Aditivní technologie metody Rapid Prototyping
K moderním trendům ve výrobě prototypových dílů patří zejména aditivní technologie, které zahrnují např. spékání/slinování prášků různého chemického složení, zrnitosti, fyzikálních, chemických i jiných užitných vlastností. Podle použit ité technologie se v zařízen zeních Rapid Prototyping používaj vají: fotopolymery, termoplasty, speciálně upravený papír, kovové prášky. Technologie Rapid Prototyping umožň žňuje vytvářet vnější i vnitřní tvary součást stí jakkoli složit ité,, což v konečném m důsledku d přinp ináší: přímou výrobu tvarově komplexních dílů zhotovenísoučásti najednou, úsporu výrobních nákladů, zkrácení doby kompletace, zvýšení spolehlivosti.
Důvody tvorby prototypů: nalezení chyb ve výrobní dokumentaci (chyby konstruktéra), nalezení chyb v koncepci (chyby realizačního týmu), ověření vyrobitelnosti, smontovatelnosti, posouzení vzhledu zjištění zájmu zákazníků, ověření vhodnosti pro sériovou výrobu. Způsoby tvorby prototypu: tradiční substraktivní, aditivní a kompresivní, moderní Rapid Prototyping. V současnosti se používá kombinace obou způsobů tvorby.
Obecný princip technologie Rapid Prototyping Tvar vyrobené součásti Tvary jednotlivých vrstev vypočítané softwarem Proces tvorby součásti, schéma
Vývoj a proces vzniku reáln lné součásti sti Reálná součástka Digitalizace Mrak bodů Modelování, sestavení povrchu CAD model CAD/CAM Navazující procesy MKP Technologie RP SLA, SGC, SLS, LOM, FDM, MJM NC program Pevnostní analýza Reálná součástka Obráběcí stroj Výroba forem Reálná součástka Výroba forem
Porovnání technologií Rapid Prototyping Základní technologie Rapid Prototyping Zkratka Materiál modelu Stereolitografie SLA, SL Fotopolymer Solid Ground Cutting SGC Fotopolymer, nylon Selective Laser Sintering SLS Polyamid, nylon, vosk, kovové prášky Direct Metal Laser Sintering DMLS Kovové prášky Laminated Object Manufacturing LOM Papír s jednostranným pojivem Fused Deposition Modeling FDM ABS, vosk, polykarbonat Multi Jet Modeling MJM Termopolymer, akrylátový fotopolymer
Na bázi fotopolymerů: Modely na bázi fotopolymerů jsou většinou stavěny v nádobě s kapalnou pryskyřicí, kdy pod hladinou dochází k postupnému vytvrzení jednotlivých vrstev. Po dokončení jedné vrstvy, se materiál posune o určitou hodnotu a dochází k vytvrzení další vrstvy. Tímto způsobem dochází k tvorbě celého 3D modelu. Po skončení výrobního procesu je zbytek pryskyřice odveden a model muže být použit pro další operace. Prodejci tohoto zařízení definují své produkty podle typu laseru, metody skenování, zvedacího mechanismu a optické soustavy. SLA-7000 firmy 3D Systems
Na bázi fotopolymerů: Stereolitografie SLA Stavba SLA modelu je založena na postupném vytvrzování jednotlivých 2D vrstev, které jsou získány z obslužného softwaru v rámci přípravy modelu. Tyto vrstvy jsou silné 0,05 až 0,15 mm. O tuto hodnotu je po každém vytvrzení snížena nosná deska. Po vytvrzení jedné vrstvy stírací čepel (lišta) zarovná nanesenou pryskyřici na požadovanou tloušťku a celý proces se opakuje do vzniku prototypové součásti. Materiál modelů je na bázi fotopolymerů nebo pryskyřice. Metoda vyžaduje stavbu podpor. Volba atributů tisku měřítko tisku a orientace modelu v pracovním prostoru. Po ukončení tisku se prototypová součást vyjme z podpor. Následuje úprava povrchu včetně opracování v UV komoře, kde se součásti dodá požadovaná integrita povrchu, barva atd.
Na bázi fotopolymerů: Stereolitografie SLA Metoda SLA se používá převážně v oblasti automobilového průmyslu při výrobě modelů aut, na kterých se zkouší různé technologické přípravky, nástroje atd. Výhodou je také možnost výroby forem pro lití a vstřikování, výroba modelů s malými otvory, přesnými detaily atd. Výhody: Zhotovení objemnějších modelů, dostatečná přesnost, jakost povrchu, široký výběr materiálů, plynulý průběh procesu, není třeba obsluhy během procesu. Nevýhody: Metoda požadující úpravu povrchu modelu a následné sušení.
Na bázi fotopolymerů: Solid Ground Cutting SGC Po zpracování dat projde šablonová deska ionografickým procesem nanášení speciálního toneru. Na nosnou desku je nanesena tenká vrstva fotopolymerní pryskyřice, nad kterou je umístěna šablonová deska. Krátkodobým působením UV lampy o výkonu 4kW je pryskyřice vytvrzena. Po odstranění šablony je nevytvrzená pryskyřice vakuově odsáta. Na místa, m ze kterých byla odsáta nevytvrzená pryskyřice je nanesen roztavený výplňový vosk, který slouží jako podpora pro další vrstvu. Materiál modelů je na bázi fotopolymerů nebo pryskyřice. Metoda vyžaduje stavbu podpor chemické odstranění (kyselina citrónová). Volba atributů tisku příprava modelu pro tisk, měřítko tisku a orientace modelu v pracovním prostoru. Dokončená součást je v některých případech ještě závěrečně vytvrzována pomocí ozařování speciální UV lampou. Po konečném vytvrzení je nutné ze součásti odstranit podpory a přebytečný materiál ve formě vosku.
Na bázi fotopolymerů: Solid Ground Cutting SGC Hlavní oblast použití této metody je v ověřování designu, funkce a smontovatelnosti strojních součástí, dále pro účely prezentace nových výrobků a výzkum trhu. Další použití je v medicíně např. pro výrobu chirurgických pomůcek na míru pacientovi, výrobu zakázkových protéz apod. Součásti vyrobené touto metodou lze použít pro tzv. lití na ztracený vosk, lití do písku a do sádry. Výhody: Minimální smrštění modelu, dobrá struktura a stabilita modelu, proces neprodukující žádný zápach. Nevýhody: Velké rozměry zařízení, problém s usazeninami vosku, tvorba odpadu, hlučnost zařízení.
Na bázi práškových materiálů: Tato skupina používá jako výchozí materiál k výrobě modelu jemný prášek. Některé z metod, patřící do této skupiny, jsou podobné metodám řadícím se do skupin kapalných.
Na bázi práškových materiálů: Selective Laser Sintering SLS 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).
Na bázi práškových materiálů: Selective Laser Sintering SLS Princip metody SLS na podkladovou desku je nanesena první vrstva práškového materiálu. Prášek je působením CO 2 laseru nataven dochází k jeho spékání pouze v požadovaném místě. Okolní materiál zůstává nespečen a slouží jako podpora. Tímto způsobem je dokončena jedna vrstva. Nosná deska je posunuta o tloušťku jedné vrstvy dolů a další vrstva prášku je nanesena speciálním válečkovým mechanismem proces spékání se opakuje do vzniku prototypu. Materiálem prototypových součástí je prášek ve formě: kovu, plastu, pryže, keramiky a speciálního písku. Materiál je ve formě velmi jemného prášku (částice 20 až 100 µm). Metoda vyžaduje stavbu podpor tvořeny nespečeným práškem v okolí modelu. Volba atributů tisku příprava modelu pro tisk, měřítko tisku a orientace modelu v pracovním prostoru. Dokončovací operace jsou nezbytnou součástí výrobního procesu odstranění podpor, tryskání, obrábění jako klasický materiál, broušení, leštění atd.
Na bázi práškových materiálů: Selective Laser Sintering SLS Metoda SLS získává široké pole uplatnění v oblasti výroby forem a nástrojů pro výrobu plastových, keramických nebo kovových výrobků (prototypové formy, malosériové formy, tvarově složité vložky, jádra s chladícími kanálky optimalizovanými dle tvaru a složitosti dutiny pro rychlejší odvod tepla). Výhody: Součásti vyrobené metodou SLS vynikají svojí pevností velké množství použitelných materiálů. Součásti nepotřebují podpory. Obslužný software nabízí široké možnosti nastavení (změny parametrů během tisku). Nevýhody: Prostorově a energeticky náročné zařízení. Kvalita povrchu je v porovnání s ostatními metodami nízká velikost práškového materiálu.
Na bázi práškových materiálů: Direct Metal Laser Sintering DMLS Mezi nejčastěji používané materiály ve formě kovových prášků patří: Nerezová ocel EOS GP1 Slitina bronz-nikl DM 20 Ocel DS 20 Martenzitická ocel EOS MS1 Kobalt chrom EOS CC MP1 Titan EOS Ti 64 / Ti64ELI Mechanické vlastnosti vybraných práškových materiálů. * tepelně zušlechtěný materiál. Nerezová ocel EOS GP1 Martenzitická ocel EOS MS1 Slitina bronz-nikl DM 20 Min. tloušťka stěny 0,4 mm 0,4 mm 0,6 mm Rychlost stavby 2-5 mm 3 /s 2-4 mm 3 /s 10-20 mm 3 /s Zbytková porózita - - 8% Mez pevnosti Rm 900 MPa 1100 (1950*) MPa 400 MPa Mez kluzu Rp 0,2 500 MPa 1000 (1900*) MPa 200 MPa Modul pružnosti 190 GPa 180 GPa 80 GPa Tvrdost povrchu 23-33 HRC 36-39 (50-54*) HRC 120 HV Max. pracovní teplota 550 C 400 C 400 C
Na bázi práškových materiálů: Direct Metal Laser Sintering DMLS Dávkovací zařízení nastaví množství prášku pro jednu vrstvu a rameno s keramickým břitem rozprostře na povrch ocelové platformy rovnoměrnou vrstvu prášku dle zvolené tloušťky vrstvy. V místě dopadu laserového paprsku je kovový prášek lokálně roztaven, přičemž dochází k protavení podkladové vrstvy a následně tuhne do pevného stavu. Ocelová platforma odvádí zároveň teplo, takže roztavený kov tuhne velmi rychle. Pro většinu materiálů je pracovní komora vyplněna dusíkem a díl je tak chráněn před oxidací. Materiálem prototypových součástí je prášek ve formě kovu a slitin. Materiál je ve formě velmi jemného prášku tloušťka pokládané vrstvy (0,020 až 0,040 µm). Metoda vyžaduje stavbu podpor tvořeny nespečeným práškem v okolí modelu. Volba atributů tisku příprava modelu pro tisk, měřítko tisku, typ podpor, tloušťka vrstvy a orientace modelu v pracovním prostoru. Dokončovací operace jsou nezbytnou součástí výrobního procesu odstranění podpor, tryskání, obrábění jako klasický materiál, broušení, leštění atd.
Na bázi práškových materiálů: Direct Metal Laser Sintering DMLS Metoda DMLS postupně získává pozici výrobní metody pro rychlou a zároveň přesnou výrobu plně funkčních prototypových dílů nebo finálních výrobků pro různé aplikace. Proces 3D tisku vytváří vysoce odolné, ale přitom jemné komponenty, které nachází využití v mnoha odvětvích, včetně leteckého, automobilového, elektronického nebo obalářského průmyslu a medicíny. Technologie DMLS se velmi často kombinuje s tradičními výrobními postupy - jedná se o tzv. hybridní koncepci. Typickým příkladem této koncepce je forma. Výhody: Součásti vyrobené metodou SLS vynikají svojí pevností velké množství použitelných materiálů. Součásti nepotřebují podpory. Obslužný software nabízí široké možnosti nastavení (změny parametrů během tisku). Nevýhody: Prostorově a energeticky náročné zařízení. Kvalita povrchu je v porovnání s ostatními metodami nízká velikost práškového materiálu.
Na bázi práškových materiálů: Direct Metal Laser Sintering DMLS 3D zařízen zení EOSINT M 270
Na bázi práškových materiálů: 3D Printing 3DP Průmyslově nejrychlejší zařízení na výrobu prototypů. 24-bitová barevná technologie. Velmi realistický převod CAD dat na skutečný model. Vysoká kvalita povrchu výsledného modelu rozlišení až 600 x 540 dpi. Volba atributů tisku měřítko tisku a orientace modelu v pracovním prostoru. Automatický odprašovací a vibrační systém odstraní až 80% přebytečného prášku a recykluje ho pro další použití. Z důvodu lepších mechanických vlastností se povrch modelů ošetřuje speciálními infiltranty (ponořením nebo nanesením pomocí štětce).
Na bázi práškových materiálů: 3D Printing 3DP Vysoce zátěžové materiály pevnost v tlaku až 10 MPa. Součásti s velmi tenkou stěnou, přesné vyrobení konstr. detailů. Snap-Fit materiály: použití pro následnou infiltraci modelu Z-snap epoxidovou pryskyřicí, která modelu propůjčí vlastnosti pryže. Prototypové součásti vyrobené touto metodou se používají při testování funkčnosti, pro účely vizualizací, prezentací a designu nových případně inovovaných výrobků. Modely je možné použít jako formy pro odlévací nebo vstřikovací technologie.
Na bázi tuhých materiálů: Výroba prototypových součástí je velmi odlišná od výroby prototypů na principu kapalné báze. Společným znakem této skupiny je počáteční volba materiálu v tuhé fázi (pro danou metodu výroby) k vytvoření prototypové součásti.
Na bázi tuhých materiálů: Laminated Object Manufacturing LOM Modely vyrobené touto metodou jsou tvořeny velkým množstvím fólií. Jednotlivé fólie jsou na jedné straně opatřeny přilnavým nátěrem, kterým jsou přilepeny k předcházející vrstvě. Laserem je následně vyřezána kontura modelu. Přebytečný materiál je rozřezán na jednotlivé kvádry, které jsou na závěr procesu odstraněny. Materiálem modelů jsou fólie tvořené papírem, plasty (nylon, polyester) nebo keramikou. Metoda vyžaduje stavbu podpor, které se po vyrobení součásti mechanicky odstraní. Volba atributů tisku měřítko tisku a orientace modelu v pracovním prostoru. Součásti lze dokončit běžnými obráběcími metodami jako je vrtání, frézování a soustružení. Povrch součásti je nutné pokrýt silikonovým, uretanovým nebo epoxidovým nástřikem, aby součást nezvětšovala svoje rozměry vlivem vsakující se vlhkosti.
Na bázi tuhých materiálů: Laminated Object Manufacturing LOM Součásti vzniklé touto metodou se používají pro účely vizualizace, marketing a prezentaci nových výrobků potenciálním zákazníkům. Modely je také možné použít jako formy pro nejrůznější odlévací a vstřikovací technologie. Výhody: Možnost použití jakéhokoliv mat. ve formě fólie nejpoužívanější je papír. Mezi další materiály patří plasty, kovy, keramika a kompozitní materiály. Rychlost zařízení, nejsou nutné podpory. Ekologický proces. Nevýhody: Metoda není vhodná pro modely s tenkou stěnou. Pevnost modelu je omezena použitým pojivem jednotlivých vrstev mat. Zdlouhavé odstraňování podpor nebezpečí poškození vyrobené součásti.
Na bázi tuhých materiálů: Fused Deposition Modeling FDM Princip metody spočívá v natavování termoplastického materiálu navinutého ve formě drátu na cívce, ze které je vtlačován do vyhřívané trysky pomocí kladek a následně nanášen po jednotlivých vrstvách na podložku. Součásti jsou vyráběny z ABS nebo ABSplus plastu, polykarbonátu, elastomeru, vosku atd. Metoda vyžaduje stavbu podpor, které se po vyrobení součásti mechanicky nebo chemicky odstraní. Volba atributů tisku typ zařízení, tloušťka vrstev materiálu, typ podpor, způsob vyplnění objemu modelu, měřítko tisku a orientace modelu v pracovním prostoru. Tisková hlava se pohybuje v rovině X, Y dokud nedokončí celou jednu vrstvu součásti. Poté se celá tisková hlava posune o tloušťku vrstvy v ose Z směrem nahoru a dojde k vytisknutí další vrstvy.
Na bázi tuhých materiálů: Fused Deposition Modeling FDM Prototypové součásti vyrobené touto metodou se používají při testování funkčnosti a designu nových případně inovovaných výrobků. Vzhledem k pevnosti používaných materiálů lze tyto modely vystavit zatížení, které odpovídá realitě. Výhody: Výroba funkčních prototypů, které se svými vlastnostmi blíží konečným produktům. Při výrobě vzniká minimální odpad, pouze mat. podpor. Nevýhody: Omezená přesnost daná tvarem materiálu a průměrem výstupní trysky. Proces výroby nelze urychlit z důvodu principu metody a vlastností mat.
Na bázi tuhých materiálů: Multi Jet Modeling MJM Postupné nanášení jednotlivých vrstev termopolymeru pomocí speciální tiskové hlavy 352 trysek uspořádaných vedle sebe v délce 200 mm. Volba atributů tisku tloušťka vrstvy materiálu, podpory, měřítko a orientace součásti v pracovním prostoru. Pracovní hlava se pohybuje nad nosnou deskou ve směru osy X, Y po nanesení jedné vrstvy se deska sníží o tuto tloušťku směrem dolů. Nanášený termoplastický materiál ztuhne při styku s již naneseným materiálem téměř okamžitě. Výhody: Jednoduché řešení, ekonomická výroba modelů, výhodná metoda z časového hlediska. Nevýhody: Výroba menších součástí, omezená volba materiálu, malá přesnost.
Na bázi tuhých materiálů: Multi Jet Modeling MJM
Post Processing Počíta Všechny vyrobené 3D modely s využitím dostupných metod Rapid Prototyping lze dále z estetického hlediska obrábět, tmelit brousit, leštit, napouštět speciálními infiltranty, barvit atd. za účelem vyšší přesnosti, lepšího povrchu, snadnější smontovatelnosti, vizualizace případně větší ostrosti barev.
Souhrn základnz kladních vlastností jednotlivých metod Rapid Prototyping Orientační velikost komory šxdxv [mm] Materiál modelu Tloušťka vrstvy [mm] Přednosti Nevýhody S L A 600x600x500 Fotopolymer 0,05 0,15 Model může obsahovat přesné detaily a tenké stěny. Výkonný laserový zdroj, fotopolymer vykazuje toxické vlastnosti, dokončovací vytvrzování modelu, malá tepelná odolnost modelu. S G C 500x350x500 Fotopolymer, nylon 0,10 0,50 Poškozené vrstvy jsou odfrézovány, model se staví bez podpor. Výkonný laserový zdroj, malý výběr materiálu pro model. S L S 350x350x450 Polyamid, polykarbonát, nylon, vosk, kovové prášky 0,10 0,50 Výkonný laserový zdroj, nenatavený prášek slouží jako podpora, široké spektrum materiálů. Prostorově a energeticky náročné zařízení, nebezpečí rozptýlení kovového prášku, pórovitost modelu nutnost dokončovacích operací, drsný povrch podpor. D M L S 250x250x215 (EOSINT M270) Kovové prášky 0,02 0,04 Výkonný laserový zdroj, nespotřebovaný prášek je z 98% znovu využíván, široké spektrum materiálů. Prostorově a energeticky náročné zařízení, nebezpečí rozptýlení kovového prášku, pórovitost modelu nutnost dokončovacích operací, drsný povrch podpor. L O M 500x700x300 Papír s jednostranným pojivem 0,01 0,20 Model má podobnou strukturu jako dřevo, lze ho snadno obrábět tvarová stálost. Výkonný laser, produkce nežádoucích výparů, nižší přesnost součásti, pracné odstraňování podpor. F D M 200x200x300 (Dimension) 600x500x600 (Quantum) ABS a ABS+, vosk, polykarbonat 0,05 0,33 Několik druhů materiálů, nepřítomnost škodlivých emisí. Model nemá stejné mechanické vlastnosti vrůzných směrech, dokončovací operace odstranění podpor. M J M 300x180x200 (Invision) 250x190x200 (Thermojet) Termopolymer, akrylátový fotopolymer 0,05 0,20 Velmi tenké vrstvy materiálu, nepřítomnost škodlivých emisí. Model nemá stejné mechanické vlastnosti vrůzných směrech, dokončovací operace odstranění podpor.
Etapy rychlé výrovy prototypů Posouzení funkčních vlastností Reverse Engineering Model Soft Tooling stl stl Stl zip LAN- zip Příprava dat pro zařízení RP Catalyst Magic Status... LAN-job j - TechnolgieRP MasterModel Vstřikovací forma stl MasterModel Hard Tooling CAD Model Rapid Tooling Posouzení estetických vlastností
Komplexní grafické pracoviště na FSI VUT v Brně Příprava dat v softwaru CatalystEX
Komplexní grafické pracoviště na FSI VUT v Brně Ukázky 3D tisku na komplexním m grafickém m pracovišti metodou FDM FSI VUT v Brně disertační, diplomové, bakalářské práce, studenti
Odkazy na Internetu: www.3dsystems.com www.stratasys stratasys.com www.cubictechnologies cubictechnologies.comcom www.mcae mcae.czcz www.bibus bibus.cz www.aaroflex.com www.solid-scape.com/ scape.com/ www.eos eos-gmbh.de/default..de/default.htm
Děkuji za pozornost.