ラピッドプロトタイピング

選択的レーザー焼結（SLS）を使用したラピッドプロトタイピングマシン

3Dモデルのスライス
ラピッド プロトタイピングは、3 次元のコンピュータ支援設計 (CAD) データを使用して物理部品またはアセンブリのスケール モデルを迅速に作成するために使用される一連の技術です。部品やアセンブリの構築は通常、3D プリンティングまたは「積層造形」テクノロジーを使用して行われます。

ラピッド プロトタイピングの最初の方法は 1980 年代半ばに利用可能になり、モデルやプロトタイプ部品の製造に使用されました。現在、これらは幅広い用途に使用されており、必要に応じて、典型的な短期の不利な経済性を回避しながら、比較的少数の量産品質の部品を製造するために使用されています。この経済状況により、オンライン サービス ビューローが奨励されています。RP テクノロジーの歴史的調査は、19 世紀の彫刻家によって使用されたシミュラクラ制作技法の議論から始まります。現代の彫刻家の中には、子孫テクノロジーを使用して展示会やさまざまなオブジェクトを制作している人もいます。1 次元画像から体積データを補間できるようになったことで、データセットからデザインを再現できるようになり、権利の問題が生じています。

CNC サブトラクティブ手法と同様、従来のラピッド プロトタイピング プロセスにおけるコンピュータ支援設計 – コンピュータ支援製造 CAD -CAM ワークフローは、CAD ワークステーションを使用した 3D ソリッド、またはスキャン装置。ラピッド プロトタイピングの場合、このデータは有効な幾何学的モデルを表す必要があります。つまり、境界面が有限の体積を取り囲み、内部を露出する穴がなく、折り返されないものです。つまり、物体には「内部」がなければなりません。3D 空間内の各点について、その点がモデルの境界面の内側、上、または外側にあるかどうかをコンピュータが一意に判断できる場合、モデルは有効です。CAD ポストプロセッサは、アプリケーション ベンダーの内部 CAD 幾何学的形状 (B スプラインなど) を簡略化された数学的形式で近似します。これは、積層造形で一般的な機能である指定されたデータ形式 (STL ファイル形式) で表現されます。ソリッド幾何学モデルを SFF マシンに転送するための事実上の標準です。

実際の SFF、ラピッド プロトタイピング、3D プリンティング、または積層造形メカニズムを駆動するために必要なモーション コントロールの軌道を取得するには、通常、準備された幾何学的モデルを複数の層にスライスし、そのスライスをスキャンしてラインを作成します (生成に使用される「2D 図面」を作成します)。 CNC のツールパスのような軌道)、層から層への物理的な構築プロセスを逆に模倣します。

1. 応用分野
ラピッド プロトタイピングは、航空宇宙、自動車、金融サービス、製品開発、ヘルスケアなどの新しいビジネス モデルやアプリケーション アーキテクチャを試すために、ソフトウェア エンジニアリングでも一般的に適用されます。航空宇宙設計および産業チームは、業界で新しい AM 手法を作成するためにプロトタイピングに依存しています。SLA を使用すると、プロジェクトの複数のバージョンを数日で迅速に作成し、テストをより迅速に開始できます。ラピッド プロトタイピングを使用すると、デザイナー/開発者は、プロトタイプに多大な時間と費用をかける前に、最終製品がどのようになるかについての正確なアイデアを提供できます。ラピッド プロトタイピングに 3D プリントを使用すると、産業用 3D プリントが可能になります。これにより、大規模な金型からスペアパーツまでを短時間で迅速に汲み出すことができます。

2. 歴史
1970 年代に、ベル研究所のジョセフ ヘンリー コンドンらは Unix 回路設計システム (UCDS) を開発しました。これは、研究開発の目的で回路基板を製造するために図面を手動で変換するという、面倒でエラーが発生しやすい作業を自動化します。

1980年代までに、米国の政策立案者や産業管理者は、工作機械危機と呼ばれる事態により、工作機械製造分野における米国の優位性が蒸発したことに留意せざるを得なくなった。米国で始まった従来の CNC CAM 分野におけるこうした傾向に対抗しようとする多くのプロジェクトが行われました。その後、ラピッド プロトタイピング システムズが製品化のために研究室から移動したとき、開発はすでに国際的なものであり、米国のラピッド プロトタイピング会社にはリードを逃す余裕はないことが認識されました。国立科学財団は、アメリカ航空宇宙局 (NASA)、米国エネルギー省、米国商務省 NIST、米国国防総省、国防高等研究計画局 (DARPA)、および米国政府の傘下組織でした。海軍研究は、戦略立案者が検討する際に情報を提供するために研究を調整しました。そのような報告書の 1 つは、1997 年のヨーロッパと日本のラピッド プロトタイピング パネル報告書であり、DTM コーポレーションの創設者ジョセフ J. ビーマンが歴史的観点を提供しています。

ラピッドプロトタイピング技術のルーツは、地形学と写真彫刻の実践に遡ることができます。TOPOGRAPHY の中で、Blanther (1892) は、凸版紙の地形図用の型を作成するための積層法を提案しました。このプロセスには、次に積み重ねられた一連のプレートの等高線を切断することが含まれていました。三菱の松原（１９７４）は、光硬化型フォトポリマー樹脂を用いて薄層を積層して鋳型を作製するトポグラフィープロセスを提案した。写真彫刻は、オブジェクトの正確な 3 次元レプリカを作成するための 19 世紀の技術です。最も有名なのは、フランソワ ヴィレム (1860 年) が 24 台のカメラを円形アレイに配置し、同時に物体を撮影したことです。それぞれの写真のシルエットを使用してレプリカが彫刻されました。森岡 (1935、1944) は、構造化光を使用して物体の輪郭線を写真的に作成するハイブリッド写真彫刻と地形プロセスを開発しました。その後、線をシートに展開して切断して積み重ねたり、彫刻用に素材に投影したりすることができます。Munz (1956) プロセスは、下降ピストン上の写真乳剤を層ごとに選択的に露光することによって、物体の 3 次元画像を再現しました。固定後、固体の透明なシリンダーにオブジェクトの画像が含まれます。

— ジョセフ・J・ビーマン
「ラピッド プロトタイピングの起源 – RP は、成長を続ける CAD 業界、より具体的には CAD のソリッド モデリング側に由来します。1980 年代後半にソリッド モデリングが導入される前は、ワイヤー フレームとサーフェスを使用して 3 次元モデルが作成されていました。しかし、真のソリッド モデリングが開発されるまでは、RP などの革新的なプロセスは開発されません。1986 年の 3D Systems の設立に貢献した Charles Hull は、最初の RP プロセスを開発しました。ステレオリソグラフィーと呼ばれるこのプロセスでは、特定の紫外線感光性液体樹脂の薄い連続層を低出力レーザーで硬化させてオブジェクトを構築します。RP の導入により、CAD ソリッド モデルが突然実現する可能性があります。」

ソリッド フリーフォーム ファブリケーションと呼ばれる技術は、今日私たちがラピッド プロトタイピング、3D プリンティング、または積層造形として認識しているものです。Swainson (1977) と Schwerzel (1984) は、コンピューター制御された 2 つのレーザー ビームの交差点での感光性ポリマーの重合に取り組みました。Ciraud (1972) は、焼結表面クラッドの電子ビーム、レーザー、またはプラズマによる静磁または静電堆積を検討しました。これらはすべて提案されましたが、実用的な機械が構築されたかどうかは不明です。名古屋市産業技術研究所の児玉英夫氏は、フォトポリマーラピッドプロトタイピングシステムを使用して製造された固体モデルの説明を初めて発表しました (1981 年)。溶融堆積モデリング (FDM) に基づく最初の 3D ラピッド プロトタイピング システムは、1992 年 4 月に Stratasys によって作成されましたが、特許は 1992 年 6 月 9 日まで発行されませんでした。 Sanders Prototype, Inc は、 1992 年 8 月 4 日に発明され (Helinski)、1993 年後半に Modelmaker 6Pro、そして 1997 年に大型の産業用 3D プリンタである Modelmaker 2 が発明されました。1993 年に発明されたダイレクト シェル キャスティング (DSP) 用の MIT 3DP パウダー バインディングを使用する Z-Corp は、 1995 年に市場に投入されました。その初期の段階でも、この技術は製造現場での役割を果たしていると見なされていました。低解像度、低強度の出力は、設計検証、金型製作、生産治具などの分野で価値がありました。出力はより高スペックな用途に向けて着実に進歩しています。Sanders Prototype, Inc. (Solidscape) は、ドロップ オン デマンド (DOD) インクジェット シングル ノズル テクノロジを使用して、CAD モデルの犠牲熱可塑性パターンを作成するための Modelmaker 6Pro を備えたラピッド プロトタイピング 3D プリンティング メーカーとしてスタートしました。

速度と量産アプリケーションに対応する能力を向上させるために、イノベーションが常に模索されています。RP が関連 CNC 分野と共有する劇的な発展は、CAD-CAM ツールチェーン全体を構成する高レベル アプリケーションのフリーウェア オープンソース化です。これにより、低解像度デバイス メーカーのコミュニティが形成されました。愛好家は、より要求の厳しいレーザー効果デバイスの設計にも進出しています。

1993 年に発行された RP プロセスまたは製造テクノロジーの最初のリストは Marshall Burns によって書かれたもので、各プロセスが非常に徹底的に説明されています。また、以下のリストの名前の前身となったいくつかのテクノロジーの名前も示しています。例: Visual Impact Corporation はワックス蒸着用のプロトタイプ プリンタのみを製造し、代わりにその特許を Sanders Prototype, Inc にライセンスしました。BPM では同じインクジェットと材料を使用しました。