Národní vědecká nadace zastřešovala Národní úřad pro letectví a kosmonautiku (NASA), Ministerstvo energetiky USA, Ministerstvo obchodu USA NIST, Ministerstvo obrany USA, Agenturu pro obranné pokročilé výzkumné projekty (DARPA) a Kancelář Naval Research koordinoval studie, aby informoval strategické plánovače v jejich úvahách.Jednou z takových zpráv byla zpráva panelu Rapid Prototyping v Evropě a Japonsku z roku 1997, ve které Joseph J. Beaman zakladatel DTM Corporation poskytuje historickou perspektivu:

Kořeny technologie rychlého prototypování lze vysledovat v praxi v topografii a fotosochařství.V rámci TOPOGRAPHY Blanther (1892) navrhl vrstvenou metodu pro výrobu formy pro vyvýšené reliéfní papírové topografické mapy. Proces zahrnoval řezání vrstevnic na sérii desek, které byly poté naskládány na sebe.Matsubara (1974) z Mitsubishi navrhl topografický proces s fotopolymerní pryskyřicí tvrdnoucí světlem k vytvoření tenkých vrstev naskládaných do odlévací formy.PHOTOSCULPTURE byla technika 19. století k vytvoření přesných trojrozměrných replik objektů.Nejslavnější Francois Willeme (1860) umístil 24 kamer do kruhového pole a současně fotografoval objekt.Silueta každé fotografie byla poté použita k vyřezání repliky.Morioka (1935, 1944) vyvinul hybridní fotosochu a topografický proces využívající strukturované světlo k fotografickému vytvoření obrysových linií objektu.Čáry pak mohly být rozvinuty do listů a řezány a stohovány nebo promítnuty na zásobní materiál pro vyřezávání.Proces Munz (1956) reprodukoval trojrozměrný obraz předmětu selektivním vystavením vrstvy po vrstvě fotografické emulze na spouštěcím pístu.Po upevnění obsahuje pevný průhledný válec obrázek předmětu.

— Joseph J. Beaman
„Origins of Rapid Prototyping – RP pramení ze stále rostoucího CAD průmyslu, přesněji řečeno, ze stránky solidního modelování CAD.Než bylo koncem 80. let zavedeno objemové modelování, byly vytvářeny trojrozměrné modely s drátěnými rámy a povrchy.Inovativní procesy, jako je RP, však mohly být vyvinuty teprve s rozvojem skutečného modelování těles.Charles Hull, který pomohl založit 3D Systems v roce 1986, vyvinul první proces RP.Tento proces, nazývaný stereolitografie, vytváří objekty vytvrzováním tenkých po sobě jdoucích vrstev určitých tekutých pryskyřic citlivých na ultrafialové světlo pomocí laseru s nízkým výkonem.Se zavedením RP mohly náhle ožít pevné modely CAD“.

Technologie označované jako Solid Freeform Fabrication jsou tím, co dnes poznáváme jako rychlé prototypování, 3D tisk nebo aditivní výroba: Swainson (1977), Schwerzel (1984) pracovali na polymeraci fotocitlivého polymeru v průsečíku dvou počítačově řízených laserových paprsků.Ciraud (1972) uvažoval o magnetostatické nebo elektrostatické depozici elektronovým paprskem, laserem nebo plazmou pro slinuté povrchové povlaky.Všechny byly navrženy, ale není známo, zda byly postaveny pracovní stroje.Hideo Kodama z Nagoya Municipal Industrial Research Institute byl první, kdo publikoval popis pevného modelu vyrobeného pomocí fotopolymerního systému rychlého prototypování (1981).Úplně první 3D systém rychlého prototypování, který se opírá o Fused Deposition Modeling (FDM) byl vyroben v dubnu 1992 společností Stratasys, ale patent byl vydán až 9. června 1992. Sanders Prototype, Inc představil první stolní inkoustovou 3D tiskárnu (3DP) využívající vynález ze 4. srpna 1992 (Helinski), Modelmaker 6Pro na konci roku 1993 a poté větší průmyslová 3D tiskárna Modelmaker 2 v roce 1997. Společnost Z-Corp využívající práškové vázání MIT 3DP pro přímé lití do skořepiny (DSP) vynalezená v roce 1993 byla představena na trh v roce 1995. Již v tomto raném datu byla technologie vnímána jako místo ve výrobní praxi.Výstup s nízkým rozlišením a nízkou pevností měl hodnotu při ověřování návrhu, výrobě forem, výrobních přípravků a dalších oblastech.Výstupy se neustále rozšiřují směrem k použití s ​​vyšší specifikací.Sanders Prototype, Inc. (Solidscape) začal jako výrobce 3D tisku Rapid Prototyping s Modelmaker 6Pro pro vytváření obětovaných termoplastických vzorů modelů CAD využívajících technologii Drop-On-Demand (DOD) pro inkoustové tiskárny s jednou tryskou.

Neustále se hledají inovace s cílem zlepšit rychlost a schopnost vyrovnat se s aplikacemi hromadné výroby.Dramatickým vývojem, který RP sdílí se souvisejícími CNC oblastmi, je freeware open-sourcing aplikací na vysoké úrovni, které tvoří celý CAD-CAM nástrojový řetězec.To vytvořilo komunitu výrobců zařízení s nízkým rozlišením.Hobbyisté dokonce podnikli nájezdy na náročnější konstrukce zařízení s laserovým efektem

Nejstarší seznam RP procesů nebo výrobních technologií publikovaný v roce 1993 sepsal Marshall Burns a vysvětluje každý proces velmi důkladně.Jmenuje také některé technologie, které byly předchůdci názvů na níže uvedeném seznamu.Například: Visual Impact Corporation vyrobila pouze prototyp tiskárny pro nanášení vosku a místo toho licencovala patent společnosti Sanders Prototype, Inc.BPM používalo stejné inkoustové tiskárny a materiály.