A gyors prototípusgyártás egy gyors tervezési folyamat, amely magában foglalja egy fizikai alkatrész, modell vagy épület ötletét, prototípus készítését és tesztelését 3D-s számítógépes tervezés (CAD) segítségével. Az alkatrész, modell vagy összeállítás megépítése jellemzően additív gyártással történik, amelyet 3D nyomtatásnak is neveznek. Az additív gyártás azt a technológiát írja le, amelyet a 3D tárgyak rétegről rétegre történő anyagadagolással történő megépítésére használnak.
A termék leírására kétféle prototípus létezik. Nagy hűségű prototípusról akkor beszélünk, ha a tervezés megfelel a tervezett végterméknek. Míg az alacsony hűségű típus az, amikor egyértelmű különbség van a prototípus és a végtermék között.
Hogyan működik a gyors prototípusgyártás?
A gyors prototípusgyártás (RP) számos különböző gyártási technológiát ír le. A leggyakrabban használt RP az additív gyártás. Az RP-ben általánosan használt egyéb technológiák azonban az öntés, az öntés, az extrudálás és a nagysebességű megmunkálás.
Az additív gyártás gyors prototípusgyártásra történő alkalmazásakor a prototípusok elkészítéséhez különböző bevált eljárások használhatók.
Ezek az eljárások a következők:
- Szubtraktív: Egy anyagdarabot felszeletelnek, hogy csiszolással, esztergálással vagy marással létrehozzák a kívánt formát.
- Kompresszív: Egy félszilárd vagy folyékony anyagot a megszilárdulás előtt az előnyben részesített formává alakítanak, akárcsak az öntésnél, öntőformázásnál vagy préseléses szinterezésnél.
Melyek a gyors prototípusgyártás különböző típusai?
Sztereolitográfia (SLA) vagy Vat fotopolimerizáció
Ez egy additív gyártási eljárás, amely gyors és megfizethető. Ez a technika volt a 3D nyomtatás legelső működő módszere. Úgy működik, hogy egy tartályban fényérzékeny folyadékot használ. Ezt a folyadékot aztán egy számítógéppel vezérelt ultraibolya (UV) fény segítségével rétegről rétegre szilárd anyaggá alakítják. Ez a folyamat visszafordíthatatlan, és az SLA alkatrészeket nem lehet visszaállítani folyékony formába.
Szelektív lézersinterezés (SLS)
Az SLS egy additív gyártási technológia, amelyet fém és műanyag prototípusok készítésére használnak. A prototípus létrehozásához porrétegeket használ, nagy teljesítményű lézerrel melegítve és szinterezve a porított anyagot. Az SLS-alkatrészek gyengébbek, mint az SLA. Az SLS azonban alacsony költségű, minimális időt és munkaerőt igényel, és magas termelékenységet biztosít. Emellett a késztermék felülete érdes, és több munkát igényel a késztermék előállításához.
Fused Deposition Modelling (FDM) vagy Material Jetting
Az FDM egy olyan additív gyártási eljárás, amely megfizethető, gyors, olcsó és könnyen használható folyamat. Ez teszi ideális termékfejlesztésre. Az FDM sok nem ipari asztali 3D nyomtatóban található. Alulról felfelé haladva hozza létre a fizikai tárgyat egy nyomtatófúvóka-hordóban megolvasztott hőre lágyuló filamentum segítségével. A nyomtató fúvókája előre-hátra mozog, és egy számítógépes lerakóprogram segítségével rétegenként helyezi le a folyékony műanyagot.
Szelektív lézerolvasztás (SLM) vagy porágyfúvás (PBF)
Ez a rajongók által kedvelt additív gyártási technika, mivel az eljárás viszonylag olcsó, és nagy szilárdságú, sokrétű alkatrészeket készít. Az SLM-et jellemzően autóipari, repülőgépipari, orvosi és védelmi vállalatok használják. A PBF-módszer vagy elektronsugárral vagy nagy porral működő lézerrel rétegenként megolvasztja és összeolvasztja az anyagport, hogy prototípust vagy gyártási alkatrészt hozzon létre. A PBF bármilyen por alapanyagot használ, de az RP-ben leggyakrabban használt anyagok közé tartoznak a kobalt-króm ötvözetek, az alumínium, a rozsdamentes acél, a réz és a titán.
Laminated Object Manufacturing (LOM) vagy Sheet Lamination
Ez egy viszonylag alacsony költségű eljárás, amely nem olyan összetett, mint az SLM vagy az SLS. A LOM előnye, hogy nincs szükség speciálisan szabályozott körülményekre. A LOM úgy működik, hogy a CAD-terv létrehozásához lézersugarakkal vagy más vágómechanizmussal már megvágott műanyag, fém és kerámia anyagokat rétegről rétegre összeszerelik. Minden egyes anyagréteget ragasztóval ragasztanak az előzőre, amíg az alkatrész el nem készül. Az additív gyártás ezen stílusának egyik problémája, hogy a kerámia alkatrészeket dekubálni kell, ami munkaigényessé teszi, és hosszabb feldolgozási idővel jár.
Digitális fényfeldolgozás (DLP)
A DLP sokban hasonlít az SLA technikához, mivel a DLP is a gyanták polimerizációját használja, amelyeket fényforrás segítségével keményítenek(keményítenek). A DLP fényforrása egy projektorból származó UV fény, míg az SLA fényforrás UV lézersugarakból származik. Annak ellenére, hogy a DLP gyorsabb és olcsóbb, mint az SLA, a DLP-hez általában tartószerkezetekre és az építés utáni gyógyításra van szükség.
A DLP egy másik formája a CLIP (Continuous Liquid Interface Production). A CLIP digitális fényvetítést használ egy kádból folyamatosan kihúzott alkatrész kialakítására, és nem használ rétegeket. Ahogy az anyagot kihúzzák a tartályból, UV-képek sorozatát vetítik rá, hogy megváltoztassák a formáját. Ez megkeményíti az alkatrészt és létrehozza a prototípust.
Binder Jetting
Ez az additív gyártási technika lehetővé teszi egy vagy több alkatrész egyidejű nyomtatását. Az SLS-hez képest a létrehozott alkatrészek nem olyan erősek. Ez az eljárás úgy működik, hogy fúvókák segítségével folyékony kötőanyagot permeteznek, hogy a porszemcsék összekapcsolódjanak, létrehozva ezzel a darab egy rétegét. Rétegről rétegre adagolják a port, amelyet hengerrel tömörítenek és terítenek el, majd kötőanyagot adnak hozzá. Végül az alkatrész a por és a kötőanyag rétegezésével jön létre. Amikor kész, az alkatrészt egy kemencében kikeményítik, hogy a kötőanyagot leperzseljék, ami a port a késztermékké egyesíti.
Alkalmazások
Ezeket az eljárásokat a terméktervezők, mérnökök és fejlesztőcsapatok használják prototípus alkatrészek gyors gyártására. A prototípusok rendkívül hasznosak a terméktervezők számára, mivel az alkatrészek segítik a gyártási folyamat vizualizálását, tervezését és fejlesztését a sorozatgyártás előtt.
A gyors prototípusgyártás az 1980-as évek vége óta létezik, és eredetileg az autóiparban használták alkatrészek és méretarányos modellek készítésére. Azóta számos iparágban alkalmazzák, például az orvosi és a repülőgépiparban. A fogászati iparban az egyik alkalmazás, ahol az RP-t különböző fogászati öntvények, például koronák készítésére használják.
Végül a gyors szerszámkészítés az RP egy másik alkalmazása, amely lehetővé teszi, hogy valaki gyorsan és olcsón előállítson egy terméket. Ez egy szerszám rövidített idő alatt történő létrehozását jelenti. A gyors szerszámozás során egy olyan alkatrészt, mint például egy ultrahang-érzékelő éket hoznak létre, amelyet szerszámként használnak egy másik folyamatban.
Melyek az előnyök?
A gyors prototípusgyártás előnyeinek listája végtelen. Az RP lehetővé teszi a terméktervező, a mérnökök és a termékfejlesztési csapatok számára, hogy a tervezési és gyártási folyamat kezdetén teljesebb képet kapjanak arról, hogyan fog kinézni vagy működni a termékük. Ez lehetővé teszi a módosítások vagy fejlesztések elvégzését a folyamat korai szakaszában, így a tervező időt és pénzt takaríthat meg. Az RP időigénye néhány naptól akár hónapokig is terjedhet, és nagyban függ az alkalmazott additív gyártási technikától.
A RP két másik nagy előnye a költséghatékonyság és a pontosság. Az RP rendkívül megfizethető módja a termékek prototípusának, mivel ez egy automatizált folyamat, amelynek működtetéséhez nincs szükség sok emberre. Azért is költséghatékony, mert az RP gyorsan tud cselekedni és megoldani minden problémát, hogy csökkentse a költséges hibák kockázatát a gyártási szakaszban. Az RP egy rendkívül precíz technika, mivel képes a számítógéppel támogatott tervekkel (CAD) együtt használni. Ez lehetővé teszi, hogy csökkentse a pazarló anyagmennyiséget, és nincs szükség speciális szerszámokra az egyes konkrét termékek prototípusának elkészítéséhez.
Az RP lehetővé teszi a tervezők számára, hogy egyedi ötleteiket úgy mutassák be az igazgatótanács tagjainak, az ügyfeleknek és a befektetőknek, hogy azok megértsék és jóváhagyják a terméket. Az ügyfelek és az ügyfelek pontosabb visszajelzést tudnak adni a tervezőknek, mivel a fizikai termék alapján, amelyet láthatnak és megérinthetnek, láthatják, hogy a termék valójában hogyan fog kinézni, nem pedig olyasvalami alapján, amit egy 2D-s rajzban kell elképzelniük vagy vizuálisan megfigyelniük.
Végezetül, az RP-folyamat megszabadít attól, hogy az egyedi termékeket a semmiből kelljen létrehozni. Ez egy interaktív folyamat, amely lehetővé teszi, hogy az ügyfelek igényei megfizethető eszközökkel beépüljenek a tervekbe. Ez a folyamat lehetővé teszi, hogy az RP nagyobb választékot és rugalmasságot biztosítson az ügyfelek számára.
Mennyibe kerül?
A költségek számos különböző tényezőtől függően nagymértékben változnak. Ezek a tényezők közé tartozik az alkatrész fizikai mérete, a megmunkálási módszer, a darabszám, a felületkezelés, a mennyiség vagy az alkatrész előállításához felhasznált anyag mennyisége, a munkaerőköltség, és az, hogy mennyi utófeldolgozást kell végezni.