Быстрое прототипирование
Быстрое прототипирование — это группа методов, используемых для быстрого изготовления масштабной модели физической детали или сборки с использованием данных трехмерного компьютерного проектирования ( САПР ). [1] [2] Изготовление детали или узла обычно выполняется с использованием 3D-печати или « аддитивного производства ». технологии [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 производственного качества в относительно небольших количествах, если это необходимо, без типичных неблагоприятных краткосрочных экономических последствий. [4] Эта экономика поощряет бюро онлайн-обслуживания. Исторические обзоры технологии RP [2] начнем с обсуждения методов создания симулякров, используемых скульпторами XIX века. Некоторые современные скульпторы используют технологию потомства для создания выставок и различных объектов. [5] Возможность воспроизводить проекты из набора данных привела к проблемам с правами, поскольку теперь можно интерполировать объемные данные из 2D-изображений.
Как и в случае с с ЧПУ субтрактивными методами , рабочий процесс автоматизированного проектирования и автоматизированного производства CAD - CAM в традиционном процессе быстрого прототипирования начинается с создания геометрических данных, либо в виде 3D-тела с использованием рабочей станции САПР, либо в виде 2D-срезов с использованием сканирующее устройство. Для быстрого прототипирования эти данные должны представлять собой действительную геометрическую модель; а именно тот, чьи граничные поверхности охватывают конечный объем, не содержат отверстий, обнажающих внутреннюю часть, и не сгибаются сами по себе. [6] Другими словами, у объекта должна быть «внутренность». Модель действительна, если для каждой точки в трехмерном пространстве компьютер может однозначно определить, находится ли эта точка внутри, на или за пределами граничной поверхности модели. Постпроцессоры САПР аппроксимируют внутренние геометрические формы САПР поставщиков приложений (например, B-сплайны) с упрощенной математической формой, которая, в свою очередь, выражается в указанном формате данных, который является общей чертой аддитивного производства : STL формат файла для , фактический стандарт переноса твердотельных геометрических моделей на станки 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 эти фрагменты сканируются на линии (создавая «2D-чертеж», используемый для создания траекторию, как в траектории инструмента ЧПУ ), имитируя обратный процесс физического построения от слоя к слою. [ нужна цитата ]
Области применения [ править ]
Быстрое прототипирование также широко применяется в разработке программного обеспечения для опробования новых бизнес-моделей и архитектур приложений, таких как аэрокосмическая промышленность, автомобилестроение, финансовые услуги, разработка продуктов и здравоохранение. [8] Команды аэрокосмических дизайнеров и промышленных предприятий полагаются на прототипирование для создания новых методологий AM в отрасли. Используя SLA, они могут быстро создать несколько версий своих проектов за несколько дней и быстрее приступить к тестированию. [9] Быстрое прототипирование позволяет дизайнерам/разработчикам дать точное представление о том, каким будет готовый продукт, прежде чем тратить слишком много времени и денег на прототип. 3D-печать, используемая для быстрого прототипирования, позволяет осуществлять промышленную 3D-печать. Благодаря этому вы сможете быстро и в течение короткого периода времени откачивать крупногабаритные формы для запасных частей. [10]
Виды быстрого прототипирования [ править ]
- Стереолитография (SLA) [11] → фотополимер лазерного отверждения для таких материалов, как термопластичные фотополимеры.
- Селективное лазерное спекание (SLS) [12] → спеченный лазером порошок для таких материалов, как нейлон или ТПУ.
- Прямое лазерное спекание металлов (DMLS) [13] → Металлический порошок, спеченный лазером, для таких материалов, как нержавеющая сталь, титан, хром и алюминий.
- Моделирование наплавленного осаждения (FDM) [14] → плавленые экструзии таких нитей, как ABS, PC и PPCU.
- Многоструйный синтез (MJF) [15] → это струйная матрица селективного наплавления нейлонового порошка поперек слоя черного нейлона 12 .
- ПолиДжет (ПДжЭТ) [16] → это фотополимер, отверждаемый ультрафиолетом, для работы с фотополимерами на акриловой основе и эластомерными фотополимерами.
- Станок с числовым программным управлением (ЧПУ) [17] → используется для работы с техническими термопластами и металлами.
- Литье под давлением (IM) [18] → инъекция осуществляется с использованием алюминиевых форм и применяется для термопластов, металлов и жидкого силиконового каучука.
История [ править ]
В 1970-х годах Джозеф Генри Кондон и другие сотрудники Bell Labs разработали систему проектирования схем Unix (UCDS), автоматизирующую трудоемкую и подверженную ошибкам задачу ручного преобразования чертежей для изготовления печатных плат в целях исследований и разработок.
К 1980-м годам американские политики и промышленные менеджеры были вынуждены принять к сведению, что доминирование Америки в области производства станков испарилось, что было названо кризисом станков. Многочисленные проекты были направлены на противодействие этим тенденциям в традиционной систем с ЧПУ области CAM- , которые зародились в США. Позже, когда Rapid Prototyping Systems вышла из лабораторий для коммерциализации, было признано, что разработки уже стали международными, и американские компании по быстрому прототипированию не могли позволить себе роскошь 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 США ( DARPA ) и Управления Военно-морские исследования координировали исследования, чтобы информировать специалистов по стратегическому планированию в их обсуждениях. Одним из таких отчетов был отчет группы экспертов по быстрому прототипированию в Европе и Японии 1997 года. [2] в котором Джозеф Дж. Биман [19] основатель DTM Corporation [на фото DTM RapidTool] представляет историческую перспективу:
Корни технологии быстрого прототипирования можно проследить в практиках топографии и фотоскульптуры. В рамках ТОПОГРАФИИ Блантер (1892) предложил послойный метод изготовления форм для рельефных бумажных топографических карт. Этот процесс включал вырезание контурных линий на серии пластин, которые затем складывались друг в друга. Мацубара (1974) из Mitsubishi предложил топографический процесс с использованием фотоотверждаемой фотополимерной смолы для формирования тонких слоев, уложенных друг на друга для изготовления литейной формы. ФОТОСКУЛЬПТУРА — это техника 19-го века для создания точных трехмерных копий объектов. Самый известный из них — Франсуа Виллем (1860 г.), разместивший 24 камеры по кругу и одновременно сфотографировавший объект. Силуэт каждой фотографии затем использовался для изготовления точной копии. Мориока (1935, 1944) разработал гибрид фотоскульптуры и топографического процесса, используя структурированный свет для фотографического создания контурных линий объекта. Затем линии можно было превратить в листы, разрезать и сложить или спроецировать на материал для резьбы. Процесс Мунца (1956) воспроизводил трехмерное изображение объекта путем выборочного, слой за слоем, экспонирования фотоэмульсии на опускающемся поршне. После фиксации , сплошной прозрачный цилиндр содержит изображение объекта.
— Джозеф Дж. Биман [20]
«Истоки быстрого прототипирования — RP берет свое начало в постоянно растущей индустрии САПР, точнее, в области твердотельного моделирования в САПР. До того, как в конце 1980-х годов появилось твердотельное моделирование, трехмерные модели создавались с использованием проволочных каркасов и поверхностей. Но Только после развития настоящего твердотельного моделирования могли быть разработаны инновационные процессы, такие 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 определенного ультрафиолета. светочувствительные жидкие смолы с помощью маломощного лазера. С появлением RP твердотельные модели САПР могут внезапно ожить». [21]
Технологии, называемые изготовлением твердых форм произвольной формы, сегодня представляют собой то, что мы сегодня называем быстрым прототипированием, 3D-печатью или аддитивным производством : Суэйнсон (1977), Шверзель (1984) работали над полимеризацией светочувствительного полимера при пересечении двух лазерных лучей, управляемых компьютером . Сиро (1972) рассматривал магнитостатическое или электростатическое осаждение электронным лучом , лазером или плазмой для спеченной поверхностной оболочки. Все они были предложены, но неизвестно, были ли построены работающие машины. Хидео Кодама из Нагойского муниципального института промышленных исследований был первым, кто опубликовал отчет о твердотельной модели, изготовленной с использованием фотополимерной системы быстрого прототипирования (1981). [2] Первая система быстрого 3D-прототипирования, основанная на моделировании наплавлением (FDM), была создана в апреле 1992 года компанией Stratasys, но патент не был выдан до 9 июня 1992 года. Sanders Prototype, Inc представила первый настольный струйный 3D-принтер (3DP), использующий изобретение. с 4 августа 1992 года (Хелински), 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, было представлено на рынке в 1995 году. [23] Даже в то время считалось, что эта технология имеет место в производственной практике. Низкое разрешение и низкая прочность имели значение при проверке конструкции, изготовлении пресс-форм, производственных приспособлениях и других областях. Результаты неуклонно продвигаются в сторону использования с более высокими спецификациями. [24] Компания Sanders Prototype, Inc. (Solidscape) начинала свою деятельность как производитель 3D-печати быстрого прототипирования с Modelmaker 6Pro для создания жертвенных термопластических шаблонов моделей САПР с использованием технологии струйной печати с одним соплом Drop-On-Demand (DOD). [23]
Постоянно ведется поиск инноваций для повышения скорости и способности справляться с приложениями массового производства. [25] Важным достижением, которое RP разделяет со смежными областями ЧПУ , является бесплатный открытый исходный код приложений высокого уровня, которые составляют всю цепочку инструментов CAD - CAM . Это создало сообщество производителей устройств с низким разрешением. Любители даже предприняли попытки создать более сложные конструкции устройств с лазерным эффектом. [26]
Самый ранний список процессов RP или технологий производства, опубликованный в 1993 году, был составлен Маршаллом Бернсом и очень подробно объясняет каждый процесс. Он также называет некоторые технологии, которые были предшественниками названий в списке ниже. Например: Корпорация Visual Impact произвела только прототип принтера для осаждения воска, а затем вместо этого передала лицензию на патент компании Sanders Prototype, Inc. BPM использовала те же струйные принтеры и материалы. [27]
Преимущества прототипирования быстрого
Он ускоряет процесс проектирования любого продукта, поскольку позволяет создавать прототипы как с низкой, так и с высокой точностью. [28] предусмотреть необходимые корректировки, которые необходимо внести перед окончательной производственной линией. В результате это также снижает производственные затраты на общую разработку продукта. [29] и позволяет тестировать функциональность за небольшую часть обычной стоимости. Это исключает риск получения травм командой дизайнеров и повреждения прототипа в процессе моделирования. Это также позволяет пользователям или фокус-группам участвовать в процессе проектирования посредством взаимодействия с каждым прототипом, от первоначального прототипа до окончательной модели. Кроме того, это идеальный способ проверить эргономику. [30] и антропометрия ( человеческий фактор ), чтобы разработанный продукт мог удовлетворить потребности пользователя и предлагать уникальный опыт использования.
Недостатки прототипирования быстрого
Хотя быстрое прототипирование дает различные преимущества, некоторые его отрицательные аспекты заключаются в том, что может отсутствовать точность. [31] поскольку он не может гарантировать, что качество прототипа будет высоким или что различные компоненты будут хорошо сочетаться друг с другом из-за ряда ошибок в размерах 3D-модели. Кроме того, первоначальная стоимость использования этой технологии производства может быть высокой из-за технологии. [32] с которым он работает. Это может ограничить диапазон материалов. [33] из которого может быть изготовлен продукт, и в зависимости от уровня сложности конструкции это может привести к тяжелому квалифицированному труду .
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ «Быстрое прототипирование: обзор» . Efunda.com . Проверено 14 июня 2013 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д «Отчет группы JTEC/WTEC по быстрому прототипированию в Европе и Японии» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 30 августа 2017 г. Проверено 28 декабря 2016 г.
- ^ «Интервью с доктором Грегом Гиббонсом, Аддитивное производство, WMG, Уорикский университет», Уорикский университет, Центр знаний. Архивировано 22 октября 2013 г. в Wayback Machine . По состоянию на 18 октября 2013 г.
- ^ Лиу, Фрэнк В. (2007). «Процессы быстрого прототипирования» . Быстрое прототипирование и инженерные приложения: набор инструментов для разработки прототипов . ЦРК Пресс. п. 215. ИСБН 978-1-4200-1410-5 .
- ^ Унгер, Майлз (25 апреля 1999 г.). «ИСКУССТВО/АРХИТЕКТУРА: взять на себя управление естественным отбором» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 22 декабря 2019 г.
- ^ Кочович, Петар (2017). 3D-печать и ее влияние на производство полнофункциональных компонентов: новые исследования и возможности: новые исследования и возможности . IGI Global. п. XXII. ISBN 978-1-5225-2290-4 .
- ^ Чанг, Куан-Хуа (2013). Оценка характеристик продукта с использованием CAD/CAE: серия компьютерного проектирования . Академическая пресса. п. 22. ISBN 978-0-12-398460-9 .
- ^ Хаберле, Т. (201x). «Подключенный автомобиль в облаке: платформа для создания прототипов телематических услуг». Программное обеспечение IEEE . 32 (6): 11–17. дои : 10.1109/MS.2015.137 . S2CID 6722642 .
- ^ Новая эра быстрого прототипирования. (н-й). Получено 24 февраля 2021 г. с https://www.machinedesign.com/3d-printing-cad/article/21837908/the-new-age-of-rapid-prototyping .
- ^ Промышленные 3D-принтеры. (н-й). Получено 24 февраля 2021 г. с https://www8.hp.com/us/en/printers/3d-printers/industries/industrial.html?jumpid=ps_4196a3d547 .
- ^ «Выбор процесса быстрого прототипирования» . ПРОТОЛАБЫ . Протолаборатории . Проверено 17 февраля 2024 г.
- ^ «Выбор процесса быстрого прототипирования» . ПРОТОЛАБЫ . Протолаборатории . Проверено 17 февраля 2024 г.
- ^ «Выбор процесса быстрого прототипирования» . ПРОТОЛАБЫ . Протолаборатории . Проверено 17 февраля 2024 г.
- ^ «Выбор процесса быстрого прототипирования» . ПРОТОЛАБЫ . Протолаборатории . Проверено 17 февраля 2024 г.
- ^ «Выбор процесса быстрого прототипирования» . ПРОТОЛАБЫ . Протолаборатории . Проверено 17 февраля 2024 г.
- ^ «Выбор процесса быстрого прототипирования» . ПРОТОЛАБЫ . Протолаборатории . Проверено 17 февраля 2024 г.
- ^ «Выбор процесса быстрого прототипирования» . ПРОТОЛАБЫ . Протолаборатории . Проверено 17 февраля 2024 г.
- ^ «Выбор процесса быстрого прототипирования» . ПРОТОЛАБЫ . Протолаборатории . Проверено 17 февраля 2024 г.
- ^ история лазерного аддитивного производства «История лазерного аддитивного производства» . Архивировано из оригинала 13 февраля 2013 г. Проверено 15 мая 2013 г.
- ^ Отчет группы JTEC/WTEC по быстрому прототипированию в Европе и Японии, стр. 24
- ^ Купер, Кеннет Г. (2001). Технология быстрого прототипирования: выбор и применение . Нью-Йорк: Марсель Деккер. стр. 2–3, 9–10. ISBN 0-8247-0261-1 . OCLC 45873626 .
- ^ Залуд, Тодд (9 октября 1967 г.). «Проектирование станка — не распечатывайте чертеж, распечатывайте деталь» . penton.com/md .
- ^ Перейти обратно: а б Барнатт, Кристофер (2013). 3D-печать: следующая промышленная революция . ОбъяснениеTheFuture.com. стр. 38, 54–57, 75. ISBN. 978-1-4841-8176-8 . ОСЛК 854672031 .
- ^ Волерс, Терри (апрель 2012 г.). «Достижения аддитивного производства» (PDF) . Журнал «Производственное машиностроение» . Общество инженеров-технологов . стр. 55–63.
- ^ Хейс, Джонатан (2002), « Одновременная печать и термографирование для быстрого производства: краткое содержание» . Докторская диссертация, Уорикский университет. По состоянию на 18 октября 2013 г.
- ^ Уортон, Знание (2 сентября 2013 г.). «Вытеснит ли 3D-печать рынок любителей?» . Фискальный Таймс . Проверено 18 октября 2013 г.
- ^ Бернс, Маршалл (1993). Автоматизированное производство: повышение производительности производства . Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: PTR Prentice Hall. ISBN 0-13-119462-3 . ОСЛК 27810960 .
- ^ "Быстрое прототипирование" . Проектирование инженерных изделий . Проверено 17 февраля 2024 г.
- ^ "Быстрое прототипирование" . Проектирование инженерных изделий . Проверено 17 февраля 2024 г.
- ^ "Быстрое прототипирование" . Проектирование инженерных изделий . Проверено 17 февраля 2024 г.
- ^ "Быстрое прототипирование" . Проектирование инженерных изделий . Проверено 17 февраля 2024 г.
- ^ "Быстрое прототипирование" . Проектирование инженерных изделий . Проверено 17 февраля 2024 г.
- ^ "Быстрое прототипирование" . Проектирование инженерных изделий . Проверено 17 февраля 2024 г.
Библиография [ править ]
- Райт, Пол Кеннет (2001). Производство XXI века . Нью-Джерси: Прентис Холл . ISBN 978-0130956019 . OCLC 43836655 — через Archive.org .
Внешние ссылки [ править ]
