Rapid prototyping je rychlý proces navrhování, který zahrnuje nápad, prototypování a testování fyzické části, modelu nebo budovy pomocí 3D počítačem podporovaného návrhu (CAD). Sestavení dílu, modelu nebo sestavy se obvykle provádí pomocí aditivní výroby, která je také známá jako 3D tisk. Aditivní výroba popisuje technologii, která se používá k vytváření 3D objektů přidáváním vrstvy po vrstvě materiálu.
Existují dva typy prototypů, které se používají k popisu výrobku. O vysoce věrném prototypu hovoříme tehdy, když návrh odpovídá předpokládanému konečnému výrobku. Zatímco typ s nízkou věrností je takový, kdy je zřetelný rozdíl mezi prototypem a konečným výrobkem.
Jak funguje rychlé prototypování?
Rychlé prototypování (RP) popisuje mnoho různých výrobních technologií. Nejpoužívanější RP je aditivní výroba. Další technologie, které se obecně používají pro RP, jsou však odlévání, lisování, vytlačování a vysokorychlostní obrábění.
Při použití aditivní výroby pro rychlé prototypování lze k výrobě prototypů použít různé zavedené postupy.
Těmito procesy jsou:
- Subtraktivní: K vytvoření preferovaného tvaru se pomocí broušení, soustružení nebo frézování nařeže kus materiálu.
- Kompresní: Polotuhý nebo kapalný materiál se před vytvrzením upraví do preferované formy, stejně jako při odlévání, tvarování nebo spékání tlakem.
Jaké jsou různé typy rychlého prototypování
Stereolitografie (SLA) nebo fotopolymerizace v kádi
Jedná se o aditivní výrobní proces, který je rychlý a cenově dostupný. Tato technika byla vůbec první fungující metodou 3D tisku. Funguje na základě použití nádrže s fotocitlivou kapalinou. Tato kapalina se pak pomocí ultrafialového (UV) světla řízeného počítačem mění vrstvu po vrstvě na pevnou látku. Tento proces je nevratný a díly SLA nelze vrátit zpět do kapalné podoby.
Selektivní laserové spékání (SLS)
SLS je aditivní výrobní technologie, která se používá pro výrobu kovových a plastových prototypů. Využívá vrstvy prášku k vytvoření prototypu pomocí vysoce výkonného laseru, který práškový materiál zahřívá a spéká. Díly vyrobené metodou SLS jsou slabší než díly vyrobené metodou SLA. SLS je však levná, vyžaduje minimum času a práce a nabízí vysokou produktivitu. Také povrch hotového výrobku je drsný a vyžaduje více práce k získání hotového výrobku.
Fused Deposition Modelling (FDM) nebo Material Jetting
FDM je aditivní výrobní proces, který je cenově dostupný, rychlý, levný a snadno použitelný. Díky tomu je ideální pro vývoj výrobků. FDM lze umístit do mnoha neprůmyslových stolních 3D tiskáren. Vytváří fyzický objekt zdola nahoru pomocí termoplastického vlákna, které je roztaveno uvnitř válce tiskové trysky. Tryska tiskárny se pohybuje tam a zpět a umisťuje tekutý plast vrstvu po vrstvě pomocí počítačového depozičního programu.
Selektivní laserové tavení (SLM) nebo fúze v práškovém loži (PBF)
Jedná se o fanoušky oblíbenou aditivní výrobní techniku, protože její proces je relativně levný a vytváří vysoce pevné, mnohostranné díly. SLM se obvykle používá v automobilovém, leteckém, zdravotnickém a obranném průmyslu. Metoda PBF využívá buď elektronový paprsek, nebo vysokoprachový laser k tavení po vrstvách a spojování práškového materiálu, čímž vzniká buď prototyp, nebo výrobní díl. Při PBF se používá jakýkoli základní práškový materiál, ale mezi nejčastěji používané materiály při RP patří kobalt-chromové slitiny, hliník, nerezová ocel, měď a titan.
Výroba laminovaných objektů (LOM) neboli laminace plechů
Jedná se o relativně levný proces, který není tak složitý jako SLM nebo SLS. Výhodou LOM je, že není třeba speciálně řídit podmínky. LOM funguje tak, že se vrstvy po vrstvách skládají z plastových, kovových a keramických materiálů, které již byly rozřezány laserovými paprsky nebo jiným řezacím mechanismem pro vytvoření návrhu CAD. Každá vrstva materiálu se lepí lepidlem na předchozí vrstvu, dokud není součástka hotová. Jedním z problémů tohoto stylu aditivní výroby je, že keramické díly je třeba odlakovat, což ji činí pracnou a zahrnuje delší dobu zpracování.
Digitální zpracování světlem (DLP)
DLP je hodně podobná technice SLA v tom, že DLP také využívá polymeraci pryskyřic, které se vytvrzují(kalí) pomocí světelného zdroje. Zdrojem světla DLP je UV světlo z projektoru, zatímco zdrojem světla SLA jsou UV laserové paprsky. I když je DLP rychlejší a levnější než SLA, DLP obvykle vyžaduje podpůrné struktury a vytvrzování po sestavení.
Jinou formou DLP je kontinuální výroba s tekutým rozhraním (CLIP). CLIP využívá digitální světelnou projekci k vytvoření dílu, který je kontinuálně vytahován z kádě a nepoužívá vrstvy. Jak je materiál vytahován z kádě, promítá se na něj sekvence UV obrazů, které mění jeho tvar. Tím se díl vytvrdí a vytvoří se prototyp.
Binder Jetting
Tato technika aditivní výroby umožňuje tisknout jeden nebo více dílů najednou. Ve srovnání se SLS nejsou vytvořené díly tak pevné. Tento proces funguje tak, že se pomocí trysek rozstřikují kapalná pojiva, která spojují částice prášku a vytvářejí jednu vrstvu dílu. Vrstvu po vrstvě se přidává prášek, který se zhutní a rozprostře válečkem, a přidá se pojivo. Nakonec je díl vytvořen vrstvením prášku a pojiva. Po dokončení se díl vytvrdí v peci, aby se odloučilo pojivo, které spojí prášek do hotového výrobku.
Použití
Tyto procesy používají návrháři výrobků, inženýři a vývojové týmy pro rychlou výrobu prototypů dílů. Prototypy jsou pro konstruktéry výrobků velmi přínosné, protože díly pomáhají při vizualizaci, navrhování a vývoji výrobního procesu před jeho sériovou výrobou.
Rychlá výroba prototypů existuje od konce 80. let 20. století a původně se používala k vytváření dílů a zmenšených modelů pro automobilový průmysl. Od té doby se uplatňuje v celé řadě průmyslových odvětví, například ve zdravotnictví a letectví. Jednou z aplikací je i zubní průmysl, kde se RP používá k vytváření různých zubních výlisků, například korunek.
Další aplikací RP, která umožňuje rychlou a levnou výrobu výrobku, je rychlé vytváření nástrojů. Jedná se o vytvoření formy ve zkrácené době. Při rapid toolingu se vytvoří díl, například klín ultrazvukového senzoru, který se použije jako nástroj v jiném procesu.
Jaké jsou výhody?
Výčet výhod rapid prototypingu je nekonečný. RP umožňuje konstruktérům, inženýrům a týmům zabývajícím se vývojem výrobků vidět úplnější představu o tom, jak bude jejich výrobek vypadat nebo fungovat na začátku procesu návrhu a výroby. To umožňuje provádět změny nebo vylepšení v počátečních fázích procesu, což konstruktérovi šetří čas a peníze. Délka RP se může pohybovat od několika dnů až po měsíce a do značné míry závisí na použité aditivní výrobní technice.
Dvě další významné výhody RP jsou nákladová efektivita a přesnost. RP je mimořádně cenově dostupný způsob prototypování výrobků, protože se jedná o automatizovaný proces, který nevyžaduje obsluhu mnoha lidí. Je také nákladově efektivní, protože RP dokáže rychle jednat a řešit případné problémy, aby se snížilo riziko nákladných chyb ve fázi výroby. RP je nesmírně přesná technika, protože ji lze použít s počítačově podporovanými návrhy (CAD). To umožňuje snížit množství materiálu, kterým se plýtvá, a není třeba používat specializované nástroje k vytvoření prototypu každého konkrétního výrobku.
RP umožňuje návrhářům ukázat své jedinečné nápady členům představenstva, klientům a investorům způsobem, který jim umožní výrobek pochopit a schválit. Zákazníci a klienti jsou schopni poskytnout návrhářům přesnější zpětnou vazbu, protože jsou schopni vidět, jak bude výrobek skutečně vypadat, a to na základě fyzického výrobku, který mohou vidět a kterého se mohou dotknout, a ne něčeho, co si musí představit nebo vizuálně pozorovat na 2D výkresu.
V neposlední řadě se proces RP zbavuje nutnosti vytvářet výrobky na míru od nuly. Jedná se o interaktivní proces, který umožňuje začlenit potřeby zákazníků do návrhů cenově dostupnými prostředky. Tento proces umožňuje RP poskytnout zákazníkům větší výběr a flexibilitu.
Kolik to stojí?
Náklady se značně liší v závislosti na mnoha různých faktorech. Mezi tyto faktory patří fyzická velikost dílu, způsob obrábění, množství, povrchová úprava, objem nebo množství materiálu použitého k vytvoření dílu, mzdové náklady a to, kolik je třeba provést postprodukčního zpracování.
.