CAD CAM CIM Rapid Prototyping
Készített: Hatos István
RPT ? Gyors prototípus gyártás (rapid prototyping, RP, RPT) azon technológiák összefoglaló neve, amelyek segítségével egy számítógépen tervezett, vagy egyéb módon létrehozott (szkennelés) virtuális 3D modellt gyors, egyszerű módon tudunk fizikai test formájában létrehozni, nem hagyományos technológiák segítségével . Olyan technológiák, melyek különböző eszközök és anyagok segítségével alkalmasak egy tárgy prototípusának létrehozására a célanyagból mindössze annak egy 3D CAD alkalmazásából vagy fordított mérnöki tevékenységből (reverse engineering) származó numerikus modellje alapján.
A gyors prototípusgyártás egy relatív új technológia fizikai modellek és prototípus alkatrészek 3D-s CAD modellek közvetlen felhasználásával történő gyártására. A hagyományos megmunkálásoktól eltérően, ahol elő gyártmányból lebontó (subtractive) eljárások segítségével állítjuk elő a kívánt geometriai alakzatot, a gyors prototípusgyártási eljárásoknál rétegről-rétegre (layer by layer) egy adott modell vékony, vízszintes keresztmetszeteit építjük össze (additive). A felépítéshez használt anyagok széles skálája a folyékony alapanyagokból, a különböző porokból és a „lemez” jellegű anyagokból származik.
A gyors prototípusgyártó eljárásokkal készülő alkatrészek a termék funkciója alapján három csoportba oszthatók: Szemléltető modell Gyártást támogató modell Funkcionális modell
Az RPT termékek felhasználói
Rapid prototyping
A CAD modellt képzeletbeli vízszintes metszetekre bontja fel Ezeket egymásra rétegeli a fizikai térben A rétegek összeépülnek, fizikai modelljét létrehozva a CAD modellnek Bármilyen modell elkészíthető így „gyorsaság”: órákba, napokba is telhet egy modell elkészítése Anyaghozzáadásos modellalkotás Más automatizált megmunkálástól (pl. CNC) eltérően nem leválaszt, hanem additív, felépítő módon hozza létre a modellt A test vékony rétegekből épül fel
1. 3D modell • CAD rendszer • Reverse Engineering Modell exportálása .stl formátumba 2. Modell szeletelése 3. Építés az alsó rétegről kiindulva 4. Építés az utolsó rétegig 5. Utómunkálatok
Reverse Engineering
Eszközök a Reverse Engineering területén Digitális Optikai Mérőgép (GOM TRITOP) • 3D felületek rekonstrukciója • CAD modell készítés • Rekonstruált (mért) és CAD modellek összehasonlítása „ egy optikai szenzorokkal működő 3D-s fényképezőgép, mely az adott alkatrészről képes, egy térbeli számítógépes modellt készíteni”
Eszközök a Reverse Engineering területén 3D ipari röntgengép A komputer tomográf segítségével összetett külső és belső geometriák ellenőrizhetők nagy pontossággal. Információ nyerhető a belső szerkezetről és a hibákról (üregek, zárványok). Alkalmazás: • Teljes értékű 3D modell készítés • Belső anyaghibák keresése • Komplex szerkezetek elemzése
• A CT mérési elve – 2D-s felvétel sorozat – Sorozatos elfordulások – Rétegek egyesítése térbeli képpé •
Vizsgálati technikák – Érzékelés: • Lapdetektor • Vonaldetektor – Röntgen csövek • Nagyfeszültségű cső (450 kV) • Mikrofókuszú cső (225 kV)
Hengerfej geometriai méretek ellenőrzése
• 3D modell • Jellegzetes metszetek
CAD – RP kommunikáció Az STL (Standard Triangulation Language, standard háromszögelési nyelv) A formatum az RP folyamatok adatcserejenek alapvet formatuma. Az STL sikerenek kulcsa az egyszerseg, eredetiseg es a tervezett modell megfelel pontos abrazolasa. A formatum elsdleges celja a 3D CAD modellek atvitele a gyors prototipusgyarto eszkozokre. Manapsag a legtobb CAD/CAM program el tudja menteni a modelleket STL formatumban, melyet szinte minden RP rendszer be tud olvasni. szelet háromszögelt 3D-s modell
metszõsík alapsík
Az STL fileok szerkezete és létrehozása A 3D modell STL formátumban történő tárolása nem más, mint a test felületeinek háromszögletű felületekre való felosztása, melyek minden csomópontját X, Y, Z koordináták halmaza és az adott felületről a modelltől elfelé mutató vektor írja le.
3D-s háromszögelt modell
3D-s CAD modellből előállított STL file
CAD - 3D Printing STL file
A legyártott modell felülete
Finom felbontású STL file
Durva felbontású STL file
A 3D-s STL file felbontása közvetlen hatással van a kész modell felületére
STL export Pro/ENGINEER
A gyártást megelőző folyamatelőkészítő tevékenység • • • • •
CAD modell stl formátumban Modell ellenőrzése, korrigálása Támaszték képzés Szeletelés Modellek elhelyezése a munkatérben
Az RPT eljárások felosztása az alkalmazott módszerek és alapanyagok alapján
Sztereolitográfia - SLA • A legrégebbi gyors prototípusgyártó technológia • Fejlesztő: 3D System – 1987 • Stereolitográfia a fotopolimerizáció elvét használja úgy, hogy a folyékony műanyag gyanta - Ultra-Viola fény hatására- átalakul szilárd műanyaggá.
SLA (sztereolitográfia) A lézert számítógép vezérli A folyadék-halmazállapotú fotomonomer az UV-fény hatására megszilárdul Az asztal fokozatosan süllyed A kész modellről lemossák a felesleges gyantát UV-s hőkezeléssel a modell tovább szilárdul
Sztereolitográfia - SLA
Laminated Object Manufacturing (LOM)
Gyártó: Cubic Technologies www.cubictechnoligies.com
Szelektív lézeres szinterezés - SLS
Gyártó: 3D Systems www.3Dsystems.com
Felhasználható porok: • Fém • Műanyag
Gyártó: EOS www.eos-gmbh.de
Történet • 1971 Pierre Ciraud • 1979 Haushold
Történet • 1984 Carl Deckard, The University of Texas • 1992 első kereskedelemben kapható rendszer SinterStation 2000, gyártó - DTM • 1994 első EOS gép • 1995 első DMLS – EOSINT M250
A lézer szinterezés
„Azon technológiák melyek por alapanyagból állítanak elő szilárd testeket a porszemcsék felületének lézer sugárral való összeolvasztásával.”
Az SLS rendszerek a felhasznált anyag szerint:
Elméletileg minden anyag használható, ami ömledék állapotban hozható”. • Polimer • Fém • Indirect: Polimer kötőanyaggal bevont fémporokat használnak, szinterezés után kemencében a műanyagot kiolvasztják és a helyét fémmel töltik fel. • Direct: közvetlenül a fémporok felülete olvad össze. • Homok Hőre keményedő kötőanyaggal körülvett homokszemcsék szelektív lézeres eljárással kötnek össze. Felhasználás öntészet: homokforma, homokmag.
SLS - plastic
Eszközök a gyors prototípusgyártás területén
EOS M270 lézer szinterező berendezés • Fémporok összeolvasztása
• Munkatér: 250x250x215 mm
Fémporok lézer szinterezése DMLS - Direct Metal Laser Sintering Az automatikusan rétegről-rétegre terített porszemcsék pásztázó lézersugár energiájával kerülnek „összeolvasztásra”. Minden egyes rétegnek csak azon területén történik a porszemcsék olvadása, ahol az adott modell adott magasságban lévő „szeletének” területe megkívánja.
Fémporos szinterezők gyártói
A gyártási folyamat lépései
A gyártást megelőző folyamatelőkészítő tevékenység • • • • •
CAD modell stl formátumban Modell ellenőrzése, korrigálása Támaszték képzés Szeletelés Modellek elhelyezése a munkatérben
A szinterezést követő/ követhető tevékenységek • Hőkezelés – feszültség csökkentés • Darabok eltávolítása az alaplapról • Utómunka ( forgácsolás, polírozás stb.)
Hőkezelés, feszültség csökkentés Az építési hő és lépcsőzetes építés hatására az alkatrészben belső feszültségek keletkeznek. • A belső feszültségek hatására fellépő deformációval az építés alatt is számolni kell. • A deformáció a munkadarab alakját módosítja vagy magát az építési folyamatot is blokkolhatja.
Hibrid alkatrész esetén közvetlenül az alaplapra szintereznek. Munkarab kivágása az alaplapból huzalszikra forgácsolással.
Utómunkálatok
A DMLS technológia fő felhasználói
Szerszámgyártás
Fogtechnika, implantátumok
Repülőgépipar
A DMLS technológia fő felhasználói
Szerszámgyártás Formakövető belső hűtőrendszer alkalmazása
A DMLS technológia fő felhasználói
Fogtechnika, implantátum gyártás
• Biokompatibilis anyagok álnak rendelkezésre • Minden ember egyedi… • Tervezés sokszor szkennelt modell alapján 3D-ben
A DMLS technológia fő felhasználói
Repülőgépipar
• Nagy bonyolultságú darabok egy anyagból • Nagy szilárdságú és hőállóságú anyagok
A leggyakrabban használt DMLS anyagok
EOS MaragingSteel MS1 - high performance steel for series tooling and other applications Characteristics and applications
Key characteristics 18 Maraging 300 type steel (1.2709, X3NiCoMoTi18-9-5) fully melted to full density for high strength and polishability easily machinable as-built age hardenable up to approx. 55 HRC good thermal conductivity Typical applications series injection moulding, also for high volume production other tooling applications, e.g. die casting high performance parts, e.g. for aerospace applications
Injection mould insert with conformal cooling, built in EOS MaragingSteel MS1
EOS MaragingSteel MS1 is a high performance steel for series tooling and other applications Key properties (provisional data)
Mechanical properties as built (EOSINT M270) hardness: 36 - 39 HRC Mechanical properties after age hardening (4 hours at 500°C) UTS: ~ 1900 MPa yield strength: ~ 1950 MPa hardness: 53 - 55 HRC Physical properties Relative density: approx. 100 %
Source: EOS
200 internally cooled pin inserts for injection moulding, built in EOS MaragingSteel MS1. Source: LBC GmbH
MaragingSteel MS1 mérési eredmények Előírt
Mért
Folyáshatár (Mpa)
1000
1080
Szakító szilárdáság
1100
1175
Szakadási nyúlás (%) 8
4,5
Keménység (HRC)
33-37
41
C0 tartalom (%)
8,5-9,5
8,8
Ni tartalom (%)
17-19
19,2
Hőkezelt
Előírt
Mért
Folyáshatár (Mpa)
1900
1990
Szakító szilárdáság
1950
2025
Szakadási nyúlás (%) 2
1,6
Keménység (HRC)
56
50-54
EOS StainlessSteel 17-4 - stainless steel material for prototyping and series production Characteristics and applications
Key characteristics raw material corresponds to 17-4 (1.4542, X5CrNiCuNb16-4) corrosion-resistance excellent ductility Typical applications • engineering applications including functional prototypes, small series products, individualised products or spare parts parts requiring high corrosion resistance, ability to sterilize, etc. parts requiring particularly high toughness and ductility Source: EOS
Benchmark test geometry in EOS StainlessSteel 17-4.
Demonstration part in EOS StainlessSteel 17-4, partly polished
EOS StainlessSteel 17-4 produces fully dense parts with excellent mechanical properties Key properties
Mechanical properties UTS: approx. 131 KSI yield strength: approx. 73 KSI Young’s Modulus: approx. 28 E06 elongation: approx. 25 % hardness: approx. 230 HV after post-hardening >40 HRC Physical / chemical properties laser-sintered density: ~ 100 % max. operating temperature 1000 °F highly polishable Source: EOS
Micrograph of laser-sintered EOS StainlessSteel 174 in solution-annealed and H1150 aged condition showing fully remelted, dense structure
EOS CobaltChrome MP1 - CoCrMo superalloy material for prototyping and series production Characteristics and applications
Key characteristics high strength, temperature and corrosion resistance biocompatibility fulfils ISO 5832-4 and ASTM F75 (cast CoCrMo implant alloys), and most of ISO 583212 and ASTM F1537 (wrought CoCrMo implants) Typical applications high-temperature engineering applications, e.g. turbines medical implants dental devices
Engine exhausts in EOS CobaltChrome MP1
Knee implant in EOS CobaltChrome MP1
EOS CobaltChrome MP1 produces fully dense parts with excellent mechanical properties Key properties
Mechanical properties UTS: approx. 189 KSI yield strength: approx. 133 KSI Young’s Modulus: approx. 30 E06 elongation: approx. 12 % after HIPing 21-24 % hardness: 40 - 45 HRC Physical / chemical properties laser-sintered density: ~ 100 % max. operating temperature 2100 °F nickel-free (< 0.05 % nickel) highly polishable
Micrograph of laser-sintered EOS CobaltChrome MP1
EOS CobaltChrome SP1 - special purpose CoCrMo superalloy for veneered dental restorations Characteristics and applications
Key characteristics high strength, temperature and corrosion resistance biocompatibility thermal characterisitcs suitable for veneering with dental ceramic Typical applications dental restorations (crowns, bridges etc.) Availability custom development for Sirona available by special agreement
Dental restorations in EOS CobaltChrome SP1
EOS Titanium - light alloy materials for prototyping and series production Characteristics and applications
Several versions will be available EOS Titanium Ti64 (Ti6Al4V) EOS Titanium Ti64 ELI (higher purity) EOS Titanium TiCP (commercially pure) Key characteristics lightweight high strength Dental device built in EOS Titanium Ti64 biocompatibility Typical applications aerospace and engineering applications biomedical implants
Spinal implants built in EOS Titanium Ti64
Tervezési és építési alapelvek
„ A part that can be easily milled, should be milled”
Azon alkatrészek amelyek könnyen marhatók, azokat marjuk…
Tervezési és építési alapelvek • Építési (Z) magasság optimálás
Tervezési és építési alapelvek • Építési térfogat optimálás
Tervezési és építési alapelvek • Csak a bonyolult részeket szinterezni
Tervezési és építési alapelvek • Skin / Core építési stratégia
Tervezési és építési alapelvek • A szinterezett darabok felületi érdessége: • Az elméleti felületi érdesség számítható • A részlegesen átolvasztok szemcsék jelenléte a felületen • A várható felületi érdesség 3 < Ra < 20 µm
Tervezési és építési alapelvek • Alaplappal párhuzamos felületek építhetősége:
Tervezési és építési alapelvek • Alaplappal hegyesszöget záró felületek építhetősége:
Tervezési és építési alapelvek • Furatok építhetősége:
Tervezési és építési alapelvek • Munkadarabok építéskori elhelyezése:
Tervezési és építési alapelvek • A geometria módosítása, lézerszinter helyes kialakítás a megtámasztások elkerüléséhez:
Tervezési és építési alapelvek • A geometria módosítása, lézerszinter helyes kialakítás a megtámasztások elkerüléséhez:
Tervezési és építési alapelvek • A geometria módosítása, lézerszinter helyes kialakítás a megtámasztások elkerüléséhez:
Tervezési és építési alapelvek • A geometria módosítása, lézerszinter helyes kialakítás a megtámasztások elkerüléséhez:
Tervezési és építési alapelvek • A geometria módosítása, lézerszinter helyes kialakítás a megtámasztások elkerüléséhez:
Tervezési és építési lehetőségek • Súlycsökkentés:
Tervezési és építési lehetőségek • Súlycsökkentés:
Tervezési és építési lehetőségek • Súlycsökkentés:
Tervezési és építési lehetőségek • Súlycsökkentés:
3D Printing
3D Printing alkalmazásai
3D Printer öntészeti alkalmazásai
Polyjet 3D Printing
Polyjet 3D Printing
FDM – Fused Deposition Modeling, Olvasztott lerakásos darabgyártás
Materials: ABS, Polycarbonate (PC), Polyphenylsulfonen (PPSF)
FDM – Fused Deposition Modeling, Olvasztott lerakásos darabgyártás
