Szybkie prototypowanie jest szybkim procesem projektowania, który obejmuje pomysł, prototypowanie i testowanie fizycznej części, modelu lub budynku przy użyciu komputerowego wspomagania projektowania 3D (CAD). Budowa części, modelu lub zespołu jest zazwyczaj realizowana poprzez produkcję addytywną, która jest również znana jako druk 3D. Wytwarzanie addytywne opisuje technologię, która jest używana do budowania obiektów 3D poprzez dodawanie warstwa po warstwie materiału.
Istnieją dwa rodzaje prototypów, które są używane do opisania produktu. Prototyp wysokiej wierności to taki, w którym projekt odpowiada projektowanemu produktowi końcowemu. Natomiast typ niskiej wierności to taki, w którym istnieje wyraźna różnica między prototypem a produktem końcowym.
Jak działa szybkie prototypowanie?
Szybkie prototypowanie (RP) opisuje wiele różnych technologii produkcyjnych. Najczęściej stosowaną technologią RP jest produkcja addytywna. Jednak inne technologie, które są ogólnie stosowane do RP to odlewanie, formowanie, wytłaczanie i obróbka z dużymi prędkościami.
W przypadku stosowania wytwarzania addytywnego w procesie szybkiego prototypowania, do budowy prototypów można wykorzystać różne ustalone procesy.
Procesy te są następujące:
- Subtrakcyjne: Kawałek materiału jest krojony w celu utworzenia preferowanej formy przy użyciu szlifowania, toczenia lub frezowania.
- Ściskające: Półstały lub płynny materiał jest zmieniany do preferowanej formy przed utwardzeniem, tak jak w przypadku odlewania, formowania lub spiekania kompresyjnego.
Jakie są różne rodzaje szybkiego prototypowania?
Stereolitografia (SLA) lub fotopolimeryzacja w kadzi
Jest to proces wytwarzania addytywnego, który jest szybki i niedrogi. Technika ta była pierwszą metodą druku 3D, która zadziałała. Działa ona poprzez użycie zbiornika z cieczą światłoczułą. Ciecz ta jest następnie zamieniana w ciało stałe warstwa po warstwie za pomocą sterowanego komputerowo światła ultrafioletowego (UV). Proces ten jest nieodwracalny, a części SLA nie można przywrócić do postaci płynnej.
Selektywne spiekanie laserowe (SLS)
SLS to technologia wytwarzania przyrostowego, która jest wykorzystywana do prototypowania metali i tworzyw sztucznych. Wykorzystuje warstwy proszku do tworzenia prototypu przy użyciu lasera o dużej mocy do podgrzewania i spiekania sproszkowanego materiału. Części wykonane metodą SLS są słabsze niż SLA. Jednak SLS jest tania, wymaga minimalnego czasu i pracy oraz oferuje wysoką wydajność. Ponadto powierzchnia gotowego produktu jest szorstka i wymaga więcej pracy, aby uzyskać gotowy produkt.
Fused Deposition Modelling (FDM) lub Material Jetting
FDM to proces wytwarzania addytywnego, który jest niedrogi, szybki, tani i łatwy w użyciu. To czyni go idealnym dla rozwoju produktu. FDM może być umieszczony w wielu nie-przemysłowych desktopowych drukarkach 3D. Tworzy on fizyczny obiekt od dołu do góry za pomocą termoplastycznego filamentu, który jest topiony wewnątrz cylindra dyszy drukującej. Dysza drukarki porusza się tam i z powrotem umieszczając płynne tworzywo sztuczne warstwa po warstwie za pomocą komputerowego programu osadzania.
Selektywne topienie laserowe (SLM) lub fuzja w łożu proszku (PBF)
Jest to ulubiona przez fanów technika wytwarzania przyrostowego, ponieważ proces jest stosunkowo niedrogi i pozwala uzyskać części o wysokiej wytrzymałości i wielu twarzach. SLM jest zazwyczaj wykorzystywana przez firmy motoryzacyjne, lotnicze, medyczne i obronne. Metoda PBF wykorzystuje wiązkę elektronów lub laser wysokoproszkowy do topienia warstwa po warstwie i łączenia materiałów w proszku w celu stworzenia prototypu lub części produkcyjnej. PBF wykorzystuje dowolny materiał bazowy, ale najczęstszymi materiałami stosowanymi w RP są stopy kobaltowo-chromowe, aluminium, stal nierdzewna, miedź i tytan.
Laminated Object Manufacturing (LOM) lub Sheet Lamination
Jest to stosunkowo tani proces, który nie jest tak złożony jak SLM lub SLS. Zaletą LOM jest to, że nie ma potrzeby stosowania specjalnych warunków kontroli. LOM działa poprzez łączenie warstwa po warstwie tworzyw sztucznych, metali i materiałów ceramicznych, które zostały już wycięte za pomocą wiązki laserowej lub innego mechanizmu tnącego w celu stworzenia projektu CAD. Każda warstwa materiału jest łączona klejem z poprzednią, aż do ukończenia elementu. Jednym z problemów związanych z tym stylem wytwarzania przyrostowego jest to, że części ceramiczne muszą być oczyszczone, co czyni je pracochłonnymi i wymaga dłuższego czasu przetwarzania.
Digital Light Processing (DLP)
DLP jest bardzo podobne do techniki SLA, ponieważ DLP wykorzystuje polimeryzację żywic, które są utwardzane za pomocą źródła światła. Źródło światła DLP pochodzi z promieniowania UV z projektora, podczas gdy źródło światła SLA pochodzi z wiązek lasera UV. Mimo, że DLP jest szybsze i tańsze niż SLA, DLP zazwyczaj wymaga konstrukcji wsporczych i utwardzania po zakończeniu budowy.
Inną formą DLP jest Continuous Liquid Interface Production (CLIP). CLIP wykorzystuje cyfrową projekcję światła do formowania części, która jest stale pobierana z kadzi i nie wykorzystuje warstw. Gdy materiał jest wyciągany z kadzi, wyświetlana jest na nim sekwencja obrazów UV w celu zmiany jego formy. To utwardza część i tworzy prototyp.
Binder Jetting
Ta technika wytwarzania addytywnego umożliwia drukowanie jednej lub więcej części w tym samym czasie. W porównaniu do SLS, tworzone części nie są tak wytrzymałe. Proces ten działa poprzez użycie dysz do rozpylania płynnych środków wiążących, które łączą cząsteczki proszku tworząc jedną warstwę elementu. Warstwa po warstwie, proszek jest dodawany, zagęszczany i rozprowadzany przez wałek, a następnie dodawane jest spoiwo. Ostatecznie, część jest tworzona poprzez warstwowe nakładanie proszku i spoiwa. Po zakończeniu część jest utwardzana w piecu, aby oddzielić środek wiążący, który łączy proszek w gotowy produkt.
Zastosowania
Procesy te są wykorzystywane przez projektantów produktów, inżynierów i zespoły rozwojowe do szybkiej produkcji prototypów części. Prototypy są niezwykle korzystne dla projektantów produktów, ponieważ części pomagają w wizualizacji, projektowaniu i rozwoju procesu produkcyjnego przed jego masową produkcją.
Szybkie prototypowanie istnieje od późnych lat 80-tych i było pierwotnie wykorzystywane do tworzenia części i modeli skali dla przemysłu motoryzacyjnego. Od tego czasu zostało zastosowane w szerokim zakresie branż, takich jak medyczna i lotnicza. Jednym z zastosowań w przemyśle dentystycznym jest wykorzystanie RP do tworzenia różnych form dentystycznych, takich jak korony.
Wreszcie, szybkie oprzyrządowanie jest kolejnym zastosowaniem RP, które umożliwia szybkie i tanie wytwarzanie produktu. Jest to tworzenie formy w skróconym okresie czasu. W szybkim oprzyrządowaniu, część taka jak klin czujnika ultradźwiękowego jest tworzona i używana jako narzędzie w innym procesie.
Jakie są zalety?
Lista zalet szybkiego prototypowania jest nieskończona. RP umożliwia projektantom produktów, inżynierom i zespołom ds. rozwoju produktów uzyskanie pełniejszego obrazu tego, jak ich produkt będzie wyglądał lub działał na początku procesu projektowania i produkcji. Umożliwia to wprowadzanie zmian lub ulepszeń na wczesnych etapach procesu, oszczędzając czas i pieniądze projektanta. Czas trwania RP może wynosić od kilku dni do miesięcy i jest w dużej mierze zależny od zastosowanej techniki wytwarzania addytywnego.
Dwie inne główne zalety RP to ekonomiczność i precyzja. RP jest niezwykle przystępnym sposobem prototypowania produktów, ponieważ jest to proces zautomatyzowany, który nie wymaga dużej liczby osób do obsługi. Jest to również opłacalne, ponieważ RP może działać szybko i rozwiązywać wszelkie problemy w celu zmniejszenia ryzyka wystąpienia kosztownych błędów na etapie produkcji. RP jest niezwykle precyzyjną techniką ze względu na jej zdolność do stosowania z projektami wspomaganymi komputerowo (CAD). Pozwala to na zmniejszenie ilości marnowanego materiału i nie ma potrzeby stosowania specjalistycznych narzędzi do prototypowania każdego konkretnego produktu.
RP umożliwia projektantom pokazać swoje unikalne pomysły do członków zarządu, klientów i inwestorów w sposób, który pozwala im zrozumieć i zatwierdzić produkt. Klienci i zleceniodawcy są w stanie zapewnić projektantom bardziej dokładne informacje zwrotne, ponieważ są w stanie zobaczyć, jak produkt będzie faktycznie wyglądał, w oparciu o fizyczny produkt, który mogą zobaczyć i dotknąć, a nie coś, co muszą sobie wyobrazić lub wizualnie obserwować na rysunku 2D.
Na koniec, proces RP pozbywa się potrzeby tworzenia od podstaw produktów dostosowanych do potrzeb klienta. Jest to interaktywny proces, który umożliwia włączenie potrzeb klientów do projektów za pomocą przystępnych środków. Proces ten umożliwia RP zapewnienie większego wyboru i elastyczności dla klientów.
How Much Does It Cost?
Koszty różnią się znacznie w zależności od wielu różnych czynników. Czynniki te obejmują fizyczny rozmiar części, metodę obróbki, ilość, wykończenie powierzchni, objętość lub ilość materiału użytego do wytworzenia części, koszty robocizny oraz ilość obróbki poprodukcyjnej, która musi zostać wykonana.