CAD CAM CIM. Rapid Prototyping. Készített: Hatos István

Átírás

1 CAD CAM CIM Rapid Prototyping Készített: Hatos István

2 RPT? Gyors prototípus gyártás (rapid prototyping, RP, RPT) azon technológiák összefoglaló neve, amelyek segítségével egy számítógépen tervezett, vagy egyéb módon létrehozott (szkennelés) virtuális 3D modellt gyors, egyszerű módon tudunk fizikai test formájában létrehozni, nem hagyományos technológiák segítségével. Olyan technológiák, melyek különböző eszközök és anyagok segítségével alkalmasak egy tárgy prototípusának létrehozására a célanyagból mindössze annak egy 3D CAD alkalmazásából vagy fordított mérnöki tevékenységből (reverse engineering) származó numerikus modellje alapján.

3 A gyors prototípusgyártás egy relatív új technológia fizikai modellek és prototípus alkatrészek 3D-s CAD modellek közvetlen felhasználásával történő gyártására. A hagyományos megmunkálásoktól eltérően, ahol elő gyártmányból lebontó (subtractive) eljárások segítségével állítjuk elő a kívánt geometriai alakzatot, a gyors prototípusgyártási eljárásoknál rétegről-rétegre (layer by layer) egy adott modell vékony, vízszintes keresztmetszeteit építjük össze (additive). A felépítéshez használt anyagok széles skálája a folyékony alapanyagokból, a különböző porokból és a lemez jellegű anyagokból származik.

4 A gyors prototípusgyártó eljárásokkal készülő alkatrészek a termék funkciója alapján három csoportba oszthatók: Szemléltető modell Gyártást támogató modell Funkcionális modell

5 Az RPT termékek felhasználói

6 Rapid prototyping A CAD modellt képzeletbeli vízszintes metszetekre bontja fel Ezeket egymásra rétegeli a fizikai térben A rétegek összeépülnek, fizikai modelljét létrehozva a CAD modellnek Bármilyen modell elkészíthető így gyorsaság : órákba, napokba is telhet egy modell elkészítése Anyaghozzáadásos modellalkotás Más automatizált megmunkálástól (pl. CNC) eltérően nem leválaszt, hanem additív, felépítő módon hozza létre a modellt A test vékony rétegekből épül fel

7 1. 3D modell CAD rendszer Reverse Engineering Modell exportálása.stl formátumba 2. Modell szeletelése 3. Építés az alsó rétegről kiindulva 4. Építés az utolsó rétegig 5. Utómunkálatok

8 Reverse Engineering

9 Eszközök a Reverse Engineering területén Digitális Optikai Mérőgép (GOM TRITOP) 3D felületek rekonstrukciója CAD modell készítés Rekonstruált (mért) és CAD modellek összehasonlítása egy optikai szenzorokkal működő 3D-s fényképezőgép, mely az adott alkatrészről képes, egy térbeli számítógépes modellt készíteni

10 Eszközök a Reverse Engineering területén 3D ipari röntgengép A komputer tomográf segítségével összetett külső és belső geometriák ellenőrizhetők nagy pontossággal. Információ nyerhető a belső szerkezetről és a hibákról (üregek, zárványok). Alkalmazás: Teljes értékű 3D modell készítés Belső anyaghibák keresése Komplex szerkezetek elemzése

11 A CT mérési elve 2D-s felvétel sorozat Sorozatos elfordulások Rétegek egyesítése térbeli képpé Vizsgálati technikák Érzékelés: Lapdetektor Vonaldetektor Röntgen csövek Nagyfeszültségű cső (450 kv) Mikrofókuszú cső (225 kv)

12 Hengerfej geometriai méretek ellenőrzése 3D modell Jellegzetes metszetek

13 alapsík CAD RP kommunikáció Az STL (Standard Triangulation Language, standard háromszögelési nyelv) A formatum az RP folyamatok adatcserejenek alapvet formatuma. Az STL sikerenek kulcsa az egyszerseg, eredetiseg es a tervezett modell megfelel pontos abrazolasa. A formatum elsdleges celja a 3D CAD modellek atvitele a gyors prototipusgyarto eszkozokre. Manapsag a legtobb CAD/CAM program el tudja menteni a modelleket STL formatumban, melyet szinte minden RP rendszer be tud olvasni. szelet háromszögelt 3D-s modell metszõsík

14 Az STL fileok szerkezete és létrehozása A 3D modell STL formátumban történő tárolása nem más, mint a test felületeinek háromszögletű felületekre való felosztása, melyek minden csomópontját X, Y, Z koordináták halmaza és az adott felületről a modelltől elfelé mutató vektor írja le.

15 3D-s háromszögelt modell 3D-s CAD modellből előállított STL file

16 CAD - 3D Printing Finom felbontású STL file STL file A legyártott modell felülete Durva felbontású STL file A 3D-s STL file felbontása közvetlen hatással van a kész modell felületére

17 STL export Pro/ENGINEER

18 A gyártást megelőző folyamatelőkészítő tevékenység CAD modell stl formátumban Modell ellenőrzése, korrigálása Támaszték képzés Szeletelés Modellek elhelyezése a munkatérben

19 Az RPT eljárások felosztása az alkalmazott módszerek és alapanyagok alapján

20 Sztereolitográfia - SLA A legrégebbi gyors prototípusgyártó technológia Fejlesztő: 3D System 1987 Stereolitográfia a fotopolimerizáció elvét használja úgy, hogy a folyékony műanyag gyanta - Ultra-Viola fény hatására- átalakul szilárd műanyaggá.

21 SLA (sztereolitográfia) A lézert számítógép vezérli A folyadék-halmazállapotú fotomonomer az UV-fény hatására megszilárdul Az asztal fokozatosan süllyed A kész modellről lemossák a felesleges gyantát UV-s hőkezeléssel a modell tovább szilárdul

22 Sztereolitográfia - SLA

23 Laminated Object Manufacturing (LOM)

24 Gyártó: Cubic Technologies

25 Szelektív lézeres szinterezés - SLS Gyártó: 3D Systems Felhasználható porok: Fém Műanyag Gyártó: EOS

26 Történet 1971 Pierre Ciraud 1979 Haushold

27 Történet 1984 Carl Deckard, The University of Texas 1992 első kereskedelemben kapható rendszer SinterStation 2000, gyártó - DTM 1994 első EOS gép 1995 első DMLS EOSINT M250

28 A lézer szinterezés Azon technológiák melyek por alapanyagból állítanak elő szilárd testeket a porszemcsék felületének lézer sugárral való összeolvasztásával.

29

30 Az SLS rendszerek a felhasznált anyag szerint: Elméletileg minden anyag használható, ami ömledék állapotban hozható. Polimer Fém Indirect: Polimer kötőanyaggal bevont fémporokat használnak, szinterezés után kemencében a műanyagot kiolvasztják és a helyét fémmel töltik fel. Direct: közvetlenül a fémporok felülete olvad össze. Homok Hőre keményedő kötőanyaggal körülvett homokszemcsék szelektív lézeres eljárással kötnek össze. Felhasználás öntészet: homokforma, homokmag.

31 SLS - plastic

32 Eszközök a gyors prototípusgyártás területén EOS M270 lézer szinterező berendezés Fémporok összeolvasztása Munkatér: 250x250x215 mm

33 Fémporok lézer szinterezése DMLS - Direct Metal Laser Sintering Az automatikusan rétegről-rétegre terített porszemcsék pásztázó lézersugár energiájával kerülnek összeolvasztásra. Minden egyes rétegnek csak azon területén történik a porszemcsék olvadása, ahol az adott modell adott magasságban lévő szeletének területe megkívánja.

34

35 Fémporos szinterezők gyártói

36

37

38

39

40 A gyártási folyamat lépései

41 A gyártást megelőző folyamatelőkészítő tevékenység CAD modell stl formátumban Modell ellenőrzése, korrigálása Támaszték képzés Szeletelés Modellek elhelyezése a munkatérben

42 A szinterezést követő/ követhető tevékenységek Hőkezelés feszültség csökkentés Darabok eltávolítása az alaplapról Utómunka ( forgácsolás, polírozás stb.)

43

44 Hőkezelés, feszültség csökkentés Az építési hő és lépcsőzetes építés hatására az alkatrészben belső feszültségek keletkeznek. A belső feszültségek hatására fellépő deformációval az építés alatt is számolni kell. A deformáció a munkadarab alakját módosítja vagy magát az építési folyamatot is blokkolhatja.

45

46 Hibrid alkatrész esetén közvetlenül az alaplapra szintereznek. Munkarab kivágása az alaplapból huzalszikra forgácsolással.

47 Utómunkálatok

48 A DMLS technológia fő felhasználói Szerszámgyártás Fogtechnika, implantátumok Repülőgépipar

49 A DMLS technológia fő felhasználói Szerszámgyártás Formakövető belső hűtőrendszer alkalmazása

50 A DMLS technológia fő felhasználói Fogtechnika, implantátum gyártás Biokompatibilis anyagok álnak rendelkezésre Minden ember egyedi Tervezés sokszor szkennelt modell alapján 3D-ben

51 A DMLS technológia fő felhasználói Repülőgépipar Nagy bonyolultságú darabok egy anyagból Nagy szilárdságú és hőállóságú anyagok

52 A leggyakrabban használt DMLS anyagok

53 EOS MaragingSteel MS1 - high performance steel for series tooling and other applications Characteristics and applications Key characteristics 18 Maraging 300 type steel (1.2709, X3NiCoMoTi18-9-5) fully melted to full density for high strength and polishability easily machinable as-built age hardenable up to approx. 55 HRC good thermal conductivity Typical applications series injection moulding, also for high volume production other tooling applications, e.g. die casting high performance parts, e.g. for aerospace applications Injection mould insert with conformal cooling, built in EOS MaragingSteel MS1

54 EOS MaragingSteel MS1 is a high performance steel for series tooling and other applications Key properties (provisional data) Mechanical properties as built (EOSINT M270) hardness: HRC Mechanical properties after age hardening (4 hours at 500 C) UTS: ~ 1900 MPa yield strength: ~ 1950 MPa hardness: Physical properties HRC Relative density: approx. 100 % 200 internally cooled pin inserts for injection moulding, built in EOS MaragingSteel MS1. Source: LBC GmbH Source: EOS

55 MaragingSteel MS1 mérési eredmények Előírt Mért Folyáshatár (Mpa) Szakító szilárdáság Szakadási nyúlás (%) 8 4,5 Keménység (HRC) C0 tartalom (%) 8,5-9,5 8,8 Ni tartalom (%) ,2 Hőkezelt Előírt Mért Folyáshatár (Mpa) Szakító szilárdáság Szakadási nyúlás (%) 2 1,6 Keménység (HRC)

56 EOS StainlessSteel stainless steel material for prototyping and series production Characteristics and applications Key characteristics raw material corresponds to 17-4 (1.4542, X5CrNiCuNb16-4) corrosion-resistance excellent ductility Typical applications engineering applications including functional prototypes, small series products, individualised products or spare parts parts requiring high corrosion resistance, ability to sterilize, etc. parts requiring particularly high toughness and ductility Source: EOS Benchmark test geometry in EOS StainlessSteel Demonstration part in EOS StainlessSteel 17-4, partly polished

57 EOS StainlessSteel 17-4 produces fully dense parts with excellent mechanical properties Key properties Mechanical properties UTS: approx. 131 KSI yield strength: approx. 73 KSI Young s Modulus: approx. 28 E06 elongation: approx. 25 % hardness: approx. 230 HV after post-hardening >40 HRC Physical / chemical properties laser-sintered density: ~ 100 % max. operating temperature 1000 F highly polishable Source: EOS Micrograph of laser-sintered EOS StainlessSteel 17-4 in solution-annealed and H1150 aged condition showing fully remelted, dense structure

58 EOS CobaltChrome MP1 - CoCrMo superalloy material for prototyping and series production Characteristics and applications Key characteristics high strength, temperature and corrosion resistance biocompatibility fulfils ISO and ASTM F75 (cast CoCrMo implant alloys), and most of ISO and ASTM F1537 (wrought CoCrMo implants) Typical applications high-temperature engineering applications, e.g. turbines medical implants dental devices Engine exhausts in EOS CobaltChrome MP1 Knee implant in EOS CobaltChrome MP1

59 EOS CobaltChrome MP1 produces fully dense parts with excellent mechanical properties Key properties Mechanical properties UTS: approx. 189 KSI yield strength: approx. 133 KSI Young s Modulus: approx. 30 E06 elongation: approx. 12 % after HIPing % hardness: HRC Physical / chemical properties laser-sintered density: ~ 100 % max. operating temperature 2100 F nickel-free (< 0.05 % nickel) highly polishable Micrograph of laser-sintered EOS CobaltChrome MP1

60 EOS CobaltChrome SP1 - special purpose CoCrMo superalloy for veneered dental restorations Characteristics and applications Key characteristics high strength, temperature and corrosion resistance biocompatibility thermal characterisitcs suitable for veneering with dental ceramic Typical applications dental restorations (crowns, bridges etc.) Availability custom development for Sirona available by special agreement Dental restorations in EOS CobaltChrome SP1

61 EOS Titanium - light alloy materials for prototyping and series production Characteristics and applications Several versions will be available EOS Titanium Ti64 (Ti6Al4V) EOS Titanium Ti64 ELI (higher purity) EOS Titanium TiCP (commercially pure) Key characteristics lightweight high strength biocompatibility Typical applications aerospace and engineering applications biomedical implants Dental device built in EOS Titanium Ti64 Spinal implants built in EOS Titanium Ti64

62 Tervezési és építési alapelvek A part that can be easily milled, should be milled Azon alkatrészek amelyek könnyen marhatók, azokat marjuk

63 Tervezési és építési alapelvek Építési (Z) magasság optimálás

64 Tervezési és építési alapelvek Építési térfogat optimálás

65 Tervezési és építési alapelvek Csak a bonyolult részeket szinterezni

66 Tervezési és építési alapelvek Skin / Core építési stratégia

67 Tervezési és építési alapelvek A szinterezett darabok felületi érdessége: Az elméleti felületi érdesség számítható A részlegesen átolvasztok szemcsék jelenléte a felületen A várható felületi érdesség 3 < Ra < 20 µm

68 Tervezési és építési alapelvek Alaplappal párhuzamos felületek építhetősége:

69 Tervezési és építési alapelvek Alaplappal hegyesszöget záró felületek építhetősége:

70 Tervezési és építési alapelvek Furatok építhetősége:

71 Tervezési és építési alapelvek Munkadarabok építéskori elhelyezése:

72 Tervezési és építési alapelvek A geometria módosítása, lézerszinter helyes kialakítás a megtámasztások elkerüléséhez:

73 Tervezési és építési alapelvek A geometria módosítása, lézerszinter helyes kialakítás a megtámasztások elkerüléséhez:

74 Tervezési és építési alapelvek A geometria módosítása, lézerszinter helyes kialakítás a megtámasztások elkerüléséhez:

75 Tervezési és építési alapelvek A geometria módosítása, lézerszinter helyes kialakítás a megtámasztások elkerüléséhez:

76 Tervezési és építési alapelvek A geometria módosítása, lézerszinter helyes kialakítás a megtámasztások elkerüléséhez:

77 Tervezési és építési lehetőségek Súlycsökkentés:

78 Tervezési és építési lehetőségek Súlycsökkentés:

79 Tervezési és építési lehetőségek Súlycsökkentés:

80 Tervezési és építési lehetőségek Súlycsökkentés:

81

82

83 3D Printing

84 3D Printing alkalmazásai

85 3D Printer öntészeti alkalmazásai

86 Polyjet 3D Printing

87 Polyjet 3D Printing

88 FDM Fused Deposition Modeling, Olvasztott lerakásos darabgyártás Materials: ABS, Polycarbonate (PC), Polyphenylsulfonen (PPSF)

89 FDM Fused Deposition Modeling, Olvasztott lerakásos darabgyártás

90