OPTIMALIZACE VÝROBY PROTOTYPŮ PŘI VYUŽITÍ TECHNOLOGIÍ RAPID PROTOTYPING

Transfer inovácií 25/2013

2013

OPTIMALIZACE VÝROBY PROTOTYPŮ PŘI VYUŽITÍ TECHNOLOGIÍ RAPID PROTOTYPING Ing. Tomáš Neumann Ing. František Tomeček Vysoká škola Báňská – Technická univerzita Ostrava 17. listopadu 15, Ostrava-Poruba, 708 33, ČR e-mail: [email protected] e-mail: [email protected] Abstrakt Článek pojednává o moderních trendech a možnostech při výrobě prototypových dílů pomocí jedné z technologií rapid prototypingu. Dále se zaměřuje na optimalizaci a nastavení jednotlivých parametrů, které výrazně ovlivňují kvalitu, čas tisku a mechanické vlastností zkušebních vzorku. Podle normy pro tahovou zkoušku byly na tiskárně 3D Touch vyrobeny zkušební vzorky z termoplastu. Vzorky sloužily k analýze mechanických vlastností. Součástí je i závěrečné zhodnocení jednotlivých vzorku a porovnání získaných parametrů. Klíčová slova: Rapid prototyping (RP), 3D tisk, prostorové modely, FDM technologie, vrstvení materiálu Abstract Article discusses the modern trends and possibilities in the production of prototype parts using technology called Rapid prototyping. It then focuses on the optimization and adjustment of the parameters that significantly affect the quality, printing time and mechanical properties of the test sample. According to the tensile test specimens were produced, which were used for the analysis of mechanical properties. Components is the final evaluation of each sample and comparing the received parameters .Key words: Rapid prototyping, 3D printing, spatial models, FDM technology, layering material ÚVOD Rapid prototyping (RP) neboli rychlé prototypování dnes proniká do celé řady odvětví. Stále častěji se s těmito metodami setkáváme nejen v automobilovém a leteckém průmyslu, ale i v takových oborech jako je medicína nebo stavebnictví. Historicky byly metody RP přijímány za průkopnické technologie právě v automobilovém a leteckém průmyslu, kde nahradily klasickou výrobu modelů a prototypů, čímž se výrazně zkrátila doba vývoje a výzkumu. Cílem RP je rychlejší zavedení výrobku na trh. Na zhotovených prototypech se nejčastěji ověřuje jejich funkčnost,

208

zástavbové rozměry, design, ergonomie a v případě sestav tzv. smontovatelnost. Prototypy slouží také pro prezentaci produktu cílovému zákazníkovi a testování zájmu o daný produkt. Nedílnou součást nachází i ve školství, jako názorné didaktické pomůcky. 3D tisk je jednou z forem RP. Velkou výhodou této metody, ve srovnání s konvenčními výrobními technologiemi, je svoboda při navrhování a tvorbě designu. Díky 3D tisku můžeme vyrobit objekty a tvary, které by byly konvenčními metodami nedosažitelné nebo příliš drahé. 3D tisk také šetří nemalé finanční náklady již ve fázi vývoje nových produktů, neboť pro zhotovení objektu nepotřebujeme žádné další nástroje, přičemž cena materiálu je v porovnání se strojním časem zanedbatelná. Nevýhodou metody je malá produktivita, z čehož vyplývá její nevhodnost pro sériovou výrobu. Ve výjimečných případech ale může být 3D tisk jedinou možnou výrobní metodou, která je schopná daný objekt zhotovit. V takových případech je snaha snížit předpokládaný výrobní čas všemi dostupnými prostředky již při virtuálním návrhu objektu. DĚLENÍ SYSTÉMU RAPID PROTOTYPING Systémy pro torbu rychlých prototypů pomocí 3D tisku lze rozdělit podle několika hledisek, kde převážně záleží na výrobním zařízení a použité technologií 3D tisku. Dělení dle výrobního procesu:  přírůstek hladin při použití laseru s vytvrzováním bod po bodu  přírůstek hladin bez použití laseru s vytvrzováním bod po bodu  přírůstek hladin zdola při použití laseru  přírůstek hladin bez použití laseru Dělení podle použitých materiálů:  tekuté materiály  práškové materiály (Powder-Based)  tuhé materiály (Solid-Based) Dělení dle použité technologie: V současnosti existují spousty metod tvorby modelů pomocí RP, některé jsou však pouze modifikace základních technologií. V další kapitole je stručný přehled nejpoužívanějších a zároveň nejrozšířenějších metod v průmyslovém použití Dělení dle systému přidávání materiálu:  po vrstvách  po kapkách

Transfer inovácií 25/2013

2013

PŘEHLED ZÁKLADNÍCH TECHNOLOGIÍ 3D TISKU

Podložka se posune dolů o tloušťku vrstvy a celý proces se opakuje.

Stereolitografie (SLA) [4] V současnosti patří tato metoda RP k nejpoužívanějším v průmyslovém využití. Model se staví z tekuté epoxidové pryskyřice. V tekutině je umístěna základová deska, na které je stavěn model tak, že laserový paprsek vytvrzuje po jednotlivých vrstvách konturu na hladině. Poté klesne základová deska o nastavený krok, proběhne urovnání hladiny kapaliny a pokračuje vytvrzení další vrstvy. Zároveň je stavěna podpůrná konstrukce, která zaručuje tvarovou stálost modelu. Na obr. 1 je názorně popsána podstata této metody. Zhotovené produkty mají poměrně vysokou přesnost a malou drsnost povrchu, zlepšení lze docílit i následným obráběním součásti. Mezi nevýhody SLA lze zahrnout pomalý proces tvrzení polymeru, malá tepelná odolnost materiálu a velmi vysoká pořizovací cena výrobního zařízení.

Multi-Jet Modelling (MJM) Princip metody je založený na nanášení jednotlivých vrstev termopolymeru postupně na sebe pomocí speciální tiskové hlavy. Tato speciální tisková hlava může být opatřena až 350 tryskami uspořádaných rovnoběžně vedle sebe. Tato metoda je efektivní a úsporná, díky velkému množství trysek je materiál nanášen rovnoměrně a tisk je velmi rychlý. Nevýhodou ovšem je malá přesnost modelu. [4] Fused Deposition Modeling (FDM) Metoda je založená na vytlačování pevné látky tryskou (tisková hlava), ve které se tento materiál zahřeje na tavící teplotu. Nové vlákno se přichytí na poslední vrstvu a okamžitě tuhne. Tisková hlava se pohybuje v souřadnicích x a y po vygenerovaných drahách, které byly předem zpracovány pomocí příslušného softwaru. Po dokončení jedné vrstvy se podložka sníží o výšku vrstvy a celý proces se opakuje až po dokončení součásti. Pro zvýšení stability složitějších modelu při tisku se využívá podpůrné konstrukce, která se tiskne z druhé tiskové hlavy (může být použit i jiný materiál). Nevýhodami této metody jsou velké výrobní časy modelu a omezená přesnost daná velikosti vlákna stavebního materiálu. Výhodami jsou jeho dostupnost, použití i v kancelářských prostorech, vysoká tepelná odolnost a pevnost vytištěného modelu.

Obr. 1 Podstata metody SLA [4] Solid Ground Curing (SGC) Metoda je založena na podobném principu jako metoda SLA s tím, že nanesená vrstva materiálu je vytvrzena pomocí UV lampy přes předem vyrobenou masku, celá najednou. [5] Selectiv Laser Sintering (SLS) Materiál je ve formě velmi jemného prášku natavován teplem, působením laserového paprsku v daném místě dochází k natavování a následnému slinování. Okolní nenatavený prášek slouží jako podpora pro model. Pomocí SLS je možné vytvářet součásti z plastů, pryže, kovu, keramiky a dokonce i ze speciálního písku. [5] Laminated Object Manufacturing (LOM, LM) Podstatou této metody je postupné laminátování jednotlivých vrstev. Materiál se používá fólie nebo napuštěný papír. Spodní část fólie je opatřena lepidlem, díky čemuž se přichytí k předešlé vrstvě. Následně laser vyřeže obrys požadovaného tvaru, přebytečná fólie propadne.

Obr. 2 Podstata metody FDM [4] 3D TISKÁRNA „3D Touch™ 3D Printer“ – technické parametry Tato tiskárna vychází z technologie 3D tisku FDM – tavení plastového materiálu, jeho vytláčení a nanášení horkou tryskou ve vrstvách. Tiskárna obsahuje 3 tiskové hlavy tzv. extrudery, které se můžou při tisku kombinovat a vytvářet různé barevné kombinace výsledného produktu. To

209

Transfer inovácií 25/2013

2013

také přispívá k tisku složitějších součásti, u kterých je potřeba umístit podpůrnou konstrukci aby se součást nezbortila. Podpůrná konstrukce je vytvářena jinou tiskovou hlavou než se tiskne samotná součást (jiná barva, jiný druh plastu apod.).

být povrch, který zajistí maximální kontakt se základní deskou. Výsledný trojrozměrný objekt vlastně vzniká vrstvením termoplastů do rovin XY (resp. skládáním příčných řezů určité tloušťky). 3D model byl vytvořen v programu Autodesk Inventor 2012. Základní rovinou byla vybrána XY, jejíž orientaci v modelu lze vidět na obr. 4. Nesprávně zvolená základní rovina lze i dodatečně opravit ve speciálním softwaru. Je vhodné, aby těžiště objektu při tisku bylo pokud možno co nejníže.

Obr. 3 3D tiskárna „3D Touch™ 3D Printer“ [2] Výhodou této tiskárny je její použitelnost v kancelářském prostředí, neboť při samotném tisku neprodukuje žádné škodlivé látky, jako je tomu u jiných technologií či velkých průmyslových 3D tiskárnách. Není nutné propojení tiskárny s PC, datová komunikace funguje přes USB disk. Po připojení výměnného disku se načte přímo předem upravený soubor a začne se tisk. Další její výhodou je nízká pořizovací cena a nízké náklady tisku, ovšem kvalita tisku není příliš dobrá v porovnání s průmyslovými tiskárnami stejné technologie. Tab. 1 Technické parametry tiskárny „3D Touch“ [2] Rozměry tiskárny (šxdxv)

515x515x598 mm

Hmotnost

38 kg

Příkon

60 W

Napájení

230V AC

Max. rozměr tištěného předmětu (XxYxZ)

185x275x201

Tisková rychlost

max. 15 mm /s

Tisknutelný materiál

PLA, ABS

Obr. 4 Vhodné umístění objektu Hotový model je nutno převést do formátu .STL (STereoLithography), který se používá pro rapid prototyping a podporuje ho většina CAD systémů. STL formáty popisují pouze povrchovou geometrii objektu a další informace například o barvě, jakosti materiálu apod. jsou ztraceny. Při převodu dat do STL formátu, může dojít k poškození souboru, je proto důležité při ukládání volit vhodné rozlišení a jednotky.

3

PŘÍPRAVA DAT PRO TISK Již před tvorbou 3D modelu bychom měli mít částečnou představu o tvaru budoucí součásti. První skica by pak měla být provedena v rovině XY, protože právě ta představuje nosnou desku, ze které začne součást vyrůstat. Správným situováním součásti lze například ovlivnit směr vláken, která rozhodují o pevnosti součásti. Základnou by měl

210

Obr. 5 Nevhodné umístění objektu

Transfer inovácií 25/2013

2013

Obr. 6 Převod modelu vytvořeného v Inventoru 2012 do STL formátu Další optimalizaci parametrů provedeme již v softwaru určeném pro 3D tiskárnu. V tomto případě v programu “Axon 2“. Zde je řada volitelných parametrů, které mohou značně ovlivnit kvalitu tisknuté součásti. Volíme si zde například tloušťku vrstvy, strukturu výplně, obsah materiálu apod.

1 .2 3 . . 4 .5 .6 . 7 .

V některých případech může být časový rozdíl tisku pro vlákno tloušťky 0,125 až pětkrát delší než pro vlákno tloušťky 0,5mm. Při návrhu součásti je třeba počítat i s nepatrným zvětšením rozměru v ose Z. Tuto změnu rozměrů způsobuje tloušťka pomocné podkladové vrstvy, se kterou je potřeba vždy počítat. Další pomocné prvky si program tvoří sám na základě vstupních informací. Vhodné je, aby podpůrný materiál pro pomocné prvky (např. pro vyplňování dutin) byl shodný se základním stavebním materiálem. V případě nedodržení této zásady se může výrobní čas rapidně prodloužit, neboť odlišný materiál musí být vytlačován z jiného extruderu, přičemž doba zahřátí tohoto extruderu na provozní teplotu prodlouží významně výrobní čas tisku. V poslední fázi optimalizace v programu Axon 2 je nutné uložit provedené nastavení, čímž se daná součást převede do formátu BFB. Tento formát již přímo komunikuje s 3D tiskárnou. EXPERIMENT

Obr. 7 Volitelné tiskové parametry, které ovlivňují kvalitu vytisknuté součásti (1 - tloušťka vrstvy; 2 – typ stavebního materiálu; 3 – typ pomocného materiálu; 4 – typy materiálu pro součást složenou z více druhu materiálu; 5 – hustota výplně; 6 – typ výplně; 7 – rychlost tisku) Vždy je potřeba si uvědomit, jakou přesnost od vyrobených komponentů očekáváme, a podle toho volit vhodnou tloušťku vlákna. Tloušťka vlákna (resp. tloušťka příčného řezu) ovlivňuje nejen pevnost vytisknuté součásti, ale také čas tisku.

Průběh experimentu Tímto testem jsme ověřili mechanické vlastnosti vytištěných vzorků v závislosti na kvalitě 3D tisku. Nejprve byl proveden tisk zkušebních vzorků na 3D tiskárně „3DTouch™ 3D Printer (Triple Head)“. Velikost a tvar zkušebních vzorků je přesně stanoven v normě ČSN EN 527, která pojednává o zkoušce tahem plastů. Tato norma udává tahové vlastností, při nichž jsou ze závislosti napětí/poměrné prodloužení stanoveny hodnoty modulu pružnosti při tahovém namáhání, meze pevnosti v tahu a dalších napěťových

211

Transfer inovácií 25/2013 a deformačních charakteristik [1]. Základní rozměry zkušebního vzorku jsou znázorněny na obr. 8.

Obr. 8 Tvar a velikost zkušebního vzorku Při tisku je důležité počítat i s poměrně malou, ale nezanedbatelnou podkladní vrstvou. Ta po dokončení tisku vytvoří na součásti nevzhledný otřep (obr. 9), který by samozřejmě nepříznivě ovlivňoval následnou tahovou zkoušku zvětšením průřezu zkušebního vzorku. Proto bylo nutné otřep mechanický odstranit pomocí skalpelu a další vzniklé nerovnosti lehce zabrousit.

Obr. 9 Zkušební vzorek s podkladní vrstvou v programu Axon 2 Vzorek byl následně podroben tahové zkoušce na trhacím stroji. Trhací rychlost byla stanovena na 5mm/min. Průběh tahové zkoušky pro jednotlivé vzorky je zaznamenán v grafu (obr. 12) a číselné hodnoty naměřených hodnot i výrobních časů 3D tisku jsou uvedeny v následující tabulce (tab. 2). Na obr. 11 je zobrazen detail kvality povrchu tištěných vzorků. Vzorek č. 1 byl natištěn s nejmenším přírůstkem vlákna 0,125 mm. Vizuálně i dotykem je možné rozpoznat jeho nejjemnější struktura s nejmenší drsností povrchu v porovnání se vzorky 2 a 3.

2013 Tab. 2 Naměřené hodnoty a výrobní časy Č. vzorku Barva Tl. vlákna [mm] Výrobní čas [min.] Stress peak [MPa] Force peak [N]

Vzorek 1

Vzorek 2

Vzorek 3

0,125

0,250

0,500

169

75

40

45,585

53,825

46,360

1823,4

2153,0

1854,4

Obr. 10 Průběh tahové zkoušky

Obr. 11 Detail kvality tisku zkušebních vzorků

Obr. 12 Pracovní tahový diagram pro zkušební vzorky 1, 2, 3

212

Transfer inovácií 25/2013

2013

Materiálové vlastnosti zkušebních vzorků Jak bylo již dříve uvedeno, zkušební vzorky byly vyhotoveny z materiálu PLA. Charakteristickou vlastnosti tohoto plastu je jeho plně biologická odbouratelnost, jelikož je vyráběn z kukuřičného škrobu nebo cukrové třtiny. Velkou přednosti je velmi malá deformace při tuhnutí, zároveň i za nižších tavících teplot je vytištěná součást pevná a jednotlivé vrstvy kvalitně spojené. Po vytištění lze dodatečně součásti z tohoto materiálu opracovávat běžnými konvenčními postupy (frézování, broušení apod.) avšak musí se zohlednit teplota tání tohoto plastu. Materiál lze snadno lakovat a natírat.

ZÁVĚR

Tab. 3 Parametry pro tisk PLA materiálu [3]

[1] ČSN EN ISO 527-1 Plasty – Stanovení tahových vlastností, Část 1: Základní principy

Tavící teplota Teplota pro tisk (běžná vrstva) Teplota pro tisk (základní mřížka) Teplota pro tisk (první vrstva)

190°C 210 – 220°C 195°C 200°C

Průměr vlákna

3 mm

Rychlost tisku

20 – 30 mm/s

Zhodnocení experimentu Cílem studie bylo posoudit, do jaké míry může konstruktér ovlivnit kvalitu součásti ještě ve fázi návrhu. Hlavním měřítkem při posuzování byla kvalita vytisknuté součásti (resp. jeho pevnost) ve srovnání s výrobním časem (resp. využitelností stroje), který má největší vliv na výslednou cenu součástí vyrobených 3D tiskem. Z experimentálně zjištěných dat vyplývá, že nejlepší mechanické vlastnosti vykazuje vzorek s tloušťkou vlákna 0,25. Představuje zároveň přijatelný kompromis ve srovnání s časovými nároky.

Výroba prototypů pomocí metod 3D tisku je finančně i časově méně náročné oproti klasickým konvenčním výrobním metodám. Toto plátí hlavně ve vývoji, výzkumu a samozřejmě i v samotné konstruktérské praxi. Přínosem tohoto článku je stručné shrnutí metod RP a seznámení čtenáře s podstatou základních technologií 3D tisku. Dále se zde zaměřujeme na správnou úpravu dat z CAD výstupu a optimalizaci v závislosti na výrobním čase tištěného modelu. POUŽITÁ LITERATURA A ZDROJE

[2] Bits From Bytes: 3DTouch 3D Printer [online]. 2012 [cit. 2013-03-30]. Dostupné z: http://www.bitsfrombytes.com/eur/store/bfb3dtouch-3d-printer-triple-head [3] Inteo: Materiály pro 3D tiskárny [online]. 2012 [cit. 2013-03-30]. Dostupné z: http://www.inteo.cz/pla-role-pro-tisk/ [4] Přehled technik využívaných při Rapid Prototyping: Učební text. Liberec: TUL, Katedra výrobních systému, 2012. [5] CHUA, C.K., LEONG, K.F., LIMC, S.Rapid Prototyping, World Scientific Publisher CO. PTE. LTD, 2003 [cit. 2009-04-20], 420 s, ISBN 981-238-117-1

213