1 Gyors prototípusgyártás Rapid Prototyping (RP) KF GAMF KAR GÉPGYÁRTÁSTECHNOLÓGIA TANSZÉK Készítette: Fülöp György tudományos segédmunkatárs Szerkeszti: Dr. Kodácsy János tanszékvezető főiskolai tanár 2003. 12. 01.
2 Az utóbbi időkben a gyártásfejlesztésben a következő kihívásokkal kell szembenézni: bizonytalan, gyorsan változó felhasználói igények, a formatervezés (design) jelentőségének megnövekedése, a gyártmány egyediségének igénye, környezetbarát gyártmányok térhódítása, gyorsan változó típusválaszték, versenyképes, csökkenő árak.
3 A felsorolt követelmények teljesítéséhez igen előnyös, ha már a tervezési folyamat kezdetén rendelkezünk olyan technikával és eljárással, mellyel a lehető leggyorsabban, legrugalmasabban és a lehető legkisebb költséggel alkalmas modellkészítésre, mellyel hatékonyan kiszűrhetők az egyes változatok gyengéi. A CAD-hez tartozó SE (Simultaneous Engineering) részeként, a legmodernebb számítógépes technika alkalmazásával, a célnak ma a gyors prototípusgyártás (RP) technológiája felel meg a leginkább.
Modellkészítés a gyors prototípusgyártás elvén 4 CAD modell RP BERENDEZÉS A metszetek számítása és ábrázolása A metszetek összerakása A valóságos modell
5 A CAD technikával megalkotott modellből az RP számítógépe - célszerű rendszerben és sűrűséggel - metszeteket készít, majd ezeket a berendezés a valóságos modellé rakja össze. A modellek alkalmasak pl. szemrevételezésre, próbákra, szilárdsági ellenőrzésre, de a régészetben vagy az orvosi gyakorlatban csontprotézisekként, a szerszámgyártásban műanyag-alakító szerszámként (Rapid Tooling) is.
Anyaghozzáadásos modellalkotás 6
7 A gyártási módszer abban különbözik más automatizált megmunkálásoktól (pl. CNC), hogy leválasztó alakadás helyett additív, felépítő módon jön létre a kívánt forma. Ez azt jelenti, hogy a test előgyártmány nélkül, vékony rétegenként épül fel, általában valamilyen műanyagból, de alkalmaznak papír, fém és kerámia alapú technológiát is. A gyors prototípus gyártás (Rapid Prototyping, RP) olyan eljárás, amellyel fizikai értelemben vett tárgy hozható létre közvetlenül egy háromdimenziós CAD forrásból.
8 A rétegalkotási módszertől függően számos eljárás ismert. A legelterjedtebbek ezek közül: SLA (Stereolithography), SLS (Selective Laser Sintering), FDM (Fused Deposition Modeling), LOM (Laminated Object Manufacturing), 3DP (Three Dimensional Printing). A felsorolt térkitöltési elvek mindegyikének megvannak az előnyös és hátrányos tulajdonságai is.
9 Az RP technológiák elvi vázlatai Fontos megjegyezni, hogy a RP nem minden esetben a leghatékonyabb mintakészítési módszer (drága a felszerelés, alapanyag)! Alkalmazhatóságát minden feladatnál az anyag - méret - pontosság szempontok szabják meg. Utolérhetetlen előnye viszont legtöbb esetben a gyorsaság és a megvalósítható tetszőleges bonyolultságú forma.
Sztereolitgráfia (SLA) 10 2 3 4 1 5 6 7 8 1 lézerforrás, 2 a CAD adatok szerint vezérelt tükör, 3 lézersugár, 4 a polimerizálandó réteg, 5 a polimerizált modell, 6 fotomonomer, 7 asztal, 8 tartály
11 A sztereolitográfia elve azon alapszik, hogy a számítógéppel vezérelt lézersugár energiájának segítségével lehetőség van bizonyos folyadékhalmazállapotú monomerekből rétegenként szilárd, polimerizált anyagú, térbeli modellt létrehozni. A modell szilárdsága hőkezeléssel tovább növelhető. A folyamat során az asztal a rétegvastagságnak megfelelően, automatizált vezérléssel, fokozatosan süllyed.
3D-s extrudálás (FDM) 12
13 A 3D-s extrudálás (FMD) során szintén rétegekből épül fel a darab, olvadékból. A gép egy 3 vagy 5 tengely mentén mozgatható kisméretű extrudert tartalmaz, melyben a betáplált huzal megolvad, és a fúvókán kilépve az adott helyen ismét megszilárdul. A fúvóka megfelelő mozgatásával alakul ki a kívánt alakzat. Az ömledék a fúvókából viszonylag kis sebességgel, folyamatosan lép ki, a munkadarabtól kis távolságra ( 0.2-0.05 mm ). FDM-mel viasz, hőre lágyuló polimerek vagy kis olvadáspontú fémek ( cinkötvözetek, forraszanyagok ) dolgozhatók fel. Az elérhető méretpontosság kb. 0.1 mm
Főbb alkalmazási területek: 14 termékfejlesztés (pl. műanyagipar, szerszámgyártás), orvosi alkalmazások (pl. sebészet, ortopédia), képzőművészetek (pl. szobrászat, építészet).
Laminated Object Manufacturing (LOM) 15
A LOM eljárás fóliát (papírt) használ kiinduló anyagként. A berendezés egy függőlegesesen mozgatható asztalból ( Z- tengely ), egy lézerfény-forrásból és a pásztázást végző optikai egységből áll, valamint a papír továbbítását és összeragasztását végző egységekből. Az elkészítés során először a legalsó réteget ragasztják a gép mozgatható asztalára. A fólia vagy papír egyik oldala hőre érzékeny ragasztóval van bevonva. A fóliát egy fűtött hengerrel simítják rá az előző rétegre, miközben a melegítés hatására odaragad. A munkadarab adott síkjában levő kontúrvonalakat a lézer a körbevágja, és a hulladékot négyszögekre vágja, a könnyebb eltávolítás végett. Ezután az asztal lejjebb süllyed, a papírt továbbcsévélik, majd a henger odaragasztja az előző réteghez, és a lézer kivágja a következő szint kontúrját. 16
3D nyomtatás (3D Printing, 3DP) 17
A 3DP módszer porból dolgozik. A port egy megfelelő pályán mozgatott fúvókából a felszínre juttatott ragasztó rögzíti. A porral szemben az abszorpció nem követelmény, viszont a ragasztó a port megfelelően kell, hogy nedvesítse. Az elkészült darabokat tisztítás után beitatják a megfelelő a kötőanyaggal vagy szinterelik. Az elérhető méretpontosság kb. 0.05 mm 18
Anyagleválasztásos modellalkotás 19
20 Az anyagleválasztásos RP elve A 3D-s virtuális számítógépes modellt párhuzamos síkokkal metszve, megadott maximális vastagságra feldaraboljuk, majd CNC-vezérelésű, kétoldalú gyorsmarással munkadarab részeket alakítunk ki. Ezeket utólag összeillesztve megkapjuk a prototípust. A nyersanyag szabadon választható, de előnyös, ha könnyen forgácsolható.
A modellalkotásra alkalmas CPM 4030 típusú CNC marógép 21
22 A modellalkotáshoz használt RapidMill szoftver A RapidMill számítógépes program, a *.stl vagy a *.3DS fájlokat képes fogadni. Fontosabb bemeneti paraméterek: a nyersanyag méretei a szerszám ill. jellemzői a megmunkálási mód, stratégiák, sebességek az elvárt pontosság, felületi minőség A RapidMill párhuzamos síkokkal feldarabolja a számítógépes modellt. A modell tartalmazhat üregeket és alámetszéseket is, elméletileg bármilyen bonyolult lehet.
Felszeletelés után lehetőség van minden szelet külön megtekintésére, és itt adható meg az illesztő csapszegek furatainak helyzete is. A darab illesztési párján automatikusan adódnak a furatok, ezt is szemlélteti a program. 23 Ugyanazon szelet ellentétes oldalai Szeletelési stratégiák: a részek maximális vastagsága a megadott nyersanyagvastagság, a lehető legkevesebb darabból álljon és a darabok kétoldali megmunkálással elkészíthetők legyenek.
Egy üreges test 3D-s számítógépes modellje 24
25 Szeletelt munkadarab modell Illesztő csapszeg Rendszer-furat Bekötő híd Nyers darab Az üreges test részeinek modellje, egyik oldalról A szerszámpályák számításához a darabokat egyenként vagy automatikusan kell keretekbe helyeznünk és meg kell adni a bekötőhidak geometriai jellemzőit. A rendszerfurat pontosságának a kétoldali megmunkálás miatt (fordítás) van különös szerepe.
A szerszámpályák számítása és grafikus ábrázolása a megmunkálás paramétereinek kiválasztása után 26
A fő munkapontok beállítása: parkolás, beállás és a munkadarab nullpontja 27
A szerszámgép Remote vezérlő programja 28
29 Minden szerszámpályára és mindkét oldalra külön NCP program készül. Az NCP program nem ugyanolyan formájú, mint a hagyományos CNC program, de szükség esetén ebből az is létrehozható. Előállított kísérleti modell részei, mindkét oldalról
30 Az összeillesztett prototípus Az összeillesztés csapszegekkel és ragasztással történik, ami sok kézimunkát, tapasztalatot igényel. A részek összeillesztésénél kis elmozdulásokból nagy pontatlanságok jöhetnek létre.
Az RP előnyei 31 A gyors prototípusgyártási technológia bevezetése - az ipar szinte minden területén - az alábbi előnyöket biztosítja: termékfejlesztési idő radikális csökkentése termék minőségének javulása a fejlesztés hatékonyságának növekedése a termék- és gyártási költségek csökkenése a megrendelő igényeinek pontosabb kielégítése egy új termék piacrajutási idejének csökkenése.