laboratorium szybkiego prototypowania - strona główna · schemat budowy urządzenia sla pokazano...
TRANSCRIPT
Laboratorium Szybkiego Prototypowania
Instrukcja 1
Metody Szybkiego Prototypowania Stereolitografia
Gdańsk
Wersja elektroniczna dostępna na stronie internetowej KTMiAP w zakładce Szybkie Prototypowanie
http://ktmiap.mech.pg.gda.pl/Content,showpage,27,1,Dla,Studentow
2
1. Wstęp
1.1 Czynniki konkurencyjności w rozwoju produktu
Za najważniejsze czynniki rozwoju współczesnych przedsiębiorstw uważa się innowacyjne
technologie. W długich horyzontach czasowych innowacyjne strategie produkcji i organizacji
przynoszą więcej niż 68% efektywnej dostępności do rynku [1]. Oznacza to doskonałą
koniunkturę przedsiębiorstwa i dalszy rozwój innowacyjnych technologii i produktów. Wg w/w
źródła innowacyjne technologie kreują najważniejsze wskaźniki konkurencyjnej produkcji a
mianowicie;
Redukcję kosztów do 70%
Poprawę jakości do 25%
Wzrost elastyczności produkcji do 89,5%
Innowacyjność produktu do 100%
Innowacyjność technologii do 70,6%
Poszerzenie produktywności i palety produktów do 64,7%
Poprawę wpływu zewnętrznych wskaźników gospodarczych do 44,4%
Przenikanie na rynku międzynarodowym do 58,8%
Z kolei, spośród najważniejszych faz wdrażania innowacyjnych procesów za najważniejsze
należy uznać:
Właściwa ocena pomysłu ( innowacyjnej idei) – 14% powodzenia zamierzeń
Generowanie pomysłów ok. 28% powodzenia
Realizacja projektu innowacyjnego – 36 % zamierzeń,
Aplikacja i wdrożenie rynkowe 34%.
Ogólnie przyjmuje się za innowacyjne takie produkty i procesy, których wiek nie przekracza
dwóch lat. W dużych koncernach jest to ciągły wymagający rozwój własnych produktów i
technologii w oparciu o własne centra badawczo rozwojowe. W małych i średnich
przedsiębiorstwach nie ma środków ani kadry do takich działań. Mogą one polegać tylko na
instytucjach zewnętrznych tj.: Politechniki, Ośrodki Badawczo-Rozwojowe, itp., które z
założenia specjalizują się w działalności naukowo-badawczej w dziedzinach nowych technologii
współpracując z nimi w kierunku wdrażana nowych produktów.
Zagadnienie metodologicznego opisu cyklu życia produktu można sprowadzić do kilku istotnych
aspektów[1]:
Projektowania marketingowego, obejmującego najważniejsze cechy przyszłego
produktu, które będą podstawą badań marketingowych. Definiuje się zatem przy
współudziale klienta cechy funkcjonalne nowego produktu.
Projektowania konstrukcyjnego, obejmującego nadawanie funkcji i postaci
konstrukcyjnej nowego wyrobu.
Projektowania technologicznego, mającego na celu opis realizowanych procesów
technologicznych wraz z niezbędnymi procesami pomocniczymi.
Planowania procesów wytwarzania z uwzględnieniem planowania normatywnego
niezbędnych zasobów oraz terminów realizacji zleceń i zabezpieczenia infrastruktury
produkcyjnej.
3
Powyższe fazy rozwoju produktu nazywane są w nomenklaturze inżynierskiej- technicznym
przygotowaniem produkcji. Charakteryzują się one tym, że w trakcie inżynierskich działań
projektowo planistycznych przetwarzaniu podlegają modele geometryczne oraz informacje i
dane do nich adekwatne. Na tym etapie mamy gotową dokumentację produkcyjną i na jej
podstawie należy podjąć decyzję o sposobie wytwarzania.
1.2 Technologie Rapid Prototyping i Rapid Tooling w rozwoju produktu
We współczesnych realiach gospodarczych za najważniejsze czynniki konkurencyjnego
działania na rynku uważa się cenę produktu, czas jego pojawienia się na rynku oraz jakość jego
wykonania [1]. Nie bez znaczenia są również takie czynniki jak: trendy w modzie, warunki
społeczne oraz zwyczaje. Z uwagi na bardzo zróżnicowane środowiska opiniotwórcze
produktów rynkowych, które stwarza klient, inwestor, dystrybutor, specjalista od serwisu, w
każdym przedsięwzięciu produkcyjnym, zwłaszcza w przygotowaniu nowych produktów należy
brać przede wszystkim opinię użytkownika produktu (klienta). Dlatego należy czynić możliwie
wiele, aby strategiczne decyzje odnośnie wprowadzania nowych produktów na rynek
podejmować przy minimalnym ryzyku inwestycyjnym. Minimalizację tego ryzyka mogą
zapewnić techniki szybkiego wytwarzania prototypów, modeli i narzędzi (RP/RT). Są to techniki
szybkiego wytwarzania fizycznych modeli produktów lub ich części składowych oraz
prototypów funkcjonalnych, technicznych, wizualnych z pominięciem tradycyjnych technologii
mechanicznych. Wykonywane są tylko w oparciu o wirtualną dokumentację 3D.
Pełnowartościowy wyrób o wszelkich walorach użytkowych i estetycznych można wytworzyć
powyższymi metodami i dopiero po zaakceptowaniu przez przyszłego użytkownika można
przystąpić do jego produkcji seryjnej. Współczesne projektowanie wspomagane komputerowo
(techniki CAD/CAE) jest podstawowym zadaniem w ramach technicznego przygotowania
produkcji nowego wyrobu. Projekty te realizowane są przez wąską grupę specjalistów środkami i
narzędziami komputerowymi. Efekty ich pracy w postaci dokumentacji wirtualnej nie są
wystarczająco zrozumiałe dla oceny przez przyszłych użytkowników, bądź osób podejmujących
decyzje, co do przyjęcia prezentowanych koncepcji, a niemających doświadczenia i percepcji do
koniecznej analizy modeli wirtualnych. Osobom decydującym o uruchomianiu produkcji
nowych wyrobów jak i ich użytkownikom i dystrybutorom wykonanie modelu rzeczywistego
technikami RP/RT znacznie ułatwia decyzje.
Projektowanie i techniczny rozwój produktu to proces polegający głównie na koncypowaniu,
modelowaniu i podejmowaniu decyzji, co do kierunków kształtowania rozwiązania. Im
projektant będzie lepiej wyposażony w narzędzia i metody analizy oraz oceny poszczególnych
faz rozwoju produktu, tym trafniejsze będą jego decyzje. Będą one tym istotniejsze im wcześniej
będą mogły być weryfikowane pomysły projektanta. Wiedza projektanta o projektowanym
wyrobie rośnie wraz z etapami jego rozwoju. Jeżeli przyjęte przez projektanta założenia lub
decyzje są podważane w trakcie ich oceny lub co gorsza nietrafione to należy natychmiast
wprowadzić zmiany. Mogą one mieć miejsce w różnych fazach rozwoju produktu, począwszy od
fazy założeń lub koncepcyjnej poprzez fazy projektowania technicznego, aż po fazę wytwarzania
produktu. Im później ma to miejsce tym możliwości i koszty takich zmian są większe.
Najbardziej niewskazane są zmiany wprowadzane w realizacyjnych fazach produkcji. Dostęp
projektanta do metod szybkiego prototypowania minimalizuje duże koszt zmian w końcowych
fazach wytwarzania produktu.
Generalnie modele i prototypy można też wykonywać między innym na potrzeby:
Rozmów z klientami i uzgodnień zmian,
Konstrukcyjne, do oceny poprawności rozwiązania
Montażowe, do analizy i oceny procesu montażu i demontażu np.: przekładni, co jest
bardzo ważne w usługach serwisowych,
4
Badań eksploatacyjnych wyrobu takich jak: sprawność wytrzymałość, przepływy,
testowania geometrii i innych.
Projektowanie tradycyjne obecnie zastępuje inżynieria współbieżna (Concurent Engineering) i
Rapid Engeenering są to techniki umożliwiające skrócenie okresu technicznego przygotowania
produkcji, gdzie czas jest bardzo istotnym czynnikiem w konkurencji na rynku. Przez
zastosowanie CE osiąga się korzyści [1]:
Skraca się czas projektowania produktu w porównaniu z sekwencyjnym cyklem
projektowania. Daje to przedsiębiorstwu czas na reakcję klienta na rynku i możliwość
szybkiego dostosowania się do jego wymagań.
Zmniejszają się koszty produktu co wiąże się głównie z tym, że zespołowa współpraca
specjalistów z różnych dziedzin umożliwia wyeliminowanie w projektowaniu już na
wstępnych etapach.
W przypadku rosnącej konkurencji na rynku koncepcja Rapid Engineering najbardziej skraca ten
okres, ale wytworzenie prototypu jest już konieczne w fazie koncepcji produktu. Możliwe jest to
wyłącznie przy wykorzystaniu różnorodnych technik RP/RT [1].
We wstępnych fazach rozwoju produktu generowane są najistotniejsze składniki kosztów jego
wytwarzania, odnoszące się do funkcji i konstrukcji oraz stosowanych materiałów i technologii.
Najistotniejsze etapy w rozwoju nowego wyrobu kończą się zazwyczaj wytworzeniem jego
prototypu, który jeszcze w fazie opracowania produktu pozwala na pierwszą wizualną,
funkcjonalną, a czasami nawet rynkową ocenę jego cech.
Wykonanie prototypu przy użyciu tradycyjnych metod jest długotrwałe i kosztowne. Tradycyjne
metody wymagają zazwyczaj dużego nakładu pracy ręcznej oraz pracownika o bardzo wysokich
kwalifikacjach zawodowych, co znacznie podnosi koszty, co przedstawiono na rys 1. Ręcznie
wytwarzany model zakłóca jest również cykl obiegu informacji elektronicznych pomiędzy
poziomem projektowania a poziomem właściwej produkcji. W ostatnich latach nastąpił poważny
postęp w rozwoju komputerowo wspomaganych technologii geometrycznego i fizycznego
modelowania, w tym także wytwarzania prototypów metodami tzw. rapid prototyping - RP
(szybkie wytwarzanie prototypów i modeli fizycznych) oraz rapid tooling - RT (szybkie
wytwarzanie narzędzi i oprzyrządowania do produkcji serii informacyjnej lub nawet produkcji
seryjnej).
Rys.1. Porównanie kosztów i czasu
wytworzenia prototypu w różnych
technikach[1]
Zasadniczym celem zastosowań metod rapid prototyping jest modelowanie fizyczne (modele
geometryczne, funkcjonalne, wizualne, montażowe, prototypy techniczne) na podstawie
obiektów komputerowych 3D, głównie w celu oceny funkcji użytkowych i estetyki produktu. W
dalszych fazach rozwojowych oraz podczas wytwarzania małej serii, szczególne zastosowanie
znajduje technika rapid tooling, przeznaczona głównie do budowy form i narzędzi dla
technologii przetwórstwa tworzyw sztucznych, dokładnego odlewania, przeróbki plastycznej
cienkich blach, a także w mechanice precyzyjnej i w medycynie. Typowymi obszarami
zastosowania technik RP/RT są:
studia projektowe (design i stylizacja wizualna) oraz modele ergonomiczne;
badania i ocena rozwiązań konstrukcyjnych na podstawie modeli fizycznych;
5
ocena procesów wytwarzania, a w szczególności montażu;
badania i modelowanie przepływów formowania tworzyw;
badania i ocena marketingowa nowych produktów;
wielofunkcyjne modele stosowane w odlewnictwie i przeróbce plastycznej;
modelowanie i wytwarzanie implantów kostnych w medycynie.
1.3. Zastosowania w przemyśle
Nowoczesne innowacyjne technologie RP/RT (rapid prototyping, rapid tooling) mogą być
efektywnie wykorzystane tylko wraz z zaawansowanymi technikami geometrycznego
modelowania 3D w środowisku systemów CAD. Zastosowanie zintegrowanych modeli
geometrycznych oraz standardowych formatów wymiany danych i technik CAx umożliwia
elektroniczne i kompleksowe modelowanie w zakresie stylistyki (a nawet rzeźby), konstrukcji
oraz tworzenia modeli fizycznych i prototypów technicznych, a nawet próbnych serii wyrobów
rynkowych[1].
Technologie RP/RT są szczególnie przydatne w gałęziach przemysłu wymagającego tworzenia
fizycznych modeli:
Budowie prototypów do celów:
o weryfikacji rozwiązań konstrukcyjnych,
o analizy jednostkach oceny rozwiązań konstrukcyjnych
o badania przepływów
o prowadzenia badań jednostkach tunelach aerodynamicznych
o doboru materiałów konstrukcyjnych
Budowie fizycznych modeli dla:
o poszukiwania koncepcji dla rozwiązań projektowych,
o projektowania budowli jednostkach wzornictwa przemysłowego,
o prezentacji dla zleceniodawcy
o rozwiązywania problemów techniką „case study”
Wytwarzania części jednostkach wyrobów dla:
o produkcji narzędzi jednostkach oprzyrządowania
o produkcji pomocniczych środków produkcji
o rozpoznania marketingowego jednostkach postaci serii próbnej
Projektowaniu jednostkach wytwarzaniu narządzi do:
o planowania procesów wytwarzania jednostkach zwłaszcza montażu,
o projektowania jednostkach wytwarzania narzędzi prototypowych, zwłaszcza dla
przetwórstwa cienkich blach
Projektowania jednostkach wytwarzania wzorców jednostkach modeli dla:
o technologii odlewniczych jednostkach tym odlewania jednostkach formach
piaskowych jednostkach metodą traconego wosku
o metodą formowania próżniowego
o hydro i termomforowania
6
o formowania poprzez napylanie wzorca warstwą metalu
o stosowanie technik jednostkach materiałów epoksydowych.
W jednostkach naukowo-badawczych świadczących usługi dla przemysłu takich jak Politechnika
Gdańska, funkcjonują nowoczesne pracownie komputerowe, wyposażone w bogate
oprogramowanie wspomagające techniki RP/RT, a zwłaszcza techniki geometrycznego
modelowania 3D: w konstruowaniu i projektowaniu technologicznym CAD-FEM/CAP/CAM, w
technicznym przygotowaniu produkcji TPP/PDM, planowaniu i sterowaniu produkcją PPC/SFC,
symulacji procesów produkcyjnych oraz w projektowaniu systemów wytwórczych i planów typu
layout.
2.1 Stereolitografia
Stereolitografia jest jedną z metod szybkiego prototypowania (ang. rapid prototyping). Jest to
technologia wytwarzania trójwymiarowych modeli (prototypów) na podstawie geometrii
wygenerowanej za pomocą systemu CAD 3D. Polega na warstwowym utwardzaniu ciekłych
żywic pod wpływem promieniowania laserowego, którego źródłem jest laser małej mocy (ok.
100 mW). Schemat budowy urządzenia SLA pokazano na rysunku 2.
Rys.2. Schemat działania urządzenia w systemie stereolitografii [4]
2.2 Główne fazy tworzenia modelu:
Proces tworzenia modelu możemy wyróżnić następujące etapy czynności:
Budowa modelu w systemie CAD-3D
7
Zapisanie modelu w formacie *.stl -Stereolithography Language
Zdefiniowanie platformy (zadanie parametrów budowy modelu w urządzeniu SLA to jest
między innymi: rozdzielczość, rodzaj żywicy, typ zgarniacza, minimalna wielkość podpór.
Umieszczenie modelu lub modeli na platformie (np.: określenie położenia w przestrzeni,
określenie położenie w stosunku do ruchów zgarniacza)
Weryfikacja poprawności plików *.stl modelu(li), w przypadku występowania błędów
naprawa plików,
Projektowanie położenia i geometrii elementów wspierających model (nowy model 3D)
Weryfikacja geometrii elementów wspierających
Podział modelu 3D na warstwy zgodnie z zadanymi parametrami tworzenia modelu
fizycznego
Sprawdzenie poprawności plików *.bff
Przesłanie pliku *.bff do urządzenia
Budowa fizycznego modelu w procesie fotopolimeryzacji
Umycie utworzonego modelu z resztek nieutwardzonej żywicy
Zakończenie procesu fotopolimeryzacji w urządzeniu PCA
Obróbka wykańczająca modelu (polerowanie, kulkowanie, itp.)
Poszczególne fazy tworzenia modelu przedstawia rys 3.
Rys. 3. Kolejne fazy kształtowania nowego wyrobu: a) model CAD, model sformatowany w pliku
*.stl, c) model wykonany z tworzywa polimerowego wykonany metodą stereolitografii, d)
prototyp [1]
2.3 Sposób tworzenia i utwardzania kolejnych warstw modelu
Wiązka lasera pozycjonowana przez system zwierciadeł skanuje powierzchnię żywicy w
miejscu, gdzie ma powstać model. Proces tworzenia warstwy modelu składa się z następujących
etapów:
- Utwardzanie konturów warstwy (ang. Bordering),
- Utwardzanie warstwy poprzez tzw. kreskowanie przekroju (ang. Hatching). W ten sposób
tworzy się sztywna siatka służąca do wzmocnienia granic i utrzymania kształtu modelu
pomimo zamknięcia ciekłej żywicy między granicami. Gęstość i kierunek linii siatki są
określane przez użytkownika.
8
- Wypełnienie przekroju (ang. Filling).
Każdorazowo po utwardzeniu warstwy następuje obniżenie platformy, na której powstaje model
w celu naniesienia ciekłej żywicy. Następnie zgarniacz wyrównuje warstwę żywicy i ustala
grubość naniesionej warstwy. Zasadę pracy zgarniacza i utwardzania kolejnych warstw modelu
przedstawiono na rys. 4.
Rys.4. Schemat działania zgarniacza w urządzeniu Viper stereolithography system [1]
Wykonywany model oddzielony jest od platformy podporami tworzonymi w taki sam sposób jak
model. Jedyną różnicą jest brak ruchów zgarniacza przy ich tworzeniu. Dokładność wykonania
dla elementów podpierających jest wysoka, gdyż zostają one usunięte po zakończeniu procesu.
Podpory te mają kształt cienkich pionowych pręcików zwężanych tuż przed powierzchnią
modelu, aby można łatwo je usunąć po zakończeniu budowy modelu.
Po wykonaniu modelu dokonuje się końcowej obróbki polegającej na oczyszczeniu z ciekłej
żywicy i usunięciu podpór, ostatecznym utwardzeniu i obróbce wykańczającej, np. szlifowaniu,
polerowaniu, malowaniu itp.
2.4 Laboratorium Szybkiego Prototypowania
2.4.1 Elementy składowe urządzenia
Urządzenie do wykonywania modeli metodą stereolitografi składa się z czterech modułów:
Viper si2 urządzenie główne które bezpośrednio wykonuje model widoczne na rys. 5 po
lewej stronie.
Stacja komputerowa DELL - służy do przygotowania danych elektronicznych dla
urządzenia głównego rys. 5 strona prawa.
Urządzenie ProClean – służy do czyszczenia modelu wykonanego z resztek
nieutwardzonej żywicy, co przedstawiono na rys. 6.
9
PCA 350 komora do utwardzania końcowego modeli, rys. 7.
Rys.5. Laboratorium Szybkiego Prototypowania – z prawej urządzenie Viper si2 Stereolitography
System
Rys.6. Urządzenie ProClean – służy do oczyszczania modelu z nieutwardzonej żywicy
10
Rys.7. Urządzenie PCA 350 – służy do końcowego utwardzania modelu promieniowaniem UV
2.4.2 Podstawowe Parametry Techniczne
maksymalna wielkość wykonywanych modeli 250x250x250mm;
maksymalny ciężar modelu 9,1 kg
wyposażone jest w laser stały Nd:YVO4 emitujący wiązkę promieniowania UV o długości
354,7nm i mocy 100mW
fotopolimer Accura 10 utwardzana za pomocą w/w promieniowania UV.
2.4.3 Rozdzielczość urządzenia
Fast - średnica promienia laserowego 0,25 ±0,025mm, grubość warstwy 0,15mm,
Exact- średnica promienia laserowego 0,25 ±0,025mm, grubość warstwy 0,10mm,
High Resolutions - średnica promienia laserowego 0,075 ±0,015mm, grubość warstwy
0,06mm.
2.4.4 Oprogramowanie
Buildstation v1. Oprogramowanie do sterowania procesem tworzenia modelu:
3D Lightyear program do: sprawdzenia poprawności tworzonego modelu (plików STL)
ustawienie pozycji modelu w przestrzeni, umiejscowienie na platformie, wykonanie podpór
podtrzymujących powstające fragmenty modelu podczas jego budowy, podział modelu na
warstwy.
11
2.4.5 Możliwości techniczne wykonywania modeli i prototypów
Urządzenie może wykonywać prototypy i modele w cały zakresie objętości platformy, przy
czym maksymalny model ograniczony jest wymiarami 250x250x250. nie ma żadnych
ograniczeń w stosunku do kształtu powierzchni którą chcemy wykonywać (można wykonywać
powierzchnie określone krzywą dowolnego stopnia )
Rys.8. Model wykonany w rozdzielczości High Resolution
Na rysunku 8 przedstawiono model wykonany w wysokiej rozdzielczości w którym można
odwzorować szczególy o rozmiarach 1mm.
Duże modele nak np. model wirnika przedstawiony na rys. 10 umożliwia wykonywanie
modeli do badań eksperymentalnych.
Na rysunku 9 przedstawiono model części maszyny w postaci koła zębatego, w którym
wykonano powierzchnie boczne zębów wykonane jako powierzchnię ewolwentową bez
stosowania specjalistycznych metod produkcyjnych.
Na rysunku 11 przedstawiono wykonany model odlewniczy. Model ten wykonano jako
konstrukcję skorupową bez wypełniania wnętrza modelu. Konstrukcja taka całkowicie
spełnia wymagania stawiane modelom odlewniczym, ponadto minimalizuje zużycie surowca
w postaci żywicy jak i oszczędza pracę maszyny
Metoda ta umożliwia także wytwarzanie elementów ozdobnych, czego przykładem są
elementy wyrobów jubilerskich przedstawione na rys 12.
13
Rys.11. Model odlewniczy wykonany w systemie Quick-Cast
Rys.12. Modele wyrobów jubilerskich
Bibiografia:
[1] Chlebus E.: Techniki komputerowe CAx w inżynierii produkcji, Wydawnictwa Naukowo
Techniczne, Warszawa 2000r.
[2] Lierath F.:RAPID-TECHNOLOGIEN AUF DEM VORMARSCH-ZU AUSGEWÄHLTEN
RAPID PROTOTYPING-, TOOLING- UND MANUFACTURING- VERFAHREN , II
Sympozium: Wybrane Problemy Projektowania Procesów Technologicznych, Sopot 18-19
maja 2004r.
[3] W. Bauer, R. Knitter: Development of a rapid prototyping process chain for the production of
ceramic microcomponents, Journal of materials science 37 (2002), 3127 – 3140.
[4] Materiały firmy 3D System