Rapid prototyping s podporou 3D tisku

Ve spolupráci s výrobcem obráběcích strojů TOS Varnsdorf byla navržena nová průmyslová varianta redundantního systému odměřování určeného pro kalibraci obráběcích strojů v šesti stupních volnosti. Základním předpokladem pro nový přístup je využití 3D tisku ve dvou rovinách. První představuje reálnou verifikaci konstrukce a montáže, druhá efektivní metodu pro výrobu prototypových odlitků. Skutečnost, že si v návrhu konstrukce můžeme dovolit přemýšlet o použití polotovaru odlitku i při malosériové výrobě, je pro výsledné uspořádání klíčovým kritériem.

K řešení nezachycených problémů disponují dnešní CAD softwary metodami pro sledování kolizí a mohou být vybaveny speciálními moduly například pro plánování trajektorií kabeláže. V praxi se však opakovaně ukazuje, že nejlepší řešení se bez reálného prototypu neobejdou.

Konstruované měřicí zařízení je redundantní systém čtyř vysoce precizních odměřovacích ramen, určený pro nasazení v reálném prostředí pracovního prostoru obráběcího stroje. Ramena se skládají z magneticky upevňované základny, tří rotačních vazeb s vysokými nároky na přesnost uložení, distančních kompozitových spojek a připojení prostřednictvím magnetického kulového kloubu. Rotační vazby jsou osazeny odměřováním Renishaw. Ve vřetenu stroje je upnut nosný kříž osazený čtyřmi připojovacími body (magnetickými kulovými klouby) pro připojení jednotlivých ramen. Celý systém umožňuje díky redundantnímu uspořádání ramen aplikaci matematické metody samokalibrace zařízení. Díky této metodě je možné postupné posouvání jednotlivých ramen v celém pracovním prostoru. Vyhodnocení takto získaných dat umožňuje sestavit popis prostorové chyby. Po zavedení kompenzace již známé chyby se tak významně zvýší pracovní přesnost stroje. Na obr. 1 je uvedeno zařízení ve vazbě na obráběcí stroj.

Konstrukce nové koncepce vychází ze zkušenosti s předchozí variantou, která předpokládala využití komerčně dostupných polotovarů. Tato skutečnost spolu s konvenční technologií výroby nutí konstruktéra ke značným kompromisům v úvahách o budoucím tvaru dílčích součástí. Pokud by se vydal směrem takřka neomezených technologických možností, dostane se dříve nebo později do situace, kdy jsou návrhy velmi komplikované a prostřednictvím konvenčních metod prakticky nevyrobitelné. Předvýrobní příprava a výroba samotná jsou natolik nákladné, že se v případě potřeby jakékoli změny ukazují jako ekonomicky nepřijatelné. Zeštíhlí-li naopak své požadavky na konstrukci, může to v důsledku vést k nesprávné funkci zařízení.

Inovace tedy vychází z předpokladu využití 3D tiskárny s metodou FDM nejenom v oblasti verifikace navržené konstrukce a montáže, ale také v jejím nasazení umožňujícím výrobu odlitků. Na obr. 2 je zobrazen původní konzervativní koncept s jednostranně uloženou rotační vazbou a díly vyrobenými z běžně dostupných polotovarů. Obr. 3 ukazuje nový koncept s předpokladem využití ABS (akrylonitril-butadien-styren) vytavitelného modelu při výrobě polotovarů. Na modelu je vidět oboustranné uložení rotačních vazeb, které značně přispívá k tuhosti celého systému a současně tak zvyšuje výslednou přesnost rotačního uložení.

První rovina nasazení 3D tisku se týká oblasti verifikace konstrukce a plánování postupu montáže. Některé díly, jako například osy rotace, bylo vzhledem k jejich charakteru (tloušťka stěny) vhodné nahradit konvenčně vyrobeným dílem. Ostatní díly byly odpovídajícím způsobem upraveny a vytištěny. V průběhu montáže bylo možné na vytištěných dílcích ověřit v běžném CAD návrhu nezahrnutelné skutečnosti, jako možnost odpovídajícího přístupu k hlavám šroubů při montáži atd. Teprve při manipulaci, sestavování a rozebírání jednotlivých sestav byla patrná nutnost odpovídajících přípravků a jim odpovídajících úprav. Jejich výroba a testy byly díky uplatnění 3D tisku dokonale operativní. Takto získané zkušenosti jsou bez výjimky nutné pro správnou montáž a fungování reálného zařízení.

Zmíněná úprava modelů před jejich tiskem spočívala především ve volbě a přípravě vhodných insertů tak, aby bylo možné po samotném tisku touto metodou jednotlivé díly smontovat do finálního sestavení. Na obr. 4 je znázorněn příklad integrace matic pro připojení prostřednictvím šroubového spoje. Další úpravy se týkaly především finalizace rozměrů a povrchů například pro správné uložení ložisek.

Na obr. 5 je znázorněna výsledná sestava ramena s použitím na 3D tiskárně vytištěných modelů z materiálu ABS. Jsou provedeny v kombinaci barev žlutá a šedá, černé díly jsou zhotoveny konvenčním způsobem. Na obou detailech (v pravé části) je patrná instalace reálného odměřování v sestavě kroužku a dvou měřicích hlav. Na spodním z obou detailů je vidět i signálová kabeláž vedená mezi dvěma díly s rotační vazbou.

Při porovnání staré a nové varianty můžeme již ve fázi návrhu charakterizovat hlavní oblasti přínosu možnosti využití 3D tisku ve čtyřech základních bodech:
1. Rameno vykazuje při zachování stejné celkové hmotnosti výrazně vyšší tuhost. Tato skutečnost má přímý vliv na hodnoty přesnosti.
2. Provedení umožňuje lepší integraci instalovaného odměřování. Citlivé části jsou umístěny uvnitř nosných dílců.
3. Rameno působí kompaktním dojmem, tomu napomáhá i možnost vedení nutné kabeláže vnitřní částí.
4. Na základě modelu byl ujasněn postup montáže a demontáže včetně specifikace k tomu potřebných přípravků a nářadí.

Druhá rovina nasazení 3D tisku zahrnuje technologii přípravy ABS modelu, která není nijak odlišná od běžných zvyklostí v lití metodou vytavitelného modelu. Jako materiál polotovaru rotačních částí byla zvolena hliníková slitina. Materiálovými vlastnostmi splnila požadavky na předpokládané silové zatížení při relativně nízké výsledné hmotnosti. Úprava modelu tedy zohlednila především smrštivost použité slitiny a dále musela akceptovat požadavky na minimální tloušťku stěn a žeber při jejich odpovídající výšce. V místech finálního obrábění byly přičteny doporučené přídavky a nakonec zaceleny menší otvory, u kterých byl požadován rozměr vázaný na finální obrobené plochy. Příklad postupné technologie výroby je v posloupnosti model z ABS, polotovar (odlitek), finální obrobený díl uveden na obr. 6.

Na obr. 7 jsou jako příklad znázorněny dílčí polotovary určené pro jedno rameno společně se čtyřmi polotovary nosného kříže. Polotovary nosného kříže jsou odlity z oceli, neboť jejich hmotnost nespočívá na samotném zařízení. Ramena jsou prostřednictvím adaptéru upnuta ve vřeteni obráběcího stroje, které je dimenzováno na násobně větší zatížení. Výroba obdobných dílů konvenčním způsobem (frézováním z bloku materiálu) je až pětinásobně časově náročnější.

Všechny fáze vývoje měřicího zařízení zavěšené na nosné testovací platformě jsou znázorněny na obr. 8. Rameno zcela vpravo reprezentuje původní koncept konstruovaný na základě konvenčního přístupu. Uprostřed je prototypový návrh nového konceptu sestavený z dílů z 80 % vytištěných na 3D tiskárně, pro tisk použitý materiál je ABS. Rameno s použitím plastových dílů je plně funkční a lze jím s omezenými možnostmi měřit. Vlevo je finální realizace jednoho ze čtyř ramen vyrobená za podpory vytavitelných modelů vytištěných z materiálu ABS. Toto provedení se osvědčilo v průmyslovém nasazení při měření pracovního prostoru stroje Grata firmy TOS Varnsdorf.

Uvedený přístup zefektivnil a zkrátil celkový čas potřebný pro vývoj a výrobu zařízení. Hlavním přínosem je zvýšení přesnosti a zlepšení funkce celého zařízení. Neopomenutelným přínosem ve srovnání s původní variantou je snížení celkových nákladů o více než 30 %.

Představený koncept alternativního přístupu k nasazení odlitků zprostředkovaných vytavitelným modelem zhotoveným na 3D tiskárně může podstatným způsobem ovlivnit konstrukční postupy. Tato skutečnost se výrazně promítá především do oblasti kusové a malosériové výroby, kde přináší možnost nasazení technologie z ekonomického hlediska dříve nedostupné. Postup od návrhu přes vytištěný prototyp k finálnímu výrobku se podle rozsahu měří namísto měsíců na dny a týdny. Oblast využití je oborově široká a v současné době omezená především dostupností skutečně kvalitních 3D tiskáren a vhodně technologicky vybavených sléváren.

Jeden z hlavních problémů zatím zůstává ve vytavení ABS modelu, protože většina sléváren na území České republiky není vybavena odpovídající pecí, která zajišťuje odvod nebezpečných spalin do speciálních filtračních zařízení. Ostatní vzniklé problémy byly v rámci dlouhodobých zkušeností s FDM tiskem spíše procesního než technického charakteru.

V oblasti návrhu a konstrukce nových zařízení se tento postup osvědčil. V rámci projektu bylo testováno odlévání z hliníkové a železné slitiny. V budoucnu se předpokládá i možnost testů odlévání z dalších neželezných kovů.

V dnešní době se často setkáváme s pojmem 3D tisku ve spojení s různými metodami a materiály. Existují speciální 3D tiskárny, které umějí tisknout pískové formy určené právě pro slévače kovů. Často ale cena takového zařízení výrazně převyšuje reálnou poptávku po jeho technologii. Podobná situace je i u tiskáren určených pro spékání kovového prášku, tedy přímo produkujících kovové díly. Proto byl v rámci projektu výroby nové generace zařízení zvolen postup alternativního využití materiálu ABS metodou FDM jako náhrady běžných voskových modelů. Významnou předností je využití jediné 3D tiskárny současně pro tvorbu modelu budoucího zařízení a podporu při výrobě dílčích částí finálního výrobku. Potenciál spatřujeme především v obsažení dvou oblastí řešení jedinou instalovanou technologií.

Ing. Jan Koubek

RCMT, Fakulta strojní, ČVUT v Praze

J.Koubek@rcmt.cvut.cz