النماذج الأولية السريعة

آلة النماذج الأولية السريعة باستخدام التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS)

نموذج تقطيع ثلاثي الأبعاد
النماذج الأولية السريعة هي مجموعة من التقنيات المستخدمة لتصنيع نموذج مصغر سريعًا لجزء مادي أو تجميع باستخدام بيانات التصميم بمساعدة الكمبيوتر ثلاثية الأبعاد (CAD).عادةً ما يتم إنشاء الجزء أو التجميع باستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد أو تقنية "تصنيع الطبقة المضافة".

أصبحت الطرق الأولى للنماذج الأولية السريعة متاحة في منتصف الثمانينيات واستخدمت لإنتاج النماذج وأجزاء النماذج الأولية.اليوم ، تُستخدم في مجموعة واسعة من التطبيقات وتُستخدم لتصنيع أجزاء ذات جودة إنتاج بأعداد صغيرة نسبيًا إذا رغبت في ذلك دون اقتصاديات المدى القصير غير المواتية النموذجية.شجع هذا الاقتصاد مكاتب الخدمة عبر الإنترنت.تبدأ المسوحات التاريخية لتقنية RP بمناقشات حول تقنيات إنتاج المحاكاة التي استخدمها نحاتو القرن التاسع عشر.يستخدم بعض النحاتين المعاصرين تقنية النسل لإنتاج المعارض والأشياء المختلفة.أدت القدرة على إعادة إنتاج التصاميم من مجموعة بيانات إلى ظهور مشكلات تتعلق بالحقوق ، حيث أصبح من الممكن الآن استيفاء البيانات الحجمية من الصور أحادية البعد.

كما هو الحال مع طرق الطرح CNC ، يبدأ سير عمل التصميم بمساعدة الكمبيوتر - التصنيع بمساعدة الكمبيوتر CAD -CAM في عملية النماذج الأولية السريعة التقليدية بإنشاء بيانات هندسية ، إما كمواد صلبة ثلاثية الأبعاد باستخدام محطة عمل CAD ، أو شرائح ثنائية الأبعاد باستخدام جهاز المسح.للنماذج الأولية السريعة ، يجب أن تمثل هذه البيانات نموذجًا هندسيًا صالحًا ؛أي ، الشخص الذي تحيط أسطحه الحدية بحجم محدود ، ولا تحتوي على ثقوب تعرض الداخل ، ولا تطوى مرة أخرى على نفسها.بمعنى آخر ، يجب أن يكون للكائن "داخل".يكون النموذج صالحًا إذا كان بإمكان الكمبيوتر لكل نقطة في الفضاء ثلاثي الأبعاد تحديد ما إذا كانت هذه النقطة تقع داخل أو على أو خارج السطح الحدودي للنموذج.ستعمل معالجات CAD اللاحقة على تقريب النماذج الهندسية CAD الداخلية لبائعي التطبيقات (على سبيل المثال ، B-splines) بشكل رياضي مبسط ، والذي يتم التعبير عنه بدوره في تنسيق بيانات محدد وهو ميزة شائعة في التصنيع الإضافي: تنسيق ملف STL ، معيار واقعي لنقل النماذج الهندسية الصلبة إلى آلات SFF.

للحصول على مسارات التحكم في الحركة اللازمة لدفع SFF الفعلي ، أو النماذج الأولية السريعة ، أو الطباعة ثلاثية الأبعاد أو آلية التصنيع المضافة ، يتم عادةً تقطيع النموذج الهندسي المُعد إلى طبقات ، ويتم مسح الشرائح إلى خطوط (إنتاج "رسم ثنائي الأبعاد" يستخدم لإنشاء المسار كما في أدوات CNC) ، محاكياً عكس عملية البناء المادي من طبقة إلى طبقة.

1. مجالات التطبيق
يتم أيضًا تطبيق النماذج الأولية السريعة بشكل شائع في هندسة البرمجيات لتجربة نماذج الأعمال الجديدة وبنى التطبيقات مثل الفضاء ، والسيارات ، والخدمات المالية ، وتطوير المنتجات ، والرعاية الصحية.يعتمد تصميم الفضاء والفرق الصناعية على النماذج الأولية من أجل إنشاء منهجيات جديدة لإدارة المواد في الصناعة.باستخدام اتفاقية مستوى الخدمة ، يمكنهم إنشاء إصدارات متعددة من مشاريعهم بسرعة في غضون أيام قليلة والبدء في الاختبار بشكل أسرع.تتيح النماذج الأولية السريعة للمصممين / المطورين تقديم فكرة دقيقة عن كيفية ظهور المنتج النهائي قبل وضع الكثير من الوقت والمال في النموذج الأولي.تتيح الطباعة ثلاثية الأبعاد المستخدمة في النماذج الأولية السريعة إجراء الطباعة الصناعية ثلاثية الأبعاد.مع هذا ، يمكن أن يكون لديك قوالب كبيرة الحجم لقطع الغيار يتم ضخها بسرعة في غضون فترة زمنية قصيرة.

2. التاريخ
في سبعينيات القرن الماضي ، طور جوزيف هنري كوندون وآخرون في مختبرات بيل نظام تصميم دوائر يونكس (UCDS) ، وأتمتة المهمة الشاقة والمعرضة للخطأ لتحويل الرسومات يدويًا لتصنيع لوحات الدوائر الكهربائية لأغراض البحث والتطوير.

بحلول الثمانينيات من القرن الماضي ، اضطر صناع السياسة الأمريكية والمديرين الصناعيين إلى ملاحظة أن هيمنة أمريكا في مجال تصنيع الأدوات الآلية تبخرت ، فيما سمي بأزمة الأدوات الآلية.سعت العديد من المشاريع لمواجهة هذه الاتجاهات في منطقة CNC CAM التقليدية ، والتي بدأت في الولايات المتحدة.في وقت لاحق ، عندما انتقلت شركة Rapid Prototyping Systems من المختبرات ليتم تسويقها ، تم الاعتراف بأن التطورات كانت دولية بالفعل وأن شركات النماذج الأولية السريعة في الولايات المتحدة لن تتمتع برفاهية ترك الرصاص يفلت من أيدينا.كانت المؤسسة الوطنية للعلوم مظلة للإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء (ناسا) ، ووزارة الطاقة الأمريكية ، ووزارة التجارة الأمريكية NIST ، ووزارة الدفاع الأمريكية ، ووكالة مشاريع البحوث الدفاعية المتقدمة (DARPA) ، ومكتب قامت Naval Research بتنسيق الدراسات لإعلام المخططين الاستراتيجيين في مداولاتهم.كان أحد هذه التقارير هو تقرير لوحة النماذج الأولية السريعة في أوروبا واليابان لعام 1997 الذي قدم فيه جوزيف جيه بيمان ، مؤسس شركة DTM Corporation ، منظورًا تاريخيًا:

يمكن إرجاع جذور تقنية النماذج الأولية السريعة إلى الممارسات في التضاريس والنحت الضوئي.ضمن TOPOGRAPHY Blanther (1892) اقترح طريقة متعددة الطبقات لعمل قالب للخرائط الطبوغرافية للورق البارز البارز. تضمنت العملية قطع الخطوط الكنتورية على سلسلة من الألواح التي تم تكديسها بعد ذلك.اقترح ماتسوبارا (1974) لشركة Mitsubishi عملية طبوغرافية باستخدام راتينج بوليمر ضوئي مقوى للصور لتكوين طبقات رقيقة مكدسة لصنع قالب صب.كانت تقنية PHOTOSCULPTURE تقنية تعود إلى القرن التاسع عشر لإنشاء نسخ طبق الأصل دقيقة ثلاثية الأبعاد للكائنات.وضع فرانسوا ويليام (1860) الأكثر شهرة 24 كاميرا في مصفوفة دائرية وصوّر شيئًا في نفس الوقت.ثم تم استخدام الصورة الظلية لكل صورة لنحت نسخة طبق الأصل.طور موريوكا (1935 ، 1944) منحوتة هجينة للصور وعملية طبوغرافية باستخدام الضوء المنظم لإنشاء خطوط كفافية لكائن ما.يمكن بعد ذلك تطوير الخطوط إلى صفائح وتقطيعها وتكديسها ، أو إسقاطها على مواد المخزون للنحت.أعادت عملية مونز (1956) إنتاج صورة ثلاثية الأبعاد لكائن عن طريق التعريض الانتقائي ، طبقة تلو طبقة ، مستحلب ضوئي على مكبس منخفض.بعد التثبيت ، تحتوي الأسطوانة الشفافة الصلبة على صورة للكائن.

- جوزيف ج. بيمان
"أصول النماذج الأولية السريعة - تنبع RP من صناعة CAD المتنامية باستمرار ، وبشكل أكثر تحديدًا ، جانب النمذجة الصلبة لـ CAD.قبل تقديم النمذجة الصلبة في أواخر الثمانينيات ، تم إنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد بإطارات سلكية وأسطح.ولكن ليس حتى يتم تطوير نماذج صلبة حقيقية يمكن تطوير عمليات مبتكرة مثل RP.قام Charles Hull ، الذي ساعد في تأسيس 3D Systems في عام 1986 ، بتطوير أول عملية RP.هذه العملية ، التي تسمى الطباعة الحجرية المجسمة ، تبني الأجسام عن طريق معالجة طبقات رقيقة متتالية من راتنجات سائلة معينة حساسة للضوء فوق البنفسجي باستخدام ليزر منخفض الطاقة.مع إدخال RP ، يمكن أن تظهر نماذج CAD الصلبة فجأة في الحياة ".

التقنيات المشار إليها باسم Solid Freeform Fabrication هي ما نعترف به اليوم كنماذج أولية سريعة أو طباعة ثلاثية الأبعاد أو تصنيع مضاف: سوينسون (1977) ، شويرزل (1984) عملت على بلمرة بوليمر حساس للضوء عند تقاطع حزمتين من أشعة الليزر التي يتم التحكم فيها بواسطة الكمبيوتر.يعتبر Ciraud (1972) ترسيبًا مغناطيسيًا أو إلكتروستاتيكيًا باستخدام شعاع الإلكترون أو الليزر أو البلازما لتكسية السطح الملبد.تم اقتراح كل هذه الأشياء ولكن من غير المعروف ما إذا تم بناء آلات عاملة.كان هيديو كوداما من معهد البحوث الصناعية ببلدية ناغويا أول من نشر حسابًا لنموذج صلب ملفَّق باستخدام نظام النماذج الأولية السريع للبوليمر الضوئي (1981).تم تصنيع أول نظام للنماذج الأولية السريعة ثلاثية الأبعاد يعتمد على نمذجة الترسيب المنصهر (FDM) في أبريل 1992 بواسطة Stratasys ولكن براءة الاختراع لم تصدر حتى 9 يونيو 1992. قدمت Sanders Prototype، Inc أول طابعة ثلاثية الأبعاد لسطح المكتب (3DP) باستخدام اختراع من 4،1992 أغسطس (Helinski) ، Modelmaker 6Pro في أواخر عام 1993 ثم الطابعة ثلاثية الأبعاد الصناعية الأكبر ، Modelmaker 2 ، في عام 1997. تم تقديم Z-Corp باستخدام MIT 3DP مسحوق ملزمة لـ Direct Shell Casting (DSP) الذي تم اختراعه عام 1993 إلى السوق في عام 1995. حتى في ذلك التاريخ المبكر ، كان يُنظر إلى التكنولوجيا على أنها مكان في ممارسات التصنيع.الدقة المنخفضة ، والإخراج المنخفض القوة كان له قيمة في التحقق من التصميم ، وصنع القوالب ، وأجهزة الإنتاج وغيرها من المجالات.تقدمت النواتج بشكل مطرد نحو استخدامات ذات مواصفات أعلى.بدأت شركة Sanders Prototype، Inc. (Solidscape) كشركة مصنعة للطباعة ثلاثية الأبعاد السريعة للنماذج الأولية مع Modelmaker 6Pro لصنع أنماط تيك Thermoplas القربانية لنماذج CAD تستخدم تقنية فوهة نفث الحبر أحادية الطلب (DOD).

يتم البحث عن الابتكارات باستمرار لتحسين السرعة والقدرة على التعامل مع تطبيقات الإنتاج الضخم.التطور الهائل الذي تشاركه RP مع مجالات CNC ذات الصلة هو المصدر المفتوح المجاني للتطبيقات عالية المستوى التي تشكل سلسلة أدوات CAD-CAM كاملة.وقد أدى ذلك إلى إنشاء مجتمع من مصنعي الأجهزة منخفضة الدقة.حتى أن الهواة قاموا بغزوات في تصميمات أكثر تطلبًا للأجهزة المتأثرة بالليزر

قام مارشال بيرنز بكتابة القائمة الأولى لعمليات RP أو تقنيات التصنيع التي تم نشرها في عام 1993 وشرح كل عملية بدقة شديدة.كما يسمي بعض التقنيات التي كانت سلائف للأسماء الواردة في القائمة أدناه.على سبيل المثال: أنتجت شركة Visual Impact Corporation فقط نموذجًا أوليًا للطابعة لترسيب الشمع ثم رخصت براءة الاختراع لشركة Sanders Prototype، Inc بدلاً من ذلك.استخدمت BPM نفس طابعات الحبر والمواد.