3. Gyors prototípus készítés (rapid prototyping) 3.1 Történeti áttekintés • 1983: kísérletek 3D „nyomtatás” előállítására, Kalifornia, Nagoya, Minneapolis
A gyors prototípus készítés definiálása (klasszikus definíciók) • A gyors prototípus készítés (Rapid Prototyping, RP) alatt egy tetszőleges (bonyolultságú) háromdimenziós fizikai test (darab) numerikus leírásból (általában egy CAD modell) történő gyors, teljesen automatizált és nagy rugalmasságú előállítását értjük.
• 1986: C. Hull megalapítja a 3D System nevű céget • eljárása a fotopolimerizáción alapul (sztereolitográfia) • 1987: 3 amerikai, 3 japán, 1 izraeli, 1 német cég kezd el működni ezen a területen
3.2 Elnevezések
• Wohler’s Report 2000 szerint: olyan speciális gyártástechnológia, amely rövid idő alatt állít elő modelleket és prototípus darabokat, 3D-s számítógépes adatokból, anyaghozzáadás elvén.
3.3 A gyors prototípus készítés sajátosságai
•
Rapid Prototyping
•
„gombnyomásra történő” gyártás
•
Desktop Manufacturing
•
rétegenkénti testfelépítés
•
3D Hardcopy
•
elsődleges alaklétrehozás
•
Solid Free Form Fabrication
•
nincs szerszám
•
Tool Less Manufacturing
•
minden darab önálló termék
•
Automated Fabrication
•
gyors (átfutási idő, változatok)
•
Layered Fabrication
•
automatizált
3.4 Az eljárások csoportosítása Az RP előnyei A termék funkciója alapján: • • • • •
a darabok bevezetési ideje csökken a geometria szemléletesebben megjeleníthető a fizikai modellen a tervezési hibák korábban felderíthetőek és javíthatóak a szerkezet működése tesztelhető, stb…
• Szemléltető modell • Gyártást támogató modell • Funkcionális modell
A rétegelőállítás stratégiája alapján: • pontról-pontra • vektor mentén • felületről felületre
Az eljárások csoportosítása
3.5 A gyors prototípus készítés lépései •
CAD rajz elkészítése: kimenet .STL formátumban
• LOM: Laminated Object Manufacturing (lemezelt technikák) Helisys
•
Szeletelés és letapogatási stratégia elkészítése
• DSP Direct Shell Production (Droplet Deposition, 3D Printing): (keramikus vagy műanyag por ragasztása) Solingen
•
„Nyers” darab előállítása (Green part)
•
Utólagos kezelés
Az eljárás fizikai tartalma alapján: • SLA: Stereolitography (foto-polimerizáció)
3D System, Cubital
• SLS: Selective Laser Sintering (lézer szinterelés)
EOS, DTM
• FDM: Fused Deposition Modelling (3D Plotting) (huzalfelrakás) Stratasys
• Egyéb technikák: felrakó hegesztés, lemezkivágás, vízsugaras vágás
Töltőanyag ill. támaszok eltávolítása, tisztítás, hőkezelés, anyagkezelés-keményítés, felületkikészítés
Az STL fájl
Fájlméretek alakulása a felbontás függvényében
• Kifejlesztő: 3D Systems, 1988-1989. • Nem tökéletes, de az RP technológiákhoz a mai napig megfelel, ipari szabványnak tekintik. • Nem tárol anyaginformációkat-> a mai RP eljárások mind monomateriálisak. • Az ún. határábrázolás (B-rep) módszerén alapul: a 3D modellt háromszögekkel írja le, egy soklapú közelítése ez a tényleges test felületének, illetve az anyag és a nemanyag („levegő”) határvonalának -> röviden tehát maga az STL fájl x,y,z koordinátapárok és a külső térrész felé irányuló normálvektorok listája.
Durva STL file = 39 KB
Optimális STL file = 160 KB
Nagyon finom STL file = 1.2 MB
A geometria bonyolultságának megfelelően változik a háromszögek száma
3.6 Sztereolitográfia, SLA Anyag: folyékony gyanta, viasz Rétegvastagság: 0,1-0,2 mm
Sztereolitográfia, SLA Utólagos hőkezelés (kikeményítés) mindig szükséges. Polírozás, festés lehetséges Sztereolitográfiáhosz használt epoxigyanta tulajdonságai Epoxi2 Epoxi1
Mivel folyadékban van, támaszról kell gondoskodni!
Szakítószilárdság (Mpa)
46-47
59-60
Szakadási nyúlás (%)
11-2
7-19
33
27-30
1628
2920
Ütőmunka (kJ/m2) Rugalmassági modulus (Mpa)
Sztereolitográfia, SLA
Sztereolitográfia, SLA
3.7 Szelektív lézer szinterelés, STL
Szelektív lézer szinterelés
Anyag: gyanta, műanyag fémpor keverék (Rm=400MPa) DTM Laser Sinterstation 2500 berendezés
Funkcionális alkatrészek
Három különböző eset • a szemcsék a határfelületen egymásba folynak (műanyag porok) • keverék fémpor alacsony olv. pontú részei megolvadnak • műanyaggal bevont fém v. kerámia por összeolvasztása, majd beitatása pl. bronzzal
SLS‐el készült alkatrészek
Szelektív lézer szinterelés Technológiai jellemzők
Szelektív lézer szinterelés
Por összetétele
Szemcsenagys ág Um
Rétegvastagsá g mm
Lézer teljesít ménye, W
Bronz-Nikkel
10-150
0,1-0,3
10-200
20-200
Bronz-Vas
30-90
0,1-0,3
150-200
150-200
Alumíniumoxid
20
0,1-0,3
-
-
Réz-poliamid
-
0,1
15
50/0
RapidSteel2.0
-
0,075
17
1250
Duraform
25-90
0,1
4
1675
3.8 Huzalfelrakás, FDM
Anyag: hevített (200 oC) gyanta, műanyag
Pásztázási sebesség
Huzalfelrakás, FDM
Huzalfelrakás, FDM
FDM alkatrészek
3.9 Lemezelt technikák, LOM
Anyag: papír, polyester film, szövet, kompozit
• olcsó • gyors • komplex geometria
Lemezelt technikák, LOM
Lemezelt technikák, LOM
3.10 Por ragasztása, DSP
Por ragasztása, DSP
Anyag: keramikus vagy műanyag por + ragasztó
Munkatér • rideg • utókezelés mindig • gyantával beitatás
A gép látképe
Por ragasztása, DSP
Por ragasztása, DSP
A munkatér kibontás
Kész darabok
3DP öntéshez
3DP prototípusok felhasználása
3DP orvosi alkalmazása
PolyJet (Objet Geometries)
3.11 Egyéb technikák
3.12 Előnyök és hátrányok Hátrányok
Előnyök
• • • •
vízsugaras vágás felrakó hegesztés fémlemezek összeszerelése stb.
•
pontosság
•
„gombnyomásra” történő gyártás
•
automatizált
• vetemedés
•
gyors (átfutási idő, változatok)
• zsugorodás
•
nincs szerszám
• porozitás
•
komplex alkatrész(ek)
•
szerelt alkatrészek (ún. „bennszülöttek” is készíthetők)
• felületminőség •
mechanikai tulajdonságok
•
„lassú”
RP csoportosítása az anyagok szempontjából
3.13 A gyors prototípus készítés alkalmazási területei
A termék funkciója alapján:
A gyors prototípus készítés alkalmazási területei Hadiipar 9%
Egyéb 8%
Akadémiai szekt. 7%
• • •
szemléltető modell gyártást támogató modell funkcionális modell
3.14 A gyors prototípus készítés térhódítása A világban évente installált RP rendszerek száma
Autóipóip. 23%
Repülőgépip. 8%
Orvosi szekt. 10% Keresk.term. 26%
Gépipar 9%
RP módszerek alkalmazási területei (2002 Wohlers Associates)
A világban évente elkészített RP modellek száma
A gyors prototípus készítés térhódítása
Piaci részesedések
% Kína 5%
A gyors prototípus készítés térhódítása
Egyéb 10%
Korea 2%
USA 42%
A világban 1998-ban installált RP rendszerek százalékos megoszlása (Wohlers Associates)
Japán 19% Olaszo. 4% UK 4%
Svédo. 1% Franciao. 3%
Németo. Kanada 1% 9%
Kb 7000 rendszer Magyarországon: 6db
3.15 Esettanulmányok Gyors prototípus készítés alkalmazása közvetlen szerszámozáshoz • Lézer szinterelt bélyeg és matrica, mélyhúzó szerszámhoz • Kissorozatgyártásban • Vékony alumíniumlemezek húzásához
Mélyhúzandó alkatrész 3D geometriai modellje
Mélyhúzó szerszám konstrukciós felépítése
3D testmodellek elkészítése
Bélyeg
Matrica Kimenet: STL formátumban
A teljes tervezés folyamata
Szelektív lézer szinterelés Anyag: nikkel-bronz-rézfoszfid
• Alak felismerés
Geometria
•
Rm=200 MPa, 70HB
CAM
CAD
Data Result
Technológia Lézer szinterelt bélyeg és matrica
Mérés Geometriai ellenőrzés
Adatbázisra épülő elemkiválasztás
Computer Aided Decision Support
Alkatrészek mélyhúzása
Különböző alkalmazások
- 19 alkatrész 30 perc alatt - 15 perc várakozás (hűtés) - 10 sorozat legyártása, 190 db - lemezvastagság: 0,7 mm - húzási mélység 16 mm Kopási nyomok a szerszámon nem érzékelhetők
Térdprotézis Szivattyúalkatrész
Orvosi alkalmazások
1.
Orvosi RP darabok gyártása a Tanszéken
2.
3.
4.
Művészetek
Kultúrtörténet
Múmia rekonstruálása roncsolásmentesen
Kitekintés
A jövőbeni lehetőségek szinte korlátlanok ?? •új anyagok és •új technológiák Kereskedelemben beszerezhető háztartási RP rendszerek ?? Zprinter 150 Zprinter 450 (64 szín)
4.186.000,7.139.000,-
