Prototypage rapide

Une machine de prototypage rapide par frittage laser sélectif (SLS)

découpe de modèle 3D
Le prototypage rapide est un groupe de techniques utilisées pour fabriquer rapidement un modèle à l'échelle d'une pièce ou d'un assemblage physique à l'aide de données tridimensionnelles de conception assistée par ordinateur (CAO).La construction de la pièce ou de l'assemblage se fait généralement à l'aide de l'impression 3D ou de la technologie de « fabrication par couches additives ».

Les premières méthodes de prototypage rapide sont apparues au milieu des années 1980 et ont été utilisées pour produire des modèles et des pièces prototypes.Aujourd'hui, ils sont utilisés pour une large gamme d'applications et sont utilisés pour fabriquer des pièces de qualité de production en nombre relativement petit si on le souhaite sans les conditions économiques défavorables typiques à court terme.Cette économie a encouragé les bureaux de services en ligne.Les enquêtes historiques sur la technologie RP commencent par des discussions sur les techniques de production de simulacres utilisées par les sculpteurs du XIXe siècle.Certains sculpteurs modernes utilisent la technologie de la progéniture pour produire des expositions et divers objets.La possibilité de reproduire des conceptions à partir d'un ensemble de données a donné lieu à des problèmes de droits, car il est désormais possible d'interpoler des données volumétriques à partir d'images unidimensionnelles.

Comme pour les méthodes soustractives CNC, le flux de travail CAO-FAO de conception assistée par ordinateur - fabrication assistée par ordinateur dans le processus de prototypage rapide traditionnel commence par la création de données géométriques, soit sous forme de solide 3D à l'aide d'un poste de travail CAO, soit de tranches 2D à l'aide d'un appareil de numérisation.Pour un prototypage rapide, ces données doivent représenter un modèle géométrique valide ;à savoir, celui dont les surfaces limites renferment un volume fini, ne contiennent aucun trou exposant l'intérieur et ne se replient pas sur elles-mêmes.En d'autres termes, l'objet doit avoir un « intérieur ».Le modèle est valide si, pour chaque point de l'espace 3D, l'ordinateur peut déterminer de manière unique si ce point se trouve à l'intérieur, sur ou à l'extérieur de la surface limite du modèle.Les post-processeurs CAO rapprocheront les formes géométriques CAO internes des fournisseurs d'applications (par exemple, les splines B) avec une forme mathématique simplifiée, qui à son tour est exprimée dans un format de données spécifié qui est une caractéristique courante de la fabrication additive : format de fichier STL, une norme de facto pour le transfert de modèles géométriques solides vers des machines SFF.

Pour obtenir les trajectoires de contrôle de mouvement nécessaires pour piloter le SFF réel, le prototypage rapide, l'impression 3D ou le mécanisme de fabrication additive, le modèle géométrique préparé est généralement découpé en couches, et les tranches sont numérisées en lignes (produisant un "dessin 2D" utilisé pour générer trajectoire comme dans le parcours d'outil de la CNC), imitant à l'envers le processus de construction physique couche à couche.

1. Domaines d'application
Le prototypage rapide est également couramment appliqué dans le génie logiciel pour tester de nouveaux modèles commerciaux et architectures d'applications tels que l'aérospatiale, l'automobile, les services financiers, le développement de produits et la santé.Les équipes de conception aérospatiale et industrielles s'appuient sur le prototypage afin de créer de nouvelles méthodologies de FA dans l'industrie.En utilisant SLA, ils peuvent créer rapidement plusieurs versions de leurs projets en quelques jours et commencer les tests plus rapidement.Le prototypage rapide permet aux concepteurs/développeurs de fournir une idée précise de la façon dont le produit fini se révélera avant de consacrer trop de temps et d'argent au prototype.L'impression 3D utilisée pour le prototypage rapide permet l'impression 3D industrielle.Avec cela, vous pourriez avoir des moules à grande échelle pour les pièces de rechange pompées rapidement en peu de temps.

2. Histoire
Dans les années 1970, Joseph Henry Condon et d'autres chez Bell Labs ont développé le système de conception de circuits Unix (UCDS), automatisant la tâche laborieuse et sujette aux erreurs de conversion manuelle des dessins pour fabriquer des circuits imprimés à des fins de recherche et de développement.

Dans les années 1980, les décideurs politiques et les responsables industriels américains ont été contraints de constater que la domination américaine dans le domaine de la fabrication de machines-outils s'était évaporée, dans ce qu'on a appelé la crise des machines-outils.De nombreux projets ont cherché à contrer ces tendances dans le domaine traditionnel de la CNC CAM, qui avaient commencé aux États-Unis.Plus tard, lorsque les systèmes de prototypage rapide ont quitté les laboratoires pour être commercialisés, il a été reconnu que les développements étaient déjà internationaux et que les entreprises américaines de prototypage rapide n'auraient pas le luxe de laisser filer une piste.La National Science Foundation chapeautait la National Aeronautics and Space Administration (NASA), le US Department of Energy, le US Department of Commerce NIST, le US Department of Defense, la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) et le Bureau of Naval Research a coordonné des études pour informer les planificateurs stratégiques dans leurs délibérations.L'un de ces rapports était le rapport du panel sur le prototypage rapide en Europe et au Japon de 1997 dans lequel Joseph J. Beaman, fondateur de DTM Corporation, fournit une perspective historique :

Les racines de la technologie de prototypage rapide remontent aux pratiques de topographie et de photosculpture.Dans TOPOGRAPHIE, Blanther (1892) a suggéré une méthode en couches pour fabriquer un moule pour des cartes topographiques en relief sur papier. Le processus impliquait de couper les lignes de contour sur une série de plaques qui étaient ensuite empilées.Matsubara (1974) de Mitsubishi a proposé un procédé topographique avec une résine photopolymère photo-durcissante pour former des couches minces empilées pour fabriquer un moule de coulée.La PHOTOSCULPTURE était une technique du XIXe siècle pour créer des répliques exactes en trois dimensions d'objets.Le plus célèbre François Willeme (1860) a placé 24 caméras dans un réseau circulaire et a simultanément photographié un objet.La silhouette de chaque photographie a ensuite été utilisée pour sculpter une réplique.Morioka (1935, 1944) a développé une sculpture photo hybride et un processus topographique utilisant la lumière structurée pour créer photographiquement les lignes de contour d'un objet.Les lignes pourraient ensuite être développées en feuilles et coupées et empilées, ou projetées sur un matériau de base pour la sculpture.Le procédé de Munz (1956) reproduisait une image tridimensionnelle d'un objet en exposant sélectivement, couche par couche, une photoémulsion sur un piston descendant.Après fixation, un cylindre transparent solide contient une image de l'objet.

—Joseph J. Beaman
"Les origines du prototypage rapide - RP découle de l'industrie de la CAO en constante croissance, plus précisément du côté de la modélisation solide de la CAO.Avant l'introduction de la modélisation solide à la fin des années 1980, des modèles tridimensionnels ont été créés avec des structures filaires et des surfaces.Mais il faudra attendre le développement d'une véritable modélisation solide pour pouvoir développer des procédés innovants tels que la RP.Charles Hull, qui a aidé à fonder 3D Systems en 1986, a développé le premier processus RP.Ce processus, appelé stéréolithographie, construit des objets en durcissant de fines couches consécutives de certaines résines liquides sensibles à la lumière ultraviolette avec un laser de faible puissance.Avec l'introduction de RP, les modèles solides CAO pourraient soudainement prendre vie ».

Les technologies appelées Solid Freeform Fabrication sont ce que l'on appelle aujourd'hui le prototypage rapide, l'impression 3D ou la fabrication additive : Swainson (1977), Schwerzel (1984) ont travaillé sur la polymérisation d'un polymère photosensible à l'intersection de deux faisceaux laser contrôlés par ordinateur.Ciraud (1972) a envisagé le dépôt magnétostatique ou électrostatique par faisceau d'électrons, laser ou plasma pour le revêtement de surface frittée.Celles-ci ont toutes été proposées, mais on ne sait pas si des machines fonctionnelles ont été construites.Hideo Kodama de l'Institut municipal de recherche industrielle de Nagoya a été le premier à publier un compte rendu d'un modèle solide fabriqué à l'aide d'un système de prototypage rapide de photopolymères (1981).Le tout premier système de prototypage rapide 3D reposant sur la modélisation par dépôt de fil fondu (FDM) a été fabriqué en avril 1992 par Stratasys, mais le brevet n'a été délivré que le 9 juin 1992. Sanders Prototype, Inc a présenté la première imprimante 3D à jet d'encre (3DP) de bureau utilisant un invention du 4 août 1992 (Helinski), Modelmaker 6Pro à la fin de 1993, puis la plus grande imprimante 3D industrielle, Modelmaker 2, en 1997. Z-Corp utilisant la liaison en poudre MIT 3DP pour Direct Shell Casting (DSP) inventé en 1993 a été introduit pour le marché en 1995. Même à cette date précoce, la technologie était considérée comme ayant sa place dans les pratiques de fabrication.Une sortie à faible résolution et à faible résistance avait de la valeur dans la vérification de la conception, la fabrication de moules, les gabarits de production et d'autres domaines.Les extrants ont régulièrement progressé vers des utilisations de spécifications plus élevées.Sanders Prototype, Inc. (Solidscape) a commencé comme fabricant d'impression 3D de prototypage rapide avec le Modelmaker 6Pro pour la création de modèles thermoplastiques sacrificiels de modèles CAO utilisant la technologie de buse unique à jet d'encre Drop-On-Demand (DOD).

Des innovations sont constamment recherchées, pour améliorer la vitesse et la capacité à faire face aux applications de production de masse.Un développement spectaculaire que RP partage avec les domaines CNC connexes est l'open-sourcing gratuit d'applications de haut niveau qui constituent une chaîne d'outils CAD-CAM complète.Cela a créé une communauté de fabricants d'appareils basse résolution.Les amateurs ont même fait des incursions dans des conceptions d'appareils à effet laser plus exigeantes

La première liste de processus RP ou de technologies de fabrication publiée en 1993 a été rédigée par Marshall Burns et explique chaque processus de manière très approfondie.Il nomme également certaines technologies qui étaient des précurseurs des noms de la liste ci-dessous.Par exemple : Visual Impact Corporation n'a produit qu'un prototype d'imprimante pour le dépôt de cire, puis a concédé le brevet à Sanders Prototype, Inc à la place.BPM a utilisé les mêmes jets d'encre et matériaux.