Prototipado rápido

Máquina de prototipado rápido mediante sinterización láser selectiva (SLS)

Corte de modelos 3D
O prototipado rápido é un grupo de técnicas utilizadas para fabricar rapidamente un modelo a escala dunha peza física ou conxunto utilizando datos de deseño asistido por ordenador (CAD) tridimensional.A construción da peza ou conxunto realízase normalmente mediante a impresión 3D ou a tecnoloxía de "fabricación de capas aditivas".

Os primeiros métodos de prototipado rápido estiveron dispoñibles a mediados da década de 1980 e usáronse para producir modelos e pezas de prototipo.Hoxe, utilízanse para unha ampla gama de aplicacións e empréganse para fabricar pezas de calidade de produción en cantidades relativamente pequenas se o desexa sen a típica economía a curto prazo desfavorable.Esta economía fomentou as oficinas de servizos en liña.Os estudos históricos da tecnoloxía RP comezan con discusións sobre as técnicas de produción de simulacros empregadas polos escultores do século XIX.Algúns escultores modernos usan a tecnoloxía da proxenie para producir exposicións e diversos obxectos.A capacidade de reproducir deseños a partir dun conxunto de datos deu lugar a problemas de dereitos, xa que agora é posible interpolar datos volumétricos a partir de imaxes unidimensionales.

Do mesmo xeito que cos métodos sustractivos CNC, o fluxo de traballo CAD-CAM de deseño asistido por ordenador: fabricación asistida por ordenador no proceso tradicional de prototipado rápido comeza coa creación de datos xeométricos, xa sexa como un sólido 3D mediante unha estación de traballo CAD ou cortes 2D mediante un dispositivo de escaneo.Para a creación de prototipos rápidos estes datos deben representar un modelo xeométrico válido;é dicir, aquel cuxas superficies límite encerran un volume finito, non conteñen buratos que expoñen o interior e non se dobran sobre si mesmos.Noutras palabras, o obxecto debe ter un "interior".O modelo é válido se para cada punto do espazo 3D o ordenador pode determinar de forma única se ese punto se atopa dentro, dentro ou fóra da superficie límite do modelo.Os postprocesadores CAD aproximarán as formas xeométricas CAD internas dos provedores de aplicacións (por exemplo, B-splines) cunha forma matemática simplificada, que á súa vez se expresa nun formato de datos especificado que é unha característica común na fabricación aditiva: formato de ficheiro STL, un estándar de facto para transferir modelos xeométricos sólidos a máquinas SFF.

Para obter as traxectorias de control de movemento necesarias para impulsar o SFF real, o prototipado rápido, a impresión 3D ou o mecanismo de fabricación aditiva, o modelo xeométrico preparado adoita ser cortado en capas e os segmentos son escaneados en liñas (producindo un "debuxo 2D" usado para xerar). traxectoria como na traxectoria de ferramentas do CNC), imitando ao revés o proceso de construción física capa a capa.

1. Ámbitos de aplicación
Os prototipos rápidos tamén se aplican habitualmente na enxeñaría de software para probar novos modelos de negocio e arquitecturas de aplicacións como a aeroespacial, a automoción, os servizos financeiros, o desenvolvemento de produtos e a saúde.Os equipos de deseño aeroespacial e industriais confían na creación de prototipos para crear novas metodoloxías de AM na industria.Usando SLA poden facer rapidamente varias versións dos seus proxectos en poucos días e comezar a probar máis rápido.Rapid Prototyping permite aos deseñadores/desenvolvedores proporcionar unha idea precisa de como resultará o produto acabado antes de dedicar demasiado tempo e diñeiro ao prototipo.A impresión 3D que se utiliza para a creación de prototipos rápidos permite a impresión industrial 3D.Con isto, podes ter moldes a gran escala para as pezas de recambio que se bombean rapidamente nun curto período de tempo.

2. Historia
Na década de 1970, Joseph Henry Condon e outros en Bell Labs desenvolveron o sistema de deseño de circuítos Unix (UCDS), automatizando a laboriosa e propensa a erros de converter manualmente debuxos para fabricar placas de circuíto con fins de investigación e desenvolvemento.

Na década de 1980, os responsables políticos e xestores industriais dos Estados Unidos víronse obrigados a tomar nota de que o dominio de Estados Unidos no campo da fabricación de máquinas-ferramenta evaporouse, no que se chamou crise da máquina-ferramenta.Numerosos proxectos buscaron contrarrestar estas tendencias na área tradicional CNC CAM, que comezara nos EE.UU.Máis tarde, cando Rapid Prototyping Systems saíu dos laboratorios para ser comercializado, recoñeceuse que os desenvolvementos xa eran internacionais e que as empresas estadounidenses de prototipado rápido non se darían o luxo de deixar escapar un chumbo.A National Science Foundation foi un paraugas para a Administración Nacional de Aeronáutica e Espazo (NASA), o Departamento de Enerxía dos Estados Unidos, o Departamento de Comercio dos Estados Unidos NIST, o Departamento de Defensa dos Estados Unidos, a Axencia de Proxectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) e a Naval Research coordinou estudos para informar aos planificadores estratéxicos nas súas deliberacións.Un destes informes foi o Informe do panel de prototipos rápidos en Europa e Xapón de 1997 no que Joseph J. Beaman, fundador de DTM Corporation, ofrece unha perspectiva histórica:

As raíces da tecnoloxía de prototipado rápido pódense rastrexar nas prácticas de topografía e fotoescultura.Dentro de TOPOGRAFÍA, Blanther (1892) suxeriu un método en capas para facer un molde para mapas topográficos de papel en relieve. O proceso consistiu en cortar as liñas de nivel nunha serie de placas que despois se apilaban.Matsubara (1974) de Mitsubishi propuxo un proceso topográfico cunha resina fotopolímera fotoendurecible para formar capas finas apiladas para facer un molde de fundición.A FOTOESCULTURA foi unha técnica do século XIX para crear réplicas tridimensionais exactas de obxectos.O máis famoso François Willeme (1860) colocou 24 cámaras nunha matriz circular e fotografou simultaneamente un obxecto.Despois utilizouse a silueta de cada fotografía para tallar unha réplica.Morioka (1935, 1944) desenvolveu unha escultura fotográfica híbrida e un proceso topográfico usando luz estruturada para crear fotograficamente as liñas de contorno dun obxecto.As liñas poderían ser desenvolvidas en follas e cortadas e apiladas, ou proxectadas sobre material de stock para tallar.O proceso de Munz (1956) reproduciu unha imaxe tridimensional dun obxecto expoñendo selectivamente, capa por capa, unha emulsión fotográfica nun pistón de baixada.Despois da fixación, un sólido cilindro transparente contén unha imaxe do obxecto.

- Joseph J. Beaman
"As orixes do prototipado rápido: RP provén da industria CAD en constante crecemento, máis concretamente, do lado de modelado sólido do CAD.Antes de introducirse o modelado sólido a finais da década de 1980, creáronse modelos tridimensionais con marcos e superficies de arame.Pero non ata o desenvolvemento dun verdadeiro modelado sólido poderían desenvolverse procesos innovadores como o RP.Charles Hull, que axudou a fundar 3D Systems en 1986, desenvolveu o primeiro proceso RP.Este proceso, chamado estereolitografía, constrúe obxectos curando capas delgadas consecutivas de certas resinas líquidas sensibles á luz ultravioleta cun láser de baixa potencia.Coa introdución de RP, os modelos sólidos CAD poderían cobrar vida de súpeto”.

As tecnoloxías denominadas Solid Freeform Fabrication son o que hoxe recoñecemos como prototipado rápido, impresión 3D ou fabricación aditiva: Swainson (1977), Schwerzel (1984) traballaron na polimerización dun polímero fotosensible na intersección de dous raios láser controlados por ordenador.Ciraud (1972) considerou a deposición magnetostática ou electrostática con feixe de electróns, láser ou plasma para o revestimento superficial sinterizado.Todas estas foron propostas pero descoñécese se se construíron máquinas de traballo.Hideo Kodama do Instituto Municipal de Investigación Industrial de Nagoya foi o primeiro en publicar un relato dun modelo sólido fabricado mediante un sistema de prototipado rápido de fotopolímero (1981).O primeiro sistema de prototipado rápido 3D baseado no modelado de deposición fundida (FDM) foi feito en abril de 1992 por Stratasys, pero a patente non se emitiu ata o 9 de xuño de 1992. Sanders Prototype, Inc presentou a primeira impresora 3D de inxección de tinta de escritorio (3DP) usando un invento do 4 de agosto de 1992 (Helinski), Modelmaker 6Pro a finais de 1993 e despois a impresora 3D industrial máis grande, Modelmaker 2, en 1997. Z-Corp que utilizaba a unión en po 3DP do MIT para o Direct Shell Casting (DSP) inventou en 1993. o mercado en 1995. Incluso naquela data temperá se vía que a tecnoloxía tiña un lugar na práctica de fabricación.Unha saída de baixa resolución e baixa resistencia tivo valor na verificación do deseño, fabricación de moldes, gambas de produción e outras áreas.As saídas avanzaron constantemente cara a usos con especificacións máis altas.Sanders Prototype, Inc. (Solidscape) comezou como un fabricante de impresión 3D de prototipado rápido co Modelmaker 6Pro para facer patróns de termoplástico sacrificiais de modelos CAD que utiliza a tecnoloxía de inxección de tinta de boquilla única Drop-On-Demand (DOD).

Búscanse constantemente innovacións para mellorar a velocidade e a capacidade de facer fronte ás aplicacións de produción en masa.Un desenvolvemento dramático que RP comparte con áreas relacionadas con CNC é o freeware de fontes abertas de aplicacións de alto nivel que constitúen unha cadea de ferramentas CAD-CAM completa.Isto creou unha comunidade de fabricantes de dispositivos de baixa resolución.Os afeccionados ata fixeron incursións en deseños máis esixentes de dispositivos con efecto láser

A lista máis antiga de procesos RP ou tecnoloxías de fabricación publicada en 1993 foi escrita por Marshall Burns e explica cada proceso moi a fondo.Tamén nomea algunhas tecnoloxías que foron precursoras dos nomes da lista a continuación.Por exemplo: Visual Impact Corporation só produciu un prototipo de impresora para a deposición de cera e, no seu lugar, licenciou a patente a Sanders Prototype, Inc.BPM utilizou os mesmos materiais e inxección de tinta.