Nekonvenční metody obrábění 10. díl

9.4.3 Laminated Object Manufacture (LOM)

Metoda Laminated Object Manufacture je založena na vrstvení lepivého materiálu a byla vyvinuta americkou firmou Helysis. Součást je vytvářena ze speciálních plastových fólií nebo z mnoha vrstev papíru napuštěných zpevňující hmotou. Jednotlivé vrstvy jsou oříznuty do správného tvaru CO₂ laserem. Součástka je vytvářená na svisle se pohybující nosné desce. Celý proces probíhá tak, že se na nanesenou a vyřezanou vrstvu natáhne papírová fólie opatřená vrstvou polyetylenu. Ta se poté přitlačí soustavou vyhřívaných válců, čímž dojde ke slepení obou vrstev. Paprskem laseru je vyřezán požadovaný obrys vytvářené vrstvy. Přebytečná odřezaná fólie je laserem rozdělena na čtverce a později odstraněna. Po vytvoření vrstvy se podložka sníží o tloušťku fólie a postup se opakuje až do vytvoření celé součásti.

Vytvořené součásti mají podobné vlastnosti, jako kdyby byly vyrobené ze dřeva. K dosažení hladkého povrchu je nutné součást opracovat ručně. Metoda je vhodná na výrobu velkých součástí. Její nevýhodou je velké množství odpadu.

9.4.4 Solid Ground Curing (SGC)

Metoda Ground Curing spočívá ve vytvrzování fotocitlivého polymeru. Tento princip byl vyvinut izraelskou firmou Cubital Ltd. Jako materiál používá také tekutý opticky vytvrditelný polymer jako stereolitografie, ale principem výroby se od ní liší. Rozdíl je v tom, že celá vrstva je zde vytvářena najednou, tj. na jedno osvícení UV lampou. Osvícení se provádí přes negativní masku, která je nejčastěji tvořena skleněnou destičkou, na níž je vyznačen tvar vytvářené vrstvy.

Vytváření součásti probíhá ve dvou oddělených současně probíhajících cyklech. Nejdříve je vytvořena negativní maska, a potom dojde k osvícení polymeru. Osvícený polymer ztvrdne, neosvícený tekutý polymer je odsáván a vzniklý meziprostor se vyplní voskem. V dalším kroku je povrch vytvořené vrstvy ofrézován na požadovanou výšku vrstvy, a tím je připraven na nanesení další tenké vrstvy tekutého polymeru. Vosková výplň zůstane v dutinách vytvářené součásti jako podpůrná konstrukce až do konce procesu vytváření, potom je chemickou cestou (pomocí kyseliny citronové) odstraněna.

9.4.5 Fused Deposition Modeling (FDM)

Metoda FDM k výrobě modelu využívá nanášení vlákna z termoplastu a byla vynalezena v roce 1988 společností Stratasys, Inc. Tato technologie na rozdíl od ostatních nevyužívá laseru. Součást se vytváří postupným nanášením jednotlivých vrstev z různých netoxických termoplastů nebo vosků. Materiál ve tvaru tenkého vlákna vychází z vyhřívané trysky, která se pohybuje v rovině nad pracovním prostorem. V trysce je ohříván na teplotu o 1 °C vyšší, než je jeho teplota tavení. Při styku s povrchem vytvářené součástky se vlákna vzájemně spojují a vytvářejí tak požadovanou ultratenkou vrstvu, která ihned tuhne. Součást se opět vytváří na nosné desce, která se vždy po nanesení jedné vrstvy sníží o tloušťku další vrstvy. Na podepření přečnívajících částí je nutné vytvořit podpůrnou konstrukci z lepenky nebo polystyrenu.

Touto technologií je možné vytvářet součásti například z polyamidu, polyetylenu nebo vosku. Vytvořená součást již nevyžaduje žádné obrábění. Na principu technologie FDM pracuje většina tzv. 3D tiskáren.

9.4.6 Ballistic Particle Manufacturing (BPM)

Technologie BPM spočívá v nástřiku kapek termoplastu pomocí jedné pracovní hlavy. Vynalezl ji v roce 1987 Bill Masters, jenž v roce 1988 založil společnost Perception Systems, Inc., později přejmenovanou na BPM Technology, Inc., která se zabývá vývojem BPM systému.

Technologie využívá principu inkoustových tiskáren. Je založena na tlakovém nanášení materiálu (termoplastu) ve formě kapek a jejich následném vytvrzení. Nanášení materiálu je docíleno tím, že jednotlivé malé kapky materiálu jsou vystřelovány z tlakové hlavy na pracovní plochu a tam bezprostředně po dopadu vytvrzeny. Cíleným nanášením dalších kapek na už nanesený materiál se vyrobí celá trojrozměrná součást. Technologie BPM pracuje pouze s jednou tiskovou hlavou, která má 5 stupňů volnosti. Tato metoda umožňuje vytvářet modely bez podpůrné konstrukce.

9.4.7 Model Maker 3D Plotting

Technologie Model Maker 3D Plotting pracuje na stejném principu jako technologie BPM. Rozdíl je v tom, že Model Maker 3D Plotting pracuje se dvěma tiskovými hlavami, přičemž první nanáší materiál a druhá ho tvaruje.

9.4.8 Multi-Jet Modeling (MJM)

MJM je další technologií Rapid Prototyping společnosti 3D Systems, Inc. Její vývoj započal v roce 1994. Jedná se o tisk vrstev pomocí termopolymeru. Princip technologie spočívá v nanášení jednotlivých vrstev termopolymeru postupně na sebe pomocí speciální tiskové pracovní hlavy, která má 96 trysek, uspořádaných rovnoběžně vedle sebe. Množství nanášeného materiálu je pro každou trysku samostatně řízeno programem. Součást se opět vytváří na zvláštní nosné desce podobně jako u stereolitografie. Pracovní hlava se pohybuje nad nosnou deskou ve směru osy. Je-li součást širší než pracovní hlava, posouvá se ve směru osy tak, aby se vytvořila celá součást. Velký počet trysek zaručuje rychlé a rovnoměrné nanášení materiálu. Nanášený termoplastický materiál ztuhne při styku s už naneseným materiálem téměř okamžitě.

9.4.9 Multiphase Jet Solidification (MJS)

Princip technologie MJS spočívá v zahřátí materiálu, ze kterého má být součást vyrobena a v postupném nanášení vrstev materiálu tryskou. V zásobníku je materiál (většinou ve formě prášku, ať již čistého kovu, keramiky nebo směsi kovu, případně keramiky s vhodným pojivem) zahříván na teplotu, při které vytváří nízkoviskózní fázi. Pístovým systémem je vytlačován skrz ohřívanou trysku. Při styku s materiálem vyráběné součásti tuhne a vytváří tak požadovanou vrstvu. Celý pracovní cyklus je obdobný jako u technologie FDM. Technologie MJS umožňuje vyrábět součásti z ušlechtilých ocelí, titanu, siliciumkarbidu, kysličníku hliníku, apod.

9.4.10 Direct Shellt Production Casting (DSPC)

U technologie DSPC jde o výrobu součástí z keramického prášku. Princip je obdobný jako u technologie SLS (Selective Laser Sintering, viz MM Průmyslové spektrum 11/2008). Výchozí materiál (keramický prášek) je však spojován tekutým pojivem. Technologie DSPC je založena na vytváření vrstev nanášením keramického prášku spojovaného tekutým pojivem a jeho následným slinováním paprskem laseru. Nanášení pojiva se provádí pomocí Ink-Jet-tryskové hlavy, jejíž pohyb je řízen počítačem.

9.4.11 ProMetal 3D Printing

Jedná se o výrobu součástí slinováním práškových materiálů. Technologii ProMetal 3D Printing vyvinula americká společnost Extrude Hone. Je založena na selektivním vrstveném inkoustovém tisku trojrozměrných předmětů z ultrajemných kovových, keramických, fermežových nebo kompozitních prášků se speciálními pojivy. Technologie používá principu Ink-Jet počítačových tiskáren a tiskových hlav s vysokým rozlišením. Integrální součástí technologie je slinování výrobku a jeho infiltrace kovem pro dosažení vysoké pevnosti a téměř 100% hustoty. Při tepelném zpracování dochází k vyhoření pojiva a slinutí kovových prášků na porézní strukturu, která se zpevňuje infiltrací kovu.

9.4.12 Direct Laser Forming (DLF)

Technologie DLF umožňuje přímou výrobu kovových součástí z práškových materiálů. Vyvinula ji fTechnologie DLF umožňuje přímou výrobu kovových součástí z práškových materiálů. Vyvinula ji firma TRUMPF Laser – und Systemtechnik. Podstata technologie spočívá ve výrobě součástí postupným nanášením kovového prášku, který je přiváděn do stopy paprsku laseru, kde se taví. Pohybem laseru v osách je součást vyráběna po jednotlivých vrstvách.

9.4.13 Genesis 3D Printer

Genesis 3D Printer je další technologií firmy Stratasys, Inc. Její vývoj byl převzat od společnosti IBM v roce 1995. Jako materiál se používá polyesterová směs, která je vytlačována hlavou na příslušné místo. Nepoužívá se podpůrných struktur ani následného vytvrzování. Součást lze barvit, vrtat a jinak upravovat.

9.4.14 Solid Imaginig System (SOMOS/Siliform)

Technologie Solid Imaginig System byla vyvinuta společností DuPont v roce 1989. Dnes se jejím vývojem zabývá japonská firma Teijin-Seiki. SOMOS je velmi podobný technologii SLA. Rozdíl je v opticky aktivním materiálu a laserovém systému. Jako materiál se používá speciální bílá pryskyřice s nízkou hodnotou smršťování a deformace. Její vlastnosti se blíží vlastnostem silikonového kaučuku. Pro vytvrzení se používá argon-iontového laseru s vysokou přesností rastrování a s vysokou rychlostí modulace paprsku.

9.4.15 Další technologie RP

Landfoam Topografics je technologie velmi podobná technologii LOM. Charakteristické pro tento systém jsou barevné hladiny a selektivní nanášení přilnavého materiálu (adheziva). Selektivní adheze zjednodušuje odstranění přebytečného materiálu.

Hot Plot je technologie vyvinutá švédskou firmou Sparx AB. Princip je opět velmi podobný technologii LOM. Na rozdíl od technologie LOM, kdy je použit laser, je zařízení technologie Hot Plot vybaveno žhavenou řezací elektrodou. Jako materiál se používají speciální polystyrenové fólie tloušťky cca 1 mm. Nevýhodou je značná měkkost materiálu a malá přesnost, způsobená tloušťkou fólie.

Design-Controled Automated Fabrication (DESCAF) byla vyvinuta v roce 1986 společností Light Sculpting, Inc. Princip je zčásti podobný technologii SGC. Jako materiál je používán fotopolymer, který je vytvrzován působením UV záření přes masku. Z toho důvodu je celá vrstva vytvrzena najednou.

Solid Creation System (SCS) je výsledkem spolupráce japonských firem Sony Corporation a Japan Synthetic Rubber. Princip této technologie je podobný stereolitografii, hlavní rozdíl je ve velikosti vytvářených součástí. Technologií SCS lze vyrobit větší součásti.

Solid Object Ultraviolet Laser Plotting (SOUP) byla vyvinuta japonskou firmou Mitsubishi Corporation a je prodávána společností CMET. Princip je opět podobný stereolitografii. Použitá pryskyřice má vysokou rozměrovou stálost, vynikající mechanické vlastnosti a nevyžaduje dotvrzení.

Computer-Operated Laser Active Modeling byla vyvinuta japonskou firmou Mitsui Ship Building Company. Princip je opět velmi podobný stereolitografii.

Stereos byla vyvinuta německou firmou Electro-Optical Systems. Princip výroby je téměř shodný se stereolitografií. Využívá HeCd nebo Ar laseru. Tato metoda umožňuje snadnou výměnu vany pro použití různých druhů pryskyřic.

Incre je podobná technologii BPM a byla vyvinuta firmou Incremental Fabrication Technologies of Corvalis. Součásti jsou vyráběny z kovových materiálů. Výhodou je především možnost vytvářet velké kovové součásti.

Printed Computer Tomography (PCT) byla vyvinuta společností Texas Instruments a opět pracuje podobně jako technologie BPM. Vyznačuje se značnou rychlostí (1 vrstva za minutu).

Photochemical Machining je technologie podobná technologii SLA. Používá dvou protínajících se laserových paprsků, které tak vytvářejí 3D model z bloku fotoaktivního polymeru.

Masking and Depositing (MD*) byla vyvinuta při výzkumech na Carnegie Mellon University. Umožňuje vytvářet modely z některých kovů a jejich slitin.

Three-Dimensional Printing (3DP) byla vyvinuta v Massachusetts Institute of Technology. Selektivně spojuje práškový materiál technologií podobnou inkoustovému tisku bez použití laseru.

Shape Melting je technologie, jejíž výrobou a vývojem se zabývá společnost Babcock & Wilcox. Roztavený kov je nanášen pomocí elektrického oblouku po vrstvách a odlit do výsledné součásti. Použitým materiálem jsou slitiny na bázi niklu. Použití této technologie je téměř neomezeno tvarem i rozměrem součásti.

Model-Maker System je technologie vyvinutá společností Sanders Prototype, Inc. Jako materiál se používají netoxické termoplasty s přísadami.

9.5 Závěr

V současné době procházejí technologie Rapid Prototyping bouřlivým vývojem, zaměřeným především na:

• výrobu prototypů z materiálů se zlepšenými mechanickými vlastnostmi. Snahy jsou soustředěné hlavně na zpracování plastických hmot plněných skelnými, uhlíkovými nebo kevlarovými vlákny, keramických materiálů a kovů;
• zvyšování přesnosti rozměrů vyrobené součástky, nyní je standardní hodnotou přesnosti tolerance ±0,1 % rozměru;
• zjednodušení konstrukce a obsluhy výrobního zařízení;
• snížení ceny zařízení;
• zrychlení vlastního výrobního procesu;
• vyšší automatizaci procesu;
• snížení rizika vzniku chyb.

Technologie Rapid Prototyping se budou v budoucnosti stále více průmyslově využívat. Vedle výroby prototypů a funkčních vzorků bude v budoucnosti nejen možné, ale i běžné používat tyto metody na: Technologie Rapid Prototyping se budou v budoucnosti stále více průmyslově využívat. Vedle výroby prototypů a funkčních vzorků bude v budoucnosti nejen možné, ale i běžné používat tyto metody na:

• rychlou a cenově výhodnou výrobu modelů (Rapid Modeling);
• výrobu nástrojů a přípravků (Rapid Tooling);
• kusovou a malosériovou výrobu (Rapid Manufacturing).

Rapid Prototyping je moderní směr, který napomáhá zlepšit vývojový proces a kvalitu konečných výrobků. Další jeho podstatnou výhodou je značná úspora materiálu i energie – není nutné vyrobit nejprve vývalek a pak značnou část jeho hmoty odstranit třískovým obráběním. Mnohé firmy dokázaly s pomocí technologie Rapid Prototyping přijít na trh s dokonalejšími produkty mnohem rychleji než při tradičních postupech konstruování a vývoje s klasickou výrobou prototypů.Rapid Prototyping je moderní směr, který napomáhá zlepšit vývojový proces a kvalitu konečných výrobků. Další jeho podstatnou výhodou je značná úspora materiálu i energie – není nutné vyrobit nejprve vývalek a pak značnou část jeho hmoty odstranit třískovým obráběním. Mnohé firmy dokázaly s pomocí technologie Rapid Prototyping přijít na trh s dokonalejšími produkty mnohem rychleji než při tradičních postupech konstruování a vývoje s klasickou výrobou prototypů.

Ing. Jaroslav Řasa, CSc.

Ing. Zuzana Kerečaninová, Ph.D.

ČVUT, VCSVTT

www.rcmt.cvut.cz

j.rasa@rcmt.cvut.cz