Быстрое прототипирование — это группа методов, используемых для быстрого изготовления масштабной модели физической детали или сборки с использованием трехмерных данных автоматизированного проектирования ( САПР ). [1] [2] Изготовление детали или сборки обычно выполняется с использованием технологии 3D-печати или « производства аддитивных слоев ». [3]
Первые методы быстрого прототипирования стали доступны в середине 1987 года и использовались для производства моделей и прототипов деталей. Сегодня они используются для широкого спектра применений и используются для производства деталей промышленного качества в относительно небольших количествах, если это необходимо, без типичной неблагоприятной краткосрочной экономики. [4] Эта экономика поощряла онлайн-сервисные бюро. Исторические обзоры технологии RP [2] начинаются с обсуждения методов производства симулякров, используемых скульпторами 19 века. Некоторые современные скульпторы используют технологию потомков для создания выставок и различных объектов. [5] Возможность воспроизводить проекты из набора данных породила проблемы прав, поскольку теперь можно интерполировать объемные данные из 2D-изображений.
Как и в случае с субтрактивными методами ЧПУ , рабочий процесс автоматизированного проектирования – автоматизированного производства CAD - CAM в традиционном процессе быстрого прототипирования начинается с создания геометрических данных, либо в виде 3D-тела с использованием рабочей станции CAD, либо в виде 2D-срезов с использованием сканирующего устройства. Для быстрого прототипирования эти данные должны представлять собой допустимую геометрическую модель; а именно, такую, граничные поверхности которой охватывают конечный объем, не содержат отверстий, открывающих внутреннюю часть, и не загибаются сами на себя. [6] Другими словами, объект должен иметь «внутреннюю часть». Модель допустима, если для каждой точки в 3D-пространстве компьютер может однозначно определить, лежит ли эта точка внутри, на или снаружи граничной поверхности модели. Постпроцессоры CAD будут аппроксимировать внутренние геометрические формы CAD поставщиков приложений (например, B-сплайны) упрощенной математической формой, которая, в свою очередь, выражается в указанном формате данных, который является общей чертой в аддитивном производстве : формат файла STL , фактический стандарт для передачи сплошных геометрических моделей на машины SFF. [7]
Чтобы получить необходимые траектории управления движением для управления реальным механизмом SFF, быстрого прототипирования, 3D-печати или аддитивного производства , подготовленная геометрическая модель обычно разрезается на слои, а слои сканируются в линии (создавая «2D-чертеж», используемый для создания траектории, как в траектории инструмента ЧПУ ), имитируя в обратном порядке физический процесс построения слоя за слоем. [ необходима ссылка ]
Быстрое прототипирование также широко применяется в программной инженерии для проверки новых бизнес-моделей и архитектур приложений, таких как аэрокосмическая промышленность, автомобилестроение, финансовые услуги, разработка продуктов и здравоохранение. [8] Команды по проектированию и производству в аэрокосмической отрасли полагаются на прототипирование для создания новых методологий AM в отрасли. Используя SLA, они могут быстро создавать несколько версий своих проектов за несколько дней и быстрее начинать тестирование. [9] Быстрое прототипирование позволяет дизайнерам/разработчикам предоставить точное представление о том, как будет выглядеть готовый продукт, прежде чем вкладывать слишком много времени и денег в прототип. 3D-печать, используемая для быстрого прототипирования, позволяет осуществлять промышленную 3D-печать. Благодаря этому вы можете быстро изготавливать крупномасштабные формы для запасных частей в течение короткого периода времени. [10]
В 1970-х годах Джозеф Генри Кондон и другие сотрудники Bell Labs разработали систему проектирования схем Unix (UCDS), автоматизировавшую трудоемкую и подверженную ошибкам задачу ручного преобразования чертежей для изготовления печатных плат в целях исследований и разработок. [ необходима ссылка ]
К 1980-м годам американские политики и промышленные менеджеры были вынуждены принять во внимание, что доминирование Америки в области производства станков испарилось, что было названо кризисом станков. Многочисленные проекты были направлены на противодействие этим тенденциям в традиционной области CNC CAM , которая началась в США. Позже, когда системы быстрого прототипирования вышли из лабораторий для коммерциализации, было признано, что разработки уже стали международными, и американские компании быстрого прототипирования не могли позволить себе упустить лидерство. Национальный научный фонд был зонтиком для Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства ( НАСА ), Министерства энергетики США , Министерства торговли США NIST , Министерства обороны США , Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства обороны ( DARPA ) и Управления военно-морских исследований координировали исследования для информирования стратегических планировщиков в их обсуждениях. Одним из таких отчетов был отчет Группы экспертов по быстрому прототипированию в Европе и Японии за 1997 год [2] , в котором Джозеф Дж. Биман [19], основатель корпорации DTM [на фото DTM RapidTool], представил историческую перспективу:
Корни технологии быстрого прототипирования можно проследить в практиках топографии и фотоскульптуры. В ТОПОГРАФИИ Блантер (1892) предложил послойный метод изготовления формы для рельефных топографических карт из бумаги. Процесс включал в себя резку контурных линий на серии пластин, которые затем укладывались друг на друга. Мацубара (1974) из Mitsubishi предложил топографический процесс с фотоотверждающейся фотополимерной смолой для формирования тонких слоев, уложенных друг на друга, чтобы сделать литейную форму. ФОТОСКУЛЬПТУРА была техникой 19-го века для создания точных трехмерных копий объектов. Наиболее известный Франсуа Виллем (1860) разместил 24 камеры в круговой решетке и одновременно фотографировал объект. Силуэт каждой фотографии затем использовался для вырезания копии. Мориока (1935, 1944) разработал гибридный фотоскульптурный и топографический процесс, используя структурированный свет для фотографического создания контурных линий объекта. Линии затем можно было развить в листы, вырезать и сложить или спроецировать на исходный материал для резьбы. Процесс Мунца (1956) воспроизводил трехмерное изображение объекта путем выборочного экспонирования, слой за слоем, фотоэмульсии на опускающемся поршне. После фиксации сплошной прозрачный цилиндр содержал изображение объекта.
— Джозеф Дж. Биман [20]
«Истоки быстрого прототипирования - RP берут начало в постоянно растущей индустрии САПР, а точнее, в твердотельном моделировании САПР. До того, как твердотельное моделирование было введено в конце 1980-х годов, трехмерные модели создавались с помощью каркасов и поверхностей. Но только с развитием настоящего твердотельного моделирования удалось разработать такие инновационные процессы, как RP. Чарльз Халл, который помог основать 3D Systems в 1986 году, разработал первый процесс RP. Этот процесс, называемый стереолитографией, создает объекты путем отверждения тонких последовательных слоев определенных жидких смол, чувствительных к ультрафиолетовому свету, с помощью маломощного лазера. С введением RP твердотельные модели САПР смогли внезапно оживать». [21]
Технологии, называемые Solid Freeform Fabrication, — это то, что мы сегодня называем быстрым прототипированием, 3D-печатью или аддитивным производством : Свейнсон (1977), Шверцель (1984) работали над полимеризацией фоточувствительного полимера на пересечении двух лазерных лучей , управляемых компьютером . Сиро (1972) рассматривал магнитостатическое или электростатическое осаждение с помощью электронного луча , лазера или плазмы для спеченной поверхностной облицовки. Все они были предложены, но неизвестно, были ли построены работающие машины. Хидео Кодама из Муниципального промышленного исследовательского института Нагои был первым, кто опубликовал отчет о твердотельной модели, изготовленной с использованием системы быстрого прототипирования фотополимера (1981). [2] Первая система быстрого 3D-прототипирования, основанная на послойном наплавлении (FDM), была создана в апреле 1992 года компанией Stratasys, но патент был выдан только 9 июня 1992 года. Sanders Prototype, Inc. представила первый настольный струйный 3D-принтер (3DP), используя изобретение от 4 августа 1992 года (Helinski), Modelmaker 6Pro в конце 1993 года, а затем более крупный промышленный 3D-принтер Modelmaker 2 в 1997 году. [22] Z-Corp, использующая порошковое связующее MIT 3DP для прямого литья в оболочку (DSP), изобретенное в 1993 году, была представлена на рынке в 1995 году. [23] Даже в то время эта технология рассматривалась как имеющая место в производственной практике. Низкое разрешение, низкая прочность на выходе имели ценность при проверке конструкции, изготовлении пресс-форм, производственных приспособлений и других областях. Выходные данные неуклонно продвигались в сторону более высоких спецификаций. [24 ] Компания Sanders Prototype, Inc. (Solidscape) начинала как производитель оборудования для 3D-печати с помощью быстрого прототипирования, используя Modelmaker 6Pro для создания термопластиковых шаблонов жертвенных моделей САПР с использованием технологии струйной печати с одним соплом Drop-On-Demand (DOD). [23]
Постоянно ищутся инновации, чтобы улучшить скорость и способность справляться с приложениями массового производства. [25] Драматическое развитие, которое RP разделяет со смежными областями ЧПУ , - это бесплатное программное обеспечение с открытым исходным кодом высокоуровневых приложений, которые составляют целую цепочку инструментов CAD - CAM . Это создало сообщество производителей устройств с низким разрешением. Любители даже совершили набеги на более требовательные конструкции устройств с лазерным эффектом. [26]
Самый ранний список процессов RP или технологий изготовления, опубликованный в 1993 году, был написан Маршаллом Бернсом и очень подробно объясняет каждый процесс. Он также называет некоторые технологии, которые были предшественниками названий в списке ниже. Например: Visual Impact Corporation только выпустила прототип принтера для нанесения воска, а затем вместо этого лицензировала патент Sanders Prototype, Inc. BPM использовала те же струйные принтеры и материалы. [27]
Это ускоряет процесс проектирования любого продукта, поскольку позволяет создавать как прототипы с низкой точностью, так и прототипы с высокой точностью [28] , чтобы предвидеть необходимые корректировки, которые необходимо внести до окончательной производственной линии. В результате этого это также сокращает производственные затраты на общую разработку продукта [29] и позволяет проводить тестирование функциональности за долю от обычной стоимости. Это устраняет риск травмирования команды дизайнеров и повреждения прототипа в процессе моделирования. Это также позволяет пользователям или фокус-группам участвовать в процессе проектирования посредством взаимодействия с каждым из прототипов, от начального прототипа до финальной модели. Например: быстрый процесс изготовления оснастки на основе прототипов обработки на станках с ЧПУ, что позволяет снизить стоимость изготовления пресс-формы, сократить цикл изготовления пресс-формы, с более простым продвижением применения реализации технологического процесса изготовления пресс-формы и другими преимуществами. Кроме того, это идеальный способ проверки эргономики [30] и антропометрии ( человеческого фактора ), чтобы разработанный продукт мог удовлетворять потребности пользователя и предлагать уникальный опыт использования.
Хотя быстрое прототипирование имеет ряд преимуществ, некоторые из его отрицательных аспектов заключаются в том, что может быть недостаточная точность [31], поскольку оно не может гарантировать, что качество прототипа будет высоким или что различные компоненты будут хорошо подходить друг другу из-за ряда ошибок в размерах 3D-модели. Кроме того, первоначальная стоимость использования этой технологии производства может быть высокой из-за технологии, [32] с которой она работает. Она может ограничивать диапазон материалов, [33] из которых может быть изготовлен продукт, и в зависимости от уровня сложности, который влечет за собой дизайн, это может привести к тяжелому труду .
