3. Gyors prototípus készítés (rapid prototyping) 3.1 Történeti áttekintés 1983: kísérletek 3D nyomtatás előállítására, Kalifornia, Nagoya, Minneapolis 1986: C. Hull megalapítja a 3D System nevű céget eljárása a fotopolimerizáción alapul (sztereolitográfia) 1987: 3 amerikai, 3 japán, 1 izraeli, 1 német cég kezd el működni ezen a területen A gyors prototípus készítés definiálása (klasszikus definíciók) A gyors prototípus készítés (Rapid Prototyping, RP) alatt egy tetszőleges (bonyolultságú) háromdimenziós fizikai test (darab) numerikus leírásból (általában egy CAD modell) történő gyors, teljesen automatizált és nagy rugalmasságú előállítását értjük. Wohler s Report 2000 szerint: olyan speciális gyártástechnológia, amely rövid idő alatt állít elő modelleket és prototípus darabokat, 3D-s számítógépes adatokból, anyaghozzáadás elvén. 3.2 Elnevezések 3.3 A gyors prototípus készítés sajátosságai Rapid Prototyping Desktop Manufacturing 3D Hardcopy Solid Free Form Fabrication Tool Less Manufacturing Automated Fabrication Layered Fabrication gombnyomásra történő gyártás rétegenkénti testfelépítés elsődleges alaklétrehozás nincs szerszám minden darab önálló termék gyors (átfutási idő, változatok) automatizált
Az RP előnyei a darabok bevezetési ideje csökken a geometria szemléletesebben megjeleníthető a fizikai modellen a tervezési hibák korábban felderíthetőek és javíthatóak a szerkezet működése tesztelhető, stb 3.4 Az eljárások csoportosítása A termék funkciója alapján: Szemléltető modell Gyártást támogató modell Funkcionális modell A rétegelőállítás stratégiája alapján: pontról-pontra vektor mentén felületről felületre Az eljárások csoportosítása Az eljárás fizikai tartalma alapján: SLA: Stereolitography (foto-polimerizáció) 3D System, Cubital SLS: Selective Laser Sintering (lézer szinterelés) EOS, DTM FDM: Fused Deposition Modelling (3D Plotting) (huzalfelrakás) Stratasys LOM: Laminated Object Manufacturing (lemezelt technikák) Helisys DSP Direct Shell Production (Droplet Deposition, 3D Printing): (keramikus vagy műanyag por ragasztása) Solingen Egyéb technikák: felrakó hegesztés, lemezkivágás, vízsugaras vágás 3.5 A gyors prototípus készítés lépései CAD rajz elkészítése: kimenet.stl formátumban Szeletelés és letapogatási stratégia elkészítése Nyers darab előállítása (Green part) Utólagos kezelés Töltőanyag ill. támaszok eltávolítása, tisztítás, hőkezelés, anyagkezelés-keményítés, felületkikészítés
Az STL fájl Fájlméretek alakulása a felbontás függvényében Kifejlesztő: 3D Systems, 1988-1989. Nem tökéletes, de az RP technológiákhoz a mai napig megfelel, ipari szabványnak tekintik. Nem tárol anyaginformációkat-> a mai RP eljárások mind monomateriálisak. Az ún. határábrázolás (B-rep) módszerén alapul: a 3D modellt háromszögekkel írja le, egy soklapú közelítése ez a tényleges test felületének, illetve az anyag és a nemanyag ( levegő ) határvonalának -> röviden tehát maga az STL fájl x,y,z koordinátapárok és a külső térrész felé irányuló normálvektorok listája. Durva STL file = 39 KB Nagyon finom STL file = 1.2 MB Optimális STL file = 160 KB Ageometria bonyolultságának megfelelően változik a háromszögek száma 3.6 Sztereolitográfia, SLA Anyag: folyékony gyanta, viasz Rétegvastagság: 0,1-0,2 mm Utólagos hőkezelés (kikeményítés) mindig szükséges. Polírozás, festés lehetséges Sztereolitográfia, SLA Sztereolitográfiáhosz használt epoxigyanta tulajdonságai Epoxi1 Epoxi2 Mivel folyadékban van, támaszról kell gondoskodni! Szakítószilárdság (Mpa) Szakadási nyúlás (%) 46-47 11-2 59-60 7-19 Ütőmunka (kj/m 2 ) 33 27-30 Rugalmassági modulus (Mpa) 1628 2920
Sztereolitográfia, SLA Sztereolitográfia, SLA 3.7 Szelektív lézer szinterelés, STL Szelektív lézer szinterelés Anyag: gyanta, műanyag fémpor keverék (R m =400MPa) Funkcionális alkatrészek DTM Laser Sinterstation 2500 berendezés Három különböző eset a szemcsék a határfelületen egymásba folynak (műanyag porok) keverék fémpor alacsony olv. pontú részei megolvadnak műanyaggal bevont fém v. kerámia por összeolvasztása, majd beitatása pl. bronzzal
SLS el készült alkatrészek Szelektív lézer szinterelés Technológiai jellemzők Por összetétele Szemcsenagys ág Um Rétegvastagsá g mm Lézer teljesít ménye, W Pásztázási sebesség Bronz-Nikkel 10-150 0,1-0,3 10-200 20-200 Bronz-Vas 30-90 0,1-0,3 150-200 150-200 Alumíniumoxid 20 0,1-0,3 - - Réz-poliamid - 0,1 15 50/0 RapidSteel2.0-0,075 17 1250 Duraform 25-90 0,1 4 1675 Szelektív lézer szinterelés 3.8 Huzalfelrakás, FDM Anyag: hevített (200 o C) gyanta, műanyag
Huzalfelrakás, FDM FDM alkatrészek Huzalfelrakás, FDM 3.9 Lemezelt technikák, LOM Anyag: papír, polyester film, szövet, kompozit olcsó gyors komplex geometria
Lemezelt technikák, LOM Lemezelt technikák, LOM 3.10 Por ragasztása, DSP Por ragasztása, DSP Anyag: keramikus vagy műanyag por + ragasztó Munkatér rideg utókezelés mindig gyantával beitatás A gép látképe
Por ragasztása, DSP Por ragasztása, DSP A munkatér kibontás Kész darabok 3DP öntéshez 3DP prototípusok felhasználása
3DP orvosi alkalmazása PolyJet (Objet Geometries) 3.11 Egyéb technikák 3.12 Előnyök és hátrányok vízsugaras vágás felrakó hegesztés fémlemezek összeszerelése stb. Előnyök gombnyomásra történő gyártás automatizált gyors (átfutási idő, változatok) nincs szerszám komplex alkatrész(ek) szerelt alkatrészek (ún. bennszülöttek is készíthetők) Hátrányok pontosság vetemedés zsugorodás porozitás felületminőség mechanikai tulajdonságok lassú
RP csoportosítása az anyagok szempontjából 3.13 A gyors prototípus készítés alkalmazási területei A termék funkciója alapján: szemléltető modell gyártást támogató modell funkcionális modell A gyors prototípus készítés alkalmazási területei Akadémiai szekt. 7% Hadiipar 9% Orvosi szekt. 10% Egyéb 8% Keresk.term. 26% Autóipóip. 23% RP módszerek alkalmazási területei (2002 Wohlers Associates) Repülőgépip. 8% Gépipar 9% 3.14 A gyors prototípus készítés térhódítása A világban évente installált RP rendszerek száma A világban évente elkészített RP modellek száma
A gyors prototípus készítés térhódítása % A gyors prototípus készítés térhódítása Piaci részesedések Japán 19% Korea 2% Kína 5% Egyéb 10% USA 42% A világban 1998-ban installált RP rendszerek százalékos megoszlása (Wohlers Associates) Olaszo. 4% UK 4% Svédo. 1% Franciao. 3% Németo. 9% Kanada 1% Kb 7000 rendszer Magyarországon: 6db 3.15 Esettanulmányok Mélyhúzandó alkatrész 3D geometriai modellje Gyors prototípus készítés alkalmazása közvetlen szerszámozáshoz Lézer szinterelt bélyeg és matrica, mélyhúzó szerszámhoz Kissorozatgyártásban Vékony alumíniumlemezek húzásához
Mélyhúzó szerszám konstrukciós felépítése 3D testmodellek elkészítése Bélyeg Matrica Kimenet: STL formátumban Szelektív lézer szinterelés Anyag: nikkel-bronz-rézfoszfid R m =200 MPa, 70HB Geometria CAD A teljes tervezés folyamata Alak felismerés Adatbázisra épülő elemkiválasztás CAM Lézer szinterelt bélyeg és matrica Geometriai ellenőrzés Technológia Data Result Computer Aided Decision Support Mérés
Alkatrészek mélyhúzása Különböző alkalmazások - 19 alkatrész 30 perc alatt - 15 perc várakozás (hűtés) - 10 sorozat legyártása, 190 db - lemezvastagság: 0,7 mm - húzási mélység 16 mm Kopási nyomok a szerszámon nem érzékelhetők Térdprotézis Szivattyúalkatrész Orvosi alkalmazások Orvosi RP darabok gyártása a Tanszéken 1. 2. 3. 4.
Művészetek Kultúrtörténet Múmia rekonstruálása roncsolásmentesen Kitekintés A jövőbeni lehetőségek szinte korlátlanok?? új anyagok és új technológiák Kereskedelemben beszerezhető háztartási RP rendszerek?? Zprinter 150 4.186.000,- Zprinter 450 (64 szín) 7.139.000,-