Rapid prototyping

Rapid prototyping is een verzamelbegrip voor het snel (Engels: rapid) vervaardigen van fysieke prototypen. Rapid prototyping gaat uit van virtuele computer informatie, verkregen via het CAD proces, die vertaald wordt in een fysiek product. Deze vertaling vindt op verschillende manieren plaats. Afhankelijk van de soort vertaling is de volgende onderverdeling mogelijk:

• Stereolithografie (SLA of STL): gebruikt een laser om vloeistoffen te (additief) polymeriseren.
• Fused deposition modeling (FDM): het laagsgewijs, met kunststof komende uit een spuitmond, opbouwen van het fysieke model.
• Laminated object modeling (LOM): van het virtuele model worden fysieke doorsneden van papier of kunststof gemaakt. Deze worden vervolgens aan elkaar gelijmd. Het eindproduct lijkt op hout.
• Selective laser sintering (SLS) of laser engineered net shaping: een laser smelt, op basis van de doorsnede van het virtuele model, metaal poeder. Zo wordt laag voor laag het gehele model opgebouwd.
• 3D printing: een printer brengt laag voor laag het materiaal aan. Dit kan met filament of poeder.
• Frezen: uit massief materiaal wordt het model gefreesd.

De eerste rapid-prototyping-technieken werden, met de komst van krachtige computers, algemeen in 1980 ingevoerd. Werd vroeger het gebruik van rapid -prototyping alleen toegepast voor de vervaardiging van het eerste model, nu worden met het rapid-prototyping-proces ook kleine series vervaardigd. 3D-printen is ontstaan op het MIT in 1983.

CAD/CAM
Van ontwerp tot produkt

Het rapid-prototyping-proces maakt deel uit van het CAD-CAM-proces. In het CAD-proces wordt een virtueel model (1), door het te ontwerpen of het te reverse-engineeren (terug ontwerpen), gemaakt. Met het CAM-proces wordt een doorsnede (2) van het virtueel model gelezen. Met een laser (5), gestuurd met een prisma, wordt de vloeistof (3) belicht. Hierdoor polymeriseert (wordt massief) de vloeistof. Door de tafel (4), in de vloeistof, te laten zakken en door een andere doorsnede van het virtuele model te nemen wordt stap voor stap het model opgebouwd.

Als je een eigen ontwerp wilt (laten) 3D printen, zul je eerst een digitaal 3D ontwerp moeten hebben. Als je zelf aan de slag wilt met 3D modellen kun je gratis gebruik maken van eenvoudige software die je op weg helpen. Hiervoor zijn verschillende pakketen gratis te downloaden. Sommige zijn bijzonder intuiatief, andere hebben een steile leercurve maar je kan er ook meer mee.

Enkele gratis 3D-tekenpakketten zijn b.v. Blender, 3DPaint en SketchUp.

Fused deposition modeling

Het te printen materiaal (meestal een kunststof) wordt gesmolten en door middel van een spuitmond-extruder (1) op een platform (3) aangebracht. Door de extruder en/of het platform gericht te bewegen wordt de gewenste vorm (2), laag voor laag, opgebracht. Doordat de vloeibare materiaal na het aanbrengen van iedere laag stolt, kan zo de gewenste vorm opgebouwd worden. Om eventuele ondersteuning aan te kunnen brengen wordt er bij sommige professionelere 3D printers gewerkt met een tweede spuitmond-extruder. Het ondersteuningsmateriaal is echter een ander materiaal dat wel plakt maar niet hecht aan het product. Deze techniek geeft een nauwkeuriger resultaat dan weg te breken/knippen ondersteuning.

De onderlinge laagdikte is afhankelijk van de toepassing en bedraagt 0,025 tot 1,25 mm. De minimale wanddikte is 0,2 mm.

De uitgangsbasis voor het FDM-proces is het STL-bestand. Dit 3D-model wordt met behulp van software vertaald in sturingcommando's (Gcode) voor de machine. Het voordeel van het FDM-proces voor het maken van een prototype, is dat het gebruikmaakt van dezelfde thermoplasten die later ook toegepast worden in een serieproductie. Hierdoor heeft het prototype dezelfde fysische eigenschappen als het uiteindelijke serieproduct.

Slicen

Het gehele proces (plaatjes verdelen in kleine stukken en de plaatjes te positioneren) heet slicing.
Een slicer is de tool die je nodig hebt om een digitaal 3D-model in instructies om te zetten voor uw 3D-printer. Het snijdt het model in horizontale plakjes (lagen), en genereert toolpaths om ze te vullen en berekent de hoeveelheid materiaal te extruderen. Wanneer het model geslicet is, oftewel verdeeld in lagen, kan deze gebruikt worden om de Gcode te genereren.

Software : Slic3R, Cura, Repetier Host, RelicatorG, Makerware

STL-format

De algemene standaard - taal - voor 3D-printers is STL. Dit bestandsformat is afkomstig uit de stereolithografie, de oudste rapid prototyping methode. Een STL-file beschrijft het 3D-oppervlak in driehoeken, zoals de facetten bij edelstenen. Een STL-bestand geeft altijd een benadering van de werkelijkheid. Een boog zal nooit mooi rond zijn, maar hoekig. Hoe meer driehoeken de boog beschrijven hoe ronder de boog (en groter het bestand). Voor de meeste toepassingen is een grote nauwkeurigheid (gelukkig) niet nodig. Elke driehoek wordt beschreven door een loodrechte richting en drie punten die de hoeken van de driehoek vormen. Met deze gegevens en een 'slice'-algoritme is een 3D-object te printen met een 3D-printer.

Filament

Filamenten zijn de 'inkt' van een 3D-printer en zijn meestal gemaakt van thermoplastic. Binnen het filament thermoplastic zitten nog verschillende gradaties, maar de voornaamste zijn ABS, PLA, TPE, Nylon, FLA en HIPS.
ABS, PLA zijn twee typen filament die veel op elkaar lijken maar ook een aantal kleine verschillen hebben. Zo wordt PLA meer gebruikt door de expert of door iemand die een nauwkeurige print wil hebben. ABS wordt daarentegen meer gebruikt door mensen die een hoge tijd/volume willen draaien. TPE is flexibel rubber, FLA en HIPS zijn wateroplosbaar.

Organisch of elektro-dynamisch, op allerhande gebieden ontwikkelen zich nieuwe printbare materialen. Van organisch afbreekbaar materiaal tot elektro-functioneel.
Op de foto links een 3D-print PCB.