نمونه سازی سریع

یک دستگاه نمونه سازی سریع با استفاده از تف جوشی لیزری انتخابی (SLS)

برش مدل سه بعدی
نمونه‌سازی سریع گروهی از تکنیک‌ها است که برای ساخت سریع مدل مقیاس یک قطعه فیزیکی یا مجموعه با استفاده از داده‌های طراحی به کمک رایانه (CAD) سه بعدی استفاده می‌شود.ساخت قطعه یا مونتاژ معمولاً با استفاده از پرینت سه بعدی یا فناوری «تولید لایه افزودنی» انجام می شود.

اولین روش ها برای نمونه سازی سریع در اواسط دهه 1980 در دسترس قرار گرفت و برای تولید مدل ها و قطعات نمونه مورد استفاده قرار گرفت.امروزه از آنها برای طیف وسیعی از کاربردها استفاده می شود و برای تولید قطعات با کیفیت تولید در تعداد نسبتاً کم در صورت تمایل بدون صرفه اقتصادی نامطلوب معمولی استفاده می شود.این اقتصاد دفاتر خدمات آنلاین را تشویق کرده است.بررسی‌های تاریخی فناوری RP با بحث در مورد تکنیک‌های تولید شبیه‌سازی که توسط مجسمه‌سازان قرن نوزدهم استفاده می‌شد، آغاز می‌شود.برخی از مجسمه سازان مدرن از فناوری نتاج برای تولید نمایشگاه ها و اشیاء مختلف استفاده می کنند.توانایی بازتولید طرح‌ها از مجموعه داده‌ها باعث ایجاد مسائل حقوقی شده است، زیرا اکنون می‌توان داده‌های حجمی را از تصاویر یک‌بعدی درون‌یابی کرد.

همانند روش‌های تفریق CNC، گردش کار CAD-CAM تولید به کمک رایانه در فرآیند نمونه‌سازی سریع سنتی با ایجاد داده‌های هندسی، یا به صورت جامد سه بعدی با استفاده از ایستگاه کاری CAD، یا برش‌های دوبعدی با استفاده از دستگاه اسکنبرای نمونه سازی سریع این داده ها باید یک مدل هندسی معتبر را نشان دهند.یعنی، سطحی که سطوح مرزی آن حجم محدودی را در بر می گیرد، فاقد حفره ای است که فضای داخلی را آشکار می کند، و روی خود تا نمی شود.به عبارت دیگر، شی باید یک «درون» داشته باشد.این مدل زمانی معتبر است که برای هر نقطه در فضای سه بعدی، رایانه بتواند به طور منحصر به فردی تعیین کند که آیا آن نقطه در داخل، روی یا خارج از سطح مرزی مدل قرار دارد یا خیر.پس پردازشگرهای CAD فرم‌های هندسی CAD داخلی فروشندگان برنامه (مانند B-splines) را با یک فرم ریاضی ساده شده تقریب می‌کنند، که به نوبه خود در قالب داده مشخصی بیان می‌شود که یک ویژگی رایج در تولید افزودنی است: فرمت فایل STL، یک استاندارد واقعی برای انتقال مدل های هندسی جامد به ماشین های SFF.

برای به دست آوردن مسیرهای لازم برای کنترل حرکت برای هدایت SFF واقعی، نمونه سازی سریع، پرینت سه بعدی یا مکانیزم ساخت افزودنی، مدل هندسی آماده شده معمولاً به لایه ها تقسیم می شود و برش ها به صورت خطوط اسکن می شوند (تولید "نقاشی دو بعدی" که برای تولید استفاده می شود. مسیر مانند مسیر ابزار CNC)، با تقلید معکوس از فرآیند ساخت فیزیکی لایه به لایه.

1. حوزه های کاربردی
نمونه‌سازی سریع معمولاً در مهندسی نرم‌افزار برای آزمایش مدل‌های تجاری جدید و معماری‌های کاربردی مانند هوافضا، خودروسازی، خدمات مالی، توسعه محصول و مراقبت‌های بهداشتی استفاده می‌شود.تیم‌های طراحی هوافضا و صنعتی برای ایجاد روش‌های AM جدید در صنعت، بر نمونه‌سازی اولیه تکیه می‌کنند.با استفاده از SLA آنها می توانند به سرعت چندین نسخه از پروژه های خود را در چند روز بسازند و آزمایش را سریعتر آغاز کنند.نمونه سازی سریع به طراحان/توسعه دهندگان این امکان را می دهد تا قبل از صرف زمان و هزینه زیاد برای نمونه اولیه، ایده دقیقی از نحوه عملکرد محصول نهایی ارائه دهند.استفاده از پرینت سه بعدی برای نمونه سازی سریع امکان چاپ سه بعدی صنعتی را فراهم می کند.با این کار، می‌توانید قالب‌هایی در مقیاس بزرگ برای قطعات یدکی داشته باشید که به سرعت در مدت زمان کوتاهی پمپاژ می‌شوند.

2. تاریخچه
در دهه 1970، جوزف هنری کاندون و دیگران در آزمایشگاه‌های بل، سیستم طراحی مدار یونیکس (UCDS) را توسعه دادند، که وظیفه پرزحمت و مستعد خطا تبدیل دستی نقشه‌ها به ساخت بردهای مدار را برای اهداف تحقیق و توسعه خودکار می‌کرد.

در دهه 1980، سیاستگذاران و مدیران صنعتی ایالات متحده مجبور شدند توجه داشته باشند که تسلط آمریکا در زمینه تولید ماشین ابزار از بین رفته است، به طوری که بحران ماشین ابزار نامیده می شود.پروژه های متعددی به دنبال مقابله با این روندها در منطقه سنتی CNC CAM بودند که در ایالات متحده آغاز شده بود.بعداً هنگامی که سیستم‌های نمونه‌سازی سریع از آزمایشگاه‌ها خارج شدند تا تجاری شوند، مشخص شد که پیشرفت‌ها از قبل بین‌المللی بوده است و شرکت‌های نمونه‌سازی سریع ایالات متحده این تجمل را ندارند که اجازه دهند سرنخ از بین برود.بنیاد ملی علوم چتری برای اداره ملی هوانوردی و فضایی (ناسا)، وزارت انرژی ایالات متحده، وزارت بازرگانی ایالات متحده NIST، وزارت دفاع ایالات متحده، آژانس پروژه های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی (دارپا) و دفتر تحقیقات دریایی مطالعاتی را برای آگاه کردن برنامه‌ریزان استراتژیک در مذاکراتشان هماهنگ کرد.یکی از این گزارش ها، گزارش پانل نمونه سازی سریع در اروپا و ژاپن در سال 1997 بود که در آن جوزف جی بیمن، بنیانگذار شرکت DTM دیدگاهی تاریخی ارائه می دهد:

ریشه‌های فناوری نمونه‌سازی سریع را می‌توان در شیوه‌های توپوگرافی و عکاسی ردیابی کرد.در TOPOGRAPHY، بلانتر (1892) یک روش لایه‌ای را برای ساخت قالب برای نقشه‌های توپوگرافی کاغذ برجسته پیشنهاد کرد. این فرآیند شامل برش خطوط کانتور روی یک سری صفحات بود که سپس روی هم چیده شدند.ماتسوبارا (1974) از میتسوبیشی یک فرآیند توپوگرافی با یک رزین فوتوپلیمر سخت‌کننده عکس را برای تشکیل لایه‌های نازکی که برای ساختن قالب ریخته‌گری روی هم چیده شده‌اند، پیشنهاد کرد.PHOTOSCULPTURE تکنیکی در قرن نوزدهم برای ایجاد کپی سه بعدی دقیق از اشیاء بود.معروف ترین فرانسوا ویلم (1860) 24 دوربین را در یک آرایه دایره ای قرار داد و همزمان از یک شی عکس گرفت.سپس از شبح هر عکس برای حک کردن یک ماکت استفاده شد.موریوکا (1935، 1944) یک مجسمه عکس ترکیبی و فرآیند توپوگرافی را با استفاده از نور ساختاریافته برای ایجاد عکاسی خطوط کانتور یک شی ایجاد کرد.سپس خطوط را می توان به ورق تبدیل کرد و برش داد و روی هم چید و یا روی مواد اولیه برای کنده کاری پیش بینی کرد.فرآیند Munz (1956) یک تصویر سه بعدی از یک شی را با افشای انتخابی، لایه به لایه، یک امولسیون عکس روی یک پیستون پایین‌آور بازتولید کرد.پس از تثبیت، یک استوانه شفاف جامد حاوی تصویری از جسم است.

- جوزف جی بیمن
ریشه‌های نمونه‌سازی سریع - RP از صنعت در حال رشد CAD، به طور خاص‌تر، سمت مدل‌سازی جامد CAD سرچشمه می‌گیرد.قبل از اینکه مدل سازی جامد در اواخر دهه 1980 معرفی شود، مدل های سه بعدی با قاب ها و سطوح سیمی ساخته شدند.اما تا زمانی که توسعه مدلسازی جامد واقعی نمی تواند فرآیندهای نوآورانه ای مانند RP توسعه یابد.چارلز هال، که در سال 1986 به ایجاد سیستم های سه بعدی کمک کرد، اولین فرآیند RP را توسعه داد.این فرآیند که استریولیتوگرافی نامیده می‌شود، با پخت لایه‌های متوالی نازک برخی از رزین‌های مایع حساس به نور فرابنفش با لیزر کم‌توان، اجسام را می‌سازد.با معرفی RP، مدل های جامد CAD به طور ناگهانی می توانند زنده شوند.

فن‌آوری‌هایی که به‌عنوان «ساخت آزاد شکل جامد» شناخته می‌شوند، همان چیزی است که امروزه به‌عنوان نمونه‌سازی سریع، چاپ سه‌بعدی یا تولید افزودنی می‌شناسیم: سواینسون (1977)، شورزل (1984) روی پلیمریزاسیون یک پلیمر حساس به نور در تقاطع دو پرتو لیزر کنترل‌شده توسط رایانه کار کردند.Ciraud (1972) رسوب مغناطیسی یا الکترواستاتیکی را با پرتو الکترونی، لیزر یا پلاسما برای پوشش سطوح متخلخل در نظر گرفت.همه اینها پیشنهاد شد، اما مشخص نیست که آیا ماشین های کار ساخته شده اند یا خیر.هیدئو کوداما از موسسه تحقیقات صنعتی شهرداری ناگویا اولین کسی بود که گزارشی از یک مدل جامد ساخته شده با استفاده از یک سیستم نمونه سازی سریع فوتوپلیمری منتشر کرد (1981).اولین سیستم نمونه سازی سریع سه بعدی با تکیه بر مدل سازی رسوب ذوب شده (FDM) در آوریل 1992 توسط Stratasys ساخته شد اما این حق اختراع تا 9 ژوئن 1992 صادر نشد. Sanders Prototype, Inc اولین چاپگر جوهرافشان 3 بعدی رومیزی (3DP) را با استفاده از یک چاپگر معرفی کرد. اختراع از آگوست 4،1992 (هلینسکی)، Modelmaker 6Pro در اواخر سال 1993 و سپس چاپگر سه بعدی صنعتی بزرگتر، Modelmaker 2، در سال 1997. Z-Corp با استفاده از اتصال پودری MIT 3DP برای ریخته‌گری پوسته مستقیم (DSP) در سال 1993 معرفی شد. بازار در سال 1995. حتی در آن تاریخ اولیه این فناوری به عنوان جایگاهی در عمل تولید تلقی می شد.وضوح پایین، خروجی کم استحکام در تأیید طراحی، ساخت قالب، جیگ های تولید و سایر زمینه ها ارزش داشت.خروجی ها به طور پیوسته به سمت استفاده های با مشخصات بالاتر پیشرفت کرده اند.Sanders Prototype, Inc. (Solidscape) به عنوان یک تولید کننده پرینت سه بعدی نمونه سازی سریع با Modelmaker 6Pro برای ساخت الگوهای فداکاری ترموپلاست تیک مدل های CAD از فناوری تک نازل جوهر افشان Drop-On-Demand (DOD) شروع به کار کرد.

برای بهبود سرعت و توانایی کنار آمدن با برنامه های تولید انبوه، دائماً به دنبال نوآوری ها هستند.یک توسعه چشمگیر که RP با مناطق CNC مرتبط به اشتراک می گذارد، منبع باز رایگان برنامه های کاربردی سطح بالا است که یک زنجیره ابزار CAD-CAM را تشکیل می دهد.این باعث ایجاد جامعه ای از تولید کنندگان دستگاه های با وضوح پایین شده است.علاقه‌مندان حتی به طراحی‌های دستگاه‌های تحت تأثیر لیزری نیز دست پیدا کرده‌اند

اولین فهرست فرآیندهای RP یا فناوری های ساخت منتشر شده در سال 1993 توسط مارشال برنز نوشته شده است و هر فرآیند را به طور کامل توضیح می دهد.همچنین برخی از فناوری ها را نام می برد که پیش ساز نام های موجود در لیست زیر بودند.به عنوان مثال: Visual Impact Corporation فقط یک چاپگر نمونه اولیه برای رسوب موم تولید کرد و سپس مجوز ثبت اختراع را به Sanders Prototype, Inc.BPM از همان جوهر افشان ها و مواد استفاده می کرد.