VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING ÚSTAV STROJÍRENSKÉ TECHNOLOGIE INSTITUTE OF MANUFACTURING TECHNOLOGY MOŽNOSTI UPLATNĚNÍ MODERNÍCH METOD PŘI VÝROBĚ PROTOTYPOVÝCH ODLITKŮ POSSIBILITIES OF APPLICATION OF MODERN METHODS IN THE PRODUCTION OF PROTOTYPE CASTINGS BACHELOR'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Daniel Ulm Ing. Petr Cupák, Ph.D. BRNO 2016

Zadání bakalářské práce Ústav: Ústav strojírenské technologie Student: Daniel Ulm Studijní program: Strojírenství Studijní obor: Základy strojního inženýrství Vedoucí práce: Ing. Petr Cupák, Ph.D. Akademický rok: 2015/16 Ředitel ústavu Vám v souladu se zákonem č.111/1998 o vysokých školách a se Studijním a zkušebním řádem VUT v Brně určuje následující téma bakalářské práce: Možnosti uplatnění moderních metod při výrobě prototypových odlitků Stručná charakteristika problematiky úkolu: Popis a zhodnocení metod použitelných pro výrobu prototypových odlitků Cíle bakalářské práce: Doporučení metod výroby slévárenských modelů, forem a jader pro výrobu prototypových odlitků. Technické a ekonomické zhodnocení jejich použitelnosti. Seznam literatury: DMLS: Direct Metal Laser Sintering. DMLS [online]. 2007 [cit. 2012-05-16]. Dostupné z: http://www.dmls.cz/ Electron Beam Welding. Laser welding [online]. [cit. 2012-05-16]. Dostupné z: http://physicsnobelprize.net/ebw.html 3D tiskárna. 3D tisk, Rapid Prototyping, 3D modely, 3D tiskárna [online]. 2010 [cit. 2012-05-17]. Dostupné z: http://www.3dtiskarna.cz/ Palm, W.: Rapid Prototyping Primer. Department of Mechanical and Nuclear Engineering [online] 1998, 2002 [cit. 2012-05-16]. Dostupné z: http://www.me.psu.edu/lamancusa/rapidpro/primer/chapter2.htm Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické v Brně / Technická 2896/2 / 616 69 / Brno

Termín odevzdání bakalářské práce je stanoven časovým plánem akademického roku 2015/16 V Brně, dne L. S. prof. Ing. Miroslav Píška, CSc. ředitel ústavu doc. Ing. Jaroslav Katolický, Ph.D. děkan fakulty Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické v Brně / Technická 2896/2 / 616 69 / Brno

ABSTRAKT Tato práce se zabývá technologií Rapid prototyping a jejím využitím ve slévárenství. Je rozdělena do dvou základních částí. V první části jsou rozebrány základní principy vybraných metod technologie Rapid prototyping. Druhá část se zaměřuje na přímé a nepřímé výroby slévárenských forem, včetně aplikací metod Rapid prototyping. Klíčová slova Rapid prototyping, slévárenství, prototyp, moderní metody ABSTRACT This thesis deals with technology of Rapid prototyping and its application at foundry industry. It is split into two parts. There are basic priciples of selected methods of Rapid prototyping technology discussed in the first part. Second part is focused on direct and indirect production of foundry molds, including application methods of Rapid prototyping. Key words Rapid prototyping, foundry industry, prototype, modern methods BIBLIOGRAFICKÁ CITACE ULM, Daniel. Možnosti uplatnění moderních metod při výrobě prototypových odlitků. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2016. 35 s., Vedoucí bakalářské práce Ing. Petr Cupák, Ph.D.. 4

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Možnosti uplatnění moderních metod při výrobě prototypových odlitků vypracoval samostatně s použitím odborné literatury a pramenů, uvedených na seznamu, který tvoří přílohu této práce. V Brně dne 24.5.2016 Ulm Daniel 5

PODĚKOVÁNÍ Děkuji tímto panu Ing. Petru Cupákovi za cenné připomínky a rady, které mi poskytl při vypracování bakalářské práce. Dále bych chtěl poděkovat panu Ing. Radku Šlajsovi, ze společnosti METOS v.o.s., a mému otci Ing. Stanislavu Ulmovi za velké množství praktických informací. 6

OBSAH Abstrakt... 4 Prohlášení... 5 Poděkování... 6 Obsah... 7 Úvod... 8 1 Rapid prototyping... 9 1.1 Proces... 10 1.1.1 Preprocessing... 10 1.1.2 Processing... 10 1.1.3 Postprocessing... 11 1.2 Metody... 11 1.2.1 Stereolitografie... 11 1.2.2 Selective Laser Sintering... 14 1.2.3 Fused Deposition Modelling... 16 1.2.4 Laminated Object Manufacturing... 18 2 Rapid prototyping a jeho využití ve slévárenství... 20 2.1 Přímá výroba forem... 21 2.1.1 Přímá výroba pískových forem a skořepin... 21 2.1.2 Přímá výroba keramických forem a skořepin... 22 2.2 Nepřímá výroba forem... 23 2.2.1 Metoda vytavitelného modelu (Lost Wax)... 23 2.2.2 Metoda vypařitelného modelu (Lost Foam)... 27 2.2.3 Metoda spalitelného modelu (Replicast)... 28 2.2.4 Lití do skořepinových forem... 29 Závěr... 30 Seznam použitých zdrojů... 31 Seznam použitých zkratek... 34 Seznam obrázků... 35 7

ÚVOD Technologie Rapid prototyping je snadnou a efektivní moderní metodou výroby prototypových modelů. Je to velice rychle se rozšiřující technologický postup využívaný v mnoha odvětvích, jako jsou strojírenství, lékařství, umění, věda apod. Velké oblibě se těší z důvodu zrychlení výroby prvního funkčního prototypu. To znamená, že doba mezi zadáním zakázky a dodáním funkčního prototypu by měla být co nejkratší. Prototypy by neměli být jen co nejrychleji vyrobeny, ale zároveň by měli mít i požadovanou kvalitu. Ve slévárnách se tato metoda používá zejména u složitých tvarů modelů, které není možné vyrobit levnějším způsobem a u takových modelů, které by ani jinými konvenčními metodami vyrobit nešli. Příklad formy pro výrobu takto složitého výrobku můžeme vidět na Obr. 1. Hlavním důvodem, proč slévárny nekupují stroje pro tuto technologii, je jejich vysoká cena. Pokud si slévárna takový stroj pořídí, je nutné, aby pracoval pokud možno nepřetržitě, což zvyšuje nároky na vývojové oddělení firmy. Z tohoto důvodu se některým slévárnám vyplatí zasílat tyto ojedinělé složité zakázky do zahraničních tiskáren. Obr. 1: Ukázka tvarově složité formy vyrobené pomocí sinteringu [1] 8

1 RAPID PROTOTYPING Rapid prototyping můžeme nejlépe popsat jako rychlý vývoj prototypu. Jedná se o moderní metodu, která se těší stále větší a větší oblibě. Lze ji využít v mnoha průmyslových odvětvích a oblastech života jako je například medicína, architektura, umění, marketing apod. Pokud chceme uznávanou definici, tak jde o všechny technologie automatizující proces výroby trojrozměrných celistvých objektů z původních materiálů. Můžeme také říci, že se jedná o soubor technologií výroby prototypů pomocí 3D-tisku přímo na základě 3D dat. Podstatou Rapid prototypingu tedy je, že počítačový model vytvořený v CAD systémech je rozřezán do tenkých vrstev. Prototypy jsou následně vytvářeny v 3Dtiskárně vrstvením materiálu, kde na již dříve vytvořené vrstvy přidáváme nové. Po zhotovení výrobku pouze odpojíme podpory, vyndáme ho ze stroje a odstraníme přebytečný materiál, popřípadě uskutečníme další povrchové úpravy, natřeme atd. Vytvořené prototypy jsou využívány především k představě o vzhledu a zástavbě do stroje, ale můžeme vytvořit také funkční modely, master modely pro lití kovů, hotové díly, atp. Hlavní výhodou je, že může být produkován téměř jakýkoliv tvar prototypu, s časovou úsporou 50 90% oproti konvenčním metodám. Chyby a nedostatky mohou být detekovány již v raném stádiu výroby. Sestavy je možné vytvořit na jeden zátah. Pro celou metodu není třeba využívat žádné další nářadí a designer nemusí být na shodném místě jako stroj. Další výhodou je redukce odpadu na minimum. [2] 9

1.1 Proces Samotný proces je rozdělen na 3 základní části: První z nich se nazývá Preprocessing. Jedná se o sérii operací, prováděnou před samotným procesem výroby. Druhá etapa se nazývá Processing. Zde jde o samotný proces výroby. Třetí etapa se nazývá Postprocessing. Jak napovídá název, mluvíme zde o operacích, které je třeba udělat po samotném procesu výroby. 1.1.1 Preprocessing V této etapě se budeme pohybovat převážně ve vývojovém oddělení. Znamená to tedy, že se jedná o fázi přípravy. Nejprve je nutné vytvořit počítačový model v některém CAD systému. Tento model můžeme následně převést do formátu STL, se kterým je stroj schopný pracovat. Hovoříme tu o převodu objemových dat na polygonální. Model v STL formátu je složen z mnoha trojúhelníků. Tyto trojúhelníky jsou aproximovány s přesností, kterou je možné si zvolit. Čím hustší síť trojúhelníků, tím dostaneme přesnější tvar výsledné součásti. Je třeba si uvědomit, že není možné z formátu STL dostat návrh součásti zpět do objemových dat. Následně přichází na řadu kontrola, zda je vše převedeno správně, popřípadě nastalé chyby opravit. Jako další krok je nutné model horizontálně rozdělit do několika řezů s danou tloušťkou. Tloušťka je daná velikostí kroků stroje, nebo je volena z intervalu hodnot, jež jsou dány tloušťkou materiálu. Posledními operacemi v této etapě je přidání potřebných podpor pro geometrické tvary, u kterých by mohlo dojít k zhroucení, a generace drah pro stavěcí proces. Dále nutnost vymyšlení vhodného rozložení součástí, jedná-li se o menší součásti, kterých se do stroje vejde více, tak aby byl prostor využit co nejlépe. U některých metod tisku je to obzvláště důležité vzhledem k nevyužitému materiálu. [3] [4] 1.1.2 Processing V této fázi probíhá hlavní výroba součásti. U většiny strojů jde o proces automatizovaný, z čehož vyplývá, že není třeba přítomnost školené osoby. Výrobní proces je časově náročný. Čas výroby je závislý na použité technologii a velikosti vyráběné součásti. [3] [4] 10

1.1.3 Postprocessing V poslední etapě již máme hotový produkt, který je ovšem stále ve stroji. Je tedy nutné výrobek ze stroje vyjmout a následně odstranit přebytečný materiál, jímž jsou například podpory. Následně je možné vykonat dokončovací operace pro zlepšení vlastností produktu. Mezi dokončovací operace se řadí například napuštění tvrdidlem, broušení, očištění, vytvrzení v UV peci apod. [3] [4] 1.2 Metody 1.2.1 Stereolitografie První metodou, se kterou přišla americká firma 3D Systems, Inc., již v roce 1988 je Stereolitografie (SLA). Jde o nejpřesnější metodu, která dokáže na základě postupného vytvrzování fotopolymeru pomocí UV laseru, vyrobit velmi přesné a detailní produkty. Fotopolymer je plastická hmota citlivá na světlo. Získáme ho procesem fotopolymerizace. SLA metoda je nejrozšířenější metodou v technologiích RP. Laser je zaměřován optickou soustavou na základě dat z počítače na hladinu polymeru, pod níž se nachází nosná deska. V počítači jsou též vypočítány řídící údaje, které následně vedou skenovací hlavu v souřadnicích XY nad nádobou s polymerem. Jednotlivé vrstvy jsou vytvořeny vytvrzením tekutého polymeru tímto laserem. V místě dopadu laseru je pryskyřice vytvrzena a platforma se posune dolů ve směru osy Z. Po tomto kroku nůž zarovná hladinu pryskyřice pro dodržení tloušťky vrstvy. Toto se opakuje několikrát, dokud není vytvrzena poslední vrstva. Z uvedeného vyplývá, že ozařování přesným laserem ovlivňuje kvalitu povrchu. Nedostatečné ozáření způsobuje de-laminaci a nadměrné naopak zkroucení. Ozařování by mělo mít takovou intenzitu, aby proniklo do předešlé vrstvy. Vytvarování tekutého polymeru po vrstvách a následným odebráním z nosné desky vzniká daný model. [2] [3] [5] [8] [9] 11

Obr. 1.2.1: Schéma metody SLA [2] Vliv vlhkosti: Pryskyřice bývají náchylné na zvýšenou vlhkost. To následně zpomaluje rychlost fotopolymerizace. Nedotvrzené díly v takovémto prostředí měknou. V praxi jsou všechny SLA stroje udržovány v klimatizovaném prostředí. Výhody a nevýhody metody: Vysoká přesnost Kvalitní povrch Rozsah velikosti objemů modelů Široký výběr materiálů Uživatelská podpora Rychlost procesu modelování 12

- Nutnost použití dokončovacích operací - Nutnost použití podpor - Viditelné krokování vrstev - Nákladnost velké vany s pryskyřicí - Horší povrch bočních ploch Obr. 1.2.2: Výrobek zhotoven pomocí metody SLA [10]. 13

1.2.2 Selective Laser Sintering Selective Laser Sintering (SLS) je metoda, která využívá podobně jako Stereolitografie technologii laserového paprsku. Přídavný materiál je ovšem nanášen na nosnou desku po vrstvách nanášecím válcem. Nad jednotlivými vrstvami přejede skenovací hlavice v osách XY, která laserovým paprskem prášek speče. Prášek je uložen ve vaně. Při každé další vrstvě nosná deska klesne o hodnotu odpovídající hloubce vrstvy. Velkou výhodou této metody je, že není třeba podpor, neboť okolní nespečený prášek slouží jako nosná konstrukce. Princip výroby je obdobný s metodou Stereolitografie, kde se jedná o vykreslování jednotlivých vrstev modelu. Po dokončení procesu se model vyjme a očistí od zbylého prášku. Je možné využít prakticky jakýkoliv materiál, který se působením tepla taví nebo měkne. Využívají se materiály, jako jsou polyamid, polycarbonát, polystyrén, povlakovaný ocelový prášek atp. Paprsek spéká do určitého tvaru slévárenský písek (Laser Sintering Foundry Sand), kovový (Laser Sintering Metal), nebo plastový prášek (Laser Sintering Plastic). Plastový prášek slouží k přímé výrobě plastových modelů. Vlastnosti těchto modelů závisí na zvoleném plastickém materiálu. Kovový prášek se používá obdobně k výrobě modelů kovových. Slévárenský písek slouží k výrobě klasické pískové formy pro následné odlévání kovových modelů. Nepoužitý materiál se recykluje. [3] [5] [8] [9] Obr. 1.2.3: Schéma metody SLS [6] 14

Obr. 1.2.4: Schéma metody SLS [6] Výhody a nevýhody metody: Široké spektrum materiálu Není nutné následné vytvrzení Rychlý čas výroby Není třeba použití podporných struktur Výroba ekologicky nezávadných dílů - Kvalita povrchu - Potřeba úprav po dokončení výroby - Nemožnost vytvořit duté uzavřené modely - Smrštění prášku po spečení - Omezený pracovní objem - Vysoký odpad nepoužitého materiálu - Vyšší vstupní energie 15

Obr. 1.2.5: Výrobek zhotoven pomocí metody SLS [11] 1.2.3 Fused Deposition Modelling Pojem Fused Deposition Modelling (FDM) označuje metodu konstrukce 3D modelů nanášením vrstev pomocí trysky. Jedná se o kompromis mezi odolností modelu, rychlostí a přesností výroby. Při modelování v CAD systémech je objekt rozřezán pomocí tzv. Slice-Software. Zásadou je, že tenké povrchové vrstvy se vytváří nejdříve. Výsledný produkt má poté dobrou povrchovou drsnost. Tryska s otvorem o velikosti přibližně 0,3 mm pohybující se pouze v rovině XY, je vyhřívaná a vychází z ní materiál s o stupeň vyšší teplotou než je jeho teplota tavení. Po tomto spojitém nanášení vlákna se nové vlákno spojí s dříve naneseným a vytváří tenkou plochou vrstvu. Po nanesení jednotlivé vrstvy se nosná deska, na které je model tvořen, posune o hodnotu hloubky vrstvy ve směru osy Z. Důležitým faktorem je zde materiál, kterým je zcela netoxický termoplast nebo vosk. Navíc se zde nepracuje s laserovými přístroji. Díky tomu je tuto metodu možné použít v běžných prostředích, jako jsou kancelářské místnosti. Obecně lze použít jakýkoliv materiál, který se při zahřívání taví a při následném zchlazení tuhne (polymery, kovy). Každá vrstva struktury ovšem musí být vytvořena spolu se sdruženou vrstvou, jež jí podporuje. Problém zde opět nastává u vrstev vnějších, kde je nutné využít podpůrný systém. Nejčastěji se jedná o konstrukci z lepenky či polystyrenu. [3] [5] [8] [9] 16

Obr. 1.2.6: Schéma metody FDM [2] Výhody a nevýhody metody: Jednoduchý proces Nízká cena stroje i prototypů Běžné prostory z důvodu netoxických materiálů Možnost v průběhu výroby měnit materiál Není nutný post-processing Snadné ukončení Dobrá povrchová drsnost Výroba barevných modelů - Nutnost použití sdružených podpůrných vrstev - Vnější plochy potřebují podpůrnou konstrukci - Hrubá struktura modelu - Nevhodné pro tenkostěnné malé objekty 17

Obr. 1.2.7: Výrobek zhotoven pomocí metody FDM [12] 1.2.4 Laminated Object Manufacturing Laminated Object Manufacturing (LOM) je metodou RP na pevném základu. Je vhodná zejména pro rychlejší zhotovení modelů než u ostatních metod. Model je sestavován z vrstev papíru, jež jsou dále napouštěny zpevňující hmotou, nebo z plastových folií. Základním principem výroby modelů metodou LOM je vrstvení lepivého materiálu na svisle se pohybující základnu. Jako další přichází na řadu vyhřívané válce, které přitlačí novou vrstvu na předchozí a působením tepla dojde ke slepení obou vrstev. Laserovým paprskem poté vyřežeme požadovaný obrys. Zbylá folie je také rozřezána laserem na čtverce a tyto přebytečné vrstvy jsou odstraněny až po úplném dokončení modelu. Po zhotovení vrstvy se podložka posune dolů o tloušťku folie. Tento proces se opakuje až do zhotovení součásti. Materiálem používaným pro tuto metodu býval pouze papír, který je ovšem po zhotovení nutné natřít lakem nebo barvou, aby model nebyl poškozen vlhkostí. Dnes jsou používány i jiné materiály jako vodě odolný papír, plastové pásky nebo kovové pásky. Model má po zhotovení vlastnosti podobné dřevu. Pro dosažení lepšího povrchu je nutné opracování. Největší nevýhodou této metody je zbytkový rozřezaný materiál, ze kterého se stává nevyužitelný odpad. [5] [9] Obr. 1.2.8: Výrobek zhotoven pomocí metody LOM [13] 18

Obr. 1.2.9: Schéma metody LOM [2] Výhody a nevýhody metody: Nevyžaduje tvorbu podpor Široké spektrum materiálů Vysoká přesnost Rychlost procesu Využitelnost pro pískové formování - Nutnost mechanického odstranění okolního materiálu - Velké množství odpadu - K dosažení hladkého povrchu je nutné opracování - U složitých modelů problém s odstraněním přebytečného materiálu - Celistvost tenkých stěn může být problematická 19

2 RAPID PROTOTYPING A JEHO VYUŽITÍ VE SLÉVÁRENSTVÍ Technologie RP nám v dnešní době umožňuje výrobu jednoho odlitku jako originálu bez nutnosti zhotovení modelového zařízení. Na celý tento proces potřebujeme, zejména u složitých odlitků, zlomek času oproti konvenčním metodám. Metody pro výrobu kompletní formy jsou založeny na sinteringu. Nejčastěji jsou tiskárny využívány pro tvorbu modelu nebo jader. Ty jsou poté užívány pro klasické technologie lití. Metodou RP se vyrábí zejména tvarově složité jaderníky s jinak obtížnou vyrobitelností. Podle velikosti stroje a metody lze vytvářet různý počet jader najednou. Další možností využití RP je pro výrobu formy pro daný funkční odlitek, na kterém lze poté vykonat všechny potřebné zatěžkávací zkoušky. Je tak možné odhalit chyby v konstrukci dříve, než se vytvoří složité a časově náročné modely konvenčními metodami. V České Republice metody RP ještě nejsou dostatečně rozšířené, z důvodu vysoké nákupní ceny strojů pro tuto technologii. Největším problémem po koupi nové 3D tiskárny, je zejména zpočátku nashromáždit dostatek dat, které budeme stroji dodávat. Pro firmy je důležité po koupi, aby stroj byl zásobován daty z konstrukčního oddělení a byl neustále v provozu. V opačném případě se, při jeho vysoké ceně, provoz nevyplatí. [14] 20

2.1 Přímá výroba forem Přímou výrobou forem označujeme výrobu trvalých nebo netrvalých forem některou z metod RP. Tyto formy jsou následně používány k přímému odlévání železných či neželezných kovů. Kromě forem je samozřejmě možné zhotovovat jádra i skořepiny. Touto metodou je možné vytvořit celou formu pouze z počítačového modelu odlévané součásti. Přímou výrobou nazýváme zhotovení jednorázové formy přímo v tiskárně nebo modelu, který až následně slouží k vytvoření pískové formy, což umožňuje odlití více kusů z jednoho modelu. [15] 2.1.1 Přímá výroba pískových forem a skořepin Již při popisu metody SLS jsme se setkali s postupem kdy přímo z křemičitého materiálu vzniká spékáním hotový produkt 3D tiskárny. Model výrobku v digitální podobě je rozdělen na dvě poloviny. Každá z těchto polovin slouží pro výrobu jedné poloviny pískové slévárenské formy. Metody RP je možné použít pro výrobu složitých jader. Postupným nanášením a spékáním písku je možné vytvořit složité tvary s několika jádry. Při výrobě jader klasickým způsobem by tato operace mohla trvat daleko déle, než při vytvoření stejného počtu jader metodou RP. Další výhodou je možnost opravy návrhu zcela jednoduchým změněním výchozích CAD dat, po kterém stačí opakovat proces tisku. Přímou výrobou forem se zabývá firma ExOne, která vyrábí stroje pro aplikaci metody Binder Jetting. Tato metoda je velmi podobná metodě SLS, ale místo laserového spékání se používá tisková hlava nanášející pojivo, kterým je písek spojován. Tato firma nabízí systémy používající převážně dva druhy materiálů, jimiž jsou furan a phenol. Každý materiál potřebuje jiný systém s jinými nutnými prvky. Phenolové formy je potřeba po vytisknutí vytvrdit. Pro tuto operaci je třeba využít mikrovlnnou technologii. Výsledný produkt ovšem může mít tenké a přesto dostatečně silné stěny. Společnost ExOne nabízí svůj největší systém Exerial s cenou přibližně 2 miliony euro. Tento systém je schopný vytvořit produkty o rozměrech 2200x1200x700mm v každém ze svých dvou boxů. Rychlost výroby se pohybuje od 300 do 400 L/h v závislosti na druhu materiálu. Velkou výhodou tohoto přístroje je, že po vyjetí jednoho boxu s hotovými výrobky, může v druhém boxu být opět tisknuto. Odpadá tedy prodleva při vyndávání výrobků z boxu. Dalším strojem v nabídce je velmi povedený stroj S-Max ve verzi Phenol nebo Furan. Systém S-Max je schopný zhotovit produkty o rozměrech 1800x1000x700mm rychlostí od 60 000 do 85 000 cm^3. Nevýhodou oproti Exerialu je absence druhého boxu, avšak jeho cena je řádově dvakrát nižší. Oba nabízené stroje pracují na bázi spékání písku vrstvu po vrstvě. Touto metodou je možné vytvářet prakticky jakékoliv 21

tvary forem. Jediný problém nastává s uzavřenými dutými částmi, kde by nebylo možné odstranit přebývající písek. [14] [1] Obr. 2.1.1: Systém S-Max firmy ExOne [1] 2.1.2 Přímá výroba keramických forem a skořepin Technologie využívající kombinaci 3D tisku a SLS se nazývá Direct Shell Production Casting (DSPC). Tato technologie pracuje na bázi keramických prášků a speciálních pojiv. Pro výrobu forem a skořepin je třeba prášky a pojiva nanášet tryskovou hlavou vrstvu po vrstvě a následně slinovat laserem. Tvary formy jsou navrženy na základě počítačového modelu součásti. Nutným krokem před odlitím kovů do takto vytvořené formy je vytvrzení v peci pro vznik pevné skořepiny, která odolá vysokým teplotám kovu. Keramický materiál není jediným, jež lze použít pro metodu DSPC. Dalšími možnými materiály mohou být karbidy křemíku, oxidy hliníku, zirkonu, křemene apod. Materiál formy vybereme podle materiálu odlévaného výrobku. Výhodou metody je možnost zhotovení tvarově složitých produktů s jemnými detaily a výbornou kvalitou povrchu. [15] [16] 22

2.2 Nepřímá výroba forem Nepřímá výroba forem je z hlediska rozvoje RP první možnou výrobou prototypového odlitku, kvůli omezenému použití stavebních materiálů a postupnému vývoji dříve uvedených metod. Tato metoda je založena na výrobě master modelu (modelu budoucího finálního odlitku), který je následně použit pro výrobu formy trvalé nebo netrvalé určené pro lití. Z hlediska sériové výroby je proces doplněn o mezistupeň, ve které je model vytvořený metodou RP použit pro výrobu dalších modelů. Tyto modely mohou být vytvořeny z různých druhů materiálu. Všechny modely poté mohou být využity k výrobě forem, což značně urychlí jejich výrobu. Modely je možné zaformovat různými způsoby. Vzhledem k nárokům na přesnost, tvarovou složitost, kvalitu povrchu, jakost, minimalizace následného opracování a další vlastnosti, které jsou stále vyšší, je pro nás zajímavá oblast přesného lití. Níže uvedené metody spadají do oblasti lití na hotovo, což znamená, že se nepředpokládá následné obrábění. [15] [17] 2.2.1 Metoda vytavitelného modelu (Lost Wax) Nejedná se o novou metodu. Skutečností je, že tato metoda byla vynalezena již 3000 let před naším letopočtem. Lidé ji považují za 100 let starou z důvodu opomenutí po celá staletí. Na scénu se dostala koncem 19. století, kdy se začala znovu využívat, a to pro výrobu protéz. I přes své stáří jde o jednu z nejzákladnějších metod přesného lití v dnešní době. Technologie vytavitelného modelu přibližuje kvalitu odlitku k požadovaným kvalitám hotového výrobku. Metoda je hojně využívaná pro tenkostěnné výrobky, výrobky s vysokou přesností rozměrů, složitých tvarů a pro dobrou povrchovou jakost. Touto technologií je možné odlévat téměř všechny kovy a jejich slitiny. Obr. 2.2.1: Voskové modely se společnou vtokovou soustavou [18] 23

Princip metody: Zpočátku je zapotřebí vyrobit formu na modely. Formy mohou být vytvořeny z různých materiálů. Jako příklad si můžeme uvést ocel, hliníkové slitiny, sádra, kaučuk, silikon, plastické hmoty a další nízkotavitelné slitiny. Tyto formy je při klasické výrobě obvykle nutné při složitých tvarech vyrobit například obráběním či odléváním. Dalším krokem je výroba voskových modelů. Tyto modely musí být tvořeny z materiálů, které mají nízký bod tání. Nejvyužívanějšími materiály jsou různé směsi vosků, jejichž složení jsou patentované a obvykle velmi složité. Mezi požadavky na vlastnosti vosků patří dostatečná pevnost, tvrdost, stabilita, malé smrštění při tuhnutí, vhodná viskozita a další. Důležité je také aby se nelepily na stěnu kovové formy a aby měli co možná nejkratší dobu tuhnutí. Způsoby výroby modelů jsou různé, například gravitačním litím, vstřikováním do formy na speciálních vstřikovacích lisech, nebo pro nás obzvláště zajímavým způsobem RP. Následně je nutné podle počtu modelů v jedné licí soustavě sestavit jednotlivé modely, což se používá u rozměrnějších odlitků, nebo modely sestavit do stromečku. Stromeček se skládá z většího počtu modelů spojených jednotlivými vtoky a vtokovou soustavou. Obr. 2.2.2: Sestavení lepení stromečku [19] Obal stromečků je tvořen namáčením do obalové hmoty a následným posypáváním žáruvzdorným materiálem o vhodné zrnitosti. Vnitřní vrstva by měla mít co nejnižší zrnitost pro kvalitu povrchu odlitku. Vnější poté může být tvořena zrnitostí větší. Jednotlivé obaly musí být sušeny. Cykly jsou prováděny, dokud obal nemá dostatečnou tloušťku. Formovací směsi se obecně skládají z pojiv (břečky) a plniva. Mají minimální tepelnou roztažnost, vysokou teplotu tavení a chemickou netečnost k odlévaným kovům. Obr. 2.2.3: Namáčení stromečku do obalové hmoty [19] 24

Vytavování voskové hmoty z formy se provádí v autoklávu pomocí předehřáté páry při teplotě 120-185 C. Po vytavení vosku je nutné formu vypálit teplotami 800-1100 C. Vypálením formy dosáhneme potřebné pevnosti skořepiny, odstraníme zbytky voskových materiálů a zároveň předehřejeme formu před litím na stanovenou teplotu. Další možností je vytavení vosku se současným vypálením skořepiny v pecích. U této metody musíme počítat s 10 až 15% ztrátami vosku. Obr. 2.2.4: Vytavení vosku v autoklávu [19] Po vytavení nic nebrání odlití. Následně je nutné nechat kov ztuhnout a vychladnout, než bude možné skořepinu rozbít a mechanicky odstranit zbytek formy. To je nejčastěji prováděno vibračním oklepáváním nebo otryskáváním. Mezi další dokončovací operace patří odstranění odlitků z vtokové soustavy, odstranění vtoků z odlitků a po konečném tryskání a dokončování následuje kontrola koncových rozměrů a vizuální kontrola vnějších vad. Vnitřní vady je možné zkontrolovat rentgenem. [17] [20] Obr. 2.2.5: Lití do vyžíhaných skořepin [19] 25

Obr. 2.2.6 Postup výroby odlitku metodou vytavitelného modelu [20] Využití metod Rapid prototyping: Pro tvorbu master modelu vhodného pro vytvoření formy, ve které se následně budou vyrábět voskové modely, je možné využít téměř jakoukoliv metodu RP. V zájmu firem je ovšem je vyrábět rovnou to co potřebuje. V tomto případě se jedná o přímou výrobu voskových modelů pomocí technologie RP a to nejlépe i s vtokovou soustavou. Platí to zejména u voskových modelů, které by konvenčními metodami těžko vyrobitelné nebo by jejich výroba byla zdlouhavá například technologiemi obrábění. Naštěstí byly vynalezeny metody, které přímou výrobu voskových modelů nebo modelů z materiálů blízkých umožňují. Jako jednu z použitelných metod, můžeme označit zřejmě nejznámější QuickCast, se kterou přišla firma 3D Systems. Ta používá materiál Accura Amethyst do systému SLA. Vytvrzováním se vytvoří model s polodutou strukturou, jenž lze poté použít místo voskového modelu. Touto metodou lze vytvořit velmi tvarově přesný model a díky tomu i následný výrobek. [21] Další metodou výroby vytavitelného modelu je metoda CastForm při které dochází k vytavení vosku, ale zároveň i ke spalování porézního materiálu. Ten je zá- 26

kladem a voskem je pouze napuštěn. Porézní materiál s názvem CastForm PS má velmi nízkou hustotu a vyznačuje se velmi nízkou hodnotou produkce popelu při spalování. [15] [22] Při výčtu možných metod a materiálů nesmíme zapomenout na technologii FDM, která používá nejen různé vosky ale i ABS. Tato technologie je vhodná pro výrobu tenkostěnných modelů. Jako rozumnou volbou se jeví též poměrně nová metoda 3D-tisku s názvem RealWax. Vyznačuje se výbornou kvalitou voskových modelů. V dnešní době se o ní mluví jako o nejlepší metodě výroby voskového modelu. [23] Obr. 2.2.7 Ukázky výrobků metodou RealWax [24] 2.2.2 Metoda vypařitelného modelu (Lost Foam) Tato metoda je založena na výrobě modelu ze snadno spalitelného materiálu. Nejvíce používaným materiálem zde bývá pěnový polystyren. Princip výroby je snadnější z hlediska možností výroby tvarově složitých nástrojů. V takovém případě nebo v případě větších odlitků je výsledný model poslepován z více částí polystyrenu do výsledného tvaru. Celý model je následně zaformován včetně vtokové soustavy, která je ze stejného materiálu jako model, nejčastěji do písku pomocí vibrací. Tento model již není z formy vyjímán. Do takto připravené formy je poté odléván roztavený kov. Vlivem jeho vysoké teploty je model odpařován z formy. Plyny, které bývají vesměs jedovaté, se zapalují, aby došlo k jejich neutralizaci. Z daného principu vyplývá, že není nutné využívat úkosů a úprav dělící roviny. [25] 27

Využití metod Rapid prototyping: Tyto modely je také možné vytvářet pomocí RP metod. Zejména vhodnou metodou je metoda SLS. Pro tento typ operace se hodí konkrétněji metoda SLS Plastic. Materiálem je speciální tvrdý polystyren, s nímž lze utvořit i poměrně složité odlitky. Materiál je vhodný též pro modely, ze kterých se následně tvoří keramické formy. Mezi další možnosti patří i metoda CastForm. Vynalezena byla již dříve zmíněnou firmou 3D Systems. Tento postup výroby je vhodný pro materiály jako jsou slitiny zinku, hořčíku, hliníku a obecně pro slitiny s nízkým bodem tání. Je možné metodu využít i pro odlévání slitin titanových. [22] 2.2.3 Metoda spalitelného modelu (Replicast) Metoda příliš se nelišící od metody předchozí. Princip použití metody je prakticky stejný. Jedná se pouze o inovaci vypařitelného modelu. Model je tvořen ze stejného materiálu a stejnými postupy a to z polystyrenu metodou SLS Plastic. Rozdílem je ovšem použití. Díky tomuto modelu je následně možné vytvořit keramickou formu. Postup výroby formy je složen z několika kroků. Základem je máčení formy v keramické lázni. Poté je nutné formu vypálit při čemž dojde k vytvrzení této formy a také spálením polystyrenového modelu. Nakonec je možné odlít výrobek do této formy. Tento postup je velice užitečný z hlediska výsledné kvality materiálu. U metody Lost Foam se přišlo na neblahý vliv vypařujících se látek na kvalitu materiálu. Látky stoupající z formy reagují s odlévaným kovem a vstupují do něj. Metoda Replicast je pro odstranění těchto vlivů ideální. Dalším plusem je, že odstraněním polystyrenu může být model hustší struktury. [15] Využití metod Rapid prototyping: Model je zde vytvářen již dříve zmíněnými metodami SLS Plastic a Cast- Form. Je možné utvořit modely objemnější bez ztráty přesnosti, než u metody Lost Foam. [22] 28

2.2.4 Lití do skořepinových forem O metodě lití do skořepinových forem jsme si řekli již dříve u metod Lost Wax a v předchozí metodě Replicast. Skořepinu lze ovšem vyrobit i zcela odlišným způsobem. Jedná se o princip výroby, ve kterém používáme kovovou modelovou desku s kovovým modelem. Jako materiál pro výrobu skořepiny je používána směs křemenného písku se syntetickou pryskyřicí. Deska se zahřeje na teplotu 250 C. Poté je zapotřebí funkční plochy modelu nastříkat silikonovým olejem aby se nespekl model s budoucí skořepinou. Deska je poté spojena se zásobníkem písku a překlopena o 180 C. Během pár sekund dojde k roztavení pryskyřice a spojení ve vrstvu. Tato vrstva zůstane na modelu i po otočení, kdežto zbylý materiál odpadne. Poté je nutné modelovou desku i se skořepinou vložit do pece. V peci proběhne vytvrzení skořepiny za vysoké teploty. Poté je připravena k odlití. Metoda je vhodná pro lití nejlépe malých či středních odlitků v hromadných sériích. Velice dobře poslouží pro odlévání složitějších výrobků, jako jsou žebrované válce motorů nebo součástí čerpadel. [17] Využití metod Rapid prototyping: Pro výrobu kovových modelů se hodí metody SLS Metal. Dalšími metodami 3D tisku využitelnými pro tento účel mohou být ProMetal 3D Printing nebo ZCast. Všechny uvedené metody nám z hlediska použití kovového modelu ušetří spoustu času a peněz. Využití metod RP se tu opravdu vyplatí. [26] [27] 29

ZÁVĚR Tato práce je rozdělena do dvou základních částí. V první části pojednává o základních principech Rapid prototypingu. V části druhé jsou uvedeny základní možnosti výroby slévárenských forem s možnostmi aplikací různých metod RP. Zpočátku je naznačen proces, kterým je nutné projít od prvního návrhu, přes samotnou výrobu, až po dokončovací operace. Tyto tři fáze jsou zde uvedeny jako preprocessing, processing a postprocessing. Následně jsou v této části uvedeny čtyři základní metody. Tyto metody jsou zde, neboť jsou na trhu nejdéle a představují základní principy výroby. Všechny ostatní metody vychází z těchto základních, nebo se od nich jen málo odlišují. U každé metody je vloženo schéma, ukázka hotového výrobku a jednoduché shrnutí ve formě výhod a nevýhod. Druhá část pojednává přímo o možnostech využití RP pro slévárenské účely. Slévárny mohou pomocí RP vytvořit funkční prototypový odlitek na kterém provedou veškeré zkoušky a to pouze za zlomek času oproti konvenčním metodám. Dále se hodí pro výrobu originálů, nebo tvarově složitých odlitků, které není možné vytvořit jiným způsobem. Jako základní je zde bráno rozdělení na přímou a nepřímou výrobu forem. Přímou metodou se rozumí výroba modelu, který je následně rovnou zaformován, nebo přímá výroba formy pomocí metod RP. V části pro přímou výrobu je kladen větší důraz výrobě pískových forem a skořepin. K této metodě jsou uvedeny informace od firmy ExOne, která se zabývá využitím RP pro tyto účely. Další zmíněnou metodou je výroba keramických forem a skořepin. Nepřímým postupem se nazývá výroba primárního modelu, pomocí kterého se následně vyrábí například voskové modely. Z jednoho primárního je možné vytvořit více voskových modelů. U nepřímé výroby je práce zaměřena hlavně na metodu Lost Wax, kde je podrobně rozepsán princip celé výroby. Rapid prototyping je moderní odvětví, které se v dnešní době neustále rozvíjí. Přináší spoustu nových možností a do budoucna se jeví jako velmi perspektivní. Slévárny jeví zájem o koupi strojů pro RP, ale dostupná je zatím pouze pro větší slévárny zejména v automobilovém průmyslu. Malé slévárny si, kvůli ceně a náročnosti na neustálý přísun dat, zatím nemohou dovolit tyto nákladné systémy pro výrobu prototypových modelů. Tato situace se zcela jistě změní po zlevnění systémů, neboť se technologie RP ve slévárenství jeví jako velice užitečná. 30

SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ [1] ExOne. ExOne. [online]. [cit. 2016-03-16]. Dostupné z: http://www.exone.com/ [2] RAPID PROTOTYPING. Hämeen ammattikorkeakoulu. [online]. 15.2.2010 [cit. 2016-02-04]. Dostupné z: http://www3.hamk.fi/metnet/documents/rapid%20prototyping_cottbus_201 0.pdf [3] Přehled technik využívaných při Rapid Prototyping. KVS. [online]. 2012 [cit. 2016-02-06]. Dostupné z: http://www.kvs.tul.cz/download/rapid_prototyping/p%c5%99ehled%20technik%20vy u%c5%be%c3%advan%c3%bdch%20p%c5%99i%20rapid%20prototyping.pdf [4] RP_06_01. Ústav Konstruování. [online]. 29.12.2006 [cit. 2016-02-06]. Dostupné z: http://old.uk.fme.vutbr.cz/kestazeni/zri/rp_06_1.pdf [5] Rapid Prototyping. Reverse Engineering. [online]. 2000 [cit. 2016-02-06]. Dostupné z: http://robo.hyperlink.cz/rapid/ [7] CHUA, Chee Kai, Kah Fai LEONG a Chu Sing LIM. Rapid prototyping: principles and applications. 3 rd ed. New Jersey: World Scientific, [online], 2010, 511 s. [cit. 2016-02-06]. ISBN-13 978-981-277-897-0. Dostupné z: https://books.google.cz/books?hl=cs&lr=&id=4oycyidupsqc&oi=fnd&pg=pr7&ots= [6] Informace o technologiích 3D tisku. Nový inovovaný FabbsterG. [online]. 2016 [cit. 2016-02-06]. Dostupné z: https://www.easycnc.cz/inpage/informace-otechnologiich-3d-tisku/ yoqejxvgab&sig=hidu6kf9huilhwobw9hzhfjelq&redir_esc=y#v=onepage&q&f=false [8] Rapid Prototyping Techniques, Selective Laser Sintering, 3D printing & FDM Prototype Mumbai. Rapid Prototyping, Medical Models, Vacuum Casting & 3 D Printing Protosys Technologies. [online]. 2005 [cit. 2016-02-06]. Dostupné z: http://www.protosystech.com/rapid-prototyping.htm 31

[9] Technologie 3D tisku. PKmodel. [online]. 2006 [cit. 2016-02-06]. Dostupné z: http://www.pkmodel.cz/3dtisk.html [10] Cutting edge stereolithography casting new light. Cmet Inc.. [online]. 2016 [cit. 2016-03-17]. Dostupné z: http://www.cmet.co.jp/eng/info/6.php [11] How Does Selective Laser Sintering Work?. 3D Print HQ. [online]. 2012 2016 [cit. 2016-03-17]. Dostupné z: http://3dprinthq.com/how-does-selective-lasersintering-work/ [12] Fused Deposition Modeling Applications. FDM 3D Printing Applications, Rapid tooling. [online]. 2013 [cit. 2016-03-17]. Dostupné z: http://proto3000.com/fuseddeposition-modeling-solutions-fdm-3d-printing-applications.php [13] Template. MTC. [online]. [cit. 2016-03-17]. Dostupné z: http://mtc.engr.mun.ca/prod.html [14] 3D. METOS. [online]. 29.02.2016 [cit. 2016-03-16]. Dostupné z: http://metos.cz/3d.html [15] Horáček, M. - Slovák, V., Metody rychlého prototypování (RP) použitelné ve slévárenství. Brno : Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2010. [16] GRIMM, Todd. User's Guide to Rapid Prototyping. Society of Manufacturing Engineer, [online], 2004, 404 s. [cit. 2016-05-06]. ISBN 0872636976. Dostupné z: https://books.google.cz/books?id=o2b7omabpnuc&pg=pa14&lpg=pa14&dq=histo rie+rapid+prototyping&source=bl&ots=t7pn4ge1d1&sig=58jpi265cg9v6hzxbop26s Tyrtk&hl=cs&ei=Ii4NTPmJGoGbOITSgNUP&sa=X&oi=book_result&ct=result#v=one page&q&f=true [17] Odlévání. Strojní lyceum. [online]. [cit. 2016-05-06]. Dostupné z: http://www.strojnilyceum.wz.cz/maturita/tep/odlevani.pdf [18] PL_5.jpg. Technická univerzita vo Zvolene. [online]. 2013 [cit. 2016-05-06]. Dostupné z: http://www.tuzvo.sk/files/fevt/katedry_fevt/kvtm/pl_5.jpg 32

[19] TECHNOLOGIE PŘESNÉHO LITÍ METODA VYTAVITELNÉHO MODELU. prague casting services. [online]. [cit. 2016-05-06]. Dostupné z: http://slideplayer.cz/slide/3419296/ [20] Slévárna přesného lití. Moravia Tech, a. s.. [online]. [cit. 2016-05-6]. Dostupné z: http://www.moraviatech.cz/24820-slevarna-presneho-liti [21] QuickCast Patterns. 3D Systems Quickparts. [online]. 2015 [cit. 2016-05- 06]. Dostupné z: http://www.3dsystems.com/quickparts/investment-castingpatterns/quickcast-patterns [22] CastForm_uk.pdf. 3D Systems. [online]. 2001 [cit. 2016-05-12]. Dostupné z:http://www.3dsystems.com/products/datafiles/lasersintering/datasheets/castform_ uk.pdf [23] ProJet_CPX_3000.pdf. 3D Systems. [online]. 2009 [cit. 2016-05-12]. Dostupné z:http://www.3dsystems.com/products/datafiles/projet/projet_cpx_3000.pdf [24] Solidscape. Pinterest. [online]. 2014 [cit. 2016-05-12]. Dostupné z: https://www.pinterest.com/source/solid-scape.com [25] Mechanical Engineering Manufacturing Processes I. NPTEL. [online]. 31.12.2009 [cit. 2016-05-12]. Dostupné z: http://nptel.ac.in/courses/112107144/21 [26] Nekonvenční metody obrábění 9. díl. MM Průmyslové spektrum. [online]. 19.11.2008 [cit. 2016-05-12]. Dostupné z: http://www.mmspektrum.com/clanek/nekonvencni-metody-obrabeni-9-dil.html [27] Nekonvenční metody obrábění 10. díl. MM Průmyslové spektrum. [online]. 17.12.2008 [cit. 2016-05-12]. Dostupné z: http://www.mmspektrum.com/clanek/nekonvencni-metody-obrabeni-10-dil.html 33

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK ABS Akrylonitril-Butadien-Styren používaný materiál CAD Computer Aided Design počítačem podporované konstruování DSPC Direct Shell Production Casting FDM Fused Deposition Modeling metoda rapid prototyping LOM Laminated Object Manufacturing metoda rapid prototyping RP Rapid Prototyping SLA Stereolitography metoda rapid prototyping SLS Selective Laser Sintering metoda rapid prototyping STL Standard Triangulation Language zapisovací formát UV Ultra Violet ultra fialové světlo 3D 3 Dimensional trojrozměrný C stupeň Celsia % - procento bezrozměrná jednotka mm milimetr délková jednotka cm^3 centimetr krychlový objemová jednotka L litr objemová jednotka h hodina časová jednotka 34

SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1: Ukázka tvarově složité formy vyrobené pomocí sinteringu [1] Obr. 1.2.1: Schéma metody SLA [2] Obr. 1.2.2: Výrobek zhotoven pomocí metody SLA [10] Obr. 1.2.3: Schéma metody SLS [6] Obr. 1.2.4: Schéma metody SLS [6] Obr. 1.2.5: Výrobek zhotoven pomocí metody SLS [11] Obr. 1.2.6: Schéma metody FDM [2] Obr. 1.2.7: Výrobek zhotoven pomocí metody SLS [12] Obr. 1.2.8: Výrobek zhotoven pomocí metody LOM [13] Obr. 1.2.9: Schéma metody LOM [2] Obr. 2.1.1: Systém S-Max firmy ExOne [1] Obr. 2.2.1: Voskové modely se společnou vtokovou soustavou [18] Obr. 2.2.2: Sestavení lepení stromečku [19] Obr. 2.2.3: Namáčení stromečku do obalové hmoty [19] Obr. 2.2.4: Vytavení vosku v autoklávu [19] Obr. 2.2.5: Lití do vyžíhaných skořepin [19] Obr. 2.2.6 Postup výroby odlitku metodou vytavitelného modelu [20] Obr. 2.2.7 Ukázky výrobků metodou RealWax [24] 35