15
květen 2013

3D tisk-aplikace

5 584 přečtení

1. Porovnání jednotlivých metod a určení oblasti jejich užití ve výrobě

Technologie RP mají velmi široké možnosti využití a zde předložené příklady jsou pouze ukázkou těch nejvýznamnějších. Zároveň u každé ze skupin je uvedeno, který z výše popsaných principů nejlépe odpovídá požadavkům kladeným touto aplikací a který se tak pro ni nejčastěji používá.

Prototypy

Využití prototypů ve výrobě přináší zlepšení rozhodování a komunikace (zejména u netechnicky vzdělaných pracovníků) a obecně napomáhá eliminovat chyby. Je možné využít je například k reálnému měření aerodynamiky, posouzení rozměrů, hmotnosti, vyváženosti, ergonomie, snadnosti použití, dostupnosti ovládacích prvků nebo třeba i posouzení sestavitelnosti. Vyzkoušení relativně levného prototypu může odvrátit zavedení chyby do výroby a ušetřit tak velké peníze.

3D tisk 3-1

Obr.1 Další možností využití RP je barevné zobrazení výsledků simulace napětí přímo na součásti.

Nejčastěji používané technologie: V této oblasti mohou nalézt uplatnění snad všechny zde popsané principy. I přes to má pro tento typ použití prototypů největší uplatnění stereolitografie díky rychlosti produkce a uživatelsky přívětivé a flexibilní 3D tiskárny založené na principu Powder-binder Printing.

Rapid Manufacturing a Rapid Tooling

Tyto termíny označují využití prototypových technologií pro výrobu ne prototypů, ale konečných výrobků (Rapid Manufacturing) nebo nástrojů k jejich výrobě (Rapid Tooling). Typicky formy na odlévání plastů, případně na odlévání na vytavitelný nebo spalitelný model. Obě skupiny ještě dělíme na přímé a nepřímé. Přímá metoda výroby je taková, kdy výrobkem z prototypového stroje je konečná součást nebo nástroj, který můžeme přímo použít například k lití nebo lisování. U nepřímé metody je výrobek pouze mezikrokem ke konečnému nástroji. Poměr těchto metod podle objemu výroby lze vyčíst z obrázku 2.

3D tisk 3-2

Obr.2 Graf znázorňující rozdělení využití technologií RP pro přímé a nepřímé Rapid Tooling a také poměr součástí z polymerů a kovů.

Při výrobě nástrojů se uplatní všechny výše uvedené výhody prototypových technologií. Z nich určitě konstruktéry potěší rychlost výroby, která může podstatně zkrátit čekání na zavedení nástroje do výroby a tím ji celou urychlit. Kromě toho přináší RP i dvě další velké výhody. První je už dříve zmíněná možnost gradientních materiálů, kdy jsme schopni řízeně měnit materiálové vlastnosti v průřezu nástroje podle našich požadavků. Druhou výhodou je tzv. “Conformal Cooling“.

Při klasickém způsobu výroby chladících kanálků-vrtání, jsme omezeni pouze na přímé či lomené tvary, které se nedají dostatečně přizpůsobit našim potřebám. Rychlost ochlazování se pak může v různých místech lišit a dojít tak k nadměrnému tepelnému namáhání nástroje. Metoda chlazení conformal cooling pak tento problém řeší tím, že celý nástroj je vyráběn technologiemi RP a chladící kanálky tak nemusí být vrtány, ale vyrobí se během samotné stavby součásti přesně podle našich potřeb. Tím se zlepší odvod tepla, zkrátí se výrobní cykly a zvýší se životnost nástroje. Ukázkou takové součásti je část licí formy na obrázku 3.

3D tisk 3-3

Obr.3 Chladicí kanálky vyrobené RP přesně kopírují tvar nástroje.

Postupy „Rapid Manufacturing“ se uplatňuje hlavně při malosériové produkci výrobků přizpůsobených na míru každému zákazníkovi zvlášť. Zpravidla se tento trend označuje termínem „Mass Customization“ a vyjadřuje snahu o to, aby každý produkt byl přizpůsoben požadavkům zákazníka a při tom byl vyroben ekonomicky a rychle.

Nejčastěji používané technologie: Velký rozdíl v přímé a nepřímé výrobě. U té nepřímé, jako je například výroba modelů pro stavbu formy, se nejvíce uplatní stereolitografie. Naopak u přímé výroby se uplatní hlavně metody zpracovávající kovy, hlavně Selective Laser Sintering.

Kosmonautika, Formule 1, NASCAR…

Tato oblast zahrnuje vysoce náročné aplikace, které kladou na součásti nekompromisní podmínky. Dalším typickým rysem je maloseriovost, takže zde ani není na závadu malá produktivita technologií RP.

Například použití v kosmonautice klade na součást velmi specifické požadavky jako je odolnost proti vakuu a vesmírnému záření, ale také co největší úspora hmotnosti. Tyto nároky splňují pouze velmi speciální slitiny, u kterých je navíc třeba minimalizovat pórezitu, protože i tyto povrchové nerovnosti jsou zdrojem nečistot, které mohou vyvolat komplikace.

Příkladem takové součásti může být potrubí pro vedení plynů jako je to na obrázku 28. Jeho tvar byl navržen tak, aby způsoboval co nejmenší turbulence proudění. Zároveň se však musel vejít do velmi omezených prostorových dispozic.

3D tisk 3-4

Obr.4 Přesně tvarované potrubí pro vedení plynů.

Nejčastěji používané technologie: Velmi podobné požadavky jako u předchozí kategorie, tedy i stejné nejvíce rozšířené metody- Selective Laser Sintering a stereolitografie.

Obchodní prezentace

Prezentace nového výrobku může být dobrou příležitostí pro prototypové technologie. Obchodníci zpravidla příliš neocení faktickou přesnost výroby, ale naopak pro ně bývá zásadní kvalita povrchu a vzhled. Stejně tak může být rozhodující rychlost dodání výrobku, protože na trhu získává výhodu ten, kdo s určitou inovací přijde jako první.

Ukázkou takového použití je první vůz Škoda Yeti. Tento prototyp byl použit k prezentaci studie. Přibližně 80% jeho součástí bylo vyrobeno prototypovými technologiemi.

Nejčastěji používané technologie: Výše popsaným nárokům, kladeným na technologie v této oblasti nejlépe odpovídá technologie 3D tisku. Uplatnění ale naleznou i ostatní.

Architektura

V architektuře nalézají technologie RP uplatnění jak při výrobě doplňků určených přímo k instalaci na stavbě, tak ale hlavně při vytváření modelů budov. Architektovi, který se k tomu rozhodne, nabízí velkou výhodu jak při samotné projekci stavby a posuzování jejího zapadnutí mezi okolní zástavbu, tak i při prosazování projektu investorům.

Příkladem takového použití mohou být modely návrhů Centra moderní architektury (obrázek 5) a Mediálního centra (obrázek 6) realizované společností Hacker Model Production technologií Selective Laser Sintering.

3D tisk 3-5

Obr.5 Centrum moderní architektury Brno, měřítko 1:100, technologie Selective Laser Sintering.

3D tisk 3-6

Obr.6 Mediální centrum Brno, měřítko 1:100, technologie Selective Laser Sintering.

 Nejčastěji používané technologie: Tato skupina je v podstatě podkategorií obchodních prezentací, tedy i tady je nejvíce využíváno 3D tisku.

Zdravotnictví

Kombinací dvou hlavních vlastností-tvarové složitosti výrobků a možnosti přizpůsobení každého kusu, se technologie RP přímo nabízejí pro použití ve zdravotnictví. Podobné možnosti nabízí prototypové technologie i třeba pro archeology nebo soudní znalce, kterým umožňuje lepší rekonstrukci původní podoby z kosterních nálezů.

3D tisk 3-7

Obr.7 Titanový implantát vyrobený technologiemi RP. Jak je vidět, RP umožňuje i výrobu částí s vnitřní strukturou, která zlepšuje srůstání s kostí.

Velkou změnu přinesly technologie RP třeba do výroby implantátů nebo naslouchadel, kde se staly ekonomickou náhradou za dosavadní napůl manuální výrobu. Je zde možnost využít ke stavbě modelu přímo data z vyšetření pacienta na tomografu nebo magnetické rezonanci. Tím se významně zkracuje doba přípravy náročných operací a implantátem vyrobeným přímo na míru se zvyšuje rychlost rekonvalescence pacienta a kvalita života po operaci.

Další možností je příprava chirurgů před náročnou operací, kdy si celý postup mohou projít a vyzkoušet na reálném modelu. Navíc jsou postupy RP schopné dodat model dostatečně rychle bez odkladu zákroku. Takové použití je popsané u operace poranění hlavy tříletého chlapce. Z jeho CT vyšetření byl vytvořen digitální obraz. Tato data byla použita pro stavbu voskového modelu technologií Fused Deposition Modeling a pomocí něj byl následně vyroben bronzový odlitek. Ten posloužil chirurgům jako přesný model při plánování operace a ověření dostupnosti nástroji. Jednotlivé kroky výroby těchto modelů jsou zobrazeny na obrázku 8.

3D tisk 3-8

Obr.8 Vlevo: digitální model hlavy po CT vyšetření pacienta. Uprostřed: voskový model Vpravo: Bronzový odlitek.

Nejčastěji používané technologie: Velmi časté použití stereolitografie, ale i ostatních metod.

Umění

Umělci jsou zákazníci, kteří pravděpodobně nejvíce ocení možnosti výroby v podstatě čehokoli a jakkoli tvarově složitého.

3D tisk 3-9

Obr.9 Několik prstenů od společnosti Chimento vyrobené technologiemi RP.

Poměrně vyjímečnou aplikací RP v této oblasti byla rekonstrukce motocyklu Torpedo Kolín 1909. Ten byl kdysi vyroben pouze v jediném nedochovaném exempláři a Antonín Šebler se ho rozhodl znovu postavit podle jediné fotografie.

Nejčastěji používané technologie: Umělecké použití je velmi široká oblast, pro kterou může být přínosem použití všech popsaných principů výroby a nedá se tak dost dobře vymezit nejpoužívanější technologie. Hlavním kriteriem při její volbě bude zpracovávaný materiál a pohledové vlastnosti finálního výrobku.

Projekty typu RepRap

RepRap je mezinárodní otevřený projekt s cílem vytvoření 3D tiskárny schopné vlastní replikace. Tohoto zatím nebylo dosaženo, ale už byly vytvořeny první varianty široce dostupné „3D tiskárny“ s názvem Mendel (nyní ve variantě Mendel II, obrázek 10) založené na technologii Fused Deposition Modeling, ke které je možné si volně stáhnout plány výroby (včetně programů pro CNC obráběcí centrum na výrobu jednotlivých dílů) a zapojení. Další možností je objednání si hotové stavebnice za cenu cca 400€.

3D tisk 3-10

Obr. 10 Mendel II.

Pracovní prostor Mendela má rozměry 200 mm x 200 mm x 140 mm, jako polotovar používá 3 mm drát z plastů jako je PLA, HDPE, ABS a další. Rychlost stavby součásti je okolo 15 cm3 za hodinu při tloušťce vrstvy 0,3 mm a přesností 0,1 mm.

Přečtěte si také…
Todd Grimm: User´s Guide to Rapid Prototyping.

[ Zapoj se do diskuse ]

[ Můžeš být první! ]

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Obrázek se nastaví podle emailové adresy pomocí služby gravatar.com.