Prototipazione rapida

Una macchina per la prototipazione rapida che utilizza la sinterizzazione laser selettiva (SLS)

Taglio del modello 3D
La prototipazione rapida è un gruppo di tecniche utilizzate per fabbricare rapidamente un modello in scala di una parte fisica o di un assieme utilizzando dati CAD (Computer Aided Design) tridimensionali.La costruzione della parte o dell'assieme viene solitamente eseguita utilizzando la stampa 3D o la tecnologia di "produzione di strati additivi".

I primi metodi per la prototipazione rapida sono diventati disponibili a metà degli anni '80 e sono stati utilizzati per produrre modelli e parti di prototipi.Oggi sono utilizzati per un'ampia gamma di applicazioni e vengono utilizzati per produrre parti di qualità di produzione in quantità relativamente ridotte, se lo si desidera, senza la tipica economia sfavorevole a breve termine.Questa economia ha incoraggiato gli uffici di servizi online.Le indagini storiche sulla tecnologia RP iniziano con discussioni sulle tecniche di produzione di simulacri utilizzate dagli scultori del XIX secolo.Alcuni scultori moderni utilizzano la tecnologia della progenie per produrre mostre e oggetti vari.La capacità di riprodurre i progetti da un set di dati ha dato origine a problemi di diritti, poiché ora è possibile interpolare dati volumetrici da immagini unidimensionali.

Come per i metodi sottrattivi CNC, il flusso di lavoro CAD-CAM di progettazione assistita da computer – produzione assistita da computer nel tradizionale processo di prototipazione rapida inizia con la creazione di dati geometrici, sia come solido 3D utilizzando una workstation CAD, sia come sezioni 2D utilizzando un dispositivo di scansione.Per la prototipazione rapida questi dati devono rappresentare un modello geometrico valido;vale a dire, uno le cui superfici di confine racchiudono un volume finito, non contengono fori che espongono l'interno e non si ripiegano su se stesse.In altre parole, l'oggetto deve avere un “dentro”.Il modello è valido se per ogni punto nello spazio 3D il computer può determinare in modo univoco se quel punto si trova all'interno, sopra o all'esterno della superficie di confine del modello.I post-processori CAD approssimeranno le forme geometriche CAD interne dei fornitori di applicazioni (ad es. B-spline) con una forma matematica semplificata, che a sua volta è espressa in un formato di dati specificato che è una caratteristica comune nella produzione additiva: formato di file STL, uno standard de facto per il trasferimento di modelli geometrici solidi alle macchine SFF.

Per ottenere le necessarie traiettorie di controllo del movimento per guidare l'attuale SFF, prototipazione rapida, stampa 3D o meccanismo di produzione additiva, il modello geometrico preparato viene tipicamente suddiviso in strati e le sezioni vengono scansionate in linee (producendo un "disegno 2D" utilizzato per generare traiettoria come nel percorso utensile del CNC), imitando al contrario il processo di costruzione fisica da strato a strato.

1. Aree di applicazione
La prototipazione rapida è anche comunemente applicata nell'ingegneria del software per provare nuovi modelli di business e architetture applicative come aerospaziale, automobilistico, servizi finanziari, sviluppo di prodotti e assistenza sanitaria.I team di progettazione aerospaziale e industriale si affidano alla prototipazione per creare nuove metodologie AM nel settore.Utilizzando SLA possono realizzare rapidamente più versioni dei loro progetti in pochi giorni e iniziare i test più rapidamente.La prototipazione rapida consente ai progettisti/sviluppatori di fornire un'idea precisa di come risulterà il prodotto finito prima di dedicare troppo tempo e denaro al prototipo.La stampa 3D utilizzata per la prototipazione rapida consente la stampa 3D industriale.Con questo, potresti avere stampi su larga scala per pezzi di ricambio che vengono pompati rapidamente in un breve periodo di tempo.

2. Storia
Negli anni '70, Joseph Henry Condon e altri dei Bell Labs svilupparono l'Unix Circuit Design System (UCDS), automatizzando il compito laborioso e soggetto a errori di convertire manualmente i disegni per fabbricare circuiti stampati a scopo di ricerca e sviluppo.

Negli anni '80, i responsabili politici e i dirigenti industriali statunitensi furono costretti a prendere atto che il dominio americano nel campo della produzione di macchine utensili era svanito, in quella che fu chiamata la crisi delle macchine utensili.Numerosi progetti hanno cercato di contrastare queste tendenze nel tradizionale settore CNC CAM, che era iniziato negli Stati Uniti.Successivamente, quando i sistemi di prototipazione rapida sono usciti dai laboratori per essere commercializzati, è stato riconosciuto che gli sviluppi erano già internazionali e le società statunitensi di prototipazione rapida non avrebbero avuto il lusso di lasciarsi sfuggire un vantaggio.La National Science Foundation era un ombrello per la National Aeronautics and Space Administration (NASA), il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, il Dipartimento del Commercio degli Stati Uniti NIST, il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti, la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) e l'Office of La ricerca navale ha coordinato studi per informare i pianificatori strategici nelle loro deliberazioni.Uno di questi rapporti è stato il Rapid Prototyping in Europe and Japan Panel Report del 1997 in cui Joseph J. Beaman, fondatore di DTM Corporation, fornisce una prospettiva storica:

Le radici della tecnologia di prototipazione rapida possono essere ricondotte a pratiche in topografia e fotoscultura.Nell'ambito di TOPOGRAPHY Blanther (1892) suggerì un metodo stratificato per realizzare uno stampo per mappe topografiche su carta in rilievo. Il processo prevedeva il taglio delle linee di contorno su una serie di lastre che venivano poi impilate.Matsubara (1974) di Mitsubishi ha proposto un processo topografico con una resina fotopolimerica fotoindurente per formare strati sottili impilati per realizzare uno stampo di colata.La FOTOSCULTURA era una tecnica del XIX secolo per creare repliche tridimensionali esatte di oggetti.Il più famoso Francois Willeme (1860) ha posizionato 24 macchine fotografiche in una disposizione circolare e contemporaneamente ha fotografato un oggetto.La sagoma di ogni fotografia è stata quindi utilizzata per scolpire una replica.Morioka (1935, 1944) ha sviluppato una scultura fotografica ibrida e un processo topografico utilizzando la luce strutturata per creare fotograficamente le linee di contorno di un oggetto.Le linee potrebbero quindi essere sviluppate in fogli e tagliate e impilate, oppure proiettate su materiale grezzo per l'intaglio.Il processo Munz (1956) ha riprodotto un'immagine tridimensionale di un oggetto esponendo selettivamente, strato dopo strato, un'emulsione fotografica su un pistone di abbassamento.Dopo il fissaggio, un solido cilindro trasparente contiene un'immagine dell'oggetto.

— Joseph J. Beaman
“Le origini della prototipazione rapida – RP deriva dal settore CAD in continua crescita, più specificamente, dal lato della modellazione solida del CAD.Prima dell'introduzione della modellazione solida alla fine degli anni '80, venivano creati modelli tridimensionali con strutture e superfici metalliche.Ma solo con lo sviluppo di una vera modellazione solida non è stato possibile sviluppare processi innovativi come RP.Charles Hull, che ha contribuito a fondare 3D Systems nel 1986, ha sviluppato il primo processo RP.Questo processo, chiamato stereolitografia, costruisce oggetti polimerizzando sottili strati consecutivi di alcune resine liquide sensibili alla luce ultravioletta con un laser a bassa potenza.Con l'introduzione di RP, i modelli solidi CAD potrebbero improvvisamente prendere vita”.

Le tecnologie denominate Solid Freeform Fabrication sono ciò che oggi riconosciamo come prototipazione rapida, stampa 3D o manifattura additiva: Swainson (1977), Schwerzel (1984) hanno lavorato sulla polimerizzazione di un polimero fotosensibile all'intersezione di due raggi laser controllati da computer.Ciraud (1972) ha considerato la deposizione magnetostatica o elettrostatica con fascio di elettroni, laser o plasma per il rivestimento superficiale sinterizzato.Questi sono stati tutti proposti ma non si sa se siano state costruite macchine funzionanti.Hideo Kodama del Nagoya Municipal Industrial Research Institute è stato il primo a pubblicare un resoconto di un modello solido fabbricato utilizzando un sistema di prototipazione rapida a fotopolimero (1981).Il primissimo sistema di prototipazione rapida 3D basato su Fused Deposition Modeling (FDM) è stato realizzato nell'aprile 1992 da Stratasys, ma il brevetto non è stato rilasciato fino al 9 giugno 1992. Sanders Prototype, Inc ha introdotto la prima stampante 3D desktop a getto d'inchiostro (3DP) utilizzando un invenzione dal 4 agosto 1992 (Helinski), Modelmaker 6Pro alla fine del 1993 e poi la stampante 3D industriale più grande, Modelmaker 2, nel 1997. mercato nel 1995. Già allora si riteneva che la tecnologia avesse un posto nella pratica manifatturiera.Un output a bassa risoluzione e bassa resistenza ha avuto valore nella verifica del progetto, nella costruzione di stampi, nelle maschere di produzione e in altre aree.Gli output sono costantemente avanzati verso usi con specifiche più elevate.Sanders Prototype, Inc. (Solidscape) ha iniziato come produttore di stampa 3D di prototipazione rapida con Modelmaker 6Pro per realizzare modelli termoplastici sacrificali di modelli CAD utilizzando la tecnologia a getto d'inchiostro a getto d'inchiostro Drop-On-Demand (DOD).

Le innovazioni sono costantemente ricercate, per migliorare la velocità e la capacità di far fronte alle applicazioni di produzione di massa.Un notevole sviluppo che RP condivide con le relative aree CNC è l'open-sourcing freeware di applicazioni di alto livello che costituiscono un'intera toolchain CAD-CAM.Ciò ha creato una comunità di produttori di dispositivi a bassa risoluzione.Gli hobbisti hanno persino fatto incursioni in progetti di dispositivi con effetto laser più impegnativi

Il primo elenco di processi RP o tecnologie di fabbricazione pubblicato nel 1993 è stato scritto da Marshall Burns e spiega ogni processo in modo molto approfondito.Nomina anche alcune tecnologie che sono state precursori dei nomi nell'elenco seguente.Ad esempio: Visual Impact Corporation ha prodotto solo un prototipo di stampante per la deposizione di cera e poi ha concesso in licenza il brevetto a Sanders Prototype, Inc.BPM ha utilizzato gli stessi getti d'inchiostro e materiali.