STUDIE VHODNOSTI VYUŽITÍ 3D TECHNOLOGIE PRO PROJEKT SPECIALIZOVANÉ CENTRUM PRO APLIKOVANOU SIMULACI A VIZUALIZACI

Transkript

1 STUDIE VHODNOSTI VYUŽITÍ 3D TECHNOLOGIE PRO PROJEKT SPECIALIZOVANÉ CENTRUM PRO APLIKOVANOU SIMULACI A VIZUALIZACI Vypracoval: V Ústí nad Labem 09/2014 Ing. Roman Vaibar, Ph.D., MBA Ing. Pavel Koníř, MBA DRAKISA s.r.o., sídlo firmy: Varvažov 210, Telnice tel , pavel.konir@drakisa.cz, IČ: , DIČ: CZ , registrace: Krajský soud v Ústí nad Labem, oddíl C, vložka 32509

2 Obsah 1.Předmět studie Technologie 3D tisku - přehled Popis a principy technologie RapitTooling Stereolitografie Laser sintering Fused deposition modelling PolyJet D printing Finanční část Přehled 3D technologií Finanční analýza využití technologie 3D printu Shrnutí Alternativní využití finančních prostředků D Projekční technologie Projekční technologie Projekce s využitím TV Finanční porovnání variant Shrnutí Strana 2 z 19

3 Seznam tabulek Tabulka 1 Charakteristiky pro Stereolitografii vlastní zpracování na základě informačních materiálů firmy Materialise... 7 Tabulka 2 Přehled 3D tiskáren Tabulka 3: Náklady - 3D projekce Tabulka 4: Náklady - Projekce Tabulka 5: Náklady - Projekce s využitím TV Tabulka 6: Finanční porovnání projekčních technik vhodných pro vizualizaci Seznam ilustrací Obrázek 1 Stereoritografie zdroj 4 Obrázek 2 Stereolitografie zdroj 5 Obrázek 3 Laser sintering zdroj 8 Obrázek 4 Selective Laser Sintering zdroj 9 Obrázek 5 Fused Deposition Modelling zdroj 11 Obrázek 6 Fused deposition modelling zdroj 11 Obrázek 7 PolyJet zdroj 13 Obrázek 8 Selective Laser Sintering zdroj 15 Strana 3 z 19

4 1. Předmět studie Předmětem studie je posouzení vhodnosti 3D technologií pro realizaci projektu Specializované centrum pro aplikovanou simulaci a vizualizaci, pro České Vysoké učení technické v Praze, Fakulta dopravní, pracoviště Děčín. 2. Technologie 3D tisku - přehled 2.1 Popis a principy technologie RapitTooling Stereolitografie Princip stereolitografie je založen na popisu 3D dat kdy výrobek je po jednotlivých vrstvách od spodku k vršku, vytvrzován pomocí laserového paprsku v lázni s tekutým polymerem. V případě přesahů a dutin ve výrobku je automaticky vytvořena podpěrná struktura, která je posléze z výrobku odstraněna. Obrázek 1 Stereoritografie zdroj Sterolitografický stroj je tvořen počítačem kontrolovaným zdrojem laserového paprsku, lázni s tekutým polymerem, pohyblivou podporou a pohyblivý shrnovač polymeru. Tekutý polymer je vytvrzen osvitem laserovým paprskem, poté je pohyblivá podpora posunuta níže a shrnovačem polymeru je nanesena další vrstva polymeru, tento postup se opakuje do té doby, než je vytvrzen celý výrobek. Strana 4 z 19

5 Obrázek 2 Stereolitografie zdroj Po celkovém vytištění je výrobek vyjmut z polymerové lázně, jsou z něj odstraněny podpůrné struktury a je vystaven dalšímu zdroji UV světla pro další zpevnění. Stereolitogrie je vhodné řešení pro: - díly s hladkými plochami a jemnými detaily, - vizuální prototypy pro fotografování, testování vhodnosti výrobku a kontroly 3D návrhu, - prototypové výrobky s omezenou funkcionalitou, - výrobu vzorů pro následné technologie používané k výrobám kopií vakuové lití, odlévání do forem pomocí vstřikování, - pokovování dílů, - malosériová výroba dílů se složitou geometrií. Výhody strereolitografie - rychlost výrobek je možné vytvořit do 2 dní, - vysoká přesnost a vysoká kvalita povrchu, - funkčnost dílu, - reprezentativní výrobky pro pohledové testování, Strana 5 z 19

6 - rozměrová variabilita od nejmenších částí až po palubní desky v automobilech, - různý stupeň dokončení, - široké spektrum použitelných materiálů. Použitelné materiály Při stereolitografii je možné použít širokého spektra materiálů, které dokáží vyhovět náročným požadavků na povrchovou úpravu možnost pískování, lakování, pokovování případně použití jako vzorů pro vakuové lití. Polymerové pryskyřice, které jsou základem používaných materiálů jsou citlivé na vzdušnou vlhkost a toto je třeba při použití dílů vzít v úvahu. - Poly1500 materiál s obdobnými vlastnostmi jako polypropylén, použitelný jako průmyslové plasty vhodný pro pevné, funkční prototypy v oblastech automobilových prvků, zdravotnických výrobků, elektrotechnické kryty atd. - TuskXC2700T/ Tusk2700W vhodný pro pevné, vodě odolné prototypy s vlastnostmi jako PBT (polybutylen terephtalate) a ABS např. díly pro testování obtékání vzduchem i vodou - Flex70B extrémně ohebná pryskyřice s vlastnostmi podobné gumě, vhodné pro výrobky z oblasti automobilového průmyslu testování mechanických vlastností např. respirační masky, katetry, těsnění, podložky. - NeXt extrémně odolná pryskyřice vhodná pro velmi přesné díly geometricky složité s jemnými detaily s dobrou odolností proti vlhkosti a tepelnými vlastnostmi např. ideální pro funkční části jako rotory, spojky, krytky, části přístrojových desek atd. - Protogen White vhodný pro obecné použití v aplikacích vyžadující vlastnosti podobné ABS plastům např. odolné modely konceptů, velmi přesné části atd. - Xtreme pryskyřice s velkou pevností, odolností při protažení a výbornou kvalitou povrchu vhodné např. odolné kryty, náhrada frézovaných dílů, přesné smontovatelné díly. - NanoToll pryskyřice s vysokou teplotní odolnosti a velkou tuhostí vhodné pro aerodynamické testy v automobilovém průmyslu, pro pokovování, kde část posléze přebírá vlastnosti kovu jak z elektrického hlediska tak mechanického hlediska. NextDay stereolitografie Firma Materialise s.r.o. nabízí možnost použití NextDay stereolitografije již od roku 1997, při použití této technologie je možné do 24 hodin (v případě objednávky do 12 hodin) po celé Evropě obdržet prototyp. Strana 6 z 19

7 Z důvodu vystavení dokončení a doručení výrobku do 24 hodin logicky vyvstávají omezení na použití této technologie. Omezení se týkají zejména rozměrových přesností a možnosti stupně dokončení. NextDay stereolitografické stroje pracují s přesností 0,15 mm oproti 0,1 mm v klasické stereolitografie. Oproti klasické stereolitografii je pro nanesení další vrstvy pryskyřice použit rezervoár pryskyřice a rychlým pohybem tohoto rezervoáru je nanesena další vrstva, tato patentována technologie dramaticky snižuje čas potřebný k nanesení další vrstvy. Mammoth stereolitografie V případě výroby rozměrově velikých výrobků, které se vyskytují a jsou žádané v automobilovém průmyslu např. palubní desky a nárazníky, je vhodné díl vytvořit v jediném kusu. Mammoth streolitografie dovoluje vytvořit díl až do rozměru 2 m. S využitím stejné technologie nanášení pryskyřice jako v NextDay strojích dochází ke kombinací vytváření rozměrově velkých dílů v krátkém čase nebo je možné vytvářet mnoho výrobků v jednom produkčním kroku. Technické specifikace Stereolitografie NextDay Standard Mammoth Tloušťka vrstvy 0,15-,02 mm 0,1-0,15 mm 0,15 mm Přesnost +/-0,2% min+/-0,2mm +/-0,2% min+/-0,2mm +/-0,2% min+/-0,2mm Maximální rozměr dílu 650x650x450 mm 500x500x580 mm 2100x680x800 mm Stupeň dokončení Základní Hladký na A/B straně na vyžádání Hladký na A/B straně na vyžádání Doba nutná k realizaci 24 h 2-5 dní 4-8 dní Tabulka 1 Charakteristiky pro Stereolitografii vlastní zpracování na základě informačních materiálů firmy Materialise Kvalita povrchu Bez dokončení závisí na orientaci výrobku pro vytváření. Je možné použít různé stupně dokončení od drsného povrchu závislého na orientaci výrobku bez dokončení až po tzv. Hi- Gloss povrchová úprava vzniklá lakováním opracovaného dílu Laser sintering Technologie laser sinteringu (spékání pomocí laseru) muže být použita v průběhu celého vývojového cyklu výrobku od vytvoření prvotního náhledu, po funkční prototyp případně vytvoření malé série výrobků. Strana 7 z 19

8 Celý prostor kontejneru obsahující prášek je nahřát na teplotu blízkou teplotě sklovatění materiálu, laserovým paprskem je v daném místě teplota sklovatění překročena a v daném místě vznikne spečená pevná část. Pro následující krok je nanesena nová vrstva prášku. Výrobek je tímto způsobem vystaven vrstvu po vrstvě. Laser sintering je vhodný pro vytváření velkého množství výrobku či pro série výrobku v rozsahu či více. Obrázek 3 Laser sintering zdroj Obrázek 4 Selective Laser Sintering zdroj Strana 8 z 19

9 Vhodné použití Laser sintering technologie plně funkční prototypové části s výslednými mechanickými vlastnostmi porovnatelné s odlévanými částmi, - série malých součástí jako nákladově efektivní varianta k odlévaným částem, - velké, tvarově a funkční části do rozměru 700x380x580 mm v jednom díku, - vytváření jedinečných, tvarově složitých 3d návrhu vytvářených v malých sériích, každá část může být shodně funkční ale je možná změna např. loga. Výhody - rychlost, - ekonomické důvody relativně levné, - odolné výrobky a funkčnost výrobků, - velké a tvarově složité části, - přímá výroba koncových výrobků maloseriová výroba, - možnost různého stupně dokončení, - lze vytvořit vodě odolné díly. Technické specifikace Doba nutná k realizaci minimálně 4 pracovní dny v závislosti na rozměrech části, počtu částí a stupně dokončení, v případě malých částí je možné snížit dobu na 2 pracovní dny. Standardní přesnost - ± 0,3 %, mim ± 0,3 mm. Minimální tloušťka stěny 1 mm, funkční ohyby jsou možné 0,3 mm. Maximální rozměr části 700x380x580 mm v jednom kuse, případné větší části je možné spojit slepením menších částí. Povrchová úprava z technologie mají části granulovaný povrch, ale je možné provést různé stupně dokončení od pískování, lakování, impregnování. Materiály - Polyamid (PA) - prášek je dostatečně pevný a z tohoto důvodu v průběhu tvorby výrobku není třeba vytvářet podpěrnou strukturu jako je nutné při stereolitografii. Polyamidový materiál dovoluje vytvářet plně funkční prototypové výrobky s vysokou mechanickou a tepelnou odolností. Polyamidové části mají také dlouhodobou stabilitu, jsou odolné vůči Strana 9 z 19

10 chemikáliím, mohou být upraveny impregnací k vytvoření vodě odolných částí. Je možné vytvořit části certifikované pro potravinářství a zdravotně nezávadné výrobky. - Glass filled polyamid (PA-GF) - polyamidový prášek s příměsí skla, které výslednému výrobku dodává lepší odolnost proti teplu vhodný pro funkční části vystevené tepelnému zatížení. - Alumide polyamidový prášek s příměsí hliníku, která dodává výsledným výrobkům kovový nádech, neporézní povrch částí a části jsou odolné vůči velmi vysokým teplotám Fused deposition modelling Technologie fused deposition modelling vytváří výrobek přímo z 3D. Nanášecí hlava kontrolovaná teplotou roztavuje termoplastický 1 materiál, který nanáší vrstvu po vrstvě. Jako zdroj dat pro tuto technologii je STL soubor, s rozdělením vrstev o síle 0,127 0,254 mm. Podpůrná struktura je vytvářená v průběhu tvorby výrobku pomocí materiálů, který je vodou rozpustný. Po vytvoření celého výrobku je podpůrná struktura odstraněna ve vodní lázni. Výhodou této technologie je možnost vytvořit jakýkoliv myslitelný tvar, výsledné výrobky jsou velice mechanicky odolné a stálé. Lze přímo ověřit použitelnost materiálů neb při této technologii jsou použité plasty používané pro následnou standardní sériovou produkci. Je možné funkční testování prototypových částí a výsledné části jsou velice přesné. Obrázek 5 Fused Deposition Modelling zdroj 1 Materiál, který se roztaví při překročení určité teploty a ztuhne při poklesu pod tuto teplotu, vlastnosti materiálu nejsou tímto procesem ovlivněny Strana 10 z 19

11 Obrázek 6 Fused deposition modelling zdroj Technické specifikace Doba nutná k realizaci 4-5 pracovních dní. Tloušťka vrstvy 0,13 0,25 pro materiály ABS, 0,18-,25 pro materiály ABSi a PC, 0,25 pro PPSU materiály. Minimální tloušťka stěny 1 mm, funkční ohyby jsou možné 0,3 mm. Maximální rozměr části 600x500x600 mm v jednom kuse, případné větší části je možné spojit slepením menších částí. Materiály Fused Deposition Modelling používá realně používané termoplastové materiály typu ABS, Polycarbonáty a PPSU. - ABS prototypy mají pevnost až na úrovni 80% materiálů používaných při odlevání. - ABSi je ABS materiál s velkou pevnostní odolností, jedná se o polopropustný materiál. - ABS-M30 je o 25-75% pevnější než standardní ABS materiál a dovoluje vytvářet realistické funkční výrobky s hladkými povrchy a geometricky složitými detaily. Strana 11 z 19

12 - PC-ABS je směs polykarbonátu a ABS plastu kdy je dosaženo pevnosti polykarbonátu a pružnosti ABS materiálu. - ULTEM 9085 je termoplast který je pevný, lehký a ohni vzdorný materiál, dovoluje vytvářet výrobky pro prostředí s požadavky na odolnost proti ohni např. v leteckém průmyslu PolyJet Princip technologie PolyJet je nanášení velice tenké vrstvy (16µ) polymerů pomocí inkoustové technologie tvrzení ultrafialovým zářením. Model opět vzniká nanášením jedné vrstvy za druhou do doby, než je vytvořen celý díl. Z důvodu velice tenké vrstvy je možné vytvářet modely s velmi tenkými stěnami (0,6mm) a velice jemnými detaily. Podpůrná struktura je tvořena materiálem podobným gelu, který je velice snadno odstranitelný buď přímo odtržením, případně ve vodní lázni. PolyJet technologie je vhodná pro - vizuální modely s jemnými detaily a hladkými plochami, - jakoby gumové prototypy s různými hodnotami tvrdosti neb tvrdost materiálu je závislá na intenzitě osvitu ultrafialovým paprskem, - vzory pro další technologie kopírování dílů jako je např. vakuové lití. Technické specifikace Doba nutná k realizaci 2-4 pracovní dny Přesnost 0,1 0,3 mm závisí na tvaru, orientaci tištěného modelu Maximální rozměr části 500x400x200 mm Povrchová úprava základní dokončení brusným papírem, příprava vzorů pro vakuové lití. Materiály - Objet FullCure 720 materiál pro obecné použití dovoluje vytvářet modely s velkým rozsahem použitelnost splňující i dotykové vlastnosti - Objet VeroWhite materiál pro obecné použití bílé barvy - Objet TangoBlack pružný gumě podobná pryskyřice se vhodnými mechanickými vlastnostmi - Objet TangoBlackPlus pružný gumě podobná pryskyřice s větší odolností při protažení, tuhosti a velké odolnosti k přetržení. Strana 12 z 19

13 Obrázek 7 PolyJet zdroj D printing Základem této technologie je standardní technologie inkoustových tiskáren, kde pomocí klasických inkoustových hlavic je nanášeno lepidlo do lepidlem tvrzeného prášku vrstvu po vrstvě. Po nanesení vrstvy je doplňovacím mechanizmem nanesena další vrstva prášku a tento postup je opakován do té doby, než je celý model vytvořen. Tloušťka jednotlivé vrstvy je 0,1 mm. Z důvodu možnosti barvení jednotlivých lepidel je možné použít klasický barevný model RGB 2 a je tedy možné produkovat i plně barevné modely. Z důvodu křehkosti takto vzniklého modelu je třeba model posléze napustit speciálním lepidlem, které celkový model zpevní. Vhodné použití - Architektonické modely staveb s detaily jak uvnitř budov tak okolí, - GIS-modely modely krajin, center měst, - Modely konceptů první náhledy na prototypový výrobek bez požadavků na mechanické vlastnosti. 2 Strana 13 z 19

14 Výhody - rychlost - model je vytvořen standardně během 3 pracovních dní, - barevnost model je přímo tisknut v barevném RGB modelu, - ekonomická vhodnost při porovnání s tradičními metodami tvorby podobných modelů. Obrázek 8 Selective Laser Sintering zdroj Technické specifikace Doba nutná k realizaci minimum 3 pracovní dny. Přesnost 0,2 % 0,2 mm. Tloušťka vrstvy 0,1 mm. Maximální rozměr části 254x381x203 mm. Povrchová úprava z principu technologie je povrch granulovaný, pro větší pevnost je třeba model následně impregnovat čímž model získá větší pevnost. Materiály - ZP131 materiál s velice věrnou barevnou přesností, - ZP150 materiál s vylepšenou barevnou přesností, Strana 14 z 19

15 - existuje materiál použitelný pro 3D print technologie s vlastnostmi podobných gumě se zachováním barevnosti. 3. Finanční část 3.1 Přehled 3D technologií Označení Technologie Orientač ní cena Rozměry pro tisk RepRap FDM x Prusa x 100 mm DeeGreen 4 FDM x 150 x 150 mm Objet Pro Polyjet x 200 x 150 mm Zcorp 510 3D printing x 356 x 203 mm Zcorp 650 3D printing x 381 x 203 mm Eden Polyjet x 250 x 250 mm Tabulka 2 Přehled 3D tiskáren Vhodné použití Samonosné modely, jednobarevné Samonosné modely, jednobarevné 3D tisk bez omezení kombinace různých materiálů Architektonické plnobarevné modely, bez omezení na 3d tvar Architektonické plnobarevné modely, bez omezení na 3d tvar 3D tisk bez omezení kombinace různých materiálů 3.2 Finanční analýza využití technologie 3D printu Vis samostatný soubor InvestmentAnalysyForHPStudy.xls ve které je nadefinován: - nákladový model postaven na mzdových nákladech pracovníka, a materiálové nákladovosti tisknutých produktů - příjmový model postaven na definovaném příjmu z jednoho kusu a růstu počtu vytvořených produktů za rok. Je možné určit potřebný počet vytvořených produktů pro definovaní potřebného příjmu pro akceptovatelnosti investice Strana 15 z 19

16 3.3 Shrnutí Na základě shrnutí představené v Tabulce 2 Přehled 3D tiskáren je patrné, že vyčleněné finanční prostředky je možné použít pro 3D tiskárny postavené na technologie FDM, které ale v přestavovaných dodávaných verzí mají stále velká omezení týkající se zejména tisku plně 3D objektů. Z důvodu patentových nelze využít plně technologie FDM, která v profesionálních 3D tiskárnách využívá tisku podpůrné struktury. Z předloženého průzkumu je patrné, že vyčleněné finanční prostředky v projektu nejsou efektivně využitelné pro vhodnou technologie 3D tisku. Pro využití vyčleněných prostředků ve výši Kč cca jsou prezentována Alternativní využití finančních prostředků. 4. Alternativní využití finančních prostředků Vyčleněné finanční prostředky projektu na pořízení 3D tiskárny ve výši Kč bude možné využít pro vizualizaci vhodnějším způsobem a to pořízení některé z projekčních technik. Projekční technologie můžeme rozdělit na 3D projekci, Projekci, Projekci s využitím TV. Projekční techniky přináší oproti 3d tisku následující možnosti: rychlá změna vizualizovaného objektu změna vizualizace je provedena pomocí změny ve vizualizované 3D scéně, zobrazení různě velikých objektů přiblížení, oddálení opět plně ovladatelné pomocí vizualizace 3D scény, veliké zobrazovací plochy, příprava 3D scény plně v rukách uživatelů nevznikají více náklady, spojené s chybnou funkcí 3D tiskárny, neodbornou obsluhou při přípravě modelů, údržbou tiskárny. 3D Projekční technologie 3D projekční technologie může být tvořena pomocí následujících variant: 1) V této variantě jsou použity fyzicky 2 projektory, které vysílají signál pro 3D projekci, 2) V této variantě je využit projektor, který přímo umí vysílat 3D scénu. Strana 16 z 19

17 Je možné využít přední případně zadní projekci, v závislosti na možnostech prezenčního místa. Popis Očekávaná cena Projektor 3D ,- Projekční plátno x 1145 mm 2 690,- 3D brýle 9 1 kus a 1800,- 10 ks ,- Varianta 3D projektor celkem ,- Projektor klasický 10 1 kus ,- a 2 ks ,- Projekční plátno x 1145 mm 2 690,- Konstrukce pro umístění projektorů ,- Varianta 2 projektory ,- Tabulka 3: Náklady - 3D projekce Projekční technologie Klasické zobrazení pomocí projektoru s využitím klasického obrazu. Je možné využít přední případně zadní projekci, v závislosti na možnostech prezenčního místa. V této variantě je možné využít podobná zařízení jako v předchozích 3D projekcích s tím že budou vyjmuty náklady spojené s 3d projekcí jakou jsou 3d brýle, speciální konstrukce pro 2 projektory. Popis Očekávaná cena Projektor 3D ,- Projekční plátno x 1145 mm 2 690,- Varianta projekce celkem ,- Tabulka 4: Náklady - Projekce Projekce s využitím TV Projekce na několik TV zároveň, které jsou obhospodařované zobrazovacím zařízením. Výsledný obraz je složen na jednotlivých TV obrazovkách. V této variantě je nutné vzít do úvahy, že součástí musí být dostatečně vybavené počítačové zařízení schopné obsluhovat např. 4 výstupní zařízení. Pracovní stanice využívající 2 grafické karty, které jednotlivě dokáží obsloužit 2 zobrazovací zařízení Strana 17 z 19

18 Popis Očekávaná cena Zobrazovací zařízení typu pracovní stanice ,- TV obrazovky s vhodným rozměrem 14 4x , ,- Konstrukce na uchycení TV obrazovek ,- Celkem ,- Tabulka 5: Náklady - Projekce s využitím TV Finanční porovnání variant Varianta Očekávan é náklady Projekční rozměr Vhodnost Mobilita Varianta projekce , x 1145 mm 2d scény Ano Varianta 2 projektory , x 1145 mm 3d scény, komplikované skládání obrazu Ano komplikovaně Varianta 3D projektor , x 1145 mm 3d scény bez omezení Ano Projekce s využitím TV , x 1848 mm 2d scény Ne Tabulka 6: Finanční porovnání projekčních technik vhodných pro vizualizaci Uvedený přehled shrnutý v Tabulka 6: Finanční porovnání projekčních technik vhodných pro vizualizaci si neklada za cíl bezezbytku popsat možnosti dnešních dostupných projekčních technik, jedná se o představení jednotlivých možností s tím, že hlavním omezení jsou vyčleněné finanční prostředky ve výšši ,-. Z předloženého přehledu je patrné, že finanční prostředky jsou dostatečné pro libovolnou z prezenčních technologií. Výběr finální technologie se muže zabývat následujícími parametry: je možné vytvořit systém prezentace takový, aby byl mobilní - klasické 3D. 5. Shrnutí Z jednotlivých shrnutí prezentované v Tabulka 2 Přehled 3D tiskáren a Tabulka 6: Finanční porovnání projekčních technik vhodných pro vizualizaci je možné vytvořit případnou kombinaci 3D tiskárny a vizualizačního zařízení. Například následující kombinace: 3D prezenční systém 14 Strana 18 z 19

19 Varianta Varianta 3D projektor Očekávané náklady Projekční rozměr Vhodnost Mobilita , x 1145 mm 3d scény bez omezení Ano 3D tiskárna Označení Technologie Orientační cena DeeGreen 15 FDM ,- Rozměry pro tisk Vhodné použití 150 x 150 x 150 mm Samonosné modely, jednobarevné Ing. Roman Vaibar Ph.D., MBA v Ústí nad Labem dne roman.vaibar@drakisa.cz 15 Strana 19 z 19