POLIMER TERMÉKEK KISSZÉRIÁS GYÁRTÁSA

B4 BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR POLIMERTECHNIKA TANSZÉK POLIMER TERMÉKEK KISSZÉRIÁS GYÁRTÁSA (RPT/RT) A JEGYZET ÉRVÉNYESSÉGÉT A TANSZÉKI WEB OLDALON KELL ELLENŐRIZNI! WWW.PT.BME.HU

A LABORGYAKORLAT HELYSZÍNE TARTALOMJEGYZÉK 1. A GYAKORLAT CÉLJA... 3 2. ELMÉLETI HÁTTÉR... 3 2.1. AZ STL FÁJL FORMÁTUM... 4 2.2. GYORS PROTOTÍPUSGYÁRTÁS... 5 2.3. GYORS SZERSZÁMKÉSZÍTÉS... 8 3. A MÉRÉS SORÁN HASZNÁLT GÉPEK, BERENDEZÉSEK... 10 4. A TÉMÁHOZ KAPCSOLÓDÓ FONTOSABB SZAVAK ANGOLUL, NÉMETÜL... 11 5. AJÁNLOTT IRODALOM... 11 MÉRÉSI JEGYZŐKÖNYV... 12 Polimer termékek kisszériás gyártása 2/13

1. A gyakorlat célja A gyakorlat elsődleges célja a kisszériás gyártástechnológiák, valamint az ehhez szükséges gyors szerszámozási technológiák, megismerése. Tanulmányozandók a gyakorlat során az additív gyártórendszerek, azon belül a 3D nyomtató valamint az PolyJet-Objet berendezések és azok részegységei, valamint a gravitációs öntés technológiákhoz kapcsolódó alapanyagok és azok tulajdonságai. 2. Elméleti háttér Napjaink egyre gyorsuló világában a tervezési és gyártási folyamatoknak is együtt kell haladni a korral. Ennek köszönhetően gyártmányfejlesztés hagyományos módját, amelyben az egyes tervezési és gyártási folyamatok egymást követték, átvette az egyidejű, úgynevezett szimultán tervezés. Igen nagy szerepe van a tervezési folyamatban a gyorsaságnak, amelyet a gyors tervezés közbeni ellenőrzésekkel érhetünk el. Ezeknek az ellenőrzéseknek az alapját a prototípusok jelentik, amelyekkel elvégezhetjük a kívánt vizsgálatokat. A 3D-s számítógépes tervezés ma már elengedhetetlen a korszerű polimer alkatrésztervezésben. A számítógéppel tervezett test láttatására gyakran alkalmazzák a különböző számítógépes térbeli megjelenítéseket, amelyeknek ma már igen széles választéka áll rendelkezésünkre. Ez a megjelenítési forma lehetővé teszi a virtuális térben létező test szemléltetését, geometriai és mechanikai vizsgálatát is, azonban egy kézzel fogható modell elengedhetetlen a terv teljes átlátására. A 80-as évek második felétől kezdődően, a mérnökök rendelkezésére állnak olyan gyors prototípusgyártási (Rapid Prototyping) eljárások, amelyek lehetővé teszik, hogy a CAD rendszerekkel tervezett 3D-s modelleket valós fizikai modellé transzformálják. Ahhoz azonban, hogy a 3D-s modellből a készterméket elő tudjuk állítani szükséges a 3D-s modellünk szeletekre darabolása. Erre szolgálnak a prototípus berendezések saját programjai, amelyek szabványos bemenete az STL (Standard Tessellation Language) lett. A prototípusok készítésének három fő oka lehet. Az első, amikor a termék megjelenését, külsejét szeretnénk megnézni (vizualizációs modell), valós 3D-s formában szeretnénk kézbe venni. Erre a forma (design) kialakítása közben van nagy szükség, amikor még nem a funkció teljesítését vizsgáljuk. Ebben az esetben tehát nem az a cél, hogy a mintánk egy az egyben funkcionálisan Polimer termékek kisszériás gyártása 3/13

megegyezzen a jövőbeli termékünkkel, hanem csak az, hogy geometriailag pontosan utánozza azt. A második eset, amikor a modell éppen a funkció vizsgálatának céljából készül (funkcionális modell). Ebben az esetben jóval nagyobbak a modellel szemben támasztott követelmények, hiszen itt nem csak a látszat számít, hanem a szilárdság, merevség és egyéb fizikai jellemzők, valamint a geometriai méretpontosságoknak is nagyobb a jelentősége. Számos esetben követelmény lehet az is, hogy a prototípusunk még anyagában is megegyezzen a tervezett termék jövőbeli anyagával. Harmadik eset, amikor a prototípus egy előzetes gyártásnak az alapja, azaz egy olyan minta, amelyből az adott terméket előállító szerszám készül. Ez a szerszám többnyire csak kissorozatú gyártásra alkalmas, amellyel többnyire további prototípusokat állítunk elő egy pontosabb vizsgálathoz. Ez azért számít nagy előrelépésnek, mert az előző prototípusokkal szemben az így előállított darab tökéletes mása az eredetileg tervezettnek, hiszen tulajdonságában, anyagában, sőt gyártástechnológiájában is megegyező darabot állítunk így elő. 2.1. Az STL fájl formátum Az STL (Standard Tessellation Language) fájl felületleíró adatformátum, ami kapcsolatot teremt a CAD rendszerek és RPT rendszerek között. Az STL fájl háromszögek segítségével írja le a felületet. Minden egyes háromszög esetén definiáltak a csúcsponti koordináták mind a három irányban (x,y,z) valamint a hozzá tartozó normál vektor. A normálvektor iránya adja meg, hogy a modell felületének melyik része kerül nyomtatásra. Általánosan a normál vektornak minden esetben a felületből kifelé kell mutatnia. Az STL fájl kétféle lehet, bináris formátumú vagy ASCII szöveges formátumú. Mindkét formátum tulajdonképpen egy lista a számítógéppel tervezett testmodellt leíró háromszögekről. Az STL fájlok generálásánál a CAD programok két paraméter figyelembevételével készítik el a modell felületén a háromszögeket (1. ábra). Az egyik a húrhiba, ami a legnagyobb távolság, amely a valóságos kontúr és a generált háromszögek között lehet (D), a másik az a legnagyobb központi szög, amely a kontúrt közelítő élhez húzható (gamma). D 1. ábra. Az STL fájl értelmezése (D húrhiba, gamma legnagyobb központi szög) Polimer termékek kisszériás gyártása 4/13

A STL fájl lévén egy közelítéses módszer, ezért 100%-ban sosem fogja tudni visszaadni a 3D modellt, továbbá egyes CAD rendszerek nem képesek megfelelően generálni az STL fájlt, így előfordulhatnak helyi problémák, hibák a generálás folyamán. Ilyen hibák lehetnek a hálón keletkező rések, illetve felület hiányok, felülettorzulások, felületek átlapolódása, alul- vagy túlhatározott pont, vonal, illetve felület. Az előbbiekben felsorolt hibáknak a javítása azonban ma már nem jelent gondot, mivel számos célszoftver létezik, mint például a Materialise cég Magics RP programja. Az STL fájlok előnyei között érdemes megemlíteni, hogy ez az egyik legegyszerűbb módja a 3D CAD modellek ábrázolására, a legtöbb RP berendezés bemenete ezt a formátumot részesíti előnyben, valamint ezzel az eljárással a legkönnyebb a geometriai alakokat adatfájlba transzformálni. Hátrányai közé sorolható hogy a fájl mérete esetenként nagyobb lehet, mint maga a CAD fájl, ami a leírás módjából adódik. 2.2. Gyors prototípusgyártás A gyors prototípusgyártás alatt olyan technológiák összességét értjük, amelyekkel mellőzni lehet a hagyományos lebontó (substractive) eljáráson alapuló modellkészítést, valamint a képzett modellkészítők munkáját. Amíg a legtöbb gyártási technológia lebontó jellegű, azaz a kívánt geometria előállítását az alapanyag eltávolításával forgácsolás, marás érik el, addig a gyors prototípusgyártó eljárások a kívánt alakot rétegről-rétegre (layer by layer) anyaghozzáadás (additive) útján hozzák létre. A gyors prototípuskészítés igen széles anyagválasztékból kiindulva valósítható meg (2. ábra). Napjainkban elterjedtnek mondható a folyadék alapú prototípuskészítés, amely tipikusan polimer alapú anyagokat jelent, egyrészről a térhálósítható anyagok felhasználásával (SLA lézer sztereolitográfia), másrészről az egyszerűbb termoplasztikus anyagok alkalmazásával (FDM ömledékrétegezés), ez utóbbi az anyag megolvasztását, majd újra megszilárdítását jelenti. További technológiák por alakú alapanyagból építik fel a modellt, az egymás melletti részecskék összeolvasztásával (SLS szelektív lézer-szinterezés), esetleg valamilyen ragasztóanyaggal való egyesítéssel (3D Printing). Léteznek ezen kívül olyan technológiák, amelyek rétegeléssel, lapokból hozzák létre a prototípust. A legegyszerűbb ezek közül, amikor lapokat (általában: papírlapokat) vágunk megfelelő méretre, majd összeragasztjuk azokat (LOM réteges kivágás és felépítés). Polimer termékek kisszériás gyártása 5/13

2. ábra RPT technológiák csoportosítása alapanyagok szempontjából 2.2.1. 3D printing technológia A 3D Printing eljárást az MIT (Massachusetts Institute of Technology) kutatói fejlesztették ki főleg prototípusok előállítására, valamint valós termékek rugalmas gyártására, az utóbbi időben azonban direkt szerszámkészítésre és precíziós öntőformák előállítására is alkalmazzák. Ezzel a technológiával előállítható bármilyen alakú modell, szinte bármilyen anyag felhasználásával. Ezek az anyagok lehetnek kerámiák, polimerek, fémek, vagy akár kompozit anyagok. A legtöbb technológiához hasonlóan itt is rétegenként kerül kialakításra a modell, a számítógépen elkészített 3D-s modell szeletekre bontásával. A rétegek építése az előzőleg elkészült modellrétegekre történő porfelvitellel kezdődik (3. ábra). 3. ábra A 3D Printing működési elve Polimer termékek kisszériás gyártása 6/13

Az ink-jet nyomtatókhoz hasonlóan működő berendezés az adott rétegben, ahol a modell elhelyezkedik, kötőanyagot helyez el, így kialakítva az adott réteg geometriáját. Ezután a munkaasztalt mozgató henger lesüllyed egy rétegnyit, ezzel helyet adva a következő réteg számára felviendő por számára. Ezeket a lépéseket addig ismétli a berendezés, amíg a darab teljes kialakítása meg nem történik. A darab a végleges formáját a felesleges por eltávolítása valamint utókezelés (gyantával történő átitatás, hőkezelés) után nyeri el. Az eljárás gyors, egyszerű, olcsó és megbízható. Mivel a terméket por veszi körül, így alátámasztást nem igényel. Hatalmas előnye, hogy igen gyorsan lehet vele előállítani kerámia öntőformákat precíziós öntéshez. Hátrány viszont, hogy utólagos kezelés szükséges, pontossága korlátozott és a belső felületekhez nem lehet hozzáférni 2.2.2. PolyJet technológia Az PolyJet eljárást az Objet Geometries cég fejlesztette ki. Ez a merőben új eljárás magába foglalja a legtöbb RP technológia előnyét. A tintasugaras nyomtatófejből kinyomtatott fényérzékeny műgyantát nem lézerrel, hanem UV fényforrással szilárdítják meg (4. ábra). Mivel a nyomtatás térben történik, és a 3D printig eljárással ellentétben itt a modellt nem veszi körbe por, ami megtámassza, ezért külön támaszanyag alkalmazására van szükség. Nagy előny viszont, hogy a támaszanyag vízzel oldható, így könnyebb és egyszerűbb eltávolítani, mint a többi technológia esetén. További előny, hogy az UV fényforrásnak köszönhetően olcsóbb és gyorsabb, mint a hagyományos RPT technológiák. A berendezés pontosságát jól jellemzi a 16-30 μm-es építési rétegvastagság, a legvékonyabb függőlegesen elkészíthető falvastagsága 0,6 mm, a teljes modell pontossága pedig ± 0,05 mm. 4. ábra PolyJet eljárás elve Polimer termékek kisszériás gyártása 7/13

A további fejlesztések eredményeként született berendezés segítségével (Connex), ma már akár két különböző mechanikai és fizikai tulajdonságú anyag is nyomtatható egy munkadarabon (munkacikluson) belül a felhasznált alapanyagok keverésével (lineáris kombinációjával). 2.3. Gyors szerszámkészítés A gyors prototípusgyártásból (Rapid Prototyping RP) fejlődött ki a gyors szerszámozás (Rapid Tooling RT), amely egyre nagyobb teret hódít a műanyag feldolgozás-technológiákban is. A gyors szerszámozással előállított szerszám többnyire csak kis sorozatú gyártásra alkalmas, amellyel többnyire további prototípusokat állítunk elő egy pontosabb vizsgálathoz. Ez nagy előrelépés, hiszen a hagyományos értelemben vett prototípusokkal (lásd előző fejezet) szemben az így előállított darab tökéletes mása az eredetileg tervezettnek, hiszen tulajdonságában, anyagában, sőt gyártástechnológiájában is megegyezik a sorozatgyártott termékkel. Manapság egyre inkább arra irányulnak a törekvések, hogy ezt a gyors szerszámkészítési módszert ne csak a prototípuskészítéshez, hanem a sorozatgyártáshoz is fel lehessen használni. A gyors szerszámkészítésnek számos lehetséges változata megtalálható a piacon akár a prototípusgyártásból kiinduló indirekt módszert, akár a közvetlen (direkt) szerszám előállítási technikákat tekintjük (5. ábra). 5. ábra Gyors szerszámozás csoportosítása 2.3.1. Indirekt szerszámozás A gyors szerszámkészítés indirekt módjának az alapja az, hogy valamelyik prototípusgyártási módszerrel elkészített munkadarabot használjuk fel úgy, mint alakadó mestermintát. Ez sokkal gyorsabb, mintha forgácsolással készítenék el azt, és adott esetben a geometriai pontosság messzemenően kielégítő. Ezt követően a mesterminta felületét körül öntve Polimer termékek kisszériás gyártása 8/13

egy másik anyaggal elkészíthető a szerszám, ami ellenáll a sorozatgyártáskor kialakuló nyomásnak, hőmérsékletnek, mechanikai koptató hatásnak. A szilikon szerszámozás az indirekt technológiák közé tartozik, amellyel olyan viasz, műanyag és alacsony olvadáspontú fém alkatrészek készíthetők, amelyek nem támasztanak magas követelményeket a szerszám anyagával szemben, vagyis alacsony a nyomás és a hőmérséklet. A szerszám anyaga hőre vulkanizálódó szilikon gumi, amelynek két csoportja létezik a térhálósodás kémiai reakciója szerint: addíciós szilikon gumi, ami zsugorodás nélkül térhálósodik, valamint kondenzációs szilikon gumi, amely a térhálósodás alatt kb. 2 % zsugorodást szenved az elillanó alkoholok miatt. Az egyik legnépszerűbb alkalmazása a szilikon szerszámoknak, hogy gyorsan térhálósodó PUR gyantát öntenek a szerszámba. Ebben az esetben egy szerszámmal legalább 20-30 db alkatrész készíthető. Nagy előnye ennek az eljárásnak, hogy alámetszett termékek is gyárthatók, mivel a rugalmas szilikon szerszám szétfeszíthető a darabok kivételekor (6. ábra). 6. ábra PUR öntés szilikon gumi szerszámba (1 RPT minta elkészítése beömlővel, légelvezetőkkel, formaleválasztó réteg felvitelével, 2 Az így összeállított rendszer körülöntése szilikon gumival, 3 Térhálósodás után a szerszám szétvágása az osztóvonal mentén, minta kivétele, 4 PUR öntése) 2.3.2. Direkt szerszámozás Direkt szerszámozás során nem alkalmazunk mestermintát, hanem magát a szerszámot készítjük valamilyen gyors prototípusgyártási módszerrel. Így a folyamat gyorsabb, egyszerűbb és jobban automatizálhatóvá válik. Ezek az eljárások jellemzően a hagyományos SLA és SLS alapra épülnek, azok valamilyen továbbfejlesztett, illetve módosított változatai. Polimer termékek kisszériás gyártása 9/13

3. A mérés során használt gépek, berendezések Z310 3D PRINTER (7. ÁBRA) modelltér mérete: rétegvastagság: építési sebesség: 203x254x203 mm 0,089 0,203 mm ~ 25 mm/óra nyomtatófejek száma: 1 db (HP) 7. ábra Z310 3D Printer ALARIS 30 ASZTALI NYOMTATÓ BERENDEZÉS (8. ÁBRA) modelltér mérete: rétegvastagság: építési sebesség: 300x200x150 mm 0,028 mm ~6 mm/óra nyomtatófejek száma: 2 db 8. ábra Alaris 30 asztali nyomtató Polimer termékek kisszériás gyártása 10/13

4. A témához kapcsolódó fontosabb szavak angolul, németül Magyar Angol Német Gyors prototípusgyártás Rapid Prototyping (RPT) Schnelle Prototypentwicklung Gyors szerszámkészítés Rapid Tooling (RT) * STL Standard Tessellation Language * 3D nyomtatás 3D printing * Sztereolitográfia Stereolithography Stereolithographie Szelektív lézer Selective Laser-sintering Selektiv-Leaser Sintern szinterezés Ömledékrétegzés Fused Deposition Modelling * Réteges kivágás és Laminated Object Manufacturing * felépítés * Objet - PolyJet * Számítógéppel segített Computer Aided Design * tervezés Öntészeti szerszámozás Metal Casting * Direkt szerszámozás Direct Tooling * Indirekt szerszámozás Indirect Tooling * Poliuretán (PUR) Polyurethane * Epoxi gyanta Epoxy resin Epoxidharze Szilikon Silicone Silikongießmasse * Az angol kifejezés a használatos 5. Ajánlott irodalom 1. Dunai A., Macskási L.: Műanyagok fröccsöntése, Lexica Kft, Budapest, 2003 2. A. Gebhardt: Understanding Additive Manufacturing, Hanser Publishers, Munich, 2011 3. I. Gibson, D.W. Rosen, B. Stucker: Additive Manufacturing Technologies, Springer, New York, 2010 4. Kovács J. G.: Gyors prototípus eljárások II. Gyakorlati megvalósítások, Műanyag és Gumi, 39, 2002, 103-107 5. Falk Gy., Bartha L., Kovács, J. G.: Rapid Prototyping Rapid Tooling a gyakorlatban, Műanyag és Gumi, 42, 2005, 84-87 6. Schwarz P.: Ősminta- és szerszámkészítés epoxi és poliuretán alapú műanyagokból, Műanyag és Gumi 41, 2004, 167-170 7. http://www.custompartnet.com Polimer termékek kisszériás gyártása 11/13

MÉRÉSI JEGYZŐKÖNYV Név: Jegy: Neptun kód: Dátum: Ellenőrizte: Gyakorlatvezető: 1. Feladat Kisszériás gyártás megtervezése, anyag választása. Termékgyártás PolyJet - Objet valamint 3D printing technológiával és gravitációs öntéssel Költség analízis. 2. Alapadatok, mért és számított eredmények A gyártani kívánt termék: mennyisége: tömege: [db] Anyag költségek: 3D printing: ZP 131 por: 19500 [Ft/kg] ZB 60 binder: 54000 [Ft/liter] PolyJet Objet: FullCure 835 modell anyag: 102000 [Ft/kg] FullCure 705 támaszanyag: 39000 [Ft/kg] Köraform A42 szilikon: 42A komponens: 10500 [Ft/kg] 42BW komponens: 10550 [Ft/kg] Biresin G26 (PUR): A komponens: 4000 [Ft/kg] B komponens: 4000 [Ft/kg] Polimer termékek kisszériás gyártása 12/13

Közvetlen (direkt) termékgyártás PolyJet Objet, Alaris 30 1db..db FullCure835- modell anyag: FullCure 705 támasz anyag: Termékgyártási idő: 3D nyomtatás, Z310 1db..db ZP 131 - por: ZB60 - binder: Termékgyártási idő: Közvetett (indirekt) termékgyártás Ősminta készítés Ősminta készítés módja Ősminta darabszáma Szilikon forma (szerszám) készítés 1db..db Köraform 42A komponens: Köraform 42BW komponens: Szerszámgyártási idő: PUR Termék gyártása gravitációs öntés útján 1db..db Biresin G26 A komponens: Biresin G26 B komponens: Térhálósodási idő: Közvetett (indirekt) termékgyártási idő Költségek 1db..db Közvetlen (direkt) termékgyártás [h] [ml] [h] [h] [h] [h] Alaris 30: [Ft] Z310: [Ft] Ősminta: Közvetett Szilikon szerszám: (indirekt) termékgyártás PUR alapanyag: Összes: Termék minősítése Alaris 30: Z310: szilikon szerszám + PUR: [Ft] [Ft] [Ft] [Ft] Polimer termékek kisszériás gyártása 13/13