Mechatronika Modul 9: Rychlé vytváření prototypů Učebnice (koncept) Dr. Ing. Bogdan Dybała, Dr. Ing. Tomasz Boratyński Dr. Ing. Jacek Czajka Dr. Ing. Tomasz Będza Dr. Ing. Mariusz Frankiewicz Ing. Tomasz Kurzynowski University of Wroclaw, Poland Evropský koncept pro doplňkovou kvalifikaci mechatronik odborných procovníků v globalizované průmyslové výorbě. EU Projekt č. DE/08/LLP-LdV/TOI/147110 MINOS ++, platnost od 2008 do 2010 Tento projekt byl realizován za finanční podpory Evropské unie. Za obsah publikací (sdělení ) odpovídá výlučně autor. Publikace (sdělení) nereprezentují názory Evropské komise a Evropská komise neodpovídá za použití informací, jež jsou jejich obsahem. www.minos-mechatronic.eu
Partneři pro provádění, hodnocení a šíření výsledků projektů MINOS a MINOS**. - Chemnitz University of Technology, Institute for Machine Tools and Production Processes, Germany - np neugebauer und partner OhG, Germany - Henschke Consulting, Germany - Corvinus University of Budapest, Hungary - Wroclaw University of Technology, Poland - IMH, Machine Tool Institute, Spain - Brno University of Technology, Czech Republic - CICmargune, Spain - University of Naples Federico II, Italy - Unis a.s. company, Czech Republic - Blumenbecker Prag s.r.o., Czech Republic - Tower Automotive Sud S.r.l., Italy - Bildungs-Werkstatt Chemnitz ggmbh, Germany - Verbundinitiative Maschinenbau Sachsen VEMAS, Germany - Euroregionala IHK, Poland - Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen - Euroregionale Industrie- und Handelskammer Jelenia Gora, Poland - Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Hungary - Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Hungary - Nationales Institut für berufliche Bildung Budapest, Hungary - Christian Stöhr Unternehmensberatung, Germany - Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Sweden Obsah studijních podkladů Minos: moduly 1 8 (učebnice, cvičebnice a klíč ke cvičením) zahrnující: základy / interkulturní kompetence, projektový management / fluidní techniku / elektrické pohony a řízení/ mechatronické komponenty / mechatronické systémy a funkce / uvedení do provozu, bezpečnost, vzdálený servis / dálková údržbu a diagnostiku. Minos **: moduly 9 12 (učebnice, cvičebnice a klíč ke cvičením) zahrnující: rychlé vytváření prototypů / robotiku / migraci / rozhraní. Všechny moduly jsou dostupné v následujících jazycích: němčina, angličtina, španělština, italština, polština, čeština a maďarština. Pro více informací prosím kontaktujte: Technical University Chemnitz Dr. Ing. Andreas Hirsch Reichenhainer Straße 70, 09107 Chemnitz Tel.: + 49(0)0371 531-23500 Fax.: + 49(0)0371 531-23509 Email: wzm@mb.tu-chemnitz.de Internet: www.tu-chemnitz.de/mb/werkzmasch www.minos-mechatronic.eu
Obsah 1 ÚVOD... 3 2 CAD... 5 3 CAD RP KOMUNIKACE... 10 3.1 FORMÁT STL... 10 3.1.1 Struktura a vytváření souborů STL... 10 3.1.2 Orientace trojúhelníků... 11 3.1.3 Souřadnicový systém a jednotky ve formátu STL... 12 3.1.4 Vytváření souborů STL... 13 3.1.5 Nejčastější chyby a defekty STL formátu... 13 3.1.6 Pravidla vytváření STL souborů... 17 3.1.7 Generování *.stl souborů v různých programech... 18 4 PŘÍPRAVNÉ ČINNOSTI V RÁMCI RP METOD... 24 4.1 EDITOVÁNÍ STL SOUBORŮ... 28 4.2 OPRAVOVÁNÍ STL SOUBORŮ... 31 4.3 GENEROVÁNÍ PODPĚR... 32 5 RYCHLÉ VYTVÁŘENÍ PROTOTYPŮ RP... 35 5.1 STEREOLITOGRAFIE (SLA, SL)... 42 5.2 SELEKTIVNÍ LASEROVÉ SPÉKÁNÍ/TAVENÍ SLS/SLM... 44 5.2.1 MCP Realizer II zařízení od společnosti MCP HEK... 46 5.2.2 EOSINT M 270 RP zařízení od společnosti EOS... 47 5.2.3 M3 Linear zařízení od společnosti Concept Laser... 48 5.2.4 TrumaForm LF 250 zařízení od společnosti TRUMPF... 49 5.2.5 EBM S12 zařízení od společnosti ARCAM... 50 5.2.6 Sinterisation HiQ System zařízení od společnosti 3D SYSTEMS... 51 5.3 LAMINÁTOVÁ VÝROBA OBJEKTŮ (LOM)... 52 5.4 TVORBA MODELU POSTUPNÝM NANÁŠENÍM ROZTAVENÉHO MATERIÁLU FDM... 54 5.5 LASEROVÉ TECHNOLOGIE FORMOVÁNÍ POMOCÍ PRÁŠKU... 55 5.6 TRYSKOVÉ TIŠTĚNÍ... 56 5.7 3DP TROJROZMĚRNÉ TIŠTĚNÍ... 58 5.8 SGC METODA VYTVRZOVÁNÍ FOTOCITLIVÉHO POLYMERU... 60 6 ZPĚTNÉ INŽENÝRSTVÍ... 62 6.1 ÚVOD... 62 6.2 OBLASTI VYUŽITÍ ZPĚTNÉHO INŽENÝRSTVÍ... 63 6.3 METODY DIGITALIZACE... 66 6.3.1 Kontaktní metody digitalizace... 68 6.3.2 Metody založené na optických bodech... 70 1
6.3.3 Lineární optické metody... 73 6.3.4 Optické metody založené na pásmu... 74 6.3.5 Destruktivní skenování... 76 6.4 VYBAVENÍ A SOFTWARE... 77 6.5 DIGITALIZACE GEOMETRIE... 79 6.5.1 Fáze digitalizace... 79 6.5.2 Plánování digitalizačního procesu... 80 6.5.3 Získávání dat... 82 6.5.4 Zpracování dat a konstrukce CAD modelu... 83 7 POUŽITÁ LITERATURA... 89 2
1 Úvod Rychlé vytváření prototypů - Učebnice Minos ++ V současném vysoce industrializovaném světě neutuchající potřeba redukovat dobu plánování a projektování výrobků a potřeba zajistit nejvyšší možnou kvalitu produktu v okamžiku jeho zprovoznění vedou k vývoji nových technologií, jejichž cílem je redukce výrobní doby před uvedením produktu na trh. Nové technologie poskytují nástroje umožňující rozšíření záruky kvality, od výrobní oblasti po celou životnost produktu. Skládají se z technik a metod, které umožňují snížení doby vývoje produktu, a to od fáze formulování požadavků až po fázi uvedení konečného produktu na trh. Jedním ze základních cílů je minimalizace doby prostoje spolu se souběžným vylepšením kvality produktu. Matematický model objektu (CAD 3D) se považuje za základní součást všech těchto technik. Takový model je sadou dat, která umožňují přesný popis geometrického tvaru jakéhokoli trojrozměrného objektu. Základní pravidla a potenciální nástroje jsou známé již léta, ale v důsledku určitých problémů, zejména spojených s náklady, jsou vyhrazené nástroje, kultura a aplikace obvykle nasměrovány pouze na velice bohaté nebo strategické zákazníky. Matematický model lze získat dvěma různými způsoby: Přímo, s použitím počítačových nástrojů pro trojrozměrné projektování (CAD počítačem podporované projektování) Kopírováním prvku s použitím nástrojů, jako jsou videokamery, systémy zpětného inženýrství, CAT (počítačová axiální tomografie), které se zvolí podle typu prvku, oblasti aplikace, požadované přesnosti, atd. Jakmile se model získá, může se používat k různým účelům, od archivace po možnost provádění testů, vylepšování geometrie, používání v multimediálních aplikacích, stejně jako v analýzách a FEM testech skutečných výrobních procesů, v přípravě prototypů a forem s použitím technik rychlého vytváření prototypů a rychlého vytváření nástrojů [19]. Techniky rychlého vytváření prototypů a rychlého vytváření nástrojů jsou takovými technologiemi. Tyto systémy, instalované na moderních zařízeních a využívající různé technologie a materiály, dokážou připravit v cílovém materiálu prototyp nebo sérii prototypů objektu na základě jeho numerického modelu získaného z CAD 3D systému nebo procesu zpětného inženýrství. Při způsobu konstruování prototypu, který se vytváří s použitím bezodpadového procesu, se jednotlivé vrstvy přidávají podle údajů obsažených v STL souboru. 3
RP, což je vizuální nástroj, pomáhá společnostem snížit pravděpodobnost uvedení druhořadého nebo nekvalitního produktu na trh. Takové modely mají mnohá využití. Poskytují dokonalou vizuální pomůcku při výměně nápadů se spolupracovníky nebo klienty. Kromě toho se dají využít v testovacích fázích. Například letecký inženýr může použít model letadla a změřit na něm brzdu aerodynamického tlaku (odporové síly). Kromě přípravy prototypů se RP techniky mohou použít k výrobě nástrojů (takzvané rychlé vytváření nástrojů) nebo dokonce i vysoce kvalitních produktů (rychlá výroba). Rychlé vytváření prototypů pochopitelně není dokonalé. Objem vytvářených součástek je omezený, jejich velikost závisí na typu zařízení. V případě hromadných výrobních sérií nebo jednoduchých objektů jsou obvykle ekonomičtější tradiční výrobní techniky. Pokud však tato omezení ignorujeme, rychlé vytváření prototypů je technologie stojící za povšimnutí, která výrazně napomáhá výrobnímu procesu. Časem výzkum a vývoj umožní další vývoj těchto systémů, pokud jde o účinnost (kratší doba konstrukce, menší odchylky, lepší kvalita povrchu, zvýšená odolnost RP modelů vůči počasí, stejně jako vůči mechanickým, teplotním a chemickým podmínkám). Jednoznačné přijetí na trhu a budoucí úspěch těchto technologií jsou potvrzeny, což je důsledkem přirozené tendence redukovat dobu vývoje nových produktů. To je také hlavním faktorem úspěchu. 4
2 CAD Rychlé vytváření prototypů - Učebnice Minos ++ CAD je zkratka pro Computer Aided Design. Tento typ softwaru umožňuje konstrukci prvků s mnoha detaily, nebo inženýrem navrženého zařízení. CAD systémy podporují proces konstrukce a navrhování, používají se pro skicování a geometrické modelování. Geometrické modelování slouží k 3D znázornění modelovaných dílů a sestavených celků. Zobrazení celků zahrnuje také popis struktury celků, nazývané struktura výrobku. 3D znázornění dílů a celků slouží ke tvorbě technické dokumentace, např. kreseb, výčtu dílů, seznamu materiálů. První vyvinuté CAD systémy poskytovaly funkčnost, které umožňovala vytváření ploché dokumentace. V průběhu času byly přidány funkce pro vytváření 3D modelů. Byla zpřístupněna knihovna základních tvarů (kužel, válec, koule, atd.), které bylo možné použít při vytváření 3D modelů. Předpokládalo se, že bude nejprve vytvořena 2D dokumentace, na jejímž základě se budou stavět 3D modely. Tento přístup se však časem změnil kvůli dynamickému vývoji 3D modulů. Nakonec se nástroje pro 3D modelování staly natolik výkonnými a jednoduchými, že se z nich stal základní modul CAD systému, zatímco 2D kresby se začaly používat pouze pro doplnění. Poté bylo konstatováno, že 2D kresby nejsou nic jiného, než prezentace 3D modelu, což umožňuje vytvořit 2D dokumentaci téměř automaticky. CAD systémy obsahují knihovny předem připravených objektů (šrouby, ložiska, klíny, atd.), které lze použít při projekční práci. Konstruktér tedy nemusí používat různé druhy katalogů, když hledá určitý prvek. Může ho najít v základní galerii, nebo pro svůj návrh dodatečně stáhnout jeho 3D model. Knihovny dílů jsou obvykle otevřené a uživatelé je mohou doplňovat díly, které sami vytvořili. Ty jsou pak zpřístupněny pro ostatní uživatele ve společnosti, kteří pracují s CAD systémem a mají přístup ke knihovnám dílů. Knihovny tohoto typu zefektivňují proces navrhování. Geometrické modelování je technika, která se používá pro rýsování tvarů určitého předmětu. CAD systémy umožňují jak vylepšit proces navrhování, tak zkrátit dobu potřebnou k vývoji výrobku. Definice Používání počítačů a grafických programů usnadňuje či vylepšuje činnosti spojené s navrhováním výrobku od představy po archivaci. Práce s CAD systémem je interaktivní práce na počítači, které vede k modelování dílů. Na sestaveném modelu pak lze provádět řadu operací. 5
Současné CAD systémy umožňují parametrické modelování, založené na obousměrném vztahu mezi dimenzemi, které mohou být zobrazeny v režimu náčrtu, v 3D režimu, v režimu 2D kreslení a 3D geometrie a naopak. Znamená to, že v jakékoli fázi projektování dílů můžeme změnit každý již dříve zadaný rozměr. Příklady takových programů jsou SolidWorks a CATIA. Tyto systémy zaznamenávají každý krok projektování a veškerá historie vytváření modelu je znázorněna ve formě stromu. Změna parametrů modelu nastává prostřednictvím nalezení operace ve stromě a editování jejích parametrů. Náčrty, na jejichž základě operace vznikla, se rovněž dají modifikovat. Po uložení změn se aktualizuje celý model. Aktualizace modelu může být neúspěšná, protože následující operace mohou být založeny na geometrii modifikované operace. V takovém případě systém určí, které operace jsou problematické a vyžadují zásah uživatele. V současné době všechny uznávané CAD systémy umožňují: vytváření trojrozměrných projektů, vytváření kreseb konstrukce z několika samostatných prvků, přezkoušení, zda do sebe zapadají spolupráci mnoha lidí na velkých projektech, automatické aktualizace všech kreseb konstrukce při každé změně jakéhokoliv detailu, automatické vytvoření seznamu detailů, odhadu nákladů, spolupráce se skladištěm, atd., vizualizace, Hlavními rysy CAD systému jsou: geometrické modelování objektu, vytváření a upravování konstrukční dokumentace ukládání a uchovávání dokumentace v elektronické podobě jako soubory i jako databáze, výměna dat s jinými systémy, vytváření trojdimenzionálních projektů vytvořených prvků, vytváření kreseb konstrukce z několika samostatných prvků, spolupráce mnoha lidí na jediném projektu, automatické aktualizace všech kreseb konstrukce při změně jedné z nich, automatický odhad nákladů, spolupráce se skladištěm, atd. 6
Počítačem podporované navrhování tvoří tři úrovně: koncepce, kdy je provedena analýza, shromaždování možností řešení a posudek řešení z pohledu jejich správnosti, vývoj koncepce, kdy se specifikuje koncept řešením, stanoví se rozsah projektu a přistoupí se ke konstrukci modelu a posouzení řešení, detail, kdy dojde na reprezentaci jednotlivých dílů a posouzení řešení. CAD proces se skládá z 6 fází [7]: rozpoznání potřeb, definování problému, syntéza, analýza a optimalizace, evaluace, prezentace. Obr. 2.1 Proces navrhování za použití CAD 7
Výhody používání CAD systémů: možnost určit optimální řešení, zlepšení kvality získaného řešení (precizní matematické modely (CAD 3D)), projektant je zbaven časově náročné a většinou nudné práce (skicování, výpočty), více možností zužitkování existujících návrhářských řešení díky počítačovým databázím stávajících norem a katalogů možnost simulovat chování navrženého předmětu za různých podmínek již ve fázi navrhování. Výhody vyplývající ze zavedení CAD systému jsou nesporné a společnost může tímto způsobem vylepšit svou konkurenční pozici. Nosná pozice představujícího technologickou úroveň celé továrny je pouze jedním okem v řetězu činností pro přípravu technické výroby. Není-li vhodně a interaktivně spojena se všemi ostatními oblastmi, které spadají know-how továrny, pak ani instalace těch nejlepších CAD systémů nepřinese společnosti jako celku velké výhody (kromě zvýšení pohodlí, vzdělanosti a efektivity práce v konstrukčním oddělení). Obr. 2.2 Modely předmětů v CAD systému 8
U CAD se používají dva druhy geometrických modelů: 1. plochý využívá obrysů grafický 2D model, kde některá uspořádání čar spojují skupinu bodů, při tvorbě modelu se používají prvky jako např.: rovné čáry, oblouky, kruhy, paraboly, atd. grafické 2,5D modely, tj. modelování spektrálních či rotačních předmětů, charakterizované používáním plochých prvků (translačním či rotačním pohybem plochých povrchových prvků okolo osy otáčení se vytvoří objemový model předmětu). 2. prostorový využívá trojrozměrných prvků objemové modelování spočívající v sestavení trojdimenzionální kresby ze základních matematických těles, jako je válec nebo torus; plošné modelování, používané pro vytváření plošných objektů, které se skládají z hran, spojených plochami, tzv. fazetami (objeví se polygonální síť, jejíž povrch je hladký); drátěné modelování, používané pro vytváření předmětů koster tvarů, za použití lineárních a obloukových prvků. CAD softwary se v podstatě používají pro navrhování konstrukcí, tudíž jsou spojeny hlavně s mechanikou. Mezi nejpopulárnější CAD systémy patří: CATIA, Solid Works, Pro/Engineer, SolidEdge, Unigraphics, Inventor, AutoCAD. Dodatečné informace ohledně jednotlivých systémů lze nalézt na internetových stránkách výrobce. CAD systémy se používají kvůli následujícím rysům: přesnost kresby, méně práce, možnost analyzovat modely, prostorové zobrazení, automatizace kreslení, rychlé provádění změn, jednoduché ovládání projektu, možnost integrace s ostatními systémy, jiné. 9
3 CAD RP komunikace 3.1 Formát STL S nápadem vytvořit formát STL (Standard Triangulation Language, tedy Standardní triangulační jazyk ) přišla společnost 3D Systems, která je pionýrem v oblasti stereolitografie. Na její podnět společnost Albert Consulting Group v roce 1987 vytvořila první verzi STL. Tento formát se stal brzy základním formátem užívaným pro výměnu dat u procesů rychlého vytváření prototypů. STL za tento úspěch vděčí své jednoduchosti, originalitě a dostatečně preciznímu vyjádření (mapování) navrženého modelu. Hlavním úkolem zmíněného formátu je přenos CAD 3D modelů do přístrojů pro rychlé vytváření prototypů. V současné době nabízí většina CAD/CAM programů možnost uložit model ve formátu STL, který mohou přečíst téměř všechny systémy Rychlého vytváření prototypů [8]. 3.1.1 Struktura a vytváření souborů STL STL je tvořen rejstříky trojúhelníkových ploch, kterým se také říká trojúhelníková mřížka. Můžeme ji definovat jako soubor vrcholů, hran a trojúhelníků, navzájem spojených tak, že každá hrana a každý vrchol jsou sdíleny minimálně dvěma přiléhajícími trojúhelníky (pravidlo vrchol k vrcholu ). Jinými slovy, trojúhelníková síť aproximací přibližně vyjadřuje plochy 3D modelu, uloženého ve formátu STL. Toto vyjádření ovšem vynechává prvky, jako jsou body, přímky, křivky, vrstvy a barvy. Obr. 3.1 Aproximační model využívající trojúhelníky BRAK FOTO Soubory STL se ukládají s příponou *.stl, část programů však umožňuje použít i jiné přípony. Velikost souboru závisí na počtu trojúhelníků, na jejichž plochy byl model rozdělen, a v důsledku toho na přesnosti, s jakou trojúhelníky odráží geometrii modelu. 10