Mechatronika. Modul 9: Gyors prototípusgyártás. Munkafüzet Jegyzet Oktatói segédlet. (Koncepció)

Mechatronika Modul 9: Gyors prototípusgyártás

Munkafüzet Jegyzet Oktatói segédlet (Koncepció) dr in. Bogdan Dybaa, dr in. Tomasz Boratyski dr in. Jacek Czajka dr in. Tomasz Bdza dr in. Mariusz Frankiewicz mgr in. Tomasz Kurzynowski Egyetem Wroclaw, Lengyelország

Európai elképzelés a globális ipari termelésben résztvev szakemberek mechatronika témakörben történ továbbképzésérl

EU-project no. DE/08/LLP-LdV/TOI/147110 „MINOS++“, idtartama 2008-2010

Az Európai Bizottság támogatást nyújtott ennek a projektnek a költségeihez. Ez a kiadvány (közlemény) a szerz nézeteit tükrözi, és az Európai Bizottság nem tehet felelssé az abban foglaltak bárminem felhasználásért.

www.minos-mechatronic.eu

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


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

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


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


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


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


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


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


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


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++


2. térbeli – háromdimenziós elemekkel x test (solid) modellezés: háromdimenziós rajz létrehozása alapvet matematikai testekbl (pl. henger, tórusz, stb.) x felületi (surface) modellezés: éleket összeköt felületek (fazetták, facet-ek) létrehozása. A fazetták poligoniális, sík felületek x él (edge) modellezés: formák „csontvázának” létrehozása egyenes és ívelt vonalakból. A CAD szoftvereket alapveten konstrukciós munkára használják, így általában a mechanika területén alkalmazzák ket. Alább néhány elterjedt CAD rendszer: x x x x x x x

CATIA Solid Works ProEngineer SolidEdge Unigraphics Inventor AutoCAD

Az egyes rendszerekrl bvebb információ a fejleszt vállalat honlapján található. A CAD rendszereket az alábbiak okán használjuk: x x x x x x x x x

tervezés pontossága, kevesebb munka, a modellek elemezhetségének lehetsége, vizualizáció, automatizált tervezés, változtatások gyors és automatikus lekövetése, egyszer projektmenedzsment, más rendszerekkel való integrálhatóság, egyéb.

11

Minos++


3

CAD – RP kommunikáció 3.1

STL formátum

Az STL (Standard Triangulation Language, standard háromszögelési nyelv) formátum létrehozásának ötlete a sztereólitográfiás eljárások pionírjától, a 3D Systems Company-tól származik. Az megrendelésükre 1987-ben az Albert Consulting Group fejlesztette ki az els verziót. A formátum hamarosan az RP folyamatok adatcseréjének alapvet formátumává vált. Az STL sikerének kulcsa az egyszerség, eredetiség és a tervezett modell megfelel pontos ábrázolása. A formátum elsdleges célja a 3D CAD modellek átvitele a gyors prototípusgyártó eszközökre. Manapság a legtöbb CAD/CAM program el tudja menteni a modelleket STL formátumban, melyet szinte minden RP rendszer be tud olvasni [10]. 3.1.1

Az STL fájlok szerkezete és létrehozása

Az STL egy sor háromszöglet felületbl áll, ezt nevezzük háromszöghálónak, amelyet csomópontok, élek és háromszögek határoznak meg. Ezek oly módon csatlakoznak egymáshoz, hogy minden élen és csomóponton legalább két szomszédos háromszög osztozik („csomópont a csomóponthoz szabály”). Más szóval a háromszögháló az STL formátumban tárolt 3D modell felületének approximációját ábrázolja. A reprezentáció azonban nem kezel olyan elemeket, mint a pont, vonal, görbe, réteg és szín.

3.1 ábra: Modell approximáció háromszögekkel Az STL fájlok kiterjesztése *.stl, azonban a programok egy része más kiterjesztés használatát is lehetvé teszik. A fájl mérete függ attól, hogy a modell felülete hány háromszögbl áll, ennek következtében pedig attól, hogy milyen pontossággal írjuk le a modell geometriáját.

12

Minos++


3.2 ábra: Modell geometria reprezentációinak különbsége a felhasznált háromszögek számának függvényében A 3D modell STL formátumban történ tárolása nem más, mint a test felületeinek háromszöglet felületekre való felosztása, melyek minden csomópontját X, Y, Z koordináták halmaza és az egy adott felületrl a modelltl elfelé mutató normál vektor írja le.

3.1 ábra: Tetszleges háromszöglet felület leírása 3.1.2

A háromszögek orientációja

A háromszögek, melyekre felosztottuk a 3D modell falait, egyidejleg a modell külseje és belseje közti határt is képezik. Orientációjukat kétféleképpen határozhatjuk meg: 1. A kifelé mutató normál vektor alapján. 2. A modellt kívülrl megfigyelve a csomópontok sorrendje az óramutató járásával ellentétes (ez jelenleg bevett modellezési módszer).

13

Minos++


3.2 ábra: A háromszöglet felületek irányultsága A fenti ábrán két háromszöglet felület látható. A bal oldali felületet belülrl látjuk, erre utal a háromszög csomópontjainak óramutató járásával megegyez irányú számozása és a normál vektor iránya is. A jobb oldali háromszög esetében az ellentétes helyzet áll fenn, ezt a modellen kívülrl szemléljük. 3.1.3

Koordinátarendszer és domenziók az STL formátumban

Az STL formátum egyik követelménye, hogy a modell a koordinátarendszer els (pozitív) kvadránsában helyezkedjen el, azaz a háromszögek csomópontjainak koordinátái nem lehetnek egyenlk vagy kisebbek nullánál. Erre példa az AutoCAD, mely nem engedi meg STL fájl létrehozását, ha a csomópontok koordinátái egyenlk vagy kisebbek nullánál. Léteznek azonban olyan CAD programok is, melyek a modell tetszleges elhelyezését képesek kezelni. Az STL formátumú fájl a modell méreteirl nem tartalmaz információt, ezeket szabadon választott, ismeretlen egységekben ábrázolja. Ezért fontos, hogy a modellt a konverzió eltt teljes mértékben definiáljuk, hiszen számos RP program rendelkezik a tartalmazott méret helyreállításának lehetségével. 3.1.4

STL fájlok létrehozása

A létrehozott 3D modell STL formátumban történ elmentéséhez kövessük az alábbi lépéseket: x x

Válasszuk ki az STL formátumba konvertálandó alkatrészt (alkatrészeket). Állítsuk be a folyamatparaméterek toleranciáját.

14

Minos++


x x

Válasszuk ki a fájl tárolásának formátumát (ASCII vagy bináris). Mentsük el a fájlt.

Felületi modellek esetén az STL formátumba mentés ennél kicsivel bonyolultabb: x x x x

Határozzuk meg az összes szomszédos felületet. Osszunk minden felületet háromszögekre. Határozzuk meg a normál vektort, amelynek minden felületrl kifelé kell mutatnia. Mentsük el a fájlt.

Tartsuk szem eltt, hogy miközben a fájlt STL formátumba mentjük, a következ paramétereket kell meghatároznunk: x x x x x x

A háromszögekre osztás toleranciája (finomsága) meghatározza, mennyire lesz „sima” a 3D modell reprezentációja (alapértelmezett érték: 0,0025” vagy 0,05mm) A háromszögek érintkezésének toleranciája (alapértelmezett érték: 0,005” vagy 0,12mm) Normál vektorok automatikus generálása (ki/be) Normál vektorok ábrázolása (ki/be) Háromszöglet felületek ábrázolása (ki/be) A fájlhoz kapcsolódó információk (ki/be)

3.1.5

Gyakori hibák az STL formátum esetén

Az STL formátum, mint a CAD/CAM formátumok többsége, tartalmazhat hibákat, melyek negatívan befolyásolhatják a modell elemzését. Inkompatibilitás a „csomópont a csomóponthoz” szabállyal A „csomópont a csomóponthoz” szabállyal való kompatibilitás az egyik alapvet szabály, melynek meg kell felelni, ha STL formátumban mentjük el a modellünket. Ennek az elvnek megfelelen minden háromszögnek két csomóponton kell osztozni a szomszédos háromszögekkel, és a háromszög egyetlen csomópontja sem helyezkedhet el egy másik háromszög oldalán. A következ ábrán látható négyzeteket háromszögekre osztottuk. Az „a” négyszög 1-es háromszöge 4 „csomópontot” is tartalmaz, miközben ezek közül csak három tényleges csomópont (az X-el jelölt pont nem tekinthet csomópontnak, mivel az 1-es háromszög oldalán található). Az 1-es háromszög bal alsó csomópontja csak az 1-es háromszöghöz tartozik, nem osztozik rajta 2 háromszög. A 2-es és 3-as háromszögek mindegyike tartalmaz egy megfelel csomópontot, amelyen az 1-es háromszöggel osztozik, és egy inkorrekt pontot (X).

15

Minos++


3.3 ábra: A „csomópont a csomóponthoz” szabály Ahhoz, hogy teljesüljön a „csomópont a csomóponthoz” szabály, az 1-es háromszöget osszuk 2 háromszögre, ahogy azt a „b” ábra mutatja, vagy olvasszuk össze a 2-es és 3-as háromszögeket, ahogy azt a „c” ábrán látjuk. Variabilitás (Szivárgás) Minden az STL fájlban tárolt felületnek legalább egy invariáns egységet kell alkotnia, megfelelve a testekre vonatkozó Euler-féle szabálynak: F-E+V=2B ahol: F – a felületek száma, E – élek száma, V – csomópontok (vertexek) száma, B – önálló testek száma. Vegyük példának a korábban (6. ábra) bemutatott kockát. Itt: F = 6, E = 12, V =8 és B =1, így: 6– 12+8 = 2x1 2=2 Ha a fenti feltétel nem teljesül, az STL modell „szivárog”. Ha egy feltételezett algoritmus alapján a szivárgó STL fájlt rétegekre osztjuk, az algoritmus lehet, hogy nem veszi észre a hibát, és nyitott határolók alakulnak ki. Ha egy ily módon hibásan generált modellt használunk valamely RP eljáráshoz, például lézerhez, vágóhoz vagy bármely, a modellt rétegekre osztó eszközhöz, az a modellben kialakuló felületi hiányt szándékosnak tekinti, a létrejöv alkatrész pedig ezért nem fog megfelelni az elképzeléseinknek, de rosszabb esetben a modell annyira eltorzulhat, hogy blokkolja, vagy akár károsíthatja is az eszközt.

16

Minos++


3.4 ábra: Példa lehetséges hibára az *.stl fájlban – felületek keresztezdése (olyan modellek esetén, melyeken túl alacsony pontosságú Boolmveleteket hajtottak végre, a szivárgás gyakori hiba, amely a geometria korrekt elemeinek nem megjelenítését eredményezni)

3.5 ábra: Példa lehetséges hibára az *.stl fájlban – lyukak a felület határán (a felület határán megjelen lyukakat gyakran okozzák számítógépes vírusok vagy nem megfelelen konfigurált *.stl fájlok) Léteznek azonban már olyan programok is, mint például a 3Dsystems által forgalmazott 3D LightYear vagy a Magics, amelyek lehetvé teszik az ilyen hibák egy további szegmens hozzáadásával történ korrigálását, amely összeköti az össze nem ér határokat. „Degenerált” felületek A felületek degenerációja nem olyan komoly hiba, mint a fentebb említett társa, azonban ez is komoly károkat okozhat a modell szerkezetében.

3.6 ábra: Felületi degeneráció, példa

17

Minos++


A fenti ábra valamely felület három csomópontját ábrázolja. Alapvet tény, hogy kollineárisak, vagy azzá váltak. A kollinearitás a korábbi nem kollineáris koordináták importálás alatt történt rövidítésébl adódik. Ugyan a felületek degenerációja nem súlyos hiba, mégsem hagyhatjuk figyelmen kívül: x x x

elször is, a felületekkel kapcsolatos adatok növelik az STL fájl méretét, másodszor, a degenerált felületek tévútra vezetik az RP folyamatokat elemz algoritmusokat, harmadszor pedig sokkal nehezebb ket szerkeszteni.

A felületek degenerációja egy további hibához, a háromszög hálózatban fellép lyukakhoz (gap) vezethet. Ez a probléma abban nyilvánul meg, hogy azon háromszögek következtében, amelyek az STL fájl importálása következtében vonalakká váltak, a nagy ívben hajló pontokban lyukak alakulnak ki.

3.7 ábra: Lyukak a háromszöghálóban

Hibák a modellekben Ez a hibatípus nem az STL formátumra történ konverzió miatt lép fel, hanem a modell létrehozása során fellépett hibák eredménye. Ha egy nem megfelelen modellezett testet mentünk STL formátumban, minden a hibával kapcsolatos információ kimarad a megjelenítésbl. Ezért elengedhetetlen, hogy a hibás modellt kijavítsuk, mieltt STL formátumban mentenénk, különben jelents kompatibilitási problémák léphetnek fel az RP folyamatok során, az STL formátumban elmentett modellekben pedig a hibát megtalálni és kijavítani különösen nehéz és munkaigényes. Redundancia Az STL formátum egyik alapvet hibája a nagy redundancia, amelynek eredménye a háromszögek csomópontjainak és éleinek duplikálása.

18

Minos++


3.8 ábra: Redundancia egy STL fájlban 3.1.6

Szabályok az STL állományok létrehozásához

Egy *.stl fájl létrehozása önmagában általában egyszer feladat, azonban minden CAD 3D szoftver gyártója más kifejezéseket és paramétereket használ az *.stl állományok mentésekor. Ennek ellenére nem kell minden paramétert ismernünk ahhoz, hogy a létrehozott modellünket megfelel módon mentsük. Az alábbi alapelveket követve garantáltan használható *.stl állomány jön létre. 1. A jó minség *.stl fájlok létrehozásához tipikusan 0,02 mm (0,001”) és 0,05 mm (0,002”) közötti finomságú háromszöghálót használunk. Tartsuk azonban fejben, hogy a háló toleranciájának csökkentése nem mindig vezet a prototípus pontosságának növekedéséhez. Egy bonyolult, sok görbült felületet és lekerekítést tartalmazó téridom esetén nagyobb pontosságra van szükség, mint egy geometriailag egyszerbb modell esetében. 2. Az STL állományokat inkább bináris, mint ASCII formában mentsük el. 3. Egy 3D CAD programban téridomok (testek) modellezése esetén jelentsen kisebb eséllyel követünk el hibát az *.stl állomány létrehozásakor, mint felületi modellezés esetén, mivel itt minden felületnek kapcsolódnia kell egymáshoz, és nem keresztezhetik egymást. Egy nem megfelel modellbl is létrehozhatjuk az *.stl állományt, de ez késbb komoly javítást igényel majd. 4. Felületi modellek esetén az *.stl-be való exportálás eltt minden területnek kapcsolódnia kell egymáshoz, hogy egy összefügg modellt alkossanak. Ha a felületek nincsenek elvágva vagy eltörve, létrejön az STL állomány, de ez nem lesz megfelel és a javítás igen körülményes. 5. Az *.stl állomány létrehozásához a modell minimális mérete (vastagsága) legyen legalább 0,02 mm.

19

Minos++


6. Néhány CAD programban a modell STL-lé történ konverziója során figyelmeztetések jelenhetnek meg, melyek szerint a modell egy részének geometriája kívül esik a pozitív X, Y, Z tartományon – ezeket az üzeneteket azonban figyelmen kívül hagyhatjuk. 7. Ha egy permanens szerelt egység prototípusát akarjuk létrehozni, a szerelvényeket (assembly) CAD program segítségével kell létrehoznunk, majd ezután mentsük *.stl formátumba. 3.1.7

*.stl állomány létrehozása különböz programokban

Az *.stl állományok létrehozása a legtöbb program esetén ugyanazon lépésekbl áll, és csak a FILE/Save as... parancs segítségével kivitelezhet. Az *.stl formátumba való exportálás lépéseit két példa CAD rendszeren mutatjuk be, ahol a SolidWorks-ben és a legtöbb más programban is a mentés a „Save as...” menüpontból kezdeményezhet, miközben a CATIA rendszerben egy erre dedikált modult használunk. A SolidWorks-ben egy 3D modell STL formátumban történ elmentéséhez az alábbiak szerint járjunk el: 1. Nyissuk meg az STL formátumba exportálandó modellt. 2. A fels legördül menübl válasszuk a „Save as..” parancsot 3. A párbeszédablakban adjuk meg a mentés célkönyvtárát, a modell nevét és a formátum típusát, azaz az STL-t (*.stl). Ezt követen definiálnunk kell a fájl paramétereit, így kattintsunk a párbeszéd ablakban az „Options...” gombra. Ennek következtében egy újabb ablak nyílik meg, amely az exportálás paramétereit tartalmazza (3.9 ábra).

3.9 ábra: Exportálás paraméterei ablak

20

Minos++


Minos++

Az ablakban az alábbi paramétereket adhatjuk meg: Kimeneti adatok, úgy, mint: x Bináris formátum, x ASCII formátum, x Mértékegység (milliméter, centiméter, hüvelyk, láb)

3.10 ábra: Kimeneti adatok Felbontás: Ez a paraméter vezérli a háromszöghálót. Három lehetség áll rendelkezésünkre: x x x

Durva felbontás, Finom felbontás, Adaptált

A harmadik választás esetén lehetségünk van a szög és az eltérés megadására. Az eltérés toleranciája az alkatrész teljes hálójára vonatkozik, miközben a szög tolerancia fként az egyes részletek ábrázolását befolyásolja. A megadott paraméterekbl adódó változásokat egy két darab koncentrikus kört mutató ábra jelzi.

3.11 ábra: Felbontás (pontosság) beállítása Mindkét esetben az alacsonyabb értékek pontosabb modell létrehozását teszik lehetvé, de a folyamat idben tovább tart majd. Show STL information before saving the file. Jelentése: az STL információ áttekintése az állomány mentése eltt. Ezen paraméter kiválasztásával (a Save gomb megnyomása után) egy párbeszéd ablak jelenik meg, amely a következ információt tartalmazza: háromszögek száma, fájl mérete, fájl formátuma, könyvtár címe és a fájl neve. A

View

(Nézet)

paraméter

kiválasztásával

21

a

grafikus

területen


Minos++

megjelenítjük a modell bemutató nézetét (preview), valamint láthatjuk a háromszögek számát és a fájl méretét.

3.12 ábra: STL fájl bemutató nézet. Az Exportálás Paraméterei párbeszédablak része valamint az exportált modell bemutató nézete. Do not transfer (move) STL output data to the first quarter of the coordinate system. Jelentése: az STL kimeneti adatokat ne transzferáld (mozgasd) a koordinátarendszer els kvadránsába. Ezen paraméter kiválasztásával a modellt a koordinátarendszer középpontjához képesti eredeti helyén mentjük el. Save all assembly components in a minden szerelvény komponenst egyazon szerelvények (összeszerelt alkatrészekre) nincs beállítva, a szerelvény különálló kerülnek mentésre.

single file. Jelentése: Ments fájlba. Ez a paraméter csak a vonatkozik. Ha ez a paraméter alkatrészei különálló fájlokba

Check if intersection occurs. Jelentése: Ellenrizd, fellép-e keresztezés. Ezt a paramétert is csak szerelvények esetén használjuk. Ezt kiválasztva lehetség van a keresztezések ellenrzésére a fájl mentése eltt. Output coordinate system. Jelentése: Kimeneti koordinátarendszer. Ennek a paraméternek a megváltoztatása az exportált fájlhoz használt koordinátarendszer változásához vezet. Az STL formátumba való mentés utolsó lépése az OK gomb megnyomása az Export Options (exportálási paraméterek) párbeszéd ablakban, majd a Save megnyomása a Save as... ablakban. A CATIA szoftverben a 3D modellek STL formátumban történ elmentéséhez az alábbiak szerint járjunk el:

22


Az elmentend 3D modellt nyissuk meg az STL Rapid Prototyping modulban.

3.13 ábra: Az STL Rapid Prototyping modul A következ lépés a háromszögháló paramétereinek megadása. Ehhez kattintsunk a „Tesselate an Object” (Objektum mozaikolása) gombra. Ennek hatására megjelenik a mozaikolás párbeszédablaka, ahol a tervez az alábbi értékeket állíthatja be: Sag – süllyedés. Ez a paraméter definiálja a húr magasságát a modell felülete és a közelít háromszög síkja között. Az alapértelmezett beállítás 1,08 mm. Ennek csökkentése a háromszögháló koncentrálásához (finomításához) vezet, így n a modell pontossága és a keletkez fájl mérete (3.14 ábra).

3.14 ábra: 3D modell a CATIA szoftverben exportálva STL formátumba. a) Sag = 1,08 mm (háromszögek száma = 140), b) Sag = 0,5 mm (háromszögek száma = 180) Step - lépés. Ez a paraméter a modellt leíró háromszöglet felület maximális oldalhosszát állítja be. Csökkentése a háromszögháló

23

Minos++


koncentrálásához vezet, így n a modell pontossága és a keletkez fájl mérete (3.15 ábra).

3.15 ábra: A Step paraméter különböz értékei: a) Step = 20mm (háromszögek száma = 970), b) Step = 10mm (háromszögek száma = 4214), c) Step = 200mm (háromszögek száma = 140) A modell 3D formátumba történ exportálása az él (edge) modellben javasolt, mivel az egyes paraméterek megváltoztatása, a modell kiválasztása és az Apply (alkalmaz) gomb megnyomása után itt lehetség van az STL modell megtekintésére. A következ lépésben a paraméterek beállításait az OK gombbal hagyjuk jóvá. Kattintsunk a File pontra, majd a Save as..-re (mentés másként). Ennek következtében megnyílik a Save as.. párbeszédablak, ahol megadjuk a célkönyvtárat, a mentend modell nevét és a formátumot, azaz stl-t. Mindezt a Save (mentés) gombbal hagyjuk jóvá.

24

Minos++


4

Folyamatelkészít tevékenység a gyors prototípusgyártásban

Amint befejeztük a modellezést és a modellünket elmentettük az STL formátumban, el kell készítenünk valamely gyors prototípusgyártási folyamathoz. Az ilyen folyamat-elkészítést valamely erre specializált program segítségével végezhetjük el. Az ilyen szoftverek képesek a szabványos kiterjesztés fájlok nagy részének importálására, így be tudják tölteni az STL, VDA, IGES, STEP, VRML formátumokat, valamint a következ CAD programok egyéni formátumait is: UniGraphics, Parasolid és CATIA. Mivel egyre több fájl pontfelhként rögzíti a modelleket, az ilyen állományok importálása és exportálása is lehetséges. A pontfelh formában importált adatokat a programok a felhasználó által megadott pontossággal alakítják CAD modellé. A gyártás-elkészítés része a fellép hibák korrigálása is. Ennek eredményeképpen egy olyan STL modellt kapunk, amely további konverzió nélkül készen áll valamely gyors prototípusgyártó berendezésen történ gyártásra. Ilyen szoftverre minden RP folyamat esetén szükség van, és ezt a lépést nem hagyhatjuk ki idmegtakarítási céllal.

4.1 ábra: Folyamat-elkészítés sematikus ábrázolása

Idmegtakarítás STL fájlok korrigálásakor Mivel a CAD rendszerek nem mindig hibátlan geometriát exportálnak STLbe, gyakran van szükség ezek korrekciójára, így a modellt tartalmazó fájlt továbbküldjük az STL eszközre. Ez a program diagnosztizálja a hibás modellt és megmutatja a kijavítandó hibákat. A remek rendelkezésre álló eszközöknek köszönheten a javítás nem vesz igénybe sok idt, de ez természetesen függ a fellép gondok mennyiségétl és bonyolultságától. A rendelkezésre álló eszközök lehetvé teszik a normál vektorok irányának megfelel beállítását, az össze nem ér élek összekapcsolását, a lyukak (gap) kitöltését, duplikált háromszögek eltávolítását, a felületek

25

Minos++


megnyírását, a vázak összekapcsolását és Bool-féle mveletek végrehajtását.

4.2 ábra: Az stl fájlban a hibák pirossal kiemelve, majd a javított modell

Változtatás a modellen Egy modell javításához nem kell hozzányúlnunk az eredeti CAD modellhez – ezt közvetlenül az STL modellen is elvégezhetjük. A programok számos olyan hasznos eszközt tartalmaznak, amelyek a folyamatot optimalizálják és lerövidítik. Létezik például olyan eszköz, aminek segítségével olyan felületeket alakíthatunk ki, amelyeket a mechanikai munkához szükséges extra anyag hozzáadásához használhatunk; van olyan eszköz is, amely segítéségével a modellt úgy tudjuk szétvágni, hogy az elférjen az RP gép munkaterében. Az egyes alkatrészek egyszerbb azonosítása érdekében létezik eszköz a modell felületeinek jelölésére és feliratozására is.

4.3 ábra: Húzott felület, mint extra anyag a lehetséges utómegmunkáláshoz Modellek elhelyezése a munkatérben A modelleket a munkatérben kézileg vagy automatikusan is elhelyezhetjük. Néhány modell elhelyezése esetén nincs szükség az automatikus elrendezésre, de ha nagyobb mennyiség, komplex geometriájú modellrl van szó, egyszerbb az automatikus elrendezés generálása, amely opti-

26

Minos++


mális lesz mind az elfoglalt tér, mind pedig a felépítési folyamat szempontjából.

4.4 ábra: Modellek optimálás elrendezése a munkatérben Ha az egyik felület esetén jobb minséget várunk el, természetesen automatikus elrendezés esetén elfordulhat, hogy a modellek elosztása nem megfelel. Mint tudjuk, a gyártás során egymást követ rétegeket kapcsolunk össze, így a rétegek elhelyezkedésével (z-tengely) szöget bezáró vagy párhuzamos felületek durvábbak lesznek. Az egyetlen igazán sima felület a rétegek elhelyezkedésére merleges felület (az x-y keresztmetszet) lehet. Ebben az esetben a modellt kézzel kell beállítanunk. Ha egy adott felület pontossága nem mérvadó (azaz a modellt utómegmunkálásnak vetjük alá), a legrövidebb megmunkálási id eléréséhez a modellt úgy kell beállítanunk, hogy a modell magassága a z-tengely mentán a lehet legkisebb legyen. A következ lépés a modell rétegeinek létrehozása, amelyeket az RP folyamat során egymás után létrehozunk. Ahhoz, hogy egy RP gépen egy prototípust hozzunk létre, az STL modellt vékony rétegekre kell osztanunk. Ez az utolsó mvelet, amit elvégzünk a fájlon, mieltt elkezdjük a modell felépítését. A rétegek srsége 0,01 és 0,7 mm között van.

4.5 ábra: Rétegekre osztott modell Ezt követen a program támaszszerkezeteket (támasztékokat) hoz létre a folyamat megfelel lefolyása érdekében.

27

Minos++


4.6 ábra: Támaszszerkezetek (támasztékok) Az így elkészített modellt küldjük az RP gépre a prototipikus fizikai modell elkészítéséhez. Az STL adatfeldolgozás lehetségei x x x x x x x x

Vizualizáció, mérések elvégzésének lehetsége, az *.stl modell kezelése Az *.stl fájlok javítása, felületek megvágása, duplikált háromszögek felfedezése STL fájlok metszetének, lyukak (lyukasztáshoz), húzott felületek létrehozása, retroverzió Bool-féle mveletek, háromszögek számának csökkentése, simítás, feliratok vagy jelek hozzáadása Ütközések érzékelése STL fájlok színezése Modellek rétegekre történ felosztása Támasztékok létrehozása 4.1

STL fájlok szerkesztése

Köszönheten a rendelkezésre álló számos eszköznek, az STL állományokkal történ gyártás-elkészítési munka nagyon hatékony. Mérések x x

A modelleket intuitív és egyszeren használható eszközök segítségével forgathatjuk, mozgathatjuk, méretezhetjük és szerelvényeket is létrehozhatunk. Számos mérési lehetség használható a papíralapú rajzok alternatívájaként.

Távolság-, rádiusz és szögmérés 2 és 3 dimenzióban is elvégezhet síkokon, hengereken, tengelyeken, gömbökön, stb.

28

Minos++


4.7 ábra: Mérések x x x x

Az alkatrészek könnyebb érthetsége és tanulmányozása érdekében félnézetek és részleges metszetek hozhatók létre. A felhasználó több lokális koordinátarendszert is létrehozhat és dolgozhat bennük. A specializált funkciók lehetvé teszik a modellek könny orientációját. További formátumok lehetvé teszik a létrehozott STL fájlok méretének csökkentését.

Az STL fájlok hatékony kezelése Egy intelligens és nagyon hatékony kezel eszköz lehetvé teszi, hogy közvetlenül az STL modellbe tervezzünk: A modellek feliratozásakor bármely Windows True Type bettípust felhasználhatjuk, tetszleges méretben a modell tetszleges felületén. Az információt (pl. sorozatszám) az alkatrészen bevéshetjük vagy dombornyomhatjuk.

4.8 ábra: Felirat a modellen A modell színezése szintén nem probléma. A felületekhez vagy egyes háromszögekhez a színt kézzel vagy automatikusan is hozzáadhatjuk; *.bmp ábrákat is felvihetünk.

29

Minos++


4.9 ábra: Egyes elemek színezése Az alkatrészeket elvághatjuk, vagy kilyukaszthatjuk. Ez lehetvé teszi a nagyobb méret modellek több részben való létrehozását. Annak érdekében, hogy a késbbi ragasztás érdekében jobb legyen az érintkezés a kivágott alkatrész felületei között, használjuk az összetett vágási lehetséget („advanced cutting”)

4.10 ábra: Az alkatrész szétvágása lehetvé teszi, hogy azt az RP gép munkaterére vonatkoztatva rendezzük el A retroverzió lehetvé teszi, hogy egy burkot tömör testté töltsünk ki, vagy extra anyagot adjunk hozzá a lehetséges utómegmunkáláshoz, festéshez, homokfúváshoz, stb. Bool-féle mveletek is rendelkezésre állnak: az STL modellben hozzáadással vagy kivonással térfogategységeket adhatunk hozzá, vagy távolíthatunk el a modellünkrl. A legösszetettebb alakú alkatrész is üregessé tehet. Az ilyen alkatrészeket nem csak gyorsabban lehet felépíteni, de ezekben az esetekben a gyártási folyamat során kisebb a bels feszültségek kialakulásának lehetsége is, és ez a megoldás kimondottan anyagtakarékos.

4.11 ábra: A burok modell anyagtakarékos megoldás

30

Minos++


Szkennelt adatok kezelése és feldolgozása A 3D szkennerek által készített pontfelht nagyméret STL fájllá alakíthatjuk. Következ lépésként a háromszögek mennyiségének csökkentésére használt speciális eszköznek köszönheten az adatállomány méretének csökkenése következtében az adattárolás nagymértékben egyszersül. A 3D szkennerek adatainak felhasználásával készült STL fájlok készítésekor gyakran interferenciák lépnek fel. A simítási (smooth) lehetségnek köszönheten ezeket a defekteket ki lehet küszöbölni, így a felületek minsége nagymértékben javul.

4.12 ábra: Felület simítása 4.2

Az STL fájlok javítása

Vizualizáció Az STL fájlokban fellép hibákat kiemel vizualizációs eszközök megkönnyítik azok behatárolását, így felismerhetjük a rossz irányba mutató normál vektorral rendelkez háromszögeket, hibás éleket, lyukakat, stb. A felhasználó zökkenmentesen felismerheti a hibák helyét. Hasonlóan, lehetség van az STL fájl részletes elemzésére is, ehhez elég ellenrizni a tulajdonságokat: itt találjuk a dimenziókra vonatkozó információt, a hálóban található háromszögek számát, a hibák számát, a térfogatot, stb. Automatikus javítás Az intelligens algoritmusok alkalmazásának köszönheten az STL fájlokban szükséges legtöbb javítás automatikusan is kivitelezhet, ami komoly idbeli megtakarítással jár. A fordított háromszögek, melyek normál vektora a rossz irányba mutat automatikusan kijavíthatók. A program beállítja a modell küls és bels részeit, majd egyenként ellenrzi, vajon az irányok megegyeznek-e a leírással. Ha eltérést tapasztal, megfordítja a normál vektor irányát.

31

Minos++


Hibás élek – amelyeket a háromszögek között elhelyezked lyukak okoznak – automatikusan „megvarrhatók”. Elég rámutatnunk a lyuk helyére, és a program megfoltozza anélkül, hogy vesztenénk a pontosságból. Az automatikus háromszögelés és foltozás jelents idmegtakarítást jelent. Még komplex kontúrok által határolt lyukakat is könnyen befoltozhatunk az erre kifejlesztett eszköz segítségével. Ez a funkció a lyukat annak alakjának approximálásával az azt körülvev síkhoz képest tölti ki. A felhasználói követelményeknek megfelelen a program képes megtalálni a duplikált felületeket és háromszögeket is. Kezelés és feldolgozás A hibás modell kézi javítására is van lehetség. Egy adott, kiválasztott háromszöget törölhetünk, a normál vektorokat megfordíthatjuk, vagy új háromszögeket is létrehozhatunk. A program Bool-féle mveletek elvégzését is lehetvé teszi, de mód van különálló modellek vagy alkatrészek összekapcsolására is, vagy a kijelölt pontok alapján a kilógó felületeket a modell széle mentén le vághatjuk. 4.3

Támasztékok létrehozása

A sztereólitográfiás vagy fémporokból történ szinterelés esetén a támasztékok létrehozása kulcsfontosságú mvelet a modell megfelel felépítése szempontjából. Ezekre a támasztékokra a modell stabilitásnak és a létrehozott elemek helyben tartásának biztosítása érdekében van szükség. A szoftver e funkciója lehetvé teszi a támasztékok gyors és egyszer létrehozását, majd késbbi szerkesztését is. A gyors prototípusgyártásban a megbízhatóság, az alkatrészek sértetlensége és a támasztékok egyszer eltávolíthatósága kulcs fontosságú faktorok. A támasztékgenerátor (support generator) funkció automatikusan létrehozza a szükséges támasztékokat a modellhez. A szoftver elemzi a modell felületeit és azonosítja azokat, amelyek estén támasztékokra van szükség, majd a felület geometriájának függvényében létre is hozza az optimális megoldást. Az egész folyamat a felhasználó által megadott paramétereken alapul, amelyek lehetvé teszik a program pontos vezérelhetségét. Még a legösszetettebb támasztékok szerkezetének megtervezése sem igényel kiemelked mérnöki képességet. A támasztékok létrehozási idejének csökkenésével n a tényleges munka hatékonysága is. Az automatizálás magas foka ellenére nagymérv egyéni beavatkozásra van lehetség. Minden automatikusan létrehozott támaszték a felhasználó igényeinek, követelményeinek vagy elvárásainak megfelelen módosítható. A kifinomult vizualizációs funkciók lehetvé teszik minden egyes hely vizsgálatát és elemzését. Az adott tetszleges támaszték szerkezetet nehézség nélkül változtathatjuk meg, és alakíthatjuk igényeinknek jobban megfelelvé. A szoftver azt is lehetvé teszi, hogy a támasztékszerkezeteket fogakkal lássuk el, így korlátozva érintkezésüket az alkatrész felületével. A fogak létrehozása késbb nagyban megkönnyíti a támasztékok eltávolítását is, és javítja a felület minségét.

32

Minos++


4.13 ábra: A támasztékok fogazata nagyban megkönnyíti késbbi leválasztásukat A támasztékok valamint a gyanta-„csepegés” eltávolításának megkönnyítésére további lehetség a perforált támasztékszerkezet. A perforáció anyagtakarékos, lerövidíti a felépítés idejét és megkönnyíti a modellrl való eltávolítást.

4.14 ábra: Perforált támaszték

Merevít támasztékok létrehozása Ez a funkció olyan eszközök számára lett létrehozva, amelyek por állagú anyagokkal (fém, kerámia, gipsz, stb.) dolgoznak. Az ilyen technológiák esetén a támasztékokra a létrehozott elemek eltávolítása során és a kezdeti rétegek létrehozásakor a merevítés érdekében van szükség azért, hogy a késbbi rétegek felépítésekor a korábban felépített rétegek és a kilógó elemek merevíti ne szenvedjenek kárt.

33

Minos++


5

Gyors prototípusgyártás - Rapid Prototyping (RP)

A gyors prototípusgyártási technológiákat - RP rendszerek segítségével fizikai darabok létrehozásához használjuk, mégpedig közvetlenül x CAD 3D rendszerek segítségével definiált matematikai modellekbl, x létez modellek letapogatásából nyert adathalmazból (fordított mérnöki tevékenységbl (reverse engineering)) A módszerek mind hasonlóak, alapjuk pedig az additív (hulladékmentes) modell-elállítás. Ezek a módszerek alapjaikban különböznek a fizikai darabok létrehozásának klasszikus módszereitl (esztergálás, marás, stb.), hiszen ezen esetén a darabok kialakítása az anyag fizikai eltávolításával jár (azaz hulladék keletkezik). Az RP technikákkal készül darabok létrehozása, ahol az egymást követ rétegek pontosan megfelelnek a modell metszetének az adott síkban, a rétegelt anyaghozzáadási technikán alapul. Az RP eljárásokkal készült darabokat a mérnökök, menedzserek és vevk kézbe fogva értékelhetik, elemezhetik. A mérnökök feladata a konstrukciós megoldások értékelése és a lehetséges nehézségek felismerése, mieltt a tömeggyártásra szolgáló szerszámok elkészülnek, miközben a menedzserek vizuálisan és esztétikailag értékelhetik a munkadarabot. Végül, de nem utolsó sorban a vev dönti el, hogy a jövbeni termék megfelel-e az elvárásainak. A prototipikus modellek célja, hogy els fáradási, biztonsági, szerelési, szállítási stb. teszteket elvégezhessünk. Ezek a modellek nem csak látványos eladási fogásként szolgálnak, hanem megkönnyítik az emberek dolgát, akik így jobban el tudják képzelni a darabot, mint egy 2D rajz alapján. A pontosabb elképzelés pedig pénz- és idbeli megtakarítást is eredményez. A gyors prototípusgyártást számos iparág alkalmazza, a területek száma pedig napi szinten növekszik. Ezt különösen az autóiparban megfigyelhet, ahol a prototípusok mintegy 25%-a ilyen eljárással készül.

34

Minos++


5.1 ábra: A gyors prototípusgyártási eljárások alkalmazási területei [1] A gyors prototípusgyártási eljárások fölényét az alábbi három termékfejlesztési folyamat összehasonlításában is megfigyelhetjük: x Hagyományos, x Egyidej mérnöki tervezés (Concurrent Engineering – CE) x Egyidej mérnöki tervezés gyors tervezési módban (Concurrent Engineering in Rapid Engineering mode – RENG) A hagyományos tervezés során a prototípus a termékfejlesztés egyik utolsó lépéseként készül el, azután, hogy a megoldásokat kidolgozták, az anyagokat kiválasztották és a végs verzió kiválasztásához szükséges elemzéseket elvégezték. Az ilyen prototípus általában már a végs termék képe, amelyet ezután funkcionális elemzéseknek vetnek alá, amelyektl a lehetséges mszaki és technológiai javítások felismerését remélik.

5.2 ábra: Prototípus készítése hagyományos eljárások esetén [1]

35

Minos++


Egyidej mérnöki tervezés (Concurrent Engineering – CE) segítségével tervezett termékek esetén az els prototípus létrehozása nem jár semmiféle speciális dologgal. Ebben az esetben a tervezési fázisban mindössze idt takarítunk meg, mivel a termék fejlesztését CAx rendszerek integrált hálózati környezetében interdiszciplináris csapatok végzik, szimultán dolgozva. A terméket egyidejleg tervezik a konstruktrök, a technológusok, és a gyártási folyamattervezk. A tervezi csapat munkája feladatalapú, és az elre meghatározott tervezési kivitelezési menetrend szerint zajlik. Az ilyen csapat felels a tervezési dokumentációban szükséges változások és javítások kezelésért is. Az els prototípust - a hagyományos tervezéshez hasonlóan - a végs megoldás kiválasztása után készítik el.

5.3 ábra: Prototípus készítése egyidej mérnöki tervezés esetén [1] A gyors tervezés (Egyidej mérnöki tervezés gyors tervezési módon (Concurrent Engineering in Rapid Engineering mode – RENG)) lehetvé teszi a tervezmérnök számára, hogy különböz fizikai modelleket hozzon létre, amelyek a szükség szerinti prototipikus jellemzkkel rendelkeznek. A tervezés ilyetén módja lehetvé teszi, hogy a termékfejlesztés minden fázisában készüljön prototípus, kezdve az ötlet és koncepció kialakulásától a konverziókon át egészen a végs megoldás kialakulásáig. A prototípus elállításának feltétele mindössze egy 3D CAD virtuális geometriai modell létrehozása.

5.4 ábra: Prototípus készítése egyidej mérnöki gyors tervezés esetén [1]

36

Minos++


Jelenleg a prototípusok elállításakor használt módszereket a modell elállítására, a kivitelezés pontosságára, a felhasznált anyagok halmazállapotára és végül a modell felhasználására való tekintettel lehet csoportosítani. A modelleket az alkalmazásaik alapján is feloszthatjuk: x x

x

Azok, amelyek nagy vonalakban visszaadják a késztermék alakját és elssorban az alak vagy méret verifikációjára szolgálnak. Funkcionálisak – amelyek néhány paramétere hozzávetlegesen vagy pontosan megegyezik a végtermék adott paramétereivel, és így lehetvé teszik a termék egy adott tulajdonságának bemutatását. RP módszerekkel gyártott kész elemek, mint minta sorozat, amely a termékre jellemz minden paraméterrel rendelkezik.

Amikor meghatározzuk a modellünk alkalmazásait, ki kell választanunk az egyik rendelkezésre álló módszert, és meg kell határoznunk az alapanyagot (manyag, papír, fém, kerámia), a méreteket, a kivitelezés pontosságát, a modell felépítését és a gyártási költséget is.

5.5 ábra: Az RP eljárások felosztása az alkalmazott módszerek és alapanyagok alapján [1]

37

Minos++


5.6 ábra: Az RP eljárások felosztása az alkalmazott modell konstrukciós alapján [1]

Minden RP eljárás közös vonása, hogy modell/minta darabok és prototípusok tekintetében gyorsan és költséghatékonyan mködnek, ezen felül pedig közvetlenül a CAD adatok alapján állítják el a darabot, különböz szerszámok és öntformák nélkül. A gyors prototípusgyártás két típusát különböztetjük meg: x

x

Konstrukciós manyag rétegelt növesztése, amely a CAD 3D modell geometriai formáját fizikai darabként adja vissza. Ebbe az osztályba tartozik minden olyan RP eljárás, amely specializált polimerizált anyagok szinterelésén, olvasztásán vagy ragasztásán alapul. A továbbiakban ezeket az eljárásokat nevezzük RP (gyors prototípusgyártási) eljárásoknak. Konstrukciós manyag rétegelt eltávolítása, amelyet gyakran hulladékot eredményez megmunkálási eljárások (vágás, elektromos erodálás, stb.) segítségével állítanak el. A nagy sebesség marógépek (HSM – High Speed Milling) megmunkáló szerszámaihoz használt modern szerszámalapanyagoknak, megmunkálási technológiáknak és konstrukciós megoldások alkalmazásának köszönheten nagyfokú hatékonyság és nagyon pontos fém- valamint más anyagok megmunkálása érhet el. Az így elállított darabok lehetnek mintajelleg prototípusok, manyagok alakítására szolgáló eszközök vagy öntvényformák.

Az RP eljárásokat sokszor társítják az RT (Rapid Tooling – gyors szerszámgyártás) eljárásokkal. Az RP eljárásokhoz hasonlóan itt is számtalan

38

Minos++


gyártási és alkalmazási módszer vagy eljárás különböztethet meg. Mi több, a fent említett eljárások a további termékfejlesztést is szolgálják (a késztermék RP eljárással elállított modell darabja tulajdonságainak kijelölését, mint például: a megfelel anyag, szín, textúra, stb. meghatározását), valamint alkalmasak új, kis szériás darabok elállításhoz szükséges szerszámok elkészítésére is. Az így gyártott darabokat általában a piackutatásban vagy különböz vásárokon és kiállításokon használják, és képezhetik szerzi jogvédelem alapját is. A tömeggyártás csak azután indulhat, ha a piac és a különböz tanúsító intézmények elfogadták a terméket.

5.7 ábra: Prototipikus modell elállítási idejének és költségének összehasonlítása RP és RM-HSM módszerek alkalmazása esetén [1] Az RP (gyors prototípusgyártás) kifejezést tehát általánosságban a különböz komplexitási szinttel bíró alkatrészek és prototípusok rétegelt létrehozására alkalmazzuk. Ugyanazon az alapelven számos technológia mködik. A CAD 3D-ben létrehozott darab háromdimenziós geometriai modelljét rétegekre osztjuk, amely így kétdimenziós, könnyen feldolgozható struktúrák rendszerére redukálódik. Az RP eljárások nagy többsége esetén az alapanyagot lézersugár segítségével pontszeren szilárdítjuk meg (fotokémiai eljárások). Ezt a folyamatot ismételjük minden létrehozandó réteg esetén. A gyors prototípusgyártás alternatíváját képezik azok az eljárások, ahol a rétegek körvonalát lézerrel kivágják, vagy a por halmazállapotú alapanyagot valamilyen kötanyag segítségével kapcsolják egybe. Jelenleg a következ anyagokat lehet RP eljárások segítségével megmunkálni: fotopolimerek, viasz, manyagok, nylon, kerámiák, fához hasonló anyagok, papír vagy fémpor. Az eljárások nagy részére jellemz az is, hogy - ellentétben a hagyományos megmunkáló eljárásokkal - a darab alakja nem anyag eltávolításával alakul ki, hanem az anyag rétegeinek egymásra való felépítésével alakul ki. Ennek következtében komplex alakú darabokat is rövid id, akár néhány óra alatt állíthatunk el. Szükséges feltétel, és egyidejleg minden RP eljárás alkalmazásának kiinduló pontja az elállítandó darab teljes háromdimenziós geometriai leírásának elkészítése. Ideális esetben a modell egy tömör test modell

39

Minos++


(solid model), de speciális RP programozói eszközök segítségével lehetség van a felületi modellek feldolgozására is. A darab CAD leírása után következik a háromszögháló létrehozása, így a geometriát át tudjuk konvertálni az RP folyamatok estén használatos adatcsere szabványnak megfelel formátumba (*.stl). A húrmagasság (chord height) és szögkontroll (angle control) paraméterek kiemelt fontosságúak a háromszögelés szempontjából, mivel nagyban befolyásolják az elkészül darab minségét. A húrmagasság (chord height) paraméter segítségével a húrhiba maximálisan megengedett mértékét állítjuk be, a szögkontroll (angle control) paraméter a két háromszög között megengedett legnagyobb szöget adja meg. Végül a darab *.stl adatai ismét feldolgozásra kerülnek, mégpedig oly módon, hogy a 3D geometriát adott vastagságú metszetekre bontjuk. Ebbl áll el az SLI formátum. A rétegek vastagsága általában 0,1-0,2 mm.

5.8 ábra: CAD 3D modell (a), annak *.stl formátumú modellje (b), a fizikai modell sztereólitográfiás eljáráshoz (c) és a késztermék (d) Bizonyos eljárások, így például a sztereólitográfia, támasztékok kialakítását igénylik, amelyek biztosítják, hogy az elkészült darabot ki tudjuk venni a berendezés munkaterébl, valamint amelyek a készül munkadarabot megóvják a munkafolyamat során esetlegesen fellép deformációtól is. Az eljárások nagy része esetén a jó minség termék elállításához utómegmunkálásra is szükség van. A következ táblázat a gyors prototípusgyártás elnyeit és hátrányait sorakoztatja fel.

40

Minos++


x x x

x

x

1. táblázat: Az RP eljárások fbb elnyei és hátulüti Elnyök Hátrányok fizikai modellek gyors elállítá- x a darab mérete korlátozott, sa, x korlátozott különböz alapanyagtípus áll rendelkezésre, a modell darab már a konstrukciós eljárás értékelése során is x a darabok a mechanikai köveelérhet, telményeknek csak bizonyos korlátok között felelnek meg, az eljárások különösen ajánlottak az alábbi esetekben: x korlátozott pontosság (kb. +/1. komplex geometriájú mun0,1 mm), miközben a felület kadarabok (elssorban belminségét a kivitelezési techs felületek esetén) nika határozza meg, 2. szabad formájú felületek x gyakran szükség van egy fiesetén nom utómegmunkálásra. megvalósítás alacsony költsége más eljárásokkal szemben (forgácsolás, marás, stb.), különösen kis darabszám esetén a folyamatok teljes láncolata során lehetség van a különböz módszerek alkalmazására (Rapid Engineering)

5.1

Sztereólitográfia (SLA, SL)

A sztereólitográfia a legrégebbi és a leginkább közismert gyors prototípusgyártási eljárás. 1987-ben az amerikai 3D Systems vállalat fejlesztette ki. A technológia lényege, hogy háromdimenziós prototípusmodelleket készíthetünk CAD rendszer, RE technikák vagy számítógépes tomográfia segítségével. A módszer az epoxi vagy akril gyanta réteges megszilárdításán alapszik, amelyhez mindössze nagyon kis lézerenergia szükséges. Az SLA eljárás els fázisa a geometriai modell létrehozása CAD 3D-ben, majd ezt a modellt *.stl állománnyá alakítjuk át (szintén a CAD program segítségével). Az *.stl modellt ezután vékony, 0,3-0,1mm-es rétegekre osztjuk az SLA eszköz programozásakor. A rétegek mérete a beállított pontosságtól / modellezési toleranciától és a lézer teljesítményétl függ [13]. Ezek a rétegek képezik a sztereólitográfiás berendezést vezérl fájlok elállításának alapját. A modell elkészítésekor a lézersugár a folyékony, fényre szilárduló gyanta felületén mozog az adott réteg körvonalának megfelelen. Ez motoros, vezérelt szkenner tükrök segítségével valósítható meg. A vezérlés a CAD modell alapján történik. Az ultraibolya fény által besugárzott területeken a folyékony anyagban fotopolimerizáció, más szóval fényre szilárdulás játszódik le. Az els réteg közvetlenül a folya-

41

Minos++


dékba merített munkafelületen készül, majd ez a munkafelület a beállított rétegvastagságnak megfelel távolságnyit süllyed. Ebben a pillanatban a gyanta ellepi az addig elkészült és leeresztett modellt, helyet adva a következ réteg felépítéshez. A gyanta azonban sr és ragacsos állagú, így az egyenletes felület elállítása érdekében egy speciális kaparó halad végig a felületen, eltávolítva a felületi egyenetlenségeket.

5.9 ábra: A sztereólitográfia mködési elve [25] Ezt követen a gép kiszilárdítja a következ réteget. Minden réteget az elz felületén hozunk létre, így végül egy szilárd testet kapunk. Ha a darabunk kiugró, kiálló részekkel is rendelkezik, az SLA eljárás során támasztékokra is szükség van, ha el akarjuk kerülni a lehetséges deformációt. A támasztékok alkalmazása nagyon is gyakori, így a prototípus gyártása eltt figyelembe kell vennünk, mennyi idre lesz szükség ezek kialakításához. A prototípus legyártása után a támasztékokat eltávolítjuk, a munkadarabot megtisztítjuk a meg nem szilárdult polimertl, majd a darabot egy speciális kamrában UV fény segítségével kikeményítjük. A sztereólitográfiás prototípusgyártás több fázisban is történhet. Az els fázis a geometriai modell létrehozása egy CAD 3D program segítségével. Ezt a modellt ezután a szükséges pontossággal *.stl formátumra konvertáljuk, majd egy speciális program segítségével a gyártógép számára alkalmas formátumra hozzuk (gyártás-elkészítés).

42

Minos++


5.10 ábra: Támasztékok Ezt követen az alábbiakat kell elvégezni: x x x

az *.stl formátumú adatállomány megfelelségének ellenrzése, a modell orientálása, a támasztékok létrehozása (ha szükséges), a berendezést vezérl fájlok létrehozása.

A modell létrehozása után következik a finommegmunkálás. Ide tartozik a folyékony gyanta eltávolítása, a végs kikeményítés és végs megmunkálás is, például a csiszolás, polírozás, festés, stb. 5.2

Szelektív lézer szinterelés / olvasztás – SLS/SLM (Selective Laser Sintering/Melting)

Az SLS eljárást az Egyesült Államokban, az austini egyetemen dolgozták ki. Az eljárás alapja az egymást követ por állagú alapanyagrétegek adott helyen történ lézersugaras megszilárdítása.

5.11 ábra: Az SLS eljárás mködési elve [13]

43

Minos++


5.12 ábra: Az SLS eljárás lényege A szelektív lézeres szinterelés – SLS (Selective Laser Sintering) az RP eljárások egy másik változata. Itt a por állagú alapanyagot rétegenként hordjuk fel a munkafelületre, majd az adott rétegen a munkadarab körvonalának megfelel helyeken lézersugár segítségével szilárdítjuk meg. Az eljárás alapelve tehát sokban hasonlít az SLA folyamatra, azonban hre szilárduló gyanta helyett por állagú, könnyen olvasztható és szinterelhet anyagot alkalmazunk. A munkatérben egy felviv henger segítségével a por vékony (általában 0,02 - 0,2 mm vastagságú) rétegét helyezzük el a ztengely mentén mozgatható hengeres platformon. Ezt követen egy relatív nagy teljesítmény, az x-y síkon vezérelt szkennel lézersugár a program által meghatározott helyeken szelektíven megolvasztja az anyagot [7]. Az ilyen típusú prototípusgyártás esetén, ellentétben az SLA eljárással, nincs szükség támasztékok létrehozására, mivel a meg nem olvasztott por alátámasztja a kiugró részeket. Bizonyos, kvázi-támasztékokat csak olyan esetekben használunk, amikor „felállványozzuk” a darabot, hogy elkerüljük a károsodást, amit annak elmozdulása okozhat, vagy ha a korábbi rétegeket akarjuk megvédeni. A gyártási folyamat befejezése után, amint a modell és az alapanyag hmérséklete csökkent, megtisztíthatjuk a darabot, amely ekkor már további utómegmunkálás nélkül azonnal használatra kész. Olyan esetekben, amikor a követelmények nagyon specifikus felületi paramétereket írnak el, a modellt hulladékkal járó megmunkálásnak is alávethetjük. Az egész folyamatot egy programszegmens vezérli, amelynek egy a CAD rendszerben létrehozott *.stl formátumú testmodellre (solid model) van szüksége. A lézeres szinterelés területén alkalmazott bizonyos eszközök a piacon elérhet anyagokkal dolgoznak. Ilyenek a következk:

44

Minos++


5.2.1

MCP Realizer II – az MCP – HEK vállalat berendezése

Az MCP Realizer II egy SLM (Selective Laser Melting: szelektív lézeres olvasztás) módszert [21] alkalmazó berendezés, amely szinte tetszleges fémporból, pl. titánból, rozsdamentes acélból, Co-Cr ötvözetbl, nagyon pontos modellt hoz létre. A létrehozott modellek homogén szerkezetek és srségük az elvárások függvényében akár a 100%-ot is elérheti. Ennek köszönheten nincs szükség folyamatelkészít tevékenységre (hevítés, infiltráció). A darab felépítésének folyamata nagy felbontású, teljesen automatizált és a darab felépítése alacsony hmérsékleten zajlik.

5.13 ábra: MCP Realizer II – az MCP – HEK vállalat berendezése 5.2.2

EOSINT M 270 – az EOS vállalat RP berendezése

Az EOSINT M270 a DMLS (Direct Metal Laser-Sintering: direkt fém lézerszinterelés) [17] módszert alkalmazza. Ez az eljárás a fémport lokális olvasztással alakítja szilárd halmazállapotúvá, mégpedig egy fókuszált lézersugár alkalmazásával. Mint minden RP eljárás esetén, a darab itt is rétegrl rétegre készül. A teljes folyamatautomatizálásnak köszönheten CAD 3D adatok alapján a legbonyolultabb geometriájú darab is néhány óra alatt felépíthet. Az eredmény nagy pontosságú, jó a felületek minsége és tökéletes mechanikai paraméterekkel rendelkezik. Az alapanyagok széles skálája használható, az ötvözetektl az acélon át a kompozit anyagokig.

45

Minos++


5.14 ábra: EOSINT M270 – az EOS vállalat RP berendezése Alkatrészek elállítása a DirectPart-ban Az EOSINT M270-et széles körben alkalmazzák pozitív munkadarabok elállítására CAD 3D adatokból. Ezt az alkalmazást nevezik DirectPartnak. A komponensek készülhetnek prototípusnak, gyártási sorozatnak vagy tartalék alkatrésznek. Ennek az alkalmazásnak köszönheten egy nap alatt egy teljesen funkcionális fém prototípust készíthetünk, vagy akár több száz biokompatibilis ötvözetbl készül, egyéni implantátumot is elállíthatunk. Szerszámok elállítása a DirectTool-ban A szerszámok elállítására szolgáló alkalmazás neve DirectTool. A nagy felületi pontosságú, és jó minség EOSINT M270 ideális az ilyen típusú feladatra. A negatív szerszám egy éjszaka, de lehet, hogy néhány óra alatt is elkészül, ezért nagyfokú tervezi szabadságot biztosít, és igen komplex formák (pl. szögtartó csövek fröccsöntéshez) sem okoznak gondot. A DirectTool fleg a manyagmegmunkálás területén ismert, de más szerszámok esetén is jól használható. 5.2.3

M3 Linear – a Concept Laser vállalat berendezése

Az M3 Linear egy moduláris lézerrendszer (Modular Laser Processing System) [16]. A prototípusmodellek elállítása mellett ez a berendezés erozív megmunkálásra és a darab feliratozására is alkalmas.

46

Minos++


5.15 ábra: M3 Linear – a Concept Laser vállalat berendezése Modul 1 – LaserCURING (lézeres olvasztás) Ez a modul fémporból homogén munkadarabot hoz létre, a rétegenkénti felépítéshez pedig alapanyagként a fémek széles skálája felhasználható (pl. rozsdamentes vagy szerszámacél). Ekkor a fémport rétegenként addig olvasztjuk, amíg el nem érjük a 100%os srséget. Ez a speciálisan erre a célra kidolgozott besugárzási stratégia lehetvé teszi a nagyméret darabok torzulás nélküli elállítását. A szabadalmaztatott felületi utómegmunkálás, amelyet közvetlenül a folyamatot követen kell elvégezni biztosítja, hogy a felület minsége és keménysége kiemelked. 2 – 3D Eróziós modul Ez a modul az erozív megmunkálásra alkalmas, mégpedig bármely típusú szabad felületen. A szoftverrel integrált érzékelnek köszönheten az erozív megmunkálás srsége befolyásolható. Az ilyen megmunkálás alternatívája lehet a marásnak – mégpedig komplex programok vagy elektródák nélkül. Modul 3 – Jelölés Ez a modul a manyag vagy fém munkadarabok feliratozására, jelölésére szolgál. A modul az igényektl függen testre szabható. Elnyök: x Id- és pénzbeli megtakarítás. A három fent említett technológia nemcsak szerszámok és formák elállítására alkalmas, hanem prototípusgyártásra is. x Egy lézert használunk három különböz eljárásra, ez is megtakarítást jelent. x A technológia nagyon rugalmas. A modulok között gyorsan, mindössze néhány perc alatt válthatunk.

47

Minos++


x x x

A szkennelés kis hatósugarának köszönheten maximális pontosság és minség érhet el, miközben a szkennel fejet az épül darab felett soros motorok pozícionálják. A lézeres megmunkálás következtében a srség 100%-os, amelyet a szabadalmaztatott besugárzási rendszer biztosít. Az erozív megmunkálás szabad felületeken is elvégezhet. A szoftverrel integrált érzékel méri a már elvégzett erozív megmunkálás srségét. Az erózió alaktól függetlenül bármely felületen elvégezhet.

5.2.4

TrumaForm LF 250 – a TRUMPF vállalat berendezése

A DLF - Direct Laser Forming [26], azaz a direkt lézeres megmunkálás alapja a fémpor megolvasztása, majd ebbl további kötanyag nélkül homogén fém szerkezet létrehozása. A számítógépes CAD modellbl bármely geometriai alakzat felépíthet. A DLF eljárással olyan befecskendez formákat és szerszámokat is létrehozhatunk, amelyeket hagyományos megmunkálási eljárásokkal lehetetlen, de legalábbis nagyon nehéz lenne elkészíteni. A DLF technológia már a gyártáskor lehetvé teszi a közvetlenül a felszín alatt elhelyezked htjáratok kialakítását, a létrehozott darabok könnyek, rendelkeznek minden funkcionális részlettel, és nem utolsó sorban anyagtakarékosak. Az LF TrumaForm kétkamrás kialakítása nagyfokú sokoldalúságot tesz lehetvé. Az els kamra hlése alatt a második kamra már újabb darabon dolgozhat, szükség szerint akár más fémpor alkalmazásával.

5.16 ábra: TrumaForm LF 250 – a TRUMPF vállalat berendezése 5.2.5

EBM S12 – az ARCAM vállalat berendezése

Elektronsugaras olvasztás - Electron Beam Melting, EBM Az Arcam EBM S12 lehetvé teszi a szabad formák létrehozását (FFF – free form fabrication), azaz különböz alakú darabok létrehozását közvetlenül a CAD adatok alapján, fémporból [12]. A rendszer egyedülálló geo-

48

Minos++


metriai lehetségeket kínál a fémporból történ munkadarab-kialakítás területén. Az Arcam EBM S12 rendszer az Arcam CAD technológián alapul, amelynek alapötlete a „CAD-bl fémmé” módszer, azaz a rétegelt modellek elállítása fémporból. Az egyes rétegeket ebben az esetben elektronsugár olvasztja össze pontosan a CAD rendszer által meghatározott területeken. Az elektronsugaras technológia egyik f elnye a lézersugaras technológiákkal szemben az elektronsugár energiájának nagyobb abszorpciója, mivel a lézerenergia egy része tükrözdik a fémgolyócskák felületérl. Az EBM rendszer által kibocsátott elektronok sebessége a fénysebesség fele, és ezzel a sebességgel érik el a fémport. Az EBM eljárás igen hatékony, és az alapanyag teljes felolvasztása garantált. Ezen felül a munkadarabok vákuumkamrában készülnek, az emittált elektronsugár közvetlenül éri el a fémport, így a folyamat tisztasága is garantált, amely a darab jó minségében nyilvánul meg. Mivel a vákuum jó hszigetelést biztosít, a folyamat igen stabil, a munkadarab hegyensúlya pedig jól kontrollálható. Az Arcam EBM S12 tehát lehetvé teszi a tömör és jó mechanikai tulajdonságokkal bíró, funkcionális fém munkadarabok közvetlen elállítását. A darabok utómegmunkálása hagyományos módon történik, például marás, esztergálás, csiszolás, stb. segítségével.

5.17 ábra: EBM S12 – az ARCAM vállalat berendezése 5.2.6

Szinterizációs HiQ rendszer – a 3D SYSTEMS berendezése

Szelektív lézeres szinterelés - Selective Laser Sintering, SLS A szelektív lézeres szinterelés - Selective Laser Sintering, SLS – alapja a polimerikus kötanyaggal bevont szemcsék lézeres összeolvasztása [11].

49

Minos++


Mivel itt nem teljesmérték olvasztásról van szó, e folyamat sebessége sokszorosa a fent leírt eljárásokénak. F hátulütje azonban, hogy a munkadarab felépítése után a kötanyag eltávolítása érdekében utómegmunkálást kell végezni, majd az elkészült darabot infiltrálni kell (pl. bronzzal), ami további 2-3 napot vesz igénybe.

5.18 ábra: HiQ Szinterizációs Rendszer – a 3D SYSTEMS berendezése 5.3

Rétegelt darabgyártás - Laminated Object Manufacturing, LOM

A LOM rövidítés az angol Laminated Object Manufacturing-bl származik, azaz a rétegelt darabgyártásra utal. Az eljárást az amerikai Helisys vállalat dolgozta ki, és a munkadarabok rétegrl rétegre történ felépítésén alapszik. Az eljárás során egy adott alapanyag számtalan fóliavékonyságú rétegét helyezzük egymásra, amelyeket egy ftött henger segítségével ragasztunk („vasalunk”) össze. A bemeneti nyersanyagot letekerhetjük a görgrl, de ívekben is rendelkezésre állhat. Az új réteg alját ragasztjuk az elz réteg tetejéhez, miközben az els réteg egy sima felületen helyezkedik el, majd az adott réteget a felépítend termék megfelel keresztmetszetének megfelel alakra vágjuk, általában lézerrel, bár vannak olyan eljárás-variációk is, ahol ezt egy numerikusan vezérelt vágóél hajtja végre (SAHP). Az alak kivágása után az épül munkadarab egy rétegnyit lesülylyed, majd egy új réteget helyezünk a tetejére, amelyet a ftött henger segítségével az elz rétegre nyomunk, majd ezt a réteget is alakra vágjuk. Ez a ciklus ismétldik, amíg el nem készül a munkadarab. A maradék, a munkadarab kerületén kívül es anyagot beirdaljuk, így ez a munkadarab elkészülte után könnyebben eltávolítható. A munkadarab felépülése során ez a küls anyagmennyiség támasztékot alkot. A fóliarétegek ragasztása történhet a teljes felületen (akár a lézeres vágás eltt is), vagy csak a munkadarab keresztmetszetének megfelel területen. A ragasztót a lézersugár vagy a ftött henger hje aktiválja. Alkal-

50

Minos++


mazhatjuk az átlátszó fólia maszkolásának technikáját is. Ekkor a soron következ fóliaréteg eddigi munkadarabra való préselésekor, amelyet egy üveglappal kivitelezünk UV fény behatása közben, a fólián a ragasztó azokon a helyeken aktiválódik, amelyek kívül esnek a maszk területén. Ebben az esetben UV-fényre érzékeny ragasztó szükséges.

5.19 ábra: A LOM eljárás mködési elve [13] A LOM f elnye, hogy a legkülönbözbb alapanyagok esetén is alkalmazható. Használhatunk papírt (cellulózt), fémeket, manyagot, szintetikus és kompozit anyagokat. Papír rétegek összepréselésekor UV-fényre vagy a ftött henger hjére aktiválódó ragasztót alkalmazunk. Kerámiák esetén préselést, hevítést és reaktív szintereléses eljárásokat használunk. A fémek egyes rétegeit lézeres ponthegesztéssel, autogénhegesztéssel vagy keményforrasztással köthetjük össze. A mechanikai szerelés mellett a fent felsorolt eljárások kombinációja is alkalmazható. A LOM nagyon olcsó eljárás, így ennek köszönheten nagyméret munkarabok is készíthetk. Gyenge pontja azonban, hogy a maradék hulladék anyagot nehéz eltávolítani, különösen a bels vájatokból, mivel az anyag megkeményedik. Ugyanez a folyadék vagy por alapanyagokkal dolgozó eljárások esetén (pl. SLA) sokkal könnyebben kivitelezhet. A LOM-mal elállított munkadarabok pontossága az X-Y síkban összehasonlítható a más RP eljárásokkal elállított darabok pontosságával, azonban a Z-tengely mentén csökken a pontosság, mivel a modell ebbe az irányba épül. Ennek oka a munkadarab felépítése során alkalmazott egyenetlen vastagságú réte-

51

Minos++


gekben, a ragasztó által okozott deformációban és az épül munkadarab görgkkel történ összepréselésében keresend. A fémtáblákat felhasználó LOM eljárás segítségével manyag fröccsöntéshez használt formákat, autókarosszériák présformáit, mélyhúzáshoz használt bélyegeket, stb. hoznak létre. A papírrétegek alkalmazása lehetvé teszi, hogy az eljárást úgy nevezett „koncepciós modellezés”-ként használjuk, azaz méretre és alakra szabott koncepciós modelleket és szerszámokat készítenek [3], [6]. 5.4

Olvasztott lerakásos darabgyártás - Fused Deposition Modeling, FDM

Az FDM-et, azaz az olvasztásos lerakásos darabgyártást a Stratasys vállalat fejlesztette ki. Az eljárás lényege egy hre lágyuló manyag szál rétegenkénti felhordása. Abban az esetben, amikor az épül modellnek támasztékra van szüksége, rétegenként, a munkadarab körvonalán kívül, támasztékot is építhetünk. A hre lágyuló szálas anyag a berendezés hátoldalán egy tekercsre van felcsévélve, amit a berendezés leteker, és a fejhez továbbít, majd az anyag olvadási pontjánál 1°C-al magasabb hmérsékletre melegít így fél-folyékony állapotot érve el. Ezt a fél-folyós anyagot a gép rétegszeren teríti, ez gyorsan megszilárdul, miközben összekapcsolódik az elz réteggel, így alkotva a következ réteg alapját. A fej az X-Y síkban mozog, miközben a habszivacs alap, amelyen a darab épül, minden réteg felépítése után a Z-tengely mentén mozdul el [13].

5.20 ábra: Az FDM mködési elve [14] A létrehozott rétegek vastagsága a 0,005 - 0,8 mm tartományban mozog, miközben szélességük 0,3 – 2,5 mm között van. Az elérhet pontosság ±0,13 mm körül van. Ennél az eljárásnál leggyakrabban acrylonitryl-butadiene-styréneket, ABSt, azaz viaszt, methyl methacrylate-acrylonitryl-butadiene-styrént, MABS-t, elasztomereket, poliamidokat és más keverékeket használnak [5].

52

Minos++


Amint elkészül a munkadarab, a mechanikai tulajdonságai azonnal megfelelek, nincs szükség utómegmunkálásra vagy más kezelésre a kiszilárdításhoz, mindössze a támasztékokat kell leválasztani. 5.5

Lézeres pormegmunkáló technológiák

Ez az eljárás különbözik a fentebb leírt technikáktól, mivel itt a megfelel mennyiség port közvetlenül az épül modellre kell felvinni, és azt azonnal meg is olvasztjuk. A nagy teljesítmény lézersugár (néhány Watt-tól 20kW-ig) megolvasztja a vele koaxiálisan az adagolófejbl érkez port.

5.21 ábra: A LENS (Laser Engineered Net Shaping – lézeres alakítás) mködési elve A lézersugár közvetlenül az alapanyagot felviv fejben egy vagy több lencsén halad át, így az épül modellre már olvadt alapanyag kerül. A konstrukciós asztal (platform), amelyen a modell épül az X-Y síkban mozog a felépítend réteg keresztmetszetének megfelelen. A réteg befejeztével az adagolófej a Z-tengely mentén a rétegvastagság értékének megfelelen elmozdul. Ez a ciklus ismétldik mindaddig, amíg az egész munkadarab el nem készül. A poradagolás vagy a gravitáció, vagy egy hordozógáz segítségével történik. Ha gázt használunk, az az adagolás mellett az olvasztott anyag tisztaságát is elnyösen befolyásolja, hiszen elszigeteli a környezettl, de javul a rétegek tapadása is. A gázokat azonban olyankor is alkalmazzák, amikor a technológia nem igényelné, ilyenkor mindössze a jobb paraméterek és tulajdonságok biztosítása érdekében alkalmazzák ezt a folyamat-variánst. A módszer az alapanyagok tekintetében nagyfokú szabadságot tesz lehetvé. Használhatunk rozsdamentes acélt, rezet, alumíniumot vagy akár titánt. Az alapanyagok összetételét folytonosan és dinamikusan változtathatjuk, ha erre lenne szükség, ez pedig más technológiák esetén nem megoldható.

53

Minos++


A technológia legnagyobb erssége, hogy teljesen összeolvadt, jó metallurgiai tulajdonságú fém darabokat készíthetünk, miközben a folyamat paraméterei is ésszer tartományban mozognak. Az elkészített modell véglegesnek tekinthet, bár javasolt a mechanikai utómegmunkálás. Az ilyen modellek jó szemcseszerkezettel rendelkeznek, paramétereik pedig hasonlók, vagy néhány esetben akár jobbak is, mint a tömbanyagból készült társaiknak. A szelektív lézerszinterelés (SLS) és a hozzá hasonló eljárások az egyetlenek jelenleg a piacon, amelyek alkalmasak fém munkadarabok létrehozására közvetlenül fémporból. Ennek ellenére, a lézeres pormegmunkáló technológia (LPF) tágabb téren alkalmazható, mint az SLS család tagjai, mivel itt nincs szükség utómegmunkálásra, így ez ennek a technológiának a f és dönt elnye. Konstrukciós vagy javító munkálatok esetén is alkalmazható. 5.6

Tintasugaras nyomtatás

A tintasugaras nyomtatás (Ink Jet Printing, IJP) a rétegelt darabelállítás egy olyan eljárása, ahol az építés az IJP anyag ballisztikus cseppsugarával történik. Az alapanyag vagy a kötanyag cseppjeit a fúvóka nagyon nagy frekvenciával lövelli ki. Az ehhez az eljáráshoz tervezett berendezés két darab piezoelektromos fúvókából áll. Az egyikük adagolja a modellépítéshez szükséges alapanyagot, a másik pedig a kötanyagot. A Z-tengely mentén mozgó platformon épül a modell, amely felett egy UV-lámpa segíti a kötanyag kikeményedését. Az ilyen modellépítési folyamat alapja, hogy az alapanyag rétegenként kerül felhordásra. A rétegek vastagsága akár 16 μm is lehet. Ezt követen következik a kötanyag felvitele, amely általában valamely hre keményed gyanta. Ezt a kötanyagot a másik fúvóka a keresztmetszeti felület megfelel helyeire adagolja, majd ezt keményíti ki a lámpa által kibocsátott UV-fény. Ekkor készül el az adott réteg. Ezt követen a platform a soron következ réteg vastagságának megfelel mértékben lejjebb ereszkedik, majd a fúvókák újabb réteg alapanyagot és kötanyagot visznek fel. Az UV sugárzás kikeményíti ezt a réteget is, és egyidejleg összeköti az elz réteggel is. A modell felépítésekor ez a ciklus ismétldik rétegrl rétegre. Az építés során a kötanyag nélküli alapanyag képezi a modellépítéshez szükséges támasztékot.

54

Minos++


5.22 ábra: Tintasugaras nyomtatási modellépítés elve [24] Az IJP módszerrel olyan manyag modelleket hozhatunk létre, amelyeket koncepcionális, funkcionális, stb. modellnek terveztek, és amelyeket szabadon alkalmazhatunk [4]. Az IJP eljárást a gyors szerszámkészítés területén is alkalmazhatjuk, fém (fleg alumínium) öntvények magjainak vagy formáinak elállításához. Ebben az esetben kétkomponens anyagot alkalmaznak, amely laza masszává alakul. Ez a massza, ami leginkább homokra hasonlít, a platform teljes területét beteríti, majd a készül termék adott keresztmetszetének területére visszük fel a kötanyagot. Mind a kötanyagot, mind pedig a keményed anyagot a fúvókák segítségével hordjuk fel. A termék így rétegrl rétegre épül. Az IJP eljárás hasonlít az elzekben bemutatott RP eljárásra, ahol ez a folyamat automatizált. Az eljárás egyik változata a ballisztikus részecskés gyártás (Ballistic Particle Manufacturing, BPM), ahol a fúvókákból olvadt anyagcseppek érkeznek és épülnek egymásra, másik változat a Model Marker 3D Plotting, ami megegyezik a BPM-mel azzal a különbséggel, hogy a modell létrehozott rétegeit a jó minség és pontosság érdekében maratjuk. Az IJP technológiát elssorban konstruktri vagy technológusi segédeszközként alkalmazzák, mivel az elkészült darab funkcionalitási, technológiai, stb. feltételek alapján megítélhet, így a modell segíti a döntéshozást. F elnye az olcsóság, és az egyszer és gyors alkalmazhatóság. 5.7

Háromdimenziós nyomtatás (3-Dimensional Printing, 3DP)

Ezt az eljárást az MIT-n (Massachusetts Institute of Technology) fejlesztették ki, Cambridge-ben. A mködési elv nagyon hasonlít az SLS eljárás alapelvére, azonban a 3DP esetén egy további anyag is szerepet játszik, amely megköti a port, amelybl a munkadarab felépül. A térbeli nyomtatás – elvben- azon alapszik, hogy a termék felépítésekor újabb és újabb rétegeket hozunk létre. Ehhez az eljáráshoz egy olyan berendezést használunk, amely tartalmaz egy, a tintasugaras nyomtató esetén használthoz hasonlító módosított nyomtatófej-egységet. Ezek a

55

Minos++


fúvókák (jet-ek) egy az X-Y síkban mozgó kocsin helyezkednek el, és csatlakoznak az üzemanyagot tároló konténerhez. Ezen felül, a konstrukció két, kamrákban elhelyezked, mobil platformot is tartalmaz. Az egyik kamrát a modell felépítésekor használjuk, és a másik kamrában tároljuk a modellépítéshez szükséges, por állapotú alapanyagot. Egy mozgó henger viszi az alapanyagot a tárolókamrából az építkamrába. A modell felépítésekor az építanyagra „felnyomtatjuk” a kötanyagot.

5.23 ábra: 3DP breendezés A modellépítés kezdetekor a tárolókamra lefelé tolódik el, a modellépít platform pedig felfelé, a termék felépítése során pedig a két kamra relatív helyzete megfordul. A felépítés során a mozgó henger hordja fel az építéshez szükséges alapanyagot, biztosítva a megfelel rétegvastagságot és a felület egyenletességét. Ezután a fúvókák a felvitt alapanyagrétegre egy rétegnyi kötanyagot szórnak, mégpedig pontosan azokra a helyekre, amelyek megfelelnek az adott modellkeresztmetszet területének. A kötanyag rögzíti az alapanyagot, és így elkészül az els réteg. A kötanyag nélküli, lazább poralapanyag szolgáltatja a termék felépítése során szükséges támasztékot, leegyszersítve ez által a folyamatot, hiszen nem kell külön támasztékot tervezni és építeni. Ezt követen a modellépítkamra a következ réteg vastagságának megfelel mértékben lesüllyed, a tárolókamra pedig felemelkedik, így téve lehetvé a következ adag por felvitelét. A mozgó henger az elz rétegre felviszi a következ réteg port. A következ szakaszban a fúvókák felviszik a kötanyagot, így kialakul a következ réteg, amely a kötanyag segítségével már az elz réteghez is kapcsolódik, és ez a ciklus ismétldik automatikusan a termék elkészültéig.

5.24 ábra: A 3D nyomtatás (3DP) mködési elve [13]

56

Minos++


A modell felépülte után a meg nem kötött alapanyagpor nagyon könnyen eltávolítható, pl. srített levegvel kifújható. A modell felépítésével és kikeményítésével létrehoztuk az ún. „zöld” formát, ami lyukacsos, hiszen az alapanyagot a kötanyaghidak tartják össze. Ennek okán ez a termék nagyon törékeny, így utómegmunkálásra van szükség. Ez különböz eljárásokat jelenthet, ám leggyakrabban a terméket infiltrálják, azaz a megfelel anyaggal, pl. polyurethannal, polystyrenekkel, viasszal, epoxigyantával, ciánakril ragasztóval, stb. impregnálják, hogy kitöltsük a lukakat és megersítsük a kötéseket. 5.8

Szilárd alapú kiszilárdítás (Solid Ground Curing, SGC)

A szilárd alapú kiszilárdítási eljárást (Solid Ground Curing, SGC) az izraeli Cubital Ltd. Vállalat fejlesztette ki. Az eljárás hasonlít a sztereólitográfiás eljárások családjára, azonban van néhány fontos különbség a két eljárástípus között. A modellt hre szilárduló gyantából vagy fotopolimerbl építjük fel, azonban a szinterelést nem egy lézersugár, hanem egy UV-lámpa végzi. További különbség, hogy a réteget egy korábban létrehozott, és a modell adott rétegének keresztmetszetének megfelel üveglapon keresztüli besugárzás segítségével hozzuk létre. Ez az üveglap a modell adott rétegének keresztmetszetének negatívja, azaz egy maszkot hozunk létre, amelyet többször is felhasználhatunk. A platform a modell soron következ rétegének létrehozása érdekében nem csak függlegesen mozog, hanem vízszintesen is.

5.25 ábra: Az SGC eljárás mködési elve A folyékony állapotban maradt anyagot eltávolítjuk, majd az üres helyet viasszal töltjük fel. Ez a folyamat lehetvé teszi, hogy igen komplex formákat is létre tudjunk hozni kiegészít támasztékok nélkül. Ezt a viaszt egy fémlap segítségével megszilárdítjuk, majd az új réteget megfelel

57

Minos++


vastagságúra marjuk. Ezt követen az asztal, amely a viaszt tartalmazza lesüllyed, s kezddik elölrl a folyamat, amely addig ismétldik, míg a teljes modell el nem készül [1]. A folyamat: A folyamat els lépéseként a rendszer a CAD fájlok alapján kiszámítja az egyes rétegek keresztmetszetét. Az aktív réteget képébl maszk készül, tehát lényegében egy üveglap, amelyre a készülék elektrosztatikus elven, a lézernyomtatóhoz hasonlatosan, egy mintázatot nyomtat. Ez a mintázat az adott réteg negatívja, tehát ott ereszti át a fényt, ahol a réteget meg kell szilárdítani. Egy vékony réteg fotoaktív polimert viszünk fel a munkaterületre, majd egyenletesen elterítjük. Ezt az UV-lámpa megvilágítja, és ahol a maszk átereszti a fényt, a polimer térhálósodni fog és megkeményedik. A fel nem használt gyantát kiszívjuk. Ezután folyékony viaszt terítünk a munkafelületre, ami kitölti a teret ott, ahol korábban a folyékony polimer volt. A viaszt egy htlap segítségével megszilárdítjuk, így a viasz és a polimer is szilárd állapotba kerül, majd a gép a rétegnek megfelel vastagságúra marja. Ezt követen az asztal, amely a viaszt tartalmazza lesüllyed, s kezddik elölrl a folyamat, amely addig ismétldik, míg a teljes modell el nem készül. A viaszt ezután olvasztással vagy egy fürd segítségével távolítjuk el, és ezután megkapjuk a végs prototípust. Az SGC 10-15-ször hatékonyabb, mint a hasonló, fotopolimerizáción alapuló eljárások. Tetszleges geometriai forma, tetszleges elhelyezkedésben állítható el. Az elemek készíthetk éjszaka, vagy tételenként, elkészültük után pedig nincs szükség további kikeményítésre. A viasz használata miatt nincs szükség járulékos támasztékokra, a munkafolyamat pedig megállítható, azaz új projektbe kezdhetünk, vagy eltávolíthatjuk az esetleges hibás rétegeket.

58

Minos++


6

Fordított mérnöki tevékenység - Reverse Engineering 6.1

Bevezetés

A fordított mérnöki tevékenység, angolul reverse engineering (RE) egy már létez tárgy konstrukciós szabályainak visszafejtése. Segítségével azonosíthatjuk azokat a szabályokat, amelyek mentén a tárgyat tervezték és elkészítették. A gyártóiparban ez általában a termék geometriájának, mködési elvének és néha a gyártás alapanyagának rekonstruálását jelenti. A fordított mérnöki munka más területeken is ismert, például a számítástechnikában, ahol feladata a már létez programok elemzése a mködés megértése vagy a forráskód helyreállítása érdekében [2]. A hagyományos mérnöki tevékenységekkel ellentétben az RE kiindulási pontja a késztermék, amely gyakran minden konstrukciós és technológiai dokumentáció, anyagspecifikáció, stb. nélkül áll rendelkezésre, és a fordított mérnöki tevékenység feladata ezen adatok kinyerése. Sok esetben az RE-t a hagyományos termékfejlesztési folyamat kiegészítéseképpen alkalmazzák, fleg olykor, amikor a tervezés innovatív jellege nem meghatározó, a tervezett termék pedig egy már létez és bevált termék alapján készül (sokszor egy versenytárs vállalatnál). A fordított mérnöki munkát az iparban leggyakrabban a fizikai tárgyak geometriájának digitalizálásával azonosítják. Eredménye egy digitális modell, amely a további tervezési munka, számítógépes elemzés (pl. végeselem módszer) vagy a valós és számítógépes tárgy összehasonlításának kiindulópontja lehet. Egy modell digitális verziójának léte lehetsége ad az adatok közvetlen felhasználásra a numerikusan vezérelt berendezéseken az egyre inkább teret hódító számítógéppel támogatott gyártási technológiák segítségével, vagy a gyors prototípusgyártási (RP) vagy gyors szerszámgyártási (RT) eljárások egyikével. A fordított mérnöki tevékenység mindig segítségünkre lehet, ha egy fizikai tárgy számítógépes modelljére van szükség. AZ alkalmazási területek közé tartoznak a következk is: x x x x x x x

szerszámgépipar, különösen az autóiparban (szerszámkészítés, minség-ellenrzés, dokumentáció helyreállítása, stb.), csomagolástechnika (hiszen a termékek alakja változó, sokszor stylistok által tervezetten atipikus). élelmiszeripar (pl. csokoládé vagy cukorka alakjának megtervezése), érmegravírozás és numizmatika (érmék és medálok alakjának rekonstrukciója), cipipar (minták és szerszámok digitalizálása), ékszer- és ajándékipar (pl. természetes tárgyak miniatrjei), orvoslás (bels anatómia rekonstrukciója, implantátumok tervezése),

59

Minos++


x x x

játékipar (formatervezés mvészeti projektek alapján), mvészettörténet (archiválás, másolatok készítése – szobrok, épületek, stb. esetén), új termékek fejlesztése a gyors prototípus- (RP) és szerszámgyártás (RT) segítségével [2]. 6.2

A reverse engineering alkalmazási területei az iparban

A gyártástechnikában a tárgyak geometriájának helyreállítási folyamata széles körben ismert, és a következ feladatok esetén alkalmazzák: x x x x

Prototípusok vagy már legyártott elemek korrekciója Gyártási folyamatok megtervezése egyedi termék alapján A gyártási folyamat minségének ellenrzése Egy adott termék dokumentációjának helyreállítása, vagy létrehozása.

A piaci siker érdekében a tervezés alatt álló termékek esetén nem csak a mszaki paramétereknek, hanem a küls megjelenésének is megnyernek kell lennie. A tervezés megkezdése eltt piackutatást végzünk, hogy meghatározzuk a szükséges funkcionális tulajdonságokat, valamint a termék elzetes tervét is. A küls megjelenés részletes kidolgozása a stylist dolga, aki agyag, gipsz vagy fa modellt használ. Ezután következik a digitalizáció (6.1 ábra), a mszaki dokumentáció elkészítése és a termék gyártásának beindítása.

6.1 ábra: Járm koncepcionális modelljének digitalizálása [9] Az RE további feladata az új termékek tervezésének területén a módosítások létrehozása a mszaki dokumentációban. Amikor egy számítógépes modell alapján létrehozzák az új termék els prototípusát, gyakran elfordul, hogy azt különböz teszteknek kell alávetni. Ezek eredményeként a prototípust gyakran (manuálisan) megváltoztatják, így

60

Minos++


nagy eltérések alakulhatnak ki a fizikai valóság és az eredeti prototípus alapjául szolgáló számítógépes modell között. Ekkor ismét szükségessé válik a digitalizáció, hogy az így megkapott 3D modell segítségével folytatódhasson a munka. Sok esetben azonban nem elég a termék vonzó küls megjelenése és funkcionalitása. Gyakran az ergonómiai megfontolásokat is figyelembe kell venni, amelyek mindig eltérbe kerülnek, amikor a dizájnnak illeszkednie kell az emberi anatómiához. Az ilyen követelmény oka általában a komfort és a biztonságos használhatóság, különösen olyan termékek esetében, amelyekkel az emberek közvetlen fizikai kapcsolatba kerülnek. Példa egy ilyen személyre szabott termékre a 6.2 ábrán látható teniszüt nyele, amelyet a korábban digitalizált, manyagba nyomott tenyérlenyomat alapján terveztek. A digitalizált tenyérlenyomat alapján egy szterolitográfiás modellt készítettek, majd vákuumos öntési eljárással legyártották a készterméket.

6.2 ábra: Egyénre szabott teniszüt-nyél Az ilyen termékek gyártását gyakran szabványok vezérlik, amelyeknek a terméknek meg kell felelnie. Egyidejleg azonban a termék - mind a felület ergonómiai kialakítása, mind pedig az esztétika szempontjából - megfelel tervezése kulcs fontosságú a termék sikere szempontjából. A legnagyobb gyártó vállalatok nagy részének saját tervezirodái vannak, ahol a legkülönbözbb területek specialistáit, köztük ergonómiával foglalkozó szakembereket is foglalkoztatnak. Feladatuk, hogy olyan megoldásokat

61

Minos++


találjanak, amelyek a terméket a versenytársak termékeivel szemben jobbá, kényelmesebbé és jobban használhatóbbá teszik. Nem sokkal ezelttig még komoly kihívást jelentett az emberi anatómiából származó természetes formák számítógépes modellé alakítása, ám áttörést jelentett a 3D optikai szkennerek megjelenése. Ezek a szkennerek sokkal nagyobb sebességgel digitalizálnak, mint az érintésen alapuló módszerek, és a pontosságuk is sokkal jobb (0,1 mm nagyságtrend). Néhány év múlva már nem lesz nehéz olyan termékeket rendelnünk, amelyek illeszkednek testünk alakjához, például olyan motoros sisakot, amelyet a tulajdonos fejéhez készítettek. A digitalizált adatokat kombinálni lehet majd a termék modelljével, majd a kész dokumentációt elküldik a gyártóegységnek, amely néhány nap elteltével leszállítja a testre szabott terméket a megrendelnél. Hasonló téma az adott tárgyakhoz igazított csomagolás kérdése is (6.3 ábra). Új, számítógépes modellel rendelkez termékek esetén nem nehéz ilyen csomagolást létrehozni, azonban a dokumentáció nélküli tárgyak esetén a dolog már nem ilyen egyszer: a mérnököknek itt létre kell hozniuk a számítógépes modellt, hiszen bármennyire drága és idigényes az ilyen vállalkozás, néha mégis elengedhetetlen, különösen felbecsülhetetlen érték tárgyak (pl. múzeumi kiállítási tárgyak) esetén, amelyeket mindenképpen védeni kell a kezelésük során keletkez esetleges károktól.

6.3 ábra: A tárgy alakjának megfelel csomagolás [20] Az RE technikákat egyre tágabb területen használják az iparban is, nem csak, mint a terméktervezés és fejlesztés eszközét, de gyártás-felügyeleti rendszerként is, hiszen gyakorlatilag minden gyártott termék gyors ellenrzmérését lehetvé teszik. Az ilyen ellenrz mérés néhány másodperc és néhány perc közötti idt vesz igénybe. Ekkor a termék egy ré-

62

Minos++


szének vagy egészének felületét digitalizálják, majd összehasonlítják az eredeti számítógépes modellel (6.4 ábra).

6.4 ábra: A munkadarab, és az összehasonlító mérés eredménye 6.3

Digitalizációs eljárások

A 3D geometriáról való adatgyjtési eljárások a mérés elvében, és néha a felvett adat típusában is eltérnek. Az automatizáció szintje alapján a mérés lehet kézi, fél-automatikus vagy teljesen automatikus. A kézi módszereket, amikor a felhasználó vezérli a mérberendezést, általában egyszerbb geometriájú (leggyakrabban prizmatikus) modellek méreteinek mérésekor alkalmazzák. Ilyen esetekben a felhasználó a mért adatok alapján a modellt könnyszerrel létre tudja hozni a CAD rendszerben. Félautomatikus módszerek esetében a mérberendezés a modell geometriájának azon elemeit méri és tárolja el, amelyeket a felhasználó kiválasztott, azaz elre definiált. Egy adott tárgy teljes felületének letapogatásakor szükség lehet egyes részek külön letapogatására, amelyeket aztán digitálisan kell összekapcsolni, hogy megkapjuk a teljes tárgy modelljét. Az automatikus módszerek estén a vizsgált tárgy teljes felületét letapogathatjuk manuális beavatkozás nélkül, a kimeneti adatok pedig a teljes tárgyat leírják. Annak függvényében, hogy a digitalizáció után milyen állapotban van a vizsgált tárgy, a módszereket destruktív és nem destruktív, a mszer és a tárgy közötti kapcsolat alapján pedig érintéses vagy érintésmentes kategóriára osztjuk. Az érintésmentes módszerek lehetnek optikai (látható fényt, lézert vagy interferometrikus módszereket alkalmazó módszerek) vagy nem optikai eljárások (röntgen, elektromágneses sugárzás, ultrahang). Vannak olyan módszerek is (ezeket a 6.5 ábrán kiemeltük), amelyek lehetvé teszik a tárgy belsejének vizsgálatát is.

63

Minos++


6.5 ábra: A legnépszerbb geometriai digitalizációs eljárások felosztása (a kiemelt eljárások lehetvé teszik a tárgy belsejének vizsgálatát is) 6.3.1

Érintéses digitalizációs eljárások

Érintéses szkennerek Mivel a mérend tárgy szinte bármi lehet, a mérberendezésnek a lehet legnagyobb rugalmasságra kell képesnek lennie. A tipikus koordinátamér-berendezések (CMM) egyszer geometriájú tárgyak esetén nagy pontosságú mérési eredményeket szolgáltatnak. A mérési eredmények alapján a felhasználó létrehozhatja a CAD modellt. Ez az eljárás azonban komplex geometriák esetén már nem elégséges, hiszen itt nagy mennyiség mérési pontról van szó. Az érintéses szkennerek segítségével nagy mennyiség mérési pontot mérhetünk automatikusan (6.6 ábra). Az eljárások elve, hogy a berendezés mérfeje kapcsolatban marad a mérend tárgy felületével, és méri a mérfejre ható ert. A letapogatás során a berendezés vezérlése állandó triggerert biztosít a mérfejben, észleli az eltéréseket, és azonnal kompenzál. Elektronikus, nagy felbontású konverterek észlelik a mérfej pozícióját, és ezt az adatot elküldik a számítógépnek [23].

64

Minos++


6.6 ábra: Érintéses szkenner Az érintéses szkennerek egyesítik a CMM által demonstrált egyszer használhatóságot és az érintéses eljárások sebességét a folytonos letapogatás funkciójával. Ezen felül vannak olyan érintéses szkennerek is, amelyek a nagy sebesség folytonos letapogatás biztosításához egy lézeres fejjel is rendelkeznek, és lehetvé teszik a rugalmas anyagból készült tárgyak letapogatását is (ami különben érintéses módszerekkel megoldhatatlan lenne). Az érintéses szkennerek a felületeket mérését különböz módokon kivitelezhetik, kezdve az egyszer geometriai méréseknél (hossz. Átmér, szög, stb.) a kiválasztott felület 2D letapogatásán keresztül a különböz módokon kivitelezett 3D letapogatásig (X-tengely mentén, Y-tengely mentén, bármely szögben vagy radiálisan). A digitalizálást kézi üzemmódban is elvégezhetjük, ekkor a mérfejet (ceruzát) kézzel vezetjük a mérend tárgy felületén. Mérkarok A mérkar egy alapból, több, csuklóval összekötött rúdból és egy mérszondában végzd fejbl áll. Minden csukló precíziós csapágyakkal van szerelve, amely lehetvé teszi a tengelyek menti szabad forgást, valamint tartalmaz egy optikai érzékelt is, amely a forgási szöget méri. A kar olyan merev fémbl készül, amely a lehet legkisebb htágulási tényezvel rendelkezik. Ismerve a csuklók elfordulásának szögét, valamint az elemek hosszát a berendezés hatósugarában elhelyezked összes pont koordinátája meghatározható. Egyetlen pont mérése esetén a szonda megérinti a mérend tárgy felületét az adott ponton, majd a mérést jóvá kell hagynunk a mérfejen található gomb magnyomásával. Ezen elv alapján mérhetünk átmért, szöget, távolságot és geometriai elemek egymáshoz viszonyított

65

Minos++


távolságát is. Egyes megoldások a mérési pontok folyamatos rögzítését is lehetvé teszik, és megoldható a kar lézeres letapogatófejjel történ integrálása is.

6.7 ábra: Mérkarok [18] A mérkarok f elnye – a más rendszerekhez viszonyítva alacsony áruk mellett – a mobilitás, hiszen nem minden esetben szállítható a mérend tárgy a mérlaborba. A mérkarok a gyártási sorokba is integrálhatók, így a gyártott alkatrészek méretei azonnal ellenrizhetk, de felszerelhetk háromlábú állványokra, vagy közvetlenül a mérend tárgy felületére is. 6.3.2

Optikai, pont alapú mérések

A pont alapú mérések esetén minden mérési ciklusban csak egy mérési pontot veszünk fel, így az ilyen elven mköd berendezések funkcionalitásának javítása érdekében ezek rendelkeznek egy további optikai körrel, ami lehetvé teszi, hogy mérési ciklusonként nagyobb számú mérési pontot rögzítsünk (vonal vagy rács mentén). Ez általában egy forgó tükörrel valósul meg, amely egy lézersugárral végigpásztázza a mérend felületet, miközben a rendszer többi része mozdulatlan. Ez a jelleg megoldás azonban növeli a rendszer komplexitását, így a méreteit is. Távolságmérés Ezen módszer alapja az idmérés, amely alapján a letapogató fej távolsága meghatározható a tárgytól. A letapogató fej lézerimpulzusokat küld a nem átlátszó tárgy irányába, miközben méri azt az idt, mialatt az impulzus eléri a felületet, majd arról reflektálódva visszaér a fejhez.

66

Minos++


6.8 ábra: Távolságmérés repülési id alapján (Time of Flight, ToF) [27] Az eljárás f elnye, hogy pontossága állandó, független a szkenner és a mérend tárgy távolságától, viszont függ az alkalmazott idmér rendszer sajátságaitól. Ebbl kifolyólag nagy távolságra elhelyezked tárgyak, pl. épületek vagy hidak mérése is lehetséges, azonban az ilyen esetekben jelentsen megn a méréshez szükséges id [19]. Az ezen az elven mköd szkennerek funkcionalitása mozgó tükör alkalmazásával növelhet, azonban ebben az esetben elengedhetetlen a tükör adott idpontbani elhelyezkedési helyének ismerete, hiszen e nélkül nem határozható meg a mért pont koordinátája. Lézerradar A lézerradar (LIDAR – Light Detection and Ranging: Fényérzékelés és behatárolás) szintén indirekt távolságmérési eljáráson alapszik: itt a megfelel kalibráció után a modulált lézersugár alkalmazása teszi lehetvé a fáziseltoláson alapuló távolságmérést.

6.9 ábra: Lézerradar [27]

67

Minos++


6.10 ábra: Fáziseltolás a LIDAR elven mköd mérések esetén [27] Az ilyen elven mköd berendezések lényegesen gyorsabb mérést tesznek lehetvé, valamint képesek folytonos mérésre is, bár ez ebben az esetben hibákat okozhat. Pont alapú lézeres trianguláció A lézeres trianguláció a 3D adatgyjtés egyik legelterjedtebb módszere. Az eljárás egy fókuszált fényforrást és egy videokamerát használ a tárgy távolságának megmérésére. A mérési elvet a 6.11 ábra illusztrálja.

6.11 ábra: Pont alapú lézeres trianguláció [19]

68

Minos++


A lézersugarat egy tükör eltéríti a mérend tárgy irányába, majd a sugár a tárgy felületén szóródik, és ezt a szórt fényt rögzíti a videokamera, amely a lézertl egy adott (triangulációs) távolságra helyezkedik el. Az alkalmazott lencse és a CCD detektorok sík felületek, így a szög és a szórt fény pixelpozíciója összefügg. Amennyiben ismert a kamera lencséjének f fókusztávolsága, a videókép elemzése lehetvé teszi a szórt fény beesési szögének meghatározását. Ezen felül, a w szög ismeretében, amely a forgó tükör pozícióját jellemzi, a pont térbeli koordinátái egyszer trigonometriai megfontolások alapján kiszámíthatók [19]. Az ezen az elven mköd szkennerek kis távolságok mérésére alkalmasak, mivel pontosságuk a tárgy és a mérberendezés távolságának növekedésével csökken. 6.3.3

Lineáris optikai eljárások

A lineáris digitalizációs eljárásokat alkalmazó szkennerek a mérend tárgy felületén egyetlen mérési sorozatot végeznek egy vonal mentén. Ha a pontok koordinátáinak mérése egyidejleg zajlik, ez az eljárás sokkal gyorsabbnak tnik, mint a pontonkéni mérésen alapuló eljárások. Vonal menti lézeres trianguláció A lézeres trianguláció egyszeren bvíthet vonal menti triangulációvá, amely a mérend tárgy felületén egy egész sor pont mérését teszi lehetvé. A méréshez egy olyan lézert használnak, amely nem egy pontot, hanem egy vonalat hoz létre a mérend tárgy felületén, a detektor pedig egy kétdimenziós érzékel mátrix. Ez általában egy sztenderd CCD kamera, ahol egy sor érzékel felels az egyenes vonal mentén elhelyezked pontok méréséért.

6.12 ábra: Vonal menti lézeres trianguláció [27] A mérés elve hasonló, mint a pontméréses lézeres trianguláció esetén, ez pedig az elnyelés problémáját prezentálja. Legyzésére csökkenthetjük a

69

Minos++


kamera és a generátor közti szöget, vagy használhatunk két fényforrást is. További lehetség egy további kamera alkalmazása, azonban ehhez meg kell határoznunk azok egymáshoz képesti elhelyezkedését. Így a triangulációs szög soha nem lehet nulla, mivel ekkor fennáll az elnyeldés lehetsége. 6.3.4

Optikai, terület alapú eljárások

A terület alapú mérések a tárgyak felületének mérésének leghatékonyabb módszerei, azonban sokkal összetettebbek, és gyakran a mérend tárgy több szögbl felvett képére is szükség van. Fotogrammetria A fotogrammetria (sztereó kép) szintén trianguláción alapszik, azt az elvet használja ki, hogy ha egy adott pontról több különböz helyrl készítünk képet, akkor ez alapján meghatározhatjuk a pont térbeli pozícióját. Ha a megfelel pontokból merleges vonalakat húzunk, akkor a kérdéses pont azok keresztezdési pontjában helyezkedik el (6.13 ábra).

6.13 ábra: Fotogrammetria [27] Ehhez az eljáráshoz ugyanarról a pontról vagy tárgyról több irányból kell felvételeket készítenünk. Ezt egyetlen kamera mozgatásával, vagy többkamerás rendszerekkel is megvalósíthatjuk, azonban csak akkor, ha a rendszer lehetvé teszi az egyidej mérést. Lehetséges még egyetlen statikus kamera használata is, ha ennek lencséje változtatható fókusztávolságú. A fókusztávolság megváltoztatása megfelel a kamera optikai tengely mentén való mozgatásának, így lehetvé teszi a triangulációt. A fotogrammetria egyik lényeges hátránya, hogy a különböz fotókon meg kell keresnünk az egymásnak megfelel pontokat. A hagyományos fotogrammetria esetén a felhasználó ezeket a pontokat kézzel jelölte, ami könnyebben kivitelezhet, ha a mérend tárgy felszíne rendelkezik vala-

70

Minos++


milyen textúrával. A textúra nélküli tárgyak digitalizációjakor a legjobb módszer valamely minta a mérend tárgyra történ rávetítése. Profilometria A triangulációt alkalmazhatjuk felületmérésre mozgó lézervonal segítségével (a vonal menti lézeres triangulációs eljárás egy változata), vagy több vonal szimultán felvetítésével is. A projektor a mintát rávetíti a mérend felületre, a kamera pedig egy adott szög alatt rögzíti a képet. A pontok helyzete egy referenciakép használatával, vagy több, enyhén elmozdított mintával felvett kép rögzítésével meghatározható. Általában a felület lepásztázása néhány másodpercet vesz igénybe, ezért ez alatt az id alatt a tárgynak mozdulatlannak kell lennie.

6.14 ábra: Profilometria [27] 6.3.5

Destruktív letapogatás

A digitalizáció egy módszere, amely a bels szerkezetet is felfedi, a destruktív letapogatás. Ez az ilyen eljárások közül a legegyszerbb, és nincs szükség drága, speciális felszerelésre, mint az orvosi képalkotás esetén. Azonban csak olyan esetekben alkalmazhatjuk, amikor elfogadható, hogy a mérend tárgy elpusztul. A destruktív letapogatás elve a tárgy ciklikus, vékony rétegekre vágása, majd a metszetek lefényképezése. A metszetek vastagságát úgy határozzuk meg, hogy megfelel legyen a létrejöv kép felbontása. A háromdimenziós képet aztán a keresztmetszetek képeibl állítjuk el. Az eljárás nagyon hasonlít az orvosi képalkotási módszerekre. A letapogatás eltt a tárgyat szilárdítható gyantával öntjük ki, amely megakadályozza a deformációt és biztosítja a megfelel kontrasztot a fényképezéskor. Világos szín tárgyak esetén sötét szín gyantát alkalmazunk, és fordítva. A kinyert adatok megfelelsége miatt fontos, hogy a gyanta szorosan tapadjon a tárgy felületére, és jól kitöltse a lyukakat [22], így a

71

Minos++


tárgy gyantával való kiöntése után egy vákuumkamrába helyezzük, hogy a benne található levegt eltávolítsuk [15].

6.15 ábra: A destruktív letapogatás elve [15]

6.16 ábra: Destruktív letapogatást használó mérberendezés [15] 6.4

Berendezés és szoftver

A 3D geometria rekonstrukciója két alapvet lépésre bontható: digitalizáció és adatfeldolgozás. Az els lépés megvalósításához rendelkezésre kell állnia a megfelel berendezésnek, hogy rögzíthessük a tárgy alakjára vonatkozó információt. Ehhez a leggyakrabban optikai vagy érintéses szkennereket használnak. Nem olyan régen még a koordinátamér-berendezések voltak az egyetlenpontos adatforrások, ha 3D tárgyrekonstrukcióról volt szó. Adatokat szolgáltatnak a tárgy alapvet dimenzióiról, így egy tetszleges CAD

72

Minos++


szoftver segítségével a tárgy megtervezhet. A koordinátamérberendezések konstrukciója és mködésük elve nem teszi lehetvé, hogy nagyméret tárgyak nehezen definiálható felületeinek formáját gyorsan digitalizáljuk. A koordinátamér-berendezések konstrukciójához hasonló felépítés érintéses szkennerek már sokkal jobban képesek megbirkózni az ilyen feladattal, és a gyors tengely menti meghajtás és a megfelel szoftver nagy sebesség, folytonos letapogatást is lehetvé tesz. Mködésük elve, hogy egy szondát vezetnek végig a mérend tárgy felületén, és rögzítik az egymást követ, adott távolságra elhelyezked pontok koordinátáit. Ezáltal a tárgy felületének digitális képe egy pontfelh formájában áll rendelkezésre. Az érintéses letapogatás f hátránya, hogy alkalmatlan a puha alapanyagból, pl. gumiból készült tárgyak mérésére. Az ilyen esetekben optikai szkennereket kell bevetnünk, és a különböz eljárások között ide tartozik a lézeres szkennelés is. Ennek alapja, hogy egy lézersugarat vetítünk a tárgy felületére, amely a beesésekor visszaverdik, amit egy megfelel eszköz segítségével rögzítünk. Az ilyen berendezés szoftvere alkalmas a pont szkennertl való távolságának, vagy térbeli koordinátáinak meghatározására is. Ezt a technikát kis (lézeres trianguláció) és nagy (lézerradar) tárgyak, pl. épületek és környezetük esetén is alkalmazhatjuk. Gyakran vagy a tárgyat, vagy magát a szkennert egy forgó alapra helyezzük, ami lehetvé teszi a teljes tárgy vagy környezet automatikus digitalizációját. A digitalizációs eszközök területén a lézeres pontszkennelést (lézeres trianguláció) gyakran vonalmenti módszerré terjesztik ki, ahol egy mérési ciklus során egy sor, a tárgy felületén egy egyenes vonal mentén elhelyezked pontról nyerünk információt. Ez a megoldás gyorsabb, és kézi szkennerként is használható. Ebben az esetben a mérés elve változatlan, azonban mérni kell a mérfej pozícióját is. Gyakran a kézi szkennert egy mérkarra szerelik, ezáltal a fej pozíciója nagy pontossággal meghatározható. A letapogatás gyorsaságának tekintetében a leghatékonyabb megoldás a mérend tárgy teljes felületének egyidej digitalizációja, amely strukturált fény segítségével lehetséges. Általában a fehér fényt egy speciális projektor vetíti a mérend tárgy felületére, a fényben pedig egy párhuzamos vonalakból álló árnyékminta található, amely így a tárgy felületére vetül. Az így megvilágított tárgyat egy CCD kamera rögzíti, a csíkok párhuzamos torzulásának mértékébl pedig kiszámíthatók a felület koordinátái. Egyetlen kép felvétel e módszer esetében több másodpercig is eltarthat. Az alkalmazott berendezéstl függetlenül a szkenner által létrehozott adatokat (pl. a pontfelht) további feldolgozásnak kell alávetni. Ez egy speciális szoftver segítségével lehetséges, amely beolvassa a mérési adatokat, esetleg akár több mérés adatait is egyesíti (a tárgy több pozícióban való

73

Minos++


felvétele esetén), lehetvé teszi az adatok megtisztítását, majd felületi modellé (háromszöghálóvá) konvertálja. Az ilyen, háromszöghálóból álló modellt ezután már szerkeszthetjük (pl. elvághatjuk egy síkkal, simíthatjuk a felületét, átméretezhetjük, stb.), majd STL formátumban elmenthetjük. Ugyan az adatok ilyen formátuma már alkalmas a vizualizációra, vagy akár a lézeres prototípusgyártásra, mégis alkalmatlan a CAD rendszerekben való további feldolgozásra. A fordított tervezéshez használatos programok következ funkciója tehát háromszöghálós modellbl NURBS felületeket (körülhatárolatlan felületeket) készít, amelyek közelítenek a letapogatott tárgy alakjához. Az ilyen adatokat már importálhatjuk a CAD/CAM rendszerekbe, és létrehozhatunk belle valódi felületeket, vagy akár egy testmodellt is, majd a további fejleszti munka során meg is változtathatjuk a geometriáját. 6.5 6.5.1

Geometria digitalizációja

A digitalizáció lépései

Egy adott geometria 3D digitalizációja az alábbi (6.17 ábra) négy lépésre bontható:

6.17 ábra: A digitalizáció lépései A 3D digitalizáció els lépése a folyamat megtervezése. Ekkor választjuk ki a mérberendezést, a mérés módját és a kimeneti adatok formátumát, ekkor mérlegeljük a mérési stratégiát és a digitalizációs paramétereket. A következ lépés az adatgyjtés, amelynek alapja az adatrögzít berendezések megfelel használata. Általában a kimeneti adatokat egy felület mentén elhelyezked x, y, z koordináták sokaságaként kapjuk meg, az úgy nevezett lokális koordináta-rendszerben. A pontokat rendezhetjük, ám ez az alkalmazott mérési módszer függvénye. A harmadik lépés számítógépes szoftver alkalmazását igényli, amelynek segítségével a mérési adatokat pontfelh formájában beolvashatjuk, a feldolgozás pedig elssorban korrekcióból és konverzióból áll, amíg meg nem kapjuk a kívánt formát (a háromszöghálót). Az adatok ilyen típusú megjelenítése már alkalmas a tárgy vizualizációjára (virtuális valóság), valamint a numerikusan vezérelt gyártóberendezések programjának létrehozására is. Ebben a fázisban

74

Minos++


lehetséges a rétegalapú technológiák fizikai modelljének létrehozása is (gyors prototípusgyártás, gyors szerszámkészítés és gyors gyártási módszerek). Ezek az alkalmazások már lehetvé tesznek bizonyos alapvet beavatkozást a modellbe: méretezést, adott síkkal való metszést, vagy a felület simítását. Innen már exportálhatjuk a háromszögháló-modellt (STL formátum), amelyet numerikus CAD/CAM szoftverekbe tudunk betölteni, azonban az ilyen formátumú adat még túl sok információt hordoz, így gátolja a modell kezelését és lassítja a számításokat. Ezen túl az STL formátumú adatok kezelését lehetvé tev CAD programok nagy része további szerkesztésre nem ad módot. Ekkor válik szükségesség a háromszögháló-modell NURBS felületekké való konvertálása, amely közelíti a letapogatott tárgy formáját. Az ilyen, CAD/CAM rendszerekbe betöltött adatokat már szilárd modellé is konvertálhatjuk, és a geometriát innen kezdve tetszés szerint manipulálhatjuk. 6.5.2

A digitalizációs folyamat tervezése

A digitalizációs folyamat szempontjából annak megtervezése kiemelt fontossággal bír, és nagyban meghatározza magát a folyamatot és a végeredményt is. A következk tartoznak ide: x x x

A mérési módszer és a mérberendezés kiválasztása A mérési stratégia megtervezése A kimeneti adatok formátumának megválasztása

Általában a digitalizáció több különféle eszköz segítségével is elvégezhet, azonban, még ha eltekintünk is az egyes berendezések elérhetségétl, létezik néhány faktor, amely nagyban befolyásolja a mérmszerválasztást. Elssorban figyelembe kell vennünk a szükséges mérési pontosságot és a méréshez rendelkezésre álló idt, de elfordulhat, hogy a mérend munkadarab típusa, elssorban a mérete korlátozza, mely mérberendezést alkalmazhatjuk, hiszen ez korlátozott munkatérrel bíró berendezések esetén kritikus lehet. A berendezések nagyjából fele mozgatható, és csak egy részük esetén lehetséges a különböz szögbl készült felvételek kombinálása, ami hozzájárulhat a mérési pontosság javításához. Lézeres fényforrásokat alkalmazó berendezések esetén elengedhetetlen, hogy a mérend tárgy felülete megfelel anyagi minség legyen (pl. nem átlátszó), és ugyanez érvényes az érintéses szondákkal dolgozó berendezésekre is, ebben az esetben a felület nem lehet rugalmas anyagú. Mindennek ellenére a tipikus digitalizációs feladatok esetén az a két faktor a legfontosabb, amely a mérberendezések nagy része esetén fordítottan arányos egymással – a mérés sebessége és pontossága. A 6.18 ábra néhány mérberendezést e két faktor mentén kategorizálja tipikus, néhány centiméteres tárgyak mérése esetén.

75

Minos++


6.18 ábra: Különböz mérberendezések tulajdonságainak összehasonlítása [2] Az elérhet mérési pontosság összefügg az alkalmazott mérési módszerrel és csak a szkenner kimeneti adataira vonatkozik, amely egy a térben elhelyezked ponthalmaz. A mért tárgy geometriáját leíró pontfelh ezután 3D modellé konvertálódik, amely további hibalehetségeket rejt magában. Tisztában kell tehát lennünk azzal, hogy bármilyen pontos mérberendezést használunk, a kimeneti modell pontossága soha nem érheti el a mérberendezés pontosságát. A különbség nehezen meghatározható, így olyan esetekben, amikor ez az információ kulcsfontosságú, érdemes ismert méret tárgyakon próbaméréseket végezni, majd a mérési pontokat CAD modellé változtatni, így meghatározhatjuk a konverzió által létrehozott pontatlanságot. Az idfaktor ugyan általában fordítottan arányos a pontossággal, azonban vannak helyzetek, amikor ez a faktor a fontosabb, például olyan tárgyak esetén, amelyek a mérés közben elmozdulhatnak, mint például az emberi test. Léteznek olyan berendezések (pl. Konica Minolta VI-910 [20]), amelyek speciális gyors üzemmódban egy mérend tárgyat már 0,3 s alatt bedigitalizálnak, ekkor azonban a gyorsaság a normál üzemmódhoz képest a pontosság rovására megy. A mérési id optikai rendszerek esetén gyakran több perc, koordinátamér-berendezések és érintéses szkennerek esetén pedig akár több óra is lehet. A tervezés fontos pontja annak eldöntése, vajon lehetséges-e egyetlen méréssel digitalizálnunk a tárgyat, vagy több mérésre is szükségünk lesz. A több mérés alatt (pl. érintéses szkennerek esetén) vagy több oldalról (optikai szkennerek) történ mérés esetén a mérésenként kapott pontfelht integrálni kell a többi mérés eredményével. Hasonlóan fontos annak meghatározása is, milyen adatformátummá konvertáljuk a rendelkezésre álló modellt, hiszen ez határozza meg a szoftverrel szembeni követelményeket. Ha a modellt numerikus számításokhoz

76

Minos++


akarjuk felhasználni, nincs szükségünk nagy pontosságra, azonban (a számítási sebesség miatt) fontos, hogy lehetleg kis adatmennyiség álljon rendelkezésre. Teljesen más helyzetben vagyunk, ha a mérend tárgy modelljét változtatások bevezetéséhez használjuk majd – ekkor a pontosság sokkal nagyobb fontossággal bír. Ha a digitalizáció célja a mért tárgy lemásolása, elég, ha a tárgy felülete háromszög-hálóként áll rendelkezésre, azonban a szoftvernek képesnek kell lennie a gyártóberendezésekben használatos NC kód létrehozására. 6.5.3

Adatgyjtés

Az adatgyjtés alapja a fizikai modell felületén elhelyezked pontok koordinátáinak beolvasásával történ digitális formába transzformálás. Ezt koordinátamér-berendezések vagy térbeli szkennerek segítségével valósíthatjuk meg. A kapott adatok lokális koordinátarendszerbeli x, y, z koordináták, amelyeket pontfelhnek nevezünk (6.19 ábra).

6.19 ábra: Digitalizát tárgyhoz tartozó pontfelh Ezek a pontok általában nem rendezettek, azonban néhány mérési módszer (pl. érintéses szkennerek és koordinátamér-berendezések) esetén a határfelület vagy határoló vonal (6.20 ábra) és a mérés iránya, amely végeredményben egy a tárgy felületén elhelyezked görbéket ábrázoló pontfelht ad, meghatározható (6.21 ábra). Ez lehetséget biztosít a kimeneti adatok kézi feldolgozására, amely pontosabb 3D modellt eredményez.

77

Minos++


6.20 ábra: 2D profil mint a szkennelés határvonala

6.21 ábra: 2D profil a különböz letapogatási irányok eredményeként létrejöv átfedésekkel 6.5.4

Adatfeldolgozás és a CAD modell elkészítése

A fordított tervezéskor (RE) alkalmazott szoftverek általában számtalan, a digitalizációs során gyjtött adat szerkesztésére és kezelésére alkalmas eszközzel rendelkeznek, f feladatuk azonban a szkennerek által elállított pontfelh használhatóbb háromszög-hálós vagy NURBS-felületekbl álló reprezentációvá való átalakítása, mégpedig a lehet legnagyobb pontossággal. Általános esetben, amikor a kimeneti adatok pontfelh formájában állnak rendelkezésre, az adatfeldolgozás lépései a következk: x A pontfelh importálása. A pontfelh adatainak formátuma gyakran XYZ, DXF vagy IGES. x Az adatok teljességének értékelése és esetleges korrekciók, nem odaill pontok eltávolítása (6.22 ábra). A pontok fele, amelyrl tudjuk, hogy egy síkban helyezkednek el, ebben a fázisban eltávolítható a modellbl. Ennek következtében a következ lépésben kevesebb háromszög alakul majd ki. Ha egyszerre több tárgyat digitalizáltunk, a pontfelhket kisebb részekre osztjuk, amelyek az egyes tárgyakat reprezentálják.

78

Minos++


6.22 ábra: A pontfelh szerkesztése – nem megfelel pontok eltávolítása x

A pontfelh „befedése” a háromszög-hálóval (6.23 ábra).

6.23 ábra: A pontfelh háromszög-hálóvá alakítása

6.24 ábra: A háromszög-háló lyukainak eltávolítása A háromszöghálót szükség esetén szerkesztjük, azaz kijavítjuk a hibákat: így például eltávolítjuk a lyukakat a hálóból (6.24 ábra). Ha a tárgyat több beállításból mértük, az 1-3 lépéseket minden adathalmazra elvégezzük, majd ebben a fázisban a modellfelület különböz részeit egyetlen modellé illesztjük össze (6.25 ábra). Ha a szükséges kimeneti adatformátum poligoniális, ezen a ponton abbahagyhatjuk a szerkesztést, és az eredményt STL vagy VRML formátumban rögzíthetjük. Vizualizációs alkalmazások (virtuális valóság) esetén a renderelés nagyfokú folyamatossága szükséges, amelyet akadályozhat a hálóban található háromszögek túlzottan nagy száma. Ennek érdekében a programok lehetvé teszik a háromszögek számának csökkentését, ez azonban befolyásolja a leképezés pontosságát (6.26 ábra).

79

Minos++


6.25 ábra: Több modellfelület kombinálása a)

b)

6.26 ábra: A háromszögek számának csökkentése 100%-ról (a) 10%-ra (b) Ha a felület pontosabb ábrázolására van szükségünk, a háromszöghálót NURBS-felületekké alakítjuk. Ez a mvelet történhet automatikusan, vagy kézileg is, alapja a háromszögháló szabad felületekkel való befedése. Ezek a felületek általában négyszögletek. Minél inkább eltér a leképzend felület a négyszögtl, annál rosszabbul illeszkedik a háromszöghálóhoz.

6.27 ábra: Hiba a NURBS-felületen Geometriailag összetett modellek esetén általában a NURBS-felületté történ konverzió automatikus kivitelezése hibát generálva leáll (6.27 áb-

80

Minos++


ra). Ebben az esetben elkerülhetetlen a kézi konverzió, amely az alábbi lépésekbl áll: Élkeresés (6.28 ábra),

6.28 ábra: Élkeresés a modell kisebb területekre való felosztása, majd ennek olyan szerkesztése, hogy egy a négyszögekre leginkább hasonlító hálót kapjunk (6.29 ábra).

6.29 ábra: A foltok létrehozása és szerkesztése A háló létrehozása (6.30 ábra),

6.30 ábra: A háló létrehozása

81

Minos++


a NURBS-felületek illesztése (6.31 ábra).

6.31 ábra: A NURBS-felületek illesztése A létrehozott NURBS-felület és a szkenner által kiadott pontfelh összehasonlítása (6.32 ábra).

6.32 ábra: A NURBS-felület és a pontfelh összehasonlítása A végs lépés a modell mentése az IGES formátum egyik típusaként (128, 143 vagy 144). Ez a formátuma a NURBS-felületek CAD/CAM alkalmazásokba történ átvitelének leggyakrabban használt formátuma.

82

Minos++


7 [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28]

Minos++

Irodalom Chlebus E. „Techniki komputerowe Cax w inynierii produkcji” WNT, Warszawa 2000 Dybaa B., Kolinka P., Techniki inynierii odwrotnej w rozwoju produktu, Automatyzacja produkcji. AP 2003. Nauka - wiedza - innowacje. Wrocaw 2003. T. 1. Referaty plenarne i sesyjne, s. 413-420 Oczo K. ; „Postp w szybkim ksztatowaniu przyrostowym - Rapid Prototyping”, Mechanik, 1999 Nr 4 Oczo K. ; „Postp w szybkim opracowywaniu produkcji wyrobów prezentowany na 8. wiatowych Targach EuroMold 2001 Cz II. Nowe materiay i urz dzenia do realizacji metod RP.”, W: Mechanik, 2002, Nr 4 Oczo K. ; „Rapid Prototyping – znaczenie, charakterystyka metod i moliwoci.”, Mechanik, 1997, Nr 10 Oczo K. ; „Szybciej, dokadniej, ekonomiczniej 6. wiatowe Targi Budowy Oprzyrz dowania, Projektowania i Rozwoju Wyrobu Euromold `99 we Frankfurcie n. Menem.”, W: Mechanik, 2000, Nr 2 Oczo K. „Niekonwencjonalne sposoby przyrostowego ksztatowania przedmiotów – szybkie wykonywanie prototypów” Mechanik (1995)8/9 Skoud B., „ Komputerowo Zintegrowane Wytwarzanie”, Wydawnictwo Politechnika l ska, Gliwice 1997 http://adm.ing.unibo.it/Atti Seminario Italo-Spagnolo/11 Steinbichler.pdf http://rpdrc.ic.polyu.edu.hk/content/rp_for_arch_short_guide.htm http://www.3dsystems.com http://www.arcam.com http://www.cadcamforum.pl http://www.cadcamnet.com http://www.cgiinspection.com http://www.concept-laser.de http://www.eos-gmbh.de http://www.faro.com http://www.impactstudiostv.com/laser_scan_site/htm/technology.htm#laser http://www.konicaminolta-3d.com http://www.mcp-group.de http://www.moldmakingtechnology.com/articles/030107.html http://www.moldmakingtechnology.com/articles/100003.html http://www.newscientist.com/article.ns?id=dn3292 http://www.prz.rzeszow.pl/mech/kkm/rapid_prototyping.htm http://www.trumpf.com www.cs.tcd.ie/publications/tech-reports/reports.99/TCD-CS-1999-46.pdf www.RTCN.org - materiay archiwalne ITMA

83


Munkafüzet 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 AprojektetazEurópaiUnióa„LeonardodaVinci“ szakmaitovábbképzésiakciótervkeretében támogatta.

www.tuchemnitz.de/mb/WerkzMasch

1.

Mi a CAD? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

2.

Mi a geometriai modellezés? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

3.

Hogyan gyorsíthatjuk fel a tervezést? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

4.

Írja le a CAD rendszerek f tulajdonságait! _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

5.

Írja le a CAD rendszerek f elnyeit! _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

6.

Mik a CAD-es tervezési folyamat f fázisai? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

7.

Milyen modelltípusok léteznek a CAD-ben? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

8.

Mi az STL? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

9.

Hogy épül fel egy STL modell (ábra)? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

10. Mit mond ki a „csomópont a csomóponthoz” szabály? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

11. Mely paraméterek írják le a háromszögeket? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

12. Hogy határozhatjuk meg a háromszögek orientációját STL-ben? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

13. Mik a leggyakoribb hibák az STL formátum esetén? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

14. Gyors prototípusgyártás (RP) esetén milyen folyamat-elkészít tevékenységek léteznek? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

15. Írjon le legalább 4 mveletet, amelyeket folyamat-elkészítésként elvégezhetünk! _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

16. Mi a támaszték, és mire használják? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

17. Mi a gyors prototípusgyártás (rapid prototyping)? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

18. Miben különböznek az RP eljárások a hagyományos gyártási technológiáktól? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

19. Az RP technológiával létrehozott munkadarabok f felhasználási területei: _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

20. Hogyan alkalmazzák a prototípusokat a hagyományos tervezési folyamatban? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

21. Hogyan alkalmazzák a prototípusokat az egyidej mérnöki tervezési (Concurrent Engineering – CE) folyamatban? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

22. Hogyan alkalmazzák a prototípusokat a gyors tervezési (RE) folyamatban? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

23. Hogyan osztjuk fel a prototípuslétrehozási módszereket? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

24. Milyen szempontokat kell figyelembe venni a prototípus modell alkalmazásának meghatározásakor? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

25. Osztályozza az RP eljárásokat a folyamatok és a felhasznált alapanyagok alapján. _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

26. Mi a gyors szerszámgyártás (rapid tooling)? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

27. Mely anyagokat alkalmaznak az RP eljárások esetén? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

28. Sorolja fel az RP eljárások elnyeit! _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

29. Sorolja fel az RP eljárások hátrányait! _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

30. Jellemezze a sztereólitográfiás folyamatot! _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

31. Jellemezze a szelektív Sintering (SLS))!

lézerszinterelést

(Selective

laser

_______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

32. Jellemezze a szelektív lézeres olvasztást (Selective Laser Melting (SLM))! _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

33. Nevezzen meg legalább 3 alapanyagként fémport használ.

olyan

technológiát,

amely

_______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

34. Miben különbözik az elektronsugaras olvasztás (EBM) a többi fémport alkalmazó technológiától? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

35. Jellemezze a rétegelt darabgyártási technológiát (Laminated Object Manufacturing, LOM)! _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

36. Jellemezze az olvasztott lerakásos Deposition Modeling, FDM) folyamatát!

darabgyártás

(Fused

_______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

37. Jellemezze a háromdimenziós Printing, 3DP) eljárást!

nyomtatási

(3-Dimensional

_______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

38. Mi a fordított tervezés (reverse engineering)? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ 39. Sorolja fel az RE 2 ipari alkalmazását! _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

40. Hogyan segít a RE a stylistok által tervezett termékek tervezésében? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

41. Lehetséges, hogy egy létez termék kövesse egy már meglév termék geometriáját? Hogyan? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

42. Hogyan értékelhetjük a termék geometriájának pontosságát az RE segítségével? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

43. Ismertesse a digitalizációs eljárások osztályozásának két f módszerét! _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

44. Mikor használunk destruktív digitalizációs eljárást? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

45. Az RE mely módszerei teszik lehetvé a vizsgált tárgy belsejének megismerését? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

46. Jellemezze a destruktív letapogatási eljárást! _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

47. Mi az érintéses letapogatás? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

48. Miben áll az érintéses letapogatás hátránya? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

49. Melyik digitalizációs eljárás a leggyorsabb? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

50. A fordított tervezési módszerek (RE) segítségével történ digitalizáció esetén az adatok milyen formában állnak rendelkezésre? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

51. Nevezze meg az optikai, pont alapú eljárásokat! _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

52. Hogy alakíthatunk át felületi modellt háromszög-hálóvá? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

53. Jellemezze az érintéses szkennerek mérési képességeit! _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

54. Milyen elnyökkel bírnak a mérkarok más digitalizációs eljárásokkal szemben? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

55. Miket kell fontolóra venni a digitalizáció tervezésekor? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

56. Mikor elegend eredménye?

a

háromszögháló,

mint

a

digitalizáció

_______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

57. Milyen adattípus a tipikus RE rekonstrukció eredménye? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________


Oktatói segédlet 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 AprojektetazEurópaiUnióa„LeonardodaVinci“ szakmaitovábbképzésiakciótervkeretében támogatta.

www.tuchemnitz.de/mb/WerkzMasch

1.

Mi a 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.

2.

Mi a geometriai modellezés? A geometriai modellezés a modellezett alkatrészek és alkatrészcsoportok háromdimenziós reprezentációja. Ez a modell lehetvé teszi bármely tetszleges háromdimenziós tárgy geometriai alakjának pontos leírását. A CAD rendszerek javítják a tervezési folyamatot, és lerövidítik a termékfejlesztés idejét.

3.

Hogyan gyorsíthatjuk fel a tervezést? A CAD rendszerek 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.

4.

Írja le a CAD rendszerek f tulajdonságait! A CAD rendszerek fbb jellemzi: • 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, • nagy projekteken sok ember együttmködése, • egy adott részlet megváltoztatása után minden összeszerelési rajz automatikus frissítése az aktuális értékkel, • automatikus költségbecslés, együttmködés a raktárral, stb.

5.

Írja le a CAD rendszerek f elnyeit! A CAD rendszerek használatának elnyei: • az optimális megoldás meghatározásának lehetsége, • a megoldás minségének fejlesztése (precíz matematikai modellek),

• idigényes és unalmas feladatok (vázlatkészítés, számítások) megkönnyítése a tervezmérnök számára, • 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. 6.

Mik a CAD-es tervezési folyamat f fázisai? A CAD folyamat 6 fázisból áll: • az igények felmérése, • a probléma definiálása, • szintézis, • analízis és optimalizáció, • kiértékelés, • prezentáció.

7.

Milyen modelltípusok léteznek a CAD-ben? A CAD-ben a geometriai modellek két típusát használják: 1. lapos/sík – kontúrok segítségével 2. térbeli – háromdimenziós elemekkel

8.

Mi az STL? Az STL - Standard Triangulation Language: standard háromszögelési nyelv – az RP folyamatok adatcseréjének alapvet formátuma. A formátum elsdleges célja a 3D CAD modellek átvitele a gyors prototípus gyártó eszközökre. Manapság a legtöbb CAD/CAM program el tudja menteni a modelleket STL formátumban, melyet szinte minden RP rendszer be tud olvasni.

9.

Hogy épül fel egy STL modell (ábra)? Az STL egy sor háromszöglet felületbl áll, ezt nevezzük háromszöghálónak, amelyet csomópontok, élek és háromszögek határoznak meg. Ezek oly módon csatlakoznak egymáshoz, hogy minden élen és csomóponton legalább két szomszédos háromszög osztozik („csomópont a csomóponthoz” szabály). Más szóval a háromszög háló az STL formátumban tárolt 3D modell felületének approximációját ábrázolja. A reprezentáció azonban kihagy olyan elemeket, mint a pont, vonal, görbe, réteg és szín.

10. Mit mond ki a „csomópont a csomóponthoz” szabály? 1. lehetség Minden élen és csomóponton legalább két szomszédos háromszög osztozik. 2. lehetség Minden háromszögnek két csomóponton kell osztozni a szomszédos háromszögekkel, és a háromszög egyetlen csomópontja sem helyezkedhet el egy másik háromszög oldalán.

Ahhoz, hogy teljesüljön a „csomópont a csomóponthoz” szabály, az 1es háromszöget osszuk 2 háromszögre, ahogy azt a „b” ábra mutatja, vagy olvasszuk össze a 2-es és 3-as háromszögeket, ahogy azt a „c” ábrán látjuk. 11. Mely paraméterek írják le a háromszögeket? A háromszöglet felületeket minden csomópontját X, Y, Z koordináták halmaza és az egy adott felületrl a modelltl elfelé mutató normál vektor írja le.

12. Hogy határozhatjuk meg a háromszögek orientációját STL-ben? Orientációjukat kétféleképpen határozhatjuk meg: 1. A kifelé mutató normál vektor alapján.

2. A modellt kívülrl megfigyelve a csomópontok sorrendje az óramutató járásával ellentétes (ez jelenleg bevett modellezési módszer).

A fenti ábrán két háromszöglet felület látható. A bal oldali felületet belül-rl látjuk, erre utal a háromszög csomópontjainak óramutató járásával megegyez irányú számozása és a normál vektor iránya is. A jobb oldali háromszög esetében az ellentétes helyzet áll fenn, ezt a modellen kívülrl szemléljük. 13. Mik a leggyakoribb hibák az STL formátum esetén? x x x x x

Inkompatibilitás a „csomópont a csomóponthoz” szabállyal Variabilitás (Szivárgás) „Degenerált” felületek Hibák a modellekben Redundancia

14. Gyors prototípusgyártás (RP) esetén milyen folyamat-elkészít tevékenységek léteznek? Az STl formátumba exportált modellt el kell készítenünk valamely gyors prototípusgyártási folyamathoz. Az ilyen folyamat-elkészítést valamely erre specializált program segítségével végezhetjük el. 15. Írjon le legalább 4 mveletet, amelyeket folyamat-elkészítésként elvégezhetünk! Az STL adatfeldolgozás lehetségei: • Vizualizáció, mérések elvégzésének lehetsége, az *.stl modell kezelése

• Az *.stl fájlok javítása, felületek megvágása, duplikált háromszögek felfedezése • STL fájlok metszetének, lyukak (lyukasztáshoz), húzott felületek létrehozása, retroverzió • Bool-féle mveletek, háromszögek számának csökkentése, simítás, feliratok vagy jelek hozzáadása • Ütközések érzékelése • STL fájlok színezése • Modellek rétegekre történ felosztása • Támasztékok létrehozása 16. Mi a támaszték, és mire használják? A sztereólitográfiás vagy fémporokból történ szinterelés esetén a támasztékok létrehozása kulcsfontosságú mvelet a modell megfelel fel-építése szempontjából. Ezekre a támasztékokra a modell stabilitásnak és a létrehozott elemek helyben tartásának biztosítása érdekében van szükség. 17. Mi a gyors prototípusgyártás (rapid prototyping)? Az RP eljárások esetén a CAD modellekbl közvetlenül, rétegrl rétegre hozhatunk létre fizikai darabokat. 18. Miben különböznek az RP eljárások a hagyományos gyártási technológiáktól? A módszerek mind hasonlóak, alapjuk pedig az additív (hulladékmentes) modell-elállítás, így alapjaikban különböznek a fizikai darabok létrehozásának klasszikus módszereitl (esztergálás, marás, stb.), hiszen ezen esetén a darabok kialakítása az anyag fizikai eltávolításával jár (azaz hulladék keletkezik). Az RP technikákkal készül darabok létrehozása, ahol az egymást követ rétegek pontosan megfelelnek a modell metszetének az adott síkban, a rétegelt anyag hozzáadási technikán alapul. 19. Az RP technológiával létrehozott munkadarabok f felhasználási területei: A prototipikus modellek célja, hogy els fáradási, biztonsági, szerelési, szállítási stb. teszteket elvégezhessünk. Ezek a modellek nem csak látványos eladási fogásként szolgálnak, hanem megkönnyítik az emberek dolgát, akik így jobban el tudják képzelni a darabot, mint egy 2D rajz alapján. A pontosabb elképzelés pedig pénz- és idbeli megtakarítást is eredményez.

20. Hogyan alkalmazzák a prototípusokat a hagyományos tervezési folyamatban? A hagyományos tervezés során a prototípus a termékfejlesztés egyik utolsó lépéseként készül el, azután, hogy a megoldásokat kidolgozták, az anyagokat kiválasztották és a végs verzió kiválasztásához szükséges elemzéseket elvégezték. Az ilyen prototípus általában már a végs termék képe, amelyet ezután funkcionális elemzéseknek vetnek alá, amelyektl a lehetséges mszaki és technológiai javítások felismerését remélik.

21. Hogyan alkalmazzák a prototípusokat az egyidej mérnöki tervezési (Concurrent Engineering – CE) folyamatban? Egyidej mérnöki tervezés (Concurrent Engineering – CE) segítségével tervezett termékek esetén az els prototípus létrehozása nem jár semmiféle speciális dologgal. Ebben az esetben a tervezési fázisban mindössze idt takarítunk meg, mivel a termék fejlesztését CAx rendszerek integrált hálózati környezetében interdiszciplináris csapatok végzik, szimultán dolgozva. A terméket egyidejleg tervezik a konstruktrök, a technológusok, és a gyártási folyamattervezk. A tervezi csapat munkája feladatalapú, és az elre meghatározott tervezési kivitelezési menetrend szerint zajlik. Az ilyen csapat felels a tervezési dokumentációban szükséges változások és javítások kezelésért is. Az els prototípust - a hagyományos tervezéshez hasonlóan - a végs megoldás kiválasztása után készítik el.

22. Hogyan alkalmazzák a prototípusokat a gyors tervezési (RE) folyamatban? A gyors tervezés (egyidej mérnöki tervezés gyors tervezési módon (Concurrent Engineering in Rapid Engineering mode – RENG)) lehetvé teszi a tervezmérnök számára, hogy különböz fizikai modelleket hozzon létre, amelyek a szükség szerinti prototipikus jellemzkkel rendelkeznek. A tervezés ilyetén módja lehetvé teszi, hogy a termékfejlesztés minden fázisában készüljön prototípus, kezdve az ötlet és koncepció kialakulásától a konverziókon át egészen a végs megoldás kialakulásáig. A prototípus elállításának feltétele mindössze egy 3D CAD virtuális geometriai modell létrehozása.

23. Hogyan osztjuk fel a prototípuslétrehozási módszereket? Jelenleg a prototípusok elállításakor használt módszereket a modell el-állítására, a kivitelezés pontosságára, a felhasznált anyagok halmazállapotára és végül a modell felhasználására való tekintettel lehet csoportosítani. A modelleket az alkalmazásaik alapján is feloszthatjuk: • Azok, amelyek nagyjából visszaadják a késztermék alakját és elssorban az alak vagy méret verifikációjára szolgálnak. • Funkcionálisak – amelyek néhány paramétere nagyjából vagy pontosan megegyezik a végtermék adott paramétereivel, és így lehetvé teszik a termék egy adott tulajdonságának bemutatását. x RP módszerekkel gyártott kész elemek, mint minta sorozat, amely a termékre jellemz minden paraméterrel rendelkezik. 24. Milyen szempontokat kell figyelembe venni a prototípus modell alkalmazásának meghatározásakor? Amikor meghatározzuk a modellünk alkalmazásait, ki kell választanunk az egyik rendelkezésre álló módszert, és meg kell határoznunk az alapanyagot (manyag, papír, fém, kerámia), a

méreteket, a kivitelezés pontossá-gát, a modell felépítését és a gyártási költséget is. 25. Osztályozza az RP eljárásokat a folyamatok és a felhasznált alapanyagok alapján.

26. Mi a gyors szerszámgyártás (rapid tooling)? Az RT (Rapid Tooling – gyors szerszámgyártás) jelentése gyors szerszámkészítés. Ezek az eljárások a további termékfejlesztést is szolgálják (a késztermék RP eljárással elállított modell darabja tulajdonságainak kijelölését, mint például: a megfelel anyag, szín, textúra, stb. meghatározását), valamint alkalmasak új, kis szériás darabok elállításhoz szükséges szerszámok elkészítésére is. Az így gyártott darabokat általában a piackutatásban vagy különböz vásárokon és kiállításokon használják, és képezhetik szerzi jogvédelem elfogadásának alapját is. A tömeggyártás csak azután indulhat, ha a piac és a különböz tanúsító intézmények elfogadták a terméket. 27. Mely anyagokat alkalmaznak az RP eljárások esetén? Jelenleg a következ anyagokat lehet RP eljárások segítségével megmunkálni: fotopolimerek, viasz, manyagok, nylon, kerámiák, fához hasonló anyagok, papír vagy fémpor.

28. Sorolja fel az RP eljárások elnyeit! x x x

x

fizikai modellek gyors elállítása, a modell darab már a konstrukciós eljárás értékelése során is elérhet, az eljárások különösen ajánlottak az alábbi esetekben: 1. komplex geometriájú munkadarabok (elssorban bels felületek esetén) 2. szabad formájú felületek esetén megvalósítás alacsony költsége más eljárásokkal szemben (forgácsolás, marás, stb.), különösen kis darabszám esetén a folyamatok teljes láncolata során lehetség van a különböz módszerek alkalmazására (Rapid Engineering)

29. Sorolja fel az RP eljárások hátrányait! x x x x x

a darab mérete korlátozott, korlátozott különböz alapanyagtípus áll rendelkezésre, a darabok a mechanikai követelményeknek csak bizonyos korlátok között felelnek meg, korlátozott pontosság (kb. +/- 0,1 mm), miközben a felület minségét a kivitelezési technika határozza meg, gyakran szükség van egy finom utómegmunkálásra

30. Jellemezze a sztereólitográfiás folyamatot! A módszer az epoxi vagy akril gyanta réteges megszilárdításán alapszik, amelyhez mindössze nagyon kis lézerenergia szükséges. A modell elkészítésekor a lézersugár a folyékony, fényre szilárduló gyanta felületén mozog az adott réteg körvonalának megfelelen. Az ultraibolya fény által besugárzott területeken a folyékony anyagban fotopolimerizáció, más szóval a fényre szilárdulás játszódik le. Az els réteg közvetlenül a folyadékba merített munkafelületen készül, majd ez a munkafelület a beállított rétegvastagságnak megfelel távolságnyit süllyed. Ebben a pillanatban a gyanta ellepi az addig elkészült és leeresztett modellt, így helyet adva a következ réteg felépítéshez. 31. Jellemezze a szelektív lézerszinterelést (Selective laser Sintering (SLS))! A szelektív lézerszinterelés alapja az egymást követ por állagú alapanyagrétegek adott helyen történ lézersugaras megszilárdítása. A munkatérben egy felviv henger segítségével a por vékony (általában 0,02 - 0,2 mm vastagságú) rétegét helyezzük el a z-tengely mentén mozgatható hengeres platformon. Ezt követen egy relatív nagy teljesítmény, az x-y síkon vezérelt szkennel lézersugár a program által meghatározott helyeken szelektíven megolvasztja az anyagot

32. Jellemezze a szelektív lézeres olvasztást (Selective Laser Melting (SLM))! A por állagú alapanyagot rétegenként hordjuk fel a munkafelületre, majd az adott rétegen a munkadarab körvonalának megfelel helyeken lézersugár segítségével szilárdítjuk meg. A fémport egy mozgó tartályból terítjük a platformra. Az els réteg megszilárdítása után a platform adott távolságnyit (rétegvastagság) süllyed, majd felvisszük a következ réteget. 33. Nevezzen meg legalább 3 alapanyagként fémport használ.

olyan

technológiát,

amely

x Szelektív lézeres olvasztás (Selective Laser Melting – SLM) x Direkt fém lézer-szinterelés (Direct Metal Laser Sintering – DMLS) x Elektronsugaras olvasztás (Electron Beam Melting – EBM) x Szelektív lézerszinterelést (Selective Laser Sintering – SLS) 34. Miben különbözik az elektronsugaras olvasztás (EBM) a többi fémport alkalmazó technológiától? Az EBM technológiánál a por megolvasztásához elektronsugarat használnak. Más technológiák esetén (pl. SLM) az energia forrása lézersugár. 35. Jellemezze a rétegelt darabgyártási technológiát (Laminated Object Manufacturing, LOM)! A LOM a munkadarabok rétegrl rétegre történ felépítésén alapszik. Az eljárás során egy adott alapanyag számtalan fóliavékonyságú rétegét helyezzük egymásra, amelyeket egy ftött henger segítségével ragasztunk („vasalunk”) össze. Az els réteget a platformra helyezzük, majd az adott réteget a felépítend termék megfelel keresztmetszetének megfelel alakra vágjuk, általában lézerrel, bár vannak olyan eljárás-variációk is, ahol egy numerikusan vezérelt vágóél segítségével (SAHP). Az alak kivágása után az épül munkadarab egy rétegnyit lesüllyed és egy új réteget helyezünk a tetejére, amelyet a ftött henger segítségével az elz rétegre nyomunk, majd ezt a réteget is alakra vágjuk. Ez a ciklus ismétldik, amíg el nem készül a munkadarab. A maradék, a munkadarab kerületén kívül es anyagot beirdaljuk, így a munkadarab elkészülte után könnyebben eltávolítható. A munkadarab felépülése során ez a küls anyagmennyiség támasztékot alkot.

36. Jellemezze az olvasztott lerakásos Deposition Modeling, FDM) folyamatát!

darabgyártás

(Fused

Az FDM eljárás lényege a hre lágyuló manyag szál rétegenkénti felhordása. Abban az esetben, amikor az épül modellnek támasztékra van szüksége, rétegenként, a munkadarab körvonalán kívül támasztékot is építhetünk. A hre lágyuló szálas anyag a berendezés hátoldalán egy tekercsre van felcsévélve, amit a berendezés leteker, és a fejhez továbbít, majd az anyag olvadási pontjánál 1°C-al magasabb hmérsékletre melegít így fél-folyékony állapotot érve el. Ezt a fél-folyós anyagot rétegszeren a gép teríti, majd az gyorsan megszilárdul, miközben összekapcsolódik az elz réteggel, így alkotva a következ réteg alapját. A fej az X-Y síkban mozog, miközben a habszivacs alap, amelyen a darab épül minden réteg felépítése után a Z-tengely mentén mozdul el 37. Jellemezze a háromdimenziós Printing, 3DP) eljárást!

nyomtatási

(3-Dimensional

A térbeli nyomtatás – elvben- azon alapszik, hogy a termék felépítésekor újabb és újabb rétegeket hozunk létre. Ehhez az eljáráshoz egy olyan berendezést használunk, amely tartalmaz egy, a tintasugaras nyomtató esetén használt, hasonlító módosított nyomtatófej-egységet. Ezek a fúvókák (jet-ek) egy az X-Y síkban mozgó kocsin helyezkednek el, és csatlakoznak az üzemanyagot tároló konténerhez. Ezen felül, a konstrukció két, kamrákban elhelyezked, mobil platformot is tartalmaz. Az egyik kamrát a modell felépítésekor használjuk, és a másik kamrában tároljuk a modellépítéshez szükséges, por állapotú alapanyagot. Egy mozgó henger viszi az alapanyagot a tárolókamrából az építkamrába. A modell felépítésekor az építanyagra „felnyomtatjuk” a kötanyagot. A modellépítés kezdetekor a tárolókamra lefelé tolódik el, a modellépít platform pedig felfelé, a termék felépítése során pedig a két kamra relatív helyzete megfordul. A felépítés során a mozgó henger hordja fel az építéshez szükséges alapanyagot, biztosítva a megfelel rétegvastagságot és a felület egyenletességét. Ezután a fúvókák a felvitt alapanyagrétegre egy rétegnyi kötanyagot szórnak, mégpedig pontosan azokra a helyekre, amelyek megfelelnek az adott modellkeresztmetszet területének. A kötanyag rögzíti az alapanyagot, és így elkészül az els réteg. A kötanyag nélküli, lazább poralapanyag szolgáltatja a termék felépítése során szükséges támasztékot leegyszersítve ezáltal a folyamatot, hiszen nem kell külön támasztékot tervezni és építeni. Ezt követen a modellépítkamra a következ réteg vastagságának megfelel mértékben lesüllyed, a tárolókamra pedig felemelkedik, így téve lehetvé a következ adag por felvitelét. A mozgó henger az elz rétegre felviszi a következ réteg port. A következ szakaszban a fúvókák felviszik a kötanyagot, így kialakul a következ réteg, amely

a kötanyag segítségével már az elz réteghez is kapcsolódik, és ez a ciklus ismétldik automatikusan a termék elkészültéig. 38. Mi a fordított tervezés (reverse engineering)? A fordított mérnöki munka, angolul reverse engineering (RE) egy már létez tárgy konstrukciós szabályainak visszafejtése. Segítségével azonosíthatjuk azokat a szabályokat, amelyek mentén a tárgyat tervezték és elkészítették. A gyártóiparban ez általában a termék geometriájának, mködési elvének és néha a gyártás alapanyagának rekonstruálását jelenti. 39. Sorolja fel az RE 2 ipari alkalmazását! x x x x x

Prototípusok vagy már legyártott elemek korrekciója Gyártási folyamatok megtervezése egyedi termék alapján A gyártási folyamat minségének ellenrzése Egy adott termék dokumentációjának helyreállítása, létrehozása. Egyedi csomagolás létrehozása

vagy

40. Hogyan segít a RE a stylistok által tervezett termékek tervezésében? A küls megjelenés részletes kidolgozása a stylist dolga, aki agyag, gipsz vagy fa modellt használ. Ezután következik a digitalizáció, a mszaki dokumentáció elkészítése és a termék gyártásának beindítása. 41. Lehetséges, hogy egy létez termék kövesse egy már meglév termék geometriáját? Hogyan? Igen, a RE segítségével digitalizálhatjuk az eredeti terméket, majd ezen adatok alapján kifejleszthetjük az új terméket, amely alakja megegyezik a régi alakjával. 42. Hogyan értékelhetjük a termék geometriájának pontosságát az RE segítségével? A termék egészét vagy egy részének felületét digitalizálják, majd összehasonlítják az eredeti számítógépes modellel. 43. Ismertesse a digitalizációs eljárások osztályozásának két f módszerét! Annak függvényében, hogy a digitalizáció után milyen állapotban van a vizsgált tárgy, a módszereket destruktív és nem destruktív, a mszer és a tárgy közötti kapcsolat alapján pedig érintéses vagy érintésmentes kategóriára osztjuk.

44. Mikor használunk destruktív digitalizációs eljárást? A destruktív letapogatás módszerét akkor elfogadható, hogy a mérend tárgy elpusztul. 45. Az RE mely módszerei teszik lehetvé a vizsgált tárgy belsejének megismerését? Destruktív módszerekkel, röntgenes eljárásokkal (pl. számítógépes tomográfia), elektromágneses hullámok segítségével (MRI) és ultrahanggal. 46. Jellemezze a destruktív letapogatási eljárást! A destruktív letapogatás elve, hogy a tárgy ciklikus, vékony rétegekre vágása, majd a metszetek lefényképezése. A letapogatás eltt a tárgyat szilárdítható gyantával öntjük ki, amely megakadályozza a deformációt és biztosítja a megfelel kontrasztot a fényképezéskor. 47. Mi az érintéses letapogatás? Az eljárás elve, hogy a berendezés mérfeje kapcsolatban marad a mérend tárgy felületével, és méri a mérfejre ható ert. A letapogatás során a berendezés vezérlése állandó triggerert biztosít a mérfejben, észleli az eltéréseket, és azonnal kompenzál. Elektronikus, nagy felbontású konverterek észlelik a mérfej pozícióját, és ezt az adatot elküldik a számítógépnek 48. Miben áll az érintéses letapogatás hátránya? Az érintéses letapogatás f hátránya, hogy alkalmatlan a puha alapanyagból, pl. gumiból készült tárgyak mérésére.

49. Melyik digitalizációs eljárás a leggyorsabb? A letapogatás gyorsaságának tekintetében a leghatékonyabb megoldás a mérend tárgy teljes felületének egyidej digitalizációja, amely strukturált fény segítségével lehetséges.

50. A fordított tervezési módszerek (RE) segítségével történ digitalizáció esetén az adatok milyen formában állnak rendelkezésre? Pontfelh:

51. Nevezze meg az optikai, pont alapú eljárásokat! x Távolságmérés x Lézerradar x Pont alapú lézeres trianguláció 52. Hogy alakíthatunk át felületi modellt háromszög-hálóvá? A pontfelh poligonizálásával:

53. Jellemezze az érintéses szkennerek mérési képességeit! Az érintéses szkennerek a felületeket mérését különböz módokon kivitelezhetik, kezdve az egyszer geometriai méréseknél (hossz, átmér, szög, stb.) a kiválasztott felület 2D letapogatásán keresztül a különböz módokon kivitelezett 3D letapogatásig (X-tengely mentén,

Y-tengely mentén, bármely szögben vagy radiálisan). A digitalizálást kézi üzemmódban is elvégezhetjük, ekkor a mérfejet (ceruzát) kézzel vezetjük a mérend tárgy felületén. 54. Milyen elnyökkel bírnak a mérkarok más digitalizációs eljárásokkal szemben? A mérkarok f elnye – a más rendszerekhez viszonyítva alacsony áruk mellett – a mobilitás, hiszen nem minden esetben szállítható a mérend tárgy a mérlaborba. 55. Miket kell fontolóra venni a digitalizáció tervezésekor? A 3D digitalizáció els lépése a folyamat megtervezése. Ekkor választjuk ki a mérberendezést, a mérés módját és a kimeneti adatok formátumát, ekkor mérlegeljük a mérési stratégiát és a digitalizációs paramétereket. 56. Mikor elegend eredménye?

a

háromszögháló,

mint

a

digitalizáció

A háromszögháló, mint adatformátum lehetvé teszi a vizualizációt, pl. a virtuális valóság rendszerek számára, valamint másolatok készítéséhez. 57. Milyen adattípus a tipikus RE rekonstrukció eredménye? NURBS felületi modell.

Mechatronika. Modul 9: Gyors prototípusgyártás. Munkafüzet Jegyzet Oktatói segédlet. (Koncepció)

Recommend Documents