Mechatronika Modul 9: Gyors prototípusgyártás
Jegyzet Készítették: dr in. Bogdan Dybaa, dr in. Tomasz Boratyski dr in. Jacek Czajka dr in. Tomasz Bdza dr in. Mariusz Frankiewicz mgr in. Tomasz Kurzynowski Politechnika Wrocawska
Dr. Cser Adrienn
EU-Project Nr. 2005-146319 ,,MINOS“, EU-Project Nr. DE/08/LLP-LDV/TOI/147110 ,,MINOS**“ Európai elképzelés a globális ipari termelésben résztvev szakemberek mechatronika témakörben történ továbbképzésérl A projektet az Európai Unió a „Leonardo da Vinci“ szakmai továbbképzési akcióterv keretében támogatta.
www.tu-chemnitz.de/mb/WerkzMasch
A szakmai anyag elkészítésében és kipróbálásában az alábbi magáncégek és intézmények vettek részt -
Chemnitz University of Technology, Institute for Machine Tools and Production Processes, Germany np – neugebauer und partner OhG, Germany Henschke Consulting, Germany Corvinus University of Budapest, Hungary Wroclaw University of Technology, Poland IMH, Machine Tool Institute, Spain Brno University of Technology, Czech Republic CICmargune, Spain University of Naples Federico II, Italy Unis a.s. company, Czech Republic Blumenbecker Prag s.r.o., Czech Republic Tower Automotive Sud S.r.l., Italy Bildungs-Werkstatt Chemnitz gGmbH, Germany Verbundinitiative Maschinenbau Sachsen VEMAS, Germany Euroregionala IHK, Poland Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen Euroregionale Industrie- und Handelskammer Jelenia Gora, Poland Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Hungary Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Hungary Nationales Institut für berufliche Bildung Budapest, Hungary Christian Stöhr Unternehmensberatung, Germany Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Sweden
Tartalom: Jegyzet, munkafüzet és oktatói segédlet az alábbi témakörökhöz Modul 1: Alapismeretek Modul 2: Interkulturális kompetencia, Projektmenedzsment Modul 3: Folyadékok Modul 4: Elektromos meghajtók és vezérlések Modul 5: Mechatronikus komponensek Modul 6: Mechatronikus rendszerek és funkciók Modul 7: Üzembehelyezés, biztonság, teleservice Modul 8: Távkarbantartás és távdiagnosztika Modul 9: Gyors prototípusgyártás Modul 10: Robotika Modul 11: Európai migráció Modul 12: Interfészek Az alábbi nyelveken: német, angol, spanyol, olasz, lengyel, cseh és magar További információ: Technische Universität Chemnitz Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse (Chemnitz-i Mszaki Egyetem, Szerszámgépek és Gyártási Folyamatok Intézete) Dr.-Ing. Andreas Hirsch Reichenhainer Straße 70, 09107 Chemnitz phone: + 49(0)371 531-23500 fax: + 49(0)371 531-23509 e-mail:
[email protected] www.tu-chemnitz.de/mb/WerkzMasch or www.minos-mechatronic.eu
Gyors prototípusgyártás - Jegyzet
Minos++
1 Bevezetés .............................................................................................. 5 2 CAD ....................................................................................................... 7 3 CAD – RP kommunikáció..................................................................... 12 3.1 STL formátum ................................................................................ 12 3.1.1 Az STL fájlok szerkezete és létrehozása ................................. 12 3.1.2 A háromszögek orientációja ..................................................... 13 3.1.3 Koordinátarendszer és domenziók az STL formátumban ........ 14 3.1.4 STL fájlok létrehozása.............................................................. 14 3.1.5 Gyakori hibák az STL formátum esetén ................................... 15 3.1.6 Szabályok az STL állományok létrehozásához........................ 19 3.1.7 *.stl állomány létrehozása különböz programokban............... 20 4 Folyamatelkészít tevékenység a gyors prototípusgyártásban ........... 25 4.1 STL fájlok szerkesztése ................................................................. 28 4.2 Az STL fájlok javítása..................................................................... 31 4.3 Támasztékok létrehozása .............................................................. 32 5 Gyors prototípusgyártás - Rapid Prototyping (RP)............................... 34 5.1 Sztereólitográfia (SLA, SL)............................................................. 41 5.2 Szelektív lézer szinterelés / olvasztás – SLS/SLM (Selective Laser Sintering/Melting) ........................................................................... 43 5.2.1 MCP Realizer II – az MCP – HEK vállalat berendezése .......... 45 5.2.2 EOSINT M 270 – az EOS vállalat RP berendezése................. 45 5.2.3 M3 Linear – a Concept Laser vállalat berendezése ................. 46 5.2.4 TrumaForm LF 250 – a TRUMPF vállalat berendezése .......... 48 5.2.5 EBM S12 – az ARCAM vállalat berendezése .......................... 48 5.2.6 Szinterizációs HiQ rendszer – a 3D SYSTEMS berendezése . 49 5.3 Rétegelt darabgyártás - Laminated Object Manufacturing, LOM ... 50 5.4 Olvasztott lerakásos darabgyártás - Fused Deposition Modeling, FDM ............................................................................................... 52 5.5 Lézeres pormegmunkáló technológiák .......................................... 53 5.6 Tintasugaras nyomtatás................................................................. 54 5.7 Háromdimenziós nyomtatás (3-Dimensional Printing, 3DP) .......... 55 5.8 Szilárd alapú kiszilárdítás (Solid Ground Curing, SGC) ................. 57 6 Fordított mérnöki tevékenység - Reverse Engineering ........................ 59
3
Gyors prototípusgyártás - Jegyzet
Minos++
6.1 Bevezetés ...................................................................................... 59 6.2 A reverse engineering alkalmazási területei az iparban................. 60 6.3 Digitalizációs eljárások................................................................... 63 6.3.1 Érintéses digitalizációs eljárások.............................................. 64 6.3.2 Optikai, pont alapú mérések..................................................... 66 6.3.3 Lineáris optikai eljárások .......................................................... 69 6.3.4 Optikai, terület alapú eljárások ................................................. 70 6.3.5 Destruktív letapogatás.............................................................. 71 6.4 Berendezés és szoftver.................................................................. 72 6.5 Geometria digitalizációja ................................................................ 74 6.5.1 A digitalizáció lépései ............................................................... 74 6.5.2 A digitalizációs folyamat tervezése .......................................... 75 6.5.3 Adatgyjtés............................................................................... 77 6.5.4 Adatfeldolgozás és a CAD modell elkészítése......................... 78 7 Irodalom ............................................................................................... 83
4
Gyors prototípusgyártás - Jegyzet
1
Minos++
Bevezetés
A mai, magasan iparosodott világban a termékek tervezési idejének lerövidítésére és a piacra dobáskor a lehet legjobb minség biztosítására irányuló igény olyan új technológiákat követel, melyek lerövidítik a piacra kerüléshez szükséges idt. Az új technológiák olyan eszközöket kínálnak, melyek a minségbiztosítás fogalmát a gyártáson túl kiterjesztik a termék teljes életciklusára is. Olyan technikákból és módszerekbl épülnek fel, melyek lehetvé teszik a termék fejlesztési idejének csökkentését a termékre vonatkozó igények megfogalmazásától egészen a piacra való bevezetésig. Az egyik legalapvetbb cél az üresjárati id csökkentésével párhuzamosan a termék minségének javítása. Mindezen technikák alapvet komponense a geometriai szilárd test modell (CAD 3D). Ez a modell egy olyan adathalmaz, amely lehetvé teszi bármely tetszleges háromdimenziós tárgy geometriai alakjának pontos leírását. Az alapvet szabályrendszer és a lehetséges eszközök már évek óta ismertek, de bizonyos – elssorban a költségekkel, speciális szerszámokkal és a kultúrával kapcsolatos - nehézségek következtében az alkalmazások fként a nagyon jómódú vagy stratégiailag jelents vevket célozzák meg. A geometriai modellt két eltér módon kaphatjuk meg: x x
Közvetlenül háromdimenziós tervezésre szolgáló számítógépes eszközök (CAD – Computer Aided Design, azaz számítógéppel segített tervezés) használatával Egy elem videokamera, fordított mérnöki tevékenység (reverse engineering), CAT (Computerized Axial Tomography, számítógépes axiális tomográfia) vagy más eszköz segítségével történ lemásolásával. Az eszközt a másolandó elem típusa, a felhasználási terület, a szükséges pontosság, stb. határozzák meg.
Amint elkészült a modell, különböz célokra használhatjuk fel elkezdve az archiválástól egészen a tesztelés lehetségén keresztül a geometria továbbfejlesztésén, vagy a multimédiaalkalmazásokban történ felhasználáson át a valódi gyártási folyamatok elemzéséig és a véges-elemes (FEM) tesztelésig, vagy prototípusok és formák elállításáig gyors prototípusgyártás (rapid prototyping) és gyors szerszámkészítés (rapid tooling) segítségével [19]. A gyors prototípusgyártás (rapid prototyping, RP) és gyors szerszámkészítési (rapid tooling, RT) technikák olyan technológiák, melyek különböz eszközök és anyagok segítségével alkalmasak egy tárgy prototípusának vagy prototípus sorozatának létrehozására a célanyagból mindössze an-
5
Gyors prototípusgyártás - Jegyzet
Minos++
nak egy CAD 3D alkalmazásból vagy fordított mérnöki tevékenységbl (reverse engineering) származó numerikus modellje alapján. A prototípus hulladékmentes folyamattal, rétegrl rétegre az STL fájlban tárolt információ alapján épül fel. A gyors prototípusgyártás, mely egy igen vizuális eszköz, segít a cégeknek megelzni egy esetlegesen alacsonyabb minség termék piacra dobását. Az ilyen modelleknek számtalan alkalmazása létezik: tökéletes vizuális segítséget nyújtanak a kollégákkal vagy vevkkel való ötleteléskor, de alkalmazhatók a tesztelési fázisban is. Például egy repülgéptervez mérnök a szárnyfelület modelljének segítségével meghatározhatja az aerodinamikai erhatásokat. A prototípuskészítés mellett a RP technikák szerszámgyártásra (ez az úgynevezett gyors szerszámkészítés (rapid tooling) és akár magas minségi színvonalú termékek elállítására (gyors gyártás, rapid manufacturing) is alkalmasak. Természetesen a gyors prototípusgyártás nem tökéletes. A létrehozott termékek száma ersen korlátozott, lehetséges méretük az alkalmazott eszköztl függ. Nagy gyártási sorozatok vagy egyszer termékek esetén a hagyományos gyártási technikák gazdaságosabbak. Ha azonban e korlátozásoktól eltekintünk, a gyors prototípusgyártás egy figyelemre méltó technológia, mely nagyban támogatja a gyártási folyamatot. Idvel a kutatás és fejlesztés lehetvé teszi majd e rendszerek további fejldését a hatékonyság (rövidebb konstrukciós id, kisebb toleranciák, jobb felületi minség, az RP modellek megnövekedett ellenállása az idjárási, mechanikai, h és kémiai feltételekkel szemben) tekintetében. A piaci elfogadottság és a technológia késbbi sikere már megersítést nyert az új termékek fejlesztési idejének folyamatos csökkentésére irányuló igények fokozódása által.
6
Gyors prototípusgyártás - Jegyzet
2
Minos++
CAD
A CAD az angol Computer Aided Design kifejezésbl származik, jelentése számítógéppel támogatott tervezés. Az ebbe a családba tartozó szoftverek lehetvé teszik a mérnökök által kigondolt elemek vagy mechanizmusok részletes tervezését. A CAD rendszerek támogatják a konstrukciós és tervezési folyamatokat, de használják ket vázlatok elkészítéséhez vagy geometriai modellezéshez is. A geometriai modellezés a modellezett alkatrészek és alkatrészcsoportok háromdimenziós reprezentációja. Az alkatrészcsoportok reprezentációja tartalmazza az összeszerelési szerkezet leírását is, amelyet termékszerkezetnek nevezünk. Az alkatrészek és alkatrészcsoportok 3D reprezentációját a mszaki dokumentáció (pl. mszaki rajzok, alkatrészlisták, anyaglisták) elkészítéséhez használjuk. A korai CAD rendszerek csak sík modellek elkészítését tették lehetvé, azonban idközben kifejlesztették azokat a funkciókat, amelyek segítségével 3D modellek is készíthetk. Ekkor már rendelkezésre állt egy az alapvet geometriai formákat (primitives) (kúp, henger, gömb, stb.) tartalmazó könyvtár, melyet felhasználhattunk a 3D modellek elkészítésekor. Feltételezték, hogy elször egy 2D dokumentáció készül, majd erre alapozva készül el a 3D modell. Ez a megközelítés azonban a 3D modulok dinamikus fejldése következtében elavult. Mára a 3D tervezés eszközei elég hatékonyak és egyszerek ahhoz, hogy a CAD rendszerek alapvet moduljává váltak, a 2D tervek pedig kiegészítésként léteznek. Végül kijelenthetjük, hogy a 2D rajz a 3D modell egyik ábrázolása, amelynek segítségével a 2D dokumentáció szinte automatikusan generálható. A CAD rendszerek ma már kész alkatrészeket (csavarokat, csapágyakat, bütyköket, stb.) tartalmazó könyvtárakkal rendelkeznek, amelyeket felhasználhatunk a tervezi munka során. A konstrukciós mérnököknek már nem kell katalógusokat lapozgatniuk egy adott alkatrészt keresve, ma már a legtöbbet megtalálják a CAD programok könyvtáraiban, vagy a 3D modellt letölthetik a világhálóról. Az alkatrészeket tartalmazó könyvtárak általában nyitottak, így a felhasználók feltölthetik az általuk létrehozott alkatrészeket, melyet így az adott rendszer minden – egy adott cégen belül az adott könyvtárhoz hozzáféréssel rendelkez - felhasználója által elérhetvé tesznek. Az ilyen könyvtárak tehát sokkal hatékonyabbá tehetik a tervezési folyamatot. A geometriai modellezés egy az adott tárgyak alakjának leírására használt technika. A CAD rendszerek lehetvé teszik a tervezési folyamat fejlesztését és a termék fejlesztési idejének csökkentését. A számítógépek és grafikus programok alkalmazása megkönnyíti, vagy javítja a termék tervezésével kapcsolatos munkát – a koncepciótól a dokumentációig. A CAD rendszerekkel való munka a számítógéppel végzett
7
Definíció
Gyors prototípusgyártás - Jegyzet
Minos++
interaktív tevékenység, eredménye az alkatrész modellje. Az így elkészített modellel ezután különböz mveleteket végezhetünk. A mai CAD rendszerek lehetvé teszik az ún. parametrikus modellezést is, amelynek alapja a dimenziók közötti bidirekcionális kapcsolat, melyet ábrázolhatunk vázlat (sketch), 3D vagy 2D rajz és 3D geometriai üzemmódban is, és fordítva. Ez azt jelenti, hogy a tervezés bármely stádiumában megváltoztathatjuk a korábban megadott méreteket. Ilyen programokra példa a SolidWorks és a CATIA. Az ilyen rendszerek minden tervezési lépést rögzítenek, majd a modell létrehozásának történetét faábrázolásban tárolják. Egy adott paraméter megváltoztatásához mindössze meg kell találnunk az adott mveletet a faábrázolásban. Azon vázlatokat is módosíthatjuk, amelyek alapján a mveletet létrehoztuk. A változtatások elmentésekor a szoftver a teljes modellt aktualizálja az éppen érvényes paraméterértékekkel. Ez természetesen hibákhoz is vezethet, hiszen a következ mvelet alapja lehet, hogy egy már megváltoztatott geometria. Ebben az esetben a rendszer megmutatja, mely mveletek problémásak, és hol van szükség a felhasználó beavatkozására. Jelenleg minden komoly CAD rendszer lehetvé teszi a következket: x x x x x x
háromdimenziós projektek létrehozása, összeszerelési rajzok létrehozása több különböz alkatrész alapján, ellenrizve, hogy azok összeillenek-e, sok ember együttmködése nagy projekteken, egy adott részlet megváltoztatása után minden összeszerelési rajz frissítése az aktuális értékkel, az alkatrészek listájának automatikus létrehozása, költségbecslés, együttmködés a raktárral, stb., vizualizáció.
A CAD rendszerek fbb jellemzi: x x x x x x x x x
geometriai modellezés, konstrukciós dokumentáció létrehozása és szerkesztése, dokumentáció mentése és tárolása elektronikus formában – adatként és adatbázisként is, adatcsere más rendszerekkel, a létrehozott elemek háromdimenziós projektjeinek létrehozása, összeszerelési rajzok létrehozása több különböz alkatrész alapján, sok ember együttmködése nagy projekteken, egy adott részlet megváltoztatása után minden összeszerelési rajz automatikus frissítése az aktuális értékkel, automatikus költségbecslés, együttmködés a raktárral, stb.
8
Gyors prototípusgyártás - Jegyzet
Minos++
A számítógéppel támogatott tervezés három szintbl áll: x x x
Koncepció: analízis, a megoldási változatok lefordítása és a megoldások helyességi szempontból történ értékelése. Koncepció fejlesztése: a megoldási koncepció specifikálása, a projekt léptékének meghatározása, a modell létrehozása, a megoldás becslése. Részletmunka: az egyes alkatrészek reprezentációinak elkészítése, a megoldás becslése.
A CAD folyamat 6 fázisból áll: x x x x x x
az igények felmérése, a probléma definiálása, szintézis, analízis és optimalizáció, kiértékelés, prezentáció.
2.1 ábra: Tervezési folyamat CAD segítségével A CAD rendszerek használatának elnyei: x x x
az optimális megoldás meghatározásának lehetsége, a megoldás minségének fejlesztése (precíz matematikai modellek), idigényes és unalmas feladatok (vázlatkészítés, számítások) megkönnyítése a tervezmérnök számára,
9
Gyors prototípusgyártás - Jegyzet
x x
már létez tervek újrafelhasználásának megnövekedett valószínsége a számítógépes adatbázisoknak és a létez normáknak és katalógusoknak köszönheten, a tervezett tárgy viselkedésének szimulálása különböz körülmények között, már a tervezési fázisban.
A CAD rendszerek használatából adódó elnyök megkérdjelezhetetlenek, az ilyen rendszereket használó vállalatok pedig így javíthatnak versenyképességükön. A termék szerkezeti pozíciója a gyár teljes know-howjához képest csak egyetlen láncszem a mszaki termék-elkészít tevékenységek sorában. Ha nincs optimális és interaktív kapcsolatban a gyár többi know-how-ként definiált tevékenységével, a legjobb CAD rendszer alkalmazásából sem származik majd haszna a vállalatnak, mint egésznek (eltekintve a tervezési részleg komfortjának és a hatékonyságának növekedésétl).
2.2 ábra: Modellek egy CAD rendszerben
A CAD-ben a geometriai modellek két típusát használják: 1. lapos/sík – kontúrok segítségével x grafikus 2D modellek, ahol a pontokat vonalak kötik össze. A modellt a következ elemek segítségével hozzuk létre: egyenes vonal, ív, kör, parabola, stb. x grafikus 2,5D modellek, azaz prizmatikus vagy rotációs elemek modellezése sík elemek segítségével (a sík felületi elem transzlációjával vagy rotációjával)
10
Minos++
