Rapid prototyping är en snabb designprocess som innebär en idé, prototyping och testning av en fysisk del, modell eller byggnad med hjälp av en datorstödd 3D-design (CAD). Byggandet av delen, modellen eller byggnaden sker vanligtvis genom additiv tillverkning, som också kallas 3D-utskrift. Additiv tillverkning beskriver den teknik som används för att bygga 3D-objekt genom att lägga lager på lager av material.
Det finns två typer av prototyper som används för att beskriva en produkt. En prototyp med hög trovärdighet är när konstruktionen stämmer överens med den projekterade slutprodukten. Medan en typ med låg fidelitet är när det finns en tydlig skillnad mellan prototypen och slutprodukten.
Hur fungerar Rapid Prototyping?
Rapid prototyping (RP) beskriver många olika tillverkningstekniker. Den mest använda RP är additiv tillverkning. Andra tekniker som vanligtvis används för RP är dock gjutning, gjutning, extrudering och höghastighetsbearbetning.
När additiv tillverkning används för rapid prototyping kan olika etablerade processer användas för att bygga prototyper.
Dessa processer är:
- Subtraktiva: En bit material skärs i bitar för att skapa den önskade formen med hjälp av slipning, svarvning eller fräsning.
- Komprimering: Ett halvfast eller flytande material ändras till den önskade formen före härdning, precis som vid gjutning, gjutning eller kompressiv sintring.
Vad är de olika typerna av Rapid Prototyping?
Stereolitografi (SLA) eller Vat Photopolymerization
Detta är en additiv tillverkningsprocess som är snabb och prisvärd. Denna teknik var den allra första metoden för 3D-utskrift som fungerade. Den fungerar genom att man använder en tank med ljuskänslig vätska. Denna vätska förvandlas sedan till en fast substans lager för lager med hjälp av ett datorstyrt ultraviolett (UV) ljus. Denna process är irreversibel, och SLA-delarna kan inte återställas till flytande form.
Selektiv lasersintring (SLS)
SLS är en additiv tillverkningsteknik som används för prototyper av metall och plast. Den använder lager av pulver för att skapa en prototyp med hjälp av en högeffektslaser för att värma och sintra det pulveriserade materialet. SLS-delar är svagare än SLA. SLS är dock billig, kräver minimal tid och arbetskraft och ger hög produktivitet. Dessutom är ytan på den färdiga produkten grov och kräver mer arbete för att få fram den färdiga produkten.
Fused Deposition Modelling (FDM) eller Material Jetting
FDM är en additiv tillverkningsprocess som är prisvärd, snabb, billig och en lättanvänd process. Detta gör den idealisk för produktutveckling. FDM kan finnas i många icke-industriella stationära 3D-skrivare. Den skapar ett fysiskt objekt nerifrån och upp genom att använda termoplastisk filament som smälts inuti en pipa med utskriftsmunstycke. Skrivarmunstycket rör sig fram och tillbaka och placerar flytande plast lager för lager med hjälp av ett datorprogram för deponering.
Selektiv lasersmältning (SLM) eller Powder Bed Fusion (PBF)
Detta är en av fansens favorittekniker för additiv tillverkning eftersom processen är relativt billig och gör höghållfasta, mångfacetterade delar. SLM används vanligtvis av företag inom fordonsindustrin, flygindustrin, medicinteknik och försvaret. PBF-metoden använder antingen en elektronstråle eller en högpulverlaser för att smälta lager för lager och smälta samman materialpulver för att skapa antingen en prototyp eller en produktionsdel. PBF använder vilket pulverbaserat material som helst, men de vanligaste materialen som används i RP är koboltkromlegeringar, aluminium, rostfritt stål, koppar och titan.
Laminated Object Manufacturing (LOM) eller Sheet Lamination
Detta är en relativt billig process som inte är lika komplex som SLM eller SLS. Fördelen med LOM är att det inte finns något behov av särskilda kontrollförhållanden. LOM fungerar genom att lager för lager sammanfoga plast-, metall- och keramikmaterial som redan har skurits med laserstrålar eller en annan skärmekanism för att skapa CAD-konstruktionen. Varje lager av material binds med lim ovanpå det föregående lagret tills komponenten är färdig. Ett problem med denna typ av additiv tillverkning är att keramiska delar måste avkuberas, vilket gör den arbetsintensiv och innebär längre bearbetningstider.
Digital Light Processing (DLP)
DLP påminner mycket om SLA-tekniken i det att DLP också använder sig av polymerisering av hartser som härdas(härdas) med hjälp av en ljuskälla. DLP:s ljuskälla kommer från UV-ljus från en projektor medan SLA:s ljuskälla kommer från UV-laserstrålar. Även om DLP är snabbare och billigare än SLA behöver DLP vanligtvis stödstrukturer och härdning efter byggandet.
En annan form av DLP är Continuous Liquid Interface Production (CLIP). CLIP använder digital ljusprojektion för att forma en del som kontinuerligt dras ur ett kar och använder inga lager. När materialet dras ur karet projiceras en sekvens av UV-bilder på det för att ändra dess form. Detta härdar delen och skapar prototypen.
Binder Jetting
Denna teknik för additiv tillverkning gör det möjligt att skriva ut en eller flera delar samtidigt. Jämfört med SLS är de delar som skapas inte lika starka. Den här processen fungerar genom att använda munstycken för att spruta flytande bindemedel för att sammanfoga pulverpartiklar som skapar ett lager av detaljen. Skikt för skikt läggs pulver till, komprimeras och sprids med en vals och bindemedel tillsätts. I slutändan skapas detaljen genom att pulver och bindemedel läggs i lager. När delen är klar härdas den i en ugn för att bränna bort bindemedlet, vilket sammanfogar pulvret till den färdiga produkten.
Användningar
Dessa processer används av produktdesigners, ingenjörer och utvecklingsteam för snabb tillverkning av prototyper av delar. Prototyper är extremt fördelaktiga för produktdesigners eftersom delarna hjälper till att visualisera, designa och utveckla tillverkningsprocessen innan den massproduceras.
Rapid prototyping har funnits sedan slutet av 1980-talet och användes ursprungligen för att skapa delar och skalmodeller för bilindustrin. Sedan dess har det tillämpats inom en mängd olika branscher, t.ex. inom medicinteknik och flygindustrin. En tillämpning inom tandvårdsbranschen är där RP används för att skapa olika dentala gjutningar som t.ex. kronor.
Finally, rapid tooling är en annan tillämpning av RP som gör det möjligt för en person att tillverka en produkt snabbt och billigt. Det är skapandet av en form på en förkortad tidsperiod. Vid rapid tooling skapas en del som en ultraljudssensorkil och används som verktyg i en annan process.
Vad är fördelarna?
Listan över fördelarna med rapid prototyping är oändlig. RP gör det möjligt för en produktdesigner, ingenjörer och produktutvecklingsteam att se en mer komplett bild av hur deras produkt kommer att se ut eller fungera i början av design- och tillverkningsprocessen. Detta gör det möjligt att göra ändringar eller förbättringar i de tidiga skedena av processen, vilket sparar tid och pengar åt designern. Hur lång tid RP tar kan variera från ett par dagar till månader och beror till stor del på vilken additiv tillverkningsteknik som används.
Två andra stora fördelar med RP är kostnadseffektivitet och precision. RP är ett extremt prisvärt sätt att ta fram prototyper av produkter eftersom det är en automatiserad process som inte kräver många människor för att fungera. Det är också kostnadseffektivt eftersom RP kan agera snabbt och lösa eventuella problem för att minska risken för kostsamma fel under tillverkningsfasen. RP är en oerhört exakt teknik eftersom den kan användas tillsammans med datorstödda konstruktioner (CAD). Detta gör det möjligt att minska mängden material som går till spillo och det finns inget behov av specialverktyg för att ta fram prototyper av varje specifik produkt.
RP gör det möjligt för designers att visa sina unika idéer för styrelsemedlemmar, kunder och investerare på ett sätt som gör att de kan förstå och godkänna produkten. Kunder och klienter kan ge designers mer korrekt feedback eftersom de kan se hur produkten faktiskt kommer att se ut, baserat på den fysiska produkten som de kan se och röra vid, snarare än något som de måste föreställa sig eller visuellt observera i en 2D-ritning.
Sist och slutligen gör RP-processen att det inte längre är nödvändigt att skapa skräddarsydda produkter från grunden. Det är en interaktiv process som gör det möjligt att integrera kundernas behov i designen på ett prisvärt sätt. Denna process gör det möjligt för RP att ge kunderna större valmöjligheter och flexibilitet.
Hur mycket kostar det?
Kostnaden varierar kraftigt beroende på en mängd olika faktorer. Dessa faktorer inkluderar delens fysiska storlek, bearbetningsmetod, kvantitet, ytbehandling, volym eller mängden material som används för att skapa delen, arbetskostnader och hur mycket bearbetning efter produktionen som behöver göras.