Rapid prototyping is een snel ontwerpproces dat een idee, prototyping, en het testen van een fysiek onderdeel, model, of assemblage met behulp van een 3D computer-aided design (CAD) omvat. De bouw van het deel, het model, of de assemblage wordt typisch verwezenlijkt door additieve vervaardiging die ook als 3D druk wordt bekend. Additieve vervaardiging beschrijft de technologie die wordt gebruikt om 3D-objecten te bouwen door laag na laag materiaal toe te voegen.
Er zijn twee soorten prototypes die worden gebruikt om een product te beschrijven. Van een high-fidelity prototype is sprake wanneer het ontwerp overeenkomt met het geprojecteerde eindproduct. Terwijl een low-fidelity type is waar er een duidelijk onderscheid is tussen het prototype en het eindproduct.
How Does Rapid Prototyping Work?
Rapid prototyping (RP) beschrijft veel verschillende fabricagetechnologieën. De meest gebruikte RP is additieve vervaardiging. Andere technologieën die over het algemeen voor RP worden gebruikt, zijn echter gieten, vormen, extruderen en machinale bewerking met hoge snelheid.
Bij het gebruik van additive manufacturing voor het rapid prototyping proces, kunnen verschillende gevestigde processen worden gebruikt om prototypes te bouwen.
Deze processen zijn:
- Subtractief: Een brok materiaal wordt gesneden om de gewenste vorm te creëren met behulp van slijpen, draaien, of frezen.
- Samenpersend: Een halfvast of vloeibaar materiaal wordt veranderd in de gewenste vorm voorafgaand aan het harden, net als bij gieten, gieten, of compressief sinteren.
Wat zijn de verschillende soorten Rapid Prototyping?
Stereolithography (SLA) of Vat Photopolymerization
Dit is een additief productieproces dat snel en betaalbaar is. Deze techniek was de allereerste methode van 3D-printen die werkte. Het werkt met behulp van een tank met lichtgevoelige vloeistof. Deze vloeistof wordt vervolgens laag voor laag omgezet in een vaste stof met behulp van een computergestuurd ultraviolet (UV) licht. Dit proces is onomkeerbaar, en de SLA-onderdelen kunnen niet worden teruggebracht in vloeibare vorm.
Selective Laser Sintering (SLS)
SLS is een additieve fabricagetechnologie die wordt gebruikt voor het maken van prototypes van metaal en kunststof. Er worden lagen poeder gebruikt om een prototype te maken, waarbij een krachtige laser wordt gebruikt om het poedermateriaal te verhitten en te sinteren. SLS-onderdelen zijn zwakker dan SLA. SLS is echter goedkoop, vereist minimale tijd en arbeid, en biedt een hoge productiviteit. Ook is het oppervlak van het eindproduct ruw en vereist het meer werk om het eindproduct te verkrijgen.
Fused Deposition Modelling (FDM) of Material Jetting
FDM is een additief fabricageproces dat betaalbaar, snel en goedkoop is, en een gemakkelijk te gebruiken proces. Dit maakt het ideaal voor productontwikkeling. FDM kan worden gevonden in veel niet-industriële desktop 3D-printers. Het creëert een fysiek object van onderaf door gebruik te maken van thermoplastisch filament dat wordt gesmolten in een spuitmondje. Het mondstuk van de printer beweegt heen en weer en brengt vloeibaar plastic laag voor laag aan met behulp van een computer depositieprogramma.
Selective Laser Melting (SLM) of Powder Bed Fusion (PBF)
Dit is een favoriete additieve productietechniek van fans omdat het proces relatief goedkoop is en onderdelen met hoge sterkte en vele facetten maakt. SLM wordt meestal gebruikt door bedrijven in de auto-, lucht- en ruimtevaart, de medische sector en de defensie. De PBF methode gebruikt ofwel een elektronenstraal of een hoog-poeder laser om laag per laag materiaalpoeder te smelten en samen te smelten om ofwel een prototype of een productieonderdeel te maken. PBF gebruikt elk poedermateriaal, maar de meest gebruikte materialen in RP zijn kobalt-chroomlegeringen, aluminium, roestvrij staal, koper en titanium.
Laminated Object Manufacturing (LOM) of Sheet Lamination
Dit is een relatief goedkoop proces dat niet zo complex is als SLM of SLS. Het voordeel van LOM is dat er geen speciale controlecondities nodig zijn. LOM werkt door laag voor laag plastic, metaal en keramische materialen samen te voegen die al gesneden zijn met laserstralen of een ander snijmechanisme om het CAD-ontwerp te maken. Elke laag materiaal wordt met lijm boven op de vorige gelijmd tot het onderdeel klaar is. Een probleem met deze vorm van additieve vervaardiging is dat keramische onderdelen moeten worden ontleed, waardoor het arbeidsintensief is en langere verwerkingstijden vergt.
Digital Light Processing (DLP)
DLP lijkt veel op de SLA-techniek in die zin dat DLP ook gebruik maakt van de polymerisatie van harsen die worden uitgehard (gehard) met behulp van een lichtbron. DLP’s lichtbron komt van UV-licht van een projector terwijl SLA lichtbron komt van UV-laserstralen. Hoewel DLP sneller en goedkoper is dan SLA, heeft DLP meestal ondersteunende structuren en uitharding na de bouw nodig.
Een andere vorm van DLP is Continuous Liquid Interface Production (CLIP). CLIP maakt gebruik van digitale lichtprojectie om een onderdeel te vormen dat continu uit een vat wordt getrokken en geen lagen gebruikt. Terwijl het materiaal uit het vat wordt getrokken, wordt er een reeks UV-beelden op geprojecteerd om de vorm te veranderen. Hierdoor verhardt het onderdeel en ontstaat het prototype.
Binder Jetting
Met deze additieve fabricagetechniek kunnen een of meer onderdelen tegelijk worden geprint. In vergelijking met SLS zijn de gemaakte onderdelen niet zo sterk. Dit proces werkt door gebruik te maken van spuitmonden om vloeibare bindmiddelen te spuiten om poederdeeltjes samen te voegen waardoor één laag van het stuk ontstaat. Laag na laag wordt poeder toegevoegd, verdicht en verspreid met een wals, en bindmiddel toegevoegd. Uiteindelijk ontstaat het stuk door het in lagen aanbrengen van poeder en bindmiddel. Wanneer het deel klaar is, wordt het in een oven uitgehard om het bindmiddel af te schroeien dat het poeder in het afgewerkte product samenvoegt.
Toepassingen
Deze processen worden gebruikt door productontwerpers, ingenieurs, en ontwikkelingsteams voor snelle productie van prototypen delen. De prototypen zijn uiterst voordelig voor productontwerpers omdat de delen hulp in visualisatie, het ontwerpen, en het ontwikkelen van het productieproces voorafgaand aan massaproducing it.
Rapid prototyping is rond sinds de recente jaren ’80 en werd oorspronkelijk gebruikt om delen en schaalmodellen voor de automobielindustrie tot stand te brengen. Sindsdien wordt het toegepast in een breed scala van industrieën, zoals de medische en de lucht- en ruimtevaartindustrie. Een toepassing in de tandheelkundige industrie is waar RP wordt gebruikt om diverse tandheelkundige mallen te maken zoals kronen.
Tot slot is rapid tooling een andere toepassing van RP die iemand in staat stelt een product snel en goedkoop te produceren. Het is de creatie van een mal in een verkorte periode van tijd. In rapid tooling, wordt een onderdeel zoals een ultrasone sensor wig gemaakt en gebruikt als gereedschap in een ander proces.
Wat zijn de voordelen?
De lijst van voordelen van rapid prototyping is eindeloos. RP stelt een productontwerper, ingenieurs, en productontwikkeling teams in staat om te zien een completer beeld van hoe hun product zal verschijnen of werken in het begin van het ontwerp-en fabricageproces. Hierdoor kunnen in een vroeg stadium van het proces wijzigingen of verbeteringen worden aangebracht, waardoor een ontwerper tijd en geld bespaart. De tijd die RP in beslag neemt, kan variëren van een paar dagen tot maanden en is grotendeels afhankelijk van de gebruikte additieve fabricagetechniek.
Twee andere grote voordelen van RP zijn kosteneffectiviteit en precisie. RP is een uiterst betaalbare manier om prototypes van producten te maken omdat het een geautomatiseerd proces is dat niet veel mensen nodig heeft om te bedienen. Het is ook kosteneffectief omdat RP snel kan handelen en eventuele problemen kan oplossen om het risico van kostbare fouten tijdens de productiefase te verminderen. RP is een enorm nauwkeurige techniek omdat hij kan worden gebruikt met computer-aided designs (CAD). Hierdoor wordt de hoeveelheid materiaal die wordt verspild verminderd en is er geen behoefte aan gespecialiseerde gereedschappen om elk specifiek product te prototypen.
RP stelt ontwerpers in staat om hun unieke ideeën te tonen aan bestuursleden, klanten en investeerders op een manier die hen in staat stelt om het product te begrijpen en goed te keuren. Klanten en klanten zijn in staat om ontwerpers te voorzien van meer accurate feedback, omdat ze in staat zijn om te zien hoe het product er daadwerkelijk uit zal zien, op basis van het fysieke product dat ze kunnen zien en aanraken, in plaats van iets dat ze zich moeten voorstellen of visueel moeten waarnemen in een 2D-tekening.
Ten slotte maakt het RP-proces een einde aan de noodzaak om aangepaste producten vanaf nul te creëren. Het is een interactief proces dat het mogelijk maakt de behoeften van zijn klanten op betaalbare wijze in ontwerpen te integreren. Dit proces stelt RP in staat om een grotere keuze en flexibiliteit voor klanten te bieden.
Hoeveel kost het?
De kosten variëren sterk, afhankelijk van een veelheid van verschillende factoren. Deze factoren omvatten de fysieke grootte van het deel, bewerkingsmethode, hoeveelheid, oppervlakteafwerking, volume of de hoeveelheid materiaal die wordt gebruikt om het deel te maken, arbeidskosten, en hoeveel post-productie verwerking moet worden gedaan.