Prototipat ràpid

Una màquina de prototipatge ràpid que utilitza sinterització làser selectiva (SLS)

Tall de model 3D
El prototipat ràpid és un grup de tècniques que s'utilitzen per fabricar ràpidament un model a escala d'una peça física o conjunt mitjançant dades de disseny assistit per ordinador (CAD) tridimensional.La construcció de la peça o conjunt es fa normalment mitjançant la tecnologia d'impressió 3D o de "fabricació de capes additives".

Els primers mètodes de prototipat ràpid van estar disponibles a mitjans dels anys 80 i es van utilitzar per produir models i peces de prototip.Avui en dia, s'utilitzen per a una àmplia gamma d'aplicacions i s'utilitzen per fabricar peces de qualitat de producció en nombres relativament reduïts si es desitja sense l'economia típica desfavorable a curt termini.Aquesta economia ha encoratjat les oficines de serveis en línia.Les enquestes històriques de la tecnologia RP comencen amb discussions sobre les tècniques de producció de simulacres utilitzades pels escultors del segle XIX.Alguns escultors moderns utilitzen la tecnologia descendent per produir exposicions i objectes diversos.La capacitat de reproduir dissenys a partir d'un conjunt de dades ha donat lloc a problemes de drets, ja que ara és possible interpolar dades volumètriques a partir d'imatges unidimensionals.

Igual que amb els mètodes subtractius CNC, el flux de treball CAD-CAM de disseny assistit per ordinador: fabricació assistida per ordinador en el procés tradicional de prototipat ràpid comença amb la creació de dades geomètriques, ja sigui com a sòlid 3D mitjançant una estació de treball CAD o talls 2D mitjançant un dispositiu d'escaneig.Per al prototipat ràpid, aquestes dades han de representar un model geomètric vàlid;és a dir, aquell que les superfícies límit del qual engloben un volum finit, no contenen forats que deixin al descobert l'interior i no es dobleguen sobre ells mateixos.En altres paraules, l'objecte ha de tenir un "interior".El model és vàlid si per a cada punt de l'espai 3D l'ordinador pot determinar de manera única si aquest punt es troba dins, sobre o fora de la superfície límit del model.Els postprocessadors CAD aproximaran les formes geomètriques CAD internes dels venedors d'aplicacions (per exemple, B-splines) amb una forma matemàtica simplificada, que al seu torn s'expressa en un format de dades especificat que és una característica habitual en la fabricació additiva: format de fitxer STL, un estàndard de facto per transferir models geomètrics sòlids a màquines SFF.

Per obtenir les trajectòries de control de moviment necessàries per impulsar l'SFF real, el prototipat ràpid, la impressió 3D o el mecanisme de fabricació additiva, el model geomètric preparat normalment es talla en capes i les rodanxes s'escanegen en línies (produint un "dibuix 2D" que s'utilitza per generar). trajectòria com en el recorregut d'eina del CNC), imitant al revés el procés de construcció física capa a capa.

1. Àmbits d'aplicació
El prototipat ràpid també s'aplica habitualment a l'enginyeria del programari per provar nous models de negoci i arquitectures d'aplicacions com ara aeroespacial, automoció, serveis financers, desenvolupament de productes i assistència sanitària.Els equips industrials i de disseny aeroespacial es basen en la creació de prototips per crear noves metodologies d'AM a la indústria.Utilitzant SLA, poden fer diverses versions dels seus projectes ràpidament en pocs dies i començar a provar més ràpidament.El prototipat ràpid permet als dissenyadors/desenvolupadors proporcionar una idea precisa de com sortirà el producte acabat abans de dedicar massa temps i diners al prototip.La impressió 3D que s'utilitza per a la creació de prototips ràpids permet la impressió 3D industrial.Amb això, podríeu disposar de motlles a gran escala per a les peces de recanvi que s'acumulen ràpidament en un curt període de temps.

2. Història
A la dècada de 1970, Joseph Henry Condon i altres de Bell Labs van desenvolupar el sistema de disseny de circuits Unix (UCDS), automatitzant la tasca laboriosa i propensa a errors de convertir manualment dibuixos per fabricar plaques de circuit amb finalitats d'investigació i desenvolupament.

A la dècada de 1980, els responsables polítics i els directius industrials dels Estats Units es van veure obligats a prendre nota que el domini nord-americà en el camp de la fabricació de màquines-eina es va evaporar, en el que es va anomenar la crisi de la màquina-eina.Nombrosos projectes pretenien contrarestar aquestes tendències en l'àrea tradicional CNC CAM, que havia començat als EUA.Més tard, quan Rapid Prototyping Systems es va traslladar dels laboratoris per ser comercialitzat, es va reconèixer que els desenvolupaments ja eren internacionals i que les empreses de prototipatge ràpid dels EUA no tindrien el luxe de deixar escapar un plom.La National Science Foundation va ser un paraigua per a la National Aeronautics and Space Administration (NASA), el Departament d'Energia dels EUA, el Departament de Comerç dels EUA NIST, el Departament de Defensa dels EUA, l'Agència de Projectes de Recerca Avançada de Defensa (DARPA) i l'Oficina de Naval Research va coordinar estudis per informar els planificadors estratègics en les seves deliberacions.Un d'aquests informes va ser l'Informe del panell de prototips ràpids a Europa i Japó de 1997 en què Joseph J. Beaman, fundador de DTM Corporation, ofereix una perspectiva històrica:

Les arrels de la tecnologia de prototipatge ràpid es remunten a les pràctiques de topografia i fotoescultura.Dins de TOPOGRAFIA, Blanther (1892) va suggerir un mètode en capes per fer un motlle per a mapes topogràfics de paper en relleu. El procés consistia a tallar les corbes de nivell en una sèrie de plaques que després s'apilaven.Matsubara (1974) de Mitsubishi va proposar un procés topogràfic amb una resina de fotopolímer fotoendurible per formar capes fines apilades per fer un motlle de fosa.LA FOTOESCULTURA va ser una tècnica del segle XIX per crear rèpliques tridimensionals exactes d'objectes.El més famós François Willeme (1860) va col·locar 24 càmeres en una matriu circular i va fotografiar simultàniament un objecte.Després, la silueta de cada fotografia es va utilitzar per tallar-ne una rèplica.Morioka (1935, 1944) va desenvolupar una escultura fotogràfica híbrida i un procés topogràfic utilitzant llum estructurada per crear fotogràficament les línies de contorn d'un objecte.Aleshores, les línies es podrien desenvolupar en làmines i tallar-les i apilar-se, o projectar-se sobre material d'estoc per tallar.El procés Munz (1956) va reproduir una imatge tridimensional d'un objecte exposant selectivament, capa per capa, una emulsió fotogràfica sobre un pistó que baixa.Després de la fixació, un cilindre sòlid transparent conté una imatge de l'objecte.

— Joseph J. Beaman
"Els orígens del prototipatge ràpid: RP prové de la indústria CAD en constant creixement, més específicament, el costat del modelatge sòlid del CAD.Abans d'introduir el modelatge sòlid a finals dels anys 80, es van crear models tridimensionals amb marcs i superfícies de filferro.Però fins al desenvolupament d'un veritable modelatge sòlid no es podrien desenvolupar processos innovadors com el RP.Charles Hull, que va ajudar a fundar 3D Systems el 1986, va desenvolupar el primer procés RP.Aquest procés, anomenat estereolitografia, construeix objectes curant capes fines consecutives de determinades resines líquides sensibles a la llum ultraviolada amb un làser de baixa potència.Amb la introducció de RP, els models sòlids CAD podrien cobrar vida de sobte".

Les tecnologies anomenades Solid Freeform Fabrication són el que avui reconeixem com a prototipat ràpid, impressió 3D o fabricació additiva: Swainson (1977), Schwerzel (1984) van treballar en la polimerització d'un polímer fotosensible a la intersecció de dos raigs làser controlats per ordinador.Ciraud (1972) va considerar la deposició magnetostàtica o electrostàtica amb feix d'electrons, làser o plasma per al revestiment superficial sinteritzat.Es van proposar tots, però es desconeix si es van construir màquines de treball.Hideo Kodama, de l'Institut Municipal d'Investigació Industrial de Nagoya, va ser el primer a publicar un relat d'un model sòlid fabricat mitjançant un sistema de prototipatge ràpid de fotopolímers (1981).El primer sistema de prototipat ràpid en 3D que es basava en el modelatge de deposició fosa (FDM) va ser creat l'abril de 1992 per Stratasys, però la patent no es va emetre fins al 9 de juny de 1992. Sanders Prototype, Inc va presentar la primera impressora 3D d'injecció de tinta d'escriptori (3DP) utilitzant un invenció del 4 d'agost de 1992 (Helinski), Modelmaker 6Pro a finals de 1993 i després la impressora 3D industrial més gran, Modelmaker 2, el 1997. Z-Corp utilitzant l'enquadernació en pols MIT 3DP per a Direct Shell Casting (DSP) inventada el 1993 es va introduir a el mercat l'any 1995. Fins i tot en aquella primera data es considerava que la tecnologia tenia un lloc en la pràctica de fabricació.Una sortida de baixa resolució i baixa resistència tenia valor en la verificació del disseny, la fabricació de motlles, les plantilles de producció i altres àrees.Les sortides han avançat constantment cap a usos amb especificacions superiors.Sanders Prototype, Inc. (Solidscape) va començar com a fabricant d'impressió 3D de prototipat ràpid amb el Modelmaker 6Pro per fer patrons de sacrifici termoplàstics de models CAD que utilitza la tecnologia d'injecció de tinta Drop-On-Demand (DOD).

Es busquen constantment innovacions per millorar la velocitat i la capacitat de fer front a les aplicacions de producció en massa.Un desenvolupament espectacular que RP comparteix amb àrees relacionades amb CNC és el programari lliure d'aplicacions d'alt nivell que constitueixen tota una cadena d'eines CAD-CAM.Això ha creat una comunitat de fabricants de dispositius de baixa resolució.Els aficionats fins i tot han fet incursions en dissenys de dispositius amb làser més exigents

La llista més antiga de processos RP o tecnologies de fabricació publicada l'any 1993 va ser escrita per Marshall Burns i explica cada procés molt a fons.També anomena algunes tecnologies que van ser precursores dels noms de la llista següent.Per exemple: Visual Impact Corporation només va produir un prototip d'impressora per a la deposició de cera i després va llicenciar la patent a Sanders Prototype, Inc.BPM utilitzava els mateixos materials i injeccions de tinta.