23
duben 2013

3D tisk-úvod

2 910 přečtení

1. Úvod

Zatímco legendární Ford model T se pouze s malými změnami vyráběl celých 19 let, pokud by se někdo o to samé pokusil dnes, je neodvratně odsouzen k neúspěchu. V dnešní době, kdy se životní cykly výrobků neustále zkracují, je třeba pečlivě sledovat trendy vývoje technologií a srovnávat krok s konkurencí. Stále větší a větší význam má rychlost a cena a právě použité technologie výroby tyto parametry zásadně ovlivňují. Někdy i malá inovace ve výrobní technologii může ve výsledku znamenat velkou výhodu na trhu. V kusové, ale i malosériové výrobě (která činí 60 až 70% celkové výroby) mohou být řešením těchto problémů právě prototypové technologie.

3D tisk 1-1

Obr.1 Uplatnění RP ve výrobě.

Technologie rapid prototypingu jsou postupy založené na produkci součásti přidáváním materiálu po vrstvách bez obrábění, lití nebo tváření. Dalším výrazným znakem prototypových technologií je to, že výrobek staví odspodu směrem nahoru na rozdíl od např. obrábění, které začíná s polotovarem (např. kostkou), který postupným odebíráním materiálu upravuje do podoby konečného výrobku.

Další anglické termíny označující stejné nebo podobné technologie jsou „freeform fabrication“, „digital fabrication“, „3D printing“, „laser prototyping“, „layer-based manufacturing“, „additive manufacturing“ nebo „solid imaging“.

Kromě těchto názvů existují ještě dva termíny, které jsou s rapid prototypingem často chybně zaměňovány, ale jejichž význam je i přes to mírně odlišný: rapid manufacturing a rapid tooling. V přesném smyslu znamenají tyto termíny využití stejných metod a postupů jako RP, jen ne za účelem vytvoření prototypu, ale přímo finálních součástí (manufacturing) respektive nástrojů pro výrobu (tooling). K tomu se ještě blíže vrátíme.

Během vývoje se postupně oddělilo několik různých principů výroby. Ty se od sebe liší jak v používaném materiálu (plast, kov,…), podobě polotovaru (prášek, kapalina, drát,…), tak i způsobu jeho spojování (laser, chemická reakce, tekuté pojivo,…). Některé metody vytváří celou vrstvu najednou, jiné ji nanášejí postupně z „vláken“. Tyto odlišnosti ve výsledku znamenají rozdíly v rychlosti stavby, přesnosti a mechanických vlastnostech výrobku.

I přes to, že je toto technologické odvětví v podstatě stále jen na začátku svého vývoje, už nyní nám umožňuje výrobu tvarově složitých součástí, omezenou v podstatě jen naší fantazií. Společnosti vyrábějící pomocí prototypových technologií nemusí nutit zákazníky, aby se přizpůsobovali jejich výrobku, ale naopak mají možnost ušít každý kus na míru tak, aby co nejlépe vyhověl potřebám uživatele.

Technologie popsané v této práci umožňují výrobu celé součásti na jednom stroji a zpravidla i v jedné operaci. V některých případech může být výhodné propojení postupů prototypových technologií s těmi konvenčními. Jednou z takových možností je výroba nástroje jako prototypu a jeho následné použití ve výrobě některou ze sériových technologií. Nejčastějším případem je výroba voskového modelu nebo přímo celé formy pro lití. Takováto kombinace může, pokud je správně navržená, nabídnout výhody obou postupů. Prototypovým technologiím přináší rozšíření počtu vyráběných kusů, konvenční technologie může být naopak rychleji a s menšími náklady zavedena do výroby.

 

2. Výrobní postup

Výrobní postup se může u jednotlivých principů mírně lišit, ale v základu se skládá z těchto kroků:

Vytvoření 3D modelu

K tomuto kroku se dá použít většina běžně používaných 3D modelářů. RP nemá žádné zvláštní požadavky.

Orientace modelu pro výrobu

Určení v jaké pozici bude součást vyráběna. Při volbě orientace uvažujeme především výsledné mechanické vlastnosti dané směrem vrstev a také případný objem podpor, které je u některých technologií třeba vytvořit pod převislými částmi. Nutnost vyrábět i podpory zvyšuje cenu a čas nutný pro výrobu stejně jako samotný objem součásti. U principů RP založených na stavbě součásti z práškového polotovaru mohou být podpory ze stejného, jen nespečeného polotovaru a nebo úplně jiného materiálu, zpravidla s takovými mechanickými vlastnostmi, které umožňují jejich snadné odstranění. U metod založených na principu Laminated Object Manufacturing jsou pak podporou ořízlé části folie.

3D tisk 1-2

Obr.2 Několik variant umístění součásti a z toho vyplývajícího objemu podpor.

Umístěním několika součástí najednou a jejich společná výroba může vést k úspoře vedlejších pohybů stroje a tím ke zrychlení výroby.

Převod na STL data

Převedením na STL data (nebo jiný podobný formát, který výrobní stroj podporuje) je model zjednodušen nahrazením zakřivených ploch trojúhelníky. Každý takový trojúhelník je v souboru popsán pomocí tří vrcholů a normálového vektoru, který směřuje z tělesa ven. Trojúhelníky se vytváří podle dvou pravidel:

  1. strana každého trojúhelníku musí náležet i jednomu dalšímu trojúhelníku

  2. vrcholy trojúhelníků nesmí ležet na některé ze stran jiného trojúhelníku

Provedení je dobře vidět na obrázku 3. Jednotlivé segmenty jsou pak v programu řazeny vzestupně podle osy z. Tento krok se provádí buď v některých modelářích, které tuto funkci podporují (např. Rhinoceros) nebo na softwaru dodávaném výrobcem RP stroje. Při nahrazení je třeba zvolit optimální „hrubost“ trojúhelníků tak, aby nevznikly příliš velké odchylky od původního modelu nebo aby v případě příliš jemného vzorku nebyl výsledkem příliš velký objem dat.

3D tisk 1-3

Obr.3 Nahrazení zakřivené plochy trojúhelníky.

STL data musí být ještě jednou upravena na formát SLI. Tím se vytvoří konečné horizontální řezy, podle kterých bude stroj součást vyrábět. Takto vytvořená data se pak zkopírují do paměti stroje.

Výroba

Ve chvíli spuštění výroby stroj nejprve nanese několik vrstev podpůrného materiálu proto, aby se dala hotová součást snadno a bez poškození oddělit od pracovní desky. Po vytvoření tohoto základu pak už pokračuje ve stavbě součásti vrstvu po vrstvě. Na obrázku 4 jsou vidět rozpracované součásti a pracovní prostor prototypového stroje.

3D tisk 1-4

Obr.4 3D tisk součástí.

Technologie RP se typicky používají pro výrobu středně velkých výrobků s tím, že výrobě velkých součástí zpravidla stojí v cestě nedostupnost dostatečně velkých strojů. U strojů založených na sintrování jsou rozměry zpravidla omezeny hodnotou 200 až 300 mm pro kovové součásti a 700 až 800 pro polymery, 3D tisk dosahuje možností až 1000 x 500 x 250 mm a stereolitografické stroje dokáží vyrobit součást v jednom kuse velké až po 2200 mm. Naopak na některé stroje nabízí možnost mini a mikro součástí.

Očištění

Po skončení stavby a vyjmutí součásti je třeba oddělit podpory a očistit ji od zbytků nespojeného polotovaru. To se provádí hrubým mechanickým očištěním, zpravidla pouze ručním odloupnutím podpěr. Další možné kroky jsou máčení v louhu pro usnadnění oddělení podpůrných konstrukcí, otryskání tlakovou vodou nebo použití čistidel jako tripropylen glykol monomethyl ether nebo isopropyl alkohol.

Dokončovací úpravy

Dokončovací úpravy zahrnují hlavně operace, které upravují konečnou podobu povrchu. Výrobek, který získáme po výrobě a očištění, je zpravidla příliš hrubý pro použití a je proto potřeba ho ještě na konci výrobního procesu upravit. K tomu je možné použít jeden ze dvou hlavních postupů. Lakování při kterém dojde k zalití prohlubní pryskyřicí nebo lakem. Druhou skupinou jsou různé druhy broušení, kterým se naopak dosáhne obroušení výstupků. U materiálů, které teplem měknou (termoplasty a kovy, ale ne stereolitografická pryskyřice, která by se teplem mohla pouze znehodnotit) se nabízí ještě třetí možnost a to je snížení drsnosti povrchu jeho natavením. Dokončovací úpravy jsou podobně jako operace čištění zpravidla prováděny ručně. Výroba tvarově velmi složité součásti se tak díky nim může prodloužit až o desítky hodin a výsledná kvalita provedení může kolísat.

3D tisk 1-5

Obr.5 Detail povrchu součásti vyjmuté ze stroje.

Ze zmíněných postupů je nejčastější broušení. I přes to, že je v současnosti přístupné relativně velké množství různých druhů broušení, nejvíce využívanou variantou je ruční broušení brusným papírem případně ruční bruskou s brusným kotoučem.

Při broušení je konečná kvalita povrchu závislá hlavně na těchto faktorech :

  1. počáteční drsnost povrchu
  2. druh a hlavně tvrdost broušeného materiálu
  3. čas broušení
  4. zrnitost abraziva

Ze srovnání různých postupů v práci Bryana Michaela Blaira se jako nejvhodnější jeví obrušování povrchu tryskáním vody s abrazivem. Kriterii byla cena, čas přípravy, obtížnost a čas potřebný k samotné operaci. Velkou výhodou této metody je možnost použití i pro broušení vnitřních, špatně dostupných otvorů.

3. Výhody

Rychlost

Jak už napovídá anglický název pro prototypové technologie „rapid prototyping“- uživatelsky nejvýznamnější vlastností je rychlost. Společnost Laser Prototypes dokonce na počátku devadesátých let propagovala tyto technologie heslem „overnight prototypes“ ( = prototyp přes noc). Zákazníci pak byli při zadávání zakázky zklamáni, když se dozvěděli, že hotový výrobek jim bude dodán za asi pět dnů. Takovýto rozdíl mezi skutečnou a proklamovanou délkou výroby však nebyl způsoben pomalostí technologie, ale pouze tím, že se svoji nabídkou tak trochu předběhli dobu a většina společností tehdy ještě nepoužívala 3D CAD. Před samotnou výrobou tak musel být nejprve vytvořen digitální model. Tyto drobné nedostatky postupem úplně vymizely převedením technické dokumentace do elektronické podoby.

RP nemusí být vždy ta nejrychlejší metoda, například při výrobě jednoduchých základních tvarů (kvádr, válec) může být produktivnější k výrobě využít CNC center nebo jiných klasických postupů. Absolutní převahu má RP v oblasti komplexních tvarů (jakých je ve strojírenství většina). Svobodou v tvarových možnostech výrobků se prototypovým technologiím blíží pouze odlévání. To se ale díky své náročnější přípravě prosadí spíše u výroby většího počtu součástí.

Rychlost výroby ovlivňuje nejvíce výška součásti (přesněji počet vrstev, ze kterých bude vyrobena) a její objem. Další faktory jsou použitá technologie (případně přímo typ stroje), materiál součásti a požadovaná drsnost povrchu.

Na druhou stranu rychlost výroby můžeme významně zvýšit výrobou několika součástí na jednom stroji najednou. Tím dosáhneme úspory času vedlejších pohybů. Takovéto urychlení se nejlépe projeví při zadání přibližně stejně vysokých výrobků.

Další možností, jak zvýšit rychlost stavby součásti je výroba pouhé duté skořepiny. Tím se sníží její objem, v důsledku čehož poklesne potřebný čas a ušetří se i polotovar (a tím i část nákladů). V případě, že zvolíme tuto metodu, je třeba neopomenout do dutin umístit otvor, kterým bude možné po skončení výroby dostat ven nespojený polotovar, který je možné opět použít. Takovouto skořepinu samozřejmě nelze zatěžovat mechanicky. Pokud potřebujeme tuhý a pevný prototyp, je možné skořepinu vylít epoxidem, epoxidem plněným hliníkovým prachem nebo některou z nízkotavitelných slitin.

Složitost výrobků

Zatímco u klasických výrobních postupů, kde s tvarovou složitostí roste exponenciálně její náročnost (jak požadavky na čas, tak ale i na strojní park, nářadí a úroveň obsluhy) u RP tomu tak není. Nezáleží na tom, jestli si necháte vyrobit krychli nebo například (stejně velký) zámotek vláken. Obojí zabere stejně dlouhý čas, dají se vyrobit na stejném stroji, ze stejného polotovaru a v jedné operaci. Tyto možnosti dokonce v dnešní době pokročily natolik, že je možné vyrobit během jediné operace celý mechanismus, který bude kompletně pohyblivý a výrobní možnosti se neustále vyvíjejí. Jsme tak konečně omezení jen našimi požadavky a představivostí.

Tvarová složitost zpomalí výrobu pouze v případě, kdy se kvůli lepšímu provedení určitého detailu součásti rozhodneme pokládat materiál v menších vrstvách a tím vzroste jejich počet. Současné stroje však umožňují různou tloušťku vrstev na jedné součásti a tak ke zpomalení dojde pouze v malém rozsahu.

Možnosti RP se neomezují jen na tvarové složitosti. Přidáním pigmentu do základního prášku umožňuje i výrobu různobarevných součástí. To sice asi úplně nedocení inženýři ve vývoji, ale určitě to přinese body navíc při prezentaci prototypu zákazníkům.

Výroba přímo z 3D modelu

Pomocí metod RP se součásti vyrábějí přímo z jejich 3D modelu. Není tak třeba, vybírat nástroje, navrhovat přípravky nebo provádět složité výpočty. Tím se snižuje potřeba vysoce kvalifikovaných pracovníků pro návrh výroby a eliminuje se riziko chyb při přípravném procesu. Dochází tím i k významnému zrychlení přípravy výroby. Tato výhoda byla dříve potlačena slabými parametry osobních počítačů v podnicích, která znemožňovala vizualizaci. Součásti tak byly často vyráběny „naslepo“.

Gradientní materiály

Metodami RP lze vyrábět i součásti z funkčně gradientních materiálů, tzn. takových, jejichž vlastnosti se v určitém směru vyvíjí podle našich požadavků. Takovéto změny se dosahuje mícháním práškových polotovarů různých vlastností jako je například chemické složení nebo zrnitost. K tomu jsou třeba stroje vybavené dvěma nebo více tryskami pro přívod polotovaru. Rozlišujeme 1D, 2D případně 3D gradient v závislosti na tom, jestli se vlastnosti liší pouze mezi vrstvami, ale v jedné určité vrstvě jsou stejné (1D gradient), až po 3D gradient, kdy se mohou vlastnosti lišit v každém bodě.

Tímto způsobem můžeme například vyrobit bronzovou formu, jejíž chemické složení se bude směrem dovnitř měnit na ocel. Takováto forma bude v dutině dostatečně otěruvzdorná, bude výborně odvádět teplo a na rozdíl od forem s ostrým přechodem mezi těmito dvěma materiály se vyhneme problémům vznikajících na jejich rozhraní způsobených rozdílnou teplotní roztažností.

Redukování výdajů za zásoby

Společnosti využívající klasických výrobních technologií musejí pokrývat vysoké náklady vyvolané nutností skladovat různé polotovary. Ty tvoří významnou část logistických nákladů. U RP se může použít stejný polotovar (prášek, drát,…) bez ohledu na tvar vyráběné součásti, tím se tyto výdaje radikálně snižují. S tím souvisí i omezení skladu nářadí, které pro metody RP nejsou potřeba.

Omezení zastarávání skladových zásob

Moderní trendy ve výrobě směřují k co nejmenšímu počtu výrobků na skladě. Výroba pomocí metod RP tomu plně vychází vstříc. U konvenčních technologií je potřeba mezi výrobou jedné a druhé součástky přestavovat stroje, měnit nástroje, polotovary nebo přípravky při změně výroby na jinou součást. To nutí společnosti vyrábět v co největších seriích, aby se tyto časy rozložily na co největší počet dílů. U RP tyto časy úplně odpadají a je možné vyrábět v dávkách o 1 ks.

Větší flexibilita při inovování výrobku

Životní cyklus strojních součástí se snižuje. Neustále je třeba sledovat konkurenci a vývojové trendy a tyto poznatky zařazovat do vývoje. Jak říká staré přísloví „Kdo chvíli stál, stojí opodál“. Naopak pokud přineseme určitou inovaci na trh jako první, získáme tím u zákazníků určitou prioritu. RP umožňuje zavést změny do výroby bez zbytečných průtahů.

4. Omezení

Přesnost

V porovnání s výrobou na CNC obráběcích centrech je přesnost výroby nižší. Zpravidla se uvádí hodnota 0,1 mm na 100 mm délky, ale velmi se liší v závislosti na použité technologii a materiálu. Velmi negativně na ní působí dilatace materiálu teplem způsobená zahříváním až natavováním materiálu při stavbě u některých metod.

Přesnost ovlivňuje navíc i parametr daný samotným principem stavby součásti po vrstvách. Tyto vrstvy nejsou dostatečně schopné vytvořit spojité plochy a nahrazují ho schodovitým povrchem. To se nejvíce projevuje při výrobě válcových tvarů s vodorovně umístěnou osou. Problém schodovitosti je možné dostatečně zmírnit zmenšením tloušťky vrstev v okolí takovýchto detailů. Stavba součásti adaptivní tloušťkou vrstev je rozumným kompromisem mezi rychlostí a přesností. Srovnání s konstantní výškou vrstev je na obrázku 6.

3D tisk 1-6

Obr.6 Srovnání stavby ze stejně velkých vrstev (vlevo) s adaptivními vrstvami (vpravo). Stavba s využitím adaptivní tloušťky vrstev automaticky mění tloušťku podle potřeby tak, aby se dosáhl co nejlepší poměr rychlosti a přesnosti.

Opakovatelnost výroby

Opakovatelnost výroby je omezena hlavně přidáváním polotovaru v nataveném stavu. Společně s ním se tak do součásti vnáší velké množství tepla a vlivem teplotní roztažnosti dochází ke ztrátě přesnosti. Opakovatelnost je také závislá na kvalitě dokončovacích operací, které se zpravidla provádějí ručně. Nejčastější nástroje používané v tomto kroce jsou brusný papír a malá ruční bruska.

Materiály

V době vzniku prototypových technologií byl jediným používaným materiálem fotopolymer se špatnými mechanickými vlastnostmi (dokonce až natolik, že díky jeho křehkosti docházelo při neobratné manipulaci k destrukci součásti). V dnešní době nabízejí největší možnosti využití skupiny plastů a kovů, ale vyrábět se dá i z keramiky a kompozitů. Okrajově i dalších materiálů jako například ledu na výrobu modelů pro technologii lití na vytavitelný model. Jejich výběr je ale vždy omezen použitou technologií.

Různé materiálové vlastnosti ve směru osy Z a X a Y

Součásti vyrobené postupy rapid prototyping mají bohužel zpravidla horší mechanické. Tyto parametry jsou navíc ještě závislé na orientaci vrstev vůči směru namáhání. Obojí by se mělo vzít v úvahu už během konstrukce součásti a návrhu její výroby.

3D tisk 1-7

Obr.7 Různé směry nanášení vrstev a vláken. Vlevo podélný a vpravo příčný.

Při porovnání dvou stejných součásti, jen s odlišně orientovanými vrstvami tak, jak jsou na obrázku 7, budou naměřeny odlišné hodnoty. Při podélném zatížení bude výhodnější strategie vlevo u které naměříme vyšší hodnoty. To je způsobené vyšší pevností vrstev než jejich spojů. U technologie, které nevytváří vrstvu najednou, ale kladou materiál postupně po „vláknech“, je vhodná volba strategie ještě složitější. U prostorového zatížení může tato nehomogenita způsobit odlupování povrchových vrstev.

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.