Mechatronika Modul 9: Rychlé vytváření prototypů

Transkript

1 Mechatronika Modul 9: Rychlé vytváření prototypů Učebnice Cvičebnice Řešení (koncept) Dr. Ing. Bogdan Dybała, Dr. Ing. Tomasz Boratyński Dr. Ing. Jacek Czajka Dr. Ing. Tomasz Będza Dr. Ing. Mariusz Frankiewicz Ing. Tomasz Kurzynowski University of Wroclaw, Poland Evropský koncept pro doplňkovou kvalifikaci mechatronik odborných procovníků v globalizované průmyslové výorbě. EU Projekt č. DE/08/LLP-LdV/TOI/ MINOS ++, platnost od 2008 do 2010 Tento projekt byl realizován za finanční podpory Evropské unie. Za obsah publikací (sdělení ) odpovídá výlučně autor. Publikace (sdělení) nereprezentují názory Evropské komise a Evropská komise neodpovídá za použití informací, jež jsou jejich obsahem.

2 Partneři pro provádění, hodnocení a šíření výsledků projektů MINOS a MINOS**. - Chemnitz University of Technology, Institute for Machine Tools and Production Processes, Germany - np neugebauer und partner OhG, Germany - Henschke Consulting, Germany - Corvinus University of Budapest, Hungary - Wroclaw University of Technology, Poland - IMH, Machine Tool Institute, Spain - Brno University of Technology, Czech Republic - CICmargune, Spain - University of Naples Federico II, Italy - Unis a.s. company, Czech Republic - Blumenbecker Prag s.r.o., Czech Republic - Tower Automotive Sud S.r.l., Italy - Bildungs-Werkstatt Chemnitz ggmbh, Germany - Verbundinitiative Maschinenbau Sachsen VEMAS, Germany - Euroregionala IHK, Poland - Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen - Euroregionale Industrie- und Handelskammer Jelenia Gora, Poland - Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Hungary - Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Hungary - Nationales Institut für berufliche Bildung Budapest, Hungary - Christian Stöhr Unternehmensberatung, Germany - Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Sweden Obsah studijních podkladů Minos: moduly 1 8 (učebnice, cvičebnice a klíč ke cvičením) zahrnující: základy / interkulturní kompetence, projektový management / fluidní techniku / elektrické pohony a řízení/ mechatronické komponenty / mechatronické systémy a funkce / uvedení do provozu, bezpečnost, vzdálený servis / dálková údržbu a diagnostiku. Minos **: moduly 9 12 (učebnice, cvičebnice a klíč ke cvičením) zahrnující: rychlé vytváření prototypů / robotiku / migraci / rozhraní. Všechny moduly jsou dostupné v následujících jazycích: němčina, angličtina, španělština, italština, polština, čeština a maďarština. Pro více informací prosím kontaktujte: Technical University Chemnitz Dr. Ing. Andreas Hirsch Reichenhainer Straße 70, Chemnitz Tel.: + 49(0) Fax.: + 49(0) wzm@mb.tu-chemnitz.de Internet:

3 Mechatronika Modul 9: Rychlé vytváření prototypů Učebnice (koncept) Dr. Ing. Bogdan Dybała, Dr. Ing. Tomasz Boratyński Dr. Ing. Jacek Czajka Dr. Ing. Tomasz Będza Dr. Ing. Mariusz Frankiewicz Ing. Tomasz Kurzynowski University of Wroclaw, Poland Evropský koncept pro doplňkovou kvalifikaci mechatronik odborných procovníků v globalizované průmyslové výorbě. EU Projekt č. DE/08/LLP-LdV/TOI/ MINOS ++, platnost od 2008 do 2010 Tento projekt byl realizován za finanční podpory Evropské unie. Za obsah publikací (sdělení ) odpovídá výlučně autor. Publikace (sdělení) nereprezentují názory Evropské komise a Evropská komise neodpovídá za použití informací, jež jsou jejich obsahem.

4 Obsah 1 ÚVOD CAD CAD RP KOMUNIKACE FORMÁT STL Struktura a vytváření souborů STL Orientace trojúhelníků Souřadnicový systém a jednotky ve formátu STL Vytváření souborů STL Nejčastější chyby a defekty STL formátu Pravidla vytváření STL souborů Generování *.stl souborů v různých programech PŘÍPRAVNÉ ČINNOSTI V RÁMCI RP METOD EDITOVÁNÍ STL SOUBORŮ OPRAVOVÁNÍ STL SOUBORŮ GENEROVÁNÍ PODPĚR RYCHLÉ VYTVÁŘENÍ PROTOTYPŮ RP STEREOLITOGRAFIE (SLA, SL) SELEKTIVNÍ LASEROVÉ SPÉKÁNÍ/TAVENÍ SLS/SLM MCP Realizer II zařízení od společnosti MCP HEK EOSINT M 270 RP zařízení od společnosti EOS M3 Linear zařízení od společnosti Concept Laser TrumaForm LF 250 zařízení od společnosti TRUMPF EBM S12 zařízení od společnosti ARCAM Sinterisation HiQ System zařízení od společnosti 3D SYSTEMS LAMINÁTOVÁ VÝROBA OBJEKTŮ (LOM) TVORBA MODELU POSTUPNÝM NANÁŠENÍM ROZTAVENÉHO MATERIÁLU FDM LASEROVÉ TECHNOLOGIE FORMOVÁNÍ POMOCÍ PRÁŠKU TRYSKOVÉ TIŠTĚNÍ DP TROJROZMĚRNÉ TIŠTĚNÍ SGC METODA VYTVRZOVÁNÍ FOTOCITLIVÉHO POLYMERU ZPĚTNÉ INŽENÝRSTVÍ ÚVOD OBLASTI VYUŽITÍ ZPĚTNÉHO INŽENÝRSTVÍ METODY DIGITALIZACE Kontaktní metody digitalizace Metody založené na optických bodech

5 6.3.3 Lineární optické metody Optické metody založené na pásmu Destruktivní skenování VYBAVENÍ A SOFTWARE DIGITALIZACE GEOMETRIE Fáze digitalizace Plánování digitalizačního procesu Získávání dat Zpracování dat a konstrukce CAD modelu POUŽITÁ LITERATURA

6 1 Úvod Rychlé vytváření prototypů - Učebnice Minos ++ V současném vysoce industrializovaném světě neutuchající potřeba redukovat dobu plánování a projektování výrobků a potřeba zajistit nejvyšší možnou kvalitu produktu v okamžiku jeho zprovoznění vedou k vývoji nových technologií, jejichž cílem je redukce výrobní doby před uvedením produktu na trh. Nové technologie poskytují nástroje umožňující rozšíření záruky kvality, od výrobní oblasti po celou životnost produktu. Skládají se z technik a metod, které umožňují snížení doby vývoje produktu, a to od fáze formulování požadavků až po fázi uvedení konečného produktu na trh. Jedním ze základních cílů je minimalizace doby prostoje spolu se souběžným vylepšením kvality produktu. Matematický model objektu (CAD 3D) se považuje za základní součást všech těchto technik. Takový model je sadou dat, která umožňují přesný popis geometrického tvaru jakéhokoli trojrozměrného objektu. Základní pravidla a potenciální nástroje jsou známé již léta, ale v důsledku určitých problémů, zejména spojených s náklady, jsou vyhrazené nástroje, kultura a aplikace obvykle nasměrovány pouze na velice bohaté nebo strategické zákazníky. Matematický model lze získat dvěma různými způsoby: Přímo, s použitím počítačových nástrojů pro trojrozměrné projektování (CAD počítačem podporované projektování) Kopírováním prvku s použitím nástrojů, jako jsou videokamery, systémy zpětného inženýrství, CAT (počítačová axiální tomografie), které se zvolí podle typu prvku, oblasti aplikace, požadované přesnosti, atd. Jakmile se model získá, může se používat k různým účelům, od archivace po možnost provádění testů, vylepšování geometrie, používání v multimediálních aplikacích, stejně jako v analýzách a FEM testech skutečných výrobních procesů, v přípravě prototypů a forem s použitím technik rychlého vytváření prototypů a rychlého vytváření nástrojů [19]. Techniky rychlého vytváření prototypů a rychlého vytváření nástrojů jsou takovými technologiemi. Tyto systémy, instalované na moderních zařízeních a využívající různé technologie a materiály, dokážou připravit v cílovém materiálu prototyp nebo sérii prototypů objektu na základě jeho numerického modelu získaného z CAD 3D systému nebo procesu zpětného inženýrství. Při způsobu konstruování prototypu, který se vytváří s použitím bezodpadového procesu, se jednotlivé vrstvy přidávají podle údajů obsažených v STL souboru. 3

7 RP, což je vizuální nástroj, pomáhá společnostem snížit pravděpodobnost uvedení druhořadého nebo nekvalitního produktu na trh. Takové modely mají mnohá využití. Poskytují dokonalou vizuální pomůcku při výměně nápadů se spolupracovníky nebo klienty. Kromě toho se dají využít v testovacích fázích. Například letecký inženýr může použít model letadla a změřit na něm brzdu aerodynamického tlaku (odporové síly). Kromě přípravy prototypů se RP techniky mohou použít k výrobě nástrojů (takzvané rychlé vytváření nástrojů) nebo dokonce i vysoce kvalitních produktů (rychlá výroba). Rychlé vytváření prototypů pochopitelně není dokonalé. Objem vytvářených součástek je omezený, jejich velikost závisí na typu zařízení. V případě hromadných výrobních sérií nebo jednoduchých objektů jsou obvykle ekonomičtější tradiční výrobní techniky. Pokud však tato omezení ignorujeme, rychlé vytváření prototypů je technologie stojící za povšimnutí, která výrazně napomáhá výrobnímu procesu. Časem výzkum a vývoj umožní další vývoj těchto systémů, pokud jde o účinnost (kratší doba konstrukce, menší odchylky, lepší kvalita povrchu, zvýšená odolnost RP modelů vůči počasí, stejně jako vůči mechanickým, teplotním a chemickým podmínkám). Jednoznačné přijetí na trhu a budoucí úspěch těchto technologií jsou potvrzeny, což je důsledkem přirozené tendence redukovat dobu vývoje nových produktů. To je také hlavním faktorem úspěchu. 4

8 2 CAD Rychlé vytváření prototypů - Učebnice Minos ++ CAD je zkratka pro Computer Aided Design. Tento typ softwaru umožňuje konstrukci prvků s mnoha detaily, nebo inženýrem navrženého zařízení. CAD systémy podporují proces konstrukce a navrhování, používají se pro skicování a geometrické modelování. Geometrické modelování slouží k 3D znázornění modelovaných dílů a sestavených celků. Zobrazení celků zahrnuje také popis struktury celků, nazývané struktura výrobku. 3D znázornění dílů a celků slouží ke tvorbě technické dokumentace, např. kreseb, výčtu dílů, seznamu materiálů. První vyvinuté CAD systémy poskytovaly funkčnost, které umožňovala vytváření ploché dokumentace. V průběhu času byly přidány funkce pro vytváření 3D modelů. Byla zpřístupněna knihovna základních tvarů (kužel, válec, koule, atd.), které bylo možné použít při vytváření 3D modelů. Předpokládalo se, že bude nejprve vytvořena 2D dokumentace, na jejímž základě se budou stavět 3D modely. Tento přístup se však časem změnil kvůli dynamickému vývoji 3D modulů. Nakonec se nástroje pro 3D modelování staly natolik výkonnými a jednoduchými, že se z nich stal základní modul CAD systému, zatímco 2D kresby se začaly používat pouze pro doplnění. Poté bylo konstatováno, že 2D kresby nejsou nic jiného, než prezentace 3D modelu, což umožňuje vytvořit 2D dokumentaci téměř automaticky. CAD systémy obsahují knihovny předem připravených objektů (šrouby, ložiska, klíny, atd.), které lze použít při projekční práci. Konstruktér tedy nemusí používat různé druhy katalogů, když hledá určitý prvek. Může ho najít v základní galerii, nebo pro svůj návrh dodatečně stáhnout jeho 3D model. Knihovny dílů jsou obvykle otevřené a uživatelé je mohou doplňovat díly, které sami vytvořili. Ty jsou pak zpřístupněny pro ostatní uživatele ve společnosti, kteří pracují s CAD systémem a mají přístup ke knihovnám dílů. Knihovny tohoto typu zefektivňují proces navrhování. Geometrické modelování je technika, která se používá pro rýsování tvarů určitého předmětu. CAD systémy umožňují jak vylepšit proces navrhování, tak zkrátit dobu potřebnou k vývoji výrobku. Definice Používání počítačů a grafických programů usnadňuje či vylepšuje činnosti spojené s navrhováním výrobku od představy po archivaci. Práce s CAD systémem je interaktivní práce na počítači, které vede k modelování dílů. Na sestaveném modelu pak lze provádět řadu operací. 5

9 Současné CAD systémy umožňují parametrické modelování, založené na obousměrném vztahu mezi dimenzemi, které mohou být zobrazeny v režimu náčrtu, v 3D režimu, v režimu 2D kreslení a 3D geometrie a naopak. Znamená to, že v jakékoli fázi projektování dílů můžeme změnit každý již dříve zadaný rozměr. Příklady takových programů jsou SolidWorks a CATIA. Tyto systémy zaznamenávají každý krok projektování a veškerá historie vytváření modelu je znázorněna ve formě stromu. Změna parametrů modelu nastává prostřednictvím nalezení operace ve stromě a editování jejích parametrů. Náčrty, na jejichž základě operace vznikla, se rovněž dají modifikovat. Po uložení změn se aktualizuje celý model. Aktualizace modelu může být neúspěšná, protože následující operace mohou být založeny na geometrii modifikované operace. V takovém případě systém určí, které operace jsou problematické a vyžadují zásah uživatele. V současné době všechny uznávané CAD systémy umožňují: vytváření trojrozměrných projektů, vytváření kreseb konstrukce z několika samostatných prvků, přezkoušení, zda do sebe zapadají spolupráci mnoha lidí na velkých projektech, automatické aktualizace všech kreseb konstrukce při každé změně jakéhokoliv detailu, automatické vytvoření seznamu detailů, odhadu nákladů, spolupráce se skladištěm, atd., vizualizace, Hlavními rysy CAD systému jsou: geometrické modelování objektu, vytváření a upravování konstrukční dokumentace ukládání a uchovávání dokumentace v elektronické podobě jako soubory i jako databáze, výměna dat s jinými systémy, vytváření trojdimenzionálních projektů vytvořených prvků, vytváření kreseb konstrukce z několika samostatných prvků, spolupráce mnoha lidí na jediném projektu, automatické aktualizace všech kreseb konstrukce při změně jedné z nich, automatický odhad nákladů, spolupráce se skladištěm, atd. 6

10 Počítačem podporované navrhování tvoří tři úrovně: koncepce, kdy je provedena analýza, shromaždování možností řešení a posudek řešení z pohledu jejich správnosti, vývoj koncepce, kdy se specifikuje koncept řešením, stanoví se rozsah projektu a přistoupí se ke konstrukci modelu a posouzení řešení, detail, kdy dojde na reprezentaci jednotlivých dílů a posouzení řešení. CAD proces se skládá z 6 fází [7]: rozpoznání potřeb, definování problému, syntéza, analýza a optimalizace, evaluace, prezentace. Obr. 2.1 Proces navrhování za použití CAD 7

11 Výhody používání CAD systémů: možnost určit optimální řešení, zlepšení kvality získaného řešení (precizní matematické modely (CAD 3D)), projektant je zbaven časově náročné a většinou nudné práce (skicování, výpočty), více možností zužitkování existujících návrhářských řešení díky počítačovým databázím stávajících norem a katalogů možnost simulovat chování navrženého předmětu za různých podmínek již ve fázi navrhování. Výhody vyplývající ze zavedení CAD systému jsou nesporné a společnost může tímto způsobem vylepšit svou konkurenční pozici. Nosná pozice představujícího technologickou úroveň celé továrny je pouze jedním okem v řetězu činností pro přípravu technické výroby. Není-li vhodně a interaktivně spojena se všemi ostatními oblastmi, které spadají know-how továrny, pak ani instalace těch nejlepších CAD systémů nepřinese společnosti jako celku velké výhody (kromě zvýšení pohodlí, vzdělanosti a efektivity práce v konstrukčním oddělení). Obr. 2.2 Modely předmětů v CAD systému 8

12 U CAD se používají dva druhy geometrických modelů: 1. plochý využívá obrysů grafický 2D model, kde některá uspořádání čar spojují skupinu bodů, při tvorbě modelu se používají prvky jako např.: rovné čáry, oblouky, kruhy, paraboly, atd. grafické 2,5D modely, tj. modelování spektrálních či rotačních předmětů, charakterizované používáním plochých prvků (translačním či rotačním pohybem plochých povrchových prvků okolo osy otáčení se vytvoří objemový model předmětu). 2. prostorový využívá trojrozměrných prvků objemové modelování spočívající v sestavení trojdimenzionální kresby ze základních matematických těles, jako je válec nebo torus; plošné modelování, používané pro vytváření plošných objektů, které se skládají z hran, spojených plochami, tzv. fazetami (objeví se polygonální síť, jejíž povrch je hladký); drátěné modelování, používané pro vytváření předmětů koster tvarů, za použití lineárních a obloukových prvků. CAD softwary se v podstatě používají pro navrhování konstrukcí, tudíž jsou spojeny hlavně s mechanikou. Mezi nejpopulárnější CAD systémy patří: CATIA, Solid Works, Pro/Engineer, SolidEdge, Unigraphics, Inventor, AutoCAD. Dodatečné informace ohledně jednotlivých systémů lze nalézt na internetových stránkách výrobce. CAD systémy se používají kvůli následujícím rysům: přesnost kresby, méně práce, možnost analyzovat modely, prostorové zobrazení, automatizace kreslení, rychlé provádění změn, jednoduché ovládání projektu, možnost integrace s ostatními systémy, jiné. 9

13 3 CAD RP komunikace 3.1 Formát STL S nápadem vytvořit formát STL (Standard Triangulation Language, tedy Standardní triangulační jazyk ) přišla společnost 3D Systems, která je pionýrem v oblasti stereolitografie. Na její podnět společnost Albert Consulting Group v roce 1987 vytvořila první verzi STL. Tento formát se stal brzy základním formátem užívaným pro výměnu dat u procesů rychlého vytváření prototypů. STL za tento úspěch vděčí své jednoduchosti, originalitě a dostatečně preciznímu vyjádření (mapování) navrženého modelu. Hlavním úkolem zmíněného formátu je přenos CAD 3D modelů do přístrojů pro rychlé vytváření prototypů. V současné době nabízí většina CAD/CAM programů možnost uložit model ve formátu STL, který mohou přečíst téměř všechny systémy Rychlého vytváření prototypů [8] Struktura a vytváření souborů STL STL je tvořen rejstříky trojúhelníkových ploch, kterým se také říká trojúhelníková mřížka. Můžeme ji definovat jako soubor vrcholů, hran a trojúhelníků, navzájem spojených tak, že každá hrana a každý vrchol jsou sdíleny minimálně dvěma přiléhajícími trojúhelníky (pravidlo vrchol k vrcholu ). Jinými slovy, trojúhelníková síť aproximací přibližně vyjadřuje plochy 3D modelu, uloženého ve formátu STL. Toto vyjádření ovšem vynechává prvky, jako jsou body, přímky, křivky, vrstvy a barvy. Obr. 3.1 Aproximační model využívající trojúhelníky BRAK FOTO Soubory STL se ukládají s příponou *.stl, část programů však umožňuje použít i jiné přípony. Velikost souboru závisí na počtu trojúhelníků, na jejichž plochy byl model rozdělen, a v důsledku toho na přesnosti, s jakou trojúhelníky odráží geometrii modelu. 10

14 Obr. 3.2 Rozdíl v zobrazení geometrie modelů při různých počtech trojúhelníků Uložení 3D modelu ve formátu STL zabírá hodně místa kvůli rozdělení stěn tělesa na trojúhelníkové plochy, které jsou popsány souřadnicemi X, Y, Z pro každý vrchol a normálovým vektorem, směřujícím pryč od dané plochy a ven z modelu. Obr. 3.3 Popis trojúhelníkové plochy Orientace trojúhelníků Trojúhelníky, na které byly rozděleny stěny 3D modelu, tvoří také hranice mezi jeho vnitřní a vnější stranou. Jejich orientaci lze určit dvěma způsoby: 1. Podle normálového vektoru, který směřuje ven. 2. Pozorujeme-li model z vnější strany, vrcholy jsou označeny v protisměru hodinových ručiček (dnes běžná metoda). 11

15 Obr. 3.4 Orientace trojúhelníkových ploch Na výše uvedeném obrázku jsou znázorněny dvě trojúhelníkové plochy. Plocha na levé straně je otočena vnitřní stranou nahoru, což je vyznačeno uspořádáním označení vrcholů ve směru hodinových ručiček a směrem normálového vektoru. V případě trojúhelníku napravo je tomu naopak, zde vidíme vnější stranu modelu Souřadnicový systém a jednotky ve formátu STL Jedním z požadavků formátu STL je, aby zobrazovaný model ležel v kladné části souřadnicového systému. To znamená, že žádná ze souřadnic vrcholů trojúhelníku nesmí být nižší nebo rovná nule. Příklad programu, který neumožňuje vytváření souborů STL, pokud jsou souřadnice vrcholů záporné nebo nulové, je AutoCAD. Existuje však mnoho CAD programů, které povolují jakékoliv umístění modelu. Soubor uložený ve formátu STL neobsahuje žádné informace o rozměrech modelu. Proto je důležité, aby byl model definován před převedením, protože mnoho programů pro rychlé vytváření prototypů má funkci obnovení jednotek na základě přiložených rozměrů. 12

16 3.1.4 Vytváření souborů STL Aby bylo možné vytvořený 3D model uložit ve formátu STL, je třeba následovat tento postup: Zvolení dílu (dílů), které mají být převedeny do formátu STL. Nastavení odchylky parametrů procesu. Zvolení formátu, ve kterém je soubor uložen (ASCII nebo binární). Uložit soubor. V případě plošných modelů je ukládání ve formátu STL o něco komplikovanější, a skládá se z následujících kroků: Určení všech přiléhajících ploch. Rozdělení všech ploch na trojúhelníky. Nastavení normálového vektoru, který ukazuje k vnější části každé z ploch. Uložení souboru. Je důležité si zapamatovat, že pro ukládání souboru ve formátu STL jsou stanoveny následující parametry: Odchylka rozdělení do trojúhelníků, která určuje, jak jemný 3D model bude (standardní hodnota: 0,0025 nebo 0,05 mm). Odchylka přiléhání trojúhelníků (standardní hodnota: 0,005 nebo 0,12 mm). Automatické generování normálových vektorů (zapnuto/vypnuto). Zobrazování normálových vektorů (zapnuto/vypnuto). Zobrazování trojúhelníkových ploch (zapnuto/vypnuto). Informace o souboru (zapnuto/vypnuto) Nejčastější chyby a defekty STL formátu STL formát, jako většina CAD/CAM formátů, může obsahovat některé chyby, které mohou mít negativní vliv na manuální analýzu modelu. Nekompatibilita s pravidlem vrchol-k-vrcholu. Kompatibilita s pravidlem vrchol-k-vrcholu je jednou ze základních podmínek, kterou je třeba splnit, aby soubor mohl být uložen v STL formátu. Podle tohoto principu musí každý trojúhelník sdílet dva vrcholy se sousedními trojúhelníky a žádný vrchol trojúhelníku nesmí ležet na straně jiného trojúhelníku. Na následujícím obrázku jsou znázorněny dva obrázky (čtverce), které byly rozděleny na trojúhelníky. 13

17 Trojúhelník 1 na obrázku a obsahuje čtyři vrcholové body, zatímco pouze tři z nich jsou skutečné (bod X nelze považovat za vrchol, neboť leží na straně trojúhelníku). Spodní levý vrchol trojúhelníku 1 však není sdílen s žádným jiným trojúhelníkem popsaného obrázku. Pokud však jde o trojúhelníky 2 a 3 na tomtéž obrázku, oba dva obsahují jeden správný bod sdílený s trojúhelníkem 1 a jeden nesprávný bod X, který není skutečným vrcholem trojúhelníku 1. Obr. 3.5 Pravidlo vrchol-k-vrcholu Aby bylo pravidlo vrchol-k-vrcholu splněno, trojúhelník 1 by měl být rozdělen do dvou trojúhelníků, jak je znázorněno na obrázku b, nebo by se měly trojúhelníky 2 a 3 spojit jako na obrázku c. Variabilita (netěsnost) Všechny plochy obsažené v STL souboru by měly vytvořit alespoň jednu konstantní jednotku podle Eulerova pravidla pro pravidelná pevná tělesa: F-E+V=2B kde: F počet ploch, E počet hran, V počet vrcholů, B počet jednotlivých těles. Příkladem splnění tohoto pravidla může být krychle znázorněná na začátku (Obr. 3.5), pro kterou platí: F = 6, E = 12, V =8 a B =1, odtud: = 2x1 2=2 14

18 Pokud výše uvedená podmínka není splněna, pak je STL model považován za netěsný. Ve chvíli, kdy je netěsný STL soubor použit k procesu generování vrstev podle vypočteného algoritmu, tento algoritmus nemusí odhalit chybu a v důsledku toho vzniknou neuzavřené hranice. Pokud je model, který byl takto nesprávně vygenerovaný, použit v RP procesu, laser, fréza nebo jakýkoli jiný nástroj, který vytváří jednotlivé vrstvy modelu, a který narazí na díru v povrchu, může tuto díru považovat za záměrnou a model nebude vyroben v souladu s našimi očekáváními, nebo bude v průběhu procesu deformován do takové míry, že způsobí zablokování zařízení. Obr. 3.6 Příkladová chyba v *.stl souborech křížení ploch (V případě modelu, na němž byly provedeny booleovské operace s příliš malou přesností, je netěsnost běžnou chybou. Je to patrné díky skutečnosti, že správné geometrické prvky se vždy nezobrazí). Obr. 3.7 Příkladová chyba v *.stl souborech díry na hranici plochy (Díry, které se objeví na hranici plochy, mohou být způsobeny softwarovými viry nebo nesprávně konfigurovaným *.stl souborem) Existují však programy, jako je 3D LightYear od společnosti 3Dsystems nebo Magics, které umožňují opravení chyby přidáním segmentu spojujícího přerušené hranice. 15

19 Degenerované plochy Degenerace ploch není tak závažnou chybou, jako jsou chyby uvedené výše. Může však někdy způsobit určité poškození konstrukce modelu. Obr. 3.8 Příklad degenerace plochy Obrázek výše znázorňuje tři vrcholy určité plochy. Podstatnou skutečností je, že jsou nebo se staly kolineárními. Jejich kolinearita je důsledkem dřívějšího zkrácení nekolineárních souřadnic, ke kterému došlo během importu. Ačkoli degenerace ploch není závažnou chybou, neměla by být ignorována, protože: za prvé, data týkající se plochy, zvětšují velikost STL souboru, za druhé, degenerované plochy zmatou algoritmy, které analyzují procesy rychlého vytváření prototypů, za třetí, jejich editování bude mnohem obtížnější. Degenerace plochy může také vést k další chybě, totiž k dírám (otvorům) v trojúhelníkové síti. Problém spočívá ve skutečnosti, že trojúhelníky, z nichž se při importu aplikací do formátu STL stanou přímky, mohou způsobit vznik děr (otvorů) v geometrických bodech s velkým zakřivením. Obr. 3.9 Díry v trojúhelníkové síti 16

20 Chyby v modelech Tento typ chyb nevzniká při konverzi do STL formátu, ale v důsledku chyb, které nastaly při vytváření modelu. Pokud se nesprávně vymodelované pevné těleso uloží v STL formátu, všechny údaje ohledně chyb se nezobrazí. Je tedy zásadní, aby se nesprávně vymodelované pevné těleso opravilo ještě před uložením do STL formátu. Jinak může dojít k výrazné nekompatibilitě s procesem rychlého vytváření prototypů, a nalezení a opravení chyby v rámci modelu uloženého v STL formátu je mimořádně obtížným a pracným procesem. Nadbytečnost Základním defektem STL formátu je jeho vysoká nadbytečnost (nadměrnost), která vyplývá ze zdvojení vrcholů a hran trojúhelníků. Obr Nadbytečnost v STL souboru Pravidla vytváření STL souborů Generování *.stl souborů je obvykle snadnou úlohou. Každý výrobce CAD 3D softwaru však používá jiné podmínky a parametry k ukládání souborů, jako jsou *.stl. Nicméně není zapotřebí znát všechny parametry, aby bylo možné uložit správně vygenerovaný model v *.stl formátu. Postupování podle následujících pokynů zaručuje vytvoření správného *.stl souboru. 1. Typickým příkladem trojúhelníkové sítě, která zaručuje dobrou kvalitu vygenerovaného *.stl souboru, je síť o velikosti mezi 0,02 mm (0,001 ) a 0,05 mm (0,002 ). Je však třeba mít na paměti, že snížení odchylky sítě vždy nezpůsobí zvýšení přesnosti prototypu. Vysoce propracované pevné těleso s velkým množstvím zakřivení a zaoblení musí mít větší přesnost než geometricky jednodušší model. 2. Upřednostňuje se ukládat STL soubory raději v binárním formátu než v ASCII. 17

21 3. V případě objemového modelování v CAD 3D programu existuje výrazně nižší riziko dopuštění se chyby ve výsledném *.stl souboru než v případě plošného modelování, kde by se mělo modelovat takovým způsobem, aby byly všechny plochy vzájemně spojené a nekřížily se. Generování *.stl souboru z nesprávného modelu je možné, ale později bude vyžadovat opravu. 4. V případě plošného modelu musí být před exportováním do STL formátu všechny plochy navzájem spojeny tak, aby tvořily jeden model. Pokud plochy nejsou ořezané (zkrácené) nebo přerušené, stále existuje možnost vytvořit STL soubor, ale ten nebude správný a jeho oprava bude obtížnější. 5. Minimální velikost (tloušťka) modelu, ze kterého se vygeneruje *.stl soubor, je 0,02 mm. 6. V některých CAD programech se během konverze modelu do STL formátu mohou objevit varování, upozorňující na to, že geometrie části modelu se nachází mimo pozitivní oblast os X,Y a Z tato hlášení můžete ignorovat. 7. V případě, že chcete vytvořit prototyp s permanentní montáží, je třeba takovou montáž vytvořit s použitím CAD programu, a teprve pak uložit v *.stl formátu Generování *.stl souborů v různých programech Generování *.stl souborů ve většině programů spočívá v provádění stále těch stejných činností a je dostupné pouze z příkazu SOUBOR/Uložit jako Jednotlivé kroky, které je třeba učinit při exportování modelu do *.stl formátu, byly ukázány na dvou příkladových CAD systémech, kde je jak v SolidWorks, tak ve většině dalších programů ukládání dostupné přes Uložit jako, zatímco v systému CATIA se používá k tomu určený modul. 1. Za účelem uložení 3D modelu v STL formátu v softwaru Solid Works postupujte následovně: 2. Otevřete model, který se má exportovat do STL formátu. 3. Vyberte soubor z horního roletového menu, a zvolte Uložit jako 4. V dialogovém okně je třeba: zvolit cílový adresář (složku), název modelu a typ formátu, totiž STL (*.stl). 5. Poté musí být definovány parametry souboru, a proto byste měli ve stejném dialogovém okně kliknout na Možnosti Otevře se další okno nazvané Možnosti exportu (Obr. 3.11) 18

22 Obr Okno s možnostmi exportu V okně lze definovat následující parametry: Výstupní data, jako je: Binární formát, ASCII formát, Jednotka (milimetry, centimetry, metry, palce, stopy). Obr Výstupní data Rozlišení. Tento parametr ovládá trojúhelníkovou síť. Jsou zde k dispozici tři možnosti rozlišení: Hrubozrnné, Jemnozrnné, Uživatelsky přizpůsobené (upravené). Volba poslední možnosti umožňuje nastavení úhlu a odchylky. Dovolená odchylka reguluje síť celé části, zatímco dovolený úhel ovlivňuje především znázornění detailů. Rozdíly vznikající při zavádění změn jsou znázorněny dvěma soustřednými kružnicemi umístěnými vedle tyče řízení. 19

23 Obr Nastavení rozlišení (přesnosti) V obou případech volba nižších hodnot umožňuje vytvoření přesnějšího modelu v STL formátu, ale tento proces je mnohem časově náročnější. Zobrazit STL údaje před uložením souboru. Zvolení tohoto parametru povede (po kliknutí na tlačítko Uložit) k zobrazení dialogového okna s následujícími údaji: počet trojúhelníků, velikost souboru, formát souboru, a cesta adresáře a název souboru. Zvolení parametru Zobrazit povede k zobrazení náhledu modelu v grafické oblasti, a údajů ohledně počtu trojúhelníků a velikosti souboru. Obr Náhled STL souboru. Část dialogového okna Možnosti exportu a grafický náhled exportovaného modelu. Nepřenášejte (nepřesouvejte) STL výstupní data do první čtvrtiny souřadnicového systému. Zvolení tohoto parametru způsobí, že model ukládaný v STL formátu si zachová svou původní polohu v globálním prostoru ve vztahu k počátku souřadnic. 20

24 Uložte všechny součásti celku do jednoho souboru. Tento parametr se týká pouze celků. V případě, že tento parametr nebude nenastaven, jednotlivé části celku se uloží v samostatných souborech. Zkontrolujte výskyt protínání. Tento parametr se také používá pouze v případě celků. Jeho zvolení umožňuje kontrolu protínání v dokumentu celku před uložením souboru. Výstupní souřadnicový systém. Změna tohoto parametru bude mít za následek změnu souřadnicového systému použitého k exportu souboru. Standardní volba způsobí, že se nepoužije žádná transformační matrice. Poslední fází ukládání souboru v STL formátu je kliknutí na tlačítko OK v dialogovém okně Možnosti exportu a kliknutí na Uložit v okně Uložit jako Za účelem uložení 3D modelu v STL formátu v CATIA softwaru postupujte následovně: 3D model, který se má exportovat, by se měl otevřít v STL modulu rychlého vytváření prototypů. Obr Otevření STL modulu rychlého vytváření prototypů Dalším krokem je definování parametrů trojúhelníkové sítě. Za tímto účelem klikněte na možnost Mozaikovat ikonu objektu. 21

25 Otevře se dialogové okno Mozaikování, kde může konstruktér upravit hodnoty, jako jsou: Pokles parametr definující výšku tětivy mezi plochou modelu a rovinou dotykového trojúhelníku. Standardní nastavení je 1,08mm. Jeho snížení má za následek koncentraci (zjemnění) trojúhelníkové sítě, a tedy zvýšení přesnosti znázornění modelu a velikosti souboru (Obr. 3.16). Obr D model exportovaný do STL formátu v CATIA softwaru. a) Pokles = 1,08mm (počet trojúhelníků = 140), b) Pokles = 0,5mm (počet trojúhelníků = 180) Stupeň. Tento parametr nastavuje maximální délku strany plochy trojúhelníku popisujícího model. Snížení tohoto parametru tedy způsobí koncentraci trojúhelníkové sítě a jeho zvýšení způsobí její zředění (Obr. 3.17). 22

26 Obr Různé hodnoty parametru Stupeň: a) Stupeň = 20mm (počet trojúhelníků = 970), b) Stupeň = 10mm (počet trojúhelníků = 4214), c) Stupeň = 200mm (počet trojúhelníků = 140) Doporučuje se, aby exportování modelu do 3D formátu probíhalo na hraně, neboť po změně jednotlivých parametrů, výběru modelu a kliknutí na tlačítko Použít existuje možnost zobrazit STL model. Za účelem pokročení k další fázi se volba parametrů potvrdí tlačítkem OK. Klikněte na Soubor, a poté na Uložit jako... Otevře se dialogové okno Uložit jako, kde je nutné zvolit cílový adresář (složka), název ukládaného modelu a formát souboru, což je stl. Vše se potvrdí tlačítkem Uložit. 23

27 4 Přípravné činnosti v rámci RP metod Po dokončení CAD modelu v STL formátu by se měl model připravit na výrobní proces v jednom ze zařízení na rychlé vytváření prototypů. Přípravné činnosti se mohou provádět v jednom z programů určených pro toto použití, což umožňuje zpracování STL souborů. Software tohoto typu může importovat většinu standardních přípon souborů, jako jsou: STL, VDA, IGES, STEP, VRML a individuální formáty jednotlivých CAD programů, jako jsou následující: UniGraphics, Parasolid a CATIA. Také v důsledku zvyšujícího se počtu souborů uložených ve formě bodového mraku je takový import a export dat možný. Importovaná data ve formě bodových mraků se konvertují do CAD modelů s přesností, kterou stanoví uživatel. Proces zpracování zahrnuje opravu vyskytujících se chyb. V důsledku toho se získá STL model, který je připraven k výrobě v RP zařízení bez nutnosti dalších konverzí. Software tohoto typu je pro každý RP proces nutností. Tato fáze se nedá žádným způsobem vynechat za účelem ušetření času, který byl pro takovou práci vyhrazen. Obr. 4.1 Schéma přípravných činností Šetření času během opravy STL souborů Protože CAD systém vždy do STL formátu neexportuje bezchybnou geometrii, její oprava je nezbytná, aby se do STL zařízení poslaly soubory s daty týkajícími se modelu. Tento program diagnostikuje vadný model a navrhne chyby, které se mají opravit. Díky dostupným nástrojům oprava chyb zabere málo času, samozřejmě podle počtu a komplikovanosti problémů. Nástroje dostupné v programech umožňují odpovídající orientaci normálových vektorů trojúhelníků, spojování oddělených okrajů, vyvažování nedostatků (děr), odstraňování dvojitých trojúhelníků, ořezávání ploch, kombinování obalů a provádění booleovských operací. 24

28 Obr. 4.2 Chyby označené červeně v stl, a vedle opravený model Zavádění změn do modelu Za účelem opravení modelu není třeba danou opravu provádět na mateřském CAD modelu může se vykonat přímo na STL modelu. Programy obsahují několik užitečných nástrojů, které optimalizují a zkracují průběh celého procesu. Např. nástroj na tahání ploch, který se dá použít k přidání přebytečného materiálu pro pozdější mechanické zpracování; nástroj na řezání modelů, aby seděly na pracovní plošinu RP zařízení. Pro snadnější identifikaci jednotlivých částí se dá použít nástroj na označování a popisování ploch modelů. Obr. 4.3 Natahování plochy jako přebytečného materiálu pro případné dodatečné opracování (dokončení) Umisťování modelů na pracovní plochu Modely se na pracovní plochu dají umisťovat jak manuálně, tak automaticky. V případě pouhých několika modelů není zapotřebí generovat automatickou distribuci (uspořádání), v případě velkého množství spolu s komplikovanou geometrií je však snadnější generovat automatické uspořádání, které bude nanejvýš optimální, pokud jde o obsazený prostor a rychlost výrobního procesu. 25

29 Obr. 4.4 Optimální uspořádání modelů na pracovní plošině Nesprávná automatická orientace modelu v pracovním prostoru je také možná, pokud předpokládáme lepší kvalitu jedné z ploch. Jak je známo, konstrukční proces spočívá ve spojování následujících vrstev jednu po druhé, což způsobuje větší hrubost povrchu orientovaného v úhlu nebo paralelně ke směru inkrementu vrstev (osa Z inkrementu vrstev). Jediný hladký povrch je kolmý na směr inkrementu vrstev (příčný řez roviny X-Y). V takovém případě musí být model orientován manuálně na pracovní plošině. Pokud nezáleží na přesnosti daného povrchu (např. tehdy, když model podstoupí dodatečné opracování), model by se měl na nejkratší dobu konstrukce orientovat tak, aby byla jeho výška v ose Z minimální (osa inkrementu vrstvy). Dalším krokem je vytváření vrstev na modelech, které se vyrobí pomocí RP procesů, jednu po druhé. Za účelem vytvoření prototypu v RP zařízení se STL model musí rozdělit do tenkých vrstev. To je poslední operace, která se na souboru před zahájením konstrukčního procesu provede. Hustota vrstev se pohybuje mezi 0,01 a 0,7 mm. 26

30 Obr. 4.5 Model rozdělený do vrstev Dále program vygeneruje podpůrné konstrukce (podpěry) za účelem správného postupu procesu. Obr. 4.6 Podpůrná konstrukce (podpěry) Model připravený tímto způsobem se pošle do RP zařízení k přípravě prototypického fyzického modelu. Možnosti zpracování STL dat Vizualizace, možnost provádění měření, zpracování *.stl modelu, Opravování *.stl souborů, ořezávání ploch, zjišťování dvojitých trojúhelníků, Příprava průřezů STL souborů, děr (děrování), natahování ploch, vytváření retroverzí, Booleovské operace, redukce trojúhelníků, vyhlazování, přidávání textu nebo označení (znaků), Detekce kolize, Barvení STL souborů, 27

31 Rozdělování modelů do vrstev, Generování podpůrných konstrukcí. 4.1 Editování STL souborů Díky široké řadě dostupných nástrojů je práce s STL soubory v programech připravující na konstrukci v RP zařízeních velice účinná. STL údržba Intuitivní a snadno použitelné nástroje umožňují rychlé otáčení, posouvání, dávkování a vytváření. Možnosti velkých měřítek se dají využívat jako alternativa k tradičním papírovým nákresům. Jak 2D, tak 3D měření vzdálenosti, poloměrů a úhlů se dají provádět na základě rovin, válců, os, sfér, apod. Obr. 4.7 Provádění měření Polo-pohledy a částečné průřezy se dají generovat pro snadnější pochopení a čtení součástek, Uživatel může definovat a pracovat na několika lokálních souřadnicových systémech, Specializované funkce zajišťují snadnou orientaci v polohování modelů, Přídavné formáty umožňují sníženou délku generovaných STL souborů. 28

32 Účinné zpracování STL souborů Inteligentní a velice účinný zpracovací nástroj umožňuje projektování přímo na STL modelech: Na modely se dají psát texty s použitím jakéhokoli Windows True Type fontu, v jakékoli velikosti a na jakoukoli plochu modelu. Údaje (např. sériové číslo) se na součástku mohou vyrýt nebo vyrazit. Obr. 4.8 Text napsaný na modelu Barvení modelů rovněž nepředstavuje žádný problém. Barvy se na povrch nebo jednotlivé trojúhelníky mohou přidávat manuálně nebo automaticky; *.bmp obrázky se také dají zakreslit. 29

33 Obr. 4.9 Přidávání barev na jednotlivé součástky Součástky se dají ořezávat a děrovat, což umožňuje vytváření modelů s větším gabaritem v několika částech. Pro lepší kontakt mezi plochami řezané části pro pozdější slepování se dá použít pokročilá možnost řezání. Obr Řezání součástky umožňuje její přizpůsobení na pracovní plochu RP zařízení Retroverze se dá využít k získání výplně o pevném objemu z obalu nebo přidávání nadbytečného materiálu pro případné dodatečné zpracovávání, lakování, pískování, atd. Jsou k dispozici booleovské operace. Je možné přidávat nebo ubírat na objemu prostřednictvím přidávání nebo ubírání z STL modelu. Je možné proděravět dokonce i součástky s těmi nejkomplikovanějšími tvary. Tyto součástky se nejen vyrábí rychleji, ale také zajišťují méně častý vznik vnitřních pletenců během výrobního procesu v zařízeních na rychlé vytváření prototypů, stejně jako šetří materiál. 30

34 Obr Implementace úspory materiálu slupkového modelu při výrobě fyzické součástky Je také možné vytvářet objekty, jako například sféry, válce, kužely, jehlany, hranoly a další. Existuje možnost natahování plochy jako nadbytečného materiálu na mechanické zpracování. Manipulace a zpracování naskenovaných dat Bodové mraky z 3D scannerů se dají změnit do velkých STL souborů. Dále, díky redukci trojúhelníků s použitím speciálních nástrojů, je ukládání dat mnohem jednodušší v důsledku redukce velikosti souboru. Během generování STL souborů z dat získaných z 3D scannerů nastávají interference. Díky možnosti vyhlazení se takové defekty dají eliminovat, což vylepšuje kvalitu povrchu. Obr Nástroj na vyhlazování povrchu 4.2 Opravování STL souborů Vizualizace Vizualizační nástroje upozorňující na chyby v STL výrazně usnadňují jejich polohování. Označí se trojúhelníky s obrácenými normálovými vektory, 31

35 špatnými okraji, dírami, apod. Bez jakýchkoli problémů si uživatel může všimnout, kde se chyby vyskytují. Podrobná analýza STL souborů je rovněž možná, postačí zkontrolovat vlastnosti. Údaje týkající se rozměrů, počtu trojúhelníků v souřadnicové síti, počtu chyb, objemu, atd. jsou tam obsaženy. Automatické opravy Díky implementaci inteligentních algoritmů lze většinu oprav STL souborů provést automaticky, což šetří mnoho času. Obrácené trojúhelníky, s normálovými vektory nasměrovanými v opačném směru, se dají obrátit automaticky. Program nastaví vnitřní a vnější části modelu a po pořádku zkontroluje, zda směr odpovídá popisu. Pokud ne, směr se změní. Nesprávné hrany přerušené dírami mezi trojúhelníky se dají automaticky sešít. Postačí označení polohy děr a program provede záplatu bez ztráty tolerance. Automatická triangulace v záplatování děr výrazně šetří čas. Dokonce i díry s komplikovanými obrysy se dají snadno opravit pomocí nástroje na záplatování děr s komplikovanými tvary. Funkce vyplní díry, přičemž přiblíží tvar výplně k ploše obklopující díru. Odhalí se dvojité plochy a trojúhelníky, které se dají odstranit v závislosti na požadavcích uživatele. Manipulace a zpracování Manuální oprava poškozených modelů je rovněž možná. Zvolený trojúhelník lze smazat, normálové vektory obrátit a vytvořit další trojúhelník, Programy umožňují provádění booleovských a opravných operací, Oddělené modely nebo součástky se dají snadno propojit, Po označení se vyčnívající plochy ořežou podél okraje modelu. 4.3 Generování podpěr Generování podpěr je klíčovou operací při správné konstrukci modelu v stereolitografickém zařízení nebo zařízení na spékání práškových kovů. Přídavná podpůrná konstrukce je nezbytná k zajištění stability modelu, a aby každá součást vyráběné součástky zůstala na svém místě. Softwarová funkce na generování podpěr umožňuje jejich rychlé a snadné vytvoření a případnou pozdější úpravu. Spolehlivost, integrita součástí a snadné odstranění podpěr jsou klíčovými faktory rychlého vytváření prototypů. Generátor podpěr automaticky přidává podpěry ke každému modelu. Software analyzuje plochy modelů, identifikuje ty, které vyžadují podpůrné konstrukce a vygeneruje optimální podpěry v závislosti na geometrii plochy. Celý proces se zakládá na parametrech definovaných uživatelem, což zajišťuje plnou kontrolu nad prací programu. Navrhování těch nejkomplikovanějších podpůrných konstrukcí nevyžaduje zvláštní technické 32

36 dovednosti. V důsledku redukce výrobní doby podpěr se zvyšuje produktivita práce. Navzdory vysokému stupni automatizace programy do značné míry umožňují individualizaci. Všechny automaticky vygenerované podpěry se dají modifikovat podle potřeb, požadavků nebo preferencí uživatele. Propracovaná vizualizace funkčně umožňuje posouzení a vyhodnocení každého místa zvlášť. Velice snadným způsobem můžeme změnit stávající podpůrnou konstrukci v jinou, která nám vyhovuje více. Software nám dává možnost přidat do podpůrných konstrukcí ozubení, a tak omezit jejich kontakt s plochou objektu. Přidání ozubení také usnadňuje pozdější odstraňování podpěr a zvyšuje kvalitu povrchu. Obr Ozubení v podpěrách výrazně usnadňuje jejich odstraňování Dalším usnadněním v odstraňování podpěr, stejně jako v kapání pryskyřice, je děrovaná podpůrná konstrukce. Děrování zajišťuje úsporu materiálu, zkracuje dobu výroby a usnadňuje odstraňování konstrukce z modelu. 33

37 Obr Děrované podpěry Všechny tyto funkce umožňují kompletní individualizaci v generování podpůrných konstrukcí. Generování vyztužovacích podpěr Tato systémová možnost je určena pro zařízení založená na práškových materiálech (kovy, keramika, sádra, apod.). Podpěry jsou, v těchto technologiích, potřebné k zajištění stability při vyjímání vyrobených součástek u některých technik, stejně jako k vyztužení vytvořených počátečních vrstev, aby se při nanášení další vrstvy práškového materiálu předtím vytvořená vrstva a výztuhy vyčnívajících součástí modelu nepoškodily. 34

38 5 Rychlé vytváření prototypů RP Technologie rychlého vytváření prototypů se uplatňují ve výrobě fyzických modelů s použitím RP zařízení přímo z: matematického modelu definovaného v CAD 3D systému, dat nasbíraných prostřednictvím skenování skutečného modelu (zpětné inženýrství). Všechny metody jsou si navzájem podobné a jsou založeny na rostoucí (bezodpadové) výrobě modelů. Naprosto se tedy liší od klasických metod výroby fyzických modelů (soustružením, frézováním, apod.), kde se tvarování objektů provádí prostřednictvím mechanického odstraňování materiálu (odpadové zpracovávání). Vytváření modelů pomocí RP technik, kde je každá následující vrstva přesným odrazem sekce modelu v určité rovině, se zakládá na přidávání vrstveného materiálu. Modely, které byly vytvořeny pomocí RP technik, podléhají vyhodnocením, která provedou technici, manažeři a zákazníci. Technici ověří použitá konstrukční řešení a odhalí případné nedostatky projektu dlouho před tím, než dojde ke zhotovení nástrojů pro hromadnou výrobu, zatímco manažeři mají za úkol modely zhodnotit po stránce vizuální a estetické. Zákazníci nakonec potvrdí, zda potenciální produkt vyhovuje jejich požadavkům. Prototypické modely slouží k provádění prvních odolnostních, bezpečnostních, montážních, přepravních a jiných testů. Nejsou pouze průkazním materiálem v obchodních, technických a marketingových jednáních, ale také jsou většinou mnohem vítanější a snadněji vnímané než standardní 2D nákresy. Lepší pochopení koncepce vede k šetření jak času, tak peněz. Rychlé vytváření prototypů se hojně využívá v různých průmyslových odvětvích a jeho sféra působnosti se každým dnem rozrůstá, což lze pozorovat zejména v automobilovém průmyslu, kde se pomocí této technologie vyrábí 25% všech prototypů. Obr. 5.1 Oblasti využívání technik rychlého vytváření prototypů [1] 35

39 Prvenství technik rychlého vytváření prototypů lze pozorovat při srovnání tří metod vývoje produktů, jako jsou například: Tradice Simultánní konstruování CE Simultánní konstruování v režimu rychlého konstruování RENG Při tradičním projektování se prototyp vytvoří v úplně poslední fázi vývoje produktu, brzy poté, co se stanoví řešení, zvolí se materiály a dokončí se analýza společně s výběrem konečné varianty. Takovým prototypem je obvykle nákres konečného produktu, podléhající funkčním testům, které mají poskytnout informace ohledně případných technických a technologických úprav, stejně jako ohledně rozsahu, v němž lze vybrat exploatační parametry, a toho, jak by se výrobek měl používat. Obr. 5.2 Vytváření prototypu tradičním postupem [1] Projektování a vyvíjení produktu podle koncepce simultánního konstruování (též nazývané paralelní nebo konkurentní inženýrství) s sebou nenese žádné speciální efekty, pokud jde o fázi vytváření prvního prototypu. V projektové fázi této metody pouze šetříme čas díky paralelnímu vývoji produktu prováděnému meziodvětvovým týmem projektantů, který pracuje v integrovaném síťovém prostředí CAx systémů. Produkt se vyvíjí souběžně v oblastech konstrukce, technologie, plánování výrobního postupu a zásobování materiály nebo polohotovými artikly. Práce týmu projektantů se zakládá na jednotlivých úkolech a provádí se v souladu se stanoveným realizačním plánem projektu. Takový tým má také na starosti porady týkající se změn a úprav v projektové dokumentaci. První prototyp se vytvoří podobně jako v případě tradičního postupu po zvolení konečného konstrukčního řešení. 36

40 Obr. 5.3 Vytváření prototypu postupem simultánního konstruování [1] Rychlé konstruování projektantovi umožňuje vytvářet různé druhy fyzických modelů, které mají podle jeho potřeb prototypické vlastnosti. Takový způsob projektování umožňuje výrobu prototypů ve všech fázích vývoje produktu, od nápadu a koncepce přes úpravy až po konečné řešení. Virtuální geometrický model CAD 3D je nezbytnou podmínkou vytvoření prototypu. Obr. 5.4 Vytváření prototypu postupem rychlého konstruování v rámci CE [1] V současné době se metody využívané ve vytváření prototypů dají rozdělit s ohledem na způsob, jakým se model vytváří, přesnost provedení, stav agregace/použité materiály, nebo konečně s ohledem na uplatnění modelu. Modely lze rovněž rozdělit s ohledem na jejich použití, jako například: ty, které přibližně odrážejí podobu hotového výrobku a zajišťují předběžné ověření tvaru nebo rozměrů, funkční sestávající z některých parametrů přibližných nebo identických s parametry příslušného produktu a umožňující představení potenciálního produktu, hotové součástky vyrobené s použitím RP metod coby řada vzorků, které mají všechny parametry charakteristické pro daný produkt. 37

41 Při určování použití našeho modelu bychom měli zvolit jednu z dostupných metod, stejně jako uvážit materiál (plast, papír, kov, keramický materiál), rozměry, přesnost provedení, konstrukci modelu a výrobní náklady. Obr. 5.5 Klasifikace RP metod s ohledem na použité postupy a materiály [1] 38

42 Obr. 5.6 Klasifikace RP metod s ohledem na použitou konstrukci modelu [1] Pro všechny metody RP je typické, že fungují rychle a výhodně, co se týče nákladů, modelových/vzorových součástek a prototypů; navíc pracují přímo na základě CAD dat a bez použití forem a nástrojů. Můžeme rozlišovat mezi dvěma způsoby rychlého vytváření prototypů prostřednictvím následujícího: laminátový inkrement z konstrukčního plastu, který má zobrazovat geometrický tvar CAD 3D modelu ve fyzickém objektu. Tato třída představuje všechny RP techniky pracující na základě speciálních polymerizovaných materiálů, které se spékají, taví nebo slepují. Nadále tyto techniky budeme nazývat RP techniky. laminátový odpad z konstrukčního plastu, často realizovaný pomocí odpadového zpracovávání (obrábění, elektroerozivní obrábění). Díky používání nástrojů z moderních materiálů, moderních obráběcích technologií a konstrukčních řešení u obráběcích strojů využívaných na HSM vysokorychlostní frézování lze dosáhnout vysoké účinnosti, stejně jako velice přesného zpracování kovů a dalších materiálů. Objekty, které se tímto způsobem vyrobí, mohou sloužit jako vzorové prototypy, nástroje připravené k dotváření (matrice, razítka) nebo formy pro technologie, jako je injekční vstřikování a odlévání plastů. 39