brza izradba proizvoda-rapid manufacturing

FSB, Proizvodno strojarstvo, OSIP

BRZA IZRADBA NOVOG PROIZVODA

BRZI RAZVOJ I BRZA IZRADBA NOVOG PROIZVODA


SADRŽAJ IZLAGANJA:

� Što je RM i što obuhvaća ?

• RP i RT

� Osnovne značajke, mogućnosti, uvjeti i učinci primjene

� RP i RT tehnike

� Broj instaliranih RP sustava i zastupljenost RP tehnika

� Trendovi razvitka

� Zaključak

Brzi razvoj i brza izradba novog proizvodaBrza izradba novog proizvoda


� Širok pojam koji uključuje primjenu tehnika brze izradbe prototipa(Rapid Prototyping - RP), brzu izradbu alata (Rapid Tooling-RT) i/iliizravnu primjenu “sloj-po-sloj” (Layered Manufacturing LM) izradbe u cilju što bržeg dobivanja gotovog proizvoda.

� Brzi razvoj proizvoda (Rapid Product Development RPD) ima puni smisao ako je dio brze izradbe proizvoda (Rapid Manufacturing-RM) -brzi razvoj i brza izradba proizvoda trebaju biti integrirani.

� RP se u pravilu provodi prije nego se pristupi oblikovanju i izradbi posebnih alata, kalupa, stega i sl.

Brzi razvoj i brza izradba novog proizvodaBrza izradba novog proizvoda

Brza izradba novog proizvoda - Rapid Manufacturing (RM)


Brza izradba novog proizvodaBrza izradba prototipa

Što je brza izradba prototipa (Rapid Prototyping) ?Pod brzom izradbom prototipa podrazumijeva se niz postupaka koji omogućuju brzu izradbu prototipa, neposredno, na temelju 3D računalskih modela.

• U počecima (prije 10-15 godina) RP modeli su se uglavnom koristili za vizualnu provjeru estetskih učinaka dizajna i donekle za optimizaciju konstrukcije.

• Danas se modeli dobiveni RP-om mogu koristiti za funkcijsko testiranje proizvoda, procjenu tehnološke prihvatljivosti konstruiranja, provjeru dimenzija, uvježbavanja sklapanja (montaže), pa i za redovitu uporabu (male serije).

• Na raspolaganju je veliki broj različitih postupaka brze izradbe prototipa.

• Većina RP postupaka koristi metodlogiju gradnje modela od niza horizontalnih slojeva, primjenjujući proces “dodavanja” materijala.

• Očekuje se stalan porast broja proizvoda čiji će modeli, i sami proizvodi, dobiveni nekom od tehnika RP zahtijevati vrlo malo naknadne obradbe.


RP – osnovna ideja

� Dizajn

� Nacrti

� Detaljiranje i radionički nacrti

� Projektiranje i izradba alata

� Projektiranje i izradba naprava

� Prototipna radionica (oprema i kadar)

� 3D prototip



Santa Clara University, 2001-2002

Rapid Prototyping ≠ Prototyping Rapidly

� RP nije uvijek brz

• “Rapid” više vrijedi za ukupni ciklus dizajna, nego brzinu samu za sebe

• Neki funkcijski korisni dijelovi mogu zahtjevati značajne naknadne obradbe

• RP uklanja potrebu dizajna za prototip, a podržava dizajn za proizvodnju, dizajn za pouzdanost, dizajn za održavanje, itd.

� RP nije ograničen samo na izradbu prototipa

• Kod nekih obradaka, serije se kreću do nekoliko stotina, nekoliko tisuća, a u posljednje vrijeme i nekoliko desetaka tisuća komada u seriji

• U određenim situacijama proizvodnja u slojevima je jedini način izradbe dijela, što RP čini i načinom izradbe dijelova i načinom izradbe prototipova



Prednosti brze izradbe prototipa ?

� Primjenom postupaka brze izradbe prototipa smanjuju se potrebe za HW (u širem smislu) u ciklusu razvoja proizvoda.

� U velikoj mjeri doprinosi proizvodnoj "filozofiji" sažetoj u maksimi proizvoditi brže, kvalitetnije i jeftinije.

• RM, kroz RP i RT omogućuje skraćenje vremena izlaska proizvoda na tržište i veću konkurentnost - vrijeme od ideje do prototipa skraćuje se za nekoliko puta.

• Analizom prototipa mogu se utvrditi potrebne korekcije u konstrukcijiprije početka same proizvodnje, što omogućuje značajne uštede.

� Punu učinkovitost RM daje samo uz integraciju tehnologije, organizacije i

informatike, a to podrazumijeva primjenu računala i odgovarajućih CAx

aplikacija u svim fazama razvoja proizvoda i proizvodnje.




Modeliranje Generiranje STL datoteke

Provjera STL-a

Orjentacija

Gen. suporta

Slojevi

RP- stroj

Izrada

Naknadna obrada

CAD sustav

RP uređaj

Završna faza

IDEJA

PROTOTIP

Metodologija rada RP tehnikama


NEKI POSTUPCI RP-a

Stereolitography (SL)Selective Laser Sintering (SLS)Laminated Object Manufacturing (LOM)3-D PrintingFused Deposition Modeling (FDM)Light Engineered Net Shaping (LENS)Solid Base CuringPaper Lamination Technology (PLT)

Brza izradba novog proizvoda

Brza izradba prototipa



1985 - 19973DP3D Printing (Drop on Bed)

1987 - 1992SLSSelective Laser Sintering

1988 - 1991FDMFused Deposition Modelling

1985 - 1991LOMLaminated Object Manufacturing

1986 – 19881999†

SGCSolid Ground Curing († = godina "nestanka")

1986 - 1988SLAStereolithography

NastanakSkraćenicaNaziv



Primjena RP

� Vizualizacija dizajna (estetski, stroj., arhit., medic., ...)

� Provjera oblika (DFA, DFM, DFS, ...)

� Funkcijski prototipovi (funkcionalno primjenjive komponente ili cijeli proizvodi)

� Izradba alata (izradba dijelova ili cijelih alata za lijevanje, injekcijsko prešanje i sl. – Rapid Tooling)

� Proizvodnja



Vizualizacija dizajna



Provjera oblika i sklapanja



Funkcionalni prototipovi



izradba alata i dijelova alata




O nekim postupcima RP-a



Rapid Prototyping - Stereolithography -Povijest: Stereolitografija je prva tehnologija brze izrade prototipova, a razvio ju je Chuck Hull 1984. godine.

Proces:3D model se "sječe" u slojeve male debljine (rade se presjeci 3D modela s vrlo malim razmacima). Na temelju podataka iz svakog sloja radi se suport (potpornji) i postavlja na platformu koja se nalazi u kadi s fotoosjetljivim polimerom na dubini 1 sloja ispod površine polimera. UV izvor male snage i dobro fokusiran se giba iznad površine polimera i izaziva skrućivanje. Platforma se spušta i postupak se ponavlja sa slijedećim slojem i tako do završetka objekta.

Stereolitografija



254/254/254 (SLA-250) ... 508/508/600 (SLA-7000)Radni prostor

Ovisno o stroju 635 mm/s (SLA - 250/50HR) ... 9520 mm/s (SLA -7000, large spot)

Vrijeme

215 000 .. 570 000 €Cijena

± 0,05 mmTočnost

Epoksi, AkriliMaterijali

-samo epoksi i akrilni materijali (ograničena primjena), potrebni su suporti - poteškoće pri procjeni distorzija, - potrebno je naknadno izlaganje u UV pećima

Nedostaci

- dovoljna točnost i kvaliteta obrade, visoka rezolucija, nema geom. ograničenja - mogućnost rada bez nadzor (3. i 4. smjena),

Prednosti

- marketinški prototipovi, funkcionalni prototipevi, uzorci za vakuum lijevanje - uzorci za druge tipove lijevanja i "sprejanja“,

Područje primjene

Suporti (potpornji) se moraju slomiti i odstraniti, a objekt je potrebno u UV peći dovesti do potpunog skrućivanja.

Naknada obrada

Stereolitografija



Stereolitografija



SLA model mozga

Stereolitografija



a) CAD model b) triangulacija

c) gradnja suporta d) presjeci modela i suportai formiranje slojeva

Stereolitografija



Rapid Prototyping - Laminated Object Manufacturing -History: Prvi LOM stroj prodan je 1992 od strane firme Helysis.

Proces:Materijal od kojeg se formira objekt je u obliku role skoje se dovodi na platformu, tu se izrezuje te se pomoću vrućeg valjka lijepi z aprethodne slojeve. Izrezivanje konture svakog sloja se vrši laserom. Višak materijala se razrezuje kako bi se kasnije lakše odstranio. Proces izerzivanja konture i "Ljepljenj" se ponavlja za potreban broj slojeva. Snaga lasera: 25 W (LOM 1015 plus) and 50 W (LOM 2030)

Izrada proizvoda lamininacijom (Laminated Object Manufacturing)



254/380/355 (LOM 1015 plus) ... 559/812/508 (LOM 2030 H)Radni prostor

4-8 mm/hVrijeme

120 000 € - 235 000 €Cijena

± 0,15 mmTočnost

papir, metalne folije folije, keramičke folijeMaterijali

- ne mogu se dobiti tanke stjenke u smjeru osi Z - ne mogu se izvoditi šuplji objekti kao flaše (ne može se odstraniti višak)

Nedostaci

- moguće su obrade glodanjem i bušenjem (kao u drvetu), vrlo dobra i prihvaćena tehnologija za modelare - jeftin stroj, nema unutarnjih naprezanja (laser reže samo konturu), - pogodna za velike objekte

Prednosti

- lijevanje u pijesku; vakuum lijevanje- konceptualni dizajn

Područje primjene

- odstranjivanje viška, brušenje,- poliranje

Naknada obrada




Princip LOM procesa

LaserOptička glava(giba se)

Zrcalo

Zagrijani valjak

Folija

Platforma




Lom stroj u radu Uklanjanje viška materijala




Rapid Prototyping - Selective Laser Sintering -

Povijest: Selective Laser Sintering, razvila je firma DTM-Corporation 1987. godine. Laser Sintering poliamida razvila je njemačka firma EOS-Company 1991.

godine. (History: Developed in 1993 by Boston Masachusetts Institute of Technology, USA.)

Proces:Danas se primjenjuju tri tipa strojeva za laserko sinteriranje:

• EOSINT P – za termoplastični prah• EOSINT M – za metalni prah • EOSINT S – za Zr i Si prah

3D objekt se reže u slojeve debljie ≈ 0.1 mm. Prah se polaže i preša u komori, a pomoću lasera upravljanog CNC programom se definira granica, zagrijava prah na više od 900° C (što je temperatura sinteriranja), uslijed čega dolazi do povezivanja čestica praha. Nesinterirani prah služi kao suport (potpornji). Platforma na kojoj se sve dovija se postepeno spušta (za debljinu sloja) dok se ne završi cijeli proces.



Ø305/380 (Sinterstation 2000) ... 380/720/400 (EOSINT S 700)Radni prostor

2-15 mm/hVrijeme

> 310 000 €Cijena

± 0,125mmTočnost

termoplasti, metali, pijesak (sve u formi praha)Materijali

- može doći do "viška" sinteriranja (i ono što ne želimo), u komoru se mora stalno dovoditi dušik, moraju se odvoditi otrovni plinovi nastali pri procesu spajanja, kod određenih oblika se dobije značajna hrapavost

Nedostaci

- mogućnost primjene brojnih materijala, nema naknadnog grijanaj - nema potrebe za zasebnim suportima, nesinteriran prah može se ponovo koristiti

Prednosti

- visualni prototipovi, funkcionalni prototipvi, kalupi za lijevanje - EDM elektrode, alati za injekcijsko prešanje, tvrdi alati

Područje primjene

Temp. u komori se treba smanjiti prije odvajanja sint. i nesint. praha (ako se to radi prije, uslijed unutarnjih naprezanja može doći do deformacija objekta). Poroznost površina koja se može smanjiti - bojenjem i/ili voskom

Naknada obrada

Selective Laser Sintering



Selective Laser Sintering

Princip SLS procesa



Fused Deposition Modeling

MotorFDM glava

Dio

Suport Stol

Prijelaz u tekuće stanje

Namot žice

Mlaznica



• Obrada odvajanjem je najčešći prvi izbor kod maloserijske proizvodnje

• Redovito se primjenjuje na CNC strojevima




Usporedba CNC obrade i RP

CNC obrada

• Visoka dimenzijska točnost

• Visoka kvaliteta obrađene površine

• Kompaktnost osnovnog materijala

• Mala naknadna obrada

RP

• Pristup svim točkama modela

• Nema složenog i zahtjevnog planiranja procesa (CAPP je u velikoj mjeri integriran i automatiziran)

• Nema potrebe za napravama (ponekad ...)

• Nema ili minimalna zamjena alata



Fraunhofer Institut, 30-02-2002

Stanje i zahtjevi tržišta

• Smanjenje vremena razvoja poticano stalnim inovacijama i tržišnom borbom

• Veća složenost proizvoda

• Potreba za stvarnim modelima (unatoč velikih mogućnosti “prividne stvarnosti” – Virtulal Reality)

• Konvencionalna izradba modela je vremenski zahtjevna i često iziskuje veliki udio ručnog rada (vještine)

Rješenja

• Razvoj tehnika za generativnu izradbu prototipa, izravno iz CAD modela

• Mobilizacija mogućih ušteda u vremenu i cijeni




Brza izradba alata - Rapid Tooling – RT

� Iste karakteristike kao i RP

• Generativna izradba, sloj-po-sloj (Layered Manufacturing), izravno iz CAD modela

• Najčešće nisu potrebni nikakvi kalupi ili alati

• Postizanje značajnih ekonomskih učinaka pri izradbi dijelova složene geometrije u malim serijama ili pojedinačno

� Izradba kalupa i alata po principu sloj-po-sloj (Layered Manufacturing)

� Oblikovanje kalupa na temelju modela

Brza izradba novog proizvodaBrza izradba alata



Osnovni faktori koji utječu na vrijeme izlaska na tržište

“Time to Market”

Vrijeme razvoja proizvoda

� Uvjeti u fazi razvoja proizvoda

• Nedorečeni ili brzo promjenjivi zahtjevi korisnika

• Zahtjevi vezani uz okoliš

• Kraći životni vijek proizvoda

• Niže cijene i stalni pritisak na troškove

• Zakonska ograničenja

� Često se i 25% vremena razvoja proizvoda utroši na izradbu prototipova i modela

� Kašnjenje u tržišnoj zrelosti (market maturity) dovodi do neproporcionalno manjeg profita u usporedbi s troškovnim faktorima




Faza projekta

Ideja Plan Koncepcija Razvoj Raz./proiz. Početak

pomagala proizvodnje

100 %

75 %

50 %

25 %

0 %

Definirani trošak

Ostvareni trošak

Većina troškova definirana je već u ranim fazama razvoja proizvoda.

Zaključak:

Modeli i prototipovi moraju biti dostupni u što kraćem vremenu kako bi se na vrijeme mogla potvrditi uspješnost proizvoda.





Broj instaliranih RP i RT sustava u svijetu




Source: Wohlers Associates Inc., 2001

Broj instalacija pojedinih RP tehnika

Ukupno: 6655

≈ 90%≈ 32%

≈ 18%

≈ 10% ≈ 10%



7% 7%

10%

9%

23%

25%

10%9%

Sveuč.

Vojska

Medicina

Zrakopl.

Motor. v.

Šir.pot.

Posl.uređ.

Ostalo





Porast prihoda od prodaje RP opreme i usluga

106

US

D

proizvodiusluge



Trendovi � Sustavna poboljšanja

Točnost, materijali, mehanička svojstva, brzina rada, rukovanje, ...� Smanjenje nabavne cijene i troškova rada

Brza izradba dijelova

• Primjena RT tehnika za izradbu krajnjih proizvoda

• Proizvodnja u malim serijama

• Utvrđivanje granice isplativosti u odnosu na konvencionalne metode

Brza izradba alata

• Produljenje životnog vijeka alata

• Kompatibilnost sa alatima u serijskoj proizvodnji

• Conformal hlađenje

• Postepena gradnja alata uz promjenjiva svojstva




Zaključak

� Zajedno, integrirano, s RPD skraćuje vrijeme izlaska na tržište (Time to Market) i povećava konkurentnost.

� Omogućuju značajne vremenske i financijske uštede.

� Kreiranje dijelova generativno, sloj-po-sloj.

� Izradba prototipova i alata.

� Izbor tehnika obzirom na tražena svojstva, materijal, veličinu serije, ...

� Podrazumijeva primjenu računala i odgovarajućih CAx aplikacija u svim fazama razvoja proizvoda i proizvodnje.

� Punu učinkovitost RM daje uz integraciju tehnologije, organizacije i informatike.

� Daljnji razvoj teži optimizaciji rukovanja, sve većoj sličnosti serijskim proizvodima, izradbi krajnjih proizvoda.

� Nema složenog i zahtjevnog planiranja procesa (CAPP je u velikoj mjeri integriran i automatiziran).




Hvala na pažnji !


Fraunhofer Institut, 30-02-2002Brza izradba novog proizvodaBrza izradba prototipa


Kategorije (skupine) postupaka brze izradbe prototipa

� Ultraljubičasto skrućivanje� Stereolitogrfija (SLA)� Solid Ground Curing (SGC)

� Spajanje slojeva� Laminated Object Manufacturing (LOM)� JP – System

� Polaganje materijala� Multi-Jet Modeling (MJM)� Fused Deposition Modeling (FDM)� Model Maker (MM)

� Spajanje praškastih materijala� 3D Printing (3DP)� Selective Laser Sintering (SLS)� Laser Engineered Net Shaping (LENS)



0 10 100 103 104 105

Veličina serije

Svo

jstv

a d

ijela

SLS

SL

FDM

MCP

Vakuum

PU-GFK

SLS (CuNi)

SL

SLS (čelik)

Al-kalup

Keltool TM

Čelični alati

Ne-

seri

jska

kao

ser

ijska

Svojstva dijela

• Kvaliteta površine

• Točnost oblika i dimenzija

• Mehanička svojstva

• Ostala svojstva

Svojstva i preporučeni brojevi komada za različite RP/RT tehnike



Rapid Prototyping - Stereolithography -

Povijest: Stereolitografija je prva tehnologija brze izrade prototipova, a razvioju je Chuck Hull 1984. godine.

Proces:3D model se "sječe" u slojeve male debljine (rade se presjeci 3D modela s vrlo malim razmacima). Na temelju podataka iz svakog sloja radi se suport (potpornji) i postavljaju na platformu, koja se nalazi u tanku s fotoosjetljivim polimerom na dubini 1 sloja ispod površine polimera. UV izvor male snage i dobro fokusiran se giba iznad površine polimera i izaziva skrućivanje. Platforma se spušta i postupak se ponavlja sa slijedećim slojem i tako do završetka objekta.



Naknada obradaSuporti (potpornji) se moraju slomiti i odstraniti, a objekt je potrebno u UV peći dovesti do potpunog skrućivanja.

Područje primjene- marketinški prototipovi, funkcionalni prototipevi, uzorci za vakuum lijevanje - uzorci za druge tipove lijevanja i "sprejanja“,

Prednosti- dovoljna točnost i kvaliteta obrade, visoka rezolucija, nema geometrijskih ograničenja - mogućnost rada bez nadzor (3. i 4. smjena),

Nedostaci- samo epoksi i akrilni materijali (ograničena primjena), potrebni su suporti (potpornji) - poteškoće pri procjeni distorzija, - potrebno je naknadno izlaganje u UV pećima

Materijali Epoksi, Akrili

Točnost ± 0,05 mm

Cijena 215 000 .. 570 000 €

VrijemeOvisno o stroju 635 mm/s (SLA - 250/50HR) ... 9520 mm/s (SLA -7000, large spot)

Radni prostor 254/254/254 (SLA-250) ... 508/508/600 (SLA-7000)

Izvor: Internet



Rapid Prototyping - Laminated Object Manufacturing -History: Prvi LOM stroj prodan je 1992 od strane firme Helysis.

Proces:Materijal od kojeg se formira objekt je u obliku role skoje se dovodi na platformu, tu se izrezuje te se pomoću vrućeg valjka lijepi z aprethodne slojeve. Izrezivanje konture svakog sloja se vrši laserom. Višak materijala se razrezuje kako bi se kasnije lakše odstranio. Proces izerzivanja konture i "Ljepljenj" se ponavlja za potreban broj slojeva. Snaga lasera: 25 W (LOM 1015 plus) and 50 W (LOM 2030)



Naknada obrada- odstranjivanje viška, brušenje,- poliranje

Područje primjene

- lijevanje u pijesku; vakuum lijevanje- konceptualni dizajn

Prednosti- moguće su obrade glodanjem i bušenjem (kao u drvetu), vrlo dobra i prihvaćena tehnologija za modelare, jeftin stroj, nema unutarnjih naprezanja (laser reže samo konturu), pogodna za velike objekte

Nedostaci- ne mogu se dobiti tanke stjenke u smjeru osi Z - ne mogu se izvoditi šuplji objekti kao flaše (ne može se odstraniti višak)

Materijal papir, metalne folije folije, keramičke folije

Točnost ± 0,15 mm

Cijena 120 000 € - 235 000 €

Vrijeme 4-8 mm/h

Radni prostor 254/380/355 (LOM 1015 plus) ... 559/812/508 (LOM 2030 H)

Izvor: Internet



Rapid Prototyping - Selective Laser Sintering -

Povijest: Selective Laser Sintering, razvila je firma DTM-Corporation 1987. godine. Laser Sintering poliamida razvila je njemačka firma EOS-Company 1991. godine.

(History: Developed in 1993 by Boston Masachusetts Institute of Technology, USA.)

Proces:Danas se primjenjuje tri tipa strojeva za laserko sinteriranje:

• EOSINT P – za termoplastični prah• EOSINT M – za metalni prah • EOSINT S – za Zr i Si prah

3D objekt se reže u slojeve debljie ≈ 0.1 mm. Prah se polaže i preša u komori, a pomoću lasera i CNC programa se definira granica, zagrijava prah na više od 900° C (temperatura sinteriranja), uslijed čega dolazi do povezivanja čestica praha. Nesinterirani prah služi kao suport. Platforma na kojoj se sve dovija se postepeno spušta (za debljinu sloja) dok se ne završi cijeli proces.



Naknada obradaTemp. u komori se treba smanjiti prije odvajanja sint. i nesint. praha (ako se to radi prije, uslijed unutarnjih naprezanja može doći do deformacija objekta). Poroznost površina koja se može smanjiti bojenjem i/ili voskom

Područje primjene

- visualni prototipovi, funkcionalni prototipvi, kalupi za lijevanje - EDM elektrode, alati za injekcijsko prešanje, tvrdi alati

Prednosti- mogućnost primjene brojnih materijala, nema naknadnog grijanaj - nema potrebe za zasebnim suportima, nesinterirani prah se može ponovo koristiti

Nedostacimože doći do "viška" sinteriranja (i ono što ne želimo), u komoru se mora stalnodovoditi dušik, moraju se odvoditi otrovni plinovi nastali pri procesu spajanja, kod određenih oblika se dobije značajna hrapavost

Materijal termoplasti, metali, piesak (sve u formi prha)

Točnost ± 0,13mm

Cijena > 310 000 €

Vrijeme 2-15 mm/h

Radni prostor Ø305/380 (Sinterstation 2000) ... 380/720/400 (EOSINT S 700)


brza izradba proizvoda-rapid manufacturing

Documents