01
květen 2013

3D tisk-metody

4 067 přečtení

1. Přehled a principy základních metod

Za dobu vývoje prototypových technologií se k stereolitografii přidala řada nových principů. Členění do skupin se v různých zdrojích liší, použijeme rozdělení do pěti základních skupin. Hlavními kritérii dělení pak bude podoba použitého polotovaru, metoda jeho nanášení a spojování s materiálem na už postavené části.

Tab.1 Hlavní principy prototypových technologií.

3D tisk 2-14

Stereolitografie

První popsaná metoda je nejstarší a nejrozšířenější. Typickým rysem stereolitografie je výchozí tekutý polotovar-fotopolymer (plast reagující na světlo). Stůl, na kterém celá stavba probíhá, je ponořený v nádrži plné tohoto polotovaru tak, aby ho vždy hladina překrývala o výšku vrstvy. Tloušťka vrstvy je u této metody vysoká zpravidla 0,05-0,2 mm V místech stavby součásti je kapalina nasvícena UV světlem. Tím se iniciuje chemická reakce vytvrzení polotovaru. Po zarovnání povrchu nožem stůl sjede o kousek níž a cyklus se zopakuje.

 3D tisk 2-1
Obr.1 Schéma stereolitografického stroje.

Do této skupiny patří i technologie nazývaná Solid Ground Curing. V principu se jedná o stejný postup jako u stereolitografie, jen zdroj UV světla nasvítí celý pracovní prostor a části, které nemají být vytvrzeny jsou stíněny maskou. Existuje i forma stereolitografie, která místo tekutého polymeru využívá jako polotovar pastu. To přináší výhodu možnosti vmíchání kovového nebo keramického prášku do této pasty jako výztuž. Dalšími kroky může být polymer odstraněn tak, že nám zůstane pouze kovová nebo keramická struktura. Další z variací stereolitografie se nazývá „Two photon polymerisation“. Tato technologie umožňuje výrobu řádově mikrometry velkých součástí pomocí vysokoenergetických femtosekundových pulzů. Časté použití je ve zdravotnictví k výrobě například mikrojehel.

  Tab.2 Vlastnosti materiálu Accura 60
3D tisk 2-13

 V tabulce 2 jsou na ukázku uvedené vlastnosti stereolitografického materiálu Accura 60 od společnosti 3D Systems. Stereolitografie vyrábí součásti vytvrzením chemickou reakcí. Po samotné výrobě je ale prototyp vytvrzen pouze z 65-90%. Tento poměr lze zvýšit „dopečením“ součásti teplem nebo UV zářením. Vystavení součásti záření má největší vliv na vlastnosti materiálu na povrchu než uprostřed, mechanické vlastnosti (pevnost a tvrdost) naměřené uprostřed stěny se tak pohybují v rozsahu 87-92% hodnot naměřených na povrchu. Teplem jsme schopni zvýšit tvrdost až na 85 Shore D. UV zářením v rozsahu 65-85 Shore D. Doporučený postup je ohřátí na 150°C po dobu 30 minut nebo 1 hodina v UV komoře. Ohřev a ochlazení je třeba provádět rychlostí maximálně 1-2°C / min. Stereolitografický polymer špatně vede teplo a předejdeme tím vzniku tepelného pnutí. Po cca týdnu stárnutí dosahují mechanické vlastnosti hodnot jako po UV dopečení. Další možností, která ale ještě není dostatečně zpracovaná, je provedení vytvrzení ultrazvukem.

 

Jak už bylo napsáno, principem stereolitografie je vytvrzování UV paprskem. Ten postupně při vstupu do materiálu ztrácí energii, vytvrzený objem tak má tvar přibližného paraboloidu (obrázek 2). To nemá vliv na vnitřní strukturu materiálu, kde se tyto tvary překrývají, ale na boku součásti tímto způsobem vzniká typická textura složená z boků paraboloidů o výšce jedné vrstvy.

3D tisk 2-2           3D tisk 2-3

Obr.2 Vlevo: parabolický profil vytvářený laserem Vpravo: bok součásti vyrobené stereolitografií..

Tak, jak je bok součásti zobrazen na obrázku 2, vypadá pouze pokud je výrobek stavěn přibližně uprostřed nádrže. Vytvrzovací laser je totiž umístěn mimo komoru a paprsek je tak do tohoto prostoru nasměrováván zrcátkem, které je umístěno nad středem pracovního prostoru. Z tohoto důvodu dopadá paprsek na okraji nádrže pod úhlem. Stejně skloněný je pak i vytvrzený rastr, v důsledku čehož je drsnost povrchu součásti závislá na umístění součásti uvnitř stroje (zobrazeno na obrázku 3). Stěny stavěné uprostřed stereolitografického stroje mají drsnost povrchu cca Ra = 0,3 mm při tloušťce vrstvy 0,1 mm. Ty stavěné u kraje mají na vnitřní straně drsnost vyšší o 1,9-2,5 mm než na vnější.

3D tisk 2-4
Obr.3 Závislost drsnosti povrchu na úhlu dopadajícího paprsku.

Selective Laser Sintering

Principem této metody je nanášení práškového polotovaru, jeho následného natavování a spojování (sintrování) pomocí výkonného laseru. Varianta tohoto principu, při které se polotovar nejen nataví, ale úplně roztaví, je nazývána Selective Laser Melting. Další dělení se provádí podle toho, zda je použit čistý kov nebo zda se kvůli snížení potřebné energie smíchává s některým z nízkotavitelných kovů. Pokud dojde při procesu k úplnému natavení prášku, snižuje se porezita výsledného materiálu až na 0,5%.

Pro samotné nanášení prášku jsou rozlišovány dvě hlavní konstrukční varianty. Při první z nich je nanesen prášek v konstantní tloušťce po celém stavebním prostoru stroje a laserový paprsek spojuje pouze ten, ze kterého vznikne výrobek. Zbytek zůstává nespojen jako podpůrná konstrukce. Schéma této varianty je nakresleno na obrázku 4.

3D tisk 2-5
Obr.4 Princip metody Selective Laser Sintering.

Stroje druhé varianty mají tiskovou hlavu vybavenou jak spojovacím laserem, tak i výstupem pro prášek (zpravidla dvou druhů-jeden pro stavbu a druhý pro podpory). Tato hlava nenanáší prášek v celé vrstvě, ale pouze tam, kde je třeba, tj. v místě budoucí stěny.

Tato technologie umožňuje výrobu jak z plastových a kovových prášků, tak i z materiálů jako je například Al2O3, SiC nebo zirkonové kompozity. Díky tomu se často volí jako technologie pro Rapid Manufacturing a Rapid Tooling. Zrnitost prášku je řádově desítky m. Mechanické vlastnosti výsledné součásti závisí jak na zvoleném polotovaru, tak i na parametrech stroje. Srovnání nejběžnějších systémů ukazuje tabulka 3.

Tab.3 Srovnání mechanických vlastností práškových materiálů postavených různými systémy principu SLS.

 3D tisk 2-6

Powder-binder Printing

Z hlediska podoby polotovaru, jeho nanášení a většiny dalších znaků stejná metoda jako Selective Laser Sintering. Hlavní rozdíl je ve způsobu spojování prášku, kdy se na rozdíl od sintrování nespojuje laserovým paprskem, ale tekutým pojivem. Dalo by se říct, že se prášek tmelí. Je to nejčastější princip strojů typu „3D tiskárny“ tzn. strojů, které neprodukují žádný zápach nebo další rušivé vlivy a zároveň mají malé rozměry, tudíž se dají použít přímo v projekční kanceláři.

Jedním z nejnovějších zástupců strojů této třídy je ZPrinter 650 od společnosti Z Corporation. Tento stroj nabízí až 390 000 barev s minimální velikostí detailů 0,1 mm, výškou vrstvy 0,089-0,102 mm a při vertikální rychlosti stavby 28 mm/hodinu. Na obrázku 5 jedna ze součástí vyrobených na tomto stroji během jediné operace.

3D tisk 2-7
Obr.5 Součást vyrobená jednou operací na strojí ZPrinter 650.

Fused Deposition Modeling

Principem této metody je natavování drátu z kovu nebo termoplastu do polotekutého stavu a jeho nanesení tryskou na základní materiál, kde okamžitě tuhne. Tryska se při nanášení pohybuje ve směrech X a Y a po dokončení vrstvy se posune svisle ve směru Z. Na obrázku 7 je řez tiskovou hlavou. Jednou z variant je technologie nazývaná Ballistic Particle Manufacturing. Jejím základem je stavba součásti nanášením kapek roztaveného vosku.

 3D tisk 2-8

Obr.6 Princip metody FDM.

 

Podpůrná struktura se zpravidla nanáší stejným způsobem, jen jinou tryskou s jiným materiálem. Ten je většinou o něco křehčí proto, aby se dal snadno odstranit. Podporu zpravidla není třeba vyrábět, pokud není úhel převisu větší než 45°.

3D tisk 2-9
Obr.7 Mikrostruktura součásti vyrobené technologií FDM. Materiál ocel 430 SST.

Díky tomu, že se při stavbě natavuje pouze přidávaný drát, do celé součásti se vnáší méně tepla. To má příznivý vliv hlavně na přesnost výrobku. Zároveň je ale množství tepla dostatečné k vytvoření kvalitního spoje mezi vlákny. Mikrostruktura součásti vyrobené technologií FDM je zobrazena na obrázku 7. Na něm jsou jasně patrná zrna nové struktury, která přesahují hranice jednotlivých vláken a samotné hranice nejsou skoro viditelné. To je znakem kvalitního spoje. Na obrázku 8 jsou srovnány mechanické vlastnosti stejného druhu materiálu jen s různě natočenými vlákny vůči směru namáhání.

3D tisk 2-10

Obr.8 Srovnání pevnosti vstřikovaného ABS P300 s tím samým typem plastu,
ale naneseným metodou Fused Deposition Modeling (různé směry kladení vlákna).

Technologie Fused Deposition Modeling staví součást postupně nanášením „vláken“. Výsledné mechanické vlastnosti tak nejsou závislé i na způsobu kladení těchto vláken. Rozhodující je použitý rastr a vzdálenost mezi jednotlivými vlákny. Tato mezera se standardně ponechává nastavena jako „= 0“. Při jakékoli kladné hodnotě nedochází ke vzniku spojení mezi vlákny, velmi rychle klesají parametry materiálu a ten se rozpadá na několik částí. Naopak výhodné může být nastavení záporné mezery, kdy se vlákna jakoby mírně překrývají. Toto by však nemělo překročit 0,05 mm, poté vzrůstá pevnost, ale naopak to může negativně ovlivnit přesnost nebo kvalitu povrchu. Šířka nanášeného vlákna neovlivňuje pevnost součásti. Má ale vliv na časovou náročnost stavby a kvalitu povrchu. Pokud je na vyráběné součásti tenká stěna, šířka vlákna by měla být pokud možno celým dělencem tloušťky stěny.

 

Velký vliv na vlastnosti výsledné součásti má zvolená strategie nanášení materiálu. Podobně jako u obrábění máme dvě hlavní strategie- rastr a ofset. U rastru je materiál nanášen v jednom směru bez ohledu na tvar součásti, naopak při použití ofsetové strategie dráhy kopírují vnější obrys vyráběné součásti.

Laminated Object Manufacturing

Tato metoda se od ostatních principů rapid prototypingu na první pohled odlišuje používaným polotovarem. Tím je nejčastěji papír z jedné strany potažený polyetylenem (polyetylen slouží jako pojivo při zažehlení), ale existují i varianty zpracovávající plastové nebo kovové folie. Tato folie je v každém kroku navinuta přes celý pracovní prostor, zažehlena válcem k už hotové části a poté je z ní laserem nebo nožem vyříznut obrys vrstvy. Obecné schéma takovéhoto stroje je na obrázku 9. Zařízení je také vybaveno čidlem přítlačné síly a teploty válce pro kontrolu podmínek výroby.

Mezi největší výhody této technologie patří schopnost vyrábět i velké součásti a možnost zpracovat různé druhy materiálu jako je například papír, různé polymery nebo kovy. Další předností je rychlost výroby daná tím, že laser pouze vyřezává obrys a celá vrstva je zažehlena najednou zažehlovacím válcem. Problémem se můžou stát podpůrné konstrukce, které u této metody vznikají z ořízlých částí folie. Konstrukci je třeba upravit tak, aby bylo možné z dutin tyto nařezané části vyjmout.

Výrobní postup sestává z těchto kroků:

1.) nová část folie je odvinuta do pracovního prostoru

2.) stůl se vysune nahoru, kde je připravený k postavení další vrstvy

3.) folie je připojena k podkladu vyhřívaným válcem

4.) laserový paprsek vyřízne obvod součásti

5.) paprsek nařeže i okolní část polotovaru pro usnadnění odebrání odpadu

6.) stůl s hotovou vrstvou se zasune dolů

7.) zopakování celého postupu

3D tisk 2-11
Obr.9 Princip metody Laminated Object Manufacturing.

Rapid Freeze Prototyping

Další z materiálových možností nastínili vědci z university v Missouri, když postavili pokusné zařízení, které na stavbu součásti využívá led. Jedná se o v podstatě stejný přístroj jako u ostatních metod, jen upravený tak, aby umožnil nanášení vodních kapek místo práškového materiálu. Stavba součásti se pak odehrává v mrazící skříni za teplot nižších, než je bod mrazu kapaliny, pouze tryska a dávkovač musí být ohřátý natolik, aby voda zamrzala až na součásti jak konvekcí chladného okolí tak i kondukcí už vytvořených vrstev.

Vyrobené součásti jsou přiměřeně přesné, hladké a s dobrou kvalitou povrchu. Dají se tak využít například jako modely při metodě lití pomocí vytavitelného modelu, čímž se vyřeší problémy s roztažností modelu způsobující praskání keramické skořepiny. Dále tato metoda přináší výhody v nižších nákladech, rychlejším opakování cyklů, odstranění kouře a zápachu, který dříve vznikal při vytavování vosku.

Pro průmyslové využití je třeba dvou trysek- jedna na samotný stavební materiál a druhá na podpěrný materiál, který musí být kompatibilní s vodou, přátelský k životnímu prostředí a snadno odstranitelný z ledových součástek tak, aby nepoškodil integritu výrobku. Ve výzkumu byly použity dvě varianty. Jako první 23,5% soli (NaCl) rozpuštěné ve vodě a druhá 33% glukózy (C6H12O6) ve vodě. Jejich teplota tuhnutí je -21,3 °C u solanky, respektive -5,6 °C pro glukózu. Eutektické poměry směsí byly zvoleny proto, aby nanášené kapky krystalizovaly s konstantní velikostí zrn. Odstranění podpůrného materiálu pak lze učinit jednoduše tak, že se umístí do mrazáku s nastavenou teplotou v rozmezí mezi bodem tání základního a podpůrného materiálu. Jako vhodnější se nakonec ukázala směs glukózy, která vůči základnímu materiálu vykazovala menší difuzi a při procesu se tak vytratilo pouze 1% základního materiálu oproti 40% při využití solanky.

Součástí práce bylo také prozkoumání možností minimální tloušťky stěny. Při stavbě samostatně stojící tyčky bylo na výzkumném zařízení dosaženo minimální tloušťky 0,205 mm (při parametrech: průměry trysky 0,0762 mm, tlak vody 31,36 kPa, vzdálenost trysky od materiálu 3 mm, frekvence pulzů 300 Hz). U samostatné stěny byla pak minimální tloušťka 0,4 mm (frekvence 100 Hz, tlak vody 31,36 kPa a průměr trysky 0,0762 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.