Nekonvenční metody obrábění 9. díl

9 Rapid Prototyping

Cílem technologie Rapid Prototyping je vytvoření reálného modelu z počítačových dat v co nejkratším čase a v co nejvyšší kvalitě. Historie této technologie sahá do 80. let minulého století, kdy byla vyvinuta technika stereolitografie. Použití této technologie má za následek zrychlení celého procesu vývoje výrobku a tedy i snížení nákladů a zlepšení kvality. Technologie umožňuje již v etapě vývoje ověřit funkci vyvíjeného výrobku, design a ergonomii, ale slouží také k výrobě finálních výrobků tam, kde se jedná o menší počet kusů nebo o výrobu součástí klasickými technologiemi nevyrobitelných (např. formy se zavřenými dutinami). V budoucnu může sloužit k výrobě náhradních dílů družic při letech na vzdálené planety. 

9.1 Princip metody

Základem je 3D geometrický model vytvořený v CAD programu nebo odměřený prostorovým skenerem. Ten je převeden do příslušného formátu (nejčastěji STL). Takto připravená data jsou pak načtena do speciálního softwaru Rapid Prototyping. Virtuální (počítačový) model je rozřezán příčnými řezy s definovaným nastavením vzdálenosti jednotlivých vrstev. Dále se navrhne podpůrná konstrukce pro vytváření modelu a pro oddělení modelu od nosné desky.

Na rozdíl od konvenčních metod obrábění, u kterých je materiál z výchozího polotovaru odebírán, je u technologie Rapid Prototyping materiál po vrstvách přidáván. Součást je pro výrobu rozdělena na veliké množství jednotlivých vrstev o tloušťce v řádu setin až desetin milimetru, které je možno považovat v podstatě za dvoudimenzionální (2D). Každá vrstva má svůj 2D tvar. Kladením jednotlivých vrstev na sebe lze poměrně snadno vyrobit prostorové předměty značné geometrické složitosti.

9.2 Použití technologie Rapid Prototyping

V současné době se technologie Rapid Prototyping používá:

• pro vytvoření prostorových modelů složitých objektů s cílem získání názorné představy o celkovém provedení a tvaru;
• ke kontrole designu navrhovaného objektu;
• při vývoji výrobku, tzn. že navrhovanou součást je možno v kterékoli fázi vývoje snadno vyrobit a následně korigovat další vývojové fáze;
• k ověření a optimalizaci výrobku: mimo korekce tvaru je možno např. snáze vybrat z konkurenčních návrhů ten nejlepší;
• v oblastech výroby forem a nástrojů;
• k simulacím v oblastech namáhání, proudění, koncepčního konstruování, designu a archivace 3D objektů.

Rozhodnutí o výběru a použitelnosti konkrétní metody Rapid Prototyping pro daný případ závisí na:

• požadované přesnosti výrobku;
• nalezení vhodného materiálu pro výrobu součásti;
• možnosti dodatečného obrobení funkčních ploch součástky.

9. 3 Dělení principů technologie Rapid Prototyping

Principy technologie Rapid Prototyping je možno rozdělit z několika hledisek.

Dělení z hlediska použitého materiálu:

• tekuté materiály: Stereo Lithography;
• práškové materiály: Selective Laser Sintering, Direct Shell Production Casting, ProMetal 3D Printing, Direct Laser Forming;
• tryskové spojování: Multiphase Jet Solidification;
• tryskové tištění: Fused Deposition Modeling, Ballistic Particle Manufacturing, Multi-Jet Modeling, Model Maker 3D Plotting;
• polymerní materiály: Solid Ground Curing;
• papírové materiály: Laminated Object Manufacture.

Dělení z hlediska výrobního postupu:

• systém přidávání vrstev při použití laseru s vytvrzováním bod po bodu;
• systém přidávání vrstev při použití laseru s vytvrzováním po vrstvách;
• systém přidávání vrstev bez použití laseru s vytvrzováním bod po bodu;
• systém přidávání vrstev bez použití laseru s vytvrzováním po vrstvách.

9.4 Popis jednotlivých technologií

9.4.1 Stereo Lithography (SLA)

Při stereolitografii se jedná o vytvrzování vrstev tekutého polymeru. Jde o nejstarší metodu z technologií Rapid Prototyping, která byla vyvinuta společností 3D Systems, Inc., a roku 1987 uvedena na trh. Součást se vytváří postupným vytvrzováním polymeru (plastické hmoty citlivé na světlo) pomocí UV laseru, který je na základě dat přicházejících z počítače zaměřován složitou optickou soustavou na hladinu polymeru. Na základě dříve vytvořených informací o tvaru a rozměrech příčných řezů počítačového prostorového modelu jednotlivými rovinami (vrstvami) jsou vypočítávány řídicí údaje, které vedou paprsek laseru pomocí XY skenovací hlavy nad horní plochou nádobky s polymerem. Součást je vytvářena na nosné desce, která se na začátku procesu nachází přímo pod hladinou polymeru. Po vytvrzení (tj. po osvícení) jedné vrstvy se nosná deska ponoří o tloušťku vrstvy hlouběji do lázně a začne se vytvářet další vrstva. Aby se vyrovnaly nepřesnosti vzniklé nanášením polymeru, je nutné před osvitem každé vrstvy přejet hladinu tzv. stěračem. Vytvarováním tekutého polymeru po vrstvách a následným sejmutím z nosné desky vzniká trojrozměrné těleso (model).

Tato metoda vyniká vysokou přesností a velkým množstvím použitelných materiálů. Oproti jiným technologiím je možno stereolitografií vytvářet modely s milimetrovými otvory a miniaturními prvky. Nevýhodou je především pomalý proces vytvrzování polymeru a u některých materiálů také malá tepelná odolnost vzniklého modelu.

Stereolitografie používá zejména argonový (Ar⁺), heliumcadmiový (HeCd) nebo pevnolátkový Nd:YAG laser.

9.4.2 Selective Laser Sintering (SLS)

Metoda Selective Laser Sintering (SLS) využívá spékání práškového materiálu pomocí laseru. Byla vyvinuta na texaské univerzitě v Austinu. Na rozdíl od stereolitografie jsou modely vyrobené metodou SLS velmi pevné. Podstatou SLS je, že paprskem CO₂ laseru je prášek spékán do požadovaného tvaru. Přídavný materiál je nanášen na nosnou desku v inertní atmosféře (dusík nebo argon) po vrstvách. Podle vypočtených souřadnic bodů rovin řezů je řízena XY skenovací hlava, která vede paprsek laseru nad povrchem prášku nasypaného ve vaně. V místě působení laseru se přídavný materiál buď speče, nebo roztaví a ztuhne. Okolní neosvícený materiál slouží jako nosná konstrukce. Výroba součásti probíhá po vrstvách. Po vytvoření jedné vrstvy se nosná deska sníží o hodnotu odpovídající hloubce vrstvy. Je možné vytvářet vrstvy tloušťky od 0,02 mm do několika desetin milimetru.

Na rozdíl od jiných metod technologie Rapid Prototyping je možné použít jakýkoliv prášek, který se působením tepla taví nebo měkne - například termoplastické materiály, jako jsou polyamidy, polyamidy plněné skelnými vlákny, polykarbonáty, polystyreny, speciální nízkotavitelné slitiny z niklových bronzů nebo ocelové prášky povlakované polymery. Přitom na stejném zařízení většinou nelze přecházet od jednoho materiálu k druhému, neboť jejich vytvrzení si vyžaduje výrazně odlišné podmínky.

Podle druhu použitého modelovacího materiálu se v rámci této technologie rozlišují metody:

• Laser - Sintering Plastic: součást lze vyrobit z několika druhů plastických materiálů, např. při použití polystyrenu je možné vyrobenou součást využít při metodě lití do ztraceného vosku, při použití nylonu dosahují vyrobené součásti vynikající mechanické vlastnosti, jako tvrdost, houževnatost, teplotní odolnost. Tyto modely jsou proto vhodné pro funkční zkoušky nebo testy skutečně potřebného stupně lícování;
• Laser - Sintering Metal: používají se speciálně vyvinuté kovové prášky. Hustota vyrobených součástí je 60 % teoretické hodnoty. Vyrobené součásti mají dostatečnou pevnost a mechanickou odolnost, takže je lze použít především jako formy pro výrobu plastových výlisků vstřikováním nebo lisováním;
• Laser - Sintering Formsand: metoda používá jako výchozí materiál upravený slévárenský písek, jehož vytvrzováním je možno bez jakýchkoliv mezikroků vytvořit klasickou pískovou formu pro lití;
• Laser - Sintering Ceramic: jako výchozí materiál se používá prášek spojovaný pomocí tekutého pojiva. Nanášení pojiva je zajištěno pomocí Ink-Jet tryskové hlavy, která je vedena v rovině XY podle předem vypočítaných řídicích údajů. Touto metodou se dají vyrábět součástky z keramického prášku, formy a jádra pro technologii přesného lití;
• Laser Micro Sintering: jako výchozí materiál se používá wolfram o velmi malé zrnitosti. Pro spékání prášku se používá Nd:YAG laser o výkonu 10 W. Součást je vytvářena po vrstvách o tloušťce 0,03 mm a dosahuje se kvality povrchu méně než Ra 1,5 μm;
• 3-D Laser Cladding: jako výchozí materiál se používá kovový prášek, který se dodává plynule do stopy dopadu paprsku laseru, kde se taví. Proces probíhá v uzavřené komoře za asistence inertního plynu. Vyrobené součásti mají hustotu a mechanické vlastnosti srovnatelné se součástmi vyrobenými konvenčními technologiemi. Jako prášku např. při výrobě součástí letadel se používají titanové, niklové, kobaltové a hliníkové slitiny. Pro výrobu náhrad kyčelních kloubů se používá práškový materiál Ti6Al4V, výrobek má stejné hodnoty tažnosti a odolnosti proti únavě jako dosud používané tvářené materiály.

Dokončení příště

Ing. Jaroslav Řasa, CSc.,

Ing. Zuzana Kerečaninová, Ph.D.

ČVUT, VCSVTT

www.rcmt.cvut.cz

j.rasa@rcmt.cvut.cz

Chybějící tabulku naleznete v tištěné verzi časopisu.