Rapid-Prototyping

Eine Rapid-Prototyping-Maschine mit selektivem Lasersintern (SLS)

Schneiden von 3D-Modellen
Beim Rapid Prototyping handelt es sich um eine Gruppe von Techniken, mit denen mithilfe dreidimensionaler CAD-Daten (Computer Aided Design) schnell ein maßstabsgetreues Modell eines physischen Teils oder einer Baugruppe hergestellt werden kann.Die Konstruktion des Teils oder der Baugruppe erfolgt in der Regel mithilfe der 3D-Druck- oder „Additive Layer Manufacturing“-Technologie.

Die ersten Methoden des Rapid Prototyping standen Mitte der 1980er Jahre zur Verfügung und wurden zur Herstellung von Modellen und Prototypenteilen eingesetzt.Heutzutage werden sie für ein breites Anwendungsspektrum eingesetzt und dienen zur Herstellung von Teilen in Produktionsqualität in relativ kleinen Stückzahlen, wenn gewünscht, ohne die typischen ungünstigen kurzfristigen Wirtschaftlichkeitsvorteile.Diese Wirtschaft hat Online-Dienstleistungsbüros gefördert.Historische Überblicke über die RP-Technologie beginnen mit Diskussionen über Simulacra-Produktionstechniken, die von Bildhauern des 19. Jahrhunderts verwendet wurden.Einige moderne Bildhauer nutzen die Nachkommentechnologie, um Ausstellungen und verschiedene Objekte herzustellen.Die Möglichkeit, Designs aus einem Datensatz zu reproduzieren, hat zu Rechtsfragen geführt, da es nun möglich ist, volumetrische Daten aus eindimensionalen Bildern zu interpolieren.

Wie bei den subtraktiven CNC-Methoden beginnt der CAD-CAM-Workflow für computergestütztes Design – computergestützte Fertigung im traditionellen Rapid-Prototyping-Prozess mit der Erstellung geometrischer Daten, entweder als 3D-Volumenkörper mithilfe einer CAD-Workstation oder als 2D-Schnitte mithilfe eines Scangerät.Für Rapid Prototyping müssen diese Daten ein gültiges geometrisches Modell darstellen;nämlich eines, dessen Grenzflächen ein endliches Volumen einschließen, keine Löcher enthalten, die das Innere freilegen, und die sich nicht in sich selbst zurückfalten.Mit anderen Worten: Das Objekt muss ein „Innenleben“ haben.Das Modell ist gültig, wenn der Computer für jeden Punkt im 3D-Raum eindeutig bestimmen kann, ob dieser Punkt innerhalb, auf oder außerhalb der Grenzfläche des Modells liegt.CAD-Postprozessoren approximieren die internen geometrischen CAD-Formen der Anwendungsanbieter (z. B. B-Splines) mit einer vereinfachten mathematischen Form, die wiederum in einem bestimmten Datenformat ausgedrückt wird, das in der additiven Fertigung üblich ist: STL-Dateiformat, ein De-facto-Standard für die Übertragung von geometrischen Volumenmodellen auf SFF-Maschinen.

Um die notwendigen Bewegungssteuerungsbahnen zu erhalten, um den eigentlichen SFF-, Rapid-Prototyping-, 3D-Druck- oder additiven Fertigungsmechanismus anzutreiben, wird das vorbereitete geometrische Modell typischerweise in Schichten geschnitten und die Scheiben in Linien gescannt (wodurch eine „2D-Zeichnung“ entsteht, die zur Generierung verwendet wird). Bahn wie beim CNC-Werkzeugweg) und imitiert umgekehrt den physischen Schicht-zu-Schicht-Aufbauprozess.

1. Anwendungsgebiete
Rapid Prototyping wird auch häufig in der Softwareentwicklung eingesetzt, um neue Geschäftsmodelle und Anwendungsarchitekturen wie Luft- und Raumfahrt, Automobil, Finanzdienstleistungen, Produktentwicklung und Gesundheitswesen auszuprobieren.Luft- und Raumfahrtdesign- und Industrieteams verlassen sich auf Prototyping, um neue AM-Methoden in der Branche zu entwickeln.Mithilfe von SLA können sie innerhalb weniger Tage schnell mehrere Versionen ihrer Projekte erstellen und schneller mit dem Testen beginnen.Rapid Prototyping ermöglicht es Designern/Entwicklern, eine genaue Vorstellung davon zu vermitteln, wie das fertige Produkt aussehen wird, bevor sie zu viel Zeit und Geld in den Prototyp stecken.Der Einsatz des 3D-Drucks für Rapid Prototyping ermöglicht den industriellen 3D-Druck.Auf diese Weise könnten Sie innerhalb kurzer Zeit große Formen für Ersatzteile herstellen, die schnell ausgepumpt werden können.

2. Geschichte
In den 1970er Jahren entwickelten Joseph Henry Condon und andere bei Bell Labs das Unix Circuit Design System (UCDS), das die mühsame und fehleranfällige Aufgabe der manuellen Konvertierung von Zeichnungen zur Herstellung von Leiterplatten für Forschungs- und Entwicklungszwecke automatisierte.

In den 1980er Jahren mussten politische Entscheidungsträger und Industriemanager in den USA feststellen, dass Amerikas Dominanz im Bereich der Werkzeugmaschinenherstellung in der sogenannten Werkzeugmaschinenkrise verschwand.Zahlreiche Projekte versuchten, diesen in den USA begonnenen Trends im traditionellen CNC-CAM-Bereich entgegenzuwirken.Als später die Rapid-Prototyping-Systeme ihre Labore verließen, um kommerzialisiert zu werden, erkannte man, dass die Entwicklungen bereits internationaler Natur waren und sich US-amerikanische Rapid-Prototyping-Unternehmen nicht den Luxus leisten konnten, sich einen Vorsprung entgehen zu lassen.Die National Science Foundation war ein Dachverband der National Aeronautics and Space Administration (NASA), des US-Energieministeriums, des US-Handelsministeriums NIST, des US-Verteidigungsministeriums, der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) und des Office of Naval Research koordinierte Studien, um strategische Planer bei ihren Überlegungen zu informieren.Ein solcher Bericht war der Rapid Prototyping in Europe and Japan Panel Report von 1997, in dem Joseph J. Beaman, Gründer der DTM Corporation, eine historische Perspektive bietet:

Die Wurzeln der Rapid-Prototyping-Technologie lassen sich auf Praktiken in der Topographie und Fotoskulptur zurückführen.Im Rahmen der TOPOGRAPHIE schlug Blanther (1892) eine mehrschichtige Methode zur Herstellung einer Form für topografische Karten auf Reliefpapier vor. Der Prozess umfasste das Ausschneiden der Konturlinien auf einer Reihe von Platten, die dann gestapelt wurden.Matsubara (1974) von Mitsubishi schlug einen topografischen Prozess mit einem photohärtenden Photopolymerharz vor, um dünne Schichten zu bilden, die zu einer Gussform gestapelt wurden.FOTOSKULPTUR war eine Technik des 19. Jahrhunderts zur Erstellung exakter dreidimensionaler Nachbildungen von Objekten.Am bekanntesten ist, dass Francois Willeme (1860) 24 Kameras in einer kreisförmigen Anordnung platzierte und gleichzeitig ein Objekt fotografierte.Aus der Silhouette jedes Fotos wurde dann eine Replik geschnitzt.Morioka (1935, 1944) entwickelte eine Mischung aus Fotoskulptur und topografischem Verfahren, bei der strukturiertes Licht verwendet wurde, um Konturlinien eines Objekts fotografisch zu erzeugen.Die Linien könnten dann zu Bögen entwickelt und geschnitten und gestapelt oder zum Schnitzen auf Ausgangsmaterial projiziert werden.Das Munz-Verfahren (1956) reproduzierte ein dreidimensionales Bild eines Objekts, indem es eine Fotoemulsion selektiv und Schicht für Schicht auf einem Absenkkolben belichtete.Nach der Fixierung enthält ein stabiler transparenter Zylinder ein Bild des Objekts.

— Joseph J. Beaman
„Die Ursprünge des Rapid Prototyping – RP hat seinen Ursprung in der ständig wachsenden CAD-Branche, genauer gesagt im Bereich der Volumenmodellierung von CAD.Bevor Ende der 1980er Jahre die Volumenmodellierung eingeführt wurde, wurden dreidimensionale Modelle mit Drahtrahmen und Oberflächen erstellt.Aber erst mit der Entwicklung einer echten Volumenmodellierung konnten innovative Verfahren wie RP entwickelt werden.Charles Hull, der 1986 an der Gründung von 3D Systems beteiligt war, entwickelte den ersten RP-Prozess.Bei diesem als Stereolithographie bezeichneten Verfahren werden Objekte durch das Aushärten dünner aufeinanderfolgender Schichten bestimmter, für ultraviolettes Licht empfindlicher flüssiger Harze mit einem Laser geringer Leistung hergestellt.Mit der Einführung von RP könnten CAD-Volumenmodelle plötzlich zum Leben erweckt werden.“

Die als Solid Freeform Fabrication bezeichneten Technologien sind das, was wir heute als Rapid Prototyping, 3D-Druck oder additive Fertigung kennen: Swainson (1977), Schwerzel (1984) arbeiteten an der Polymerisation eines lichtempfindlichen Polymers am Schnittpunkt zweier computergesteuerter Laserstrahlen.Ciraud (1972) betrachtete die magnetostatische oder elektrostatische Abscheidung mit Elektronenstrahlen, Lasern oder Plasma für gesinterte Oberflächenbeschichtungen.Diese wurden alle vorgeschlagen, es ist jedoch nicht bekannt, ob funktionierende Maschinen gebaut wurden.Hideo Kodama vom Nagoya Municipal Industrial Research Institute war der erste, der einen Bericht über ein Festkörpermodell veröffentlichte, das mit einem Photopolymer-Rapid-Prototyping-System hergestellt wurde (1981).Das allererste 3D-Rapid-Prototyping-System, das auf Fused Deposition Modeling (FDM) basiert, wurde im April 1992 von Stratasys hergestellt, das Patent wurde jedoch erst am 9. Juni 1992 erteilt. Sanders Prototype, Inc. stellte den ersten Desktop-Tintenstrahl-3D-Drucker (3DP) mit einem vor Erfindung vom 4. August 1992 (Helinski), Modelmaker 6Pro Ende 1993 und dann der größere industrielle 3D-Drucker Modelmaker 2 im Jahr 1997. Z-Corp nutzte die 1993 erfundene MIT 3DP-Pulverbindung für Direct Shell Casting (DSP). 1995 auf den Markt gebracht. Schon zu diesem frühen Zeitpunkt wurde davon ausgegangen, dass die Technologie einen festen Platz in der Fertigungspraxis hat.Eine Ausgabe mit niedriger Auflösung und geringer Festigkeit war für die Designüberprüfung, den Formenbau, Produktionsvorrichtungen und andere Bereiche von Nutzen.Die Ausgaben haben sich stetig in Richtung höherspezifizierter Anwendungen weiterentwickelt.Sanders Prototype, Inc. (Solidscape) startete als Hersteller von Rapid Prototyping 3D-Druckern mit dem Modelmaker 6Pro zur Herstellung thermoplastischer Opfermuster von CAD-Modellen, der die Drop-On-Demand (DOD)-Tintenstrahl-Einzeldüsentechnologie nutzt.

Es wird ständig nach Innovationen gesucht, um die Geschwindigkeit und die Fähigkeit zur Bewältigung von Massenproduktionsanwendungen zu verbessern.Eine dramatische Entwicklung, die RP mit verwandten CNC-Bereichen teilt, ist die Freeware-Open-Sourcing von High-Level-Anwendungen, die eine gesamte CAD-CAM-Toolchain bilden.Dadurch ist eine Gemeinschaft von Herstellern von Geräten mit niedriger Auflösung entstanden.Bastler haben sogar Vorstöße in anspruchsvollere Gerätedesigns mit Lasereffekten unternommen

Die früheste 1993 veröffentlichte Liste von RP-Prozessen oder Fertigungstechnologien wurde von Marshall Burns verfasst und erklärt jeden Prozess sehr ausführlich.Außerdem werden einige Technologien genannt, die Vorläufer der Namen in der folgenden Liste waren.Beispiel: Die Visual Impact Corporation produzierte lediglich einen Prototypendrucker für die Wachsabscheidung und lizenzierte das Patent stattdessen an Sanders Prototype, Inc.BPM verwendete die gleichen Tintenstrahldrucker und Materialien.