Od momentu powstania terminu szybkiego prototypowania, proces budowy modelu znacznie się zredukował. W czasach obecnej, czwartej rewolucji przemysłowej (którym nieodłącznym elementem są technologie addytywne) funkcjonalne modele powstają w znacznie krótszym czasie. Potencjał przyspieszonego rozwoju i realnej redukcji kosztów staje się coraz wyższy.

 

 

Termin „szybkie prototypowanie” znany jest od początku lat osiemdziesiątych ubiegłego wieku, powstał wraz z pierwszym programem do projektowania komputerowego. Należy pamiętać że definicja ta nie jest synonimem technologi addytywnych. Szybkie prototypowanie to technika wytwarzania prototypów w oparciu o model przestrzenny wykonany dzięki oprogramowaniu CAD.

W innych słowach, druk 3D jest procesem a szybkie prototypowanie końcowym rezultatem.

Podstawowe, jednocześnie najważniejsze atrybuty prototypowania:

  1. Oszczędza pieniądze i materiał
  2. Ogranicza ryzyko inwestycji
  3. Generuje wartościową informację zwrotną
  4. Umożliwia weryfikację funkcjonalności

Projektowane urządzenie lub przedmiot ma za zadanie spełnianie specyficznych zadań i potrzeb, dlatego narzędzia do szybkiego prototypowania są tak ważne. Dzięki szerokiemu wachlarzowi dostępnych technologii które zawierają się w definicji narzędzi, mamy gwarancję stałej ewolucji, doskonalenia i dopasowywania do wymagań końcowego nabywcy. Niemal od razu możemy udoskonalić atrybuty wizualne, praktyczne czy te elementy które umożliwiają przyszły rozwój.

Zacznijmy jednak od przestawienia szybkiego prototypowania z perspektywy pierwotnego narzędzia, obróbki konwencjonalnej.

Obróbka skrawaniem z perspektywy szybkiego wytwarzania wymaga obszernego planowania i wyspecjalizowanej w niej obsługi. Duże wyzwanie stanowią elementy o skomplikowanym kształcie które generują specyficzne problemy. Przedmioty wykonywane za pomocą tradycyjnej obróbki numerycznej zazwyczaj mają prostą budowę. Złożone elementy określane są przez funkcje geometryczne a wykwalifikowany operator zmuszony jest dobierać odpowiednie narzędzia. Nieregularne kształty wymagają tworzenia podpór które muszą zostać usunięte poza procesem obróbki skrawaniem.

W odniesieniu do prac badawczych z zastosowaniem konwencjonalnej obróbki, rapid prototyping i manufacturing stanowią ogromne wyzwanie pod względem złożoności. Technologia ta pochłania nieporównywalnie większą ilość czasu niezbędną na zaprojektowanie odpowiedniego modelu i wykonanie niezbędnych przygotowań. Podstawowe elementy procesu planowania produkcji prototypu za pomocą tej techniki:

 

  1. Sposób mocowania obrabianego materiału
  2. Planowanie orientacji obrabianego modelu
  3. Rozmiar, kształt i typ narzędzia które należy zastosować
  4. Planowanie ścieżki narzędzia

 

Większość organizacji wykorzystujących obróbkę skrawaniem do produkcji prototypów, na co dzień zmagała się ze specyficznymi problemami. Pierwsze produkowanie elementy były drogie, materiały nieodpowiednie do pracy jaką miały wykonać a technologia wytwarzania powolna. Konwencjonalne maszyny są także kosztowne i trudne w bezpośrednim użyciu.

Każda gałąź przemysłu ma swoich pionierów, a Ci w szybkim prototypowaniu zauważyli nieoceniony potencjał który umożliwia przeprowadzenie szybkich wdrożeń. Rozpoczęła się gonitwa za maksymalną optymalizacją narzędzi używanych w tym procesie. Dzięki niej pod koniec lat osiemdziesiątych ubiegłego wieku stworzono metodę wytwarzania elementów za pomocą łączenia przekrojów, które składają się się na trójwymiarowy model – nazwano ją drukiem 3D.

Mowa tu o technologiach addytywnych które umożliwiają w krótkim czasie wykonanie złożonych komponentów o zamierzonych właściwościach wizualnych, ergonomicznych i mechanicznych. Stale postępujący trend do rozwoju druku 3d gwarantuje dalszy postęp w dziedzinie szybkiego prototypowania.

Najpopularniejszą, jednocześnie najtańszą metodą jest metoda wytłaczania roztopionego materiału (ang. Fused Deposition Modeling lub Fused Filament Fabrication) opiera się na kreowaniu produktu poprzez nakładanie kolejnych warstw termoplastycznego i półpłynnego materiału, który podawany jest przez rozgrzaną głowicę.

 

Ograniczeniem przy realizacji skomplikowanych konstrukcyjnie produktów są automatycznie(zazwyczaj) generowane podpory, które mają na celu podtrzymanie elementów drukowanego produktu. Po wykonaniu obiektu podpory zostają usuwane mechanicznie lub są rozpuszczane. Urządzenia oparte na tej technologii wytwarzania są najtańszym rozwiązaniem które możemy użyć do szybkiego prototypowania. Jednakże ma swoje ograniczenia w postaci prędkości druku, jakości oraz materiałów/tworzyw sztucznych jakie możemy zastosować.

 

Jedną z najnowszych osiągnięć technologi addytywnych jest JET Fusion, polega na natryskiwaniu odpowiedniego preparatu na uprzednio podgrzany proszek, który zostaje utwardzony w procesie naświetlania. O szczegóły elementów dba kolejna ciecz który aplikowana jest na powierzchnię bezpośrednio przylegającą do modelu. Urządzenia korzystające z tego rozwiązania pracują z tolerancją w granicy 0.3% gwarantując wysoką powtarzalność. Grubość warstwy na poziomie 0.08mm zapewnia wysoką jakość wydruku. Prędkość wytwarzania takiego rozwiązania jest kilkukrotnie wyższa niż pozostałych typów co plasuje rozwiązanie oparte na JET Fusion jako odpowiednie dla produkcji która wymaga szybkiego wykonania serii spersonalizowanych produktów. Na tę chwilę liczba wykorzystywanych proszków jest mała, lecz twórca tej technologii nie ogranicza twórców zapewniając im możliwość implementacji własnych rozwiązań materiałowych.

 

Metoda która posiada szerokie zastosowanie w przemyśle to SLM(selective laser melting). Proces druku opiera się na nanoszeniu niezwykle cienkich warstw proszku, które następnie są spiekane wiązką lasera. Dzięki zastosowaniu takiego rozwiązania podpory nie są wymagane. Finalnie, materiał który nie został połączony zostaje usuwany. Dzięki tej technologii jesteśmy w stanie drukować nie tylko z tworzyw sztucznych ale także z metali.

Tym sposobem uzyskujemy możliwość wytwarzania modeli o znacznej złożoności geometrycznej, których nie można wyprodukować przy pomocy żadnej innej dostępnej techniki. Możliwe jest to dzięki beznarzędziowej produkcji gdzie model budowany jest warstwa po warstwie. Niewątpliwym atrybutem jest znikoma ilość odpadów po produkcyjnych wahająca się na poziomie 5%.

Druk 3d umożliwia wykonywanie skomplikowanych wewnętrznych struktur i kanałów. Stworzenie pożądanej porowatości materiału nie jest już problemem.

Proces modelowania do wykorzystania w druku 3D, może obejmować wykorzystanie algorytmów oprogramowania do określenia logicznego miejsca stosowanych zmian. Konstrukcja może zostać zoptymalizowana względem pożądanych funkcji mechanicznych. Liczba materiałów używanych do wykonywania modeli za pomocą tej techniki stale rośnie, z pewnością ten trend otworzy kolejne drogi do jeszcze szerszego zastosowania.

 

Dzięki dynamicznemu wzrostowi zainteresowania drukiem 3d, rozwój tej technologii znacznie przyspieszył. Każdy z wcześniej wymienionych sposobów wytwarzania ma swoją specyficzną charakterystykę, przez co terminologia „szybkiej” produkcji uległa rozszerzeniu na min:

 

  • Rapid patterns(szybkie wzornictwo) – używane min. do wykonywania produkcji biżuterii, głównie za pomocą technologi SLS która gwarantuje wysoką dokładność i jakość końcowego wyrobu. Za pomocą wzornika wykonanego na drukarce 3D wytwarzane są formy dzięki którym specjalista uzyskuje zaprojektowany kształt.
  • Rapid tooling(szybkie wytwarzanie narzędzi)- produkcja mocowań, form. Narzędzia mogą być wykorzystywane do produkcji, montażu czy wykonywania umożliwiających personalizację elementów form wtryskowych.
  • Rapid manufacturing(szybkie wytwarzanie) – umożliwia niemal natychmiastową produkcję wyrobu końcowego.

 

Podsumowując – druk 3d jest procesem a szybkie prototypowanie rezultatem. Odpowiednie połączenie oprogramowania CAD i CAM, doświadczenia i planowania, technologii addytywnych z technologiami konwencyjnymi gwarantuje prawidłową pracę, która generuje wynik jakim jest zysk – funkcjonalny prototyp.