Wat is Rapid Prototyping? - Typen en werken?

Wat is Rapid Prototyping?

Rapid prototyping is de snelle fabricage van een fysiek onderdeel, model of assemblage met behulp van 3D computer-aided design (CAD). Het maken van het onderdeel, model of samenstel wordt meestal voltooid met behulp van additive manufacturing, beter bekend als 3D-printen.

Rapid prototyping is het proces van het creëren van iets dat kan worden gebruikt om een ​​product snel te evalueren. Binnen engineering is een prototype een vroege versie van een product. Met snelle prototyping kunnen bedrijven de technologie testen en analyseren.

Wanneer het ontwerp nauw aansluit bij het voorgestelde eindproduct, wordt gezegd dat het een high-fidelity prototype is, in tegenstelling tot een low-fidelity prototype waar er een duidelijk verschil is tussen het prototype en het eindproduct.

Met andere woorden, rapid prototyping is een testmethode. U kunt de toekomst van een product en het succes ervan bij klanten analyseren. Als resultaat zal de analyse u vertellen of het goed zal werken. Bedrijven gebruiken dit proces in elke fase van productontwikkeling.

Efficiëntie maakt het proces goedkoper en sneller. Dit geeft meer ruimte voor flexibiliteit en fouten bij het maken van een product. Op de lange termijn is dit voordeliger dan andere methoden.

MEER: Wat is 3D-printen?

Er zijn drie hoofdstappen in rapid prototyping. De eerste is om het prototype te maken. Dit doen ze door een oplossing te ontwikkelen die het bedrijf kan testen.

De volgende stap is reviewen. Veel bedrijven doen dit door het prototype te delen met hun gebruikers en stakeholders. Hierdoor kunnen ze feedback krijgen, zodat ze het product kunnen repareren en verbeteren voor hun klanten.

De laatste stap is het verfijnen. Op basis van de feedback die het bedrijf ontvangt, kunnen ze het product repareren of wijzigen. Dit zal hen ook helpen toekomstige ontwerpen te verbeteren.

Hoe werkt Rapid Prototyping?

Rapid Prototyping, ook wel 3D-printen genoemd, is een technologie voor additieve fabricage. Het proces begint met het nemen van een virtueel ontwerp van modellerings- of computer-aided design (CAD)-software. De 3D-printmachine leest de gegevens uit de CAD-tekening en legt opeenvolgende lagen vloeistof, poeder of plaatmateriaal neer om het fysieke model op te bouwen uit een reeks dwarsdoorsneden.

Deze lagen, die overeenkomen met de virtuele doorsnede van het CAD-model, worden automatisch samengevoegd om de uiteindelijke vorm te creëren.

Rapid Prototyping gebruikt een standaard data-interface, geïmplementeerd als het STL-bestandsformaat, om te vertalen van de CAD-software naar de 3D-prototypingmachine. Het STL-bestand benadert de vorm van een onderdeel of assemblage met behulp van driehoekige facetten.

Doorgaans kunnen Rapid Prototyping-systemen binnen enkele uren 3D-modellen produceren. Dit kan echter sterk variëren, afhankelijk van het type machine dat wordt gebruikt en de grootte en het aantal modellen dat wordt geproduceerd.

Hoewel additieve fabricage het meest gebruikelijke snelle prototypingproces is, kunnen andere, meer conventionele methoden worden gebruikt om prototypes te maken.

MEER: Wat is Additive Manufacturing?

Deze processen omvatten:

• Subtractief – Waar door een blok materiaal wordt gesneden om de gewenste vorm te creëren door te frezen, slijpen of draaien.
• Samendrukkend – Voor het stollen in de gewenste vorm worden geperst door een halfvast of vloeibaar materiaal, bijvoorbeeld door gieten, compressie-sintering of gieten.

Verschillende soorten Rapid Prototyping

Soorten rapid prototyping-technieken:

• Stereolithografie (SLA)
• Selectief laser sinteren (SLS)
• Directe metaallaser-sintering (DMLS)
• Fused Deposition Modeling (FDM)
• Binderstralen
• Poly-jetting

Er zijn tientallen manieren waarop prototypes kunnen worden gemaakt. Terwijl prototypingprocessen zich blijven ontwikkelen, proberen productontwerpers constant te bepalen welke methode of technologie het beste is voor hun unieke toepassing.

1. Stereolithografie (SLA) of Vat Photopolymerization

Deze snelle en goedkope techniek was de eerste succesvolle methode van commercieel 3D-printen. Er wordt een bad van lichtgevoelige vloeistof gebruikt dat laag voor laag wordt gestold met behulp van computergestuurd ultraviolet (UV) licht.

SLA is een industrieel 3D-printen, of additive manufacturing, een proces waarbij onderdelen worden gebouwd in een pool van UV-uithardbare fotopolymeerhars met behulp van een computergestuurde laser. De laser wordt gebruikt om een ​​dwarsdoorsnede van het ontwerp van het onderdeel op het oppervlak van de vloeibare hars te traceren en uit te harden.

De gestolde laag wordt dan net onder het oppervlak van de vloeibare hars neergelaten en het proces wordt herhaald. Elke nieuw uitgeharde laag hecht zich aan de laag eronder. Dit proces gaat door totdat het onderdeel is voltooid.

Pluspunten: Voor conceptmodellen, cosmetische prototypes en complexe ontwerpen kan SLA onderdelen produceren met ingewikkelde geometrieën en uitstekende oppervlakteafwerkingen in vergelijking met andere additieve processen. De kosten zijn concurrerend en de technologie is beschikbaar via verschillende bronnen.

Nadelen: Prototype-onderdelen zijn mogelijk niet zo sterk als die gemaakt van harsen van technische kwaliteit, dus de onderdelen die met SLA zijn gemaakt, zijn beperkt bruikbaar voor functionele tests. Bovendien, terwijl onderdelen een UV-cyclus ondergaan om het buitenoppervlak van het onderdeel te laten stollen, moet een ingebouwde SLA worden gebruikt met minimale blootstelling aan UV en vochtigheid, zodat ze niet verslechteren.

2. Selectief laser sinteren (SLS)

SLS wordt gebruikt voor zowel metaal- als kunststofprototyping en gebruikt een poederbed om een ​​prototype laag voor laag te creëren met een laser om het poedervormige materiaal te verwarmen en te sinteren. De sterkte van de onderdelen is echter niet zo goed als SLA, terwijl het oppervlak van het eindproduct meestal ruw is en mogelijk secundair werk nodig is om het te voltooien.

Tijdens het SLS-proces trekt een computergestuurde CO2-laser van onder naar boven op een broeinest van poeder op nylonbasis, waar het het poeder lichtjes sintert (smelt) tot een vaste stof. Na elke laag legt een roller een nieuwe laag poeder op het bed en het proces herhaalt zich.

SLS gebruikt stijve nylon of elastomeer TPU-poeders die vergelijkbaar zijn met echte technische thermoplasten, dus onderdelen vertonen een grotere taaiheid en zijn nauwkeurig, maar hebben een ruw oppervlak en missen fijne details. SLS biedt een groot bouwvolume, kan onderdelen met zeer complexe geometrieën produceren en duurzame prototypes maken.

Pluspunten: SLS-onderdelen zijn doorgaans nauwkeuriger en duurzamer dan SLA-onderdelen. Het proces kan duurzame onderdelen maken met complexe geometrieën en is geschikt voor enkele functionele testen.

Nadelen: De onderdelen hebben een korrelige of zanderige textuur en het proces heeft een beperkte harskeuze.

3. Directe metaallaser-sintering (DMLS)

DMLS is een additieve fabricagetechnologie die metalen prototypes en functionele onderdelen voor eindgebruik produceert. DMLS maakt gebruik van een lasersysteem dat op een oppervlak van verneveld metaalpoeder trekt. Waar het trekt, last het het poeder tot een vaste stof.

Na elke laag voegt een mes een nieuwe laag poeder toe en herhaalt het proces. DMLS kan de meeste legeringen gebruiken, waardoor prototypes volledige, functionele hardware kunnen zijn gemaakt van hetzelfde materiaal als productiecomponenten.

Het heeft ook het potentieel om, indien ontworpen met het oog op maakbaarheid, over te gaan op metaalspuitgieten wanneer de productie indien nodig wordt verhoogd

Pluspunten: DMLS produceert sterke (meestal 97 procent dichte) prototypes van een verscheidenheid aan metalen die kunnen worden gebruikt voor functionele testen. Omdat de componenten laag voor laag zijn opgebouwd, is het mogelijk om interne kenmerken en doorgangen te ontwerpen die niet kunnen worden gegoten of anderszins machinaal kunnen worden bewerkt. Onderdelen met mechanische eigenschappen zijn gelijk aan conventioneel gevormde onderdelen.

Nadelen: Als u meer dan een paar DMLS-onderdelen produceert, kunnen de kosten stijgen. Vanwege de poedervormige metalen oorsprong van het directe metaalproces, is de oppervlakteafwerking van deze onderdelen enigszins ruw. Het proces zelf is relatief traag en vereist meestal ook dure nabewerkingen.

4. Fused Deposition Modeling (FDM) of Material Jetting

Dit goedkope, gebruiksvriendelijke proces is te vinden in de meeste niet-industriële desktop 3D-printers. Er wordt een spoel van thermoplastisch filament gebruikt die in een behuizing van een drukmondstuk wordt gesmolten voordat de resulterende vloeibare kunststof laag voor laag wordt afgezet volgens een computerdepositieprogramma.

Hoewel de eerste resultaten over het algemeen een slechte resolutie hadden en slecht waren, verbetert dit proces snel en is het snel en goedkoop, waardoor het ideaal is voor productontwikkeling.

FDM gebruikt een extrusiemethode die thermoplastische hars (ABS, polycarbonaat of mengsel van ABS/polycarbonaat) in lagen smelt en opnieuw stolt om een ​​afgewerkt prototype te vormen. Omdat het echte thermoplastische harsen gebruikt, is het sterker dan bindmiddelstralen en kan het van beperkt nut zijn voor functionele testen.

Pluspunten: FDM-onderdelen zijn redelijk geprijsd, relatief sterk en kunnen goed zijn voor wat functionele tests. Het proces kan onderdelen maken met complexe geometrieën.

Nadelen: De onderdelen hebben een slechte oppervlakteafwerking, met een uitgesproken golfeffect. Het is ook een langzamer additief proces dan SLA of SLS en is beperkt geschikt voor functionele testen.

6. Injection Molding           

Snel spuitgieten werkt door thermoplastische harsen in een mal te injecteren, net als bij productiespuitgieten. Wat het proces "snel" maakt, is de technologie die wordt gebruikt om de mal te produceren, die vaak is gemaakt van aluminium in plaats van het traditionele staal dat in productiematrijzen wordt gebruikt.

Gegoten onderdelen zijn sterk en hebben een uitstekende afwerking. Het is ook het industriestandaard productieproces voor plastic onderdelen, dus er zijn inherente voordelen aan prototyping in hetzelfde proces als de situatie dit toelaat.

Vrijwel elk plastic of vloeibaar siliconenrubber (LSR) van technische kwaliteit kan worden gebruikt, dus de ontwerper wordt niet beperkt door de materiële beperkingen van het prototypingproces.

Pluspunten: Gegoten onderdelen zijn gemaakt van een reeks materialen van technische kwaliteit, hebben een uitstekende oppervlakteafwerking en zijn een uitstekende voorspeller van maakbaarheid tijdens de productiefase.

Nadelen: Er zijn initiële gereedschapskosten verbonden aan snel spuitgieten die niet voorkomen bij een van de additieve processen of bij CNC-bewerkingen. In de meeste gevallen is het dus zinvol om een ​​of twee snelle prototypes (subtractief of additief) te maken om de pasvorm en functie te controleren voordat u overgaat tot spuitgieten.

7. Binder Jetting

Met deze techniek kunnen een of meer onderdelen tegelijk worden geprint, hoewel de onderdelen die gemaakt zijn niet zo sterk zijn als die gemaakt met SLS. Binder jetting maakt gebruik van een poederbed waarop sproeiers microfijne vloeistofdruppels sproeien om de poederdeeltjes aan elkaar te binden en een laag van het onderdeel te vormen.

Elke laag kan vervolgens worden verdicht door een roller voordat de volgende laag poeder wordt aangebracht en het proces begint opnieuw. Wanneer het onderdeel compleet is, kan het in een oven worden uitgehard om het bindmiddel te verbranden en het poeder tot een integraal onderdeel te smelten.

8. Polyjet

Polyjet gebruikt een printkop om lagen fotopolymeerhars te spuiten die na elkaar worden uitgehard met ultraviolet licht. De lagen zijn erg dun waardoor een kwaliteitsresolutie mogelijk is. Het materiaal wordt ondersteund door een gelmatrix die na voltooiing van het onderdeel wordt verwijderd. Elastomere onderdelen zijn mogelijk met Polyjet.

Pluspunten: Dit proces is redelijk geprijsd, kan prototypen van overgevormde onderdelen maken met flexibele en stijve materialen, kan onderdelen produceren in meerdere kleuropties en kan gemakkelijk complexe geometrieën dupliceren.

Nadelen: Polyjet onderdelen hebben een beperkte sterkte (vergelijkbaar met SLA) en zijn niet geschikt voor functionele testen. Hoewel PolyJet onderdelen kan maken met complexe geometrieën, geeft het geen inzicht in de uiteindelijke maakbaarheid van het ontwerp. Ook kunnen kleuren na verloop van tijd geel worden wanneer ze aan licht worden blootgesteld.

Prototyping-processen vergelijken