Sík Luca 3 DIMENZIÓS NYOMTATÓ ÁTTERVEZÉSE

  

BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM Gépészmérnöki Kar Tudományos Diákköri Dolgozat

Sík Luca 3 DIMENZIÓS NYOMTATÓ ÁTTERVEZÉSE

Konzulensek: Kotrocz Krisztián, tanszéki mérnök Gép- és Terméktervezés Tanszék Dr. Kovács Norbert Krisztián, adjunktus Polimertechnika Tanszék

BUDAPEST, 2015

  

1   

   TARTALOMJEGYZÉK 1. Bevezetés .......................................................................................................................... 3 2. Szakirodalmi áttekintés ..................................................................................................... 4 2.1. Additív gyártástechnológiák áttekintése ................................................................. 4 2.1.1. Termékfejlesztési eljárások ............................................................................ 4 2.1.2. Gyors prototípusgyártás, számítógépes támogatása ...................................... 5 2.1.3. RPT technológiák rövid bemutatása .............................................................. 7 2.2. Extrudáláson alapuló eljárások .............................................................................. 12 2.2.1. Anyag betöltés .............................................................................................. 12 2.2.2. Olvasztás ...................................................................................................... 13 2.2.3. Extrúzió ........................................................................................................ 13 2.2.4. Megszilárdulás ............................................................................................. 14 2.2.5. Pozícionálás és útvonal generálás ............................................................... 14 2.2.6. Rétegek összetapadása ................................................................................. 16 2.2.7. Összefoglalás ................................................................................................ 16 2.3. FDM technológia ................................................................................................... 17 2.3.1. Anyagfelhasználás ........................................................................................ 17 3. Reprap 3D nyomtatók ..................................................................................................... 19 3.1. Konkurens termékek elemzése .............................................................................. 20 4. Követelményjegyzék ...................................................................................................... 24 5. Termékjavaslat kidolgozása ............................................................................................ 26 5.1. A külső burkolat tervezése .................................................................................... 26 5.1.1. Zárt tér kialakítása és okai ........................................................................... 27 5.1.2. Kezdeti ötletek .............................................................................................. 28 5.1.3. Koncepció továbbfejlesztése ......................................................................... 31 5.2. Extruder blokk mozgatása ..................................................................................... 32 5.3. Kiegészítő elemek kiválasztása ............................................................................. 35 5.3.1. Elektromágneses zár .................................................................................... 35 5.3.2. Elakadást érzékelő szenzor........................................................................... 36 5.4. A nyomtató végleges terve .................................................................................... 37 6. ÖSSZEFOGLALÁS ....................................................................................................... 42 7. Felhasznált források ........................................................................................................ 43 8. Mellékletek ..................................................................................................................... 44

2 

  

1.

BEVEZETÉS Napjainkban a gyártási folyamatoknak is folyamatos fejlődésre van szüksége, melyet az

úgynevezett szimultán (egyidejű) tervezés támogat. A tervezési folyamat során nagy szerepe van a gyorsaságnak és a közbeiktatott ellenőrzéseknek. A gyors prototípusgyártás hozzájárul ahhoz, hogy a köztes vizsgálatokat elvégezhessük. A piaci igények változása nagyban befolyásolja a tervezési és gyártási folyamatokat, fontos, hogy az új termék kifejlesztése gyorsabb és olcsóbb legyen, a termék-életciklus rövidüljön. Továbbá nő a design szerepe, aminek következtében több funkciós, komplexebb termékek születnek. A 3D-s számítógépes tervező szoftverek nagy támogatást nyújtanak a tervezőknek, hiszen a számítógépen elkészített modelleknek nagy szerepe van a termék vizuális bemutatásában. A vevői igények minél gyorsabb figyelembevételét támogatja, azáltal hogy a programokban a geometria könnyen változtatható. A gyártási eljárások két hagyományos elve a képlékenyalakító, valamint az anyageltávolító módszerek. A ’80-as évek végén jelentek meg az anyaghozzáadás elvén működő eljárások, amelyek részecskék vagy rétegek egymáshoz kapcsolásával építik fel a modellt. Ez utóbbi kategóriába tartoznak a gyors prototípusgyártási eljárások (rapid prototyping). Ez az új technológia a 3D-s CAD modellek közvetlen felhasználásával történő modellek, alkatrészek gyártására épül. A konkrét feladatom a Polimertechnika Tanszék 3D nyomtatójának áttervezése (Operor i4) a Tanszék által megadott, valamint a potenciális felhasználói igények szerint, továbbá a szerkezet formai megújítása. Ezért TDK dolgozatom alapját egy szakirodalom kutatás képezi, hogy minél jobb és átfogóbb képet kapjak a technológia jellemzőiről. A reprap technológia elterjedése a hétköznapokban nem véletlen, hiszen nagy előnye, hogy irodai alkalmazásra is megfelel, sőt a fejlesztők célja, hogy a háztartásokba is beszivárogjanak ezek a gépek. Emellett jó teljesítmény-ár viszony jellemző rá, olcsón, jó minőségű termékeket állíthatunk elő. Azonban itt meg kell említeni a hátrányokat, miszerint a nyomtatási pontosság sok mindentől függ, és sokszor a beállítások is problémát okozhatnak a felhasználóknak. Konkrét célom, hogy az adott gép konstrukciós hibáit kijavítsam, valamint a felmerülő követelményeknek megfelelő termékjavaslatot építsek fel. 3   

  

2. SZAKIRODALMI ÁTTEKINTÉS Szakirodalmi kutatások alapját többségében angol nyelvű források szolgáltatták, hiszen a magyar szakirodalom még nem túl széleskörű az additív gyártástechnológiák terén. A kutatás során, az egyes additív technológiákat röviden összefoglaltam, majd az extrúzión alapuló eljárásokat külön elemezve tértem át az FDM (Fused Desposition Modeling) technológia, azon belül pedig a reprap szerkezetek tanulmányozására. A

reprap

nyomtatók

többségében

open

source

hozzáférésűek,

azaz szabadon

fejleszthetőek. Ez nagy segítséget nyújtott a tervezési folyamatban, az információgyűjtésen belül a konkurens termékek elemzésében.

2.1. Additív gyártástechnológiák áttekintése [6] 2.1.1. Termékfejlesztési eljárások Az additív gyártástechnológia (Rapid Prototyping), a gyorsított fejlesztés egyik korszerű eszköze. Mint azt a bevezetőben is írtam, a piaci igények változása nagyban befolyásolja a termékfejlesztési folyamatokat. A hagyományos gyártmányfejlesztést (1. ábra), ahol az egyes tervezési és gyártási lépések egymás után következnek, felváltotta a szimultán termékfejlesztés (2. ábra), amely új típusú visszacsatolásokat tesz lehetővé. Erre a piaci igények változása miatt van szükség, hiszen egyre elterjedtebb "az idő pénz" alapelv, fontos az új termék gyorsabb és olcsóbb kifejlesztése, illetve rövidebb termék-életciklus kialakítása.

1. ábra Hagyományos gyártmányfejlesztés [2]

4 

  

2. ábra Szimultán termékfejlesztés [2]

Szimultán fejlesztésnél nagy szerepe van a szimulációnak és a modellezésnek. Ez alapján elemezzük a tervezendő termék működését, majd azt lemodellezzük. A termékfejlesztés többféle modellel dolgozik, amelyeknek különböző feladatai vannak. A formai, geometriai tulajdonságok ikonikus modellekkel jeleníthetők meg (képek, rajzok, makettek, 3D-s számítógépes modell, stb.), ezek a termék megjelenését, formai kialakítását fixálják, esetleg ergonómiai tényezőket is prezentálnak. Ezeken a modelleken mérhető le leginkább a felhasználók véleménye, reakciója a tervekre. A funkcionális modell segítségével a termék adott feladatai (funkciói) vizsgálhatók, ezért fontosak a mechanikai tulajdonságok, valamint más fizikai tényezők, mint például a szilárdság, merevség. A prototípus pedig nem más, mint a tervezett termék ősmintája, amely már csaknem teljesen megegyezik az első elkészült termékkel, és ez akár a kis sorozatú előgyártást is szolgálhatja, szerszámkészítés alapját képezheti. 2.1.2. Gyors prototípusgyártás, számítógépes támogatása A gyors prototípusgyártás egy igen fiatal technológia, amely a számítógépes 3D-s CAD rendszerben elkészített termék és alkatrész modellek közvetlen felhasználására épül. Ennél a technológiánál rétegről-rétegre építjük fel a terméket az adott modell vékony keresztmetszeteiből (3. ábra), ellentétben a hagyományos lebontó gyártástechnológiákkal. A felépítéshez az anyagok széles skálája áll rendelkezésünkre (por, lemez, folyékony/ megolvasztott alapanyagok).

5   

  

3. ábra A CAD-modell rétegekre bontása és a termék felépítése [2]

4. ábra RPT tehcnlógiák csoportosítása alapanyag felhasználás szerint [7]

A folyamat 3 nagy részre bontható, amely a valóságban folyamatosan ismétlődik. Ez a szimuláció és a fordított gyártmányfejlesztés, majd a tervezés, illetve a gyártás, ezután újra szimuláció és az elkészült minta tesztelése következik, majd az áttervezés és így tovább. Az egész tervezési folyamatot számítógéppel segítjük (CAX - computer assisted ...), amely jó alapot nyújt a technológia gyors fejlődéséhez. A számítógépes tervezési technikák folyamatosan anyagtakarékos

tökéletesedő munkát

programjai

tesznek

egyre

lehetővé.

gyorsítják

Szimulációkat,

a

folyamatot, mechanikai

energia és vizsgálatokat

végezhetünk a termék előzetes ellenőrzéséhez.

6 

   A tervezési metódus az alábbi lépésekből áll: 1. a termék CAD modelljének elkészítése valamelyik számítógépes szoftverben, 2. STL (Standard Tessellation Language) fájl generálása, 3. előkészítés a rétegekre bontáshoz, 4. szeletelés végrehajtása, 5. rétegek gyártása, 6. után munkálás, 7. fizikai prototípus elkészülése, 8. tesztelések, vizsgálatok, 9. változtatások átvezetése. Majd a 9. lépés után újra az első következik addig, amíg el nem készül az ősminta, amely már a sorozatgyártás alapját jelenti. Az STL fájl felületleíró adatformátum, amely megteremti a kapcsolatot az RPT és a CAD rendszerek között. Jelentősége, hogy ez a formátum könnyíti a gyártási folyamatokon belül a vezérlést azáltal, hogy a felületet háromszögekre bontja fel. A bonyolult (tetszőleges) felületeket

is

relatív

egyszerű

formára

konvertálhatjuk,

továbbá

szeleteléskor

a

keresztmetszetek kontúrjait egyenes szakaszok alkotják. 2.1.3. RPT technológiák rövid bemutatása 1. Sztereolitográfia (SLA) Ezt a technológiát a '80-as években szabadalmaztatta a 3D Systems cég műszaki igazgatója, amely a sugárzással való térhálósításra épül. A számítógép által vezérelt lézersugár (325 nm hullámhosszú He-Cd, vagy 364 nm hullámhosszú Ar-Ion lézer) a nagy pontossággal megrajzolt rétegben iniciált térhálós polimerizációval építi fel a 3D alkatrészt. Az alapanyag folyékony oligomer, epoxi-akrilát vagy uretán akrilát lehet. Ezek mind rendelkeznek térhálósodásra alkalmas kettős kötésekkel. Az eljárás két lépésből áll, első lépésként a folyadékfürdőben a szilárd alkatrész felépül az oligomer térhálósítása révén, majd a második lépésben ezt a megszilárdult polimer prototípust kiemeljük.

7   

  

5. ábra SLA 5000

Ezekkel a készülékekkel akár 5-25 mikronos rétegvastagság is elérhető valamint kiemelt előnye, hogy relatív jó felületi minőséget érhetünk el, komplex struktúrákat építhetünk fel, így legelterjedtebb alkalmazási területei az orvostechnika, fogorvostechnika, valamint az ékszerészet. Hátránya azonban, hogy az alkatrészek kevésbé terhelhetőek, nem megjósolható a zsugorodás és a vetemedés, továbbá az anyagok drágák, mérgezőek és kizárólag a fotopolimerek használhatók fel alapanyagként, az utókezelés körültekintést igényel, valamint a folyamat időigényes. Egy ilyen berendezés ára 30-40 ezer euró. 2. Szelektív lézerszinterézi (SLS) Ezen a technológián belül (az SLA-hoz hasonlóan) szintén mozgó asztalra építjük fel a terméket rétegenként lézersugár segítségével. Az alapanyagot hőre lágyuló polimer porszemcsék alkotják, és az összeolvasztást CO2 lézer alkalmazásával végzik. A felhasználható anyagok nincsenek korlátozva egyféle anyagtípusra, lehet: PA, PC, ABS, PVC, finomított nylon, valamint a technológia fejlődésével akár már fémport, vagy kötőanyaggal bevont kerámiaporokat is alkalmazhatunk, ezek azonban nagy teljesítményű lézert igényelnek. A késztermék ellenálló lesz a környezeti hatásoknak, azonban a modell porózus, szemcsés szerkezetű, az utólagos megmunkálása költséges.

6. ábra SLS technológiájú gép (SINTERSTATION 2000 DTM)

8 

   A kész modell mechanikailag és termikusan is terhelhető. Ellenben a folyamat hosszadalmas előkészítést illetve befejezést igényel, és a darab 3-4%-os zsugorodást mutathat. Áruk 100-150 ezer euró. 3. LOM technológia (Laminated Object Manufacturing) Ennek a technológiának az elve, hogy a CAD modell rétegeit lézerrel, mint vágó éllel kivágjuk (papír, műanyagfilm, fémlemez alapanyagból), majd megfelelő kötőanyaggal összeragasztjuk őket. A kimaradó részeket a szerkezet felkockázza, így azok könnyen elválaszthatóak lesznek a kész modelltől.

7. ábra LOM elvi vázlata [2]

A berendezés a vágáshoz CO2 lézert használ, minimális rétegvastagsága 0,05 mm, az építés sebessége 10 mm/h, a szerkezet csak a keresztmetszet kontúrját vágja ki, tehát a belső területtől független a folyamat. Ára 12000 euró körül mozog. Előnye, hogy a kezelési költségei alacsonyak, az alapanyag is olcsó. A gyártás során nincs szükség támasztóelemek alkalmazására (a rétegek probléma nélkül egymáshoz tudnak kapcsolódni), illetve utókeményítésre.

8. ábra LOM technológia és végtermék bemutatása

9   

   4. SGC (Solid Ground Curing) Ez a rétegező eljárás eltérő az eddigiekben ismertetett technológiáktól, ugyanis itt nem vezérelt, pásztázó lézersugárral polimerizál, hanem maszk segítségével építi fel a rétegeket, UV-iniciált fotopolimerizáció útján. A maszkok minden egyes réteghez külön igazodnak, amelyeket számítógép készít, amely szeletekre bontja az alkatrészt. Az aktuális keresztmetszetet, a „maszkot” elektrosztatikus töltés formájában üveglemezre viszik fel, majd a lézer-nyomtatás alapelvét alkalmazva a „toner”-rel előhívják. A megvilágítás után az üveglemezt megtisztítva ugyanaz a lemez kész a következő réteg felvitelére. A maszkokon kívüli területeket a gép viasszal tölti ki, amely a folyamat végén oldószerrel eltávolítható, ezzel megoldva a további megtámasztások problémáját. Az alapanyag akrilát oligomer, a rétegvastagság 0,05-0,15 mm. A szerkezet sebessége 15 mm/h. A szerkezet igen drága, az ára 200-300 ezer euró között van, emiatt a kevésbé elterjedt technológiák közé tartozik.

9. ábra SGC technológia elvi vázlata [6]

5. Olvasztott viaszlerakás Ezt az eljárást a 3D Systems szabadalmaztatta (Multi Jet Modelling), a felhasznált anyag a cég által kifejlesztett speciális hőre lágyuló műanyag (ThermoJet).

10 

  

10. ábra MultiJet eljárás elvi vázlata

A technológia gyors anyagelhelyezést tesz lehetővé, viszonylag olcsó, nem szükséges sem lézer sem UV fény. Azonban csak kis produktumokhoz megfelelő, a gyártáshoz támasztó elemekre van szükség, és a modell szilárdsági tulajdonságai rosszak. 6. Objet - PolyJet Az Objet típusú 3D nyomtatók szintén fotopolimereket használnak fel a modell rétegenkénti felépítéséhez. A gépet az Objet cég szabadalmaztatta (amely később egyesült a Stratasys-szal), ez a legelterjedtebb technológia. A folyamat gyors és pontos (16 mikronos rétegvastaságot biztosít). A kész darab utólagos keményítése nem szükséges, emellett a darab festhető polírozható. A nyomtatás során szükséges a támasztó anyag alkalmazása, és a gép csak fotopolimerekkel működik. Az

Objet1000

típus

a

prototípusgyártás

csúcs

kategóriája,

akár

életnagyságú

(1000x800x500 mm-es méretű) darabokat is tud nyomtatni, 100 féle anyag felhasználásával. Ez a típus a támasztószerkezetet is automatikusan létrehozza.

11. ábra Objet 1000 [9]

11   

  

2.2. Extrudáláson alapuló eljárások [1] Az eljárás elve nagyban hasonlít a hagyományos értelemben vett extrudálásra, azonban itt a fúvóka, amelyen az anyagáramlás történik függőlegesen helyezkedik el, és ebben az irányban mozgást végez. Ez a technológia is a rétegek egymásra építésére alapszik. A folyamathoz szükségünk van egy előtoló egységre, amely átnyomja az alapanyagot a fúvókán. Ha állandó nyomást érünk el, akkor az áramlás is folyamatos lesz és így állandó kör keresztmetszetű lesz az extrudált anyag. Az állandó keresztmetszet eléréséhez fontos továbbá, hogy a fúvókában lévő sebesség, valamint az anyag áramlási sebessége megegyezzen. Az extrudáláshoz szükséges feltétel az anyaggal szemben, hogy megolvadt állapotban legyen. A folyamat után meg kell szilárdulnia, hogy kialakuljon a modell. Fontos, hogy az elkészült rétegnek az új réteggel megfelelően össze kell kapcsolódnia. A nyomtató fejnek több feladata is van, alapvető, hogy alkalmas legyen pásztázásra a horizontális irányokban, továbbá hogy az anyagáramlást elindítani és megállítani is tudja, miközben a vízszintes irányban végzi a mozgását. Az anyag halmazállapot változását hőmérsékletnöveléssel érhetjük el. Miután az anyag megolvadt, keresztül tud folyni a fúvókán. Ezután az anyag lehűl és megszilárdul. A következőkben az eljárás alapelvein keresztül részletesebben bemutatom a technológiát. 2.2.1. Anyag betöltés Az anyagadagoláshoz az extrúzióhoz hasonlóan szükséges egy csőszerszám, amelyen keresztül az alapanyag keresztül lesz nyomva. Leghatékonyabb, ha az anyagutántöltés folyamatos. Az alapanyagot két féle formában használhatjuk, az egyik, amikor szálat (úgynevezett filament szálat) használunk, a másik amikor granulátumot (Arburg Freeformer). A fent említett csőszerszámban zajlódik le az olvasztás, a folyékony halmazállapotba hozás. A granulátum formátumban betáplált alapanyag továbbítása egy csiga segítségével történik, illetve történhet dugattyúval és sűrített gázzal is. A folyamatos filament szál bevezetéséhez egy külön mechanizmust kell kiépíteni, hogy létrehozzunk egy belső nyomást az anyag adagolásához és a fúvókán történő keresztülnyomásához. Továbbiakban a dolgozat során csak ezzel az alapanyagfajtával foglalkozok.

12 

   2.2.2. Olvasztás A olvasztás a csőszerszámban történik hő hatására. A fűtő egységek a szerszám körül helyezkednek el és egy konstans hőmérsékletre melegíthetőek. A kialakítást az alábbi ábrán láthatjuk filament szál betáplálás esetén.

12. ábra Olvasztó csőszerszám [1]

Az olvasztáskor arra kell figyelni, hogy az alapanyag cseppfolyós legyen, ugyanakkor vigyázni kell a megfelelő hőmérsékletre, hiszen a polimerek könnyedén károsodhatnak, illetve megéghetnek magasabb hőfokon. Ez többek között azt a problémát is okozhatja, hogy a fúvókából már nem tudjuk eltávolítani az alapanyagot. Ezért az alapanyag tulajdonságainak, főként a viszkozitásának ismerete igen fontos. 2.2.3. Extrúzió A szerkezet fúvókájának mérete sok mindent befolyásol az extrudálás folyamatán belül: o a filament anyagát, méretét, o nagyobb átmérőjű fúvóka lehetővé teszi az anyag gyorsabb áramlását, azonban kevésbé pontos terméket eredményez, o meghatározza a termék minimum méretét, például a falvastagságoknál ajánlott az átmérő kétszeresével tervezni a megfelelő szilárdság elérése érdekében.

13   

   2.2.4. Megszilárdulás Az extrúzió után, ideális esetben az alapanyag megtartja a méretét és alakját. Azonban az alakot a gravitáció és a felületi feszültség befolyásolja, a méretváltozás pedig többnyire a hűtés és a szárítás függvénye. Az extrudált anyag várhatóan zsugorodni fog a megszilárdulás során. A hűtést ajánlott nemlineárisnak választani, viszont figyelni kell arra, hogy ez ne legyen túlzottan erőteljes, hiszen akkor torzulást észlelhetünk a modellen. A hűtési folyamatnak kontrolláltnak, és fokozatosnak kell lennie. Minimális deformáció akkor érhető el, ha a hűtő hőmérsékletet az olvasztási és a környezeti hőmérséklet közé állítjuk be. 2.2.5. Pozícionálás és útvonal generálás Az extruder fej mozgása nagymértékben hasonló az általános nyomtatókhoz, azzal a kivétellel, hogy ezeknek a szerkezeteknek függőlegesen is mozgathatónak kell lenniük. A pozícionálásnak összhangban kell lennie az extrúzió sebességével, hogy sima és egyenletes rétegépítést biztosítsunk. A megfelelő anyagáramlásnak harmonizálnia kell ezzel a sebességváltozással a mozgás közben, különben túl sok, vagy túl kevés kerül lerakásra. Mivel az extruder fej vízszintes irányban mozog, így a mechanizmus síkbeli mozgatását általában két, egymással derékszögben elhelyezett lineáris hajtással oldják meg, szíjhajtással, vagy menetes orsóval. Ezeknek a hajtásoknak elég erősnek kell lenniük ahhoz, hogy az egész extruder blokkot a megfelelő sebességgel mozgatni tudják, továbbá érzékenynek ahhoz, hogy lehetővé váljanak a gyors iránybeli változások. A rendszernek rendkívül megbízhatóan kell működnie annak érdekében, hogy egy konstans mozgást tudjunk létrehozni, amely órákon át megmarad, és nem okoz változást a kalibrálásban. Mint minden egyéb additív gyártástechnológia, ez is a CAD modellek STL fájllá való generálására alapszik, és mint azt már fentebb említettem ennek lényege a rétegekre bontás. A precizitás érdekében a termék kialakításakor az útvonal generáló program kisebb sebességgel létrehoz egy kontúrt, amely a külső pontosságot biztosítja, majd a belső kitöltést jóval gyorsabban végzi el. A szoftver feladata, hogy kiszámolja az ideális kezdőpontját annak a görbének, amely a kontúrt írja le. Általában a kezdő és végpont átfedésben van egymással, hiszen az ajánlott távolság a két pont között a fúvóka kimeneti átmérője, azonban igen bonyolult az áramlást ilyen pontossággal kontrollálni. Így ezeken a pontokon létrejön egy hegedés, amely végigvezethető függőlegesen a termék mentén. 14 

   A szoftver további feladata az is, hogy meghatározza a leghatékonyabb belső kitöltési módot, amelyet leginkább a CNC maráshoz lehet hasonlítani, hiszen mindkét esetben egy előre meghatározott útvonalon mozog a szerszám. A pályát úgy kell kialakítani, hogy az egymásra épülő rétegekben a belső kitöltési útvonalak a jó összetapadás érdekében elég közel legyenek egymáshoz. Ez döntő jelentőségű lehet, ezért az extruder fej útvonalát teljesen le kell tisztázni.

13. ábra Belső kitöltés [1]

Egy tipikus kitöltési minta a 13. ábrán látható. A vastag kék vonal jelzi a kontúrt, míg az 1es, 2-es és 3-as számmal jelzett kitöltések azt jelölik, hogy 3 lépésben tudja a rendszer ezt az adott geometriát lefedni folyamatos útvonalakkal. Jobb szilárdság elérése érdekében, a rétegek egymásra építésekor érdemes azokat úgy elhelyezni, hogy az útvonalak a különböző keresztmetszetekben szöget zárjanak be egymással. Így az esetleges terhelések sokkal jobban eloszlanak az alkatrészen belül. Továbbá célszerű az útvonalakat úgy megválasztani, hogy a 14. ábrán nyíllal jelölt rés minél kisebb legyen. Erre megoldásként szolgál az ábra jobb oldalán látható pálya, azonban ebben az esetben anyagtöbblet kerül elhelyezésre (átfedés alakul ki), amely a külső kontúrt deformálhatja, így csökkenti a végtermék pontosságát. Összetettebb geometriák esetén fontos még, hogy egy rétegen belül minimálisra csökkentsük az útvonalak számát. A fenti megfontolásokat figyelembe véve kell a szoftvernek optimalizálnia az útvonalat.

15   

  

14. ábra Kitöltési útvonalak [1]

2.2.6. Rétegek összetapadása A rétegek építése során fontos, hogy azok a megfelelő mértékben összetapadjanak. Ehhez megfelelő hőenergiára van szükség, ha ezt nem sikerül biztosítanunk, akkor részlegesen összetapadhatnak ugyan a rétegek, azonban különálló határok is megjelenhetnek közöttük. Ez azt jelenti, hogy létrejöhet egy olyan felület, amely mentén a rétegek szétválhatnak, a kész termék könnyedén eltörhet. Ha túl sok a hőenergia, akkor a már lerakott réteg is megfolyhat és így az egész alkatrész elég határozatlanná válik, elveszik a pontossága. Minden anyagra vonatkozóan létezik egy kritikus hőmérséklet (Tc), amely alatt az összetapadás aktiválódik, illetve amely fölött már teljesen akadályozva van. A különböző energiák számítása megoldható, azonban ezt a dolgozat terjedelmére való tekintettel nem fejtem ki. 2.2.7. Összefoglalás Tehát a fentieket tekintve az extrúzión alapuló technológiák precizitásának kontrollálása az alábbi paraméterektől függ: o Betöltési nyomás, o hőmérséklet, o fúvóka kimeneti átmérője, o az alapanyag tulajdonságai, o környezeti tényezők (például gravitáció, környezeti hőmérséklet, stb.), o a kész termék hőtartása, zsugorodása. Ezeket szem előtt tartva a végleges termék pontossága igen nagymértékben növelhető.

16 

  

2.3. FDM technológia [1] Ez a technológia a Stratasys (USA) cég által lett kifejlesztve és levédetve 1992-ben. Ennek a technikának az alapanyaga már csak a filament polimer szál lehet. A betöltést és az extrúzióhoz szükséges nyomást egy nyomógörgős behúzórendszer szolgáltatja.

15. ábra Stratasys FDM gép [9]

A technológia nagy előnye, hogy nagyon széles skáláról választhatjuk ki az alapanyagokat, és viszonylag jó mechanikai tulajdonságú termékeket gyárthatunk vele. Hátrányként azonban megjelenik, hogy építési sebessége igen lassú, valamint hogy a legdrágább gép rendelkezik a legvékonyabb rétegvastagsággal (0,078 mm), és ezzel dolgozni rengeteg időt igényel. Az FDM alapú szerkezetek választéka széleskörű. Léteznek alacsony árú, kis munkaterű, minimálisan változtatható, valamint drágább, nagyobb, sokoldalúbb kialakítású gépek a Stratasys cég kínálatában. Alapjában véve ez a legolcsóbb ipari additív technológia. 2.3.1. Anyagfelhasználás A polimereknek nincs fixen meghatározott olvadáspontjuk, így növekvő hőmérséklet függvényében az anyag egyre inkább lágyul, és viszkozitása folyamatosan csökken. Az extrúzió után ezek az anyagok könnyen és gyorsan elkezdenek dermedni, továbbá a rétegek összetapadása is könnyedén megtörténik. Az ipari gépek esetén a legtöbbet használt alapanyag az ABS, illetve annak változatai. Fontos hogy a fent említett hátrányok mellett (lassú építési sebesség, rétegvastagság), ezzel a technológiával éles sarkok megjelenítése szinte lehetetlen, mindig megjelenik egy a fúvóka átmérőjével megegyező lekerekítés. A végleges termék függ a fúvókától, a gyorsítási és lassítási karakterisztikától, valamint az anyag zsugorodásától a megszilárdulás során.

17   

   A szerkezet sebessége a behúzási és a rétegfektetési sebességtől függ. A behúzási ütemet az anyag és a fúvókán történő átnyomási sebesség határozza meg. A drágább rendszerek szintén a vezérorsós megoldással működnek, az olcsóbbak pedig a szíjhajtásos és léptető motoros megoldással. Azonban utóbbinál felléphet az akadozó csúszás jelensége, amely miatt kevésbé pontos a szerkezet. Ennek elkerülése érdekében a Stratasys Magnadrive technológiát fejlesztett ki, amellyel a súrlódási veszteséget csökkenti. A kitöltés terén gyorsabb megoldás, ha hatszögletes pályát építünk fel, így az anyagfelhasználást is csökkenthetjük. Különböző rétegépítési technikák különböző szilárdsági tulajdonságokat mutatnak. A kialakításokra láthatunk példát a következő ábrán. A Stratasys által gyártott szerkezetek hatalmas sikernek örvendenek a világban. Rengeteg tervezői iroda használja őket, hiszen a termékek megfelelő minőségűek, valamint árban is könnyen elérhetőek.

16. ábra Kitöltési minták [5]

18 

  

3. REPRAP 3D NYOMTATÓK Az FDM egy olyan folyamatosan fejlődő technológiai irány, amely rendkívül olcsó az additív technológiákhoz képest, és a modellek minimális anyagköltséggel felépíthetőek. Ezen belül a reprap projekt egyelőre egy kísérletező technológia, amely teljesen open source alapokon nyugszik. Az első ötletet az angliai University of Bath egy csoportja alkotta meg, és most már a világon több száz fejlesztő szabadon munkálkodik ezen. Ezek a szerkezetek olyan 3D-s nyomtatók, amelyek a saját alkatrészeit is meg tudják alkotni. Illetve a vázszerkezetük alumínium rudakból, esetleg lézervágott fa-, polimer- vagy fémlemezekből áll. Olcsó léptető motorokat alkalmaznak, és hajtásrendszerük a tintasugaras nyomtatóhoz hasonlóan bordásszíj segítségével van kialakítva. Anyagfelhasználást tekintve az általánosan használt alapanyagok, és műszaki paramétereik az alábbi táblázatban jelennek meg. Tulajdonság/Alapanyag

ABS

PLA

Szálátmérő [mm]

1,75 / 3

1,75/3

Nyomtatási hőmérséklet [°C]

230-240

180-200

80-85

48-50

Tálca hőmérséklete [°C]

Nyomtatási sebesség [mm/s]

kis modellek (<80mm): 20-30 nagy modellek (>80 mm )30-40

kis modellek (<80mm): 40 nagy modellek (>80 mm ): 50

1. táblázat Nyomtatási anyagok

17. ábra Filament szál

Emellett természetesen megjelentek a különböző „extrém” anyagok is, amelyek világítanak, vagy kiemelkedő rugalmassággal rendelkeznek. 19   

   Egy reprap gép tipikus felépítése az alábbi ábrán látható.

18. ábra Reprap gép szerkezete [5]

3.1. Konkurens termékek elemzése Konkurens termékeknél elsősorban az azonos szerkezű nyomtatókat elemeztem. Emellett keresésem során figyelembe vettem a már létező zárt terű 3D nyomtatókat is, azok paramétereit és tulajdonságait. 1. Prusa i3 Nyitott munkaterű asztali nyomtató. Munkatere 200x200x200 mm, illetve 200x200x270 mm.

19. ábra Prusa i3 kialakításai

20 

   Többféle verzióban is megépíthető, valamint a felhasználói igények szerint folyamatosan szabadon fejleszthető. A fém szerkezeti elemek alapanyaga általában alumínium, vagy más könnyűfém. Három alapvető kialakításra találtam példát, melyeknél zárt tér nem fordul elő. A bal oldali képen az egyszerű fémszerkezetes kialakítás látható, amelyhez tartozik még egy műanyag tartó rész is. A jobb oldali képen pedig egy fa szerkezettel ellátott modell látható. Ezeknél a kialakításoknál az a probléma, hogy nem elég stabil a rögzítése az XZ váznak. A harmadik verzió pedig az úgynevezett „boxkialakítás”, mely sokkal merevebb rögzítést tesz lehetővé az XZ váz és a keret között, továbbá Z irányban nagyobb munkateret biztosít a felhasználónak. Az egyszerűbb vázas szerkezet 26, míg a „box” 29 nyomtatott alkatrészt tartalmaz. A motor mindegyiknél NEMA17-es léptetőmotor és 5-5 darab van beépítve. 2 darab felel a Z irányú, 1-1 darab az X, valamint az Y irányú mozgatásért. Az 5. motor a műanyag szál nyomtatófejbe való extrudálását végző fogaskerék pár nyomatékát biztosítja. A fém tengelyeken való elmozdulást LM8UU jelű lineáris gördülőcsapágyak teszik lehetővé. Ezeknél a nyomtatóknál, az extruder blokk, az azt tartó tengelyeken Y iránnyal párhuzamosan helyezkednek el. Ennél a megoldásnál fenn áll az a lehetőség, hogy a motor, valamint maga a nyomtatófej, illetve a fogaskerekek súlya miatt, nagyobb sebességnél berezonál a blokk, így pontatlan lesz a végtermék. 2. MendelMax Ez szintén egy nyitott munkaterű nyomtató. Munkatere 230x250x175 mm. Az Y, valamint a Z tengelyek elhelyezése majdnem megegyezik a Prusa-éval, azonban a váz konstrukciója eltérő. A nem nyomtatott elemek extrudált alumínium rudak, a nyomtatott elemek száma kevés (~25). Kiemelendő, hogy az alsó váza a gépnek úgy van kialakítva, hogy a vezérlő egység a tárgyasztal alatt elfér, így helytakarékosabb a kialakítás. 2.1. MendelMax 1.5 Ennél a konstrukciónál az Y, Z iránybeli megoldások közel azonosak a Prusa-éhoz. Az X tengely pedig 90°-kal el lett forgatva az Y irány felé. Ezáltal az extruder blokk összsúlya jobban eloszlik, és a nyomtatófej stabilabb mozgása miatt pontosabb végterméket kapunk. Az elforgatott tengelyek miatt, szabadabban választhatjuk meg a lineáris megvezetést, használható akár nyomtatott persely, réz persely, vagy ha nagyobb megbízhatóságot kívánunk elérni LM8UU lineáris gördülőcsapágy illetve PTFE persely is. 21   

  

20. ábra MendelMax 1.5 kialakítása

2.2 MendelMax 2.0 Tulajdonképpen ez egy új design, amely könnyebb összeszerelhetőséget tesz lehetővé. Hasonlóan az 1.5-ös verzióhoz extrudált alumínium elemeket tartalmaz illetve azon kívül lemezeket (alumínium, nyomtatott) az alsó váz kialakításához. Elhagyva a háromszögletes designt, nagyobb, és jobban hozzáférhető munkateret kapunk.

21. ábra MendelMax 2.0 kialakítása

Munkatere: 230x310x225 mm. Legnagyobb nyomtatási sebessége 150 mm/s, mozgási sebessége 500+ mm/s. A tengelyek eltérnek az eddigiektől, mivel az alkatrészek perselyek alkalmazásával profilos extrudált elemeken mozognak.

22 

   3. TAZ 4 zárt munkaterű nyomtató A zárt munkatér 40 °C-os homogén hőmérsékletet tud biztosítani csupán a tálca fűtőegységének köszönhetően. A burkolat fából, az ajtaja pedig akril lemezből készült, így beláthatunk a munkatérbe. A zárt térnek köszönhetően az alapanyagok skálája megnő és akár polikarbonáttal, nylonnal is lehetővé válik a nyomtatás. A belső tér LED égőkkel meg van világítva.

22. ábra TAZ 4 3D nyomtató zárt munkatérrel

A konkurens termékelemzésnél megfigyelteket (tengelyelrendezés, extruder blokk elhelyezése, csapágyazása), a követelményjegyzék összeállításánál, valamint a termékjavaslat kidolgozása folyamán használtam fel.

23   

  

4. KÖVETELMÉNYJEGYZÉK A követelményjegyzéket a konkurens termékek elemzése, valamint a várható felhasználó igények alapján alakítottam ki. Követelmény

Szint

Geometria A teljes befoglaló méret ne legyen nagyobb, mint 600x600x600 mm. A munkaterület engedélyezze a hozzáférést a karbantartáshoz, és a kész termék eltávolításához. A külső burkolat nyitható/zárható legyen. Zárás megoldása elektromágnessel történjen.

SZ SZ

Akadásmentes csúszás az extruder blokk tengelyei mentén.

SZ

A tengelyek megfelelő szilárdsága, stabilitása (lehajlás ellen). Fogaskerék megfelelő szilárdsága, ellenállósága a folyamatos igénybevétellel szemben. Rezgéscsillapítás további nyomtatott alkatrészek felhasználásával. Nagyobb stabilitást igénylő helyekre fém alkatrészek beépítése. Motorok megfelelő rögzítése, kilengés csökkentése.

A

A A

Kinematika Erők A SZ SZ A

Energia Rendszer túlmelegedésének elkerülése. Megfelelő perselyek használata a súrlódási veszteség minimalizálása miatt. A zárt térben átlagos hőmérséklet (~40°C) kialakításának lehetővé tétele.

A A SZ

Anyag Többféle nyomtató anyag felhasználás lehetősége.

Ó

Könnyen kezelhető interface a nyomtató kezeléséhez.

SZ

Nyomtató fej túlmelegedésének megakadályozása. Anyagelakadás esetén automatikus leállás. Zárt térben való nyomtatáskor is a burkolat nyitható legyen elakadás esetén. Szenzor beépítése, elakadás jelzése. Fűthető tálcán jelzés, ha használatban van.

A SZ SZ

Ne kelljen nagy szakképzettség a szerkezet használatához. Jó hozzáférhetőség az alapvető feladatok ellátásához. Könnyű mozgathatóság.

SZ SZ SZ

Jel Biztonság

SZ A

Ergonómia

24 

   Külső megjelenés Tanszéki motívumok feltűntetése. Additív gyártástechnológia sajátossága jelenjen meg valamilyen formában.

SZ SZ

Gyártás Tengelyek anyaga és átmérője lehetőleg legyen azonos. Nyomtatott alkatrészek geometriája ne legyen túl bonyolult, könnyen pótolhatóak legyenek. Nyomtatott alkatrészek ne igényeljenek utólagos megmunkálást. Nyomtatott alkatrészek megfelelő szilárdságúak legyenek.

SZ A SZ A

Szerelés Szabványos kötőelemek használata. Alkatrészek kialakítása tegye egyértelművé a szerelést. Azonos kialakítású kötőelemek használata (pl.: belsőkulcsnyílású csavarok)

SZ SZ

Üzemeltetés során megoldható legyen az alapanyag szárítása. Hosszabb nyomtatások esetén is maradjon meg a stabilitás. Nagyobb sebességű nyomtatás esetén is maradjon meg a stabilitás.

Ó SZ SZ

SZ

Üzemeltetés

Karbantartás Tönkrement alkatrészek könnyen cserélhetőek legyenek (gyors újranyomtatás, szabványos gépelemek használata). Utólagos pontosítás könnyen megoldható legyen. Könnyű tisztíthatóság.

25   

SZ A SZ

  

5. TERMÉKJAVASLAT KIDOLGOZÁSA A termékjavaslat az Operor i4-es 3D nyomtató áttervezésére alapszik, amely az alábbi ábrán látható.

23. ábra Operor i4

Munkatere 185x185x185 mm, ennek oka, hogy a tekercs a burkolaton belül helyezkedik el és így helyveszteséges a kialakítás. Az eddig bemutatott termékektől szembetűnően eltérő, hogy az extruder blokk nem a nyomtató fejnél, hanem a tekercsnél helyezkedik el, és az vezeti bele egy teflon csőbe a szálat. Ez a nagyobb gépeknél jól bevált módszer, azonban az ilyen kis asztali gépeknél nem elterjedt. Ennél a szerkezetnél is a nyomtató fejet tartó két tengely a tárgyasztalra merőlegesen helyezkedik el, így itt is felléphet az akadozva csúszás veszélye.

5.1. A külső burkolat tervezése A termékjavaslat leglátványosabb eleme a külső burkolat, amely egy zárt teret hoz létre a munkatér körül. A formai világban nem akartam eltérni a megszokott reprap stílustól. Fontos volt, hogy valahogyan megjelenjen a tanszéki motívum a szerkezeten, erre a célra a tanszéki logót választottam. Továbbá fontos volt, hogy beépítésre kerüljön egy fiók, amelyben a használathoz, karbantartáshoz szükséges kisebb szerszámok elhelyezésre kerülhetnek. Az első tervek szerint a filamentet tartó tekercs a burkolaton kívül helyezkedett el, majd a tervezés során a zárt tér kialakítása miatt ez bekerült a házba.

26 

   5.1.1. Zárt tér kialakítása és okai [3] A polimer anyagok nagy része higroszkópos, azaz nedvszívó. A polimerek nedvességtartalma elsősorban a környezeti relatív légnedvességtől függ. Fontos, hogy a nedvességtartalom a mechanikai tulajdonságokat befolyásolja. Lágyító hatása a modulus csökkenésében, a deformálhatóság növekedésében és a szilárdság csökkenésében mutatható ki. Erre jó példa lehet a PA6 feszültség-nyúlás diagramja különböző nedvességtartalmak mellett:

24. ábraPA6 feszültség-nyúlás görbéi különböző nedvességtartalom mellett [3]

Ezen oknál fogva a jobb mechanikai tulajdonságok elérése érdekében az alapanyagot szárítani szokták, akár granulátum kiszerelésben is. Így jutottam arra a gondolatra, hogy a filament szál szárítása is szükséges lehet, valamint erre a fórumokon is találtunk alátámasztást. Mind az ABS, mind a PLA képes megkötni a levegő nedvességtartalmát, ezáltal az alapanyag megduzzadhat és a fent említett mechanikai tulajdonságaik is romlanak. Emiatt fontos a megfelelő tárolásuk, illetve a használat előtti kiszárítás. Az ABS szárítási hőfoka 80 °C, és 4 órát vesz igénybe, míg a PLA-nál 80 °C fok 6 óra a szárítási idő [8]. Emellett fontos szempont, hogy a tálca hiába van felmelegítve 80-90 °C-ra, egy nyitott térben ez nem lehet homogén, hiszen 2-3 cm magasság fölött már nem tudjuk, hogy pontosan milyen hőmérsékletünk van a termék körül. Azonban a zárt térrel egy átlagos hőmérsékletet lehet biztosítani, így a rétegek összetapadását még stabilabbá tehetjük. Fontos hogy a 27   

   hőszigetelést biztosítani tudjuk az ajtó körül is, ezért egy fehérszínű tömítő szalag elhelyezése mindenképp szükséges. Természetesen a szerkezetet alkotó alkatrészek, és kiegészítő elemek kiválasztásánál ügyelni kell az üzemi hőmérséklet betartására. 5.1.2. Kezdeti ötletek

25. ábra Első ötletrajzok

A kezdeti ötletek során, az eredeti nyomtató formájának sajátosságát, a hatszögletes formát, valamint a Polimertechnika Tanszék honlapján látható íves designt próbáltam átvinni a saját terveimbe. Ezt leginkább az ajtó kialakításával képzeltem el.

26. ábra A tanszéki logó megjelenése

A tanszéki motívum megjelenését egy teljes falra képzeltem el, a gép oldalán, vagy hátulján. 28 

   A továbbfejlesztések során az alábbi három formai kialakítás született meg:

27. ábra Első terv

Ez a terv az Operor formájára épülő, elölről nyitható a burkolat. Az alsó részen helyezkedik el a tálca alatt egy fiók, illetve a vezérlő egység. A munkatér megmaradt az eredeti 200x200x200 mm-es méretnél, a tekercstartó a burkolaton belül helyezkedik el. Az eredeti ötlet ennél a tervnél az volt, hogy a szál alulról, a tálca alól lenne elvezetve a nyomtatófejhez, azonban itt problémát okozott volna, hogy az anyagot kis rádiuszban kellene hajlítani, ami PLA esetén nem túl jó megoldás, ugyanis a PLA könnyen törik.

28. ábra Második terv

29   

   A második terv sokban hasonlít az elsőhöz, az elrendezés és a méretek megegyeznek. A különbség, hogy ennél a kialakításnál a filament tekercs a burkolaton kívül van elhelyezve. Ekkor figyelni kell a szál bevezetésénél a megfelelő tömítésre. A harmadik terv legeltérőbb tulajdonsága, hogy az ajtó az egész első oldalt elfoglalja, így könnyű hozzáférést tesz lehetővé a munkatérben. Nyitása egyszerű, az átlátszó akril lemezt fel kell hajtani, de akár teljesen le is szerelhető. Valamint szakítottam a teljesen négyszögletes formával és az Operor burkolatának elemeit is próbáltam belevinni a végleges kialakításba.

29. ábra Harmadik terv

Ezeknél a terveknél alakult ki a gondolat, hogy az additív gyártástechnológiák, különösképp

ennek

a

3D

nyomtatásnak

a

klasszikus

gyártástól

való eltéréseit,

különlegességeit valahogy megmutassam (például alámetszett alkatrészek segítségével). Az ötletem az volt, hogy a tekercstartót úgy alakítanám ki, hogy az az általános gyártástechnológiákkal semmilyen körülmény mellett, vagy csak bonyolultan legyen gyártható.

30. ábra Tekercstartó ötletek

30 

   Ezek közül, végül az egyben nyomtatható bolygóműre jutott a választásom, ugyanis azt egy alkatrészként, nyomtatják, szétszerelhetetlen és mozgatható.

31. ábra Egy alkatrészként nyomtatható bolygómű (STL fájl)

5.1.3. Koncepció továbbfejlesztése A továbbfejlesztés során, a harmadik terv formáját tartottam meg, mivel leginkább azzal oldható meg, hogy megfelelően kialakítható legyen a munkatér, továbbá hogy kényelmes hozzáférést biztosíthassak a szerkezethez. Emellett a burkolatot hosszában megnyújtottam, hogy a tekercs elférjen a burkolaton belül anélkül, hogy csökkentené a munkaterületet. Így megoldható a fiók elhelyezése is, amelyet nem alulra, hanem oldalra terveztem.

32. ábra Első továbbfejlesztés

Ennél a kialakításnál a belső burkolat alá egy másik tekercs is elhelyezhető, így az folyamatosan szárítva van, amíg az „aktív” tekercs kerül felhasználásra, ezáltal jobb mechanikai tulajdonságokkal rendelkező termék készíthető (ld. az 5.1.1-es fejezetet). 31   

   Az ajtó nyitása itt is felhajtással történik, akár teljesen ráhajtható a burkolatra. Ennek továbbfejlesztését dolgoztam ki a végleges termékjavaslathoz. Ez annyiban tér el az előzőtől, hogy az ajtaját eltolni, - húzni lehet egy sín segítségével. A tanszéki logó itt gravírozással került a burkolatra.

33. ábra Végleges továbbfejlesztés

5.2. Extruder blokk mozgatása Az egyik legfontosabb konstrukciós változtatás a szerkezetben az extruder blokkot mozgató hajtás átgondolása volt. Legfőbb változtatást a sínek 90°-kal történő elforgatása jelentette. Ennek oka, hogy a legtöbb reprap nyomtatónál a sínek függőlegesen helyezkednek el, és az extruder blokk tömegközéppontja a tengelyektől viszonylag távol található (lásd 34. ábra), emiatt a nyomtatófej

súlyereje

külpontos

terhelésként

jelentkezik.

A

különböző

gyártási

pontatlanságok miatt a terhelés eloszlás ekkor úgy alakul, hogy az egyik, például a felső tengely tartja (Ft) közel az egész szerkezetet a teljes nehézségi erővel szemben (tehát Ft ≈ G), valamint az alsó tengelyre a nyomatékból adódóan egy oldalirányú erő fog hatni (Fny). Ennek a mechanikai ábrája az alábbi képen látható.

32 

  

34. ábra Mechanikai ábra függőleges tengelyelrendezésnél

A tengelyek elforgatása mellett az extruder blokk is áthelyezésre került, méghozzá úgy, hogy a nyomtató fej a két tengely között helyezkedik el, így az egész alrendszer tömegközéppontja átkerült a két tengely közé. Ezáltal a terhelés egyenletesebben, a két tengely között közel azonosan oszlik el (tehát G ≈ 2·F a 35. ábra jelölése szerint), kisebb terhelést jelentve a csapágyak érintkező felületein.

35. ábra Mechanikai ábra az új elrendezésről

A reprap nyomtatók úgynevezett „self-replicating” szerkezetek, azaz saját alkatrészeik gyártására alkalmasak, és a szerkezeti egységek közül több nyomtatott alkatrészként kerül beépítésre. A tengelyelrendezés változása miatt a felső hajtás függőleges mozgatását biztosító két alkatrész kialakítását módosítani kellett úgy, hogy mindkettő megfeleljen a nyomtatási feltételeknek. Továbbá az extruder blokkot tartó alkatrész is átalakításra került, melynek 33   

   alapja a Prusa i3 extruder blokkja volt. Ezt az elemet egybeolvasztottam a csapágyakra felfekvő, a lineáris mozgást végző alkatrésszel, hiszen így csökkenthető az anyagfelhasználás.

36. ábra Az új felső hajtás elrendezése és a három új alkatrész

A tengely elrendezés megváltoztatásán kívül egy másik fontos problémát a tengelyeken való mozgatást segítő lineáris siklócsapágyak jelentették. A gond abból adódott, hogy a tengely nem az adott csapágyhoz volt választva, ezért kismértékű játék volt tapasztalható a tengely és a csapágy között, így a rendszer hirtelen gyorsulása és irányváltásai miatt akadozó csúszásos mozgás lépett fel, amely pontatlanabb nyomtatott terméket eredményezett. Egy új, polimer IGUS DryLin R RJUM-03-as siklócsapágyat választottam ki [11], amelynek legfontosabb előnye, hogy az akadozva csúszás jelenségét megakadályozza, valamint rezgéscsillapító hatással bír. Emellett a gyártó javaslatát is figyelembe vettem, miszerint két párhuzamos sínű rendszer esetén az egyik oldalt lengőcsapágyakkal, míg a másik oldalt rögzített csapágyakkal kell felszerelni (lásd 37. ábra).

37. ábra Lengőcsapágyas elrendezés [11]

34 

   A lengőcsapágyak lényege, hogy kontrollált kiterjesztett játékkal rendelkeznek a várható párhuzamossági hiba irányába. Ez kiemelten fontos ezeknél a technológiáknál, hiszen a tengelyeket tartó alkatrészeket is egy másik reprap nyomtatóval nyomtatják, és akár a modellezésből, akár a nyomtatásból adódhat ilyen hiba. A csapágy kiválasztását ellenőrzés céljából a gyártó honlapján elérhető élettartam számító programban a pontos méretekkel elvégeztem. A kiértékelés szerint mind a terhelésre (p·v), mind a kopásra és a futási jellemzőkre is megfelelő a kiválasztás (az eredményt az 1. melléklet tartalmazza).

38. ábra A kiválasztott csapágy [11]

5.3. Kiegészítő elemek kiválasztása 5.3.1. Elektromágneses zár Az elektromágneses zár beépítése azt a célt szolgálja, hogy ha zárt térben kívánunk nyomtatni, akkor az ajtó elmozdítása ne legyen lehetséges.

39. ábra EML-60 mini síkmágnes [12]

A zár nyitása, zárása egy külön vezérléssel lenne működtethető, amit a felhasználó szabályozni tud. Azonban emellett gondolnunk kell arra, hogy a nyomtatás folyamán probléma léphet fel, ekkor a zárnak automatikusan nyitódnia kell. 35   

   Ezt a funkciót a 39. ábrán látható, vagy ahhoz hasonló elektromágnessel lehetne biztosítani. [12]

40. ábra A síkmágnes beépítése [12]

5.3.2. Elakadást érzékelő szenzor A nyomtatás során felléphetnek olyan problémák, amelyeket legtöbbször az anyag elakadása okoz (pl.: fúvóka eltömődése, nem kerül megfelelő halmazállapotba az alapanyag, stb.). Ezeknél a problémáknál károsodhatnak a nyomtató szerkezeti elemei, ezért szükség van egy olyan érzékelő beépítésére, amely probléma esetén a nyomtatási folyamatot azonnal leállítja. Az extruder blokk elakadását egy olyan kerületi sebességet mérő szenzor érzékelné, amely a fogaskerék egy adott pontját figyeli. Amennyiben az anyag elakad, és a behúzó tengely nem fordul el, akkor a fogaskerék mozgása is korlátozódik vagy teljesen megszűnik. Ebben az esetben a szenzor jelet ad (vagy éppen nem ad jelet – a vész stop rendszer kialakításától függően), és leállítja a folyamatot. Természetesen az ideális fordulatszámhoz képest egy adott eltérési határt meg kell adni, hiszen a filament szál keresztmetszetében a gyártási pontatlanságából származhat eltérés, amely azt okozhatja, hogy az anyag behúzása nehézkesebb vagy könnyebb, ami miatt a tengely akadozva fordulhat el, illetve gyorsabban foroghat.

41. ábra Kiválasztott szenzor [13]

36 

   A szenzor kiválasztásakor egy, a Bosch által gyártott kerületi sebességmérő szenzorra esett a választásom, amely megfelel az adott funkció ellátásához. A szenzor adatait a 2. melléklet tartalmazza. [13] A szenzor az extruder blokkon kerülne felszerelésre.

5.4. A nyomtató végleges terve A nyomtató végleges tervének kidolgozásához elkészítettem a termék előzetes modelljét az Inventor 2014 3D-s modellező programjában. Nagy hangsúlyt fektettem arra, hogy a modellben, majd az elkészülő látványtervekben minél részletesebben kidolgozzam a javaslatot. Ezért a modellben az elektromágnes, és a szenzor is elhelyezésre került. A külső burkolat végleges kialakításánál a tanszéki logó az elhúzható ajtóra került, amely egy átlátszó polimer lemezből készül. A burkolat fehérségét az elülső oldalon az ajtó melletti részen egy kék színnel törtem meg. A kék szín a Polimertechnika Tanszék arculatában is megjelenik, ezért döntöttem mellette. A színválasztásnál ügyeltem arra, hogy a nyomtatott alkatrészekkel összhangban legyen, amelyek ugyanezt a színt kapták (RGB 99; 200; 236). Ugyanez igaz a bolygóműre is, amelyet a szerkezet oldalán helyeztem el. Az elhúzható ajtón helyezkedik el az elektromágnes ellendarabja, ennek a záráson kívül a másik funkciója, hogy nem engedi az ajtót teljesen elhúzni. Azonban ha az ajtó leszerelése szükségessé válik, az két csavar eltávolításával könnyen megoldható. A következő oldalakon néhány látványterv látható az elkészült termékjavaslatról.

37   

  

42. ábra A nyomtató látványterve zárt állapotban

43. ábra A nyomtató látványterve nyitott állapotban

A szerkezet jobb oldalán, a tápegység mellé került elhelyezésre a fiók, amely a szerszámok rendszerezésére szolgál.

38 

  

44. ábra Oldalsó fiók elhelyezése

Mivel a burkolat nem átlátszó, ezért szükségesnek éreztem, hogy világítást helyezzek el a szerkezeten belül, hogy a nyomtatás jól látható legyen, illetve az esetleges karbantartási műveleteknél jól láthatóak legyenek az alkatrészek (lásd 43. és 44. ábrát). Továbbá elhelyezésre került egy kijelző, amely a nyomtató vezérlését teszi könnyebbé, ezáltal a felhasználó módosítani tudja a beállításokat (hőmérséklet, rétegvastagság, lámpa beés ki kapcsolása), ezzel elindítható, vagy leállítható a nyomtatás, illetve ezzel megoldható az elektromágneses zár manuális nyitása is. A kijelző elhelyezésére az elülső oldal megdöntött részét választottam ki, amely ergonómiai szempontból is könnyebb használatot tesz lehetővé.

45. ábra Kijelző

A tekercsek elhelyezését a burkolaton belül oldottam meg, ügyelve arra, hogy a kivétel, illetve a behelyezés könnyen megoldható legyen. Ehhez a nyomtató fejet nullhelyzetbe kell állítani Z irányban, így a függőleges tengelyek mellett egyszerűen kiemelhetőek a tekercsek.

39   

  

46. ábra A nyomtató bemutatása

A szerkezet befoglaló méreteit az alábbi ábrák mutatják be. A méretezés során a könnyű hozzáférhetőséget tartottam szem előtt, valamint fontos volt, hogy a követelményjegyzékben előre meghatározott méreteken belül maradjak. A végleges befoglaló méret: 590 x 488 x 450 mm (sz x m x m).

47. ábra Befoglaló méretek elölnézetben

40 

  

48. ábra Befoglaló méretek oldalnézetben

41   

  

6. ÖSSZEFOGLALÁS A TDK munkám során a feladatom egy reprap típusú 3D nyomtató megjelenésének és konstrukciójának áttervezése volt. A termékjavaslat elkészítésekor két fő célom volt. Első a konstrukciós hibák kiküszöbölése, valamint egy olyan burkolat kialakítása, amely magában hordozza a reprap nyomtatók egyszerű szerkezeti felépítését, mégis látványos megjelenést ad a gépnek. A kész termékjavaslat a követelményjegyzéket követve készült el. A konstrukciós tervezés során a szakirodalmi kutatásra, a konkurens termékek elemzésére illetve a felhasználói tapasztalatokra építettem. Igyekeztem a lehető legjobb megoldást megtalálni minél kisebb változtatások árán. A legnagyobb konstrukciós változtatást az extruder blokk mozgatását szolgáló tengelyrendszer elforgatása jelentette, amellyel bizonyíthatóan csökkenthető a lineáris csapágyakra vagy perselyekre jutó terhelés. Ezen kívül az akadozó csúszást kiküszöbölő IGUS siklóperselyek kerültek beépítésre, amellyel tovább növelhető a nyomtató nyomtatási pontossága. A fejlesztési javaslatok közül a szenzor fő szerepe, hogy anyagelakadás esetén a nyomtató leálljon. Ezáltal csökkenthető az anyagpazarlás, valamint annak a lehetősége, hogy az extrudálást végző fogaskerekek, és a fúvóka tönkre menjenek. A harmadik fejlesztési javaslat szorosan kötődik a zárt tér kialakításához, melynek szerepe, hogy egy homogén hőmérsékletű környezetben nyomtathassunk. A biztonságos nyomtatás érdekében építettem be az elektromágneses zárat, amelyet a felhasználó is tud akár manuálisan nyitni és zárni is. A nyomtatási folyamat gyorsításához telepítettem egy kijelzőt, amellyel az alapbeállítások, az elindítás, leállítás, a lámpa fel-, lekapcsolása könnyen elérhető. Így könnyebbé téve a gép kezelését egy átlagos felhasználó számára.

42 

  

7. FELHASZNÁLT FORRÁSOK

1. Ian Gibson, David W. Rosen, Brent Stucker.: Additive Manufacturing Technologies. Springer, London (2010). 2. Czvikovszky T., Nagy P., Gaál J.: Polimer alkatrész prototípus gyártási technológiák, in A polimertechnika alapjai, BME egyetemi jegyzet, Budapest, 407-425. oldal (2013). 3. Bodor G., Vas L.: Polimerek viselkedése a nedvességtartalom változása mellett, in Polimer anyagszerkezettan, Műegyetemi Kiadó, Budapest, 220-227. oldal (2005) 4. A. Gebhardt.: Rapid Prototyping, Hanser, München (2011). 5. B. Evans.: Practical 3D Printers, Apress, New York (2012). 6. Kovács József Gábor: Gyors prototípusgyártás. BME, (2012) 7. RPT/RT polimer termékek kisszériás gyártása, Polimertechnika Tanszék labor segédlet, 2014 8. Dunai A., Macskási L.: Műanyagok fröccsöntése, Lexica Kft, Budapest, 2003 9. http://reprap.org/ (elérés dátuma: 2015.10.20.) 10. http://www.stratasys.com/3d-printers (elérés dátuma: 2015.10.20.) 11. http://www.3dnyomtatas.hu/ (elérés dátuma: 2015.10.20.) 12. DryLin lineáris vezető rendszerek, in IGUS Katalógus; 231-339. oldal (2015) 13. http://elektromagnes.hu/sikmagnesek/eml-60.html (elérés dátuma: 2015.10.20.) 14. http://www.bosch.hu/products/car_equip/productkatalog/?fomenu=21 (elérés dátuma: 2015.10.20.)

43   

  

8. MELLÉKLETEK 1. A kiválasztott csapágy ellenőrzésének eredménye 2. Bosch Hall speed sensor without cable, 0 232 103 099 műszaki adatai

44 

2015.10.30. 10:01:28 - Oldal 1/2

igus® GmbH Spicher Str. 1a 51147 Cologne Tel.: +49 (0) 2203-96 49-0 Fax: +49 (0) 2203-96 49-222 E-Mail: [email protected]

DryLinExpert

barangolás rendszer tengelyanyag tengelytáv (b) csapágy távolság (wx) beépítési helyzet Hajtás Fix csapágyhelyzet hajtás koordinátái (ay) hajtás koordinátái (az) tömegközéppont koordináta (sx) tömegközéppont koordináta (sy) tömegközéppont koordináta (sz) Terhelő erő gyorsulás (a) elmozdulás (Lössz) tengelyhossz

2 x AWMP-08,293 4 x RJM-01-08 Aluminium , tűrés h8, kemény anodizált 46 55 vízszintes szimpla hajtás fix és beálló csapágyakkal A hajtó végen 2 17,5 -17 54,1 18,4 2,5 1 5 293

mm mm

mm mm mm mm mm N m/s² km mm

eredmény futási jellemzők terhelés kopás kopás y-irányban kopás z-irányban max.engedélyezett tartós sebesség szükséges minimális hajtóerő ajánlott tárolási hőmérséklet max.terhelés y-irányban biztonsági faktor y-irány max.terhelés z-irányban biztonsági faktor z-irány tömegközéppont tűrése (új állapot)

OK OK OK 0 0 5 1 90 1 185,9 0 1000 0,2

mm mm m/s N °C N N mm

2015.10.30. 10:01:28 - Oldal 2/2

tömegközéppont tűrése (vége a műveletnek)

0,2

mm

Termékekre vonatkozó garancia A jelen szoftverben közölt információk – ezen belül különösen az expert alkalmazás által szolgáltatott adatok – a bemutatott termékekkel kapcsolatos aktuális ismereteinken alapulnak. A gyártót semmilyen jogi kötelezettség nem terheli az egyes jellemzők, illetve az adott alkalmazáshoz való megfelelőség biztosítására. Az igus® semmilyen felelősséget nem vállal a termékek használatából eredő károkért. Javasoljuk a termék adott célra való alkalmasságának helyszíni próba keretében történő ellenőrzését. Kérjük, vegye igénybe tanácsadási szolgáltatásainkat. Cégünk a folyamatos műszaki fejlesztésre törekszik, így fenntartjuk annak jogát, hogy termékeink műszaki tartalmát bármikor módosíthassuk és továbbfejleszthessük.

0 232 103 099

1/2

Hall speed sensor without cable Digital measurement of rotational speeds Input quantity: n, Ø, s Output quantity: U • Precise, reliable digital measurement of rotational speed, angles and distances. • Non-contacting measurement. • Hall IC in sensor with open collector output. • Not susceptible to contamination. • Resistant to mineral-oil products (fuel, engine oil). • Transmission of information on sensor signal quality.

Design Hall sensors consist of a semiconductor wafer with integrated driver circuits (e.g. Schmitt trigger) for signal conditioning, a transistor as output driver and a permanent magnet. These are hermetically sealed in a plastic connector housing. In an active rotational-speed sensor, magnets assume the function of the sensor-ring teeth. The magnets are integrated into a multiple rotor for example and are arranged with alternating polarity around its periphery. The measuring cell of the active rotational-speed sensor is exposed to the constantly changing magnetic field of these magnets. There is thus a constant change in the magnetic flux through the measuring cell as the multiple rotor turns.

two-core cable provides the connection to the control unit. The speed information is transmitted in the form of a loadindependent current. As with an inductive speed sensor, the frequency of the current is proportional to the wheel speed. This form of transmission using conditioned digital signals is not susceptible to inductive disturbance voltages as is the case with the type of transmission with inductive speed sensors.

Installation instructions - Standard installation conditions ensure full sensor operating capacity. - Route connecting leads in parallel to minimise interference. - Protect sensor against the destructive effect of static discharge (CMOS elements).

Application Hall speed sensors are suitable for noncontacting and thus wear-free rotationalspeed measurement. Thanks to its compact design and low weight, the active rotational-speed sensor can be installed at or in a wheel bearing.

Principle of operation The principal sensor components are either Hall elements or magneto-resistive elements. Both elements generate a voltage which is governed by the magnetic flux through the measuring element. The voltage is conditioned in the active speed range. In contrast to an inductive sensor, the voltage to be evaluated is not a function of the wheel speed. The wheel speed can thus be measured almost until the wheel has stopped. A typical feature of an active speed sensor is the local amplifier. This is integrated into the sensor housing together with the measurement cell. A

Robert Bosch GmbH Automotive Aftermarket Postfach 410960 76225 Karlsruhe Germany www.bosch-sensoren.de

Explanation of characteristic quantities N=0 Static operation possible. N>0 Only dynamic operation possible. uMax. LOW output voltage with IOutput current = 20 mA. K Supply current for Hall sensor. . fall time (trailing signal edge). : rise time (leading signal edge).

0 232 103 099

Part number

2/2

0 232 103 099

Technical data Minimum trigger-wheel speed Maximum trigger-wheel speed Maximum working air gap Minimum working air gap Rated supply voltage Supply voltage range Supply current Output current Output voltage Output saturation voltage Switching time Switching time Steady-state temperature in sensor and transition zone Steady-state temperature in connector zone

Dimensional drawings

N m

ö u K I U j .1) .2)

0 min.! 4000 min.! 1,8 mm 0,2 mm 5V 4,75V ... 18V Typically 5V 0 ... 18 mA 0 ...u e 0,52 V e 1 zs e 17 zs -40°C ... 150°C -40°C ... 150°C