Mechatronika Modul 9: Gyors prototípusgyártás Munkafüzet Jegyzet Oktatói segédlet (Koncepció) dr in. Bogdan Dybaa, dr in. Tomasz Boratyski dr in. Jacek Czajka dr in. Tomasz Bdza dr in. Mariusz Frankiewicz mgr in. Tomasz Kurzynowski Egyetem Wroclaw, Lengyelország Európai elképzelés a globális ipari termelésben résztvev szakemberek mechatronika témakörben történ továbbképzésérl EU-project no. DE/08/LLP-LdV/TOI/147110 MINOS++, idtartama 2008-2010 Az Európai Bizottság támogatást nyújtott ennek a projektnek a költségeihez. Ez a kiadvány (közlemény) a szerz nézeteit tükrözi, és az Európai Bizottság nem tehet felelssé az abban foglaltak bárminem felhasználásért. www.minos-mechatronic.eu
A szakmai anyag elkészítésében és kipróbálásában az alábbi magáncégek és intézmények vettek részt - Chemnitz University of Technology, Institute for Machine Tools and Production Processes, Germany - np neugebauer und partner OhG, Germany - Henschke Consulting, Germany - Corvinus University of Budapest, Hungary - Wroclaw University of Technology, Poland - IMH, Machine Tool Institute, Spain - Brno University of Technology, Czech Republic - CICmargune, Spain - University of Naples Federico II, Italy - Unis a.s. company, Czech Republic - Blumenbecker Prag s.r.o., Czech Republic - Tower Automotive Sud S.r.l., Italy - Bildungs-Werkstatt Chemnitz ggmbh, Germany - Verbundinitiative Maschinenbau Sachsen VEMAS, Germany - Euroregionala IHK, Poland - Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen - Euroregionale Industrie- und Handelskammer Jelenia Gora, Poland - Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Hungary - Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Hungary - Nationales Institut für berufliche Bildung Budapest, Hungary - Christian Stöhr Unternehmensberatung, Germany - Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Sweden Tartalom: Jegyzet, munkafüzet és oktatói segédlet az alábbi témakörökhöz Modul 1: Alapismeretek Modul 2: Interkulturális kompetencia, Projektmenedzsment Modul 3: Folyadékok Modul 4: Elektromos meghajtók és vezérlések Modul 5: Mechatronikus komponensek Modul 6: Mechatronikus rendszerek és funkciók Modul 7: Üzembehelyezés, biztonság, teleservice Modul 8: Távkarbantartás és távdiagnosztika Modul 9: Gyors prototípusgyártás Modul 10: Robotika Modul 11: Európai migráció Modul 12: Interfészek Az alábbi nyelveken: német, angol, spanyol, olasz, lengyel, cseh és magar További információ: Technische Universität Chemnitz Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse (Chemnitz-i Mszaki Egyetem, Szerszámgépek és Gyártási Folyamatok Intézete) Dr.-Ing. Andreas Hirsch Reichenhainer Straße 70, 09107 Chemnitz phone: + 49(0)371 531-23500 fax: + 49(0)371 531-23509 e-mail: minos@mb.tu-chemnitz.de www.tu-chemnitz.de/mb/werkzmasch or www.minos-mechatronic.eu
Mechatronika Modul 9: Gyors prototípusgyártás Jegyzet Készítették: dr in. Bogdan Dybaa, dr in. Tomasz Boratyski dr in. Jacek Czajka dr in. Tomasz Bdza dr in. Mariusz Frankiewicz mgr in. Tomasz Kurzynowski Politechnika Wrocawska Dr. Cser Adrienn EU-Project Nr. 2005-146319,,MINOS, EU-Project Nr. DE/08/LLP-LDV/TOI/147110,,MINOS** Európai elképzelés a globális ipari termelésben résztvev szakemberek mechatronika témakörben történ továbbképzésérl A projektet az Európai Unió a Leonardo da Vinci szakmai továbbképzési akcióterv keretében támogatta. www.tu-chemnitz.de/mb/werkzmasch
1 Bevezetés... 5 2 CAD... 7 3 CAD RP kommunikáció... 12 3.1 STL formátum... 12 3.1.1 Az STL fájlok szerkezete és létrehozása... 12 3.1.2 A háromszögek orientációja... 13 3.1.3 Koordinátarendszer és domenziók az STL formátumban... 14 3.1.4 STL fájlok létrehozása... 14 3.1.5 Gyakori hibák az STL formátum esetén... 15 3.1.6 Szabályok az STL állományok létrehozásához... 19 3.1.7 *.stl állomány létrehozása különböz programokban... 20 4 Folyamatelkészít tevékenység a gyors prototípusgyártásban... 25 4.1 STL fájlok szerkesztése... 28 4.2 Az STL fájlok javítása... 31 4.3 Támasztékok létrehozása... 32 5 Gyors prototípusgyártás - Rapid Prototyping (RP)... 34 5.1 Sztereólitográfia (SLA, SL)... 41 5.2 Szelektív lézer szinterelés / olvasztás SLS/SLM (Selective Laser Sintering/Melting)... 43 5.2.1 MCP Realizer II az MCP HEK vállalat berendezése... 45 5.2.2 EOSINT M 270 az EOS vállalat RP berendezése... 45 5.2.3 M3 Linear a Concept Laser vállalat berendezése... 46 5.2.4 TrumaForm LF 250 a TRUMPF vállalat berendezése... 48 5.2.5 EBM S12 az ARCAM vállalat berendezése... 48 5.2.6 Szinterizációs HiQ rendszer a 3D SYSTEMS berendezése. 49 5.3 Rétegelt darabgyártás - Laminated Object Manufacturing, LOM... 50 5.4 Olvasztott lerakásos darabgyártás - Fused Deposition Modeling, FDM... 52 5.5 Lézeres pormegmunkáló technológiák... 53 5.6 Tintasugaras nyomtatás... 54 5.7 Háromdimenziós nyomtatás (3-Dimensional Printing, 3DP)... 55 5.8 Szilárd alapú kiszilárdítás (Solid Ground Curing, SGC)... 57 6 Fordított mérnöki tevékenység - Reverse Engineering... 59 3
6.1 Bevezetés... 59 6.2 A reverse engineering alkalmazási területei az iparban... 60 6.3 Digitalizációs eljárások... 63 6.3.1 Érintéses digitalizációs eljárások... 64 6.3.2 Optikai, pont alapú mérések... 66 6.3.3 Lineáris optikai eljárások... 69 6.3.4 Optikai, terület alapú eljárások... 70 6.3.5 Destruktív letapogatás... 71 6.4 Berendezés és szoftver... 72 6.5 Geometria digitalizációja... 74 6.5.1 A digitalizáció lépései... 74 6.5.2 A digitalizációs folyamat tervezése... 75 6.5.3 Adatgyjtés... 77 6.5.4 Adatfeldolgozás és a CAD modell elkészítése... 78 7 Irodalom... 83 4
1 Bevezetés A mai, magasan iparosodott világban a termékek tervezési idejének lerövidítésére és a piacra dobáskor a lehet legjobb minség biztosítására irányuló igény olyan új technológiákat követel, melyek lerövidítik a piacra kerüléshez szükséges idt. Az új technológiák olyan eszközöket kínálnak, melyek a minségbiztosítás fogalmát a gyártáson túl kiterjesztik a termék teljes életciklusára is. Olyan technikákból és módszerekbl épülnek fel, melyek lehetvé teszik a termék fejlesztési idejének csökkentését a termékre vonatkozó igények megfogalmazásától egészen a piacra való bevezetésig. Az egyik legalapvetbb cél az üresjárati id csökkentésével párhuzamosan a termék minségének javítása. Mindezen technikák alapvet komponense a geometriai szilárd test modell (CAD 3D). Ez a modell egy olyan adathalmaz, amely lehetvé teszi bármely tetszleges háromdimenziós tárgy geometriai alakjának pontos leírását. Az alapvet szabályrendszer és a lehetséges eszközök már évek óta ismertek, de bizonyos elssorban a költségekkel, speciális szerszámokkal és a kultúrával kapcsolatos - nehézségek következtében az alkalmazások fként a nagyon jómódú vagy stratégiailag jelents vevket célozzák meg. A geometriai modellt két eltér módon kaphatjuk meg: Közvetlenül háromdimenziós tervezésre szolgáló számítógépes eszközök (CAD Computer Aided Design, azaz számítógéppel segített tervezés) használatával Egy elem videokamera, fordított mérnöki tevékenység (reverse engineering), CAT (Computerized Axial Tomography, számítógépes axiális tomográfia) vagy más eszköz segítségével történ lemásolásával. Az eszközt a másolandó elem típusa, a felhasználási terület, a szükséges pontosság, stb. határozzák meg. Amint elkészült a modell, különböz célokra használhatjuk fel elkezdve az archiválástól egészen a tesztelés lehetségén keresztül a geometria továbbfejlesztésén, vagy a multimédiaalkalmazásokban történ felhasználáson át a valódi gyártási folyamatok elemzéséig és a véges-elemes (FEM) tesztelésig, vagy prototípusok és formák elállításáig gyors prototípusgyártás (rapid prototyping) és gyors szerszámkészítés (rapid tooling) segítségével [19]. A gyors prototípusgyártás (rapid prototyping, RP) és gyors szerszámkészítési (rapid tooling, RT) technikák olyan technológiák, melyek különböz eszközök és anyagok segítségével alkalmasak egy tárgy prototípusának vagy prototípus sorozatának létrehozására a célanyagból mindössze an- 5
nak egy CAD 3D alkalmazásból vagy fordított mérnöki tevékenységbl (reverse engineering) származó numerikus modellje alapján. A prototípus hulladékmentes folyamattal, rétegrl rétegre az STL fájlban tárolt információ alapján épül fel. A gyors prototípusgyártás, mely egy igen vizuális eszköz, segít a cégeknek megelzni egy esetlegesen alacsonyabb minség termék piacra dobását. Az ilyen modelleknek számtalan alkalmazása létezik: tökéletes vizuális segítséget nyújtanak a kollégákkal vagy vevkkel való ötleteléskor, de alkalmazhatók a tesztelési fázisban is. Például egy repülgéptervez mérnök a szárnyfelület modelljének segítségével meghatározhatja az aerodinamikai erhatásokat. A prototípuskészítés mellett a RP technikák szerszámgyártásra (ez az úgynevezett gyors szerszámkészítés (rapid tooling) és akár magas minségi színvonalú termékek elállítására (gyors gyártás, rapid manufacturing) is alkalmasak. Természetesen a gyors prototípusgyártás nem tökéletes. A létrehozott termékek száma ersen korlátozott, lehetséges méretük az alkalmazott eszköztl függ. Nagy gyártási sorozatok vagy egyszer termékek esetén a hagyományos gyártási technikák gazdaságosabbak. Ha azonban e korlátozásoktól eltekintünk, a gyors prototípusgyártás egy figyelemre méltó technológia, mely nagyban támogatja a gyártási folyamatot. Idvel a kutatás és fejlesztés lehetvé teszi majd e rendszerek további fejldését a hatékonyság (rövidebb konstrukciós id, kisebb toleranciák, jobb felületi minség, az RP modellek megnövekedett ellenállása az idjárási, mechanikai, h és kémiai feltételekkel szemben) tekintetében. A piaci elfogadottság és a technológia késbbi sikere már megersítést nyert az új termékek fejlesztési idejének folyamatos csökkentésére irányuló igények fokozódása által. 6
2 CAD A CAD az angol Computer Aided Design kifejezésbl származik, jelentése számítógéppel támogatott tervezés. Az ebbe a családba tartozó szoftverek lehetvé teszik a mérnökök által kigondolt elemek vagy mechanizmusok részletes tervezését. A CAD rendszerek támogatják a konstrukciós és tervezési folyamatokat, de használják ket vázlatok elkészítéséhez vagy geometriai modellezéshez is. A geometriai modellezés a modellezett alkatrészek és alkatrészcsoportok háromdimenziós reprezentációja. Az alkatrészcsoportok reprezentációja tartalmazza az összeszerelési szerkezet leírását is, amelyet termékszerkezetnek nevezünk. Az alkatrészek és alkatrészcsoportok 3D reprezentációját a mszaki dokumentáció (pl. mszaki rajzok, alkatrészlisták, anyaglisták) elkészítéséhez használjuk. A korai CAD rendszerek csak sík modellek elkészítését tették lehetvé, azonban idközben kifejlesztették azokat a funkciókat, amelyek segítségével 3D modellek is készíthetk. Ekkor már rendelkezésre állt egy az alapvet geometriai formákat (primitives) (kúp, henger, gömb, stb.) tartalmazó könyvtár, melyet felhasználhattunk a 3D modellek elkészítésekor. Feltételezték, hogy elször egy 2D dokumentáció készül, majd erre alapozva készül el a 3D modell. Ez a megközelítés azonban a 3D modulok dinamikus fejldése következtében elavult. Mára a 3D tervezés eszközei elég hatékonyak és egyszerek ahhoz, hogy a CAD rendszerek alapvet moduljává váltak, a 2D tervek pedig kiegészítésként léteznek. Végül kijelenthetjük, hogy a 2D rajz a 3D modell egyik ábrázolása, amelynek segítségével a 2D dokumentáció szinte automatikusan generálható. A CAD rendszerek ma már kész alkatrészeket (csavarokat, csapágyakat, bütyköket, stb.) tartalmazó könyvtárakkal rendelkeznek, amelyeket felhasználhatunk a tervezi munka során. A konstrukciós mérnököknek már nem kell katalógusokat lapozgatniuk egy adott alkatrészt keresve, ma már a legtöbbet megtalálják a CAD programok könyvtáraiban, vagy a 3D modellt letölthetik a világhálóról. Az alkatrészeket tartalmazó könyvtárak általában nyitottak, így a felhasználók feltölthetik az általuk létrehozott alkatrészeket, melyet így az adott rendszer minden egy adott cégen belül az adott könyvtárhoz hozzáféréssel rendelkez - felhasználója által elérhetvé tesznek. Az ilyen könyvtárak tehát sokkal hatékonyabbá tehetik a tervezési folyamatot. A geometriai modellezés egy az adott tárgyak alakjának leírására használt technika. A CAD rendszerek lehetvé teszik a tervezési folyamat fejlesztését és a termék fejlesztési idejének csökkentését. Definíció A számítógépek és grafikus programok alkalmazása megkönnyíti, vagy javítja a termék tervezésével kapcsolatos munkát a koncepciótól a dokumentációig. A CAD rendszerekkel való munka a számítógéppel végzett 7
interaktív tevékenység, eredménye az alkatrész modellje. Az így elkészített modellel ezután különböz mveleteket végezhetünk. A mai CAD rendszerek lehetvé teszik az ún. parametrikus modellezést is, amelynek alapja a dimenziók közötti bidirekcionális kapcsolat, melyet ábrázolhatunk vázlat (sketch), 3D vagy 2D rajz és 3D geometriai üzemmódban is, és fordítva. Ez azt jelenti, hogy a tervezés bármely stádiumában megváltoztathatjuk a korábban megadott méreteket. Ilyen programokra példa a SolidWorks és a CATIA. Az ilyen rendszerek minden tervezési lépést rögzítenek, majd a modell létrehozásának történetét faábrázolásban tárolják. Egy adott paraméter megváltoztatásához mindössze meg kell találnunk az adott mveletet a faábrázolásban. Azon vázlatokat is módosíthatjuk, amelyek alapján a mveletet létrehoztuk. A változtatások elmentésekor a szoftver a teljes modellt aktualizálja az éppen érvényes paraméterértékekkel. Ez természetesen hibákhoz is vezethet, hiszen a következ mvelet alapja lehet, hogy egy már megváltoztatott geometria. Ebben az esetben a rendszer megmutatja, mely mveletek problémásak, és hol van szükség a felhasználó beavatkozására. Jelenleg minden komoly CAD rendszer lehetvé teszi a következket: háromdimenziós projektek létrehozása, összeszerelési rajzok létrehozása több különböz alkatrész alapján, ellenrizve, hogy azok összeillenek-e, sok ember együttmködése nagy projekteken, egy adott részlet megváltoztatása után minden összeszerelési rajz frissítése az aktuális értékkel, az alkatrészek listájának automatikus létrehozása, költségbecslés, együttmködés a raktárral, stb., vizualizáció. A CAD rendszerek fbb jellemzi: geometriai modellezés, konstrukciós dokumentáció létrehozása és szerkesztése, dokumentáció mentése és tárolása elektronikus formában adatként és adatbázisként is, adatcsere más rendszerekkel, a létrehozott elemek háromdimenziós projektjeinek létrehozása, összeszerelési rajzok létrehozása több különböz alkatrész alapján, sok ember együttmködése nagy projekteken, egy adott részlet megváltoztatása után minden összeszerelési rajz automatikus frissítése az aktuális értékkel, automatikus költségbecslés, együttmködés a raktárral, stb. 8
A számítógéppel támogatott tervezés három szintbl áll: Koncepció: analízis, a megoldási változatok lefordítása és a megoldások helyességi szempontból történ értékelése. Koncepció fejlesztése: a megoldási koncepció specifikálása, a projekt léptékének meghatározása, a modell létrehozása, a megoldás becslése. Részletmunka: az egyes alkatrészek reprezentációinak elkészítése, a megoldás becslése. A CAD folyamat 6 fázisból áll: az igények felmérése, a probléma definiálása, szintézis, analízis és optimalizáció, kiértékelés, prezentáció. 2.1 ábra: Tervezési folyamat CAD segítségével A CAD rendszerek használatának elnyei: az optimális megoldás meghatározásának lehetsége, a megoldás minségének fejlesztése (precíz matematikai modellek), idigényes és unalmas feladatok (vázlatkészítés, számítások) megkönnyítése a tervezmérnök számára, 9
már létez tervek újrafelhasználásának megnövekedett valószínsége a számítógépes adatbázisoknak és a létez normáknak és katalógusoknak köszönheten, a tervezett tárgy viselkedésének szimulálása különböz körülmények között, már a tervezési fázisban. A CAD rendszerek használatából adódó elnyök megkérdjelezhetetlenek, az ilyen rendszereket használó vállalatok pedig így javíthatnak versenyképességükön. A termék szerkezeti pozíciója a gyár teljes know-howjához képest csak egyetlen láncszem a mszaki termék-elkészít tevékenységek sorában. Ha nincs optimális és interaktív kapcsolatban a gyár többi know-how-ként definiált tevékenységével, a legjobb CAD rendszer alkalmazásából sem származik majd haszna a vállalatnak, mint egésznek (eltekintve a tervezési részleg komfortjának és a hatékonyságának növekedésétl). 2.2 ábra: Modellek egy CAD rendszerben A CAD-ben a geometriai modellek két típusát használják: 1. lapos/sík kontúrok segítségével grafikus 2D modellek, ahol a pontokat vonalak kötik össze. A modellt a következ elemek segítségével hozzuk létre: egyenes vonal, ív, kör, parabola, stb. grafikus 2,5D modellek, azaz prizmatikus vagy rotációs elemek modellezése sík elemek segítségével (a sík felületi elem transzlációjával vagy rotációjával) 10
2. térbeli háromdimenziós elemekkel test (solid) modellezés: háromdimenziós rajz létrehozása alapvet matematikai testekbl (pl. henger, tórusz, stb.) felületi (surface) modellezés: éleket összeköt felületek (fazetták, facet-ek) létrehozása. A fazetták poligoniális, sík felületek él (edge) modellezés: formák csontvázának létrehozása egyenes és ívelt vonalakból. A CAD szoftvereket alapveten konstrukciós munkára használják, így általában a mechanika területén alkalmazzák ket. Alább néhány elterjedt CAD rendszer: CATIA Solid Works ProEngineer SolidEdge Unigraphics Inventor AutoCAD Az egyes rendszerekrl bvebb információ a fejleszt vállalat honlapján található. A CAD rendszereket az alábbiak okán használjuk: tervezés pontossága, kevesebb munka, a modellek elemezhetségének lehetsége, vizualizáció, automatizált tervezés, változtatások gyors és automatikus lekövetése, egyszer projektmenedzsment, más rendszerekkel való integrálhatóság, egyéb. 11
3 CAD RP kommunikáció 3.1 STL formátum Az STL (Standard Triangulation Language, standard háromszögelési nyelv) formátum létrehozásának ötlete a sztereólitográfiás eljárások pionírjától, a 3D Systems Company-tól származik. Az megrendelésükre 1987-ben az Albert Consulting Group fejlesztette ki az els verziót. A formátum hamarosan az RP folyamatok adatcseréjének alapvet formátumává vált. Az STL sikerének kulcsa az egyszerség, eredetiség és a tervezett modell megfelel pontos ábrázolása. A formátum elsdleges célja a 3D CAD modellek átvitele a gyors prototípusgyártó eszközökre. Manapság a legtöbb CAD/CAM program el tudja menteni a modelleket STL formátumban, melyet szinte minden RP rendszer be tud olvasni [10]. 3.1.1 Az STL fájlok szerkezete és létrehozása Az STL egy sor háromszöglet felületbl áll, ezt nevezzük háromszöghálónak, amelyet csomópontok, élek és háromszögek határoznak meg. Ezek oly módon csatlakoznak egymáshoz, hogy minden élen és csomóponton legalább két szomszédos háromszög osztozik ( csomópont a csomóponthoz szabály ). Más szóval a háromszögháló az STL formátumban tárolt 3D modell felületének approximációját ábrázolja. A reprezentáció azonban nem kezel olyan elemeket, mint a pont, vonal, görbe, réteg és szín. 3.1 ábra: Modell approximáció háromszögekkel Az STL fájlok kiterjesztése *.stl, azonban a programok egy része más kiterjesztés használatát is lehetvé teszik. A fájl mérete függ attól, hogy a modell felülete hány háromszögbl áll, ennek következtében pedig attól, hogy milyen pontossággal írjuk le a modell geometriáját. 12
3.2 ábra: Modell geometria reprezentációinak különbsége a felhasznált háromszögek számának függvényében A 3D modell STL formátumban történ tárolása nem más, mint a test felületeinek háromszöglet felületekre való felosztása, melyek minden csomópontját X, Y, Z koordináták halmaza és az egy adott felületrl a modelltl elfelé mutató normál vektor írja le. 3.1 ábra: Tetszleges háromszöglet felület leírása 3.1.2 A háromszögek orientációja A háromszögek, melyekre felosztottuk a 3D modell falait, egyidejleg a modell külseje és belseje közti határt is képezik. Orientációjukat kétféleképpen határozhatjuk meg: 1. A kifelé mutató normál vektor alapján. 2. A modellt kívülrl megfigyelve a csomópontok sorrendje az óramutató járásával ellentétes (ez jelenleg bevett modellezési módszer). 13
3.2 ábra: A háromszöglet felületek irányultsága A fenti ábrán két háromszöglet felület látható. A bal oldali felületet belülrl látjuk, erre utal a háromszög csomópontjainak óramutató járásával megegyez irányú számozása és a normál vektor iránya is. A jobb oldali háromszög esetében az ellentétes helyzet áll fenn, ezt a modellen kívülrl szemléljük. 3.1.3 Koordinátarendszer és domenziók az STL formátumban Az STL formátum egyik követelménye, hogy a modell a koordinátarendszer els (pozitív) kvadránsában helyezkedjen el, azaz a háromszögek csomópontjainak koordinátái nem lehetnek egyenlk vagy kisebbek nullánál. Erre példa az AutoCAD, mely nem engedi meg STL fájl létrehozását, ha a csomópontok koordinátái egyenlk vagy kisebbek nullánál. Léteznek azonban olyan CAD programok is, melyek a modell tetszleges elhelyezését képesek kezelni. Az STL formátumú fájl a modell méreteirl nem tartalmaz információt, ezeket szabadon választott, ismeretlen egységekben ábrázolja. Ezért fontos, hogy a modellt a konverzió eltt teljes mértékben definiáljuk, hiszen számos RP program rendelkezik a tartalmazott méret helyreállításának lehetségével. 3.1.4 STL fájlok létrehozása A létrehozott 3D modell STL formátumban történ elmentéséhez kövessük az alábbi lépéseket: Válasszuk ki az STL formátumba konvertálandó alkatrészt (alkatrészeket). Állítsuk be a folyamatparaméterek toleranciáját. 14
Válasszuk ki a fájl tárolásának formátumát (ASCII vagy bináris). Mentsük el a fájlt. Felületi modellek esetén az STL formátumba mentés ennél kicsivel bonyolultabb: Határozzuk meg az összes szomszédos felületet. Osszunk minden felületet háromszögekre. Határozzuk meg a normál vektort, amelynek minden felületrl kifelé kell mutatnia. Mentsük el a fájlt. Tartsuk szem eltt, hogy miközben a fájlt STL formátumba mentjük, a következ paramétereket kell meghatároznunk: A háromszögekre osztás toleranciája (finomsága) meghatározza, mennyire lesz sima a 3D modell reprezentációja (alapértelmezett érték: 0,0025 vagy 0,05mm) A háromszögek érintkezésének toleranciája (alapértelmezett érték: 0,005 vagy 0,12mm) Normál vektorok automatikus generálása (ki/be) Normál vektorok ábrázolása (ki/be) Háromszöglet felületek ábrázolása (ki/be) A fájlhoz kapcsolódó információk (ki/be) 3.1.5 Gyakori hibák az STL formátum esetén Az STL formátum, mint a CAD/CAM formátumok többsége, tartalmazhat hibákat, melyek negatívan befolyásolhatják a modell elemzését. Inkompatibilitás a csomópont a csomóponthoz szabállyal A csomópont a csomóponthoz szabállyal való kompatibilitás az egyik alapvet szabály, melynek meg kell felelni, ha STL formátumban mentjük el a modellünket. Ennek az elvnek megfelelen minden háromszögnek két csomóponton kell osztozni a szomszédos háromszögekkel, és a háromszög egyetlen csomópontja sem helyezkedhet el egy másik háromszög oldalán. A következ ábrán látható négyzeteket háromszögekre osztottuk. Az a négyszög 1-es háromszöge 4 csomópontot is tartalmaz, miközben ezek közül csak három tényleges csomópont (az X-el jelölt pont nem tekinthet csomópontnak, mivel az 1-es háromszög oldalán található). Az 1-es háromszög bal alsó csomópontja csak az 1-es háromszöghöz tartozik, nem osztozik rajta 2 háromszög. A 2-es és 3-as háromszögek mindegyike tartalmaz egy megfelel csomópontot, amelyen az 1-es háromszöggel osztozik, és egy inkorrekt pontot (X). 15
3.3 ábra: A csomópont a csomóponthoz szabály Ahhoz, hogy teljesüljön a csomópont a csomóponthoz szabály, az 1-es háromszöget osszuk 2 háromszögre, ahogy azt a b ábra mutatja, vagy olvasszuk össze a 2-es és 3-as háromszögeket, ahogy azt a c ábrán látjuk. Variabilitás (Szivárgás) Minden az STL fájlban tárolt felületnek legalább egy invariáns egységet kell alkotnia, megfelelve a testekre vonatkozó Euler-féle szabálynak: F-E+V=2B ahol: F a felületek száma, E élek száma, V csomópontok (vertexek) száma, B önálló testek száma. Vegyük példának a korábban (6. ábra) bemutatott kockát. Itt: F = 6, E = 12, V =8 és B =1, így: 6 12+8 = 2x1 2=2 Ha a fenti feltétel nem teljesül, az STL modell szivárog. Ha egy feltételezett algoritmus alapján a szivárgó STL fájlt rétegekre osztjuk, az algoritmus lehet, hogy nem veszi észre a hibát, és nyitott határolók alakulnak ki. Ha egy ily módon hibásan generált modellt használunk valamely RP eljáráshoz, például lézerhez, vágóhoz vagy bármely, a modellt rétegekre osztó eszközhöz, az a modellben kialakuló felületi hiányt szándékosnak tekinti, a létrejöv alkatrész pedig ezért nem fog megfelelni az elképzeléseinknek, de rosszabb esetben a modell annyira eltorzulhat, hogy blokkolja, vagy akár károsíthatja is az eszközt. 16
3.4 ábra: Példa lehetséges hibára az *.stl fájlban felületek keresztezdése (olyan modellek esetén, melyeken túl alacsony pontosságú Boolmveleteket hajtottak végre, a szivárgás gyakori hiba, amely a geometria korrekt elemeinek nem megjelenítését eredményezni) 3.5 ábra: Példa lehetséges hibára az *.stl fájlban lyukak a felület határán (a felület határán megjelen lyukakat gyakran okozzák számítógépes vírusok vagy nem megfelelen konfigurált *.stl fájlok) Léteznek azonban már olyan programok is, mint például a 3Dsystems által forgalmazott 3D LightYear vagy a Magics, amelyek lehetvé teszik az ilyen hibák egy további szegmens hozzáadásával történ korrigálását, amely összeköti az össze nem ér határokat. Degenerált felületek A felületek degenerációja nem olyan komoly hiba, mint a fentebb említett társa, azonban ez is komoly károkat okozhat a modell szerkezetében. 3.6 ábra: Felületi degeneráció, példa 17
A fenti ábra valamely felület három csomópontját ábrázolja. Alapvet tény, hogy kollineárisak, vagy azzá váltak. A kollinearitás a korábbi nem kollineáris koordináták importálás alatt történt rövidítésébl adódik. Ugyan a felületek degenerációja nem súlyos hiba, mégsem hagyhatjuk figyelmen kívül: elször is, a felületekkel kapcsolatos adatok növelik az STL fájl méretét, másodszor, a degenerált felületek tévútra vezetik az RP folyamatokat elemz algoritmusokat, harmadszor pedig sokkal nehezebb ket szerkeszteni. A felületek degenerációja egy további hibához, a háromszög hálózatban fellép lyukakhoz (gap) vezethet. Ez a probléma abban nyilvánul meg, hogy azon háromszögek következtében, amelyek az STL fájl importálása következtében vonalakká váltak, a nagy ívben hajló pontokban lyukak alakulnak ki. 3.7 ábra: Lyukak a háromszöghálóban Hibák a modellekben Ez a hibatípus nem az STL formátumra történ konverzió miatt lép fel, hanem a modell létrehozása során fellépett hibák eredménye. Ha egy nem megfelelen modellezett testet mentünk STL formátumban, minden a hibával kapcsolatos információ kimarad a megjelenítésbl. Ezért elengedhetetlen, hogy a hibás modellt kijavítsuk, mieltt STL formátumban mentenénk, különben jelents kompatibilitási problémák léphetnek fel az RP folyamatok során, az STL formátumban elmentett modellekben pedig a hibát megtalálni és kijavítani különösen nehéz és munkaigényes. Redundancia Az STL formátum egyik alapvet hibája a nagy redundancia, amelynek eredménye a háromszögek csomópontjainak és éleinek duplikálása. 18
3.8 ábra: Redundancia egy STL fájlban 3.1.6 Szabályok az STL állományok létrehozásához Egy *.stl fájl létrehozása önmagában általában egyszer feladat, azonban minden CAD 3D szoftver gyártója más kifejezéseket és paramétereket használ az *.stl állományok mentésekor. Ennek ellenére nem kell minden paramétert ismernünk ahhoz, hogy a létrehozott modellünket megfelel módon mentsük. Az alábbi alapelveket követve garantáltan használható *.stl állomány jön létre. 1. A jó minség *.stl fájlok létrehozásához tipikusan 0,02 mm (0,001 ) és 0,05 mm (0,002 ) közötti finomságú háromszöghálót használunk. Tartsuk azonban fejben, hogy a háló toleranciájának csökkentése nem mindig vezet a prototípus pontosságának növekedéséhez. Egy bonyolult, sok görbült felületet és lekerekítést tartalmazó téridom esetén nagyobb pontosságra van szükség, mint egy geometriailag egyszerbb modell esetében. 2. Az STL állományokat inkább bináris, mint ASCII formában mentsük el. 3. Egy 3D CAD programban téridomok (testek) modellezése esetén jelentsen kisebb eséllyel követünk el hibát az *.stl állomány létrehozásakor, mint felületi modellezés esetén, mivel itt minden felületnek kapcsolódnia kell egymáshoz, és nem keresztezhetik egymást. Egy nem megfelel modellbl is létrehozhatjuk az *.stl állományt, de ez késbb komoly javítást igényel majd. 4. Felületi modellek esetén az *.stl-be való exportálás eltt minden területnek kapcsolódnia kell egymáshoz, hogy egy összefügg modellt alkossanak. Ha a felületek nincsenek elvágva vagy eltörve, létrejön az STL állomány, de ez nem lesz megfelel és a javítás igen körülményes. 5. Az *.stl állomány létrehozásához a modell minimális mérete (vastagsága) legyen legalább 0,02 mm. 19
6. Néhány CAD programban a modell STL-lé történ konverziója során figyelmeztetések jelenhetnek meg, melyek szerint a modell egy részének geometriája kívül esik a pozitív X, Y, Z tartományon ezeket az üzeneteket azonban figyelmen kívül hagyhatjuk. 7. Ha egy permanens szerelt egység prototípusát akarjuk létrehozni, a szerelvényeket (assembly) CAD program segítségével kell létrehoznunk, majd ezután mentsük *.stl formátumba. 3.1.7 *.stl állomány létrehozása különböz programokban Az *.stl állományok létrehozása a legtöbb program esetén ugyanazon lépésekbl áll, és csak a FILE/Save as... parancs segítségével kivitelezhet. Az *.stl formátumba való exportálás lépéseit két példa CAD rendszeren mutatjuk be, ahol a SolidWorks-ben és a legtöbb más programban is a mentés a Save as... menüpontból kezdeményezhet, miközben a CATIA rendszerben egy erre dedikált modult használunk. A SolidWorks-ben egy 3D modell STL formátumban történ elmentéséhez az alábbiak szerint járjunk el: 1. Nyissuk meg az STL formátumba exportálandó modellt. 2. A fels legördül menübl válasszuk a Save as.. parancsot 3. A párbeszédablakban adjuk meg a mentés célkönyvtárát, a modell nevét és a formátum típusát, azaz az STL-t (*.stl). Ezt követen definiálnunk kell a fájl paramétereit, így kattintsunk a párbeszéd ablakban az Options... gombra. Ennek következtében egy újabb ablak nyílik meg, amely az exportálás paramétereit tartalmazza (3.9 ábra). 3.9 ábra: Exportálás paraméterei ablak 20