BRZA IZRADA PROTOTIPA PROIZVODARAPID PROTOTYPING TEHNOLOGIJE

prof. dr. sc. Milenko ObadSveučilište u Mostaru

Fakultet strojarstva i računarstva

1

Uvod Kategorije RP tehnologija Vrste RP tehnologija Stereolitografija (SLA) Taloženje rastaljenog materijala (FDM) Selektivno lasersko sinteriranje (SLS) Laserska tehnologija oblikovanja praha (LENS) Izrada proizvoda laminiranjem (LOM) 3D ispis (3D Printing)

Mogućnosti primjene teh. 3D ispisa u raznim granama industrije U zaštiti kulturnih dobara

Razvoj i budućnost RP tehnologija

RAPID PROTOTYPING TEHNOLOGIJE

Sadržaj:

2

Tehnologija koja je postala dostupna kasnihosamdesetih godina prošlog stoljeća

Rapid Prototyping - grupa računalno temeljenihtehnologija koje omogućuju brzu izradu modelanekog proizvoda u željenom mjerilu korištenjemnjegovog 3D CAD modela

Prvi postupak brze izrade prototipa: Stereolitografija(SLA) prvi put je predstavljen prije dvadesetakgodina i koristio je tekuću foto-osjetljivu polimernuplastiku koja je skrućivana laserom sloj po sloj da bise dobio čvrsti objekt

RAPID PROTOTYPING TEHNOLOGIJE

3

RP tehnologija preuzima 3D model izravno iz CADsustava i transformira ga u horizontalne slojeve

RP proizvodi ("ispisuje") te slojeve i slaže ih jedanna drugi, sve dok model ne bude gotov

Pojednostavljeno, Rapid Prototyping stroj (3Dprinter) slaže sloj po sloj gipsa, papira, plastike,metala ili nekog drugog materijala i tako gradimodel

RAPID PROTOTYPING TEHNOLOGIJE

4

Kroz daljnji razvoj RP tehnologije teži se stroju za3D ispis koji će raditi ispis od dva, tri ili višematerijala i tako moći generirati čitave sklopove

3D Print je jedna od metoda brze izrade prototipa

Jedina je metoda koja omogućava izradu modelau punom spektru boja a važi i za jednu od najbržih

RAPID PROTOTYPING TEHNOLOGIJE

5

RP tehnologije poznate su i pod imenom''proizvodnja čvrstih oblika slobodne forme'',''računalno automatizirana proizvodnja'' i''proizvodnja u slojevima'‘

Postavlja se pitanje ''zašto razvijati i koristititehnologije brze izrade prototipa''? Smanjenje vremena razvoja proizvoda Smanjenje skupih pogrešaka u razvoju proizvoda Povećanje kvalitete proizvoda Povećanje životnog vijeka proizvoda dodavanjem

potrebnih osobina i eliminiranjem grešaka u ranijimverzijama proizvoda itd

RAPID PROTOTYPING TEHNOLOGIJE

6

Tehnologije brze izrade prototipa smanjuju vrijemerazvoja novih proizvoda na način da omogućujuunošenje izmjena u konstrukciji u ranim fazamarazvoja proizvoda

Sama proizvodnja novog proizvoda temeljena natehnologiji brze izrade prototipa omogućuje: Povećanje broja različitih varijanti jednog proizvoda Povećanje kompleksnosti proizvoda Smanjenje vremena isporuke proizvoda itd

RAPID PROTOTYPING TEHNOLOGIJE

7

Postupci brze izrade prototipova najčešće se dijeleu tri glavne kategorije: Brza izrada prototipova (Rapid prototyping)

Obuhvaća izradu modela na temelju 3D CAD modela,računalne tomografije ili na temelju 3D modela dobivenih3D skeniranjem

Brza izrada alata (Rapid tooling)Obuhvaća niz tehnika koje se koriste za brzu izradusloženih alata, kalupa i oblika koji se zatim koriste zaizradu gotovih dijelova

Brza izrada proizvoda (Rapid manufacturing)Tehnologije brze izrade prototipova primjenjuju se zaizradu gotovih dijelova koji idu u prodaju

RAPID PROTOTYPING TEHNOLOGIJE

8

Metodologija Rapid prototyping procesa izradeprototipova je jednaka kod svih postupaka i sastojise iz sljedećih koraka: Kreiranje STL (stereolithography) datoteke iz 3D CAD

modela RP stroj procesira STL datoteku i izrađuje slojeve modela

sa željenom rezolucijom Kada se jedan sloj izradi, model se u stroju spušta za

debljinu sloja kako bi se omogućila izrada sljedećeg iproces se ponavlja do kompletiranja cijelog modela

Model se na kraju uzima iz stroja i cijeli postupakzavršava njegovim čišćenjem

RAPID PROTOTYPING TEHNOLOGIJE

9

Vrijeme izrade prototipa ovisi o vrsti postupka inajčešće se sastoji iz tri dijela: priprema datoteke (od 0,5 do 2 sata), stvaranje dijela (od 0,5 do 15 sati) naknadna obrada (od 0,25 do 6 sati)

Postavlja se pitanje faktora koji odlučuju oisplativosti primjene postupaka brze izradeprototipova. Tri su najvažnija faktora: Složenost modela Veličina modela Vrijeme

RAPID PROTOTYPING TEHNOLOGIJE

10

Primjena tehnologija brze izrade prototipova i alataima svoje prednosti ali i nedostatke. Neke važnijeprednosti brze izrade prototipova i alata jesusljedeće:

smanjenje vremena potrebnog za razvoj proizvoda izbjegavanje grešaka koje mogu dovesti do zastoja u

proizvodnji smanjenje vremena potrebnog za dobivanje prototipa mogućnost ispunjenja i najoštrijih zadanih rokova puno brža izrada potrebnih alata relativno niska cijena u slučaju iznimno složenih oblika smanjenje troškova izrade alata smanjenje troškova cijelog procesa razvoja proizvoda eliminiranje nepotrebnih i skupih faza izrade

RAPID PROTOTYPING TEHNOLOGIJE

11

izbjegavanje nedostataka oblikovanja poboljšano oblikovanje koje je okrenuto samoj proizvodnji poboljšano konstruiranje alata povećani životni vijek proizvoda smanjeni troškovi održavanja i zamjene dijelova kraće vrijeme potrebno za dobivanje prototipa puno brža analiza funkcionalnosti, oblika i dimenzija smanjeni zaostaci u fazi konstruiranja bolja i učinkovitija proizvodnja u kraćem vremenu vrlo dobre konstrukcije u vrlo kratkom vremenu bolja prodaja proizvoda na tržištu mogućnost zadovoljenja kritičnih rokova isporuke itd

RAPID PROTOTYPING TEHNOLOGIJE

12

Tehnologije brze izrade prototipova primjenjuju seu mnogim granama industrije

RAPID PROTOTYPING TEHNOLOGIJE

Zrakoplovna ikozmička industrija

Strojevi

13

Danas je u svijetu u uporabi više različitihtehnologija brze izrade prototipa od kojih sunajvažnije sljedeće tehnologije: Stereolitografija (SLA) Taloženje rastaljenog materijala (Fused Deposition

Modeling - FDM) Selektivno lasersko sinteriranje (Selective Laser Sintering

- SLS) Laserska tehnologija oblikovanja praha (Laser Engineered

Net Shaping - LENS) Izrada prototipova laminiranjem (Laminated Object

Manufacturing - LOM) 3D ispis (3D printing)

RAPID PROTOTYPING TEHNOLOGIJE

14

Stereolitografija

Stereolitografija (SLA) je prva komercijalnodostupna metoda brze izrade prototipa proizvoda(Rapid Prototyping), razvijena u kompaniji ''3DSystems of Valencia'' u Kaliforniji (SAD)

Uređaji koji koriste ovu tehnologiju sastoje se odčetiri osnovna dijela: računala koje obrađuje podatke i kreira slojeve kontrolnog računala koje nadzire proces komore u kojoj se RP izrada proizvoda obavlja laserske jedinice

15

Stereolitografija

16

Prednosti RP postupka stereolitografije su: visoka rezolucija modela mogućnost izrade dvobojnih prototipova neograničenost geometrijskih formi modela potpuna automatiziranost procesa itd

Glavni nedostaci su: ograničen broj upotrebljivih materijala prototipovi su slabijih mehaničkih svojstava pri izradi prototipova potrebni su potpornji prototipi koje

treba ukloniti stezanje fotopolimera pri očvršćivanju može uzrokovati

pojavu naprezanja i deformacija i što je poseban problem fotopolimer je otrovan u tekućem stanju

Stereolitografija

17

Taloženje rastaljenog materijala

U ovom procesu se koriste samo polimernimaterijali kao što su: ABS plastika (akrilonitrilbutadien stiren), E20 (elastomer na bazipoliestera), vosak za precizno lijevanje itd

FDM stroj zagrijava ABS da bi ga omekšao ikada je ekstrudiran počinje se hladiti, skrućujese i lijepi za sloj ispod

Zbog toga što je materijal ispočetka mek svidijelovi koji "vise" moraju imati izgrađenu nekuvrstu potpore ispod sebe koja se nakonzavršetka čitavog procesa uklanja

FDM strojevi grade jako precizne modele kojimogu biti korišteni u razne namjene

18

Taloženje rastaljenog materijala

19

Taloženje rastaljenog materijala

Glavne prednosti postupka taloženja rastaljenogmaterijala su: manja potrošnja energije, ne koristi se laserski snop nema posebnih zahtjeva za ventilacijom i hlađenjem jednostavna je primjena relativno je niska investicija i niski troškovi održavanja postoji mogućnost izrade više prototipova istovremeno FDM uređaj je malih dimenzija materijali nisu otrovni i nema iskrivljenja prototipova

Nedostaci se ogledaju u tome što je funkcionalnost prototipova ograničena izborom materijala relativno mali broj komercijalno raspoloživih materijala nužna primjena potpornja i vidljive su linije između slojeva

20

Selektivno lasersko sinteriranje

Selektivno lasersko sinteriranje (Selective LaserSintering – SLS) je proces 3D printa na bazitehnologije sinteriranja

Laserska zraka CO2 lasera usmjerava se namaterijal (u obliku finog praška) koji se uslijedvisoke temperature kojoj je izložen sinterira

SLS se kao RP tehnologija, ovisno o izborumaterijala može smatrati i rapid tooling ili rapidmanufacturing tehnologija

Proces SLS vjerojatno ima najveći raspondostupnih materijala, budući da se većina metalamože sinterirati

21

Selektivno lasersko sinteriranje

22

Selektivno lasersko sinteriranje

Glavne prednosti ovog postupka ogledaju se u: bolja mehanička svojstva od stereolitografije dijelovi se mogu koristiti za funkcionalna ispitivanja sam postupak je brži od postupka stereolitografije moguća je primjena većeg broja materijala nije potreban potporanj neupotrijebljeni prah se može koristiti za sljedeći prototip bolja obradivost u odnosu na stereolitografske dijelove mala zaostala naprezanja u modelu

Najvažniji nedostatak je: lošija kvaliteta površine u odnosu na stereolitografske

dijelove pri korištenju nekih materijala potrebna zaštitna atmosfera

radi pojave otrovnih plinova tijekom samog procesa23

Laserska tehnologija oblikovanja praha

Kod metode LENS (Laser Engineered NetShaping) prah se dodaje koaksijalno u fokuslaserske zrake velike snage

U LENS tehnologiji je moguće iskoristiti veliki brojrazličitih vrsta materijala

Materijale koji učestvuju u procesu moguće jemijenjati tijekom samog postupka tako da na krajumožemo imati proizvod sastavljen od više različitihmaterijala

Snaga ove tehnologije leži u njenoj sposobnosti daproizvodi metalne dijelove bez šupljina sa dostadobrom strukturom u razumnom vremenskom roku

24

Laserska tehnologija oblikovanja praha

25

Izrada prototipova laminiranjem

Izrada prototipova laminiranjem (Laminated ObjectManufacturing - LOM) je proizvodni proces ukojem se pomoću CO2 lasera kreiraju pojedinačnislojevi trodimenzijskog predmeta

Kao materijal koji se koristi za izradu slojevanajčešće je to papir zatim razni polimerni ikompoziti

Kvaliteta ovako izrađenih model nije na razinikakvu nude druge metode brze izrade prototipa

26

Izrada prototipova laminiranjem

27

Izrada prototipa laminiranjem Prednosti LOM postupka: niža cijena u odnosu na ostale postupke zbog primjene

jeftinijih materijala mogućnost proizvodnje velikih dijelova relativno velika brzina postupka male dimenzije uređaja, može se instalirati u uredu nije potreban potporanj izratka nema pojave zaostalih naprezanja u prototipu

Glavni nedostaci su u: manja točnost u odnosu na ostale postupke anizotropnost i hidroskopnost materijala prototipa nužno lakiranje prototipa da bi se izbjeglo upijanje vlage i

time promjena dimenzija funkcionalnost prototipova je ograničena uskim izborom

materijala tražena viša kvaliteta površine postiže se dodatnom

završnom strojnom obradom i velik je udio otpadnogmaterijala

28

3D ispis

3D ispis (3D printing) - tehnologija 3D ispisa /klasastrojeva koji za svoj rad koriste tzv. ''Ink-jet''tehnologiju konvencionalnih pisača/

Prvi takav pisač bio je 3DP (3D Printing) razvijen naMassachusetts Institute of Technology (MIT)

3D printeri kompanije Z-Corporation su jedni odnajpopularnijih ove vrste

Ova metoda koristi veoma jeftin materijal, radirelativno brzo i nema potrebu za posebnimkontroliranim uvjetima rada

S njima se može dosta grubo postupati, njihovapovršina može biti glatka i mogu se naknadno bojiti

29

3D ispis

30

3D ispis

Glavne prednosti ovog RP postupka ogledaju se u: mogućnosti da se jednako uspješno mogu izrađivati

prototipovi postupak izrade je vrlo fleksibilan materijali su uglavnom neotrovni preciznost izrade je visoka vrlo je glatka površina izrađenih dijelova

Ključni nedostaci su u: ograničenim dimenzijama izratka ograničen je broj materijala od kojih se izrađuju modeli a također je ograničena i brzina izrade modela

31

3D pisači tvrtke Z Corporation

Za modele proizvedene 3D print tehnologijom na ZCorporation pisačima karakteristično je da im jemala cijena koštanja jer se koriste relativno jeftinimaterijali

U odnosu na druge tehnike relativno brz ispis i toispisi u punom spektru boja što model činirazumljivijim i vrlo preglednim

Z Corporation kao vodeća tvrtka za proizvodnju3D Ink-Jet pisača do sada je proizvela i pustila uprodaju nekoliko modela

Modeli se razlikuju prvenstveno po cijeni ali i posvojim mogućnostima

32

Model ''Z printer 310''

Karakteristike ovog modela su sljedeće: Jednobojan ispis Radni obujam modela: 203 x 254 x 203 mm Materijali: kompozitni i elastomerni prah Brzina ispisa: 2 - 4 sloja u minuti Debljina sloja ispisa: 0.089 – 0.203 mm Dimenzije stroja: 74 x 86 x 109 cm Masa stroja: 115 kg

33

Model ''Z printer 450'' Karakteristike ovog modela su sljedeće: Ispis u boji, potpuni RGB spektar boja Radni obujam modela: 203 x 254 x 204 mm Materijali: kompozitni prah Brzina ispisa: 2 - 4 sloja u minuti Rezolucija: 300 x 450 dpi Broj glava: dvije glave (jedna bez boje i

jedna trobojna) Debljina sloja ispisa: 0.089 do 0.102 mm Dimenzije stroja: 122 x 79 x 140 cm Masa stroja: 193 kg

34

Model ''Z printer 510''

Karakteristike ovog modela su sljedeće: Ispis u boji, potpuni RGB spektar boja Radni obujam modela: 254 x 356 x 203 mm Materijali: kompozitni prah, elastomeri Brzina ispisa: 2 sloja u minuti Rezolucija: 600 x 450 dpi Broj glava: 4 Debljina sloja

ispisa: 0.089 do 0.203 mm Dimenzije stroja: 107 x 79 x 127 cm Masa stroja: 204 kg

35

ZCast tehnologija ZCast je postupak za brizganje plastike, odnosno izravno lijevanje

metala u kalupe izrađene tehnikom 3D ispisa na Z Corp. 3Dpisačima

Kalup i pribor mogu se izravno proizvesti na 3D pisaču primjenomspecijalnog ZCast keramičkog praha koji izdržava temperature do1200ºC

Postupak ZCast izrade odljevaka se odvija u sljedećim koracima: dizajniranje 3D modela na PC računalu (3D CAD) Izrada dijelova kalupa na 3D pisaču Sastavljanje dijelova kalupa Izravno lijevanje metala u kalup Rastavljanje kalupa i po potrebi dorada metalnog odljevka

Prednosti ovakvog načina izrade metalnih dijelova su brza izradakalupa i potrebnih segmenata za lijevanje te veliko smanjenjetroškova izrade kalupa i potrebnih sklopova za lijevanje u odnosuna klasične metode

36

Mogućnosti primjene tehnike ''3D ispisa''

Mogućnosti primjene 3D pisača tvrtke Z Corporation suraznovrsne, a ovdje je dat pregled nekih već korištenihprimjera u industriji (Z Corporation)

Sve industrijske grane primjeri

37

Mogućnosti primjene tehnike ''3D ispisa''

Prezentacijski modeli

38

Mogućnosti primjene tehnike ''3D ispisa''

Zaštita kulturnih dobara Kulturna dobra Artefakti Tehnologije zaštite 3D skeniranje CAD modeli Izrada modela Propisi

39

Razvoj i budućnost RP tehnologije

Razvoj RP tehnologija kreće se pravcu sve većih zahtjevaproizvodnih kompanija, koje ne žele samo prototipe već igotove 3D objekte – finalne proizvode spremne za upotrebu

Veliki korak naprijed u ovoj relativno novoj tehnologiji je i bio-printing

Očekuje se da bi s vremenom cijena 3D printera mogla bitimalo veća od cijene današnjih 2D printera

Smanjenje troškova koštanja 3D pisača najviše ovisi otržišnim zakonima i s vremenom će do toga doći, nakon štose pojavi veći broj proizvođača ovih uređaja

Iako je glavni nedostatak današnjih 3D pisača materijal tj.mogućnost upotrebe samo jedne ili eventualno dvije vrstematerijala, pomicanjem tih ograničenja moći će se izrađivatidaleko kompleksniji uređaji kao što su: telefoni, lampe,satovi, daljinski upravljači, aparati za kavu i slično

40

Pitanja

41

Hvala za pozornost !!!

42