W przygotowaniu

nr 5-6(25-26) 2017
dostępny
po 29.12.2017

Wydanie aktualne

nr 3-4(23-24) 2017
dostępny w pdf, wydanie flash tutaj

Wydania archiwalne

nr 1-2(21-22) 2017
dostępny w pdf, wydanie flash tutaj

nr 1-2(19-20) 2015
dostępny w pdf, wydanie flash tutaj

numer 1(18) 2014
dostępny w pdf, wydanie flash tutaj

numer 1(17) 2013
dostępny w pdf, wydanie flash tutaj

numer 1(16) 2012
dostępny
w archiwum

numer 1(15) 2011
dostępny
w archiwum

numer 4(14) 2010
HD dostępny
w archiwum

numer 3(13) 2010
HD dostępny
w archiwum

numer 2(12) 2010
dostępny
w archiwum

numer 1(11) 2010 dostępny
w archiwum

numer 9(10) 2009
już dostępny
w archiwum

numer 8(9) 2009
już dostępny
w archiwum

Wydanie specjalne
numer 7(8) 2009
już dostępny
w archiwum

Numer 6(7) 2009
już dostępny
w archiwum

Obserwuj @CADblog_pl

Fragment artykułu z nr 1(11) 2010 (kompletne wydanie do pobrania z Archiwum)

„Drukowanie” ...nożem? Przegląd współczesnych technologii szybkiego prototypowania cz. I

Każda większa konferencja związana z systemami CAx stwarza okazję do zapoznania się z metodami szybkiego prototypowania, określanymi bardzo często mianem „druku 3D”. Większość czytających te słowa zetknęła się już zapewne z prototypami uzyskanymi na maszynach, których zasada działania zbliżona jest często do zwykłych drukarek komputerowych. Nie da się ukryć, iż technologie druku przyrostowego polegające na budowie modelu z kolejno nanoszonych cieniutkich warstw materiału zyskują coraz większą popularność. A jednak nie wszystkie mają cechy łączące je ze wspomnianymi drukarkami...

AUTOR: Mateusz Bubicz

Dlatego jestem zdania, że jednak bardziej zasadnym wydaje się używanie terminu „szybkie prototypowanie”, czy też ang. „rapid prototyping”, niż ograniczanie się jedynie do zwrotu „druk 3D”, jak ma to miejsce niestety na okładce tego e-wydania. Obejmuje ono bowiem jedynie niewielki wycinek wszystkich dostępnych technologii budowania prototypów. Podejmując wątek związany z „RP” (po z górą dwuletniej przerwie), od tego właśnie chciałem rozpocząć cykl artykułów mających na celu przybliżyć Państwu dorobek i nowości, z jakimi mamy do czynienia w tej dziedzinie. A także – zastanowić się, na ile uzasadnione w naszej sytuacji byłoby nabycie własnego urządzenia do szybkiego prototypowania. Bo o tym, iż warto korzystać z usług firm lub instytucji (np. uczelni technicznych) posiadających takie maszyny, „drukarki 3D”, również będę się starał Państwa przekonać. I nie dlatego, że „ktoś mi za to płaci”. Zatem...

Dlaczego?
Duża konferencja. Ponad pięć tysięcy zaproszonych użytkowników systemów CAD. Wielka hala pawilonu wystawców, a pośród prezentowanych technologii, urządzeń, oprogramowania, kilka – jak zawsze w takich okolicznościach – stoisk przedstawicieli firm produkujących maszyny do szybkiego prototypowania. Jak wspomniałem, tematykę tą podejmowałem dwa lata temu i ciekaw byłem, co też w tej dziedzinie dokonało się nowego. Pierwszy wniosek, który nasuwa się niemalże od razu, to – miniaturyzacja. Miniaturyzacja rozumiana w znaczeniu dążenia do uczynienia urządzeń jak najbardziej kompaktowymi.

Jeszcze do niedawna „mała drukarka 3D” miała gabaryty porównywalne ze sporej wielkości szafą, ewentualnie – z dużym zestawem kserograficznym. W chwili obecnej w ofercie prawie każdego producenta można znaleźć urządzenie, które nawet jeśli nie zmieści się na biurku (a są już takie), to spokojnie będzie się nadawało do ustawienia w kącie biurowego pokoju (hmm... w redakcji CADblog.pl byłoby to jednak niemożliwe, gdyż w kącie pokoju stoi rozgrzebany motocykl), a jego praca nie będzie przeszkadzała osobom przebywającym w tym pomieszczeniu. Maszyna będzie pracowała cicho, bezwonnie, nieuciążliwie dla otoczenia. I doszukiwałbym się w tym kierunku zmierzającej ewolucji już istniejących technologii szybkiego prototypowania.

Siadam zatem do stanowiska CAD, do którego bezpośrednio lub poprzez sieć podłączona jest „drukarka 3D”. Oprócz systemu CAD, mam zainstalowane oprogramowanie (najczęściej dostarczone razem z urządzeniem do prototypowania 3D), pozwalające na wygenerowanie na podstawie mojego projektu danych zrozumiałych dla maszyny; danych, które pozwolą na fizyczne uzyskanie tego, co opracowałem w postaci cyfrowej, wirtualnej. I to „fizyczne” nie będzie oznaczało płaskich wydruków dokumentacji technicznej, pokrywających arkusze papieru, ale... model wykonany z tworzywa, nierzadko funkcjonalny, pozwalający na praktyczne sprawdzenie, jak będzie pasował i współpracował np. z już istniejącymi komponentami modernizowanego urządzenia. Jak najłatwiej sprawdzić ergonomię nowego telefonu komórkowego? Uchwytu wiertarki udarowej? Obudowy szlifierki kątowej? Narzędzia chirurgicznego? Biorąc je do własnej ręki. To właśnie możliwe jest dzięki technologiom szybkiego prototypowania. Kończymy cyfrowy projekt, zapisujemy go, wysyłamy dane do maszyny, idziemy na kawę, zebranie, sprawdzamy dokumentację i po kilku godzinach – jeszcze tego samego dnia – mamy w rękach gotowy model fizyczny.

Udany? Doskonale! Nie udany? Nic nie szkodzi, naniesiemy poprawki, kolejny „wydruk” ustawimy w kolejce i po przyjściu do pracy rano znowu będziemy mogli obejrzeć nowy model. Bez konieczności tworzenia kosztownych form. Bez ryzyka uszkodzenia narzędzi obróbczych. A jeśli na przeszkodzie stoją jednak finanse niezbędne do zakupu zarówno maszyny do szybkiego prototypowania, jak i materiałów eksploatacyjnych i obsługi serwisowej (tak, tak – opiekę serwisową nierzadko trzeba sobie dokupić, ale o tym napiszemy więcej niebawem), zawsze można skorzystać z usług wyspecjalizowanych firm.
I w praktyce różnica wobec opisanej powyżej sytuacji sprowadzi się do tego, iż nasz plik wyślemy do zewnętrznej firmy, a gotowy model przywiezie nam kurier…

Prawie jak z bajki...
Cyfrowe dane, wirtualny model, jak za dotknięciem czarodziejskiej różdżki przybierają postać fizyczną. Otwieramy magiczny „kuferek” stojący na biurku i wyciągamy z niego to, co przed chwilą istniało jedynie w postaci zlepku bitów i bajtów komputerowej informacji.

Wiele osób, mimo faktu, iż systemy „rapid prototyping” obecne są już od ponad 10 lat (chociażby za sprawą stereolitografii, opisywanej niegdyś na łamach miesięcznika CADCAM Forum – wydania nr 5 i 11/99) na naszym rynku, traktuje je podejrzliwie, jak jakąś „niepewną” nowość. Po co to? Na co? Do czego może się przydać? I dlaczego takie drogie? Odpowiedzieć na to ostatnie pytanie będzie łatwo po uzyskaniu odpowiedzi na wcześniejsze. My nasz cykl zaczniemy jednak od odpowiedzi na pytanie...

Jak to działa?
Współczesne metody szybkiego prototypowania w przeważającej większości zaliczane są do technologii przyrostowych (addytywnych). Oznacza to, iż fizyczny model budowany jest od podstaw, etap po etapie, warstwa po warstwie nakładanego w określony sposób materiału. Oczywiście, prototyp możemy uzyskać np. poprzez zamodelowanie jego kształtu chociażby w glinie, stosując tutaj nie tylko metodę przyrostową (dodawanie gliny), ale i ubytkową (jej usunięcie z wybranych miejsc), czy też wykonując na tej podstawie formę – chociażby z piasku – i wykonując odlew – nawet z metalu. Możemy także wyfrezować nasz prototyp korzystając z centrum obróbczego sterowanego numerycznie. Ale żadna z powyższych metod nie pozwoli nam na wykonanie – w jednym przebiegu technologicznym – kompletnego, działającego mechanizmu, składającego się np. z obudowy, przekładni zębatej, przekładni łańcuchowej umieszczonej pod dodatkową obudową. Modelu, w którym każde ogniwo łańcucha będzie się ruszało, wykonane z precyzją determinowaną jedynie... grubością warstw nakładanego materiału.

Systematyka
Metody szybkiego prototypowania możemy podzielić na wiele rodzajów, jako kryterium przyjmując np. zastosowanie uzyskanego modelu, sposób jego budowy, rodzaj i stan skupienia materiałów użytych do jego budowy, czy też dokładność wykonania. Kryterium zastosowania modelu możemy przyjąć jako jedno z podstawowych, od niego bowiem będzie zależeć technologia, jaką zdecydujemy się wykorzystać do jego budowy.

I tak modele możemy podzielić na:
• zapewniające jedynie wstępną weryfikację, czyli odzwierciedlające kształt, formę modelu jedynie w sposób przybliżony, mniej precyzyjny;
• funkcjonalne, czyli posiadające niektóre parametry zbliżone lub nawet identyczne z parametrami właściwego wyrobu. Pozwalają one na dokładną prezentację gotowego przyszłego wyrobu, mogą posłużyć chociażby do oceny zainteresowania produktem;
• będące w zasadzie gotowymi elementami. Są to modele wykonane technologiami RP już jako seria próbna,
o wszystkich parametrach właściwego wyrobu. Możemy na nich przeprowadzić badania własności fizycznych, przeanalizować możliwość wprowadzenia zmian w już wytwarzanych produktach etc.

Gdy znamy zastosowanie naszego modelu, łatwo możemy określić, z jakiego materiału powinien zostać wykonany i chociażby na tej podstawie możemy dokonać wyboru technologii. A jest w czym wybierać...

Stereolitografia (SLA)
Metoda ta (czy też – technologia) polega na punktowym utwardzaniu ciekłego materiału (żywicy epoksydowej lub akrylowej) przy użyciu wiązki laserowej małej mocy. Naświetlona promieniowaniem ultrafioletowym żywica foto-utwardzalna ulega polimeryzacji – utwardzeniu. Po nałożeniu i utwardzeniu jednej warstwy (patrz ramka), proces jest powtarzany dla kolejnej i tak aż do wyprodukowania całego modelu. Jeżeli stopień skomplikowania konstrukcji tego wymaga, budowane są także specjalne podpory podtrzymujące elementy konstrukcji. Podpory są generowane automatycznie, przez program sterujący procesem prototypowania, podczas konwersji pliku zawierającego geometrię z systemu CAD. Po wyjęciu z maszyny gotowego modelu, w przypadku stereolitografii zmuszeni jesteśmy do mechanicznego, ręcznego usunięcia owych podpór. Warto zwrócić uwagę na fakt, iż budowa modelu wiąże się z zużyciem materiału nie tylko potrzebnego na zbudowanie jego bryły, ale także – na wspomniane podpory. W innych technologiach spotkamy się także z użyciem dwóch rodzajów materiału – właściwego, służącego do budowy modelu, i podporowego, o odmiennych właściwościach fizyko-chemicznych.

3D printing, czyli skąd wzięło się  pojęcie „druku 3D”
„3D printing”, czyli jak można by to określić: drukowanie przestrzenne – jest kolejną technologią szybkiego prototypowania. Opracowana została pod koniec lat osiemdziesiątych w Massachusetts Institute of Technology (Cambridge), znanym szerzej jako „MIT”. W zasadzie jest to, obok stereolitografii, jedna z pierwszych (najstarszych) metod szybkiego prototypowania; to w pewnym stopniu tłumaczy popularność określenia „druk 3D” w stosunku do ogółu technik RP.

W technologii tej, budowa modelu polega na rozprowadzeniu warstwy proszku na platformie maszyny i sklejeniu cząsteczek odpowiednim spoiwem w miejscu odpowiadającym kształtowi przekroju poprzecznego drukowanego w ten sposób elementu. Grubości kolejno nakładanych warstw wahają się w granicach 0,01 – 0,2 mm, w zależności od stopnia dokładności odwzorowania i skomplikowania drukowanego detalu. W tej technologii można posłużyć się w zasadzie każdym materiałem, który uda się sproszkować, a następnie spoić. W praktyce największą trudność stanowi właśnie spojenie proszku. Najczęściej stosowanym tworzywem są różne wariacje gipsu – przemawia za tym łatwość spojenia, niski koszt i dostępność. Stosowanym spoiwem jest w tym wypadku woda.

Piszący te słowa zdecydował się kiedyś na przeprowadzenie małego eksperymentu. Wykorzystując „złom” drukarki atramentowej HP (monochromatycznej), jej głowice drukujące i mechanizm przesuwu zarówno głowicy, jak i kartki papieru (z tym, że zamiast kartki za pomocą dźwigni i rolek przesuwana była taca z gipsem), spróbowałem – zastępując tusz wodą – dokonać wydruku prostego kształtu. Można powiedzieć, iż w zasadzie eksperyment zakończył się powodzeniem, chociaż przeprowadzony został bynajmniej nie pod kontrolą aplikacji CAD, tylko... wektorowego Corela; obiektem druku był sześcian, a każda z warstw drukowana była w osobnym przebiegu (nie rozwiązałem sposobu automatycznego nakładania kolejnej warstwy gipsu); piszę o tym, bo może zachęci to kogoś do eksperymentów we własnym zakresie.

Wracając jednak do materiałów stosowanych w profesjonalnych systemach druku 3D (tym razem bez cudzysłowu), oprócz gipsu, stosuje się także wosk, celulozę, dekstran i ich mieszanki. Wyroby wykonane z tych materiałów charakteryzują się małą wytrzymałością. Stąd ich zastosowanie ogranicza się raczej do budowy modeli i pokazowych prototypów. Możliwe jest jednak wykorzystanie – w zbliżonej technologii – materiałów metalicznych, ceramicznych. Konieczne jest wtedy zastosowanie odpowiednich spoiw – koloidów.

Fused Deposition Modelling (FDM)
Znane w skrócie jako FDM, polega na budowaniu modelu poprzez nakładanie kolejnych warstw półpłynnego, termoplastycznego materiału, podawanego przez termiczne głowice wyposażone w wymienne dysze. Gdy konieczne jest wykonanie elementu podporowego, w kolejnej warstwie oprócz właściwego materiału dokładany jest także materiał podporowy (z ang. support). Charakterystyczne dla tej technologii jest to, iż oba rodzaje materiału dostępne są w postaci włókien nawiniętych na bębny umieszczane z tyłu maszyny (fot.). Włókna są odwijane i podawane do głowicy, w niej podgrzewane do stanu półpłynnego i nanoszone w postaci warstwy, która szybko stygnie i twardnieje, tworząc podstawę dla kolejnych warstw. Głowice drukujące poruszają się w osiach X-Y, natomiast podstawa (stolik), na której budowany jest model, porusza się w osi Z – opuszcza po nałożeniu każdej warstwy. Jak łatwo się domyśleć, opuszcza o wartość odpowiadającą grubości nałożonej warstwy.

FDM zostało opatentowane przez firmę Stratasys, obecną na naszym rynku już od kilku lat. W maszynach do FDM możemy zastosować różne rodzaje materiału, w tym także odpowiadające właściwościami tworzywom stosowanym na co dzień w przemyśle (np. ABS-M30, który jest o ponad 67% trwalszy niż standardowy ABS!). Świadczy to o możliwościach zastosowania modeli/prototypów uzyskanych w tej technologii także w charakterze serii próbnej, lub jako pełnowartościowych produktów małoseryjnych (nawiasem mówiąc, maszyny serii FDM 900mc w pewnym stopniu... „same się produkują”, tzn. wytwarzają komponenty do budowy kolejnych egzemplarzy! Prawie... perwersja!).

(...)
 

Pełna treść artykułu wraz z ilustracjami w numerze (plik pdf) do pobrania z Archiwum

Źródła:
A. Grochowiak: „Rapid prototyping i rapid tooling”, CADCAM Forum, wydania: maj, czerwiec i lipiec 2000
M. Bubicz: „Raport: szybkie prototypowanie. Przegląd dostępnych rozwiązań...”, Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie, wyd. 4(07) kwiecień 2008
M. Bubicz: „Cyfrowe czy jednak fizyczne”, Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie, wyd. 1(01) październik 2007

http://www.mit.edu/

http://home.utah.edu/~asn8200/rapid.html

www.bibusmenos.pl

www.prosolutions.com

www.z-corp.com

Blog monitorowany przez: