النماذج الأولية السريعة هي مجموعة من التقنيات المستخدمة لتصنيع نموذج مقياس لجزء أو تجميع طبيعي بسرعة باستخدام بيانات التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD) ثلاثية الأبعاد. عادة ما يتم بناء الجزء أو التجميع باستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد أو تقنية “تصنيع طبقة مضافة”.

أصبحت الطرق الأولى للنماذج الأولية السريعة متاحة في أواخر الثمانينات ، واستخدمت لإنتاج نماذج وأجزاء نموذجية. اليوم ، يتم استخدامها لمجموعة واسعة من التطبيقات ويتم استخدامها لتصنيع أجزاء جودة الإنتاج بأعداد صغيرة نسبيا إذا رغبت في ذلك دون الاقتصاد غير المواتية نموذجي المدى القصير. وقد شجع هذا الاقتصاد مكاتب الخدمات عبر الإنترنت. تبدأ المسوحات التاريخية لتكنولوجيا RP بمناقشات حول تقنيات إنتاج simulacra المستخدمة من قبل النحاتين في القرن التاسع عشر. بعض النحاتين الحديثين يستخدمون تقنية النسل لإنتاج المعارض.لقد أدت القدرة على إعادة إنتاج التصاميم من مجموعة بيانات إلى طرح قضايا حقوق ، حيث أصبح من الممكن الآن تقريب البيانات الحجمية من الصور أحادية البعد.

كما هو الحال مع أساليب التصنيع باستخدام الحاسب الآلي ، فإن التصميم بمساعدة الكمبيوتر – عملية التصنيع CAD -CAM بمساعدة الكمبيوتر – في عملية النماذج الأولية السريعة تبدأ بإنشاء بيانات هندسية ، إما كصلب ثلاثي الأبعاد باستخدام محطة عمل CAD ، أو شرائح ثنائية الأبعاد باستخدام جهاز المسح الضوئي. للنماذج الأولية السريعة ، يجب أن تمثل هذه البيانات نموذجًا هندسيًا صالحًا ؛ أي ، التي تحتوي أسطحها على حدود محدودة ، لا تحتوي على ثقوب تعريض الداخل ، ولا تتراجع عن نفسها. بمعنى آخر ، يجب أن يكون الكائن “داخل”. يكون النموذج صالحًا إذا كان بإمكان كل نقطة في الفضاء الثلاثي الأبعاد أن تحدد بشكل فريد ما إذا كانت تلك النقطة تقع داخل أو خارج أو خارج السطح الحدودي للنموذج. سوف تقوم معالجات CAD الإضافية بتقريب الأشكال الهندسية الداخلية CAD لبائعي التطبيقات (على سبيل المثال ، B-splines) مع صيغة رياضية مبسطة ، والتي يتم التعبير عنها بدورها بتنسيق بيانات محدد وهي ميزة شائعة في التصنيع الإضافي: STL (ستريوليثوغرافي) معيارًا فعليًا لنقل النماذج الهندسية الصلبة إلى ماكينات SFF. للحصول على مسارات التحكم بالحركة اللازمة لدفع SFF الفعلي ، والنماذج الأولية السريعة ، والطباعة ثلاثية الأبعاد أو آلية التصنيع المضافة ، يتم عادةً تقسيم النموذج الهندسي المُعد إلى طبقات ، ويتم مسح الشرائح إلى خطوط (إنتاج “رسم ثنائي الأبعاد” يستخدم لتوليد مسار كما في أداة التحكم في الحاسب الآلي (CNC)) ، ومحاكاة عكس عملية البناء المادية من طبقة إلى طبقة.

نظرة عامة:
النمذجة السريعة هي عملية تستخدم لصنع المواد البلاستيكية ، المعادن أو السيراميك. يعرف أيضًا باسمه الإنجليزي باسم “التكنولوجيا المضافة” ، نظرًا لأن عملية التصنيع الخاصة به تكمن في إضافة طبقة من المواد حسب الطبقة. في بعض الحالات مع الخصائص الفيزيائية التي تشبه ما يمكن إنتاجه بالطرق التقليدية ، مثل القولبة بالحقن والقذف ، أو صب النفخ ، بهذه الطريقة تتجنب صنع القوالب الغالية لتصنيع نموذج أولي يمكن أن يغير شكله. في البداية ، استخدم النموذج الأولي السريع لتصنيع النماذج الأولية فقط. في الوقت الحاضر يتم استخدامه كعملية تصنيع أكثر. يوجد مثال في قطاع طب الأسنان ، حيث يتم استخدامه لصنع هياكل معدنية سيتم تغطيتها بالسيراميك فيما بعد ، مما يخلق تيجانًا وجسورًا للأسنان.

تصميم النماذج:
أنها تخدم لتقييم الجوانب الجمالية والمريحة.

نماذج هندسية:
يتم استخدامها لاختبار الاتفاق الهندسي ، والشكل والتجميعات.

النماذج الأولية الوظيفية:
تظهر الخصائص وأنماط السلوك في اختبار المنتج النهائي.

النماذج الفنية:
يتم استخدامها لتقييم جميع وظائف الجزء الأخير.

المفهوم
يدمج النموذج الأولي السريع ثلاثة مفاهيم أساسية: الوقت والتكلفة وتعقيد الأشكال.

الوقت: الهدف من النماذج الأولية السريعة هو إنتاج النماذج بسرعة ، بهدف تقليل وقت تطوير المنتج.
التكلفة: يسمح النموذج الأولي السريع بعمل نماذج أولية دون الحاجة إلى أدوات مكلفة ، مع ضمان أداء المنتج النهائي. وبالتالي ، فإننا قادرون على استكشاف المتغيرات المختلفة للمنتج الذي يتم تطويره من أجل الحفاظ على الحل الأنسب.
تعقيد الأشكال: آلات التحكم العددي الحديثة (الطحن باستخدام الحاسب الآلي ، الطابعات ثلاثية الأبعاد ، …) قادرة على إنتاج أشكال معقدة للغاية (التضمين ، التجويف …) ، والتي لا يمكن تحقيقها بواسطة عمليات مثل المعالجة الآلية على سبيل المثال.

مجالات التطبيق
تسمح أنظمة الإنتاج ثلاثية الأبعاد ببناء السيارات الكهربائية واختبارها في عام واحد. كما يتم تطبيق النماذج الأولية السريعة بشكل شائع في هندسة البرمجيات لتجربة نماذج الأعمال الجديدة ومعماريات التطبيقات.

التاريخ
في سبعينيات القرن العشرين ، طور جوزيف هنري كوندون وآخرون في مختبرات Bell نظام تصميم الدوائر المتكاملة (Unix Circuit Design System) (UCDS) ، مما أدى إلى أتمتة المهمة الشاقة والمعرضة للخطأ في تحويل الرسومات يدويًا من أجل تصنيع لوحات الدوائر لأغراض البحث والتطوير.

وبحلول الثمانينيات من القرن الماضي ، اضطر صناع السياسات والمديرين الصناعيين الأمريكيين إلى ملاحظة أن هيمنة أمريكا في مجال تصنيع الأدوات الآلية تبخرت ، فيما سمي بأزمة أداة الآلة. سعت العديد من المشاريع لمواجهة هذه الاتجاهات في منطقة CNC CAM التقليدية ، والتي بدأت في الولايات المتحدة. في وقت لاحق عندما انتقلت أنظمة النماذج الأولية السريعة من المختبرات ليتم تسويقها ، كان من المسلم به أن التطورات كانت دولية بالفعل وأن الشركات النموذجية السريعة في الولايات المتحدة لن يكون لديها رفاهية ترك زلة القيادة بعيدا. كانت المؤسسة الوطنية للعلوم بمثابة مظلة للإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء (ناسا) ، ووزارة الطاقة الأمريكية ، ووزارة التجارة الأمريكية NIST ، ووزارة الدفاع الأمريكية ، ووكالة مشاريع الأبحاث المتقدمة الدفاعية (DARPA) ، ومكتب قامت البحوث البحرية بتنسيق الدراسات لإعلام المخططين الإستراتيجيين في مداولاتهم. أحد هذه التقارير كان تقرير النماذج الأولية السريعة لعام 2012 في أوروبا واليابان الذي قدم فيه مؤسس شركة جوزيف جيه بومان لمؤسسة DTM وجهة نظر تاريخية:

يمكن إرجاع جذور تقنية النماذج الأولية السريعة إلى الممارسات في الطوبوغرافيا ونحت الصور. واقترح داخل TOPOGRAPHY Blanther (1892) طريقة الطبقات لصنع قالب لورق الطوبوغرافية ورقة الإغاثة البارزة. وشملت العملية قطع خطوط الكنتور على سلسلة من لوحات التي كانت مكدسة ثم. اقترح ماتسوبارا (1974) لشركة ميتسوبيشي عملية طبوغرافية براتنجات فوتوبوليمير تصلب الصور لتكوين طبقات رقيقة مكدسة لصنع قالب الصب. كانت تقنية PHOTOSCULPTURE تقنية من القرن التاسع عشر لإنشاء نسخ طبق الأصل ثلاثية الأبعاد من الكائنات. أشهرها فرانسوا ويليم (1860) وضع 24 كاميرا في مجموعة دائرية وفي نفس الوقت قام بتصوير كائن. ثم تم استخدام صورة ظلية لكل صورة لنسخ نسخة طبق الأصل. طور Morioka (1935 ، 1944) منحوتة هجينة صورية وعملية طبوغرافية باستخدام الضوء المهيكل لإنشاء خطوط كفافية لكائن بصور فوتوغرافية. يمكن بعد ذلك تطوير الخطوط إلى صفائح وتقطيعها وتكديسها ، أو إسقاطها على مواد مخزنة للنحت. أعادت عملية مونز (1956) إنتاج صورة ثلاثية الأبعاد لكائن عن طريق تعريض طبقة من طبقة ، مستحلب للصورة على مكبس منخفض بشكل انتقائي. بعد التثبيت ، تحتوي أسطوانة شفافة شفافة على صورة للكائن. ”
– جوزيف ج. بيمان

التقنيات التي يشار إليها باسم Solidform Formation Fabrication هي ما نعرفه اليوم كنماذج أولية سريعة ، أو طباعة ثلاثية الأبعاد أو تصنيع مضاف: سواينسون (1977) ، Schwerzel (1984) عمل على بلمرة بوليمر حساس عند تقاطع اثنين من أشعة الليزر المتحكم فيها بالكمبيوتر. اعتبر Ciraud (1972) الترسيب المغناطيسي أو الترسيب الكهربائي مع شعاع الإلكترون ، الليزر أو البلازما لتكسية السطح الملبدة. تم اقتراح كل هذا ولكن من غير المعروف إذا تم بناء آلات العمل. كان Hideo Kodama من معهد بحوث بلدية ناغويا للأبحاث الصناعية هو أول من نشر تقريرًا عن نموذج صلب تم تصنيعه باستخدام نظام النماذج الأولية السريعة photopolymer (1981). وحتى في ذلك التاريخ المبكر ، كان ينظر إلى التكنولوجيا على أنها تمتلك مكانًا في ممارسات التصنيع. كان لإنتاج منخفض القوة ، وانخفاض القوة قيمة في التحقق من التصميم ، وصنع القوالب ، والرقائق الإنتاجية وغيرها من المجالات. تقدمت المخرجات بشكل مطرد نحو استخدامات مواصفات أعلى.

يجري باستمرار البحث عن ابتكارات ، لتحسين السرعة والقدرة على التعامل مع تطبيقات الإنتاج الضخم. التطوير الدرامي الذي تشاركه شركة RP بمجالات CNC ذات الصلة هو التطبيق المجاني المفتوح للتطبيقات عالية المستوى التي تشكل مجموعة أدوات CAD-CAM بالكامل.هذا خلق مجتمع من مصنعي الأجهزة منخفضة الدقة. حتى أن الهواة عملوا في غزوات لتصميمات أجهزة أكثر تطوراً بالليزر.

تقنيات
منذ بداية الثمانينيات تقريبًا ، بدأت تقنيات تشكيل الأجسام ثلاثية الأبعاد تتطور بشكل مكثف ليس عن طريق إزالة المواد (الدوران ، الطحن ، EDM) أو تغيير شكل قطعة الشغل (التزوير ، الختم ، الضغط) ، ولكن بالتزايد التدريجي ( إضافة) مادة أو تغيير حالة المرحلة لمادة ما في منطقة معينة من الفضاء. في هذه اللحظة ، تم إحراز تقدم كبير في تقنية تشكيل الطبقات ثلاثية الأبعاد لكل طبقة على أساس صور الكمبيوتر الخاصة بهم. تعرف هذه التقنيات بمصطلحات مختلفة ، على سبيل المثال ، SFF (تصنيع حر الشكل الصلب) ، FFFF (تصنيع النموذج الحر السريع) أو CARP (النماذج الأولية السريعة بمساعدة الكمبيوتر) ، ولكنها الأكثر استخدامًا:

التصنيع الإضافي
تقنية “النماذج الأولية السريعة” التي يسهل الوصول إليها هي التصنيع الإضافي.

انها تتفهم:

الطباعة الحجرية في حمام من البلاستيك السائل والبلمرة باستخدام شعاع من الضوء (الليزر ، الأشعة فوق البنفسجية ، الأشعة تحت الحمراء …) (نحن نتكلم عن بلمرة ضوئية (جيش تحرير السودان).
ترسب الأسلاك المنصهرة (FDM): الترسب الميكانيكي للمواد البلاستيكية في طبقات متتالية. تقوم الآلة بترسيب سلك بلاستيكي عبر فوهة.هذه العملية ميكانيكية.
الطباعة الرملية: باعتبارها نمذجة ترسيب مدمجة ، فهي عبارة عن مادة ترسيب ميكانيكية بطبقة متتالية ، فهي تسمح بتصنيع قوالب الرمل (التشكيل) لإنتاج القطع المعدنية (مادة جيدة)
طبقات الليزر المباشرة للبناء المتعاقبة: يتم حقن مساحيق الصهر المعدنية بشكل محوري إلى طاقة شعاع الليزر لتحقيق ترسب المعادن في الطبقات المتعاقبة.
الليزر تلبد ، في حاوية بلاستيكية مسحوق ناعم و frit (انتقائية التلبد ، ذوبان الحبوب من هذا المسحوق البلاستيك ، اختصار SLS).

حالة النماذج الأولية السريعة عن طريق الترسيب السلكي – FDM (نمذجة ترسب المنصهر)
هذه التقنية تتكون من ذوبان راتنج (عادة ما يكون نوع ABS بالحرارة) من خلال فوهة ساخنة إلى درجة حرارة عالية. يخرج خيوط منصهرة (من ترتيب عشر ملليمتر). يتم إيداع هذا السلك على الإنترنت ويتم لصقه عن طريق الدمج على ما تم تقديمه مسبقًا.

هذه الآلات مخصصة لكل من النماذج الأولية السريعة والإنتاج الرقمي المباشر ، وهو سوق متطور. إن الاهتمام الكبير لـ FDM هو السماح بإنشاء أجزاء في مادة جيدة ، لها خصائص ميكانيكية ، حرارية واستقرار مطابقة للأجزاء الحرارية المحقون. تتميز هذه التقنية أيضًا بميزة مهمة فيما يتعلق بهيكل الدعم اللازم لإنتاج الأجزاء ، حيث إن هذا الدعم الإنشائي يكون في معظم الحالات مصنوعًا من مادة أخرى غير المادة الحرارية البلاستيك نفسها القابلة للذوبان.

كما أن كثافة الأجزاء قابلة للتعديل أيضًا لأن هذه التقنية بإضافة مادة تسمح بملء الأجزاء بشكل جزئي فقط عن طريق إنشاء شبكة قرص العسل – وهو ربح يتم تقديره لأوقات الإنتاج وخفة الأجزاء المصنعة.

وقد تم براءة اختراع هذه العملية من قبل Stratasys. انتهت صلاحية هذه البراءة مؤخرًا (2012) ، وبدأت لاعبين جدد في تصنيع آلات FDM ، في محاولة لإغراء المستهلكين الأفراد بشكل أساسي ، مع آلات مثل نظام “CUBEX” Cubify / 3D ، أو “REPLICATOR” لـ Makerbot / Stratasys. تباع هذه الآلات عادة بأقل من 3000 دولار.

تقنيات الحصول على نموذج أولي ليس تقنيات تصنيع مضافة
UTGV أو عالية السرعة للغاية مع آلات التحكم العددي متعددة المحاور. العيب هو إهدار المواد. يمكنك آلة جزء أو القالب.
الطحن الرقمي. هذه طريقة مطروحة.

موارد تكنولوجيا المعلومات
انهم يتخذون مكانا متزايدا في النماذج الأولية السريعة. هؤلاء يكونون:

الهندسة العكسية (أشكال أنظمة الاقتناء المرتبطة ببرنامج إعادة الإعمار السطحي) ؛
التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD) ، طرق التصنيع بإضافة وإزالة المواد ؛
المعالجات اللاحقة.

الهندسة الممكنة مع هذه النماذج الأولية
بشكل عام ، يمكنك إنشاء جميع أنواع الأشكال الهندسية تقريبًا. يمكن تصنيع الكثير من الهندسة حتى أن العمليات التقليدية الأخرى لا يمكن تصنيعها. والحقيقة هي أن نتيجة النماذج الأولية السريعة هي ما يمكن للمرء إنشاؤه في ملف البعد CAD أو الثالث. يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن النموذج الأولي الذي تم إنشاؤه في هذه البرامج قد لا يتم إنتاجه دائمًا على نطاق واسع ، حيث أنه في حالة النموذج الأولي السريع ، فإنه لا يمثل سوى عينة من المفهوم الذي سيتم إنشاؤه والخطوة التالية يمكن أن تأخذ على أساس أن النموذج الأولي هو الهندسة

أنواع النماذج الأولية السريعة
تصنيع الجسيمات البالستية (BPM)
تصنيع الضوء الموجه (DLF)
صب إنتاج القشرة المباشرة (DSPC)
النمذجة ترسب تنصيف (FDM)
تصنيع الجسم الرقائقي (LOM)
طباعة راتنجات مغلفة (LRP)
تصنيع ترسيب الشكل (SDM) (و SDM العفن)
المعالجة الصلبة الأرض (SGC)
تلبيد الليزر الانتقائي (SLS)
ذوبان الليزر الانتقائي (SLM)
الليثوغرافيا الحجرية (SLA)

جميع هذه التقنيات تفترض وجود نموذج كمبيوتر ثلاثي الأبعاد للجزء. معظم أنظمة CAD المعروفة توفر نماذج تصدير في المواصفة القياسية للنماذج الأولية السريعة STL.

تسمى بعض عمليات التثبيت BP بالطابعات ثلاثية الأبعاد.

إجراء
وبالتالي فإن عمليات النماذج الأولية السريعة هي عمليات إنتاج تهدف إلى تحويل بيانات CAD الموجودة مباشرةً وبسرعة إلى قطع عمل ، إن أمكن بدون استخدام طرق أو طرق يدوية. واجهة البيانات ذات الصلة لمجموعة العمليات هذه هي تنسيق STL. والمعروف تحت مصطلح النماذج الأولية السريعة منذ أساليب الثمانينيات هو عادة صب الأولية ، التي تبني طبقات الشغل من المواد التي لا شكل لها أو محايدة باستخدام التأثيرات الفيزيائية و / أو الكيميائية.

من بين طرق النمذجة السريعة ما يلي:

معالجة	المواد
صياغة المحيطات (CC)	الخرسانة
ذوبان الحزمة الإلكترونية (EBM)	المعادن
نمذجة ترسيب مصهور (FDM)	ABS ، polylactides
نمذجة الكائن الرقائقي (LOM)	الورق والبلاستيك والسيراميك أو الألمنيوم
تشكيل الشبكات المهندسة بالليزر (LENS)	المعادن
الكسوة الليزر	المعادن
نمذجة متعددة النفاثات (MJM)	اللدائن الحرارية شمعية ، photopolymers الحساسة للأشعة فوق البنفسجية ، والرمل ، ومسحوق المعادن ، ومسحوق الزجاج
يلقي البولياميد	البلاستيك
ذوبان الليزر الانتقائي (SLM)	المعادن والبلاستيك والسيراميك
الليزر الانتقائي التكلس (SLS)	اللدائن الحرارية: بولي كربونات ، بولي أميدات ، بولي فينيل كلورايد ، معادن ، سيراميك
صب لغز الفضاء (SPM)	البلاستيك
Stereolithography (SL أو SLA)	هيدروستومات سائلة أو اللدائن
Binder Jetting (الطباعة ثلاثية الأبعاد)	المساحيق والحبيبات

كما يشار إلى أساليب مثل FDM ، SLM و EBM ، التي تطبق المادة في طبقات ، بالطباعة ثلاثية الأبعاد.

الوضعية
في السنوات الأخيرة ، تم تمديد مجالات تطبيق النماذج الأولية السريعة ، والتي ركزت في البداية على صنع النماذج والنماذج الأولية ، إلى مجالات أخرى. وتشمل هذه:

استخدام كأداة: الأدوات السريعة و
استخدام الجزء النهائي: التصنيع السريع.

نظرًا لاتساع نطاق التطبيقات الحالية ، من المناسب حاليًا التحدث عن استخدام تقنيات التصنيع التوليدي.

بالتزامن مع التقنيات الحديثة الأخرى مثل الهندسة العكسية (الرقمنة) ، CAD ، الواقع الافتراضي والأدوات الحديثة ، تعرف سلسلة العمليات ضمن تطوير المنتج أيضاً باسم Rapid Product Development.

بالإضافة إلى ذلك ، هناك أيضًا مصطلحات مثل عمليات التصنيع التوليدي ، التصنيع الإضافي ، تصنيع الطلاء ، تصنيع الشكل الحر ، تصنيع سطح المكتب ، تكنولوجيا تصنيع الطبقات ، التصنيع الرقمي المتقدم (ADM) ، التصنيع الإلكتروني ، إلخ.

ونتيجة لهذا ، في الوقت نفسه زيادة كبيرة في نطاق استخدام المكونات المنتجة سخيًا ، يتم دائمًا وضع متطلبات جديدة على المكونات المصنعة بشكل عام ، والتي يمكن حلها من خلال اتباع التقنيات في العمليات التوليدية مثل تكنولوجيا السطح. لذلك فمن الممكن عن طريق عمليات الجر مثل الرملي أو التشطيب الاهتزازي لمستويات المستويات بسبب عملية البناء. من الممكن أيضًا طلاء أو تصنيع قطع العمل المصنعة بشكلٍ عام.

تطبيقات خاصة
التحليل الهندسي
التصور تيار
دواء

فوائد
تقليل مدة التحضير الفني لإنتاج منتجات جديدة بمقدار 2-4 مرات.
تخفيض تكلفة الإنتاج ، خاصة في الإنتاج الصغير أو الإنتاج الفردي بمقدار 2-3 مرات.
زيادة كبيرة في مرونة الإنتاج.
تحسين القدرة التنافسية للإنتاج.
من خلال استخدام تكنولوجيا الكمبيوتر ، والتكامل مع أنظمة CAD.

سلبيات
التكلفة العالية نسبيا للتجهيزات والمواد الاستهلاكية.
نماذج قوة منخفضة نسبيا (اعتمادا على المواد).
وقت الإنتاج
مع مرور الوقت ، يتم التخلص من العيوب تدريجيا – يتم تخفيض الأسعار ، ويزداد اختيار التقنيات والمواد.