Aditivní technologie – metody Rapid Prototypingust.fme.vutbr.cz/obrabeni/podklady/sto_bak/cv_STV_04...Technologie Rapid Prototyping umožňuje vytvářet vnější i vnitřní tvary

AditivnAditivníí technologie technologie –– metody Rapid metody Rapid PrototypingPrototyping

PoPoččíítataččovovéé navrhovnavrhováánníí strojnstrojníích uzlch uzlůů –– metody Rapid metody Rapid PrototypingPrototyping

K moderním trendům ve výrobě prototypových dílů patří zejména aditivnítechnologie, které zahrnují např. spékání/slinování prášků různého chemického složení, zrnitosti, fyzikálních, chemických i jiných užitných vlastností.

Podle pouPodle použžititéé technologie se vtechnologie se v zazařříízenzeníích Rapid ch Rapid PrototypingPrototyping poupoužžíívajvajíí::• fotopolymery,

• termoplasty,

• speciálně upravený papír,

• kovové prášky.

Technologie Rapid Technologie Rapid PrototypingPrototyping umoumožňžňuje vytvuje vytváářřet vnet vněějjšíší i vniti vnitřřnníí tvary tvary sousouččááststíí jakkoli slojakkoli složžititéé, co, cožž v konev koneččnnéém dm důůsledku psledku přřininášíáší::

•• přímou výrobu tvarově komplexních dílů – zhotovení součásti najednou,

• úsporu výrobních nákladů,

• zkrácení doby kompletace,

• zvýšení spolehlivosti.

DDůůvody tvorby prototypvody tvorby prototypůů::

• 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.

ZpZpůůsoby tvorby prototypu:soby tvorby prototypu:

• tradiční – substraktivní, aditivní a kompresivní,

• moderní – Rapid Prototyping.

V současnosti se používá kombinace obou způsobů tvorby.


Obecný princip technologie Rapid Obecný princip technologie Rapid PrototypingPrototyping

Tvar vyrobenésoučásti

Tvary jednotlivých vrstev vypočítané

softwarem

Proces tvorby součásti, schéma


Reálnásoučástka Digitalizace

Mrakbodů

Modelování,sestavení povrchu

CADmodel

Navazujícíprocesy

MKPCAD/CAM TechnologieRP

SLA, SGC,SLS, LOM,FDM, MJM

NC program

Obráběcístroj

Reálnásoučástka

Výrobaforem

Pevnostníanalýza

Reálnásoučástka

Výrobaforem

Vývoj a proces vzniku reVývoj a proces vzniku reáálnlnéé sousouččáástisti



Termopolymer, akrylátový fotopolymerMJMMulti Jet Modeling

ABS, vosk, polykarbonatFDMFused Deposition Modeling

Papír s jednostranným pojivemLOMLaminated Object Manufacturing

Kovové práškyDMLSDirect Metal Laser Sintering

Polyamid, nylon, vosk, kovové práškySLSSelective Laser Sintering

Fotopolymer, nylonSGCSolid Ground Cutting

FotopolymerSLA, SLStereolitografie

Materiál modeluZkratkaZákladní technologie Rapid Prototyping

PorovnPorovnáánníí technologitechnologiíí Rapid Rapid PrototypingPrototyping


Metody Rapid Metody Rapid PrototypingPrototyping

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 docházík 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




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 nosnádeska. 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 požadovanáintegrita povrchu, barva atd.




Stereolitografie – SLA

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.

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.




Solid Ground Cutting – SGC

Po zpracování dat projde šablonová deska ionografickým procesem nanášeníspeciálního toneru. Na nosnou desku je nanesena tenká vrstva fotopolymernípryskyřice, nad kterou je umístěna šablonová deska. Krátkodobým působením UV lampy o výkonu 4kW je pryskyřice vytvrzena. Po odstranPo odstraněěnníí ššablony je ablony je nevytvrzennevytvrzenáá pryskypryskyřřice vakuovice vakuověě odsodsááta. Na mta. Na míísta, ze kterých byla odssta, ze kterých byla odsááta ta nevytvrzennevytvrzenáá pryskypryskyřřice je nanesen roztavený výplice je nanesen roztavený výplňňový vosk, který slouový vosk, který sloužžíí jako jako podpora pro dalpodpora pro dalšíší vrstvu. 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 pomocíozařování speciální UV lampou. Po konečném vytvrzení je nutné ze součásti odstranit podpory a přebytečný materiál ve formě vosku.




Solid Ground Cutting – SGC

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.

Hlavní oblast použití této metody je v ověřování designu, funkce a smontovatelnosti strojních součástí, dále pro účely prezentace nových výrobkůa 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.



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.




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).





Princip metody SLS – na podkladovou desku je nanesena první vrstva práškového materiálu. Prášek je působením CO2 laseru nataven – dochází k jeho spékánípouze 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 – odstraněnípodpor, tryskání, obrábění jako klasický materiál, broušení, leštění atd.





Výhody: Součásti vyrobené metodou SLS vynikají svojí pevností – velké množstvípoužitelných 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.

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 rychlejšíodvod tepla).




Direct Metal Laser Sintering – DMLS

400 °C400 °C550 °CMax. pracovní teplota

120 HV36-39 (50-54*) HRC23-33 HRCTvrdost povrchu

80 GPa180 GPa190 GPaModul pružnosti

200 MPa1000 (1900*) MPa500 MPaMez kluzu Rp0,2

400 MPa1100 (1950*) MPa900 MPaMez pevnosti Rm

8%--Zbytková porózita

10-20 mm3/s2-4 mm3/s2-5 mm3/sRychlost stavby

0,6 mm0,4 mm0,4 mmMin. tloušťka stěny

Slitina bronz-nikl DM 20Martenzitická ocel EOS MS1Nerezová ocel EOS GP1

Mezi nejčastěji používané materiály ve formě kovových prášků patří:

• Nerezová ocel EOS GP1

• Martenzitická ocel EOS MS1

• Slitina bronz-nikl DM 20 • Ocel DS 20

• Kobalt chrom EOS CC MP1 • Titan EOS Ti 64 / Ti64ELI

Mechanické vlastnosti vybraných práškových materiálů. * tepelně zušlechtěný materiál.





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 – odstraněnípodpor, tryskání, obrábění jako klasický materiál, broušení, leštění atd.





Výhody: Součásti vyrobené metodou SLS vynikají svojí pevností – velké množstvípoužitelných 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.

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 nacházívyužití 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.





3D za3D zařříízenzeníí EOSINT M 270EOSINT M 270




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.


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).




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 používajípři testování funkčnosti, pro účely vizualizací, prezentacía designu nových případně inovovaných výrobků. Modely je možné použít jako formy pro odlévací nebo vstřikovacítechnologie.



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 prototypovésoučásti.




Laminated Object Manufacturing – LOM

Modely vyrobené touto metodou jsou tvořeny velkým množstvím fólií. Jednotlivéfólie 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.


Součásti lze dokončit běžnými obráběcími metodami jako je vrtání, frézovánía soustružení. Povrch součásti je nutné pokrýt silikonovým, uretanovým nebo epoxidovým nástřikem, aby součást nezvětšovala svoje rozměry vlivem vsakující se vlhkosti.




Laminated Object Manufacturing – LOM

Výhody: Možnost použití jakéhokoliv mat. ve formě fólie – nejpoužívanější jepapír. Mezi další materiály patří plasty, kovy, keramika a kompozitnímateriály. 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. Zdlouhavéodstraňování podpor – nebezpečí poškození vyrobené součásti.

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 odlévacía vstřikovací technologie.




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.




Fused Deposition Modeling – FDM

Výhody: Výroba funkčních prototypů, které se svými vlastnostmi blíží konečnýmproduktům. 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.

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.




Multi Jet Modeling – MJM

Výhody: Jednoduché řešení, ekonomická výroba modelů, výhodná metoda z časového hlediska.

Nevýhody: Výroba menších součástí, omezená volba materiálu, malá přesnost.

Postupné nanášení jednotlivých vrstev termopolymeru pomocí speciální tiskovéhlavy – 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 naneseníjedné vrstvy se deska sníží o tuto tloušťku směrem dolů.

Nanášený termoplastický materiál ztuhne při styku s již naneseným materiálem téměř okamžitě.




Multi Jet Modeling – MJM



Post Processing

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, snadnějšísmontovatelnosti, vizualizace případně větší ostrosti barev.

Souhrn zSouhrn záákladnkladníích vlastnostch vlastnostíí jednotlivých metod Rapid jednotlivých metod Rapid PrototypingPrototyping

Model nemá stejné mechanické vlastnosti v různých směrech, dokončovací operace –

odstranění podpor.

Velmi tenké vrstvy materiálu, nepřítomnost škodlivých

emisí.0,05 – 0,20

Termopolymer,akrylátový

fotopolymer

300x180x200(Invision)

250x190x200(Thermojet)

MJM

Model nemá stejné mechanické vlastnosti v různých směrech, dokončovací operace –

odstranění podpor.

Několik druhů materiálů, nepřítomnost škodlivých

emisí.0,05 – 0,33

ABS a ABS+,vosk,

polykarbonat

200x200x300(Dimension)600x500x600

(Quantum)

FDM

Výkonný laser, produkce nežádoucích výparů, nižší přesnost součásti, pracné odstraňování

podpor.

Model má podobnou strukturu jako dřevo, lze ho snadno obrábět – tvarová stálost.

0,01 – 0,20Papír

s jednostranným pojivem

500x700x300LOM

Prostorově a energeticky náročné zařízení, nebezpečí rozptýlení kovového prášku, pórovitost modelu – nutnost dokončovacích operací, drsný

povrch podpor.

Výkonný laserový zdroj, nespotřebovaný prášek je z

98% znovu využíván, širokéspektrum materiálů.

0,02 – 0,04Kovové prášky250x250x215(EOSINT M270)

DMLS

Prostorově a energeticky náročné zařízení, nebezpečí rozptýlení kovového prášku, pórovitost modelu – nutnost dokončovacích operací, drsný

povrch podpor.

Výkonný laserový zdroj, nenatavený prášek slouží jako

podpora, široké spektrum materiálů.

0,10 – 0,50

Polyamid, polykarbonát, nylon, vosk,

kovové prášky

350x350x450SLS

Výkonný laserový zdroj, malý výběr materiálu pro model.

Poškozené vrstvy jsou odfrézovány, model se staví

bez podpor.0,10 – 0,50Fotopolymer,

nylon500x350x500SGC

Výkonný laserový zdroj, fotopolymer vykazuje toxické vlastnosti, dokončovací vytvrzování

modelu, malá tepelná odolnost modelu.

Model může obsahovat přesnédetaily a tenké stěny.0,05 – 0,15Fotopolymer600x600x500

SLA

NevýhodyPřednostiTloušťka vrstvy [mm]

Materiál modelu

Orientačnívelikost

komory šxdxv[mm]


Etapy rychlEtapy rychléé výrovy prototypvýrovy prototypůů

ReverseEngineering

CAD

Příprava dat pro zařízení

RPCatalystMagic

Status...

TechnolgieRP

Soft Tooling

Hard Tooling

Stl zip LAN- zip

MasterModel

MasterModel

Posouzení funkčních vlastností

Posouzení estetických vlastností

Rapid Tooling

Model

Model

stl

stl

stlVstřikovací

forma

LAN-job j -


KomplexnKomplexníí grafickgrafickéé pracovipracoviššttěě na FSI VUT v Brnna FSI VUT v Brněě

Příprava dat v softwaru CatalystEX


KomplexnKomplexníí grafickgrafickéé pracovipracoviššttěě na FSI VUT v Brnna FSI VUT v Brněě

UkUkáázky 3D tisku na komplexnzky 3D tisku na komplexníím grafickm grafickéém pracovim pracoviššti metodou FDMti metodou FDM

FSI VUT v Brně – disertační, diplomové, bakalářské práce, studenti



Odkazy na Internetu:Odkazy na Internetu:

www.3dsystems.www.3dsystems.comcomwww.www.stratasysstratasys..comcomwww.www.cubictechnologiescubictechnologies..comcomwww.www.mcaemcae..czczwww.www.bibusbibus..czczwww.aaroflex.comwww.aaroflex.comwww.solidwww.solid--scape.com/scape.com/www.www.eoseos--gmbhgmbh.de/default..de/default.htmhtm

DDěěkuji za pozornost.kuji za pozornost.

Documents

Aditivní technologie – metody Rapid Prototypingust.fme.vutbr.cz/obrabeni/podklady/sto_bak/cv_STV_04...Technologie Rapid Prototyping umožňuje vytvářet vnější i vnitřní tvary