Transfer inovácií 25/2013
2013
OPTIMALIZACE VÝROBY PROTOTYPŮ PŘI VYUŽITÍ TECHNOLOGIÍ RAPID
PROTOTYPING
Ing. Tomáš Neumann
Ing. František Tomeček
Vysoká škola Báňská – Technická univerzita
Ostrava
17. listopadu 15, Ostrava-Poruba, 708 33, ČR
e-mail: [email protected]
e-mail: [email protected]
Abstrakt
Článek pojednává o moderních trendech
a možnostech při výrobě prototypových dílů
pomocí jedné z technologií rapid prototypingu.
Dále se zaměřuje na optimalizaci a nastavení
jednotlivých parametrů, které výrazně ovlivňují
kvalitu, čas tisku a mechanické vlastností
zkušebních vzorku. Podle normy pro tahovou
zkoušku byly na tiskárně 3D Touch vyrobeny
zkušební vzorky z termoplastu. Vzorky sloužily k
analýze mechanických vlastností. Součástí je
i závěrečné zhodnocení jednotlivých vzorku
a porovnání získaných parametrů.
Klíčová slova: Rapid prototyping (RP), 3D tisk,
prostorové modely, FDM technologie, vrstvení
materiálu
Abstract
Article discusses the modern trends and
possibilities in the production of prototype parts
using technology called Rapid prototyping. It then
focuses on the optimization and adjustment of the
parameters that significantly affect the quality,
printing time and mechanical properties of the test
sample. According to the tensile test specimens
were produced, which were used for the analysis of
mechanical properties. Components is the final
evaluation of each sample and comparing the
received parameters
.Key words: Rapid prototyping, 3D printing,
spatial models, FDM technology, layering material
ÚVOD
Rapid prototyping (RP) neboli rychlé
prototypování dnes proniká do celé řady odvětví.
Stále častěji se s těmito metodami setkáváme nejen
v automobilovém a leteckém průmyslu, ale
i v takových oborech jako je medicína nebo
stavebnictví. Historicky byly metody RP přijímány
za průkopnické technologie právě v automobilovém
a leteckém průmyslu, kde nahradily klasickou
výrobu modelů a prototypů, čímž se výrazně
zkrátila doba vývoje a výzkumu. Cílem RP je
rychlejší zavedení výrobku na trh. Na zhotovených
prototypech se nejčastěji ověřuje jejich funkčnost,
208
zástavbové rozměry, design, ergonomie a v případě
sestav tzv. smontovatelnost. Prototypy slouží také
pro prezentaci produktu cílovému zákazníkovi
a testování zájmu o daný produkt. Nedílnou součást
nachází i ve školství, jako názorné didaktické
pomůcky.
3D tisk je jednou z forem RP. Velkou
výhodou této metody, ve srovnání s konvenčními
výrobními technologiemi, je svoboda při
navrhování a tvorbě designu. Díky 3D tisku
můžeme vyrobit objekty a tvary, které by byly
konvenčními metodami nedosažitelné nebo příliš
drahé. 3D tisk také šetří nemalé finanční náklady již
ve fázi vývoje nových produktů, neboť pro
zhotovení objektu nepotřebujeme žádné další
nástroje, přičemž cena materiálu je v porovnání se
strojním časem zanedbatelná. Nevýhodou metody
je malá produktivita, z čehož vyplývá její
nevhodnost pro sériovou výrobu. Ve výjimečných
případech ale může být 3D tisk jedinou možnou
výrobní metodou, která je schopná daný objekt
zhotovit. V takových případech je snaha snížit
předpokládaný výrobní čas všemi dostupnými
prostředky již při virtuálním návrhu objektu.
DĚLENÍ SYSTÉMU RAPID PROTOTYPING
Systémy pro torbu rychlých prototypů
pomocí 3D tisku lze rozdělit podle několika
hledisek, kde převážně záleží na výrobním zařízení
a použité technologií 3D tisku.
Dělení dle výrobního procesu:
 přírůstek hladin při použití laseru
s vytvrzováním bod po bodu
 přírůstek hladin bez použití laseru
s vytvrzováním bod po bodu
 přírůstek hladin zdola při použití laseru
 přírůstek hladin bez použití laseru
Dělení podle použitých materiálů:
 tekuté materiály
 práškové materiály (Powder-Based)
 tuhé materiály (Solid-Based)
Dělení dle použité technologie:
V současnosti existují spousty metod
tvorby modelů pomocí RP, některé jsou však pouze
modifikace základních technologií. V další kapitole
je stručný přehled nejpoužívanějších a zároveň
nejrozšířenějších metod v průmyslovém použití
Dělení dle systému přidávání materiálu:
 po vrstvách
 po kapkách
Transfer inovácií 25/2013
2013
PŘEHLED ZÁKLADNÍCH TECHNOLOGIÍ
3D TISKU
Podložka se posune dolů o tloušťku vrstvy a celý
proces se opakuje.
Stereolitografie (SLA) [4]
V současnosti patří tato metoda RP
k nejpoužívanějším v průmyslovém využití. Model
se staví z tekuté epoxidové pryskyřice. V tekutině
je umístěna základová deska, na které je stavěn
model tak, že laserový paprsek vytvrzuje po
jednotlivých vrstvách konturu na hladině. Poté
klesne základová deska o nastavený krok, proběhne
urovnání hladiny kapaliny a pokračuje vytvrzení
další vrstvy. Zároveň je stavěna podpůrná
konstrukce, která zaručuje tvarovou stálost modelu.
Na obr. 1 je názorně popsána podstata této
metody. Zhotovené produkty mají poměrně
vysokou přesnost a malou drsnost povrchu, zlepšení
lze docílit i následným obráběním součásti. Mezi
nevýhody SLA lze zahrnout pomalý proces tvrzení
polymeru, malá tepelná odolnost materiálu a velmi
vysoká pořizovací cena výrobního zařízení.
Multi-Jet Modelling (MJM)
Princip metody je založený na nanášení
jednotlivých vrstev termopolymeru postupně na
sebe pomocí speciální tiskové hlavy. Tato speciální
tisková hlava může být opatřena až 350 tryskami
uspořádaných rovnoběžně vedle sebe. Tato metoda
je efektivní a úsporná, díky velkému množství
trysek je materiál nanášen rovnoměrně a tisk je
velmi rychlý. Nevýhodou ovšem je malá přesnost
modelu. [4]
Fused Deposition Modeling (FDM)
Metoda je založená na vytlačování pevné
látky tryskou (tisková hlava), ve které se tento
materiál zahřeje na tavící teplotu. Nové vlákno se
přichytí na poslední vrstvu a okamžitě tuhne.
Tisková hlava se pohybuje v souřadnicích x a y po
vygenerovaných drahách, které byly předem
zpracovány pomocí příslušného softwaru. Po
dokončení jedné vrstvy se podložka sníží o výšku
vrstvy a celý proces se opakuje až po dokončení
součásti. Pro zvýšení stability složitějších modelu
při tisku se využívá podpůrné konstrukce, která se
tiskne z druhé tiskové hlavy (může být použit i jiný
materiál). Nevýhodami této metody jsou velké
výrobní časy modelu a omezená přesnost daná
velikosti vlákna stavebního materiálu. Výhodami
jsou jeho dostupnost, použití i v kancelářských
prostorech, vysoká tepelná odolnost a pevnost
vytištěného modelu.
Obr. 1 Podstata metody SLA [4]
Solid Ground Curing (SGC)
Metoda je založena na podobném principu
jako metoda SLA s tím, že nanesená vrstva
materiálu je vytvrzena pomocí UV lampy přes
předem vyrobenou masku, celá najednou. [5]
Selectiv Laser Sintering (SLS)
Materiál je ve formě velmi jemného prášku
natavován teplem, působením laserového paprsku
v daném místě dochází k natavování a následnému
slinování. Okolní nenatavený prášek slouží jako
podpora pro model. Pomocí SLS je možné vytvářet
součásti z plastů, pryže, kovu, keramiky a dokonce
i ze speciálního písku. [5]
Laminated Object Manufacturing (LOM, LM)
Podstatou této metody je postupné
laminátování jednotlivých vrstev. Materiál se
používá fólie nebo napuštěný papír. Spodní část
fólie je opatřena lepidlem, díky čemuž se přichytí
k předešlé vrstvě. Následně laser vyřeže obrys
požadovaného tvaru, přebytečná fólie propadne.
Obr. 2 Podstata metody FDM [4]
3D TISKÁRNA „3D Touch™ 3D Printer“ –
technické parametry
Tato tiskárna vychází z technologie 3D
tisku FDM – tavení plastového materiálu, jeho
vytláčení a nanášení horkou tryskou ve vrstvách.
Tiskárna obsahuje 3 tiskové hlavy tzv. extrudery,
které se můžou při tisku kombinovat a vytvářet
různé barevné kombinace výsledného produktu. To
209
Transfer inovácií 25/2013
2013
také přispívá k tisku složitějších součásti, u kterých
je potřeba umístit podpůrnou konstrukci aby se
součást nezbortila. Podpůrná konstrukce je
vytvářena jinou tiskovou hlavou než se tiskne
samotná součást (jiná barva, jiný druh plastu apod.).
být povrch, který zajistí maximální kontakt se
základní deskou. Výsledný trojrozměrný objekt
vlastně vzniká vrstvením termoplastů do rovin XY
(resp. skládáním příčných řezů určité tloušťky).
3D model byl vytvořen v programu
Autodesk Inventor 2012. Základní rovinou byla
vybrána XY, jejíž orientaci v modelu lze vidět na
obr. 4. Nesprávně zvolená základní rovina lze
i dodatečně opravit ve speciálním softwaru. Je
vhodné, aby těžiště objektu při tisku bylo pokud
možno co nejníže.
Obr. 3 3D tiskárna „3D Touch™ 3D Printer“ [2]
Výhodou této tiskárny je její použitelnost
v kancelářském prostředí, neboť při samotném tisku
neprodukuje žádné škodlivé látky, jako je tomu u
jiných technologií či velkých průmyslových 3D
tiskárnách. Není nutné propojení tiskárny s PC,
datová komunikace funguje přes USB disk. Po
připojení výměnného disku se načte přímo předem
upravený soubor a začne se tisk. Další její výhodou
je nízká pořizovací cena a nízké náklady tisku,
ovšem kvalita tisku není příliš dobrá v porovnání
s průmyslovými tiskárnami stejné technologie.
Tab. 1 Technické parametry tiskárny „3D Touch“
[2]
Rozměry tiskárny (šxdxv)
515x515x598 mm
Hmotnost
38 kg
Příkon
60 W
Napájení
230V AC
Max. rozměr tištěného
předmětu (XxYxZ)
185x275x201
Tisková rychlost
max. 15 mm /s
Tisknutelný materiál
PLA, ABS
Obr. 4 Vhodné umístění objektu
Hotový model je nutno převést do formátu
.STL (STereoLithography), který se používá pro
rapid prototyping a podporuje ho většina CAD
systémů. STL formáty popisují pouze povrchovou
geometrii objektu a další informace například
o barvě, jakosti materiálu apod. jsou ztraceny. Při
převodu dat do STL formátu, může dojít
k poškození souboru, je proto důležité při ukládání
volit vhodné rozlišení a jednotky.
3
PŘÍPRAVA DAT PRO TISK
Již před tvorbou 3D modelu bychom měli
mít částečnou představu o tvaru budoucí součásti.
První skica by pak měla být provedena v rovině
XY, protože právě ta představuje nosnou desku, ze
které začne součást vyrůstat. Správným situováním
součásti lze například ovlivnit směr vláken, která
rozhodují o pevnosti součásti. Základnou by měl
210
Obr. 5 Nevhodné umístění objektu
Transfer inovácií 25/2013
2013
Obr. 6 Převod modelu vytvořeného v Inventoru 2012 do STL formátu
Další optimalizaci parametrů provedeme
již v softwaru určeném pro 3D tiskárnu. V tomto
případě v programu “Axon 2“. Zde je řada
volitelných parametrů, které mohou značně ovlivnit
kvalitu tisknuté součásti. Volíme si zde například
tloušťku vrstvy, strukturu výplně, obsah materiálu
apod.
1
.2
3
.
.
4
.5
.6
.
7
.
V některých případech může být časový rozdíl tisku
pro vlákno tloušťky 0,125 až pětkrát delší než pro
vlákno tloušťky 0,5mm.
Při návrhu součásti je třeba počítat
i s nepatrným zvětšením rozměru v ose Z. Tuto
změnu rozměrů způsobuje tloušťka pomocné
podkladové vrstvy, se kterou je potřeba vždy
počítat. Další pomocné prvky si program tvoří sám
na základě vstupních informací. Vhodné je, aby
podpůrný materiál pro pomocné prvky (např. pro
vyplňování dutin) byl shodný se základním
stavebním materiálem. V případě nedodržení této
zásady se může výrobní čas rapidně prodloužit,
neboť odlišný materiál musí být vytlačován z jiného
extruderu, přičemž doba zahřátí tohoto extruderu na
provozní teplotu prodlouží významně výrobní čas
tisku.
V poslední fázi optimalizace v programu
Axon 2 je nutné uložit provedené nastavení, čímž
se daná součást převede do formátu BFB. Tento
formát již přímo komunikuje s 3D tiskárnou.
EXPERIMENT
Obr. 7 Volitelné tiskové parametry, které ovlivňují
kvalitu vytisknuté součásti (1 - tloušťka vrstvy; 2 –
typ stavebního materiálu; 3 – typ pomocného
materiálu; 4 – typy materiálu pro součást složenou
z více druhu materiálu; 5 – hustota výplně; 6 – typ
výplně; 7 – rychlost tisku)
Vždy je potřeba si uvědomit, jakou přesnost
od vyrobených komponentů očekáváme, a podle
toho volit vhodnou tloušťku vlákna. Tloušťka vlákna
(resp. tloušťka příčného řezu) ovlivňuje nejen
pevnost vytisknuté součásti, ale také čas tisku.
Průběh experimentu
Tímto testem jsme ověřili mechanické
vlastnosti vytištěných vzorků v závislosti na kvalitě
3D tisku.
Nejprve byl proveden tisk zkušebních
vzorků na 3D tiskárně „3DTouch™ 3D Printer
(Triple Head)“. Velikost a tvar zkušebních vzorků
je přesně stanoven v normě ČSN EN 527, která
pojednává o zkoušce tahem plastů. Tato norma
udává tahové vlastností, při nichž jsou ze závislosti
napětí/poměrné prodloužení stanoveny hodnoty
modulu pružnosti při tahovém namáhání, meze
pevnosti
v tahu
a
dalších
napěťových
211
Transfer inovácií 25/2013
a deformačních charakteristik [1]. Základní
rozměry zkušebního vzorku jsou znázorněny na
obr. 8.
Obr. 8 Tvar a velikost zkušebního vzorku
Při tisku je důležité počítat i s poměrně
malou, ale nezanedbatelnou podkladní vrstvou. Ta
po dokončení tisku vytvoří na součásti nevzhledný
otřep (obr. 9), který by samozřejmě nepříznivě
ovlivňoval následnou tahovou zkoušku zvětšením
průřezu zkušebního vzorku. Proto bylo nutné otřep
mechanický odstranit pomocí skalpelu a další
vzniklé nerovnosti lehce zabrousit.
Obr. 9 Zkušební vzorek s podkladní vrstvou
v programu Axon 2
Vzorek byl následně podroben tahové
zkoušce na trhacím stroji. Trhací rychlost byla
stanovena na 5mm/min. Průběh tahové zkoušky pro
jednotlivé vzorky je zaznamenán v grafu (obr. 12)
a číselné hodnoty naměřených hodnot i výrobních
časů 3D tisku jsou uvedeny v následující tabulce
(tab. 2). Na obr. 11 je zobrazen detail kvality
povrchu tištěných vzorků. Vzorek č. 1 byl natištěn
s nejmenším přírůstkem vlákna 0,125 mm.
Vizuálně i dotykem je možné rozpoznat jeho
nejjemnější struktura s nejmenší drsností povrchu
v porovnání se vzorky 2 a 3.
2013
Tab. 2 Naměřené hodnoty a výrobní časy
Č. vzorku
Barva
Tl. vlákna
[mm]
Výrobní čas
[min.]
Stress peak
[MPa]
Force peak
[N]
Vzorek 1
Vzorek 2
Vzorek 3
0,125
0,250
0,500
169
75
40
45,585
53,825
46,360
1823,4
2153,0
1854,4
Obr. 10 Průběh tahové zkoušky
Obr. 11 Detail kvality tisku zkušebních vzorků
Obr. 12 Pracovní tahový diagram pro zkušební vzorky 1, 2, 3
212
Transfer inovácií 25/2013
2013
Materiálové vlastnosti zkušebních vzorků
Jak bylo již dříve uvedeno, zkušební
vzorky byly vyhotoveny z materiálu PLA.
Charakteristickou vlastnosti tohoto plastu je jeho
plně biologická odbouratelnost, jelikož je vyráběn
z kukuřičného škrobu nebo cukrové třtiny. Velkou
přednosti je velmi malá deformace při tuhnutí,
zároveň i za nižších tavících teplot je vytištěná
součást pevná a jednotlivé vrstvy kvalitně spojené.
Po vytištění lze dodatečně součásti z tohoto
materiálu opracovávat běžnými konvenčními
postupy (frézování, broušení apod.) avšak musí se
zohlednit teplota tání tohoto plastu. Materiál lze
snadno lakovat a natírat.
ZÁVĚR
Tab. 3 Parametry pro tisk PLA materiálu [3]
[1] ČSN EN ISO 527-1 Plasty – Stanovení
tahových vlastností, Část 1: Základní principy
Tavící teplota
Teplota pro tisk (běžná
vrstva)
Teplota pro tisk (základní
mřížka)
Teplota pro tisk (první
vrstva)
190°C
210 – 220°C
195°C
200°C
Průměr vlákna
3 mm
Rychlost tisku
20 – 30 mm/s
Zhodnocení experimentu
Cílem studie bylo posoudit, do jaké míry
může konstruktér ovlivnit kvalitu součásti ještě ve
fázi návrhu. Hlavním měřítkem při posuzování byla
kvalita vytisknuté součásti (resp. jeho pevnost) ve
srovnání s výrobním časem (resp. využitelností
stroje), který má největší vliv na výslednou cenu
součástí vyrobených 3D tiskem. Z experimentálně
zjištěných dat vyplývá, že nejlepší mechanické
vlastnosti vykazuje vzorek s tloušťkou vlákna 0,25.
Představuje zároveň přijatelný kompromis ve
srovnání s časovými nároky.
Výroba prototypů pomocí metod 3D tisku
je finančně i časově méně náročné oproti klasickým
konvenčním výrobním metodám. Toto plátí hlavně
ve vývoji, výzkumu a samozřejmě i v samotné
konstruktérské praxi. Přínosem tohoto článku je
stručné shrnutí metod RP a seznámení čtenáře
s podstatou základních technologií 3D tisku. Dále
se zde zaměřujeme na správnou úpravu dat z CAD
výstupu a optimalizaci v závislosti na výrobním
čase tištěného modelu.
POUŽITÁ LITERATURA A ZDROJE
[2] Bits From Bytes: 3DTouch 3D Printer
[online]. 2012 [cit. 2013-03-30]. Dostupné z:
http://www.bitsfrombytes.com/eur/store/bfb3dtouch-3d-printer-triple-head
[3] Inteo: Materiály pro 3D tiskárny [online].
2012 [cit. 2013-03-30]. Dostupné z:
http://www.inteo.cz/pla-role-pro-tisk/
[4] Přehled technik využívaných při Rapid
Prototyping: Učební text. Liberec: TUL,
Katedra výrobních systému, 2012.
[5] CHUA, C.K., LEONG, K.F., LIMC, S.Rapid
Prototyping, World Scientific Publisher CO.
PTE. LTD, 2003 [cit. 2009-04-20], 420 s,
ISBN 981-238-117-1
213
Download

optimalizace výroby prototypů při využití technologií rapid prototyping