Rapid prototyping er en hurtig designproces, der involverer en idé, prototyping og afprøvning af en fysisk del, model eller bygning ved hjælp af et 3D computerstøttet design (CAD). Opbygningen af delen, modellen eller samlingen sker typisk ved hjælp af additiv fremstilling, som også er kendt som 3D-printning. Additiv fremstilling beskriver den teknologi, der anvendes til at bygge 3D-objekter ved at tilføje lag på lag af materiale.
Der er to typer af prototyper, der bruges til at beskrive et produkt. En high-fidelity-prototype er, når designet svarer til det planlagte slutprodukt. Mens en low fidelity-type er, hvor der er en klar forskel mellem prototypen og det endelige produkt.
Hvordan fungerer Rapid Prototyping?
Rapid prototyping (RP) beskriver en masse forskellige fremstillingsteknologier. Den mest anvendte RP er additiv fremstilling. Andre teknologier, der generelt anvendes til RP, er imidlertid støbning, støbning, ekstrudering og højhastighedsbearbejdning.
Når man anvender additiv fremstilling til rapid prototyping-processen, kan forskellige etablerede processer anvendes til at bygge prototyper.
Disse processer er:
- Subtraktiv: En klump materiale skæres i skiver for at skabe den foretrukne form ved hjælp af slibning, drejning eller fræsning.
- Komprimerende: Et halvfast eller flydende materiale ændres til den foretrukne form før hærdning, ligesom ved støbning, støbning eller kompressionssintring.
Hvad er de forskellige typer af Rapid Prototyping?
Stereolitografi (SLA) eller Vatfotopolymerisering
Dette er en additiv fremstillingsproces, der er hurtig og økonomisk overkommelig. Denne teknik var den allerførste metode til 3D-printning, der virkede. Den fungerer ved hjælp af en tank med lysfølsom væske. Denne væske forvandles derefter til et fast stof lag for lag ved hjælp af et computerstyret ultraviolet (UV) lys. Denne proces er irreversibel, og SLA-delene kan ikke vendes tilbage til flydende form.
Selective Laser Sintering (SLS)
SLS er en additiv fremstillingsteknologi, der anvendes til prototyping af metal og plast. Den anvender lag af pulver til at skabe en prototype ved hjælp af en højtydende laser til at opvarme og sintre det pulveriserede materiale. SLS-dele er svagere end SLA. SLS er imidlertid billig, kræver minimal tid og arbejdskraft og giver en høj produktivitet. Desuden er overfladen på det færdige produkt ru og kræver mere arbejde for at opnå det færdige produkt.
Fused Deposition Modelling (FDM) eller Material Jetting
FDM er en additiv fremstillingsproces, der er overkommelig, hurtig, billig og en proces, der er let at anvende. Dette gør den ideel til produktudvikling. FDM kan ligge i en masse ikke-industrielle desktop 3D-printere på skrivebordet. Den skaber et fysisk objekt nedefra og op ved at bruge termoplastisk filament, der smeltes inde i en tønde med udskrivningsdyse. Printerdysen bevæger sig frem og tilbage og lægger flydende plast ned lag for lag ved hjælp af et computerprogram til udfældning.
Selektiv lasersmeltning (SLM) eller Powder Bed Fusion (PBF)
Dette er en af fanernes foretrukne additive fremstillingsteknik, fordi processen er relativt billig og fremstiller højstyrke, multifacetterede dele. SLM anvendes typisk af virksomheder inden for bilindustrien, luft- og rumfart, medicin og forsvar. PBF-metoden bruger enten en elektronstråle eller en laser med højt pulver til at smelte lag for lag og smelte materialepulver sammen for at skabe enten en prototype eller en produktionsdel. PBF anvender ethvert pulverbasismateriale, men de hyppigst anvendte materialer i RP omfatter koboltkromlegeringer, aluminium, rustfrit stål, kobber og titan.
Laminated Object Manufacturing (LOM) eller Sheet Lamination
Dette er en forholdsvis billig proces, der ikke er lige så kompleks som SLM eller SLS. Fordelen ved LOM er, at der ikke er behov for særlige kontrolbetingelser. LOM fungerer ved at samle plast-, metal- og keramiske materialer lag for lag, som allerede er blevet skåret med laserstråler eller en anden skæremekanisme for at skabe CAD-designet. Hvert materialelag bindes med lim oven på det foregående lag, indtil komponenten er færdig. Et problem med denne form for additiv fremstilling er, at keramiske dele skal dekubes, hvilket gør den arbejdskrævende og indebærer længere behandlingstider.
Digital Light Processing (DLP)
DLP minder meget om SLA-teknikken, idet DLP også anvender polymerisering af harpikser, der hærdes(hærdes) ved hjælp af en lyskilde. DLPs lyskilde kommer fra UV-lys fra en projektor, mens SLA-lyskilden kommer fra UV-laserstråler. Selv om DLP er hurtigere og billigere end SLA, kræver DLP typisk støttestrukturer og hærdning efter opbygningen.
En anden form for DLP er Continuous Liquid Interface Production (CLIP). CLIP anvender digital lysprojektion til at danne en del, der kontinuerligt trækkes ud af et kar, og der anvendes ikke lag. Efterhånden som materialet trækkes ud af karret, projiceres en sekvens af UV-billeder på det for at ændre dets form. Dette hærder delen og skaber prototypen.
Binder Jetting
Denne additive fremstillingsteknik gør det muligt at udskrive en eller flere dele på samme tid. Sammenlignet med SLS er de fremstillede dele ikke lige så stærke som SLS. Denne proces fungerer ved hjælp af dyser til at sprøjte flydende bindemidler for at samle pulverpartikler og skabe et lag af emnet. Lag for lag tilsættes pulver, komprimeres og spredes med en rulle, hvorefter der tilsættes bindemiddel. I sidste ende skabes emnet ved at lægge pulver og bindemiddel i lag. Når emnet er færdigt, hærdes det i en ovn for at fjerne bindemidlet, som smelter pulveret sammen til det færdige produkt.
Anvendelser
Disse processer anvendes af produktdesignere, ingeniører og udviklingsteams til hurtig fremstilling af prototypedele. Prototyper er yderst fordelagtige for produktdesignere, fordi delene hjælper med at visualisere, designe og udvikle fremstillingsprocessen før masseproduktion.
Rapid prototyping har eksisteret siden slutningen af 1980’erne og blev oprindeligt brugt til at skabe dele og skalamodeller til bilindustrien. Siden da er det blevet anvendt i en lang række industrier som f.eks. medicinalindustrien og luft- og rumfartsindustrien. En anvendelse i tandlægeindustrien er, hvor RP bruges til at skabe forskellige tandlægeforme som f.eks. kroner.
Sidst er rapid tooling en anden anvendelse af RP, der gør det muligt for en person at fremstille et produkt hurtigt og billigt. Det er skabelsen af en støbeform i en forkortet tidsperiode. Ved rapid tooling oprettes en del som f.eks. en ultralydssensor-kile, der bruges som værktøj i en anden proces.
Hvad er fordelene?
Listen over fordele ved rapid prototyping er uendelig. RP gør det muligt for en produktdesigner, ingeniører og produktudviklingsteams at se et mere fuldstændigt billede af, hvordan deres produkt vil se ud eller fungere i begyndelsen af design- og fremstillingsprocessen. Dette gør det muligt at foretage ændringer eller forbedringer i de tidlige faser af processen, hvilket sparer en designer tid og penge. Den tid, som RP tager, kan variere fra et par dage til måneder, og det afhænger i høj grad af den anvendte additive fremstillingsteknik.
To andre store fordele ved RP er omkostningseffektivitet og præcision. RP er en yderst økonomisk overkommelig måde at lave prototyper af produkter på, fordi det er en automatiseret proces, der ikke kræver mange mennesker til at betjene den. Det er også omkostningseffektivt, fordi RP kan handle hurtigt og løse eventuelle problemer for at mindske risikoen for dyre fejl i fremstillingsfasen. RP er en enormt præcis teknik på grund af dens evne til at blive brugt sammen med computerstøttede konstruktioner (CAD). Dette gør det muligt at mindske mængden af materiale, der går til spilde, og der er ikke behov for specialværktøj for at lave prototyper af hvert enkelt produkt.
RP gør det muligt for designere at vise deres unikke idéer til bestyrelsesmedlemmer, kunder og investorer på en måde, der gør det muligt for dem at forstå og godkende produktet. Kunder og klienter er i stand til at give designerne mere præcis feedback, fordi de kan se, hvordan produktet rent faktisk vil se ud, baseret på det fysiske produkt, som de kan se og røre ved, i stedet for noget, de skal forestille sig eller visuelt observere på en 2D-tegning.
Sidst, RP-processen gør det ikke længere nødvendigt at skabe tilpassede produkter fra bunden. Det er en interaktiv proces, der gør det muligt at integrere kundernes behov i design med overkommelige midler. Denne proces gør RP i stand til at give kunderne større valgmuligheder og fleksibilitet.
Hvor meget koster det?
Den varierer meget afhængigt af et væld af forskellige faktorer. Disse faktorer omfatter delens fysiske størrelse, bearbejdningsmetode, mængde, overfladebehandling, volumen eller mængden af materiale, der bruges til at skabe delen, lønomkostninger, og hvor meget efterbehandling der skal foretages.