Rapid prototyping technológiák – additív technikák Dr. habil Husi Géza, Dr. Szemes Péter Tamás
Készült: 2015.09.30.
A tananyag elkészítését "Az élettudományi- klinikai felsőoktatás gyakorlatorientált és hallgatóbarát korszerűsítése a vidéki képzőhelyek nemzetközi versenyképességének erősítésére" TÁMOP 4.1.1.C-13/1/KONV-2014-0001 számú projekt támogatta. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg.
1
TARTALOMJEGYZÉK
5.
ELMÉLETI ÖSSZEFOGLALÓ, A 3D NYOMTATÁS GYÁRTÁSTECHNOLÓGIÁJÁNAK FELVÁZOLÁSA ....................................................... 3 5.1.
Gyors Prototípusgyártás (Rapid Prototyping, RP) ............................................................3
5.2.
CAD Rendszerek ...............................................................................................................6
5.3.
Testmodellezés ..................................................................................................................9
5.4.
3D nyomtatásban használatos fájlformátumok ...............................................................12
5.4.1.
STL fájl ismertetése .................................................................................................13
5.5.
Az STL fájl feldolgozása nyomtatás előtt .......................................................................20
5.6.
A 3D nyomtatás technológiái ..........................................................................................20
5.6.1.
Sztereolitográfia (SLA, Stereolitographie) ..............................................................21
5.6.2.
Szelektív Lézeres Szinterezés (SLS, Selective Laser Sintering) .............................22
5.6.3.
Ömledék rétegezés (FDM, Fused Deposition Modelling) .......................................24
5.6.4.
Réteges kivágás és felépítés (LLM, Laminate Layer Manufacturing) .....................25
5.6.5.
3 Dimenziós Nyomtatás (3DP, 3-Dimensional Printing).........................................26
5.6.6.
Olvadékcseppes szemcsefelhordás (BPM, Ballistic Particle Manufacturing) .........27
5.6.7.
POLYJET Technológia ............................................................................................28
5.7.
A 3D nyomtató anyagok összefoglalása .........................................................................29
5.7.1.
RepRap Mendel i2 nyomtatóanyagai .......................................................................29
5.7.2.
PolyJet technológia nyomtatóanyagai ......................................................................33
5.8
3D nyomtatás Stratasys Objet Technológiával................................................................41
5.8.1
Gyakorlati nyomtatás folyamata Stratasys Objet 30 nyomtatóval ...........................46
TESZTKÉRDÉSEK ...................................................................................................................... 53 FELHASZNÁLT SZAKIRODALOM ......................................................................................... 54
2
5.
ELMÉLETI ÖSSZEFOGLALÓ, A 3D NYOMTATÁS GYÁRTÁSTECHNOLÓGIÁJÁNAK FELVÁZOLÁSA
5.1.
Gyors Prototípusgyártás (Rapid Prototyping, RP)
A gyors prototípusgyártási technológiákkal valós fizikai test hozható létre közvetlenül számítógépes virtuális test alapján. A virtuális testmodell kétféle módon állítható elő. Származhat valamilyen CAD rendszerből, ahol a testmodellt direkt módon előre definiált matematikai formulákat felhasználva megrajzolják. Illetve származhat valamilyen fordított mérnöki tevékenységből is, ahol már rendelkezésre áll a valós test, amit 3 dimenzióban leképeznek (beszkennelnek). A gyors prototípusgyártás legfontosabb jellemzője, hogy a hagyományosnak tekinthető megmunkálásokkal
szemben
(esztergálás,
fúrás,
marás,
…)
additív
módon,
azaz
anyaghozzáadással hozza létre a testet. A test felépítése rétegről rétegre, lépésenként történik. A rétegeket a test metszeti képeinek felelnek meg. Az anyag-hozzáadásos technika miatt a hulladékképződés elhanyagolható mértékű illetve egyes esetekben egyáltalán nincs. A prototípustestek gyártása több okból történhet. Elsődleges cél a vizualizáció, a termék megjelenésének, formavilágának ellenőrzése a test kézbevételével. Megteremti a kapcsolatot a mérnök, a menedzser és a vevő között, könnyebben eladhatóvá teszi a végterméket. A szubjektív nemtetszések,
ergonomikus
hiányosságok
hamarabb
kiderülnek.
Ezt
a
modellt
koncepciómodellnek nevezik, ami csak külső fizikai megjelenésében egyezik meg a kívánt végtermékkel. Másodlagos cél egy funkcionális modell létrehozása, ahol a test funkcióinak ellenőrzése valósul meg. Funkcionális modellnél már jóval nagyobbak a követelmények a prototípustesttel kapcsolatban. Itt kerül ellenőrzésre a szerelhetőség, csomagolhatóság és a szállíthatóság. A testmodell gyakran a végtermék anyagából készül el. Harmadik cél, amikor a prototípustest egy előzetes gyártás alapját képezi, például szerszám mintájául szolgál, aminek a felhasználásával megkezdődhet egy kis sorozatszámú előgyártás. Ezeket a testmodelleket általában valamilyen gyors prototípusgyártási technológiával hozzák létre. Az elképzelések gyors megvalósíthatóságának és a korai előteszteléseknek köszönhetően prototípustestek előállításával 3
jelentős mennyiségű pénz és idő takarítható meg. A gyors prototípusgyártási technológiákat rohamos fejlődésük és csökkenő áruk miatt az ipar egyre nagyobb területén használják, manapság főként az autóiparban. A gyors prototípusgyártási technológiák elterjedése maga után vonta a mérnöki tevékenységek, nézetek átalakulását. A termékfejlesztés alapvetően három fő szemléletmód szerint történhet: •
hagyományos tervezés
•
egyidejű mérnöki tervezés
•
gyors tervezés
A hagyományos tervezés esetén a prototípustest a termékfejlesztés utolsó fázisában készül el. Eddigre már a gyártástechnológiát kidolgozták és a szükséges anyagokat kiválasztották. A prototípustest lényegét tekintve már az első végtermék. A tervezési folyamat hátránya, hogy a hiányosságok illetve hibák csak a teljes tervezési és megvalósítási folyamatok után derülnek ki. Egy apróbb hiba korrigálása akár az egész gyártási folyamat módosítását is maga után vonhatja.
1. ábra Hagyományos tervezés menete (forrás: [14]) Egyidejű mérnöki tervezés (Concurrent Engineering – CE) esetén az első prototípustest a hagyományos tervezéshez képest hamarabb rendelkezésre áll. A tervezés valamilyen CAx rendszerrel történik, aminek köszönhetően egymással párhuzamosan is végezhetők a tervezési folyamatok. A párhuzamos munkavégzés miatt a tervezés ideje jelentősen lerövidül. Egyidejűleg tervezhet a konstruktőr, a technológus és a gyártási folyamattervező. Az első prototípustest legyártása a hagyományos tervezéshez hasonlóan a végső technológia kiválasztása után történik. 4
2. ábra Az egyidejű mérnöki tervezés menete (forrás: [14]) A gyors tervezés más néven egyidejű mérnöki tervezést jelent gyors tervezési módban (Concurrent Engineering in Rapid Engineering mode – RENG). Itt már a tervezés különböző lépcsőfokain rendelkezésre áll egyfajta fizikai modell, ami az előrehaladottságának megfelelően akár a prototípus szerepét is betöltheti. A prototípustest legyárthatóságának két feltétele van. Első, a 3 dimenziós virtuális test a tervezés különböző lépései alatt rendelkezésre álljon. Második, biztosított legyen megfelelő gyors prototípusgyártási technológia.
3. ábra A gyors tervezés menete (forrás: [14]) A gyors prototípusgyártás számos előnnyel és hátránnyal rendelkezik: Előnyök: •
a testmodell a hagyományos technológiákkal szemben olcsón és gyorsan előállítható,
•
már a tervezés korai szakaszában elkészíthető a testmodell, a tervezés további lépéseit
megkönnyítve,
5
•
összetett, bonyolult formákkal és szabad geometriákkal rendelkező test is egyszerűen és
gyorsan előalítható. Hátrányok: •
a testmodell mérete korlátozott,
•
a modellezésre használatos anyagok és tulajdonságaik végesek,
•
a testmodell mechanikai paraméterei csak bizonyos korlátok között felelnek meg a valós
test paramétereinek, •
az előállított modell pontosságát és felületi minőségét a kiválasztott technológia határozza
meg, • 5.2.
sok esetben utómunkálatok szükségesek. CAD Rendszerek
A CAD (Computer Aided Design) angol mozaikszó, számítógéppel segített tervezést jelent. Ide olyan szoftverek tartoznak, amelyekkel egyszerű műszaki elemek és összetett mechanizmusok is megtervezhetők. A mai modern CAD rendszerekkel a testek teljes tervezési folyamata a test geometriai megrajzolásától kezdve a konstrukciós összeállításon át a szimulációig elvégezhető. A programok átjárást biztosítanak egymás között. A 3 dimenzióban megtervezett testekből egyszerűen készíthető műhelyrajz, összeszerelési rajz, alkatrészlista és anyaglista. Kezdetben a CAD rendszerek csak 2 dimenziós rajzok készítését támogatták. Később viszont megjelent az igény 3 dimenziós rajzok készítésére is, ezért a 2 dimenziós rajzolóprogramokat felfejlesztették 3 dimenziós testek megjelenítésére. Az alapkoncepció szerint először megrajzolták a 2 dimenziós alakzatot, majd ebből generáltatták le a 3 dimenziós testet. A számítógépek gyors fejlődősének köszönhetően azonban idővel olyan CAD rendszerek jelentek meg a piacon, amelyek már közvetlenül támogatták 3D test létrehozását. Ezen programok elterjedésével párhuzamosan a rajzolás alapelve megfordult, miszerint a 2 dimenziós rajz generálása 3 dimenziós testmodellből történt. A testmodellek létrehozása előre definiált egyszerű alakzatokból történt (téglatest, kúp, henger, …) A tervezés további felgyorsítása érdekében könyvtárakat hoztak létre a gyakran előforduló elemek számára, így a tervezőmérnököknek már 6
nem kellett ezen alkatrészek megrajzolásával újra és újra foglalkozni. Az előre megrajzolt szabványos alkatrészek jelentőségére a CAD rendszerek szoftverfejlesztői is felfigyeltek. Termékük versenyképességének növelése érdekében már gyárilag a felhasználó rendelkezésére bocsájtották a gyakran használt alkatrészek 3 dimenziós modelljeit. A mai CAD rendszerek a parametrikus tervezést is lehetővé teszik, mely esetén a kívánt testmodell megrajzolása felváltva 2 és 3 dimenzióban történik. A parametrikus kifejezés arra utal, hogy a test méreteit nem csak konstans számokkal, hanem függvényekkel is megadjuk. A függvények bemeneti értékeit az előzőleg magadott konstans számok képzik. A parametrikus tervezés nagy előnye, hogy a test újrarajzolása helyett elég néhány méret megváltoztatása, mert a többit a program a függvények felhasználásával automatikusan újraszámolja. A paraméterek megadása miatt a rajzolás sorrenddel rendelkezik. A sorrendiség következtében a rajz gyökeres megváltozatása nehézkes, inkább célravezetőbb újra megrajzolni a testet. A mai CAD rendszerek a következő szolgáltatásokat nyújtják: •
geometriai modellezés
•
vizualizáció
•
háromdimenziós projektek létrehozása
•
projektek fejlesztése csapatmunkában
•
összeszerelési rajzok létrehozása több különböző alkatrészből
•
egymással kapcsolatban lévő alkatrészek illeszkedésének ellenőrzése
•
egy alkatrész megváltoztatása esetén az összes érintett rajz automatikus frissítése
•
automatikus műhelyrajz, alkatrészlista és anyaglista generálása
A CAD tervezési folyamat 6 fő lépésből áll: 1. lépés: Először
Igények felmérése összegyűjtik
a
tervezendő
termékkel
követelményeket. 7
szemben
támasztott
elvárásokat
és
2. lépés:
A probléma definiálása
Az előzőleg összegyűjtött információk alapján megfogalmazzák, hogy a termék előállítása várhatóan milyen nehézségekbe ütközik (szükséges-e egyedi szerszám legyártása, rendelkezésre áll-e megfelelő technológia) 3. lépés:
Szintézis
Ennél a lépésnél az összegyűjtött információkat rendszerezik és ezek alapján megtervezik a terméket. A CAD rendszerben geometriailag lemodellezik a terméket. 4. lépés:
Analízis és optimalizáció
A megtervezett terméket teszteknek vetik alá, ellenőrizve ezzel, hogy az első pontban megfogalmazottak teljesülnek-e. Ha nem teljesülnek a terméket a szintézis lépésére helyezik vissza. A CAD rendszerek beépülő szimulációs szoftverei segítségével mérnökileg elemzik a terméket. 5. lépés:
Kiértékelés
A tesztelés során nyert információkat és számadatokat kiértékelik. Elkészítik a dokumentációt. Ha a kiértékelés során a termékkel problémák lépnek fel, visszahelyezik a szintézis lépésére. 6. lépés:
Prezentáció
Bemutatják a megtervezett terméket. A CAD rendszerben megtervezett termékről különböző (pédául: műhelyrajzot) rajzokat generálnak.
8
4. ábra CAD tervezési folyamata (forrás: [14]) 5.3.
Testmodellezés
3D nyomtatáshoz szükséges egy virtuális 3 dimenziós test. A 3 dimenziós test, mint ahogy már ismertettem származhat valamely CAD rendszerből vagy fordított mérnöki tevékenységből. A 3 dimenziós virtuális testet meghatározó számadatok leírhatóak drótmodell, felületmodell és térfogatmodell módszerével. Drótmodell esetén a legegyszerűbb az adatok meghatározása, mivel a test csak a csomópontok és az azokat összekötő vonalak segítségével kerül leírásra. Két csomópont egymáshoz rendelésével előáll a test egy éle. A drótmodell előnye közé tartozik az egyszerűen leírható ezért gyorsan kezelhető adathalmaz. Hátránya hogy az ily módon leírt test esetében utószámítások nehézkesek. Ez azzal magyarázható, hogy a drótmodell nem a test igazi térfogatát, hanem annak csak él hálóját írja le. Az él hálók miatt a test felületét alkotó síklapok orientációja nem határozható meg. Az orientáció meghatározása plusz élek felvételével oldható meg. Drótmodell estén csak a csomópontok és az azokat összekötő vonalak kerülnek definiálásra.
9
5. ábra A test drótmodellje (forrás: [1]) Egy testmodell leírása a térfogatát határoló síklapok segítségével már jobb megoldásnak tűnik. Ennek ellenére felületmodellezéssel mégsem lehet a testet egyértelműen meghatározni. Ennek az a magyarázata, hogy testet körülvevő síklapok nem rendelkeznek irányítottsággal és vastagsággal. Emiatt a test térfogati megjelenéséről nem áll elő egyértelmű információ. További probléma felületmodell esetén akkor jelentkezik, ha a test felületét meghatározó síklapok élei nem érintkeznek egymással, azaz lyukas a test. Felületmodell esetén definiálásra kerülnek a csomópontok, az azokat összekötő vonalak és a zárt felületek.
6. ábra A test felületmodellje (forrás: [1]) Egyértelműen, teljes mértékben, későbbi számolásokra felhasználhatóan csak térfogatmodell segítségével lehet leírni egy testet.
10
7. ábra A test térfogatmodellje (forrás: [1]) Térfogatmodell előállítása napjainkban alapvetően kétféle technika terjedt el. Ez egyik megoldás a testmodell egyszerű geometriákkal (CGS, Constructive Solid Geometry), határfelületek definiálásával (Boundary Representation) és lépés technikával (Sweep-Technology) történő felépítése. A mai CAD (Computer-Aided Design) rendszerek ezeket megoldásokat vegyesen, egymással ötvözve használják, hibrid működést eredményezve. CGS módszernél a modellezet test egyszerű, előre definiált testmodellekből áll össze (téglatest, henger, hasáb, kúp, gömb, kúp).
8. ábra Két test uniója (forrás:
9. ábra Két test különbsége
10. ábra Két test metszete
[2])
(forrás: [2])
(forrás: [2])
Az elemi testmodellek listáját az alkalmazott szoftvercsomag befolyásolja. Egyszerűbb szoftvercsomagok általában a görbe felületeket nem támogatják. A kívánt testmodell előállításának módja, az elemi testmodellek boolean logikával (unió, metszet, különbség) történő egymáshoz rendelése. Egy test határfelületekkel történő definiálása esetén a test az egymástól elkülönülő zárt, akár íveltséggel is rendelkező felületei mentén kerül leírásra. A felület normálvektora befolyásolja, hogy a zárt felület melyik oldala képzi a test külső felületét. 11
11. ábra A test határfelületekkel történő definiálása (forrás: [15]) A másik megoldás a test voxel (Volume Pixel) módszerrel történő leírása, melynél a test nagyszámú, elemi méretű térfogategységekből épül fel. A voxelek lineárisan közelítik a testet.
12. ábra Gömb voxelekből felépítve (forrás: [3]) 5.4.
3D nyomtatásban használatos fájlformátumok
A piacon rengeteg CAD és gyors prototípusgyártó rendszer található. Annak érdekében, hogy valamely kódolási nyelven leírt virtuális test több rendszerben is megtekinthető és szerkeszthető legyen szabványosított formátumokat hoztak létre. A gyors prototípusgyártásnál és ebből fakadóan a 3D nyomtatásnál legelterjedtebben az STL (Strandart Triangulation Language) fájlformátumot használják. A formátum elsődleges célja megteremteni a kapcsolatot a CAD és gyors prototípusgyártó rendszerek között. A CAD rendszerekben az STL fájl tulajdonságiból fakadó okok miatt, alakzat közvetlen létrehozása STL formátumban körülményes, ezért az alakzatot valamilyen magas szintű rajzolóprogramban megrajzolják, majd STL formátumba átkonvertálják. STL fájl generálására alkalmas, modellezésben használatos programok, kiterjesztésükkel együtt: •
Pro/ENGINEER (.prt)
•
SolidWorks (.sldprt)
•
Rhino 3D (.3dm) 12
•
STEP (.setp/.stp)
•
IGES (.ifes/.igs)
•
Parasolid (.x_t)
•
ACIS (.sat)
•
Neutral (.neu)
•
Autodesk Inventor (.ipt)
•
Catia (.CATPart)
A színes 3D nyomtatók megjelenésével szükségessé vált új fájlformátumok bevezetése, melyek az alak mellett már az anyagminőség és szín lekódolására is alkalmas. Ilyen formátumok: •
amf (Additive Manufacturing File Format): a szín és anyagminőség mellett támogatja
a konstellációt és a rácsozást. •
obj (Object): az állomány zip tömörítésű
•
vrml (Virtual Reality Modeling Language): az állomány zip tömörítésű
•
3ds (3D-Studio): az állomány zip tömörítésű
5.4.1.
STL fájl ismertetése
Az STL (Strandart Triangulation Language, standard háromszögelési nyelv) formátumot a 3D Systems nevű cég fejleszttette ki a sztereolitográfiai gyors prototípus rendszeréhez. Egyszerűsége és pontos modellábrázolása miatt a 3D nyomtatás területén szinte szabvánnyá vált. Az STL fájlban lekódolt test nehezen módosítható, a legtöbb CAD rendszerben még a felületek sem másolhatók le, így igen alkalmas prezentációra a geometria kiszivárogtatásának veszélye nélkül. Az STL fájl a 3D modellnek csak a felületi geometriáját írja le, a szín, a textúra vagy egyéb tulajdonság nem őrződik meg. STL fájl generálása során a test felülete linearizálásra kerül, a test felülete apró háromszögek (kristálylapkák) írják le. STL formátumba történő konvertálás megkezdése előtt a legtöbb program felkínálja a konvertálási minőség beállítását. Részlet gazdag 13
alakzat esetén magasabb felbontás beállítása ajánlott. Természetesen magasabb felbontás nagyobb fájl mérettel jár együtt.
13. ábra Az STL kódolás különböző felbontásokkal (forrás: [4]) A kristálylapkák helye 3 dimenziós derékszögű koordinátarendszerben értelmeződik. A kristálylapkák a csúcsaiknál fogva kerülnek definiálásra. Ebből következik, hogy egy kristálylapka leírásához 3 pontra, azaz 9 koordinátára van szükség. A kristálylapkák határfelületet képeznek a test körül ezért a kristálylapkákkal leírt testnél egyértelműen meg kell határozni, hogy egy kristálylapka melyik oldala a test felülete. Ez redundánsan két módszerrel kerül meghatározásra. Egyik módszer a jobb kéz szabály, miszerint az a kristálylapka és egyben a test külső felülete, amelynél a kristálylapka pontjainak a sorrendjét az óramutató járásával ellenkezőleg látjuk. Másik módszer, a kristálylapka által meghatározott sík normálvektora a testből kifelé néz. Az orientáció megadása miatt egy kristálylapkához 12 koordináta tartozik. Fontos megemlíteni, hogy a CAD rendszerek legnagyobb része csak a pozitív koordinátákat értelmezi, azaz a testet a 3 dimenziós koordinátarendszer első tér nyolcadában helyezi el.
14. ábra Kristálylapka orientáció (forrás: [5])
14
15. ábra Kocka esetében a normálvektorok (forrás: [6]) A két szabály nincs szabványként rögzítve, emiatt különböző programok esetén eltérések lehetnek. 5.4.1.1. STL fájlkódolások Az STL fájl a koordinátákat kétféle keppen kódolhatja. Az egyik az ASCII kódolás, ami „emberbarátian” ASCII karakterekként tartalmazza a koordináta értékeket. Előnye: ember számára könnyen olvasható és értelmezhető. Hátránya: nagy a fájl mérete, a számítógépnek tovább tart értelmezni a kódot.
16. ábra ASCII kódolás (forrás: [7]) Egy fájlban több különálló test is lekódolható. Az összetartozó ezért a testet meghatározó kristálylapkák adatai a solid - endsolid kódok közé kerülnek. Egy kristálylapka adatai a facet normal endfacet kódok között szerepelnek. A csúcspontok x,y,z koordinátái a vertex kód mögött találhatók. A másik az bináris kódolás, ami a számokat bináris formátumban tartalmazza. Előnye: kevés helyet foglal, gyorsan értelmezi a számítógép. Hátránya: ember számára nehezen olvasható. A 15
fájl fejállománya 84 bájtból áll, az első 80 bájtja nem kódol geometriai adatot, egyéb információk számára szabadon felhasználható. A fájl 80-83. bájtján, 32 bites helyen a fájlban előforduló háromszögek száma tárolódik le. A fájl következő 50 bájtja float típusú változókban tartalmazza az első kristálylapka normálvektorát és 3 csúcspontjának koordinátáit x,y,z sorrendben. Az 48 és 49. bájt nem használt.
17. ábra Bináris kódolás (forrás [7]) STL fájl generálásánál fontos szabály, hogy bármely két szomszédos háromszögnek két csúcsa közös, azaz egy háromszög csúcspontja nem eshet egy másik háromszög oldalára.
18. ábra Hibásan meghatározott háromszögek (forrás: [5]) A háromszögek segítségével leírt test felület alkotó háromszögeknek invariánst kell alkotni, amit az Euler féle szabály a következőképpen ír le: •
a kristálylapkák számának [F] párosnak kell lenni 16
• • •
az élek számának [E] maradék nélkül osztatónak kell lenni hárommal teljesülnie kell: 2 × E = 3 × F
teljesülnie kell: F − E + V = 2 × B, ahol: 𝑉𝑉 a csúcspontok száma, 𝐵𝐵 a különálló szilárd
testek száma.
A szabályok bizonyítása a 15. ábrán szereplő kockára a következők: •
Egy kocka 6 oldallappal rendelkezik, egy oldallap két háromszöggel adható meg. Ezért a
kockát meghatározó kristálylapkák száma: 6 × 2 = 12
•
A kocka helyes leírása esetén a kristálylapkák az éleinél érintkeznek egymással, tehát
nincs rés köztük. Az élek száma = a kocka éleinek száma + az oldallapjainak száma, azaz 12 + 6 = 18. 18 maradék nélkül osztható 3-mal. • •
2 × 18 = 3 × 12 = 36, tehát a feltétel teljesül
12 – 18 + 8 = 2 × 1, a feltétel teljesül
1.4.1.2.
STL fájlformátumnál előforduló hibák
STL fájl generálásakor főképp ingyenes programok esetén előfordulnak konvertálási hibák. Ezeket a hibákat 3D nyomtatás során a szeletelő program jobb esetben észre is veszi és közli a felhasználóval. Egyszerűbb hibákkal a szeletelő program megbirkózik és kijavít. Bonyolultabb problémák esetén manuálisan kell a korrekciót végrehajtani. STL nézegető és javító programok a következőek: MiniMagics, Netfabb, Meshlab. Hibás test estén az STL nézegető programok a testet nem vízhatlannak nevezik. Az előforduló hibák a következőek: 1. Fordított normálvektor A test felülete igaz folytonos, viszont egy vagy több kristálylapka normálvektora az ellenkező irányba néz. Azaz a kristálylapka belső felülete a test külső felületére került.
17
19. ábra Fordított normálvektor (forrás: [8]) 2. Hiányzó felület A test nem rendelkezik zárt felülettel, nincs térfogata.
20. ábra Fordított normálvektor (forrás: [8]) 3. Nem érintkező élek A test lyukas, a felületét képező kristálylapkák oldalai nem érintkeznek egymással. A leggyakoribb hibák közé tartozik.
21. ábra Nem érintkező élek (forrás: [8]) 4. Egymást átfedő kristálylapkák A test felületét képező kristálylapkák vagy átfedik egymást vagy meg vannak duplázva. A test felülete redundánsan meghatározott.
18
22. ábra Egymást átfedő kristálylapkák (forrás: [5, 8]) 5. Összetorlódott testek. Legalább egy pont a térben két vagy több test belső pontját is képezi.
23. ábra Összetorlódott testek (forrás: [8]) 6. Felületek kereszteződése A térben nem egy síkban lévő háromszögek metszik egymást. A geometria helytelen megjelenítését is eredményezheti.
24. ábra Egymást metsző kristálylapkák (forrás: [5]) 7. Degenerált felületek A kristálylapka csúcspontjai kollineárisak, egy egyenesre esnek, tehát a 3 pont a sík helyett csak egy szakaszt határoz meg. A degenerált felületek letárolása feleslegesen megnöveli a fájlméretet illetve a szeletelő programok megtéveszthetik.
19
25. ábra Degenerált felület (forrás: [5]) 5.5.
Az STL fájl feldolgozása nyomtatás előtt
A 3D nyomtatás megkezdése előtt az STL formátumban lekódolt testmodell megfelelő előkészítést igényel. Mivel a 3D nyomtatás technológiái rétegről rétegre építi fel a valós fizikai testet, emiatt az STL formátumú virtuális testet is rétegekre kell felszeletelni. A szeletelést úgynevezett szeletelő programok végzik, melyek az STL formátumból CLI (Common Layer Interface) vagy SLI (StereoLithography Interface) formátumot hoznak létre. A szeletelő program a beállított rétegvastagságnak megfelelően rétegenként átpásztázza a virtuális testet. Rétegenként megkeresi a test kontúrvonalait és meghatározza, hogy a kontúrvonal melyik felén helyezkedik el a test. Ahol a test elhelyezkedik, ott kell az anyagfelhordást elvégezni. A rétegvastagság értékének megadása az adott technológiától és a test kívánt felbontásától függ. Alacsony rétegrend beállításánál a nyomtatás minősége szebb, viszont az időtartama megnő.
26. ábra A munkadarab előállításának folyamata (forrás: [1]) A szeletelő programok az adott 3D nyomtatás technológiájától függően szeletelésen kívül egyéb többletszolgáltatással is rendelkezhetnek. Bizonyos technológiák esetében a nyomtatást segítő támaszanyag generálása is szükséges. Valamint anyagtakarékossági megfontolásból üreges test létrehozásának a beállítását is itt lehet megadni. 5.6.
A 3D nyomtatás technológiái
20
5.6.1.
Sztereolitográfia (SLA, Stereolitographie)
Az eljárást 1982-ben C. Hull találta fel, ezzel megalkotta a mai 3D nyomtatók elődjét. Az első sztereolitografikus gépet 1987-ben az USA-ban a 3D-System cég készítette el. A sztereolitografikus nyomtatás működési elve, hogy bizonyos folyékony állapotban lévő műanyagok UV fény hatására megszilárdulnak, megvilágítás hatására beindul a polimerizációs reakció. A fény hatására megszilárduló műanyagokat fotopolimernek hívják. Fényforrásként általában 10-500mW teljesítményű 325nm hullámhosszú He-Cd lézert vagy 364nm hullámhosszú argon-ion lézert használnak. A lézerfény behatolási mélysége 0,1-0,3mm, rajzolási sebessége 500mm/s, fókuszálási pontossága meghaladja a 0,1mm-t. Az eljárás során a munkadarab egy függőleges irányban elmozduló tálcán épül fel. A tálca a süllyesztése folyamán egy folyékony fotopolimerrel feltöltött kádban mozog. A nyomtatás megkezdésekor a tálca 0,10,3mm mélyen besüllyesztik a folyékony műanyag szintje alá. A besüllyesztést követően egy fókuszált UV lézerfény a megkívánt helyen átvilágítja a tálca felületén található folyékony műanyagréteget. A megvilágítás helyén a fotopolimer megszilárdul. Egy réteg elkészültét követően a munkadarab a tálca segítségével ismét lejjebb süllyed a folyékony polimert tartalmazó kádban, majd a lézerfény ismét átfut a megkívánt vonal mentén. Ez a folyamat addig ismétlődik, míg a munkadarab el nem készül. Az előállítható rétegvastagság 0,05 és 0,1 mm közé esik. A munkadarabot az elkészülte után kiemelik a kádból. A kádban maradt folyékony műanyag újból felhasználható. A polimerizációs folyamat végső befejezése érdekében nyomtatás után a munkadarabot utókezelési kemencébe helyezik, ahol kikeményedve eléri kívánt végső anyagtulajdonságait. Kilógásokat és túlnyúlásokat tartalmazó munkadalok nyomtatása is lehetséges, viszont ebben az esetben külön támaszanyag használata szükséges, a nem kívánt elhajlások és vetemedések elkerülése érekében. A támaszanyagot a tálcán nagy pontossággal előre el kell helyezni, emiatt a használata nehézkes. A nyomtatás befejeztével a támaszanyagot manuálisan kell eltávolítani. A nyomtatási célra használható műanyagok csoportját és ezáltal az elkészült munkadarab tulajdonságait az korlátozza, hogy sztereolitografikus eljárásnál csak fényre keményedő műanyagot lehet felhasználni. Ennél a technológiánál egy nyomtatási folyamat alatt többféle műanyag felhasználása nem kivitelezhető, mivel egy más tulajdonságú fotopolimert helyileg kellene felvinni munkadarabra, mégpedig úgy, hogy a kádban lévő fotopolimerrel ne keveredjen. Ez kivitelezhetetlen.
21
27. ábra SLA technológia (forrás: [1]) A technológia előnye közé tartozik, hogy legyártott munkadarab jó méretpontossággal és felületi minőséggel rendelkezik, ami polírozással és ragasztással után munkálható. A technológia hátránya, hogy a munkadarab kicsi mechanikai szilárdsággal rendelkezik, az utómunkálat során nehezen zsugorodás tapasztalható. Az alapanyag drága. 5.6.2.
Szelektív Lézeres Szinterezés (SLS, Selective Laser Sintering)
Az SLS nyomtatási technológia 1992 óta ismert, melynél gyakorlatilag bármilyen por formában lévő anyag felhasználható, ami lézerfény hatására megolvad, majd a fényforrás (hőforrás) megszűnése után megszilárdul. A felhasználható anyagok skálája nagyon széles: műanyag (nejlon, polikarbonát, viasz), homok, fémporok, és kerámiaszerű anyagok. A felhasználható anyagok sokfélesége miatt ezzel a technológiával lehet a legtöbbféle anyagot 3D nyomtatásra felhasználni. Az elkészült munkadarabok a technológiából fakadóan hő hatására elvesztik mechanikai szilárdságukat. Minél magasabb olvadáspontú anyag kerül felhasználásra, annál költségesebb az előállított test. Legelterjedtebben felhasznált anyag a poliamid, ami relatív alacsony olvadásponttal, rossz hővezető képességgel és jó mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik. SLS technológiával poliamidból előállított munkadarabok tulajdonságai szinte megegyeznek a szintén poliamidból, de hagyományos technológiával nagy számban gyártott munkadarabokéval. SLS technológia esetén az előre elterített porrészecskéket egy megfelelően 22
pozícionált lézersugár átpásztázza. Ahol a porréteget lézerfény éri, ott a porrészecskék egymással és az alattuk lévő réteggel összeolvadnak. Egy réteg elkészülte a gép felhordja a következő porréteget, amit a lézerfény ismét átpásztáz. Ez a folyamat addig ismétlődik, míg a test el nem készül. A munkadarab elkészülte után a port el kell távolítani, ami újra felhasználható. A portartó segítségével a porréteg felhordásával egyidejűleg annak tömörítése is megtörténik. A nyomtatás finomságát nemcsak a lézerfény vastagsága, hanem a felhasznált por anyaga is meghatározza. Nagy felbontású nyomtatás alacsony olvadáspontú és alacsony hővezető képességű anyaggal biztosítható, mert az olvadt pont átmérője így a legkisebb. Az SLS technológia előnye a széles anyagfelhasználás mellett abban rejlik, hogy a nyomtatás folyamán a munkadarab állandóan porral van körülvéve, ami támasztó funkciót is betölt, tehát támaszanyag használata szükségtelen. Az itt alkalmazott lézer teljesítménye általában 50W, ami két nagyságrenddel nagyobb az SLA technológiánál használttal szemben. A lézerfényt egy 10,64μm hullámhosszú CO2 lézer biztosítja. A lézerfényt 0,5mm átmérőjűre fókuszálják be, így 0,05-0,25mm méretpontosság biztosítható, mozgási sebessége 1000mm/s.
28. ábra SLS technológia (forrás: [1]) A technológia előnye a magas anyagválaszték illetve a munkadarab jó mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik. A technológia hátránya a hosszadalmas elkészülési idő, a pontosságot és a felületminőséget a szemcseméret befolyásolja, a munkadarab később zsugorodik.
23
Megfelelő lézerfény, megvilágítás és anyag esetén lehetőség nyílik fém munkadarabok nyomtatására is, melyre kétfajta eljárás áll rendelkezésre. Az egyik az indirekt SLS technológia, melynél a fémrészecskék a fémrészecskénél alacsonyabb olvadáspontú termoplasztikus anyaggal van bevonva. A munkadarab építése során a lézerfény csak a termoplasztikus anyagot olvasztja meg. A kinyomtatott tárgy kívánt mechanikai tulajdonságának beállítására utólagos hőkezelés szükséges. A másik a direkt SLS technológia, amelynél csak fémport használnak. A fémpor lehet ötvözet vagy tiszta fém is. Csak fém esetén utólagos kezelés szükséges. 5.6.3.
Ömledék rétegezés (FDM, Fused Deposition Modelling)
Az FDM típusú nyomtatók az extrúzió elvén működnek. Az SLA és SLS technológiával ellentétben itt munkaanyag felhordása csak a kívánt helyre történik.
29. ábra FDM technológia (forrás: [1]) Ennél a technológiánál termoplasztikus anyagot vezetnek át egy extrúderfejen. Az extrúderfej a termoplasztikus anyagot a lágyulási hőmérséklete fölé hevíti, ezáltal a megolvadt anyag az extrúder vékony kivezető ki tud áramlani. Ezt a kiáramló anyag térbeli mozgatását egy plotter mechanizmus biztosítja. FDM típusú nyomtatóknál egyszerre több extrúderfej is használható, így többféle színű munkadarab előállítható külön támaszanyag használata mellett is. A megolvadt anyag magas viszkozitása és gyors kihűlése miatt támaszanyag használata nem minden esetben indokolt. A túllógás szöge a 45°-t is elérheti. A támaszanyag kétféle lehet. Építhető magából a termoplasztikus anyagból, ami később mechanikus eltávolítást igényel. Valamint építhető vízoldható műanyagból is, melyet a nyomatás elkészültét követően vízben ki 24
kell oldani. Az alapanyagként használt hőre lágyuló szál átmérője 1,75mm és 3mm. A nyomtatási rétegrend 0,025mm és 1,25mm közé esik. A nyomtatási sebesség a 380m/s. Nyomtatási pontosság 0,125mm. Nyomtatási anyagként PLA, ABS, nejlon, és polikarbonát is felhasználható. Nyomtatási folyamat során lehetőség kínálkozik a munkaanyag típusának és színének váltására akár egy rétegen belül is. A munkaanyag váltása relatív sok időt igényel, valamint a nehezen biztosítható az egysíkúság. A technológiára jó teljesítmény-ár viszony jellemző, mivel az alapanyag relatív olcsó, az elkészült munkadarabon utómunkálat nem szükséges. Fontos előnye, hogy irodai környezetben is használható. A technológia hátránya közé tartozik, hogy a finom, részlet gazdag test előállítása nem lehetséges, lassú működésű, a felületi minőség rossz. 5.6.4.
Réteges kivágás és felépítés (LLM, Laminate Layer Manufacturing)
Másik
nevén
LOM
(Laminated
Object
Manufacturing).
Az
előzőekben
ismertetett
technológiákhoz képest ez hibrid megoldással dolgozik. A rétegek felépítése hő és nyomás behatása alatt fóliák egymásra ragasztásával történik. A ragasztóanyagot vagy a plotter juttatja fel a fóliára, vagy már a fólián eredetileg rajta van. A rétegek egymáshoz préselése és ezzel a biztos összeragadása vasalóhengerrel történik. A préselést követően a megfelelően pozícionált lézerfény kivágja a kívánt formát, és a felesleges részeket feldarabolja. A felesleges részek feldarabolása azért szükséges, hogy az elkészült munkadarabról annak sérülése nélkül eltávolítható legyen. A felesleges részek indirekt módon a felépítési folyamat alatt támaszanyagként is szolgálnak. Fóliaanyagként a gyakorlatban papírt használnak, ami fahatású terméket eredményez. Papír mellett fém fóliát és fémlemezt is használnak. Egy rétegen belül többféle alapanyag nem alkalmazható. A rétegenkénti alapanyagváltás fizikailag megoldható, viszont az alapanyag előkészítése és az élőmunka igénye miatt nem éri meg.
25
30. ábra LOM technológia (forrás: [1]) A LOM készülék esetén 20-50W teljesítményű CO2 lézert használnak. Minimális rétegvastagság, a munkadarab mérettartása 0,12mm. Építési sebesség ~100 réteg/óra. A technológia előnye közé tartozik, hogy a kezelési költség és az alapanyag olcsó. Utókezelés nem szükséges. Mivel a lézerfény a test kuntúrját vágja ki emiatt a belső keresztmetszet érintetlenül marad, ezért relatív gyors működésű. Hátrányai között megemlíthető, hogy nagy mennyiségű hulladék keletkezik. Öreges testek kialakítása a munkadarab feldarabolása mellett lehetséges. A munkadarab nedves környezetben nem alaktartó. A LOM eljáráshoz nagyban hasonlít a SOM eljárás (Stratified Object Manufacturing). A SOM eljárásnál egy CNC vezérelt gép segítségével vágják ki a rétegeket, amiket később egymásra illesztenek. A technológia előnye közé tartozik, hogy a rétegek szinte tetszőleges anyagból is nagy pontossággal legyárthatók. Hátránya, hogy a rétegeket a legyártásukat követően egymásra kell helyezni (nem a gép végzi). 5.6.5.
3 Dimenziós Nyomtatás (3DP, 3-Dimensional Printing)
A 3 dimenziós nyomtatás az USA-ban Massachusetts-ben került kifejlesztésre. Az eljárás nagyban hasonlít az SLS technológiához, miszerint egy poralapú anyagot rétegenként felhordanak, majd a kívánt helyen összeolvasztanak. A rétegek megszilárdítására lézerfény helyett piezzo nyomtatófej által cseppenként feljuttatott kötőanyagot alkalmaznak. Külön támaszanyag használatára nincs szükség, mivel a munkadarabot körülvevő por támaszanyagként szolgál. Ezzel a technológiával nagyon sokféle anyag felhasználható. Fontos kikötés, hogy a nyomtatásra szánt anyag por formájában tárolható, valamit a hozzá alkalmas ragasztóanyag kis 26
mennyiségben adagolható legyen. A munkadarab készülhet fémből, kerámiából, homokból és gipszből is. Porózus anyagok felhasználása esetén a kapott munkadarab gázáteresztő tulajdonsággal
rendelkezik.
Porózusos
anyagok
gázáteresztő
képessége
ragasztóanyag
átitatásával szüntethető meg. Funkciót betöltő alkatrészeknél a kívánt mechanikai tulajdonság eléréséhez utókezelés szükséges.
31. ábra 3DP technológia (forrás: [1]) A fém munkadarabokat gyakran szinterelik, magas nyomáson hevítik. A technológia nagy előnye, hogy a nyomató egységek számának növelésével meggyorsítható a nyomtatási folyamat. Nyomtatófejeket alakítanak ki, amiken a nyomtatócsövecskéket mátrix alakban helyeik el (hasonlóan a tintasugaras nyomtatókhoz). A nyomtatófejnek köszönhetően (a színes tintasugaras nyomtatókhoz hasonló módon) lehetőség van többféle színű és tulajdonságú kötőanyag használatára, ezáltal színes és inhomogén mechanikai tulajdonságú munkadarab is kivitelezhető. Legkisebb biztosítható rétegvastagság 0,18mm, a nyomtatófej mozgási sebessége nyomtatás a folyamat alatt 0,1-20m/s. Folytonos minta setén a felépítési sebesség 270mm/h, míg bonyolult megszakításokat tartalmazó minta esetén csak 20mm/h. A technológia hátránya közé tartozik, hogy a belső felülethez hozzáférni nehéz, a felületi minőség korlátozott. 5.6.6.
Olvadékcseppes szemcsefelhordás (BPM, Ballistic Particle Manufacturing)
A technológiát 1994-ben a Solidspace cég kezdte el fejleszteni, majd a később a Sanders Prototype cég ModelMakerII néven hozta forgalomba. Az eljárások a 3D nyomtatáshoz hasonlóan piezzo elektromos fejet használ az anyagfelhordásra. Ellenben ennél a technológiánál 27
a munkadarab felépítéséhez szükséges anyagot teljes mértékben a nyomtatófej biztosítja. A kinyomtatott
munkadarabok
méretpontossága
kiemelkedően
jó.
Egy időben
többféle
tulajdonságú nyomtatóanyag is használható, ezáltal inhomogén test is kivitelezhető. A nyomtató két fűthető piezzo fejből (az egyik a nyomtatóanyag a másik a támaszanyag feljuttatásáért felelős), egy Z tengely irányában elmozdulásra képes asztalból és egy simítóhengerből áll.
32. ábra BPM technológia (forrás: [1]) A nyomtatási folyamat során a megolvasztott nyomtatóanyag a piezzo fej segítségével cseppenként kerül felhordásra. Nyomtatási anyagként csak alacsony olvadáspontú és viszkozitású termoplasztikus anyagot alkalmazható, a gyakorlatban viaszt használnak. A simítóhenger feladata a kinyomtatott réteg felületi egyenlőtlenségének megszüntetése, a felület előkészítése a következő réteg felhordására. 5.6.7.
POLYJET Technológia
Az PolyJet technológiát az izraeli Objet Geometries Ltd. fejlesztette ki. A munkadarab felépítését az előző eljáráshoz hasonlóan teljes mértékben a nyomtatófej végzi. A kinyomtatott munkadarabok méretpontossága ennél a technológiánál a legjobb, 0,05mm. A világon ez a technológiával érhető el a legvéknyabb rétegrend, 16μm. Legvéknyabb nyomtatható függőleges fal vastagság 0,6mm. A nyomtatófejben százas nagyságrendnyi mennyiségű piezzo fúvóka helyezkedik el. A nagyszámú fúvókának köszönhetően az előző eljáráshoz képest jelentősen gyorsabb a nyomtatás. Nyomtatóanyagként UV fény hatására térhálósodó (megszilárduló) műanyagot, polyakrilt használ. Nyomtatás során a 19kHz-en is működő piezo elektromos adagolók a megfelelő helyre lövik a műanyagcseppeket, amik az UV fény hatására megszilárdulnak. A 3D nyomtatás folyamán mielőtt a következő réteg kinyomtatásra kerülne, a 28
friss réteg levilágításra kerül. A levilágítás mértéke olyan, hogy a térhálósodás csak 70%-ban mennyen végbe. A harmadik réteg levilágítása során az első réteg térhálósodása eléri a 90%-ot. A test kinyomtatása után végső levilágítás történik, ahol a térhálósodás 100%-ban végbemegy. A lépcsőzetes térhálósítás a rétegek egymáshoz tapadása miatt indokolt. Támaszanyag építhető magából a nyomtatóanyagból, de más külön csak támasztási célt szolgáló anyagból is. A technológia csendes, irodai környezetben is használható.
33. ábra Objet technológia (forrás: [13]) 5.7.
A 3D nyomtató anyagok összefoglalása
A dolgozat írásának időpontjában az iskola egy ömledékrétegezés (FDM, Fused Deposition Modelling) elvén működő, nyílt forráskódú Reprap Mendel i2 nyomtatóval és a Stratasys gyártmányú professzionális, PolyJet technológia elvén működő Objet30 nyomtatóval rendelkezett. Ennek okán e két nyomtatóhoz használatos anyagokat ismertetem. (A nyomtatóanyagok tulajdonságainak összefoglaló táblázata a mellékletben található.) 5.7.1.
RepRap Mendel i2 nyomtatóanyagai
Az alapanyag felcsévélt formában, tekercsben vagy méterre kimérve vásárolható. A rendelkezésre álló anyagok színe gyakorlatilag tetszőleges. Kétféle átmérőben d=1,75mm és d=3mm árulják. Az d=1,75mm átmérőjű az USA-ban elterjedtebb. Az alapanyagot megbízható helyről célszerű beszerezni, a jó nyomtatási minőség garantálása érdekében. A szállal előforduló problémák: a szál változó keresztmetszetű, kör helyett ellipszis alakú, légbuborékokat vagy egyéb szennyező anyagot tartalmaz. A változó keresztmetszet és alak változó térfogatáramot
29
eredményez. A szennyezőanyag akár el is dugíthatja az extrúdert. A rendelkezésre álló anyagok a következőek:
34. ábra Különböző színű nyomtatóanyagok (forrás: [9]) PLA (Polylactic Acid) Az ABS mellett leggyakrabban használt nyomtatóanyag. Nem mérgező, a hétköznapi életben ételtároló edények formájában találkozhatunk vele. A legkörnyezetbarátabb nyomtatóanyagként tartják számon. Kukoricakeményítőből és cukornádból készül, a természetbe visszakerülve elbomlik. Lágyulási hőmérséklete 60°C - 65°C, olvadási hőmérséklete 180°C - 220°C. A nyomtatás során fűtőágy használata nem feltétlenül szükséges. Az első réteg biztos megtapadása érdekében az ágyat kapton szalaggal célszerű bevonni. Az anyagtulajdonságot és a nyomtatási paramétereket a szín nagymértékben befolyásolja. A sárga és a fekete színű PLA a hajlítást relatív jól bírja, míg a kék és a zöld hamar elpattan. Sárga színű PLA-val 196°C-on a legpontosabb a nyomtatás. Az extrudálás során a kék színű PLA-ban előfordulhat buborékképződés. A piros színű PLA megolvasztva a legragadósabb. Gyártják rideg és rugalmas formában is. A rugalmas PLA-ból nyomtatott munkadarab gumiszerű. ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) A másik leggyakrabban használt anyag. A LEGO építőjáték is ABS-ből készül. A PLA-hoz képest kevésbé törékeny, extrúdálása kisebb erőt igényel. Amorf anyag, emiatt pontos lágyulási és olvadási hőmérséklettel nem rendelkezik. Lágyulási hőmérséklete ~105°C, olvadási hőmérséklete 200°C – 250°C. A nyomtatás során füstképződés tapasztalható. A keletkező füst az érzékenyebb emberek veszélyes, emiatt a füstgáz elvezetéséről gondoskodni szükséges. 30
Acetonban oldódik, ennek köszönhetően a kinyomtatott munkadarab felülete kifényesíthető. ABS-el történő nyomtatás során fűtőágy használata feltétlen szükséges. A munkadarab csak az ágy kihűlését követően távolítható el. Az első réteg biztos megtapadása érdekében az ágyat kapton szalaggal, hajlakkal vagy acetonban feloldott ABS-el javallott bekenni. PVA (Polyvinyl Alcohol) Áttetsző sárgás színű anyag, vízben oldható. Vízoldható tulajdonsága miatt főként támaszanyagként használják PLA mellett. Lágyulási hőmérséklete ~85°C, olvadási hőmérséklete ~180°C. 200°C fölé melegítve gyorsan elbomlik.
35. ábra PVA szál (forrás: [9]) HIPS (High Impact Polystyrene) Anyagtulajdonságait
tekintve
nagyban
hasonlít
az
ABS-hez,
emiatt
ABS
mellett
támaszanyagként használják. A HIPS citromsavban oldható, kioldódási ideje a kinyomtatott test nagyságától függően 8 - 24 óra. Lágyulási hőmérséklete ~115°C, olvadási hőmérséklete 230°C 250°C. Nylon Alapvetően fehéres színű, áttetsző anyag. A felhasználását megnehezíti, hogy nedvességre érzékeny, emiatt az alapanyag tárolása száraz helyen, légmentesen elzárt csomagolásban ajánlott. Üvegre nem tapad, ezért nyomtatási ágyként gyalulatlan deszkát használnak. Olvadási hőmérséklete ~245°C. Textilfestékkel színezhető. PC (Polycarbonate)
31
Erős, szívós és mechanikailag ellenálló anyag. Alapvetően golyóálló üvegek előállításához használják. Jól bírja a hajlítást. Szabad levegőn tartás esetén a levegő nedvességtartamát megköti. Felhasználása előtt célszerű 120°C-on kiszárítani. Lágyulási hőmérséklete 120°C -130°C, olvadási hőmérséklete 250°C - 300°C. Jól tapad kapton szalaghoz és oldott ABS-el bekent üveglaphoz. Bendlay Polikarbonáthoz hasonlóan átlátszó anyag. Áttetsző tárgy nyomtatható belőle. Alternatívája lehet a puha PLA-nak. Lágyulási hőmérséklete 65°C – 70°C, olvadási hőmérséklet 217°C – 238°C. Jó tapadási tulajdonságokkal rendelkezik, könnyű nyomtatni vele. TPE
36. ábra PTE-ből készült telefontok (forrás: [12]) Rugalmas, gumiszerű anyag. Hajlításnak kitett test nyomtatható belől pl: dugó, szíj, rugó, telefontok. A fűtőágy javasolt hőmérséklete 20°C – 50°C. Nyomtatási hőmérséklet 210°C – 230°C. Jó tapadási tulajdonsággal rendelkezik. LAYWOO-D3 A belőle készült munkadarab fa hatását kelti. Pozitív tulajdonsága, hogy a test igény szerint utólagosan festhető és ragasztható. Az alapanyag többféle színárnyalatban kapható. A szín a nyomtatási hőmérséklettel is befolyásolható, emelésével sötétebb árnyalatot kap a test. A LAYWOO-D3 anyagösszetételét tekintve műanyagban elkevert fa por. Nyomtatási hőmérséklete 175°C és 250°C esik. Jól ragad, fűtőágy használata nem szükséges.
32
37. ábra Fahatású nyomtatott test (forrás: [11]) LAYBRICK Főleg az építészek használják épületmodellezésre. A belőle készült test felülte durva, homokszerű, utólagosan festhető.
38. ábra Benslay-ből nyomtatott test kifestve (forrás: [9]) Nyomtatási hőmérséklete 165°C és 190°C közé esik. A nyomtatási hőmérséklet emelése a felület durvulását vonja maga után. Nyomtatás fűtőágy nélkül is lehetséges. Ajánlott rétegvastagság 0,10,4mm. A munkadarab kihűlési ideje 2 - 3 óra. A Laybrick anyagösszetételét tekintve kopoiészterben elkevert mészkőpor. 5.7.2.
PolyJet technológia nyomtatóanyagai
PolyJet technológiában használt, UV fényre térhálósodó folyékony polyakril nyomtatóanyagokat zárt tartályokban (flakonokban) tárolják. Pontos összetételük nem publikus. A nyomtatáshoz használható anyagok listája tágas, folyamatosan bővül. A végtermék színe és anyagminősége széles határok között változhat. A PolyJet nyomtatóanyagok felhasználási területük szerint négy fő családba sorolhatóak, melyek különböző fantázianevek alatt tovább bonthatók. 1)
Általános célú, modellezésben használatos anyagok 33
a)
Rideg és átlátszatlan
•
Vero Family
•
Vero Color
b)
Rideg és átlátszó
•
RGD720
•
VeroClear
c)
Szimulált polipropilén
•
DurusWhite
•
Endur RGD450
d)
Gumi
•
Tango Family
2)
Mérnöki célra használatos anyagok
a)
Digital ABS Green, Digital ABS2 Green
•
RGD5160-DM, RGD5161-DM
b)
Digital ABS Ivory, Digital ABS2 Ivory
•
RGD5130-DM, RGD5131-DM
c)
Magas hőmérsékletű
•
RGD525
3)
Orvostudomány területén használatos anyagok
a)
hallás területén használatos anyagok
b)
fogászati területen használatos anyagok
34
•
VeroDent, VeroDentPlus
•
VeroGlaze
c)
merev biokompatibilis anyagok
•
Clear Bio
4)
Támaszanyagok
a)
SUP705
b)
SUP707 (használható: VeroWhitePlus, VeroGray, VeroBlue, VeroClear)
Az Objet30 típusú nyomtatóhoz a Stratasys nyomtatóanyag – nyomtató táblázata szerint csak az általános célú, modellezésben használatos anyagok használhatóak, ezen belül is csak a Vero Family és a DurusWhite nyomtatóanyagok. Támaszanyagként csak SUP705 elnevezésű alkalmazható. Vero Family A Vero Family fantázianevű nyomtatóanyagok közös tulajdonsága, hogy a segítségükkel a lemodellezett testhez nagymértékben hasonló, részlet gazdag test állítható elő. Az éleket jól visszaadja. A kinyomtatott test nagy szilárdsággal és megfelelő rugalmassági modulussal rendelkezik. A hozzá használatos támaszanyag könnyen eltávolítható róla. A Vero Family négyféle nyomtatóanyagot foglal magába, melyek egyszerű megkülönböztethetősége érdekében különböző színűek. VeroWhite Mint ahogy a nevében is szerepel fehér színű nyomtatóanyag.
35
39. ábra VeroWhite nyomtatóanyagból készült test (forrás: [13]) Legfőképpen marketing és orvosi célú (főképp a sebészet területén) testmodellezésnél használatos. Segítségével egymással összerakható és egymáson elmozduló alkatrészek is előállíthatóak. VeroBlue Kék színű nyomtatóanyag. Fogyasztói termékek, játékok, számítógép alkatrészek, épületek modellezése területén használatos. Számítógép alkatrészeknél elsődleges cél az egymás mellett lévő alkatrészek illeszkedésének ellenőrzése. Szilikon öntőforma és elektromos készülékeknél használatos alkatrészek is készíthető belőle. Segítségével egymással összerakható és egymáson elmozduló alkatrészek is előállíthatóak.
36
40. ábra VeroBlue nyomtatóanyagból készült test (forrás: [13]) VeroGrey Világosszürke színű. Felhasználási köre a VeroBlue anyaghoz nagyon hasonló.
41. ábra VeroGray nyomtatóanyagból készült test (forrás: [13]) Műanyag szimulációhoz, illeszkedés ellenőrzéshez és elektromos berendezések alkatrészeinek vizuális ellenőrzéséhez (összerakhatóság ellenőrzése) használják. A Vero családon belül, ez a nyomtatóanyag rendelkezik a legnagyobb szakítószilárdsággal és rugalmassági modulussal. VeroBlack Fekete színű. Játékok, elektromos berendezések, számítógép alkatrészek modellezésére használják. Ékszerek látványtervezésére leginkább alkalmas nyomtatóanyag.
37
42. ábra VeroBlack nyomtatóanyagból készült test (forrás: [13]) Segítségével egymással összerakható és egymáson elmozduló alkatrészek is előállíthatóak, tesztelve ezzel az összeállított rendszer mechanikai működőképességét. A Vero családon belül ennek az anyagnak a legkisebb a vízmegkötő képessége. DurusWhite Polipropilén alapú nyomtatóanyag. Szilárd, rugalmas és szívós tulajdonságú test nyomtatható belőle. A Vero családhoz képest magas szakadási nyúlással és ütési munkával rendelkezik. A Vero családdal ellentétben viszont alacsonyabb hőmérséklettartományban használható.
43. ábra DurusWhite nyomtatóanyagból készült test (forrás: [13])
SUP705 támaszanyag A nyomtatóanyagokhoz hasonlóan ez is fotopolimer. Támaszanyagként történő felhasználását két fontos tulajdonsága indokolja. Az első fő tulajdonsága, hogy lágy és könnyen törhető, ezáltal egyszerűen eltávolítható a kinyomtatott testről. Másik fontos tulajdonsága, hogy vízben oldódik, emiatt a nehezen vagy egyáltalán nem hozzáférhető helyről is eltávolítható.
38
1. táblázat: A 3D nyomtatás technológiáinak összefoglaló táblázata Technológia
Nyomtatóanyag álaga
Rétegvastagság
Pontosság
Sebesség
PolyJet
folyadék
0,016-0,1 mm
0,025 mm
lassú
BPM
szilárd
?
?
lassú
3DP
por és folyadék
min 0,18mm
0,05 mm
LOM
szilárd
0,05-0,5 mm
0,125 mm
gyors
FDM
szilárd
0,025-1,25 mm
0,1 mm
lassú
SLS
por
0,05-0,25 mm
SLA
folyadék
0,05-0,2 mm
39
0,05-0,1 mm
0,025 mm
nagyon gyors
gyors
közepes
2. táblázat: Reprap Mendel i2 nyomtatóanyaginak összefoglaló táblázata Hevítő Tulajdonság
Nyomtatási
ágy
Hevítőágy
Ajánlott
hőmérséklet
szüksé
hőmérséklete
anyag
ágy
215-240°C
65-70°C
1kg-os
kiszerelés esetén (2015-01-09)
ges
Bendlay
Ár,
üveg
16000 Ft
kapton szalag, PC
250-300°C
120-130°C
acetonban
17000 Ft
feloldott ABS
Nylon
~245°C
x
120°C
fa
10000 Ft
HIPS
230-250°C
x
~115°C
üveg
6500 Ft
PVA
~180°C
~85°C
ragasztó-szalag
20000 Ft
kapton szalag, ABS
220-250°C
x
~105°C
acetonban
6500 Ft
feloldott ABS
PLA
180-220°C
60-65°C
40
kapton szalag
6500 Ft
Tulajdonság
LAYBRICK
LAYWOOD3
TPE
5.8
Nyomtatási
Hevítőágy Hevítőágy
hőmérséklet szükséges
hőmérséklete
Ajánlott ágy anyag
Ár, 1kg-os kiszerelés esetén (2015-01-09)
165-190°C
üveg
30000 Ft
175-250°C
üveg
30000 Ft
üveg
14000 Ft
210-250°C
20-50°C
3D nyomtatás Stratasys Objet Technológiával
A 3D nyomtatási technológiák megismeréséhez először meg kell ismerkednünk az additív gyártás fogalmával. A közismert gyártási feladatok többnyire lebontó eljárások segítségével állítják elő az alkatrészeket, eszközöket. Ezen eljárásokat nevezzük subtraktív gyártási módszereknek, hiszen egy előgyártmányból a „felesleg” eltávolításával, hulladék keletkezése mellett jönnek létre a legyártott tárgyak. Az additív gyártás ezen megszokott előgyártmányt igénylő, lebontó eljárásokkal megvalósuló gyártástechnológiák ellentéte. Ugyanis nem igényel előgyártmányt, hanem a „semmiből” felépítő eljárással hozza létre az adott tárgyat. Az additív gyártás megvalósítására készítették az első gyors prototípusgyártó gépeket, melyek technológiai fejlődése vezetett a 3D nyomtatáshoz. E 41 Nyomtatásra váró Objet 30as
gondolatmenet szerint a 3D nyomtatást besorolhatjuk a gyors prototípusgyártás technológiái közé, és ezen technológiák többségét egyben az additív gyártás kategóriába is.
43. ábra: Nyomtatásra váró Objet 30 (szerzők felvételei) A 3D nyomtatás technológiája tehát az additív gyártás jelenleg legfejlettebb fajtája. Természetesen nem érdemes az egyes 3D nyomtatási technológiákat egy kalap alá venni, hiszen jelentős különbség van a csak vizuális modellek készítésére alkalmas technológiák, és a jelenlegi csúcstechnológiát képviselő 3D nyomtatás között. Az Objet technológia a világ legkorszerűbb 3D nyomtatási eljárása, amelyben a nyomtatófej a végleges modell anyagát egymásra épülő rétegekből állítja elő. Az alapanyag fényérzékeny műgyanta, amelynek szilárdítását egy UV lámpa oldja meg. Ki tudunk nyomtatni bármilyen bonyolult geometriájú 3D-s CAD modellt, hogy egy valóságos kézzelfogható mintát vehessünk a kezünkbe.
42
44. ábra: Nyomtataón objektumok elhelyezése a nyomtató tálcán (szerzők felvételei) A 3D nyomtatás segítségével könnyedén, gyorsan és nagy pontossággal készíthetőek tetszőleges geometriájú modellek, melyek a tervezést követő, jellemzően néhány órás építési folyamatot követően kézbevehetőek. Hatékony módja a komplex geometriájú tárgyak, alkatrészek egy példányban, vagy alacsonyabb sorozatszámban történő előállításának, mivel szerszámozási költségek,
vagy
bonyolultabb
gyártástechnológia
műveletek,
utómunkálatok
nélkül
elkészíthetőek a kívánt darabok. A különböző additív technológiák/gyors prototípusgyártási eljárások alapelve ugyan hasonló, de más-más alapanyagokkal dolgoznak, illetve különböző technológiai megoldásokkal érik el a felépülő modellt alkotó egyes rétegek kötését. A gép akril bázisú fotopolimert használ az elkészítendő darabok felépítéséhez. A prototípus modell egyszerűen elkészíthető közvetlenül a számítógépes állomány alapján. A modellek erősek és tartósak lesznek a nyomtatás végén. A nyomtatási folyamat befejeztével és a kinyomtatott anyagról a támaszték eltávolítása után a késztermék polírozhatóvá, festhetővé, fúrhatóvá válik.
43
45. ábra: A nyomtatandó kerékpárt lépésről lépésre építi fel a nyomtató. 5-6 órát vett igénybe a folyamat (szerzők felvételei)
44
46. ábra: 3D nyomtatással olyan gépelemek előállítása is lehetővé válik, amely hagyományos technológiával nem: pl. „bennszülött alkatrész” (sípban a goly) vagy láncszemek egy láncként (szerzők felvételei) A 3D Printing a Rapid Prototyping eljárások közül ma a leggyorsabban fejlõdõ technológia, mert egyszerû a kezelése, gyorsabb a modellkészítés és a berendezések elérhetõ árúak. A 3D printereket már alapvetõen irodai használatra tervezték, elkerülendõ a korábbi RP berendezések speciális környezeti igényeit, amelyek inkább a mûhelyekben voltak megtalálhatók. A rétegrõlrétegre építkezõ gondolatot megtestesítõ technológiák folyamatosan fejlõdnek és ez a megállapítás különösen igaz a 3D printerekre. 2005-ben több mint 100 millió dollár értékben értékesítettek 3D printereket világszerte, ami 35%-os növekedést jelent 2004-hez képest. Ez figyelemre méltó, hiszen áruk eközben, ha nem is jelentõsen, de csökkent. Adott termék igen sok fázison megy keresztül, amíg gyártásba kerül. Minden egyes fázisnál sokféle hibalehetõséget kell kiküszöbölni, gondoljunk csak arra, hogy még a nagynevû autógyártóknál is elõfordul ezres nagyságrendû gépkocsi visszahívása néhány alkatrész cseréjére, amelyekrõl idõközben kiderült, nem teljesítik a követelményeket. Egy-egy ilyen visszahívás és térítésmentes átszerelés rengeteg pénzt emészt fel, ez a „Cost of error”. Ezért van nagy jelentõsége a lehetséges hibák minél korábbi felismerésének, amelyben a mai korszerû 3D nyomtatók könnyen és gyorsan tudnak segíteni. A nyugati fejlesztõk körében közismert az a statisztika, miszerint a tervezés korai fázisában egy 100 dollár értékû prototípus vizsgálatával el lehet kerülni olyan késõbbi módosításokat, amelyeknek költségszintje akkor már elérheti a 10 Ezer dollár nagyságrendet is. A hazai felmérések között is találhatunk olyan megállapítást, amely szerint a fröccsszerszámok módosításának száma jelentõsen csökkenthetõ, ha a szerszámkészítés elõtt a termék elsõ verzióit 3D nyomtatóval elkészítik. Ezt követõen a prototípus vizsgálata után módosítanak a szerszám 3D-CAD tervén, nem pedig a kész acélszerszámot korrigálják – sok idõés pénz költése mellett – a fröccspróba után. Egy nagyobb vállalkozásnál, ahol évente 15–20 új fröccsszerszámot kell beüzemelni és gyakori a szerszámmódosítás, egy 3D nyomtató beruházása fél év alatt is megtérülhet.
45
47. ábra: kerékpár modell a nyomtatás végén, még támaszanyaggal bevonva (szerzők felvételei) Az Objet/PolyJet 3D nyomtatási eljárás új szabványt teremtett könnyû kezelhetõségével, szilárd anyagaival, a szokásosnál nagyobb pontosságával, a rendkívül vékony, 28 mikronos rétegvastagságával és a támaszanyag egyszerû eltávolíthatóságával. 5.8.1
Gyakorlati nyomtatás folyamata Stratasys Objet 30 nyomtatóval
Nyomtatni kívánt STL fájl kiválasztása
46
48. ábra: A nyomtatandó test kiválasztása, STL fileból (szerzők felvételei) Az aktuális modell anyagának meghatározása. A felsorolt anyagok közül csak a gépbe betöltött folyadékok használhatóak:
47
49. ábra: a nyomtatandó objektum anyagának kiválasztása (szerzők felvételei) Az Automatic placement funkció segítségével a modellt a legtakarékosabban helyezhetjük el. Érdemes minden nyomtatás előtt ezt megtenni, amelynek célja, hogy a nyomtató jobban ki tudja használni a nyomtatás lehetőségeit, illetve a gép adottságait. Általánosan elmondható, hogy az automatikusan elhelyezett tárgyak esetén a nyomtatási idő lerövidül. VeroWhite anyag homogenitása miatt, a nyomtatott tárgyak mechanikai tulajdonságaiban és megjelenésében a szerzők nem találtak különbséget. Feltételezzük, hogy a többi használható nyomtató anyag esetén hasonló a helyzet, amelyek használatával még nem gyűlt össze elegendő tapasztalata a szerzőknek. Az automatikus elhelyezés általában minimalizálja a felhasználandó támaszanyag mennyiségét. Bonyolult geometrával rendelkező test esetén érdemes kézzel beállított nyomtatási helyzetben a szükséges támaszanyag mennyiségét ellenőrizni.
50. ábra: Automatic placement, vagyis automatikus elhelyezés előtt (szerzők felvételei) Lehetőség nyílik a nyomtatás időtartalmának meghatározására. A nyomtatási időt elsősorban a modell és támaszanyag mennyisége határozza meg. Nyomtatási időbe bele kell számolni a berendezés felfűtési idejét, valamint a folyadék halmazállapotú modell és támaszanyag 48
megszilárdulását is. Nyomtatás közben a nyomtatófejek, nem folyamatosan mozognak, hanem várakozással időt hagy a polimerek kötéseinek kialakulásához.
51. ábra: Automatikus elhelyezés után (szerzők felvételei) Ezután a nyomtatásra előkészített modellt és a projektet elmentjük. Az elmentett projekt tartalmazza a nyomtatandó tárgyak geomatriáját, darabszámát, a nyomtatandó anyag megnevezését, valamint a tálcán való elhelyezkedést is. A projekt az adott nyomtató géphez használható, mert gép specifikus információkat is tartalmaz.
49
52. ábra: Adott nyomtatási feladat mentése (szerzők felvételei) Átadjuk a munkafolyamatot a Job Managernek. A Job Manager a nyomtatón fut. Tehát az eddig használt alkalmazás a hálózaton bármely PC-n futtatható, a nyomtatási igények ezért párhuzamosan is előállíthatóak. A Job Manager feladata, hogy a párhuzamos kéréseket egymás után dolgozza fel. A 3D nyomtató a Ms. Windows operációs rendszerben, mint egy hálózati nyomtató szerepel, ezért lehetőség van, hogy különböző használati időket és prioritásokat rendeljünk hozzá. A nyomtatási idő és a szükséges anyagmennyiség a fent bemutatott programmal számítható, így a nyomtatás ideje és költsége tervezhető.
50
53. ábra: Nyomtató Job Manager programja (szerzők felvételei) A monitoron nyomon követhetjük az anyag, a környezet, illetve a gép pillanatnyi hőmérsékletét. A nyomtatás a gép felmelegedése után kezdhető, amint eléri a 75 fokot, elkezdődik a nyomtatás.
54. ábra: nyomtatás közben az üzemi paraméterek leolvashatóak (szerzők felvételei)
51
Az állapotjelzőről leolvashatjuk, hogy hány százaléknál tart a nyomtatás és milyen vastag rétegnél tartunk.
55. ábra: A nyomtatás közben követhető a nyomtatás állapota (szerzők felvételei)
52
TESZTKÉRDÉSEK
Egyszerű választás Válassza ki a felsorolásból az egyetlen helyes választ. Ha egy kérdésre több választ is ad a kérdést nem értékeljük 1. Mi a Job Manager feladata: A. a testmodellek elhelyezése a nyomtatóban B. a testmodell szeletekre bontása C. a nyomtató vezérlése D. az STL file ellenőrzése 2. Szelektív Lézer Szinterezés esetén a felhasználható anyagok: A. papír B. fém C. ABS D. hőre keményedő polimerek 3. FDM technológia esetén a gyártás folyamata: A. folyadék állapotú polimer segítségével, szobahőmérsékelten B. hőre lágyuló polimerrel 150 és 200 °C fokon, előmelegített fűtőágyon C. fém oldat segítségével, elektrolízissel D. fotopolimer, UV lézerrel megvilágítva Megoldókulcs: 1. C 2. B 3. B
53
FELHASZNÁLT SZAKIRODALOM
[1]
3D-Drucktechnologie – Grundlagen zur Herstellung polymerer Bauteile mit gradierten
Werkstoffeigenschaften von Diplom-Ingenieur Philip Christian Elsner, Berlin 2009, letöltve: 2014-12-20, https://www.deutsche-digitalebibliothek.de/item/NYWXCHFNVXJ52I2AGPNZRSHZGPTM47QC [2] Constructive solid geometry, letöltve: 2014-12-21, http://en.wikipedia.org/wiki/Constructive_solid_geometry [3] 3D Pixel / Voxel, letöltve: 2014-12-22, http://www.bilderzucht.de/blog/3d-pixel-voxel/ [4] 3D-Druck-Howto, letöltve: 2014-12-22, http://www.finescale.org/finescale.org/3D_Druck.html [5] Introduction to STL format, Wai Hon Wah, June 1999, letöltve: 2014-12-23 http://download.novedge.com/Brands/FPS/Documents/Introduction_To_STL_File_Format.pdf [6] How to check and repair STL files for 3D printing, letöltve: 2014-12-23 http://www.meccanismocomplesso.org/en/check-stl-files-3d-prining/ [7] The STL Library, letöltve: 2014-12-23, http://www.eng.nus.edu.sg/LCEL/RP/u21/wwwroot/stl_library.htm [8] Preparation and fixing of files for 3D Printing, letöltve: 2014-12-23, http://www.digits2widgets.com/FileFixing.html [9] RepRap Home Page, letöltve: 2014-12-23, http://reprap.org/ [10] Starter Temperatures & Printing Guide, letöltve: 2014-12-23, http://filaments.ca/pages/temperature-guide#laybrick [11] Wood filament LAYWOO-D3 suppliers and price compare, letöltve: 2014-12-23, http://www.3ders.org/articles/20130204-wood-filament-laywoo-d3-suppliers-and-pricecompare.html [12] Matterhackers, NinjaFlex Sapphire Blue TPE 3D Printing, letöltve: 2014-12-28 http://www.matterhackers.com/store/3d-printer-filament/ninjaflex-sapphire-blue-tpe-3d-printingfilament-1.75mm [13] Vero Materials - 3D Printing Materials, letöltve: 2015-01-02, http://www.3dprinterscanada.com/vero-materials.php 54
[14] Mechatronika, Modul 9: Gyors prototípusgyártás, Munkafüzet, Jegyzet, Oktatói segédlet, EU-Project Nr. 2005-146319 ,,MINOS“, EU-Project Nr. DE/08/LLP-LDV/TOI/147110 ,,MINOS”, letöltve: 2015-01-07, http://www.adam-europe.eu/prj/3810/prd/1/8/Modul%209%20ungarisch%20komplett.pdf [15] Boundary representation, letöltve: 2014-12-23, http://cadd.web.cern.ch/cadd/cad_geant_int/thesis/node23.html
55
