Aditivní technologie – metody Rapid Prototyping - VUT UST

Počítatačové navrhování strojních uzlů – metody Rapid PrototypingK moderním trendům ve výrobě prototypových dílů patří zejména aditivnítechnologie, které zahrnují např. spékání/slinování prášků různého chemickéhosložení, zrnitosti, fyzikálních, chemických i jiných užitných vlastností.Podle použitité technologie se v zařízenzeních Rapid Prototyping používajvají:• fotopolymery,•termoplasty,•speciálně upravený papír,• kovové prášky.Technologie Rapid Prototyping umožňžňuje vytvářet vnějšíi vnitřní tvarysoučáststí jakkoli složitité, , což v konečném m důsledku dpřinpináší:•přímou výrobu tvarově komplexních dílů –zhotovenísoučásti najednou,• úsporu výrobních nákladů,• zkrácení doby kompletace,• zvýšení spolehlivosti.

Počítatačové navrhování strojních uzlů – metody Rapid PrototypingDůvody 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.

Počítatačové navrhování strojních uzlů – metody Rapid PrototypingObecný princip technologie Rapid PrototypingTvar vyrobenésoučástiTvary jednotlivýchvrstev vypočítanésoftwaremProces tvorby součásti,schéma

Počítatačové navrhování strojních uzlů – metody Rapid PrototypingVývoj a proces vzniku reálnlné součástistiReálnásoučástkaDigitalizaceMrakbodůModelování,sestavení povrchuCADmodelCAD/CAMNavazujícíprocesyMKPTechnologieRPSLA, SGC,SLS, LOM,FDM, MJMNC programPevnostníanalýzaReálnásoučástkaObráběcístrojVýrobaforemReálnásoučástkaVýrobaforem

Počítatačové navrhování strojních uzlů – metody Rapid PrototypingPorovnání technologií Rapid PrototypingZákladní technologie Rapid PrototypingZkratkaMateriál modeluStereolitografieSLA, SLFotopolymerSolid Ground CuttingSGCFotopolymer, nylonSelective Laser SinteringSLSPolyamid, nylon, vosk, kovové práškyDirect Metal Laser SinteringDMLSKovové práškyLaminated Object ManufacturingLOMPapír s jednostranným pojivemFused Deposition ModelingFDMABS, vosk, polykarbonatMulti Jet ModelingMJMTermopolymer, akrylátový fotopolymer

Počítatačové navrhování strojních uzlů – metody Rapid PrototypingMetody Rapid PrototypingNa bázi fotopolymerů:Modely na bázi fotopolymerů jsou většinou stavěny v nádobě s kapalnoupryskyřicí, 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. Poskončení výrobního procesu je zbytek pryskyřice odveden a model muže býtpoužit pro další operace. Prodejci tohoto zařízení definují své produkty podle typulaseru, metody skenování, zvedacího mechanismu a optické soustavy.SLA-7000 firmy 3D Systems

Počítatačové navrhování strojních uzlů – metody Rapid PrototypingMetody Rapid PrototypingNa bázi fotopolymerů:Stereolitografie – SLAStavba SLA modelu je založena na postupném vytvrzování jednotlivých 2D vrstev,které jsou získány z obslužného softwaru v rámci přípravy modelu. Tyto vrstvyjsou 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 pryskyřicina 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 úpravapovrchu včetně opracování v UV komoře, kde se součásti dodá požadovanáintegrita povrchu, barva atd.

Počítatačové navrhování strojních uzlů – metody Rapid PrototypingMetody Rapid PrototypingNa bázi fotopolymerů:Stereolitografie – SLAMetoda SLA se používá převážně v oblastiautomobilového průmyslu při výrobě modelů aut, nakterých se zkouší různé technologické přípravky,nástroje atd. Výhodou je také možnost výroby forempro 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 obsluhyběhem procesu.Nevýhody: Metoda požadující úpravu povrchu modelu a následné sušení.

Počítatačové navrhování strojních uzlů – metody Rapid PrototypingMetody Rapid PrototypingNa bázi fotopolymerů:Solid Ground Cutting – SGCPo 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 UVlampy o výkonu 4kW je pryskyřice vytvrzena. Po odstraněníšablony jenevytvrzenápryskyřice vakuověodsáta. Na místa, mze kterých byla odsátanevytvrzená pryskyřice je nanesen roztavený výplňový vosk, který slouží jakopodpora pro dalšívrstvu.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 modeluv pracovním prostoru.Dokončená součást je v některých případech ještě závěrečně vytvrzována pomocíozařování speciální UV lampou. Po konečném vytvrzení je nutné ze součástiodstranit podpory a přebytečný materiál ve formě vosku.

Počítatačové navrhování strojních uzlů – metody Rapid PrototypingMetody Rapid PrototypingNa bázi fotopolymerů:Solid Ground Cutting – SGCHlavní oblast použití této metody je v ověřování designu, funkcea smontovatelnosti strojních součástí, dále pro účely prezentace nových výrobkůa výzkum trhu. Další použití je v medicíně např. pro výrobu chirurgickýchpomůcek na míru pacientovi, výrobu zakázkových protéz apod. Součástivyrobené touto metodou lze použít pro tzv. lití na ztracený vosk, lití do písku a dosádry.Výhody: Minimální smrštění modelu, dobrá struktura a stabilita modelu, procesneprodukující žádný zápach.Nevýhody: Velké rozměry zařízení, problém s usazeninami vosku, tvorbaodpadu, hlučnost zařízení.

Počítatačové navrhování strojních uzlů – metody Rapid PrototypingMetody Rapid PrototypingNa 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 doskupin kapalných.

Počítatačové navrhování strojních uzlů – metody Rapid PrototypingMetody Rapid PrototypingNa bázi práškových materiálů:Selective Laser Sintering – SLSPodle druhu použitého modelovacího materiálu je možno v rámci tétotechnologie rozlišovat metody:• Laser Sintering – Plastic.• Laser Sintering – Metal.• Laser Sintering – Foundry Sand.• Laser Sintering – Ceramic (Direct Shelt Production Casting).

Počítatačové navrhování strojních uzlů – metody Rapid PrototypingMetody Rapid PrototypingNa bázi práškových materiálů:Selective Laser Sintering – SLSPrincip metody SLS – na podkladovou desku je nanesena první vrstva práškovéhomateriálu. Prášek je působením CO 2laseru nataven – dochází k jeho spékánípouze v požadovaném místě. Okolní materiál zůstává nespečen a slouží jakopodpora. Tímto způsobem je dokončena jedna vrstva. Nosná deska je posunutao tloušťku jedné vrstvy dolů a další vrstva prášku je nanesena speciálnímválečkovým 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 – (částice20 až 100 µm).Metoda vyžaduje stavbu podpor – tvořeny nespečeným práškem v okolí modelu.Volba atributů tisku – příprava modelu pro tisk, měřítko tisku a orientace modeluv pracovním prostoru.Dokončovací operace jsou nezbytnou součástí výrobního procesu – odstraněnípodpor, tryskání, obrábění jako klasický materiál, broušení, leštění atd.

Počítatačové navrhování strojních uzlů – metody Rapid PrototypingMetody Rapid PrototypingNa bázi práškových materiálů:Selective Laser Sintering – SLSMetoda SLS získává široké pole uplatnění v oblasti výrobyforem a nástrojů pro výrobu plastových, keramických nebokovových výrobků (prototypové formy, malosériové formy,tvarově složité vložky, jádra s chladícími kanálkyoptimalizovanými dle tvaru a složitosti dutiny pro rychlejšíodvod tepla).Výhody: Součásti vyrobené metodou SLS vynikají svojí pevností – velké množstvípoužitelných materiálů. Součásti nepotřebují podpory. Obslužný softwarenabízí široké možnosti nastavení (změny parametrů během tisku).Nevýhody: Prostorově a energeticky náročné zařízení. Kvalita povrchu jev porovnání s ostatními metodami nízká – velikost práškového materiálu.

Počítatačové navrhování strojních uzlů – metody Rapid PrototypingMetody Rapid PrototypingNa bázi práškových materiálů:Direct Metal Laser Sintering – DMLSMezi 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 / Ti64ELIMechanické vlastnosti vybraných práškových materiálů. * tepelně zušlechtěný materiál.Nerezová ocel EOS GP1Martenzitická ocel EOS MS1Slitina bronz-nikl DM 20Min. tloušťka stěny0,4 mm0,4 mm0,6 mmRychlost stavby2-5 mm 3 /s2-4 mm 3 /s10-20 mm 3 /sZbytková porózita--8%Mez pevnosti Rm900 MPa1100 (1950*) MPa400 MPaMez kluzu Rp 0,2500 MPa1000 (1900*) MPa200 MPaModul pružnosti190 GPa180 GPa80 GPaTvrdost povrchu23-33 HRC36-39 (50-54*) HRC120 HVMax. pracovní teplota550 °C400 °C400 °C

Počítatačové navrhování strojních uzlů – metody Rapid PrototypingMetody Rapid PrototypingNa bázi práškových materiálů:Direct Metal Laser Sintering – DMLSDávkovací zařízení nastaví množství prášku pro jednu vrstvu a ramenos keramickým břitem rozprostře na povrch ocelové platformy rovnoměrnou vrstvuprášku dle zvolené tloušťky vrstvy. V místě dopadu laserového paprsku je kovovýprášek lokálně roztaven, přičemž dochází k „protavení“ podkladové vrstvya následně tuhne do pevného stavu. Ocelová platforma odvádí zároveň teplo,takže roztavený kov tuhne velmi rychle. Pro většinu materiálů je pracovní komoravyplněna dusíkem a díl je tak chráněn před oxidací.Materiálem prototypových součástí je prášek ve formě kovu a slitin. Materiál je veformě 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.

Počítatačové navrhování strojních uzlů – metody Rapid PrototypingMetody Rapid PrototypingNa bázi práškových materiálů:Direct Metal Laser Sintering – DMLSMetoda DMLS postupně získává pozici výrobní metody pro rychlou a zároveň přesnouvýrobu 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 neboobalářského průmyslu a medicíny.Technologie DMLS se velmi často kombinuje s tradičními výrobními postupy - jedná seo tzv. „hybridní koncepci“. Typickým příkladem této koncepce je forma.Výhody: Součásti vyrobené metodou SLS vynikají svojí pevností – velké množstvípoužitelných materiálů. Součásti nepotřebují podpory. Obslužný softwarenabízí široké možnosti nastavení (změny parametrů během tisku).Nevýhody: Prostorově a energeticky náročné zařízení. Kvalita povrchu jev porovnání s ostatními metodami nízká – velikost práškového materiálu.

Počítatačové navrhování strojních uzlů – metody Rapid PrototypingMetody Rapid PrototypingNa bázi práškových materiálů:Direct Metal Laser Sintering – DMLS3D zařízenzení EOSINT M 270

Počítatačové navrhování strojních uzlů – metody Rapid PrototypingMetody Rapid PrototypingNa bázi práškových materiálů:3D Printing – 3DPPrůmyslově 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 práškua recykluje ho pro další použití.Z důvodu lepších mechanických vlastností se povrch modelů ošetřuje speciálnímiinfiltranty (ponořením nebo nanesením pomocí štětce).

Počítatačové navrhování strojních uzlů – metody Rapid PrototypingMetody Rapid PrototypingNa bázi práškových materiálů:3D Printing – 3DPVysoce 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-snapepoxidovou pryskyřicí, která modelu propůjčí vlastnosti pryže.Prototypové součásti vyrobené touto metodou se používajípři testování funkčnosti, pro účely vizualizací, prezentacía designu nových případně inovovaných výrobků. Modelyje možné použít jako formy pro odlévací nebo vstřikovacítechnologie.

Počítatačové navrhování strojních uzlů – metody Rapid PrototypingMetody Rapid PrototypingNa bázi tuhých materiálů:Výroba prototypových součástí je velmi odlišná od výroby prototypů naprincipu kapalné báze. Společným znakem této skupiny je počáteční volbamateriálu v tuhé fázi (pro danou metodu výroby) k vytvoření prototypovésoučásti.

Počítatačové navrhování strojních uzlů – metody Rapid PrototypingMetody Rapid PrototypingNa bázi tuhých materiálů:Laminated Object Manufacturing – LOMModely vyrobené touto metodou jsou tvořeny velkým množstvím fólií. Jednotlivéfólie jsou na jedné straně opatřeny přilnavým nátěrem, kterým jsou přilepenyk předcházející vrstvě. Laserem je následně vyřezána kontura modelu. Přebytečnýmateriál je rozřezán na jednotlivé kvádry, které jsou na závěr procesu odstraněny.Materiálem modelů jsou fólie tvořené papírem, plasty (nylon, polyester) nebokeramikou.Metoda vyžaduje stavbu podpor, které se po vyrobení součásti mechanickyodstraní.Volba atributů tisku – měřítko tisku a orientace modelu v pracovním prostoru.Součásti lze dokončit běžnými obráběcími metodami jako je vrtání, frézovánía soustružení. Povrch součásti je nutné pokrýt silikonovým, uretanovým neboepoxidovým nástřikem, aby součást nezvětšovala svoje rozměry vlivem vsakující sevlhkosti.

Počítatačové navrhování strojních uzlů – metody Rapid PrototypingMetody Rapid PrototypingNa bázi tuhých materiálů:Laminated Object Manufacturing – LOMSoučásti vzniklé touto metodou sepoužívají pro účely vizualizace, marketinga prezentaci nových výrobků potenciálnímzákazníkům. Modely je také možné použítjako formy pro nejrůznější odlévacía vstřikovací technologie.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 modeluje omezena použitým pojivem jednotlivých vrstev mat. Zdlouhavéodstraňování podpor – nebezpečí poškození vyrobené součásti.

Počítatačové navrhování strojních uzlů – metody Rapid PrototypingMetody Rapid PrototypingNa bázi tuhých materiálů:Fused Deposition Modeling – FDMPrincip metody spočívá v natavování termoplastického materiálu navinutého veformě drátu na cívce, ze které je vtlačován do vyhřívané trysky pomocí kladeka 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 nebochemicky odstraní.Volba atributů tisku – typ zařízení, tloušťka vrstev materiálu, typ podpor, způsobvyplnění objemu modelu, měřítko tisku a orientace modelu v pracovním prostoru.Tisková hlava se pohybuje v rovině X, Y dokud nedokončí celou jednu vrstvusoučásti. Poté se celá tisková hlava posune o tloušťku vrstvy v ose Z směremnahoru a dojde k vytisknutí další vrstvy.

Počítatačové navrhování strojních uzlů – metody Rapid PrototypingMetody Rapid PrototypingNa bázi tuhých materiálů:Fused Deposition Modeling – FDMPrototypové součásti vyrobené touto metodou se používají při testování funkčnostia designu nových případně inovovaných výrobků. Vzhledem k pevnostipoužívaných materiálů lze tyto modely vystavit zatížení, které odpovídá realitě.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.

Počítatačové navrhování strojních uzlů – metody Rapid PrototypingMetody Rapid PrototypingNa bázi tuhých materiálů:Multi Jet Modeling – MJMPostupné 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 orientacesoučásti 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 materiálemtéměř okamžitě.Výhody: Jednoduché řešení, ekonomická výroba modelů, výhodná metodaz časového hlediska.Nevýhody: Výroba menších součástí, omezená volba materiálu, malá přesnost.

Počítatačové navrhování strojních uzlů – metody Rapid PrototypingMetody Rapid PrototypingNa bázi tuhých materiálů:Multi Jet Modeling – MJM

Post ProcessingPočítatačové navrhování strojních uzlů – metody Rapid PrototypingMetody Rapid PrototypingVšechny vyrobené 3D modely s využitím dostupných metod Rapid Prototyping lzedále z estetického hlediska obrábět, tmelit brousit, leštit, napouštět speciálnímiinfiltranty, barvit atd. za účelem vyšší přesnosti, lepšího povrchu, snadnějšísmontovatelnosti, vizualizace případně větší ostrosti barev.

Souhrn základnzkladních vlastností jednotlivých metod Rapid PrototypingOrientačnívelikostkomory šxdxv[mm]MateriálmodeluTloušťkavrstvy [mm]PřednostiNevýhodySLA600x600x500Fotopolymer0,05 – 0,15Model může obsahovat přesnédetaily a tenké stěny.Výkonný laserový zdroj, fotopolymer vykazujetoxické vlastnosti, dokončovací vytvrzovánímodelu, malá tepelná odolnost modelu.SGC500x350x500Fotopolymer,nylon0,10 – 0,50Poškozené vrstvy jsouodfrézovány, model se stavíbez podpor.Výkonný laserový zdroj, malý výběr materiálu promodel.SLS350x350x450Polyamid,polykarbonát,nylon, vosk,kovové prášky0,10 – 0,50Výkonný laserový zdroj,nenatavený prášek slouží jakopodpora, široké spektrummateriálů.Prostorově a energeticky náročné zařízení,nebezpečí rozptýlení kovového prášku, pórovitostmodelu – nutnost dokončovacích operací, drsnýpovrch podpor.DMLS250x250x215(EOSINT M270)Kovové prášky0,02 – 0,04Výkonný laserový zdroj,nespotřebovaný prášek je z98% znovu využíván, širokéspektrum materiálů.Prostorově a energeticky náročné zařízení,nebezpečí rozptýlení kovového prášku, pórovitostmodelu – nutnost dokončovacích operací, drsnýpovrch podpor.LOM500x700x300Papírs jednostrannýmpojivem0,01 – 0,20Model má podobnou strukturujako dřevo, lze ho snadnoobrábět – tvarová stálost.Výkonný laser, produkce nežádoucích výparů,nižší přesnost součásti, pracné odstraňovánípodpor.FDM200x200x300(Dimension)600x500x600(Quantum)ABS a ABS+,vosk,polykarbonat0,05 – 0,33Několik druhů materiálů,nepřítomnost škodlivýchemisí.Model nemá stejné mechanické vlastnostivrůzných směrech, dokončovací operace –odstranění podpor.MJM300x180x200(Invision)250x190x200(Thermojet)Termopolymer,akrylátovýfotopolymer0,05 – 0,20Velmi tenké vrstvy materiálu,nepřítomnost škodlivýchemisí.Model nemá stejné mechanické vlastnostivrůzných směrech, dokončovací operace –odstranění podpor.

Počítatačové navrhování strojních uzlů – metody Rapid PrototypingEtapy rychlé výrovy prototypůPosouzení funkčních vlastnostíReverseEngineeringModelSoft ToolingstlstlStl zipLAN- zipPříprava dat prozařízeníRPCatalystMagicStatus...LAN-job j -TechnolgieRPMasterModelVstřikovacíformastlMasterModelHard ToolingCADModelRapid ToolingPosouzení estetických vlastností

Počítatačové navrhování strojních uzlů – metody Rapid PrototypingKomplexní grafické pracoviště na FSI VUT v BrněPříprava dat v softwaru CatalystEX

Počítatačové navrhování strojních uzlů – metody Rapid PrototypingKomplexní grafické pracoviště na FSI VUT v BrněUkázky 3D tisku na komplexním m grafickém m pracovišti metodou FDMFSI VUT v Brně –disertační, diplomové, bakalářské práce, studenti

Počítatačové navrhování strojních uzlů – metody Rapid PrototypingMetody Rapid PrototypingOdkazy na Internetu:www.3dsystems.comwww.stratasysstratasys.comwww.cubictechnologiescubictechnologies.comcomwww.mcaemcae.czczwww.bibusbibus.czwww.aaroflex.comwww.solid-scape.com/scape.com/www.eoseos-gmbh.de/default..de/default.htm

Děkuji za pozornost.