Rapid Prototyping Techniques

Product Design

Dr. Hesham Hegazi

Overview of RP

• The term Rapid Prototyping (RP) refers to a class of technologies that can automatically construct physical models from CAD data.

• For small production runs and complicated objects, RP is often the best manufacturing process available.

• Most prototypes require from 3 to 72 hours to build, depending on the size and complexity of the object.

• In 1994, Pratt & Whitney achieved cost reduction and time saving of 70 to 90 percent by incorporating rapid prototyping into their investment casting process. 

• In general, part volume is limited to 0.125 m3 

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The Basic Process

1. CAD model creation

2. Conversion to STL format

3. Slice the STL file

4. Layer by layer construction

5. Clean and finish

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1. CAD Model Creation

• Rapid prototyping processes begin with a CAD model of the desired component part. 

• The model should be a solid model represented more accurately by using solid modelers, like SolidEdge, ProE, AutoCAD solid modeler,…etc.

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CAD Model Creation

• For rapid prototyping it is essential that parts are complete and have continuity, i.e. the part to be built must be represented as closed surfaces that unambiguously define an enclosed volume. 

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CAD Model

• The following figure shows a badly modeled part with overlapping surfaces.

• The following figure shows a well modeled part with one 

integral surface.

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2. Conversion to STL Format(Stereolithography Format)

• The model is saved as an STL file for transfer to the rapid prototyping system. The STL file is then 'sliced' into thin layers suitable for the rapid prototyping systems. 

• STL files are composed of many triangles, or facets, which define every feature of a part. Each facet is defined by the position of its three corners in space, and its direction, which distinguishes between the internal and external surfaces. Each facet has to be connected to three others at its edges, so that the total volume of the model may be enclosed. 

The illustration below shows a faceted representation of a cone. Although the base of the cone is circular, it isrepresented by a series of small steps. 

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3. Slice the STL File

• A pre‐processing program prepares the STL file to be built.

• Build orientation is important:1. Properties of RP parts vary from one coordinate direction to another. 

(Prototypes are usually weaker and less accurate in the z direction than the x‐y plane.

2. Part orientation partially determines the amount of time required to build the model. (Placing the shortest dimension in the z direction reduces the number of layers, thereby shortening build time)

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Slice the STL File

• Pre‐processing software:1. Slices the STL model into a number of layers from 

0.01 mm to 0.7 mm thick, depending on the build technique.

2. Generate an auxiliary structure to support the model during the build.

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4. Layer by Layer Construction

• Using one of several techniques RP machines build one layer at a time from polymers, paper, or powdered metal.

• Most machines needs little human interversion.

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5. Clean and Finish

• This involves removing the prototype from the machine and detaching any supports.

• Some photosentitive materials need to be fully cured before use.

• Prototypes may also require minor cleaning and surface treatment. Sanding, sealing, and/or painting the model will improve its appearance and durability.

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1-Stereolithography• Patent in 1986, stereolithography started the RP revolution.• The technique builds 3D models from liquid photosensitive 

polymers that solidify when exposed to ultraviolet light.• The model is built upon a platform situated just below the surface 

in a vat of liquid epoxy or acrylic resin.• A low‐power highly focused UV laser traces out the first layer, 

solidifying the model’s cross section while leaving excess areas liquid.

• Next, an elevator incrementally lowers the platform into the liquid polymers.

• A sweeper re‐coats the solidified layer with liquid, and the laser traces the second layer atop the first.

• The process is repeated until the prototype is complete

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Stereolithography

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2-Laminated Object Manufacturing• Layers of adhesive‐coated sheet material are bounded 

together to form a prototype.• Original material: paper of laminated with heat‐activated 

glue and rolled up on spools.• A feeder/collector mechanism advances the sheet over the 

build platform, where a base has been constructed from paper and double‐sided foam tape.

• Next, a heat roller applies pressure to bond the paper to the base.

• A focused laser cuts the outline of the first layer into the paper and then cross‐hatches the extra area.

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2-Laminated Object Manufacturing

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3- Selective Laser Sintering• Patented 1989, Developed by Carl Deckard for his M.Sc.

Thesis at the university of Texas.• The technique uses a laser beam to selectively fuse

powdered materials, such as nylon, elastomer, andmetal, into a solid object.

• Parts are build upon a platform which sits just below thesurface in a bin of the heat‐fusable powder.

• A laser traces the pattern of the first layer, sintering ittogether.

• The platform is lowered by the height of the next layerand powder is reapplied.

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3- Selective Laser Sintering

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4- 3D Printing• Desktop rapid prototyping machines are based on desktop printing technology. They are no larger than a photocopier, run just as cleanly and quietly and have a number of advantages over other rapid prototyping techniques, :‐

• the machines have lower purchasing costs, • parts are cheaper to construct 

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4- 3D Printing• Parts are built by an innovative process, that uses a multi jet modeling (MJM) head to apply a thermopolymer material in three dimensions. 

• The print head comprises multiple jets that build the model layer by layer. If the part is larger than the MJM head the build platform will reposition within the Y axis such that the process may continue 

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4- 3D Printing

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4- 3D Printing

4- 3D Printing

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Examples

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