ANOTACE KLÍČOVÁ SLOVA ANNOTATION KEYWORDS BIBLIOGRAFICKÁ CITACE

Transkript

1 ANOTACE Tato bakalářská práce zpracovává přehled technologií Rapid Prototypingu, jejich princip, použití, výhody a nevýhody. Následné využití těchto metod pro malosériovou výrobu forem na odlévání Rapid Tooling. Vyrobené modely těmito metodami slouží k ověření funkčnosti a správnosti konstrukčního řešení. Tyto nové technologie mají za následek celkové urychlení výrobního procesu a tím i snížení nákladů na výrobu. KLÍČOVÁ SLOVA Rychlá výroba prototypů, Rychlá výroba forem ANNOTATION This bachelor work working survey technology Rapid Prototyping, their pricip, using, advanteges and disadvantage. Next using these method for small-lot moulding on casting Rapid Tooling. Made models those methods serves to check functionality and rightness constructional solving. These new technologies have behind consequence general speeding production of the process thereby also cost reduction on production. KEYWORDS Rapid Prototyping, Rapid Tooling BIBLIOGRAFICKÁ CITACE DÍTĚ, P. Prototypová malosériová výroba s využitím Rapid Toolingu. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Daniel Koutný.

2

3 ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci vypracoval samostatně za použití uvedené literatury pod vedením pana Ing. Daniela Koutného. V Brně 10. května 2007

4 PODĚKOVÁNÍ Chtěl bych poděkovat všem, kteří mi pomohli při vypracování této bakalářské práce. Zejména děkuji panu Ing. Danielu Koutnému za odborné vedení a také bych chtěl moc poděkovat zaměstnancům firmy MCAE za výbornou spolupráci při řešení praktické části.

5 Obsah OBSAH ÚVOD 13 1 RAPID PROTOTYPING Co znamená Rapid Prototyping Vznik modelu Základní metody RP Stereolitografie (SL) Selective Laser Sintering (SLS) Laminovací technologie Solid Ground Cudiny (SGC) Fused Deposition Modelling (FDM) Model Maker 3D Plotting (3DP) Ballistic Particle Manufacturing (BPM) Multi JET Modelling (MJM) Přehled metod RP ve stádiu vývoje Laser Engineered Net Shaping LENS Koncepce kontrolované automatické výroby DesCAF Quadra System Electrosetting Material CNC Deposition Metod Přehled metod RP pro přímé nanášení kovových vrstev Inkjet-Based Weld Deposition Masked Deposition Laser Fusing 26 2 VÝROBA FOREM POMOCÍ RAPID TOOLING Co znamená Rapid Tooling (RT) Direkt Soft Tooling Selective Laser Sintering of Sand Casting Molds Direct AIM Indirekt Soft Tooling Arc Spray Metal Tooling Silicon Rubber Molds Castable Resin Molds Castable Ceramic Molds Sádrové formy Metoda vytavitelného modelu Direkt Hard Tooling RapidTool Laminated Metal Tooling Direct Metal Laser Sintering (DMLS) Tooling ProMetal Rapid Tooling Indirekt Hard Tooling D Keltool Ecotool 31 3 VÝROBA FORMY POMOCÍ VYTAVITELNÉHO MODELU Vznik master modelu 32 11

6 Obsah Digitální model Úprava digitálního modelu pomocí programu Magics Úprava digitálního modelu pomocí programu Dimension Výroba modelu tiskárnou Tvorba silikonové formy Tvorba voskového odlitku Tvorba keramické formy a odlitku 39 4 ZÁVĚR 42 5 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY 43 6 SEZNAM OBRÁZKŮ 44 12

7 Úvod ÚVOD V dnešní době, kdy jsou vyvíjeny a zdokonalovány lepší a lepší počítačem řízená obráběcí centra, která používají nejmodernější technologie řízení a výborné obráběcí nástroje z nejnovějších materiálů, tak i přes tyto výhody je stále velmi obtížné vyrobit tvarově složitý model nebo případně formu. Čím je výrobek složitější, tím roste čas potřebný na jeho výrobu a tím pádem stoupají výrobní náklady a tím se i daný výrobek prodražuje. Řešení těchto problémů nabízejí nejmodernější technologie Rapid Prototypig, které umožňují relativně snadnou a hlavně rychlou výrobu reálného modelu z digitálně vytvořených vstupních dat z moderních CAD/CAM systémů. Technologie Rapid Prototyping mají svoje počátky již v osmdesátých letech minulého století, kdy vznikla první metoda RT, která se jmenuje Stereolitografie. Tato metoda zavedla základní princip, který se používá u všech metod RP, jde o nanášení jednotlivých vrstev materiálu na sebe, kdy každá vrstva materiálu odpovídá jednomu řezu digitálního modelu. Tento proces se provádí různými zařízeními, které využívají vlastní technologie a proto vzniklo několik desítek metod RP. Metody se neustále vyvíjí a zdokonalují a také vznikají nové a nové technologie, na kterých pracují odborníci v laboratořích a ústavech po celém světě. Čím dál větší požadavky zákazníků na konstrukční a designérské kanceláře, které měly a mají za úkol splnit složitá zadání, vedly ke zjištění, že nelze pracovat jenom s digitálním modelem v počítači, nebo trávit čas nad množstvím výkresů, ale že je mnohem efektivnější, když se může na daný výrobek sáhnout, pootočit v ruce, podívat se na něj ze všech stran. To vše nabízí technologie RP, které tento fyzický model umožňují vyrobit a tím urychlit odstranění chyb na výrobku a jeho následné vylepšení. Ve fázi, kdy je už model hotový, tak na něm lze vyzkoušet i některé mechanické vlastnosti, protože materiály používané při výrobě velmi časti odpovídají skutečným materiálům a proto mají i podobné mechanické vlastnosti. Velké uplatnění nachází RP v projektech, kdy se pracuje na nějakém projektu sestavy složené z několika dílů, které si můžeme snadno vyrobit a následně odzkoušet jejich funkčnost jako celku, což by bylo za použití běžných konvenčních obráběcích metod velmi složité a nákladné. Zároveň dochází k velkému rozmachu metod, které pomocí RP vyrábí formy na odlévání jak plastových tak i kovových odlitků, tyto metody jsou souhrnně označovány názvem Rapid Tooling. Těchto metod je opět celá řada a využívají různé technologie pro výrobu forem. Většina forem slouží k malosériové výrobě odlitků v řádech několika desítek kusů, což odpovídá zkušební sérii. V některých případech jsou ale formy tak dokonalé, že plně nahrazují vstřikovací formy vyráběné běžnými obráběcími metodami a dokáží vyrobit i několik milionů kusů součástek, než dojde ke zničení formy. Některé z těchto metod budou v následujících kapitolách rozebrány a bude popsán jejich základní princip, výhody, nevýhody a také jejich možnosti využití. 13

8 Rapid Prototyping 1 1 RAPID PROTOTYPING Co znamená Rapid Prototyping Rapid Prototyping (RP) je souhrnný název pro moderní technologie, které umožňují rychlou a levnou výrobu prostorových fyzických modelů z virtuálního digitálního modelu. Tyto technologie využívají různé způsoby nanášení jednotlivých pevných vrstev materiálu na sebe a tím vznikne požadovaný prototyp [1, 2] Vznik modelu V praxi se při výrobě prototypu může postupovat klasickými metodami jako je lití do formy nebo obrábění polotovaru. Přestože i tyto metody dnes už nabízejí propojení s CAD/CAM systémy jejich použití je technologicky velmi náročné a zdlouhavé. Proto je velmi vhodné využít pro tvorbu modelů některou z metod RP. Celý proces vzniku prototypu začíná u výkresu součásti, který může být buď nakreslený v některém z CAD systémů nebo může být načtený prostorovým scannerem, ze kterého jsou data následně transformována do formátu stl, který se dále upravuje podle druhu zvolené metody tisku do takové podoby, aby z výstupních dat těchto programů bylo možné model vyrobit. Na rozdíl od konvenčních metod obrábění, u kterých je materiál z výchozího polotovaru odebírán, je u RP materiál přidáván po vrstvách. Součást je pro výrobu rozdělena pomocí vhodného programu na velké množství jednotlivých vrstev o tloušťce řádově desetin mm. Programy na prohlížení a úpravu digitálního modelu z různých vstupních formátů ( iges, stl, vda, dwg, atd. ) jsou např. : Magic program od firmy Materialisme Spinfire Profesional program od firmy Actify Wiew Expert program od firmy DeskArtes RapidForm program od firmy Rapid Form Jednotlivé vrstvy vytvořené těmito programy mají svůj specifický tvar, který je následně vyroben v zařízeních využívajících některé z metod RP, které budou názorně ukázány a vysvětleny. Metody RP se liší nejen použitím materiálů a výrobních zařízení, ale také v tvorbě opěrného systému, který je důležitou součástí většiny vyráběných modelů. Tímto způsobem lze vyrábět i tvarově složité modely, jejichž výsledné mechanické vlastnosti jsou závislé na použité technologické metodě RP a materiálu, který byl využitý při tvorbě tohoto modelu [1, 2, 3]. Celý cyklus výroby modelu je schématicky naznačen na Obr

9 Rapid Prototyping Obr. 1-1 Etapy rychlé výroby prototypů [1] 1.3 Základní metody RP V průběhu let se prosadilo hned několik technologií, které pracují na principu modelování pomocí postupného přidávání nebo vytvrzování vrstev materiálu. Mezi tyto technologie, které jsou souhrnně označovány termínem Rapid Prototyping patří: 1.3 Stereolitografie (SL) Selective Laser Sintering (SLS) Laminated Object Manufacturing (LOM) Solid Ground Curing (SGC) Fused Deposition Modelling (FDM) Metody Model Maker 3D Plotting (3DP) Ballistic Particle Manufacturing (BPM) Multi-Jet Modelling (MJD) Stereolitografie (SL) Tato metoda dala základ vzniku technologie RP již kolem roku Patří mezi nejstarší, ale i mezi nejpřesnější metody, které jsou dnes k dispozici. Základním principem je vytvrzování fotopolymeru (plastické hmoty citlivé na světlo) leserovým paprskem. V počítači se vytvořený model pomocí softwaru rozdělí na jednotlivé vrstvy, tyto data jsou odeslána do stereografického zařízení. V hermeticky uzavřeném prostoru je umístěna nádobka naplněnou tekutým fotopolymerem. Uzavřený prostor je z důvodu vzniku škodlivých výparů, které vzniknou působením laseru s tekutinou, a také z důvodu velké citlivosti fotopolymeru na světelný paprsek (i sluneční), při kterém dochází k tvrdnutí. Laserový paprsek je přes speciální optiku a zrcadlo směřován přesně na místa určená daty z počítače, kde okamžitě dochází k vytvrdnutí první tenké vrstvy fotopolymeru na pracovní desce. Po dokončení celé vrstvy se pracovní deska posune pomocí hydrauliky směrem dolů přibližně o velikost jedné vrstvy. Shodnost tloušťek

10 Rapid Prototyping jednotlivých vrstev je zajištěna stírací lištou, která setře přebytečnou tekutinu. Tloušťky jednotlivých vrstev se pohybují okolo 0,05 do 0,15 mm. Po setření vrstvy následuje opět vytvrzování laserem, to se opakuje dokud není model kompletní. Ve většině případů není nutné vytvářet podpěry, ty vytváříme pouze když se jedná o slabostěnnou část téměř rovnoběžnou s pracovní deskou. Použitím podpěry odstraníme nežádoucí jevy, které by jinak vznikly, mohlo by např. dojít ke zvlnění prvních vrstev nebo k celkové deformaci modelu [1, 2]. Obr. 1-2 Princip metody Stereolitografie [4] Použití laserového paprsku umožňuje vytváření velmi malých modelů s množstvím detailů, které nejsou pro tuto metodu problém. Můžeme vytvářet nejen modely, ale také při použití správných materiálů (např. PC ABS) formy pro vstřikování. Časová nenáročnost výroby je jeden z hlavních argumentů, proč dát přednost metodě SL před konvenčními metodami výroby modelů. Nevýhodou stereolitografie je relačně pomalý proces dokončovacího vytvrzení polymeru v UV pecích, který může trvat u některých materiálů i několik desítek hodin, v závislosti na velikosti modelu. Problémem je také malá tepelná odolnost modelu a nutnost speciální komory pro skladování z důvodu borcení samotnou vahou modelu [1] Selective Laser Sintering (SLS) Základní princip této metody spočívá v nanášení jednotlivých vrstev práškového materiálu, po kterém následuje spékání prášku laserovým paprskem přesně v místech, jejichž polohu získalo zařízení z dat zpracovaných počítačem. 16

11 Rapid Prototyping Podle souřadnic vypočtených bodů navádí skenovací hlava laserový paprsek nad povrch prášku, který je nasypaný v hermeticky uzavřené pracovní komoře. V ní je udržována teplota těsně pod bodem tavení prášku, tím pádem pak stačí zvýšit teplotu dopadajícího paprsku a dochází v místě působení ke spékání nebo roztavení prášku, tím se docílí kratších časů výroby modelu. Nejčastěji používaný laser je CO 2 o výkonu až 200 W, který se pohybuje rychlostí až 3 m/s a dokáže spojit až 15 mm 3 stavebního materiálu za sekundu. Pak následuje pokles základní desky o tloušťku vrstvy a pomocí nanášecího zařízení je vytvořena další vrstva prášku, která se uhlazovacím válcem zarovná na požadovanou tloušťku, která se pohybuje v rozmezí 0,1 až 0,5 mm, pak opět dochází ke spékání materiálu pomocí laseru. Okolní neosvětlený materiál slouží jako nosná konstrukce [1, 2, 5]. Obr. 1-3 Princip metody Selective Laser Sintering [4] Modely vyráběné touto novější metou jsou na rozdíl od metody Stereolitografie mnohem pevnější, ale mají hrubší pórovitý povrch. V současné době se používá široké spektrum termoplastických materiálů (polyamid, polyamid plněný skelnými vlákny, polykarbonát, polystyren, atd.) nebo speciálních nízkotavitelných kovových slitin z niklových bronzů a polymerů potažených ocelovým práškem. Principielně je možné použít jakýkoliv prášek, který se působením tepla taví nebo měkne [1]. Podle druhu použitého modelovacího materiálu je možno v rámci této technologie rozlišovat metody: Laser Sintering - Plastic Laser Sintering - Metal Laser Sintering - Foundry Sand Laser Sintering - Ceramic (Direct Shelt Production Casting) 17

12 Rapid Prototyping Laser Sintering Plastic Podle toho jaké chceme výsledné mechanické vlastnosti modelu, tak je nutné volit vhodný plastický materiál. Pro použití ve slévárenství je vhodný polystyren, ze kterého se dají vyrobit i tvarově velmi složité modely, které jsou následně zaformovány do slévárenské formy a po nalití tekutého kovu se vytaví. Pokud chceme využít prototyp k funkčním zkouškám a tím pádem chceme, aby prototyp měl výborné mechanické vlastnosti jako např. tvrdost, teplotní odolnost, houževnatost, tak použijeme k vytvoření modelu nylonový materiál [2]. Laser Sintering - Metal Modely se touto metodou vyrábějí ze speciálních nízkotavitelných kovových slitin z niklových bronzů a polymerů potažených ocelovým práškem. Hlavní využití je ale pro výrobu forem, které pak slouží pro vstřikování plastových dílů. Tyto formy mají dostatečnou pevnost a dobré mechanické vlastnosti [2]. Laser Sintering - Foundry Sand Metoda vytváří pomocí speciálně upraveného slévárenského písku, který se laserovým paprskem spéká do té doby než vznikne dokonalá slévárenská forma, která obsahuje vtokovou soustavu, výfuky, rozvodné kanálky a jádra. Jedná se o jednu z nejmodernější metod Laser Sinteringu [2]. Laser Sintering - Ceramic Hlavním materiálem je zde keramický prášek, který se spojuje pomocí tekutého pojiva, k tomu využívá Ink-Jet tryskovou hlavu, která se pohybuje po souřadnicích získaných z počítače. Metoda je vhodná pro výrobu keramických součástek nebo ve slévárenství nachází uplatnění při výrobě forem a jader [2] Laminovací technologie Jak už název napovídá, tak základním stavebním materiálem je laminátová nebo papírová fólie, která se bude za pomocí tepelných (laser) nebo mechanických (nůž) účinků ořezávat na požadovaný tvar. V současnosti se používají dvě laminovací technologie: Laminated Object Manufacturing (LOM) Selective Adhesive and Hot Press (SAHP) Laminated Object Manufacturing (LOM) Přes pracovní desku je odvíjena buď laminátová nebo papírová fólie napuštěná polyetylenem nebo jinou spojovací hmotou. Fólie je k podložce přiválcována soustavou vyhřívaných válců, následuje vyříznutí přesného obrysového tvaru pomocí laserového paprsku. Laserový paprsek vyřízne také obdélník ( nebo čtverec ) větší než je rozměr vyráběné součásti a rozřeže nepotřebný materiál v tomto obdélníku na malé čtverce, aby po dokončení šly snadno rozebrat a odstranit. Následuje navinutí použité části fólie na jeden z válců a tím pádem se dostane nová fólie nad pracovní 18

13 Rapid Prototyping prostor a pak dochází opět ke spojení jednotlivých vrstev vyhřívanými válci. Celý proces se opakuje dokud není model hotový [1, 2]. Vytvořené součástky připomínají svým tvarem povrchu strukturu dřeva. K dosažení dokonale hladkého povrchu je nutné součástku brousit, tmelit a stříkat. Při řezání dochází k uvolňování velkého množství plynů, proto je nutné odsávání a následná filtrace. Metoda je vhodná na výrobu velkých modelů, nevýhodou je ale vznik velkého množství odpadu. Problém také nastává při tvorbě kanálků nebo složitých součástí, kde je obtížnější dostat přebytečný materiál ven z modelu [1]. Obr. 1-4 Princip metody Laminated Object Manufacturing [4] Selective Adhesive and Hot Press (SAHP) Tato metoda je obdobná jako metoda LOM, ale s tím rozdílem, že pro vyřezávání obrysů jednotlivých vrstev se používá čepel ze slinutých karbidů místo laserového paprsku. Pomocí laserové tiskárny se na běžný papír vytisknou křivky, které jsou obrysem modelu v jednotlivých vrstvách. Přitlačením ohřívané desky na papír, který má na sobě vrstvu lepidla, dochází ke spojení s předcházející vrstvou. Následuje vyříznutí obrysových částí čepelí nože upevněného na otočném pohyblivém držáku, který umožňuje pohyb podobný pohybu řezacího plotru. Tuto metodu lze využít nejen v laboratořích a dílnách ale i běžném kancelářském prostředí. Velikost výsledného modelu je omezena laserovou tiskárnou, která dokáže tisknout papíry jen do určité velikosti. Výhodou je použití netoxických materiálů a levná údržba výrobního zařízení. Obě metody vedou řez kolmo k povrchu vrstvy, tím dochází ke schodovité struktuře vnějšího povrchu. Snahou je tento nechtěný jev odstranit zešikmením řezu, který vytváří lepší povrchovou strukturu a tím je model i vzhledově hezčí [1]. 19

14 Rapid Prototyping Solid Ground Cudiny (SGC) Metoda využívá podobně jako technologie SL vlastností fotopolymerní pryskyřice, která tvrdne po ozářením světelným paprskem. Skleněná maska s předlohou je v pracovní komoře ozářena ultrafialovým paprskem a tím dochází ke ztvrdnutí celé vrstvy naráz. Technologii SGC tvoří tři zařízení: kopírka, SL zařízení a NC frézka. Vytváření tělesa probíhá ve dvou oddělených cyklech, které probíhají současně. Nejdříve je vytvořena negativní maska elektrostatickým nanesením barvy na skleněnou destičku, současně se na vyráběnou součást nanese tekutá vrstva fotopolymerní pryskyřice, následuje přesun skleněné desky nad součást a spuštění UV záření. Osvícený fotopolymer ztvrdne, neosvětlený tekutý fotopolymer je odsáván vzduchem a znehodnocen, vzniklý meziprostor je vyplněn tekutým voskem, který ztuhne. Vosk v okolí vytváří podpory. V dalším kroku je povrch celé vytvořené vrstvy zarovnán na požadovanou výšku vrstvy pomocí frézovací hlavy NC frézky a tím je připravený na nanesení další tenké vrstvy tekutého fotopolymeru. Vosková výplň zůstane ve vytvářeném tělese až do konce procesu výroby, potom je chemickou cestou ( např. pomocí kyseliny citrónové) odstraněna [1, 2]. Obr. 1-5 Princip metody Solid Ground Cudiny [4] Pro názornost lze uvést, že výroba dětské přilby o rozměrech 260x180x140 mm trvá tímto způsobem asi 32 hod (24 hod. trvá vytváření modelu, 5 hod. čištění, 3 hod. ruční dokončení) [2]. Výhodou této metody je možnost výroby velmi tvarově složitých součástí s nevýraznou schodovitou strukturou povrchu a možností vyrábět v jedné pracovní komoře více součástek najednou bez podpěr. V dnešní době je ale stále malý výběr použitelných materiálů. Nutností je také hermeticky uzavřená komora, z důvodu použití fotopolymerní pryskyřice citlivé na světelný paprsek [1]. 20

15 Rapid Prototyping Fused Deposition Modelling (FDM) Tato metoda nepoužívá žádný zdroj záření jako je laser nebo ultrafialový paprsek, je založena na principu nanášení (vrstvení) termoplastického matriálu, který je vypouštěn z trysek tiskárny. Při vytváření modelů pomocí technologie FDM, je nejdříve v počítači pomocí softwaru objekt včetně podpěr rozřezán na jednotlivé vrstvy a data o nich odešle přímo do tiskárny. Tam je materiál ve tvaru tenkého drátu o průměru kolem 1,5 mm vtlačován do vyhřívané trysky, která se pohybuje nad pracovním prostorem. V trysce je ohříván na teplotu o 1 C vyšší než je jeho teplota tavení, ta se pohybuje kolem 260 C. Při styku s povrchem vytvářené součástky se vlákna vzájemně spojují a vytváří tak požadovanou tenkou vrstvu (cca 0,2 až 0,5 mm), která ihned ztuhne. Součástka se opět vytváří na nosné desce, tato deska se vždy po dokončení jedné vrstvy spustí dolů o tloušťku této vrstvy. Zařízení obsahuje také druhou trysku, která nanáší opěrný materiál. Nejčastěji používanými materiály jsou: ABS akrylonitril-butadien-styren (P400) oblast výroby funkčních prototypů ABSi methyl-methakrylát (P500) dovoluje sterilizaci gama paprsky pro aplikace v medicíně Elastomer (E20) pro pružné výrobky Vosk (ICW06) pro výrobu vytavitelných modelů ve slévárenství Obr. 1-6 Princip metody FDM [4] Zařízení pracující s technologií FDM mohou být využívána také v běžném kancelářském prostředí, protože obsluha je relativně jednoduchá, nevznikají žádné toxické plyny a nepoužívá laser. Vytvořený model má schodovitou strukturu povrchu a po odstranění podpor vyžaduje povrchové dokončovací operace (broušení, tmelení, stříkání). Na principu technologie FDM pracuje většina tzv. 3D tiskáren [1, 2]. 21

16 Rapid Prototyping Model Maker 3D Plotting (3DP) Tato metoda využívá podobného principu jako metoda SLS s tím rozdílem, že místo laseru, který spékal tepelnou energií termoplastický prášek, se použije tryska s pojivem, které prášek dokáže také spojit. Součást se vyrábí v pracovní komoře, kam se nanáší pomocí dávkovacího zařízení prášková vrstva (např. kysličníku hlinitého), na kterou je vystřelováno z trysky tekuté pojivo (např. kolonoidní silice). Pojivo spojí jednotlivá prachová zrna k sobě a dochází ke ztuhnutí a vytvrzení. Následuje pokles pracovní desky směrem dolů o tloušťku vrstvy, pak se opět nanese základní materiál a celý proces se opakuje dokud není model hotový. V dokončovací fázi je nutné odsát nespojený prášek a očistit prototyp [1, 2]. Obr. 1-7 Princip metod Model Maker 3D Plotting [2] Struktura povrchu takto vytvořených modelů je poměrně drsná a dochází k nechtěnému odrolování povrchové vrstvy. Nutné je mít dobré odsávací zařízení pro odsátí prášku z dutin modelu. Tuto metodu lze využívat i pro kancelářské použití a pro tvorbu velmi tvarově složitých součástek v různých barevných provedeních. Velmi časté použití metody 3DP je pro zhotovení keramických skořepin a forem na výrobu odlitků [1]. 22

17 Rapid Prototyping Ballistic Particle Manufacturing (BPM) Vstřikování stavebního materiálu je zajištěno piezoelektrickým tryskovým systém. Používají se dvě tryskové hlavice, jedna je pro základní materiál nízkotavitelný termoplast a druhá tryska je pro podpůrný matriál vosk. Trysková hlava je namontována na 5ti-osém polohovacím zařízení, které zajišťuje vstřikování pojiva na povrch prototypové součástky. Trysky nanášejí ze zásobníků mikroskopické kapky roztaveného pojiva na požadované místo a okamžitě po dopadu tuhnou. Následuje ofrézování celé vytvořené vrstvy na požadovanou tloušťku a pak se opět může nanášet další vrstva termoplastu. Metoda BPM vyžaduje tvorbu podpěr pro převislé plochy nebo nespojné části modelu, to umožňuje právě vosk, který je nanášen v okolí modelu. Po dokončení modelu dochází k roztavení voskového podpěrného materiálu. Tato metoda dokáže snadno vytvářet tenkostěnné modely, je nenáročná jak na finance tak i na obsluhu a údržbu. Nevznikají žádné toxické odpady ani plyny [1, 2] Multi JET Modelling (MJM) Touto technologií jsou nanášeny na sebe vrstvy termopolymeru, který je vypouštěn ze speciální tiskové hlavy. Tisková hlava je speciální proto, že nemá pouze jednu nebo 2 trysky, ale má jich hned několik set, např. tisková hlava od firmy ThermoJet má 352 trysek uspořádaných rovnoběžně vedle sebe. Každá tryska je samostatně řízena počítačem, který ovlivňuje průtok materiálu. Model se opět vytváří na zvláštní nosné desce podobně jako u Stereolitografie. Protože jsou trysky vedle sebe, tak se tisková hlava pohybuje většinou pouze v jednom směru, ale pokud je vytvářený objekt větší jak šířka tiskové hlavy, tak je nutný i posuv do boku tak, aby bylo zajištěno pokrytí celé vrstvy. Termoplastický materiál je výhodný z důvodu okamžitého ztuhnutí ihned po dopadu na vytvořenou část [2, 3] Obr. 1-8 Princip metody Multi JET Modeling [4] 23

18 Rapid Prototyping Přehled metod RP ve stádiu vývoje I když je na trhu k dispozici velké množství technologických metod pro výrobu prototypových součástí pomocí RP, tak i nadále pracují odborníci na výzkumu, vývoji a ověřování dalších nových metod. Výzkum je zaměřen na nové technologie, které nabízejí nová řešení. Smyslem vyvíjení těchto technologií je zkrácení výrobního času, použití nových materiálů, zvýšení kvality povrchu dokončené součásti a také nízká cena, která je i nadále jedním z hlavních faktorů ovlivňujících tento vývoj [1]. V současnosti se pracuje na vývoji těchto metod: Laser Engineered Net Shaping LENS Technologii má v licenci americká společnost Optomec Design Corp. Hlavní strategií této firmy je přímá výroba kovových funkčních modelů v malých sériích, při použití různých kovových a keramických materiálů. Tato metoda se nadále vyvíjí v univerzitních laboratořích v USA a v Evropě. Princip spočívá v použití velmi výkonného laserového paprsku na roztavení kovového prášku, který je tryskán pod laserový paprsek pomocí dávkovacího zařízení, které je po obvodu hlavice laseru. Laser dosahuje výkonu až 1,4 KW. Rozdíl od ostatních metod spočívá v posuvu pracovní desky místo laserového paprsku, jak bylo zvykem u ostatních metod. Jediný pohyb, který vykonává nanášecí hlava je posuv směrem nahoru po dokončení každé vrstvy. Kovový prášek je chráněn proudem inertního plynu, který se obvykle používá na ochranu roztaveného kovu před atmosférickým kyslíkem pro zachování lepších mechanických vlastností [1]. Obr. 1-9 Princip metody LENS používaný firmou Optomec [4] 24

19 Rapid Prototyping Výhodou této technologie je použití velkého množství druhů materiálu, modely jsou vyrobeny např. z nerezové oceli, titanu, hliníku, mědi atd. Na výběr je ze dvou druhů forem matriálu, je možné koupit buď práškový materiál a nebo tenký drát. Výsledný výrobek má často lepší vlastnosti než výrobek vyráběný běžnými metodami [1] Koncepce kontrolované automatické výroby DesCAF Tato technologická metoda je rozvíjena společností Light Sculpting Inc. Využívá podobné technologie jako metoda SGC, také je zde ozařován fotopolymer pomocí UV paprsku, ale rozdíl je ve vytváření masky, nenanáší se práškovou barvou obrysy elektrostaticky na skleněnou desku, ale jednotlivé předlohy vrstvy se tisknou pomocí laserové tiskárny a pak následuje ozáření fotopolymeru a jeho vytvrzení. Současné vytváření masky a jednotlivých vrstev vede k rychlejší výrobě a tím ke snížení časové náročnosti na vyrobení modelu [1] Quadra System Na trh s touto metou přišla izraelská společnost Object Geometrie Ltd. Technologie jako základní stavební materiál opět využívá fotopolymer. Ten je tryskán ze vstřikovací hlavy na součást, trysková hlava nanáší současně základní materiál a také podpěrný materiál. Po dokončení nanášení je celá vrstva osvětlena UV lampou a tím dojde k vytvrzení fotopolymeru. Snadné odstranění podpěrného materiálu je ošetřeno již v programové části výroby modelu, kdy program dokáže navrhnout podpěry tak aby se spojily se základním materiálem jen částečně a bylo jednoduché je po dokončení oddělit [1] Electrosetting Material Technologii RP Electrosetting Material vyvíjí laboratoř Navy Tailor Laboratory. Využití elektrostatiky při výrobě modelů názorně ukazuje právě tato metoda. Do kapalné lázně je ponořena speciálně tvarovaná elektroda, která využívá elektrostatického pole pro změnu kapalného skupenství na pevné v místě svého použití. K tomu jsou vhodné materiály jako epoxid nebo silikon, které tuto změnu skupenství umožňují [1] CNC deposition Metod Technologie CNC deposition metod je vyvíjena na VUT. Principielně je velice podobná technologii FDM. Hlavní část zařízení je tvořena tiskovou hlavou s revolverovou tryskou upnutou do vřetene CNC frézky. Stavebním materiálem je slévárenský vosk. Hlavní uplatnění nachází ve slévárenství pro výrobu mastermodelů pro technologii vytavitelného modelu. Revolverová tryska slouží ke kladení vrstev různé tloušťky [1]

20 Rapid Prototyping Přehled metod RP pro přímé nanášení kovových vrstev Na výzkumu nových technologií pro výrobu prototypů pomocí nanášení kovových vrstev pracuje několik výzkumných týmů ve specializovaných laboratořích. Na ukázku bude přestaveno několik metod: Inkjet-Based Weld Deposition Masked Deposition Laser Fusing Inkjet-Based Na vývoji této technologie s názvem Inkjet-Based pracuje firma Ince Inc. Tato technologie je velmi podobná metodě BPM a ostatním metodám, které používají pro vytváření modelů fotopolymerní pryskyřice. Rozdíl je v jiném postupu kladení materiálu. Speciální nanášení jednotlivých vrstev spočívá ve využití smíšené eutektoidní slitiny s velkou viskozitou, která je vhodná pro nanášení a spojování vrstev mezi sebou. Způsobem kladení jednotlivých vrstev se podobá technologii FDM [1] Weld Deposition Na této velmi složité technologii spolupracuje několik společností a univerzit, patří mezi ně společnost Babcovo & Wilcox, Nottinghemská Univerzita a Furtská Univerzita. Metoda využívá k nanášení materiálu obloukové svařování, kdy dochází k postupnému navařování jednotlivých vrstev kovového materiálu. Výroba je zajištěna buď robotem nebo polohovacím zařízením. Technologie je ve stádiu vývoje a dosavadní výsledky jsou z technologického hlediska zatím nedostačující a je nutné její zdokonalení [1] Masked Deposition Univerzita v Carnegie Mellon je hlavním výzkumným a vývojovým centrem pro technologii Masked Deposition. Nejdříve je nutné vytvořit papírovou masku, což je papír, do kterého je laserovým paprskem vyřezán obraz, odpovídající jedné vrstvě řezu modelu. Následně jsou tenké kovové vrstvy nanášeny plazmovým stříkáním kovových částic z hořáku přes otvory této papírové masky. Kovové částice ihned po dopadu na předcházející vrstvu tuhnou. Tato metoda se potýká s problém nedokonalého spojení jednotlivých vrstev součásti a vznikem vnitřního napětí [1] Laser Fusing Již dříve zmíněná firma Optomec design Corp se podílí na vývoji také této metody. Princip spočívá v nanášení kovu ve formě prášku na předcházející vrstvy, kde je spojení jednotlivých vrstev zajištěno působením intenzivního impulzu laserového paprsku v ochranné atmosféře inertního plynu. Součástky vyrobené touto metodou mají velmi dobré technicko-technologické charakteristiky a metoda má na rozdíl od jiných metod velmi dobře nakročeno k dalšímu zdokonalení [1]. 26

21 Výroba forem pomocí Rapid Tooling 2 VÝROBA FOREM POMOCÍ RAPID TOOLING Co znamená Rapid Tooling (RT) Jednoduše řečeno je to rychlá výroba forem. Je to činnost, která navazuje na výrobu prototypové součásti (některou z metod RP), kterou chceme následně realizovat se skutečným materiálem a provést zkušební testy na sérii několika desítek kusů tohoto reálného výrobku. Všechny způsoby výroby těchto reálných součásti využívají buď technologie odlévání nebo vstřikování do forem. Proto se je snaha v co nejkratším možném čase vytvořit formy na vytvoření zkušební série dílů, k tomu pomáhají právě metody Rapid Tooling, které jsou založeny na různých metodách Rapid Prototyping [1, 3]. 2.1 Dělení metod RT je následující: Soft Tooling Direkt Soft Tooling Indirekt Soft Tooling Hard Tooling Direkt Hard Tooling Indirekt Hard Tooling 2.2 Direkt Soft Tooling Pro výrobu forem přímým způsobem využívá některé z metod RP. Formy mohou být pouze na jedno použití, protože se musí při rozebrání rozbít, nebo se vyrábějí formy na vstřikování nízkotavitelných plastů a vosků, kde takto vyrobená forma vydrží až 1000 výhozů v lisu. Materiály vhodné pro Rapid Soft Tooling: Produkty "PX" nabízejí kompletní řešení pro výrobu prototypů plastových dílů. Díky mechanickým vlastnostem lze vakuově odlévat prototypy z PE, PP, ABS, PS, PA, POM, PC, a pryže [1, 3] Selective Laser Sintering of Sand Casting Molds Tato metoda využívá pískové formy, která je vyrobena přímo metou Selective Laser Sintering. Jednotlivá písková zrna jsou pokrytá polymerickým lepidlem. Laserový paprsek je pak zaměřen přesně na místa, kde má být v dané vrstvě materiál spojený, následné teplo, které paprsek vyzařuje, spojí jednotlivá zrna do kompaktní formy. Přesnost a povrchová úprava kovových dílů z těchto forem jsou podobná odlitkům vyráběných litím do pískových forem, které se vyrábí běžnými konvenčními metodami. Velkou výhodou je vyrobení kovového prototypu během několika dní [3]

22 Výroba forem pomocí Rapid Tooling Direct AIM Pomocí např. metody SL vytvoříme dutinovou formu z pryskyřičného materiálu, do které můžeme provádět přímé vstřikování termoplastických materiálů. Tato metoda je vhodná pro větší série součástí ( až stovky kusů z jedné formy). Při vstřikování do takto vyrobených forem nejsou na formy kladeny tak náročné podmínky jako při vstřikování do kovových forem. Forma je v tomto případě izolant, tato vlastnost nám umožňuje vstřikování za nižších teplot. Povrch dutiny je hladký, plast dobře zatéká a je proto možné využít nízkotlakého vstřikování. Podmínky při vstřikování, tvarová složitost a typ materiálu mají velký vliv na počet součástek, které umožní tato metoda vyrobit. Nevýhodou těchto forem jsou špatné mechanické vlastnosti, k poškození může dojít již při vyhazování dílu, k tomu dochází při výrobě geometricky složitých dílů. Zvýšení počtu vyrobených kusů lze dosáhnout např. vytvořením niklo-keramického povlaku ve vnitřku dutiny [1, 3, 6] Indirekt Soft Tooling Výroba forem nepřímým způsobem spočívá ve vytvoření master-modelu pomocí některé z metod RP, ten se následně zalije nejčastěji tekutým silikonem (popřípadě nějakým pevnějším materiálem) a po ztuhnutí při pokojové teplotě a vhodném odstranění master-modelu je forma připravená pro odlévání. Takto vyrobené formy jsou vhodné pro výrobu několik desítek kusů odlitků. Pokud chceme vyrobit větší sérii prototypů, tak je nutné vyrobit formu pro vstřikování [1, 3] Arc Spray Metal Tooling Stříkáním kovů na model, vyrobený některou z metod RP, je možné vytvořit velmi rychle vstřikovací formu pro výrobu omezenému počtu prototypových dílů. Elektrický oblouk roztaví kovový prášek, který proudí hrdlem speciální stříkací trysky. Kapičky kovu vytváří na povrchu základního modelu vrstvy o tloušťce přibližně 0,5 mm. Zadní část vzniklé kovové skořepiny je zalita epoxidovou pryskyřicí (slouží jako výztuha), následným vytvrdnutím vzniká první polovina vstřikovací formy. Stejným způsobem vyrobíme i protikus. Vyrobená forma se používá pro vstřikování nízkotavitelných materiálů. Výhodou oproti běžným metodám výroby forem je úspora peněz a času [3, 7] Silicon Rubber Molds V dnešní době nejpoužívanější metoda při výrobě plastových, kovových a keramických dílů, která využívá silikonové formy. Na základní model, který je vložený do nádoby, se připojí licí kanál, vtoková soustava a vyfukovací otvory. Zalije se tekutým silikonem a nechá se vytvrdit tři hodiny v peci na 70 C. Po vytvrdnutí se rozřízne forma v dělící rovině a vyjme se základní model a tím je forma připravená pro odlévání. Materiál, jako je polyuretan, se do této formy lijí ve vakuu, aby se zabránilo vzniku povrchové drsnosti způsobené bublinami, které jsou naplněny vzduchem z okolí. Následuje další čtyřhodinové vytvrzování v peci při 70 C a výrobek je hotový. Výhodou je velmi kvalitní přenesení detailů z modelu na formu díky silikonu, který velmi dobře zatéká i do málo přístupných detailů [3]. 28

23 Výroba forem pomocí Rapid Tooling Castable Resin Molds Podobně jako při výrobě silikonové formy tak i zde je základní model umístěný ve formovací nádobě s dostatečným prostorem. Pryskyřice je natírána nebo lita na základní model, dokud není zaplaven celý model, následuje vytvrzení a vznikne jedna polovina formy. Různé pryskyřice mohou být smíchány s hliníkovým prachem nebo kuličkami a tím se zlepší mechanické a tepelné vlastnosti. Takto vyrobené nástroje jsou schopny odolat 100 až 200 rázům při vstřikování [3] Castable Ceramic Molds Keramický materiál, jehož hlavní složkou je písek, se lije na základní model a tím se vytvoří forma. Spojovací materiály (pojiva) můžou mít různé spojovací vlastnosti v závislosti na příměsích, např. v koloidních silikátových pojivech obsah vody ve směsi může zlepšit srážecí a odlévací vlastnosti. Směs se může odlévat ve vakuu za stálého vibrování, které zlepšuje nabalení materiálu kolem základního modelu [3] Sádrové formy Odlévání do sádrových forem se používá pro vytváření funkčních modelů. Nejdříve je vytvořen silikonový základní model, který zasádrujeme, následně vytvrdnutím vznikne sádrová forma. Roztavený kov se pak lije do sádrové formy, která se po ztuhnutí kovu rozbije. Silikonový model je užívaný jako mezistupeň, protože vzor může být snadno oddělený od sádrové formy, aniž by se poničila [3] Metoda vytavitelného modelu Kromě lití do klasické pískové formy existují ještě dva způsoby výroby formy pro klasické odlévání: Je to jedna z nejdůležitějších metod využití RT. Vzor, který vytvoříme jednou z metod RP, je obvykle z vosku, pěny, papíru nebo dalších materiálů, které mohou být snadno roztavené nebo se vypaří. Tento způsob odlévání je znám pod názvem: Metoda odlévání pomocí vytavitelného modelu. V prvním způsobu výroby je voskový master-model namočen v pojivu a následně oprašován keramickým práškem do té doby, než je vytvořena dostatečná vrstva. Následuje zahřátí keramické formy, aby mohla vytéci náplň. Po vytvrzení keramické formy v peci se může začít odlévat tekutý kov. Druhý způsob je založený na vytvoření polystyrénového modelu opět pomocí některé z metod RP. Použije se např. metoda SLS (CastForm ). Základní model je spojen s licím kanálkem, nálitkem a vtokovou soustavou a jako celek tvoří "strom". Tento polystyrénový "strom" je zasypán slévárenskou formovací směsí. Roztavená ocel je pak odlévana do nádoby skrz licí kanál. Jak kov plní dutinu, polystyrén se vypařuje. Po ochlazení je díl vyjmut a je hotový. Tato metoda je vhodná pro odlévání různorodých kovů jako je titan, ocel, hliník, hořčík a zinek, protože daný proces je ve vakuu a tím pádem nedochází k nechtěné oxidaci. Výsledkem obou metod jsou velmi kvalitní a přesné výrobky s malou drsností a velkou přesností. Oba způsoby jsou ukázkou netrvalých forem [3]

24 Výroba forem pomocí Rapid Tooling Direkt Hard Tooling Hlavním cílem těchto metod je vyrobit kovovou formu pro výrobu několika tisíc kusů součástek tlakový odléváním. V dnešní době se k těmto metodám ubírá největší pozornost, protože vyrobit formu pro tvarově velmi složitou součást je pomocí běžných konvenčních metod velmi složité, proto se stále vyvíjí a zdokonalují nové i starší metody Rapid Tooling, které výrobu takto složitých forem umožňují [1, 3] RapidTool Technologie vyvíjená firmou DTM Corporation slouží pro výrobu kovové formy pro vstřikování plastů. Formy se mohou použít v konvenčních vstřikovacích lisech a vytvářet výrobky z materiálů, které zrovna pro danou součást požadujeme. CAD data jsou posílána do zařízení Sinterstation, které vypouští z trysek polymerický svazek kovových kuliček a společně s metodou SLS vytváří tvar formy. Následuje asi 40 hodin v peci a výsledkem je hotová forma, která má podobné vlastnosti jako hliník. Dokončení formy může být běžným obráběcím strojem. Při vytvrzování v peci dochází asi k 2 % smrštění formy, tento problém je ale ošetřen v programu. Tímto způsobem lze vyrobit formu za dva týdny, což je několikrát rychlejší výroba než konvečními metodami, kterými by to trvalo 6 až 12 týdnů. Dokončená forma je schopna vyrábět až desítky tisíc dílů vstřikovým lisováním, než dojde ke zničení této formy [3] Laminated Metal Tooling Toto je další metoda, která mohla dokázat sliby RT. Princip této metody spočívá ve vrstvení kovových fólií pomoci technologické metody LOM. Fólie mohou být zhotoveny z oceli nebo nějakého jiného materiálu. Pomocí dat získaných z počítače je každá fólie rozřezána na požadovaný tvar pomocí CO2 laseru nebo vodního paprsku. Nakonec se všechny kovové archy spojí a forma je hotová [3] Direct Metal Laser Sintering (DMLS) Tooling Metoda vznikla a nadále se vyvíjí ve firmě EOS. Proces užívá velmi intenzivní laser k přímému spékání kovového prášku. Práškové směsi vhodné pro tuto metodu jsou z bronzu a oceli. Bronz je užívaný pro aplikace, kde nejsou rozhodující silové požadavky. Na slinování bronzového prášku je potřeba organická pryskyřice např. epoxidová pryskyřice. Při použití ocelových práškových směsí je technologie schopna vyrobit ocelovou formu, kde až 95% hustoty tvoří daná ocel a zbytek jsou příměsi. Touto metodou se podařilo úspěšně vyrobit už několik forem, ale i nadále je metoda ve stádiu vývoje [3] ProMetal Rapid Tooling Princip této technologie je založen na metodě 3DP. Jde o vytvoření ocelových forem pro tlakové vstřikování a vytváření rozpustných pěnových vzorů pro vakuové odlévání. Technologie využívá elektrostatickou inkoustovou tiskovou hlavu, která nanáší tenké vrstvy lepidla. Do čerstvé hmoty je nanesena vrstva kovového prachu a 30

25 Výroba forem pomocí Rapid Tooling dochází k ztvrdnutí, takto se proces opakuje, dokud není forma dokončená. Kovový prach ovlivňuje mechanické vlastnosti formy. Při vysokotlakém vstřikování forma odolala tlakům o velikosti 200 MPa [3]. 2.5 Indirekt Hard Tooling Do této kategorie patří všechny metody RT, které vytvářejí kovové formy nepřímou metodou, to znamená, že pro finální výrobu formy je zapotřebí ještě nějakého mezistupně např. užitím silikonového modelu D Keltool Tato metoda je používána a nadále vyvíjena například firmou 3D Keltool TM. Metoda umožňuje vyrábět kovové formy s vysokou životností, kdy jedna forma je schopna vyrobit až 1,5 milionů výlisků pomocí nízkotlakého vstřikování. Master-model je zaformován do silikonové hmoty vznikne měkká forma. Ve druhé fázi se nalije do této měkké formy speciální směs epoxidu a ocelového nebo hliníkového prášku. Po předběžném vytvrzení, kdy model získá dostatečnou tuhost a pevnost, je nutné model vytvrdit ve vypalovací peci, kde při teplotě okolo 1200 C epoxidové pojivo vyhoří a kovový prášek se slinuje. Takto vyrobená forma má velkou výhodu v tom, že kovová vlákna plynule kopírují povrch formy a nejsou přerušená jako v případě použití běžných konvenčních obráběcích metod. Tím je dosažena vysoká životnost forem a ušetření výrobních nákladů [1, 3] Ecotool Vývoj této metody probíhá na dánském technologickém institutu (DTI). Metoda využívá nového typu práškového materiálu s pojidlem pro rychlou výrobu nástroje z RP modelů. Ale jak už název metody naznačuje, směs neškodí životnímu prostředí, protože se při ní používá voda jako rozpouštědlo. Kovová prášková směs se lije do nádoby na polovinu základního modelu a nechá se ztuhnout asi jednu hodinu při pokojové teplotě. To samé se opakuje i pro druhou polovinu formy. Vyjme se základní model a forma se vytvrdí v mikrovlnné peci [3]

26 Výroba formy pomocí vytavitelného modelu 3 3 VÝROBA FORMY POMOCÍ VYTAVITELNÉHO MODELU Vznik master modelu Nejdříve si zákazník vytvoří digitální 3D model odlitku, který chce vyrobit. K tomu může použít celou řadu programů např. Catia, Autodesk Investor, Pro/Engineer nebo další programy na tvorbu 3D modelů. Výstupní formáty z těchto programů jsou např. stl, pdt, iges, step, vda, atd. Takto vytvořený digitální modelse odešle do specializované firmy. Pro praktickou ukázku jsem si vybral firmu MCAE z Kuřimi, která se zabývá prodejem 3D tiskáren a vytvářením modelů pomocí technologií RP a RT Digitální model Vzhledem k přísným autorským právům jsem dostal k dispozici pouze ukázky výsledného master-modelu, silikonové formy, keramické skořepiny, a výsledného odlitku, ale není možné získat digitální model, proto jsem vytvořil v programu Autodesk Invertor 9.0 alespoň trochu podobný 3D model, aby byla ukázka životního cyklu výroby součásti pomocí RT kompletní. Obr Model v programu Autodesk Invertor

27 Výroba formy pomocí vytavitelného modelu Úprava digitálního modelu pomocí programu Magics Ta začíná otevřením zaslaného souboru v programu Magics. Program Magics je software na kontrolu a úpravu digitálního modelu. Dokáže odhalit chyby při tvorbě v konstrukční kanceláři, konstruktér totiž vytváří model skládáním základních tvarů (válec, kvádr, atd. ), které různě upravuje (dělá rádiusy, úkosy, vytváří díry, atd. ), následuje skládání dílu na díl a další operace běžné při konstruování a výsledkem je model, který vypadá na povrchu dokonale, ale pro tisk pomocí RP je nevhodný. Nejčastější chyby, které program dokáže odhalit a následně opravit jsou nesprávné konstrukce vnitřně nespojené části, dále pak invertované vazníky, není vidět co je dno, atd. Tyto opravy je schopen program udělat zcela automaticky nebo můžeme chyby opravovat sami krok za krokem. Lze také pomocí úprav měnit částečně tvary. Výsledkem je dokonale uzavřené objemové těleso bez chyb, které by ovlivnily 3D tisk. Po těchto úpravách se může přejít k převedení do formátu stl, což je výstupní ( může být i vstupní ) formát z tohoto programu Obr Model v programu Magics [8] 33

28 Výroba formy pomocí vytavitelného modelu Úprava digitálního modelu pomocí programu Dimension Následuje zpracování formátu stl programem dodávaným přímo k dané 3D tiskárně. V našem případě bylo použito zařízení od firmy Dimension, která ke svým zařízením dodává i svůj program Catalyst. V tomto programu se nejdříve musí zvolit typ tiskárny, která je připojená k počítači ( může jich být i několik najednou ). Je nutné nastavit tloušťku vrstvy 0,24 mm nebo 0,33 mm a jestli chceme vytvořit plný model nebo jen mřížovitou strukturu uvnitř modelu, což je velmi výhodné z hlediska šetření nákladů na výrobu modelu, materiál není sám o sobě tak drahý, pohybuje se kolem 10 kč za cm 3, nejdražší je ale hodinová práce tiskárny, která se pohybuje kolem 500 kč/hod., takže pokud nepotřebujeme model příliš pevný a záleží nám na finančních nákladech, tak je to výborná volba. Následuje umístění modelu na virtuální podložku, která má velikost pracovní plochy v tiskárně. To znamená, že je přímo vidět, kolik místa model zabírá a jak je prostor využitý. Určí se orientace modelu tak, aby tvorba modelu byla co nejlepší z hlediska nanášení jednotlivých vrstev, které ovlivňují mechanické vlastnosti výrobku. Pokud např. se bude chtít vytisknout tužka, která je orientována kolmo k podložce, tak se vytvoří kruhovité vrstvy nalepené na sobě, výsledná tužka bude mít sice krásně hladký povrch, ale bude velmi náchylná na příčný lom, oproti tomu, když se tužka umístí vodorovně a vrstvy budou podélně, tak povrch sice nebude moc hladký, ale zato tužka bude mnohem pevnější. Tyto vlastnosti se musí uvážit při určení polohy modelu. Obr Model v programu Catalyst [8] 34

29 Výroba formy pomocí vytavitelného modelu Následuje spuštění funkce, která model rozřeže na jednotlivé vrstvy o tloušťce, kterou jsme si zvolili. Pak vytvoří systém podpor, které podpírají funkční části, pod nimiž je prázdný prostor. Potom si program vytvoří přesné trasy, po kterých se bude pohybovat tisková hlava. Po dokončení těchto operací je možnost si prohlédnout jednotlivé vrstvy,kde se červeně zobrazují problematická místa, většinou jsou to příliš ostré hrany, které tiskárna není schopna vyrobit z důvodu většího rádiusu vytékající hmoty z tiskové hlavy než je námi zvolený rádius, proto je nutné vzít slabší trysku nebo model orientovat do takové polohy, aby se dal model vytisknout bez problémů. Program také zobrazí, jaká bude spotřeba základního a podpůrného materiálu a jak dlouho bude výroba trvat. Program dokáže také zobrazovat informace o aktuálním stavu tisku na jednotlivých tiskárnách kolik bylo spotřebováno materiálu, jak dlouho trvala výroba, kolik materiálu ještě zbývá nanést, za jak dlouho bude model dokončen a za jak dlouho se bude muset doplnit materiál. Pokud jsme se vším spokojeni a jsme si jisti, že chceme model vytisknout, tak uložíme data do zdrojového kódu ve formátu chb, který pak odešleme na tiskárnu. Tím práce v tomto softwaru končí, protože tiskárna má vlastní procesor a paměť a vše už si řídí sama. Obr Model včetně podpor v programu Catalyst [8] 35

30 Výroba formy pomocí vytavitelného modelu Výroba modelu tiskárnou V našem případě bylo použito zařízení od firmy Dimension, jedná se o tiskárnu Dimension SST 1200, která využívá pro tisk technologii FDM. Základní vlastnosti tiskárny Dimension BST 1200: - velikost modelovacího prostoru (X, Y, Z) - max. 203 x 203 x 305 mm - použitelné materiály od firmy Stratasys: - ABS (Acrylonitrile-Butadiene-Styrene) - ABSi (Methylmethacrylate Acrylonitrile-Butadiene-Styrene) - PC (Polycarbonate) - PPSU (Polyphenylsulfone) - tloušťka vrstev je 0,254 mm a 0,33 mm - kazeta s ABS modelovacím materiálem (922 cm3) - kazeta s materiálem podpor (922 cm3) Obr Tiskárna Dimension SST 1200 [10] Zvolené vlastnosti: - Typ materiálu: ABS ( protože nebude velké mechanické zatěžování) - Tloušťka vrstvy: 0,254 mm - Plný materiál Výstupní vlastnosti: - Objem základního materiálu: 118,51 cm 3 - Objem podpůrného materiálu: 28,65 cm 3 - Doba výroby: 9 hod. 13 min. - Cena za 1 cm 3 základního a podpůrného materiálu: 10kč - Cena za základní materiál: 1185 kč - Cena za podpůrný materiál: 286 kč - Cena za práci stroje: 9*500 = 4500 kč - Celkové náklady: přibližně 6000 kč Ceny jsou pouze orientační, protože každá firma má jiné cenové nabídky [8, 10]. 36

31 Výroba formy pomocí vytavitelného modelu Obr Master model z tiskárny Dimension SST 1200 Po dokončení je nutné odstranit podpory, které jsou tvořeny buď materiálem ABS s příměsí, která způsobuje horší vlastnosti podpůrného materiálu, ale na druhou stranu způsobuje snadné odlomení od modelu, nebo jsou z materiálu rozpustitelného vodou, což je velmi výhodné při vytváření vnitřních dutin se špatnou dostupností. 3.2 Tvorba silikonové formy Vyrobený master model se použije pro vytvoření silikonové formy. Master model se nejdříve musí opravit a doladit pomocí tmelů, aby měl dokonale hladký povrch. Pak se na modelu utěsní (třeba plastelínou) místa, která nemají byt zaplavena silikonem, položí se do hranaté nádoby, přidají se vtokové a výfukové kanálky. Následuje důkladné rozmíchání silikon-kaučukové směsi M44O od firmy Wecker [9]. Směs se nalije do nalévací nádobky vakuového licího stroje. Byl použit vakuovaní licí stroj MK Mini od firmy MK technology. Vloží se krabice s formou a po důkladném uzavření se odsaje vzduch, vznikne vakuum. Výhodou je odsátí vzduchu nejen z pracovní komory, ale také z tekuté směsi. Tím se zbavíme všech bublin, které jsou v tekutině a byly by také ve formě, což by způsobovalo zhoršení vnitřní struktury a třeba dutá místa v podobě bublin u povrchu formy. Nyní je forma odlitá, napustí se vzduch do komory a po vyjmutí se nechá forma vytvrdnout na vzduchu asi 24 hodin. To stejné se opakuje i pro další dvě části a pak je forma kompletní

32 Výroba formy pomocí vytavitelného modelu Obr Vakuová komora MK Mini od firmy MK technology Obr Silikon-kaučuková forma 38

33 Výroba formy pomocí vytavitelného modelu 3.3 Tvorba voskového odlitku V peci se rozpustí vosk s označením Core wax od firmy Bleyson z Anglie přibližně na teplotu 107 o C. Tento vosk je vyrobený speciálně pro výrobu forem pomocí vytavitelného modelu [11]. Důležité je, vyhřát také silikon-kaučukovou formu asi na 80 o C, aby vosk neztuhl hned při prvním kontaktu s formou, která by měla teplotu kolem 25 o C a tím by se ucpaly průtoky a vosk by nezatekl do všech míst, což by mělo za následek vyrobení zmetkového kusu. Když se nahřeje forma a vosk, tak se vše vloží do vakuové komory a opět se vysaje vzduch a může se nalít vosk do formy. Vosk ve formě tuhne na vzduchu při běžných podmínkách asi 24 hodin. 3.3 Obr Voskový odlitek 3.4 Tvorba keramické formy a odlitku Tato forma patří do skupiny netrvalých forem, které jsou pouze na jedno použití. Nejdříve se k voskovému modelu přilepí nebo připájí vtoková soustava, která je také z vosku. V další fázi výroby se voskový komplet střídavě namáčí v pojivu a následně posypává keramickým ostřivem, dokud nevznikne dostatečná tloušťka obalového materiálu. Nejčastěji používaná žáruvzdorná ostřiva v práškové formě jsou: - oxid hlinitý - Al 2 O 3, bod tavení 2040 o C - zirkon - ZrSiO 4, bod tavení 2095 o C - mullit - 3Al 2 O 3* 2SiO 2, bod tavení 1855 o C V našem případě se použil zirkon, protože oxid hlinitý by reagoval s hliníkovou taveninou, která má být odlévána. Jako pojivo byl použit kolonoidní vodní roztok SiO 2, známý pod názvem hydrosol. Po dokončení dostatečně silné vrstvy se vytaví vosk z keramické formy v peci vyhřáté na min. teplotu 750 o C, tato vysoká teplota je nejvhodnější, protože vytváří dostatečně velký tepelný ráz, díky němuž se vosk rychle vytaví a forma může volně dilatovat. Skořepinová forma zbavená vosku musí podstoupit ještě žíhání v rozmezí teplot o C [12]

34 Výroba formy pomocí vytavitelného modelu Obr Keramická forma Do takto vyžíhané a vyhřáté formy se lije roztavený kov, v našem případě se jednalo o slitinu hliníku. Po zchladnutí se skořepinová forma rozbije, odstraní se vtoková soustava a odlitek je hotový. Obr Hliníkový odlitek 40

35 Výroba formy pomocí vytavitelného modelu Je důležité říci, že každý takto vyrobený kus je originál. Přesné lití pomocí vytavitelného modelu je výhodné pro svou vysokou přesnost a výborný povrch, kde se drsnost povrchu pohybuje kolem 1,6. Je možné vyrábět v podstatě libovolně složitý odlitek. Tento způsob výroby odlitků je vhodný pro špatně obrobitelné materiály, jako je např. hliník, který byl použitý i v našem případě. Je nevhodný pro velkosériovou výrobu, kdy se vyrábí řádově desítky tisíc kusů odlitku, protože je tento způsob výroby velmi časově náročný [12]. Obr Všechny modely Na Obr je názorně vidět, jaké modely se při výrobě musely vyrobit, aby vznikl finální hliníkový odlitek. Kdyby všechny výrobní operace postupovaly za sebou bez příliš dlouhých prodlev, které by nebyly technologicky nutné, tak by doba výroby takového odlitku trvala přibližně týden. Ovšem každý další odlitek by pak trval přibližně jen 2 dny, protože už by se vytvářel jen voskový model a skořepinová forma a po odlití bychom měli hotový odlitek. Z těchto údajů je názorně vidět, že tento způsob výroby forem je jen pro malosériovou výrobu v desítkách kusů, protože časová náročnost na vyrobení jednoho kusu je poměrně velká. 41