11. GYORS PROTOTÍPUS-GYÁRTÁS (RAPID- PROTOTYPING)

Átírás

1 11. GYORS PROTOTÍPUS-GYÁRTÁS (RAPID- PROTOTYPING) A valóságos prototípusok gyártása költséges és viszonylag lassú folyamat. A vizuális realitás módszereivel élethűen megjelent geometriai modell számos kérdésre választ ad, amelyet a prototípustól várunk. Ennek ellenére gyakran van szükség fizikailag létező prototípusokra.

2 A virtuális prototípus egyik hátránya, hogy nem állnak rendelkezésre minden tárgyalóasztalnál a szükséges hardver és szoftver eszközök. Nem mindenki tudja egyformán látni a térben a modellezett alkatrészt, különösen nem annak részleteit. A kézben tartva szemlélhető darab olyan ötletek forrása lehet, amelyek értéke előre felmérhetetlen. Az előbbieken túl a prototípus (mesterdarab) felhasználható szerszámként (vákuumformázás), szerszámkészítéshez (Rapid Tooling) öntőmintaként, öntőformaként. Ezzel lényegesen lerövidíthető a tervezés-gyártás átfutási ideje (Rapid Manufacturing).

3 A legutóbbi években számos eljárást dolgoztak ki prototípusok geometriai modellek információi alapján történő gyors előállítására. Ezek közös vonása, hogy az alakot rétegekre bontásán, majd a prototípusnak a rétegekre vonatkozó információk alapján való rétegenkénti felrakásán alapul. A gyakorlatban bevezetett módszerek vékony anyagból kivágva, vagy műgyantából kikeményítve állítják elő a prototípust. Tulajdonképpen a műszaki tervezőrendszerek üzemeltetéséhez használt számítógépek periférikus berendezéseiről van szó. Ezek zárt rendszerben, tisztán dolgoznak, és nem igényelnek üzemi környezetet.

4 A kikeményítéssel dolgozó eljárások folyékony vagy por anyagból készítik el a prototípust. A legszélesebb körben az a sztereólitográfiai eljárás terjedt el, amelynél alapanyagként folyékony műanyagot használnak. A folyékony gyanta egy tartályban van. A számítógép a geometriai modellből vett információk alapján ultraibolya lézer sugarat vezérel. A sugár hatására kikeményedő anyag felületén az alak egy vékony rétege jön létre. A test ezeknek a rétegeknek az egymásra rakásával alakul ki. A prototípus néhány órán belül készül el.

5 Az alakot vékony anyagból, a rétegek kivágásával létrehozó eljárások a megfelelő pontosság és felületminőség biztosítása érdekében lézerrel dolgoznak. A gyors prototípus-gyártó berendezés, mint minden periférikus hardver eszköz üzemeltetéséhez a tervezőrendszert megfelelő interfész programmal kell kiegészíteni. A jól kiépített tervezőrendszerek rendelkeznek ilyen elemekkel. Az interfész program a geometriai modell adatállományából szabványos STL fájlt állít elő, amely közvetlenül felhasználható a gyors prototípus-készítő berendezés vezérléséhez. Az eredmények a prototípus elkészítése előtt a tervezőrendszerben vagy a gyors prototípus-gyártó berendezés vezérlésének képernyőjén ellenőrizhetők.

6 11.1. Geometriai modellek alkalmazása a gyors prototípus-eljárásoknál A mai modern számítógéppel segített tervezés (CAD) technológiájában viszonylag egyszerű egy adott konstrukciónak három dimenziós megtervezése számítógépen. Kevésbé egyszerű viszont megjeleníteni az ilyen 3D-s modellt, mert a számítógép képernyője csak kétdimenziós. Hasznos lehet a valódi, látni és érezni (meg tudom érinteni) modell megvalósítás. Az elmúlt mintegy tíz évben a legtöbb ilyen 3D-s fizikai modell (prototípus) fáradságos munkával adott nyersdarabból CNC forgácsológépen készült.

7 Termékfejlesztés Prototípusok gyártási eljárásai a prototípusok gyors rendelkezésre állása Hagyományos forgácsoló eljárások * NC-marógépek * másoló marógépek * esztergagépek * kézi megmunkálások *... Gyors-prototípus eljárások * Stereolithographie * Solid Ground Curing * Selective Laser Sintering * Fused Deposition Modeling * Laminated Object Manufacturing További technikák * műanyag vákuum- -formázó eljárás * nyomás alatti fémöntés * gipszforma eljárás * precíziós öntés * homokformába öntés *... * 3D Printing ábra Prototípus-gyártás modellezése és eljárásai

8 Az elmúlt években új módszereket fejlesztettek ki, amelyekkel egy prototípust felépíthetünk közvetlenül a CAD fájlból (a drága és időigényes forgácsolás helyett). A legtöbb ilyen technológia gyors és egyszerű. Ezeket egy összefoglaló címszó alatt csoportosíthatjuk, mint: Rapidprototyping (gyors prototípus-gyártás) technológiák, de az alkalmazási céleljárás függvényében használják a Rapid Tooling (gyors szerszámgyártás), a Rapid Modelling (gyors modellezés), a Rapid Manufacturing (gyors gyártás), a 3D Modelling (3D-s modellezés) elnevezéseket is.

9 Ez a termékfejlesztési terület a 80-as évek elején jelent meg az Egyesült Államokban és az elmúlt 20 évben óriási fejődésen ment keresztül. A termék konstrukciók sokkal összetettebbé váltak mind alakjukban, mind funkcionalitásukban. Ezzel szemben a tervezési-, gyártási-, átfutási idők csökkentésének szükségessége növekedett (gazdasági és termelékenységi okokból), valamint a minőségi elvárások egy termékkel szemben fokozottabbá váltak. Ezen körülmények megváltozása indukálta, a számítástechnika és a tervezőrendszerek nagyarányú fejlődése pedig lehetővé tette a terület jelentős fejlesztését.

10 Tehát a szilárd CAD modellezés és a számítógépes technológiák fejlődése egy új utat nyitott meg, a gyors prototípusok gyártása felé. Az Rapid-prototyping (RP) előtti időkben heteket és sok pénzt vett igénybe egy konstrukció prototípusának legyártása. A Rapid-prototypingban ugyanennek a prototípusnak a gyártása manapság hétköznapivá vált. Időtartama órákra, költsége pedig töredékére csökkent. Az RP kifejlesztése lehetővé tette a cégeknek, hogy gyakrabban, valamint kevesebb költséggel, rövidebb idő alatt ellenőrizzék és változtassák meg a konstrukciókat. [202]

11 Szkennelési stratégia Virtuális valóság CAD modellezés Tapintási modellezési rendszer Pontsereg Referencia modell (CAD) Ellenőrzés és összehasonlítás Reverse engineering Interfész Rétegekből gyártott alkatrész STL fájl Rétegekből történő gyártás Gyors szerszámozás Rétegekből gyártott szerszám ábra Gyors Prototípusgyártás folyamata Prototípus szerszám Végső prototípus

12 Az eredmény egy termék, amely: az első alkalommal már működik, kevesebb pénzt kell fordítani a tervezésre és gyártásra, kevesebb időt kell fordítani a tervezésre és gyártásra, kielégíti a vásárlói igényeket, gyorsabban piacra kerül, így rövidebb a megtérülési ideje.

13 Számos RP technológia van jelen a piacon, azonban mindegyik ugyanazon az alapelven működik. Az alapelvet öntőminta gyártásán keresztül mutatjuk be, két különböző eljárással. (11.3., ábrák)

14 a) Az öntőforma tervezése CAD rendszerrel. b) Az öntőforma 3 dimenzióban nyomtatása. c) Az öntőforma összeállítása. d) A folyékony fém beöntése a formába. e) A fémöntvény formából történő kivétele ábra Öntőminta és öntvény gyártási folyamata 3D printer eljárással [198]

15 Szilárdtest modellezett CAD adatokat, melyek egy meghatározott formátumban vannak (STL), feldolgozzák, és az optimális építési pozícióba orientálják. Az adatokat azután az RP gépre küldik, ahol megtörténik a vékony rétegekre szeletelése. Az RP gép ezután elkészíti a modell minden egyes 2D keresztmetszetét és hozzáragasztja az előző réteghez, következésképpen a teljes prototípus a rétegek egymásra rakásával épül rétegről-rétegre.

16 11.2. Gyors prototípus előállítása LOM eljárással A gyors prototípusgyártási eljárások alapja, hogy CADrendszerben elkészített 3 dimenziós modellt egy alkalmas szoftverrel párhuzamosan szeletekre, rétegekre osztjuk. A berendezés ezeket a rétegeket - amelyeket egy lézersugárral követve a kontúrpályákat vágja ki - egymásra építve alakítja ki a végleges alkatrész-geometriát megtestesítő három dimenziós prototípust, próbatestet, ősmintát.

17 11.4. ábra A LOM berendezés vázlata

18 A berendezés fő részei (11.4. ábra): a) vezérlő számítógép, amelyre fel van telepítve a LOMSlice program, b) CO 2 lézer, amelynek sugarát tükrök irányítják, c) egy plotter típusú mozgató készülék, amely a lézersugarat az XY síkban irányítja, d) a munkaasztalt függőleges irányban mozgató berendezés, e) az egymást követő rétegeket hengerlő egység, f) a papírlemezt előtoló berendezés, g) gázelszívó.

19 A gyors prototípus gyártó gép lézer berendezése 25W teljesítményű CO 2 lézer, amely biztosítja a papírlap kivágását. A sugár gyújtósugarának az átmérője 0,25 mm. Mint valamennyi gyors prototipizáló berendezés esetén, a LOM gépnél is az STL szoftvert használjuk, amelyet átvesz a berendezés LOMSlice szoftverje. Következik a D modell "szeletelése" a papír vastagságnak megfelelő rétegben, és ezeknek a rétegeknek megfelelő keresztmetszet profiljainak a meghatározása. Ezeket a kontúrokat követi a lézersugár. A kivágás a keresztmetszet belső oldaláról kezdődik a "Z" koordinátának megfelelő pálya szerint.

20 Ez után a többlet-részek kocka-alakban való kivágása és végül a doboz külső/belső részének a kivágása történik. A Helysys cég által szállított papír vastagsága 0,1067 mm. A LOM 1015 berendezés főbb adatait a táblázatban láthatjuk.

21 11.1. táblázat Eljárási típusok A LOM 1015 jellegzetes adatai Hengerlés és vágás lézerrel A lézer típusa CO 2 A lézer teljesítménye (W) 25 A lézersugár nagysága (mm) Vágási sebesség az XY tengelyen (m/s) 0.38 Pontosság az XYZ koord. (mm) ±0.25 Anyagvastagság (mm) Hengerlési eljárás Munka térfogat (mm x mm x mm) Hengerlés és melegítés 380x250x350 A réteg minimális vastagsága (mm) 0.05 A gép méretei (m x m x m) 1.20x0.99x1.27

22 A LOM modellek gyártásához szükséges lépések (11.5. ábra): a munkadarab 3D modellezése a STL állomány alapján, a bemenő mértani adatok osztályozása és egy új adatszerkezet felépítése (bmp, con, ini). A con állomány azoknak a háromszögeknek az összefüggéseit tartalmazza, amelyek a 3D modell felületét megközelítik. Ezt az állományt használjuk a következőkben a szeletelő algoritmusban, az egymás után következő rétegek 2D geometriai modelleinek a meghatározása a 3D modell szeletelése által.

23 A LOMSlice szoftver lehetővé teszi a modell forgatását, eltolását, beosztását, tükörmásának a megszerkesztését, a gép munkaasztalán minél célszerűbb elhelyezés céljából. Az alkatrész modellezése a következő lépésekből áll: az alkatrész meghatározása, kezdve a STL állománnyal. Ebből ered a bmp állomány, amely segítségével a munkadarab 3D-s modellje megalkotható, valamennyi réteg alakjának a meghatározása a 3D modell szeletelésével.

24 11.5/a. ábra Öntőminta gyártási folyamata LOM eljárással [198]

25 11.5/b. ábra Öntőminta gyártási folyamata LOM eljárással [198]

26 11.3. A Rapid-prototyping modellek használata ábra Rapid-prototyping eljárások modellezéséhez felhasznált anyagok

27 Az RP-n gyártott modellek messze túlmutatnak napjaink mérnöki alkalmazásain, a megfelelő és funkcionális modelleken. [202] Ma a modelleket használhatjuk: mintaként más szerszámozási és gyártási folyamatokhoz, eladáselemzéshez, mint csoportmodell, marketing modellként, ármegállapító modellként, a gyártóhoz küldve azért, hogy a CAD adatoknál segítsen a költségek csökkentésében a technikailag helyes konstrukció kialakításáért.

28 11.4. A prototípus gyártásának lépései A számítógépi 3D modell elkészítése Napjainkban számos 3D modellező szoftver létezik, amellyel megalkothatjuk a termék alapjául szolgáló modellünket. A Gépgyártástechnológiai Tanszéken különböző programcsomagok állnak rendelkezésünkre, többek között a CATIA, Autodesk Inventor, PTC Pro/Desktop. Ezek a programok számos lehetőséget biztosítanak számunkra a különféle modellek létrehozására. [200]

29 Egyik lehetőség, hogy elkészítjük az alkatrész(ek) 2D-s nézeti képeit, majd ebből készíttetjük el a tervező szoftverrel a 3D-s modellt. Ilyen funkcióval az említett szoftverek mindegyike rendelkezik, mivel ez gyakorlatilag alapműveletnek számít a tervezés során. Egy másik lehetőség a 3D modell közvetlen megalkotása szoftvertől függően drótváz-modellből, felületmodellből, valamint volumetrikus (test) modellként, amikor is különböző testprimitívek, halmazműveletek segítségével történő felépítésével hozzuk létre a testmodellt. (Boole-algebra). A mai korszerű tervező rendszerek képesek az előbb felsorolt műveletek kombinációjára is.

30 A 2D tárgyalapú rendszereknél a tárgyak egy rajzban ismételhetőek, tükrözhetőek, pozícionálhatóak, megjeleníthetőek és eltüntethetőek stb., de ez még mindig csak egy szerkeszthető rajz marad. A 3D-s modellező rendszerek használatával egy 3D-s megjelenítést hozunk létre (számos ugyanolyan alapelvet használva, mint 2D-s tárgyalapú rajzoknál), és azután különböző 2D-s képeket generálunk a 3D-s ábrázolás különböző nézeteivel. A 3D-s ábrázolásban számos olyan fogalom is létezik, amelyek értelmetlenek a 2D-rajzoknál, többek között a rejtett vonalak, halmaz műveletek, árnyékolás, megvilágítás, külső fény, anyagminták.

31 Harmadik alternatív lehetőség egy 3D-s szkenner alkalmazása, amely egy létező testet tapogat le, és így építi fel a modellt automatikusan, különösebb emberi beavatkozás nélkül. Fontos azonban kiemelni, hogy ezen eljárással csak a már létező modelleket tudjuk úgymond bedigitalizálni. Ha tehát új dolgot akarunk létrehozni, akkor az első lépéseket mindenképpen nekünk magunknak kell megtenni. Ha sikerült a 3D-s modellt létrehozni, akkor következhet a második lépés: az elkészített modellt olyan formátumúra kell alakítanunk, hogy a prototípusgyártó készülékünk vezérlőprogramja értelmezni tudja azt. Ezen formátum neve: sztereolitografikus fájl, röviden STL.

32 Az STL fájl Az STL fájl a Rapid-Prototyping iparág szabványosított adatátviteli formátuma, amelytől megkívánjuk, hogy a legkülönfélébb eljárások számára is felismerhető, feldolgozható, azaz kompatibilis legyen. Az STL fájl kölcsönösen megfeleltethető egy 3D nyomtatott alkatrésszel. Ez a formátum a szilárdtest modell felületét háromszögekkel közelíti. Minél bonyolultabb a felület, annál több háromszöget kell létrehozni.

33 Az STL fájloknak két formátuma van, egy szöveges (ASCII), illetve egy bináris. A szöveges leírás előnye, hogy könnyen módosítható, viszont kissé nehézkes a vele való dolgozás, és viszonylag nagy tárterületet foglal el. A bináris kódolás nagy előnye, hogy sokkal kisebb a fájlmérete, amely a hálózati adatátvitel során nélkülözhetetlen. Az ASCII fájlnak a kisbetűs solid kulcsszóval kell kezdődnie és az endsolid szóval kell végződnie. Ezen kulcsszavakon belül az egyes háromszögek listája található, amelyek a szilárdtest felületét definiálják. Minden egyes független háromszög leírása egy normál egységvektort igényel, amely a szilárdtest felületéből kifelé mutat. Majd ezt követi a három csúcspont (x, y, z) koordinátáinak megadása. (11.7. ábra)

34 Példa egy szöveges módban megadott háromszögről: solid... facet normal outer loop vertex vertex vertex endloop endfacet... endsolid ábra. Elemi háromszögelem

35 Ezek az értékek mindegyike Descartes-koordináta rendszerben megadott lebegőpontos adatok. Ezen háromszög értékeknek mind pozitívnak és az építési térfogaton belül kell lenniük. A Gépgyártástechnológiai Tanszéken működő Z400 3D printer gépen ezek az értékek: x max =203 mm, y max =254 mm, z max =203 mm. Ez a maximális térfogat, amelyben az építést el lehet végezni. A modellt skálázhatjuk, elforgathatjuk, azért, hogy optimalizáljuk a építési időt, a szilárdságot és a hulladékeltávolítást. A normálvektor egy egységvektor és az origó az alapja. Ha a normálisok nincsenek megadva, akkor a legtöbb szoftver létrehozza őket a jobbsodrású rendszer szabálya alapján. Ha a normális információi nincsenek megadva, akkor az (x,y,z) értékeket 0.0 nak kell megadni.

36 11.5. Utókezelő anyagok, technológiai lépések 3D Printing eljárás során, a berendezés porkeverékből, és a kötőanyag irányított porra fecskendezésével állítja elő a testmodellből a valós testet (11.8. ábra). Három alapvető portípust különböztetünk meg. A gipszalapú és cellulózalapú porokat általános célokra, a homokalapú porkeveréket öntőformák készítésénél használják. A berendezés tartályába a pornak megfelelő kötőanyagot kell betölteni.

37 A ábrán négy lépésben nyomon követhető a por adagolása, a por elterítése (1). A felesleges porszemcsék eltávolítása és összegyűjtése (2), melyet az adagolóhenger felemelésével és a modelltér vezérelt süllyesztésével oldottak meg. A testépítés során a nyomtatófej fecskendezi a leterített (általában 0,1 mm vastag) porrétegre a kötőanyagot (3). A gép által fecskendezett kötőanyag minimális szilárdságot biztosít (4). Ez a szilárdság éppen elegendő ahhoz, hogy a munkatérből óvatosan kiemeljük a testet.

38 11.8. ábra A 3D printer eljárás elvi vázlata [198]

39 Világosan látszik, hogy a kész modellnek valamilyen utókezelése szükséges ahhoz, hogy a gyakorlatban is alkalmazható prototípus váljon belőle. Az utókezelés típusát a későbbi felhasználási célok határozzák meg. [200] Lehetséges felhasználási célok: prototípus, öntőforma, felhasználható alkatrész. A különböző felhasználási célok esetén különböző utókezelő anyagok alkalmazása szükséges.

40 Appolo 5005 (pillanatragasztó) Prototípus előállítás esetén az egyik lehetséges utókezelő anyag az Appolo 5005 (pillanatragasztó). Felvitele a tubussal történő átitatással történik. Előnyei: gyorsan szárad, viszonylag nagy szilárdságot biztosít. Hátrányai: viszonylag drága alapanyag, egészségre káros gőzei vannak, csak a külső kb. 2 mm-es réteget itatja át (vastag falú testeknél ezt figyelembe kell venni!), valamint a bevonás során képződött jelentős hő alak-deformációkat okozhat.

41 Viaszolás (vax) Prototípus előállítás esetén a másik lehetséges módszer az úgynevezett viaszoló berendezéssel történő utókezelés. Az átitató anyag ebben az esetben közönséges viasz. A megfelelő irányú anyagáramlás biztosítása érdekében (testbe befelé irányuló) fontos, hogy az olvadt viasz hőmérsékleténél a testet C-kal magasabb hőmérsékletre melegítsük. A megfelelő hőmérséklet különbség elérése után a modelleket tálcán az olvadt viaszba kell meríteni, majd időt kell hagyni az anyagdiffúzióra. Ezen folyamatokat (megfelelő hőmérsékletek, bemerítési idő, stb.) a berendezés automatikusan felügyeli.

42 Előnyei: olcsó utókezelő anyag, gyors eljárás, jól szabályozott folyamat, vastag réteget képes átitatni. Hátrányai: rendkívül drága berendezés, a hőhatás miatt deformációk léphetnek fel. A felületi minőség a rétegről-rétegre módszer miatt hagy kívánni valókat maga után. A felületi minőség javítása mindkét módszer alkalmazása után csiszolóvászon segítségével történhet.

43 Epoxi gyanta Prototípus, valamint felhasználható alkatrész előállítására is alkalmas. Az utókezelés után a további alakítás, felületi minőség javítása a rendkívül nagy szilárdság, és felületi keménység miatt már csak forgácsolással lehetséges. Ezen tulajdonságai miatt alkalmazható akár beépíthető (funkcionális) alkatrésznek, a létrehozott modell. Kétkomponensű formátumban kerül forgalomba, melyeket a megfelelő arányban összekeverve érhetjük el a megfelelő eredményt. Felhordható ecseteléssel, valamint szórással is.

44 Előnyei: a modell működés közben is kipróbálható, nagy keménység és szilárdság, vastag átitatott réteg. Hátránya: drága utókezelő anyag.

45 Rugalmas (elasztikus) utókezelő anyagok Prototípus, valamint felhasználható alkatrész előállítására is alkalmas. Kétkomponensű formátumban kerül forgalomba, melyeket a megfelelő arányban összekeverve érhetjük el a megfelelő eredményt. Az anyag ecsettel történő felvitele után legalább 24 órán át száradni hagyjuk. A száradási idő leteltével egy hétköznapi kalapáccsal összetörjük. Elasztikus modellt kapunk. Tulajdonságai: rugalmas modell, csak a külső 2 mm réteg itatódik át, ezért vastagabb testeknél a kívánt hatást nem tudjuk elérni, hosszú száradási idő, fárasztva könnyen reped.

46 11.6. Prototípusgyártás a Miskolci Egyetem Gépgyártástechnológiai Tanszékén ábra A Miskolci Egyetem Gépgyártástechnológiai Tanszékén található Z400 3D Printer

47 A Z400 3D Printer berendezés (11.9. ábra) egyedülállónak számít az egyetemen és a régióban, hiszen az országban ez volt a második ilyen technológiával működő berendezés. Megérkezése után két héttel már munkára is fogtuk a szerkezetet. Első modellünk egy ívelt profilú csiga volt. Ez után a gép beállítása céljából készítettünk egy ún. kalibráló kockát, amelyen lemérve a méreteket, a készülék hibái ill. torzítása szoftveresen korrigálható volt. Ez után már kijelenthetjük, hogy méret- és alakhelyes modelleket tudunk gyártani.

48 A gyors prototípus-gyártás és a geometriai modellezés egyaránt a jelen és a jövő technológiájának tekinthető, nemcsak a műszaki, hanem az egyéb területek viszonylatában is. Gondoljunk az orvostudományra, ahol már napjainkban is alkalmazzák ezen módszereket anatómiai modellezésre. De tekinthetjük a művészeteket is, ahol terjedőben van az antik darabok modellezése, illetve a gyors 3D szobrok készítése a polaroid képek analógiájára.

49 Tehát mindenképpen óriási lehetőség van ezen technológiák előtt, és csak rajtunk múlik, hogy mit valósítunk meg ezek közül. Noha a 3D modellezésnek van létjogosultsága az RP nélkül is, az RP technológia nem értelmezhető nélküle, tehát nincs prototípusgyártás modell nélkül. Ezért sosem szabad gyors-prototípusgyártásról beszélni 3D modellezés nélkül. [199]