DOKONČOVACÍ OPERACE NA DÍLECH Z 3D TISKÁREN
Bakalářská práce
Studijní program: B2341 – Strojírenství
Studijní obor: 2301R030 – Výrobní systémy Autor práce: Jakub Hádek
Vedoucí práce: Ing. Petr Zelený, Ph.D.
Katedra výrobních systémů Studijní rok 2013/2014
ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE
Jméno a příjmení Jakub H Á D E K Studijní program B2341 Strojírenství
obor 2301R030 Výrobní systémy
zaměření výrobní systémy
Ve smyslu zákona č. 111/1998 Sb. o vysokých školách se Vám určuje bakalářská práce na téma:
Dokončovací operace na dílech z 3D tiskáren Zásady pro vypracování:
(uveďte hlavní cíle bakalářské práce a doporučené metody pro vypracování)
Hlavním cílem této práce je provést rešerši možností dokončovacích operací vhodných pro díly z 3D tiskáren. Jedná se hlavně o začištění, vyhlazení povrchu a vyleštění povrchu vytisknutých dílů. Dále je možné vypracovat technologii, vhodný postup pro dokončovací operace se zaměřením na více materiálů (ABS, Vero, VeroClear).
Doporučené metody pro vypracování:
1. Seznámit se s technologií 3D tisku a zařízeními v laboratořích katedry.
2. Provést analýzu současného způsobu začišťování dílů na katedře.
3. Provést studii možných postupů provádění dokončovacích operací na dílech z 3D tiskáren.
4. Na základě studie navrhnout nejvhodnější postupy pro díly vyráběné na katedře.
5. Provést realizaci a otestování navržených postupů.
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI | Fakulta strojní | Studentská 1402/2 | 461 17 Liberec 1 tel.: +420 485 353 354 | petr.zeleny@tul.cz | www.kvs.tul.cz | IČ: 467 47 885 | DIČ: CZ 467 47 885
Forma zpracování bakalářské práce:
Rozsah původní zprávy cca 40 stran textu včetně příloh.
Bakalářská práce včetně příloh bude v elektronické formě přiložena na CD (či DVD) ke každému tištěnému svazku bakalářské práce.
Seznam odborné literatury:
[1] NOORANI, R.: Rapid Prototyping: principles and aplications. John Wiley & Sons, 2006, ISBN 0-471-73001-7
[1] JACOBS, P. F.: Stereolithography and other RP&M technologies: from rapid prototyping to rapid tooling. ASME Press, 1996, ISBN 0-87263-467-1
[1] GIBSON, I. - ROSEN, D. W. - STUCKER, B.: Additive Manufacturing Technologies:
Rapid Prototyping to Direct Digital Manufacturing. Springer, 2010, ISBN 978-1-4419- 1119-3
Vedoucí bakalářské práce: Ing. Petr Zelený, Ph.D.
Konzultant bakalářské práce: Ing. Jiří Šafka, Ph.D.
V Liberci dne 15. března 2014
_____________________________________________________________________________
Platnost zadání bakalářské práce je 15 měsíců od výše uvedeného data (v uvedené lhůtě je třeba podat přihlášku ke SZZ).
Termíny odevzdání bakalářské práce jsou určeny pro každý studijní rok a jsou uvedeny v harmonogramu výuky.
Prohlášení
Byl jsem seznámen s tím, že na mou bakalářskou práci se plně vztahuje zákon č.
121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.
Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé bakalářské práce pro vnitřní potřebu TUL.
Užiji-li bakalářskou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.
Bakalářskou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím mé bakalářské práce a konzultantem.
Současně čestně prohlašuji, že tištěná verze práce se shoduje s elektronickou verzí, vloženou do IS STAG.
Datum:
Podpis:
TÉMA : Dokončovací operace na dílech z 3D tiskáren
ABSTRAKT:
Bakalářská práce pojednává o dokončování povrchu po vytisknutí na 3D tiskárně. Studie se zabývá rozborem a následným výběrem vhodných metod k eliminaci povrchových nedostatků po tisku s následnými pokusy na dílech a volby nejvhodnějšího postupu.
KLÍČOVÁ SLOVA: 3D tisk, ABS plast, dokončování povrchu, eliminace nedostatků, aceton
THEME : Finishing operations on parts from 3D printer
ABSTRACT:
The bachelor's thesis deals with surface finishing printed on a 3D printer.
The study deals with analysis and selecting appropriate methods to eliminate superficial defects after printing with subsequent attempts at parts and choosing the most appropriate procedure.
KEYWORDS: 3D print, ABS plastic, surface finishing, elimination of deficiencies, acetone
Zpracovatel : TU v Liberci, Fakulta strojní, Katedra výrobních systémů
Počet stran : 57 Počet příloh : 0 Počet obrázků : 30 Počet tabulek : 2 Počet modelů : 0 nebo jiných příloh: 0
PODĚKOVÁNÍ
Chtěl bych poděkovat mému vedoucímu bakalářské práce Ing. Petru Zelenému, Ph.D. a konzultantovi Ing. Jiřímu Šafkovi, Ph.D. za odborné vedení, cenné zkušenosti a odborný dohled.
Dále bych rád poděkoval své rodině a přítelkyni, kteří mě podporovali při studiu a při psaní této závěrečné práce.
7 OBSAH
ÚVOD 9
1. Rapid Prototyping 10
1.1. Historie 10
1.2. Technologie 3D tisku 11
1.2.1. Princip 12
1.2.2. Technologie FDM 13
1.2.3. Technologie PolyJet 14
1.2.4. Technologie SLM 15
1.3. Tiskové materiály 16
1.3.1. Technologie FDM 16
1.3.2. Technologie PolyJet 17
1.3.3. Technologie SLM 18
1.4. Tiskárny 19
1.4.1. Druhy tiskáren 19
1.4.1.1.Kartézké 19
1.4.1.2.Delta 20
1.4.1.3.Scara 21
1.4.1.4.Polární 21
1.4.2. Extrudér 22
1.4.2.1.Vliv na tiskoviny 22
1.4.2.2.Doplňující informace 22
1.4.3. Laser 23
1.4.3.1.Doplňující informace 23
1.4.4. Stavěcí plošiny 24
1.4.4.1.Vliv na tiskoviny 24
1.4.4.2.Doplňující informace 25
1.4.5. Hnací mechanismy 25
1.4.5.1.Jak fungují 25
1.4.5.2.Doplňující informace 25
1.4.6. Řídící deska 26
1.4.7. Displej 26
1.4.8. Zdroj napájení 26
1.5. Porovnání s CNC obráběním 27
1.6. Výhody a nevýhody 3D tisku 28
2. Úpravy povrchů 29
2.1. Chemické 29
2.1.1. Pomocí Methylethylketonu 29
2.1.2. Pomocí acetonových par 29
2.1.3. Vyhlazování 30
2.2. Mechanické 30
2.2.1. Omílání 30
2.2.1.1.Vibrační 30
8
2.2.1.2.Odstředivé 31
2.2.1.3.Brousící média 31
2.2.1.3.1. Keramické 31
2.2.1.3.2. Syntetické 31
2.2.1.3.3. Plastické 31
2.2.1.3.4. Kukuřičné klasy 32
2.2.2. Mikro tryskání 32
2.2.2.1.Brousící média 32
2.2.2.1.1. Granulát z ořechových skořápek 32
2.2.2.1.2. Ocelové kuličky 32
2.2.2.1.3. Skleněné či zirkonové korálky 32
3. Analýza vybraných metod 33
4. Realizace 3D objektů 33
4.1. Postup tisku 34
4.1.1. Stručný popis 34
4.1.2. Podrobný popis 34
5. Pokusy 41
5.1. Pomocí acetonových par 41
5.1.1. Postup metody 41
5.1.2. Průběh pokusu 42
5.1.3. Výsledky 44
5.2. Pomoci Methylethylketonu 48
5.2.1. Postup metody 48
5.2.2. Průběh pokusu 48
5.2.3. Výsledky 48
5.3. Pomocí mikro tryskání 51
5.3.1. Postup metody 51
5.3.2. Průběh pokusu 51
5.3.3. Výsledky 52
6. Vyhodnocení pokusů 53
6.1. Inovace ke zlepšení výsledků 55
6.1.1. Metoda 55 °C, 2x 30 sekund 55
6.1.2. Nátěry methylethylketonu 55
ZÁVĚR 56
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY 57
9 ÚVOD
Tato bakalářská práce je zaměřena na způsoby dokončovacích metod povrchu dílů vytisknutých na 3D tiskárně. Jedná se o popis rozdílných metod (mechanické, chemické) v závislosti na reakcích mezi materiálem a danou zušlechťující technologií.
Veškeré pokusy probíhaly v laboratořích v rámci Technické univerzity v Liberci pod záštitou Katedry výrobních systémů. Tato katedra disponuje zařízením, umožňujícím řešení problematiky (zařízení, pomůcky, materiály) týkající se povrchu zhotoveného dílu 3D tiskárnou, jež vykazuje nežádoucí strukturu (stopy po vrstvách).
Stávající metodou pro úpravu povrchu na KVS je methylethylketonový nátěr.
Používaný methylethylketonový nátěr při standartním postupu vykazuje stále nedostatky. Povrch dílu získá sice lesklý vzhled, ale struktura povrchu (vrstvení materiálu) je znatelná opticky i dotykem. Bylo třeba nalézt jiné, účinnější řešení dokončovacích operací. Pro řešení tohoto problému bylo nutné provést analýzu výrobku v závislosti na jeho chování v zatěžujícím prostředí (chemické, mechanické).
V úvodu práce se nachází pohled do historie 3D tisku jak ve světě, tak u nás, různorodost používaných technologií pro zhotovení objektů, jejich materiálová rozdílnost. Další kapitola je věnována možným úpravám povrchu v závislosti na druhu a době trvání zátěže působící na vytisknuté díly. Kapitola 3 „Analýza vybraných metod“
jasně vypovídá o konkrétním výběru metod použitých při testování (acetonové páry, methylethylketon a otryskávání) v závislosti na různých faktorech (cenová dostupnost, složitost, časová náročnost). Následující kapitola popisuje postup a proces tisku s podrobnou fotodokumentací. Předposlední kapitola se zaměřuje na testování zvolených technik, popis postupů, průběh procedur a doprovodnou fotodokumentaci. Závěrečná kapitola uvádí zhodnocení dosažených výsledků po testování (ztráta detailů, výsledný povrch).
10 1. Rapid prototyping
1.1. Historie
Rapid prototyping je skupina technologií, která je používána k rychlé výrobě maket, prototypů součástí či celých sestav za pomoci trojrozměrných dat v podobě formátů CAD. První metody rapid prototyping se objevují již v roce 1980. Tato technologie byla věnována zejména výrobě modelů a prototypových dílů v širokém spektru zaměření (design, letectví). Historické průzkumy RP technologie začaly diskuzi o výrobních technikách používaných sochaři v 19. století. Někteří moderní sochaři používají nástupce původní technologie na výrobu expozic. V roce 1980 se američtí politici a průmysloví manažeři jasně shodli na tom, že americká dominance v oblasti výroby obráběcích strojů postupně upadá, až zcela vymizí. Tento nežádoucí stav pojmenovali jako „krizi obráběcích strojů“. Řada projektů se snažila čelit novým trendům (Prototyping) v tradiční oblasti CNC zařízení se zaměřením na systémy CAM, vzniklé v již zmíněných Spojených státech amerických. Po určité době, kdy RP působil jen v oblasti laboratorních výzkumů, bylo možné tyto technologie představit komerčnímu trhu. Vývoj nových technologií nebyl územně spjat jen s oblastí USA, ale postupoval dále na mezinárodní úroveň. Prvenství RP v tomto směru nebylo tudíž náležitě oceněno.
Roku 1997 se v Evropě a v Japonsku objevila zpráva, v níž Joseph J. Beaman (zakladatel společnosti DTM Corporation) podrobně prozkoumal a zhodnotil historický pohled na metodu RP. Tvrdí, že „…kořeny RP technologie mohou být vysledovány v praktikách topografie1 a photosculptuře2…“. Příkladem je uveden J. E. Blanther (kartograf, 19. století), který navrhl metodu vrstvení materiálu na výrobu formy pro zvýšený reliéf papíru topografické mapy. Výroba spočívala v procesu vyřezávání papírových desek (vrstevnic) postupně skládaných na sebe. Kompozice procedury vyjadřovala prostorové znázornění daného objektu (reliéf krajiny, mapy). Joji Matsubara (1974, Mitsubishi Motors Corporation) se také zajímal o topografické procesy, díky kterým dospěl až k objevu fotovytvrzení fotopolymerní pryskyřice.
Formy zhotovil postupným nánosem tenkých vrstev na sebe s následným vytvrzením (každý nános vrstvy byl ihned vytvrzován).
1 Topografie je vědní obor studující povrchové útvary na povrchu Země.
2 Photosculptura je technika z 19. století, určená k vytvoření přesné trojrozměrné repliky objektů.
11
Nejzajímavější zmínka o záznamu ve 3D provedení byla o umělci Francois Willeme. Willeme (v roce 1860) rozmístil 24 fotoaparátů v kruhovém poli a všemi současně vyfotografoval vybraný objekt. Silueta jednotlivých fotografií (24 siluet) sloužila k výřezu repliky (vyfotografovaného předmětu).
Poprvé byla v České republice 3D tiskárna použita v roce 1996 firmou Škoda.
Společnosti využívající tyto technologie (3D tisk) patří k největším firmám nejen na českém trhu, ale i v zahraničí (Škoda Auto, Tescoma).
V současné době se tyto technologie stále vyvíjejí a rozšiřují své využití na trhu, jak po stránce kapacitní, kvalitativní, tak materiálové (kombinace různorodých materiálů).
Využití je v celé řadě oborů (strojařství, design, šperkařství, lékařství,…) díky výrobě kvalitních dílů v relativně malém množství.[1]
1.2. Technologie
Pomocí 3D tisku lze vytvořit náročné tvary a konstrukce, které nelze zhotovit jiným způsobem. Tato technologie je vhodná zejména pro časově nenáročnou, kusovou a malosériovou výrobu. Hojně se využívá pro tvorbu prototypů.
Vývoj započal v 80. letech, kdy byla vyvinuta technika stereolitografie3. V současné době se tisk modelů a prototypů (prezentačních i provozuschopných) využívá především v oblasti vývoje forem a konstruování nástrojů. Své využití také nalézá v oblasti konstrukce, kde se ověřují přesně určené vlastnosti výrobku.
RP modely mohou být použity pro testování, jako je např. kontrola tvaru lopatek ve větrném tunelu. Dále mohou být použity k vytvoření negativů dutin např. silikonových forem.
Velké úsilí je věnováno zdokonalení softwarových i hardwarových technologií, které by umožnily provádět celý vývojový proces výrobku na digitálním modelu přímo v CAD systému (vizualizace, renderování, dynamické analýzy, apod.). Ukazuje se ovšem, že potřebou současných designérů a konstruktérů je pracovat spíše s modelem fyzickým, u kterého se dá snadněji měnit design, odstraňovat případné chyby, kontrolovat smontovatelnost, opravitelnost, ergonomie nebo provádět funkční zkoušky.
Všechny tyto výhody fyzického modelu mají ve finále za následek zrychlení celého procesu vývoje výrobku. Výroba modelů a prototypů klasickými technologiemi je ale velmi náročná a zdlouhavá. Jako nejvhodnější cesta, splňující většinu požadavků
3 Metoda vytvářející objekty pomocí postupného vytvrzování polymerů
12
konstruktéra, se jeví RP, což je technologie rychlá a umožňuje přímou vazbu na vývojové prostředí, tedy na CAD/CAM systém. [2]
1.2.1. Princip
Podobně jako u CNC metody CAD/CAM, tak i u RP procesu začíná procedura vytvářením geometrických dat, a to buď jako 3D těleso, nebo pomocí 2D řezů. Data o objektu jsou aproximována pomocí trojúhelníků (tzv. triangulace). Parametry triangulace ovlivňují výslednou přesnost modelu a lze je nastavit. První volitelnou hodnotou je Chord Height, což je maximální přípustná tangenciální chyba v mm.
Druhým parametrem je Angle Control, který určuje maximální přípustný úhel mezi dvěma trojúhelníky.
V případě RP musí tato data tvořit platnou geometrickou předlohu, tj. model, jehož hranice plochy uzavírají konečný objem, neobsahují žádné otvory odhalující vnitřek.
Jinými slovy, objekt musí mít „vnitřní“ část. Model je platný, pokud pro každý bod v 3D prostoru je možné určit polohu bodu, zda se nachází uvnitř či vně vzhledem k povrchu modelu. CAD postprocesory převedou CAD geometrické tvary (např. B- spline) na zjednodušenou matematickou formu, což je vyjádřeno v určitém datovém formátu, tzv. STL model. Většina dnešních CAD/CAM systémů poskytuje ukládání dat v tomto formátu. Data jsou dále převedena do SLI formátu specifickým softwarem, dodávaným se systémy na RP, který speciální výpočtovou metodou „rozřeže“ 3D model na jednotlivé vodorovné řezy zvolené výšky. Obvyklá výška vrstev je 0,1 až 0,4 mm.
Tyto vrstvy mají konstantní tloušťku, která je důležitým faktorem ovlivňujícím přesnost výtisku a vykreslení detailů (rozměrová přesnost a výsledná drsnost povrchu). Tento software nám také dovolí provádět další pomocné operace jako např. změna měřítka rozměrů součásti, zkoušení a oprava chybných STL dat nebo navržení podpůrné konstrukce. Takto vytvořená data jsou odeslána do výrobního stroje pro RP. Na rozdíl od klasického obrábění se materiál neubírá, ale naopak je po vrstvách přidáván. Model je stavěn na základní desce, která po dokončení každé vrstvy poklesne dolů právě o tloušťku této vrstvy. 3D tisk je tedy založen na postupném nanášení vrstev materiálu.
Tímto postupem vzniká výsledný produkt. Princip spojování jednotlivých vrstev se liší podle způsobu zvolené výrobní technologie a zvoleného materiálu (zapékání práškového materiálu laserem, vytvrzování tekutého kompozitu laserem, vytvrzování pomocí UV lampy, vytvrzování chladnutím). [2]
13 1.2.2. Technologie FDM
Jedná se o jednu z nejrozšířenějších metod profesionálního 3D tisku, která stála zároveň u zrodu levných 3D tiskáren.
Fused Deposition Modeling (FDM) si lze představit jako nadmíru přesné kreslení horkou lepící pistolí. Funguje tak, že se tryskou vytlačuje materiál o tloušťce jedné vrstvy, základní deska se pak posune svisle dolů a proces se opakuje. Tryska tiskárny obsahuje odporové ohřívače, které roztaví plast. Teplota trysky je vyšší pouze o 1 °C, než je teplota tání materiálu. Ten je následně protlačován špičkou trysky a tvoří vrstvy.
Vytlačovaný plast se nalepuje na předešlou vrstvu a ihned tvrdne. Opakováním tohoto procesu se vytvoří objekt vrstvu po vrstvě. Kvalita tisku touto technologií do jisté míry závisí na výšce vrstvy (slabší průřez » měně nápadné vrstvy a hladší tištěné objekty).
Tloušťka vrstvy se obvykle pohybuje v rozmezí 75 (o něco tenčí než papír) až 300 mikrometrů. FDM technika je používána na stolních a méně nákladných profesionálních tiskárnách.
Celý proces začíná za pomoci softwaru, který určí, jak bude vypadat vytlačované vlákno každé vrstvy modelu, tzv. příprava ke stavbě modelu. Tiskárny se dvěma či více tiskovými hlavami můžou tisknout více barev nebo použít podpůrné materiály ke stavbě lešení převislých částí složitých tisků. V obou případech je možné při FDM tisku použít pouze jednu tiskovou hlavu a přepínat mezi materiály či barvami.
K samotnému procesu tisku dochází díky motoru, který dopravuje vlákno do topného elementu. Materiál taje při teplotě pohybující se obvykle v rozmezí 170 až 240 °C, v závislosti na typu použitého plastu. Vlákno vzniká roztavením suroviny, následně se vytvrdí chladnutím a zároveň se spojí se spodní vrstvou. Pohyb v osách X a Y (horizontální) je realizován tiskovou hlavou, pohyb v ose Z (vertikální) je zajištěn stavěcí platformou. Tímto postupem je objekt postaven vrstvu po vrstvě od zdola nahoru. V případě FDM tisku se používají dva druhy materiálu pro různé účely. Stavěcí, ze kterého je samotný objekt a podpůrný pod převisy, aby se předešlo vytlačování materiálu „do vzduchu“. Musíme vzít ohled na možné potíže při tisku ostrých úhlů a převisů, i když se jedná o velice flexibilní proces. Změnou vhodné orientace na stavěcí ploše lze tento problém jednoduše vyřešit.
Tisk závisí na velikosti vyráběného objektu. Malé objekty (jen několik krychlových centimetrů) a vysoké, tenké předměty se tisknou rychle, zatímco větší nebo geometricky složitější objekty se tisknou déle. Ve srovnání s jinými metodami 3D tisku, jako je
14
např. stereolitografie (SLA) nebo selektivní laserové spékání (SLS), je FDM poměrně pomalý proces.
V případě, že je při tisku použit nosný materiál, je třeba ho po dokončení odstranit.
Tento materiál se následně jednoduše odlomí či rozpustí. Ke zlepšení jakosti povrchu je možné využít broušení. Jedná se o běžný způsob, jak snížit nebo odstranit viditelné nerovnosti vrstev modelu. Avšak, broušení výtisku může být časově náročné. Zároveň není vhodné pro plochy se složitými tvary či detaily, o které bychom mohli přijít.
Broušení také nemusí být účinné pro všechny materiály. Další způsobem úpravy některých plastů (např. ABS) je použití acetonových výparů. Aceton po zahřátí vytvoří páry, ty vyhlazují povrch objektu a slijí přechod mezi různými vrstvami a barvami.
Výsledný povrch je lesklý, podobný glazované keramice.
FDM se také používá k výrobě finálních dílů – zejména malých detailních částí a speciálních výrobních nástrojů. Některé termoplasty mohou být použity dokonce v potravinářství a k balení léků. [3]
1.2.3. Technologie PolyJet
Tato technologie připomíná tradiční inkoustovou papírovou tiskárnu v mnoha směrech více, než jiné 3D tiskové procesy. Tisková hlava se pohybuje nad stavěcí oblastí a vytlačuje fotopolymer (plast reagující na světlo). Součástí tiskové hlavy jsou UV lampy. Ty ozařují materiál, který prošel tryskou a tím ho vytvrzují. Opakováním tohoto procesu se buduje objekt vrstvu po vrstvě. Tiskárny založené na tomto principu jsou často schopny tisknout pomocí více materiálů najednou. Suroviny mohou být umístěny odděleně v modelu, dokonce je lze kombinovat během procesu a tím účinně násobit materiálové typy během tisku. PolyJet technologie je vhodná pro výrobu prototypů, má velké rozlišení (výška jedné vrstvy až do 16 mikrometrů - je sotva patrná na dotek) a schopnost zobrazit odpovídající vzhled, pocity a funkce požadovaného konečného výrobku.
Multimateriálový aspekt tisku je výraznou výhodou tohoto procesu. Při přípravě modelu pro tisk umožňuje software uživateli vybrat, které části modelu budou vytištěny pomocí dostupných materiálů nebo jejich kombinací. Tisková úloha tedy může být nastavena tak, aby se kombinací materiálů zhotovil objekt, který bude mít např. tvrdé a tuhé funkční části s pružnou rukojetí.
Základní materiály se dopravují v kapalném skupenství, které je poté tryskáno na stavěcí desku pro vytvoření vrstvy. Nosným materiálem je zde gel, který se používá
15
jako podpora převisů a složitých geometrií. UV záření následuje tiskovou cestu tak, aby každá nanesená vrstva byla vytvrzena a připravena na další nános. Proces vytvrzování podnítí chemickou polymerizační reakci, která způsobí, že plast zaschne a vytvoří se z něj pevná látka, jež je upevněna na místě. PolyJet tiskárny jsou relativně velké stroje.
Často umožňují současnou výrobu několika objektů, které jsou vytištěny v jednom cyklu. To umožňuje vysokou produktivitu nebo tisk velkých objektů. Schopnost tisknout pomocí smíšených materiálů eliminuje potřebu navrhovat a tisknout každou část z jednotlivých materiálů samostatně a sestavovat je až po dokončení, čímž se zkracují výrobní časy.
Po dokončení procesu se nosný materiál (gel) snadno rozpustí pomocí vody.
Odstraňování lze snadno urychlit použitím proudu tlakové vody.
Na rozdíl od jiných RP procedur je výrobek dokončen krátce po vyjmutí ze stroje, nevyžaduje žádné další zdlouhavé zpracování. [3]
1.2.4. Technologie SLM (selective laser melting)
K selektivnímu laserovému tavení se používá laser, který v prostoru vyplněném inertním plynem taví kov ve formě prášku. Po dokončení vrstvy se stavěcí deska pohne směrem dolů. Automatizovaný válec nanese novou vrstvu práškového materiálu, který se opět roztaví a vytvoří další vrstvu. SLM je vhodné tam, kde je potřeba dosáhnout velkých pevností. Vysoké teploty umožňují výrobu pevných dílů, které odpovídají charakteristikám cílového materiálu. SLM je aditivní výrobní technologie podobná selektivnímu laserovému spékání (SLS). Hlavní rozdíl mezi nimi je, že SLS slinuje materiály, tj. teploty zpracování jsou pod teplotou tání, dokud se částice navzájem nespojí, naproti tomu SLM taví materiál. Ve vzniklé tavné lázni je materiál sloučen tak, že po ochlazení tvoří pevnou strukturu.
Výstavba se provádí na lůžku s práškem, které je neprodyšně uzavřené v komoře naplněné inertním plynem (argon nebo dusík) eliminujícím nežádoucí účinky oxidace.
Lože, na které je prášek, má zvýšenou teplotu z důvodu dosažení optimální teploty tání.
Během výroby pak automatizovaný váleček nanáší tenkou vrstvu práškového materiálu napříč stavěcí komorou. Laser se začne pohybovat nad práškem a tavit z něj průřez objektu. Nová vrstva materiálu se poté rozloží na vrchní část předchozí vrstvy a laser zahájí tvorbu dalšího průřezu. Po dokončení objektu je díl obklopen nespečeným, přebytečným práškem. Tento nezpracovaný materiál je zároveň použit jako podpora
16
pro složité geometrie a převisy, které vyžadují speciální podpory (materiály) v případě jiných 3D tiskových procesů.
Po dokončení tisku se nechá model a přebytečný (podpůrný) materiál vychladnout.
Zbylý materiál je znovu zpracováván nebo recyklován. Tento proces probíhá za vysoké teploty, potřebné k dosažení vysoké hustoty materiálu. Proces je doprovázen zbytkovým pnutím, které vyplývá z vysokých tepelných přechodů v materiálu. To může způsobit zkreslení, trhliny nebo delaminace (oddělení vzájemně propojených vrstev). Objekty vytvořené pomocí této technologie jsou podobné těm, které jsou vytvářeny sériovou výrobou. Často nevyžadují speciální povrchové úpravy a mohou být dále snadno obrobeny. [3]
1.3. Tiskové materiály 1.3.1. Technologie FDM
FDM tiskárny jsou zásobovány vláknem zejména z termoplastu či ze směsi termoplastu a organického materiálu, obvykle dodávaného v návinu na cívce.
Nejpoužívanější tiskový materiál pro FDM je akrylonitril-butadien-styren neboli ABS.
Jedná se o termoplast, který má široké použití od LEGA kostek až po kánoe. Některé FDM stroje tisknou spolu s ABS i jinými termoplasty, jako je polykarbonát (PC), nebo polyethermidu (PEI).
Dále používaný materiál v FDM tiskárnách je Polylactid (PLA). PLA je jasnou volbou v případě domácího 3D tisku, protože je biologicky rozložitelný a nevydává nepříjemné chemické výpary během procesu tisku. Jako podpůrné materiály se používají vosky rozpustné ve vodě, směsi obsahující dřevo a kámen nebo křehké termoplasty, jako polyphenylsulfone (PPSF). V případě domácího tisku je FDM tiskárna ideální volbou, protože tiskové materiály jsou relativně levné. Naproti tomu mají profesionální FDM tiskárny schopnost protlačit vyspělejší termoplasty, které mají např. protipožární vlastnosti (zpomalení hoření).
Termoplasty dobře snáší teplo, chemické a mechanické namáhání, což je činí ideálními materiály pro tisk prototypů, které musí odolávat testování. [3]
17 1.3.2. Technologie PolyJet
Zde se využívá fotopolymerních materiálů, od pevných až po gumy a od neprůhledných po průhledné. Například elastické a pevné materiály, mohou být kombinovány v různých poměrech tak, abychom získali materiál s řadou různých pevností v tahu, ohybu a odolností vůči silovým účinkům. Toho je docíleno za pomoci standartních fotopolymerních tekutých pryskyřic v konkrétních koncentracích a poměrech směsí, vytvářených během tiskového procesu tak, aby vznikl nový požadovaný materiál. Za pomoci PolyJet technologie je možno vytvářet různé zubní a lékařské materiály, které jsou biokompatibilní.
Digitální materiály
Duální tryska nám umožňuje vyrábět digitální materiály, tj. kompozitní materiály s předem stanovenými mechanickými vlastnostmi. Tyto materiály jsou vyráběny přímo v 3D tiskárně kombinací standartních PolyJet fotopolymerů ve specifických koncentracích. Následně jsou vytvořeny struktury, které poskytují požadované mechanické a vizuální vlastnosti. Každý z více než 100 digitálních materiálů je založen na kombinaci 17 základních PolyJet fotopolymerů.
Digitální ABS
Digitální ABS je navržen tak, aby napodoboval standartní ABS plast. Kombinuje odolnost vůči vysokým teplotám s houževnatostí. Digitální ABS2 má tyto vlastnosti a navíc vynikající tuhost a houževnatost u stěn slabších než 1,2 mm.
Materiály s tepelným odporem a rozměrovou stabilitou
Materiál je schopný simulovat tepelné vlastnosti konstrukčních plastů a je ideální pro různá testování, jako je proudění teplého vzduchu nebo průtok teplé vody v potrubí a armaturách.
Transparentní (průhledný)
Jedná se o víceúčelový průhledný PolyJet fotopolymer pro standartní simulaci plastů.
Vyniká spojením vysoké rozměrové stability s hladkostí povrchu. Transparentní materiál je tuhý, téměř bezbarvý a má prokázanou rozměrovou stabilitu pro všeobecné použití, jemné detaily modelu a vizuální simulaci průhledných termoplastů, jako je PMMA.
Pevný, neprůhledný
Fotopolymer poskytující detailní vizualizaci v šedé, černé, bílé a modré barvě.
Umožňuje tisknutí přesných, zajímavých prototypů, na kterých se testuje forma a funkce, a to i u pohyblivých nebo smontovaných dílů.
18 Gumové
Gumové materiály nabízí celou řadu vlastností elastomerů včetně Shoreho stupnice tvrdosti, prodloužení při přetržení, odolnost proti roztržení a pevnosti v tahu.
Bio-kompatibilní
Bio-kompatibilní fotopolymer je tuhý zdravotní RP materiál. Vyznačuje se vysokou rozměrovou stabilitou a je bezbarvý. Tento materiál je ideální pro aplikace, které vyžadují delší styk s pokožkou (více než 30 dnů) a krátkodobý kontakt slizniční membrány (až do 24 hodin). Nabízí vynikající vizualizaci a velkou rozměrovou stabilitu. Vhodný např. pro výrobu naslouchátek.
Dentální materiál
Jsou určeny především pro digitální stomatologii a ortodoncii, včetně kamenných modelů a rovnátek. Tyto pevné, neprůhledné materiály mají přirozené broskvové, tělové barvy a kombinují přesnou detailní vizualizaci s vysokou rozměrovou stabilitou. [3][4]
1.3.3. Technologie SLM
Na rozdíl od SLS mohou být materiály používané v SLM v jedné formě (prášek), která umožní hustší, méně porézní stav. Druhy dostupných materiálů pro tento proces jsou z nerezové oceli, nástrojové oceli, slitiny kobaltu a chromu, titan a hliník. Jiné materiály jsou v současné době ve vývoji, ale musí vykazovat určité vlastnosti toku, aby byl procesu schopný. [3]
19 1.4. Tiskárny
Tiskárny, podobně jako auta, existují v několika různých druzích, kde každá má svá pro a proti.
1.4.1. Typy tiskáren 1.4.1.1.Kartézské
Jedná se o pravoúhlé tiskárny se čtvercovým či obdélníkovým půdorysem stavěcí plošiny. Jednotlivé osy X, Y a Z jsou na sebe kolmé. Pohyb je konán ve čtvercové mřížce. Mechanismy a software, které zajišťují pohyb, mohou být jednodušší, protože se jedná o méně složitou geometrii pohybu. Tento design je založen na principu tradičního CNC frézování. První tiskárny byly právě tohoto typu a byly vytvořené firmou Stratasys. Kartézský styl je používán od nejnižších po nejvyšší řady tiskáren. [3]
Obr. 1: Schéma kartézské tiskárny [5]
20 1.4.1.2.Delta
Tiskárna typu delta používá tři paže pro pohyb tiskové hlavy, která se nachází v jejich středu. Navzdory tomu, že ramena jsou k sobě připevněna, má tisková hlava rozsáhlé spektrum volného pohybu a zůstává rovnoběžná se stavěcí deskou. Paže jsou rozmístěné v kruhu po 120° okolo stavěcí plošiny. Jedná se o složité pohyby vypočtené pomocí trigonometrie. Tato konstrukce umožňuje tisknout velké a zároveň vysoké díly, což je velmi efektivní. Nevýhodou je náročnost na software, který vypočítává složité geometrie dráhy hlavy. Tato komplikace způsobí nižší rozlišení ve srovnání s jinými typy tiskáren. [3]
Obr. 2: Schéma delta tiskárny [3]
21 1.4.1.3.Scara
Tyto tiskárny jsou charakteristické tím, že používají 2 paže spojené kloubem pro přesun tiskové hlavy. Někdy jsou nazývány jako kloubové, protože uspořádání paží je podobné lidským. Tisková hlava koná horizontální pohyb a stavěcí plošina vertikální.
Scara tiskárny byly původně vyvinuty právě z důvodu snížení nákladů na konstrukci (jednoduchost, levnější materiály). [3]
Obr. 3: Schéma scara tiskárny [3]
1.4.1.4.Polární
Polární tiskárny používají 2 osy rotace pro pohyb stavěcí platformy. Tento druh je jednoduchý na zkonstruování, protože na rozdíl od složitějších typů potřebuje pouze dva motory. Složitá rotační geometrie se promítá do chyb, např. při změně měřítka dílu.
Dalšími nevýhodami jsou software, který se obtížně navrhuje z důvodů složité matematiky. Dále také komplikovaná konstrukce plošiny s vyhříváním, protože se neustále pohybuje a rotuje. [3]
Obr. 4: Schéma polární tiskárny [3]
22 1.4.2. Extrudér (vytlačovací tryska)
Kromě obvodů a mikroprocesorů je extrudér nejdůležitější částí FDM tiskárny, obvykle také nejdražší. Paradoxně vychází z relativně jednoduché technologie.
Máme-li na paměti, že ne všechny extrudery budou fungovat na všech tiskárnách, je dnes možné postavit nebo koupit zakázkové extrudery, které umožňují tisk více vláken současně, míchání barev a materiálů, tisk čehokoliv od čokolády po beton, tekutých kovů, ale i buněk. [3]
1.4.2.1.Vliv na tiskoviny
Rychlost vytlačování je veličina, která udává, jakou rychlostí materiál opouští tiskovou hlavu. Tiskárny s vysokými vytlačovacími rychlostmi jsou schopny vytvořit díl za kratší dobu, protože drží krok s rychle se pohybujícími tiskovými hlavami. Toto je ale podmíněno nižší kvalitou.
Některé tiskárny mohou být opatřeny více extrudéry nebo mohou být napojeny na více vláken najednou. Protože nelze aplikovat více vytlačovacích hlav, lze je střídat a tím získat vícemateriálové či barevné výtisky. Tiskárna opatřená multivytlačovací hlavou je nesmírně výhodná, protože je možné současně tisknout podpůrný a stavěcí materiál. To je velmi výhodné u tvarově složitějších objektů. [3]
1.4.2.2.Doplňující informace
Některé extrudéry mají komponenty vytvořené pomocí 3D tisku. V případě nižší kvality mohou tyto komponenty způsobovat problémy. Obecně platí, že díly vytvořené technologií vstřikování jsou méně náchylné na selhání, než tištěné. V ojedinělých případech může dojít k prokluzování pohyblivých součástí, což má za následek pokles kvality tisku. Požadavkem je vyrobit kritické komponenty pomocí kvalitnější technologie tisku.
Přidáním ventilátoru do vrchní části extrudéru může dojít ke zlepšení výkonu.
Chlazením vlákna před vstupem do trysky, lze regulovat rychlost vytlačování, tzn. vlákno se netaví příliš brzy.
Důležitou informací je teplota, které může extrudér dosáhnout. [3]
23 1.4.3. Laser
Pokud vyžadujeme vysoce kvalitní tisk, je nutná přítomnost laseru. V současné době se tato technologie jeví jako drahá alternativa FDM technologie. To je zapříčiněno vysokou pořizovací cenou laserů (nejdražší část celého stroje). V případě SLA technologie se používá k vytvrzování pryskyřic. Nejčastější jsou helium-kadmiové (HeCd) nebo argon-iontové lasery. Každý z nich má své nároky na napájení a odlišné frekvence. Ve zkušební fázi jsou některé polovodičové a pokročilé technologie laserů pro SLA. Laser je obvykle umístěn rovnoběžně s hladinou kádě a její hladiny dosahuje pomocí zrcadla. Ve vzácných případech je připevněn k pohyblivému rámu. [3]
1.4.3.1.Doplňující informace
Lasery jsou v některých situacích nebezpečné, proto je nutné mít za chodu stroje ochranné oční pomůcky. To se stává pravidlem v případě tiskáren, které mají laser pod stavěcí platformou. Díky konstrukci je nebezpečí zasažení očí paprskem soustředěných fotonů právě u stolních tiskáren.
Lasery se mohou lišit model od modelu, protože jsou konstruovány k produkci paprsku o určité frekvenci. Pryskyřice je vyvíjena k vytvrzování na konkrétní frekvenci tak, aby odpovídala frekvenci příslušného typu laseru. Na rozdíl od FDM materiálů je pryskyřice méně kompatibilní materiál pro různé typy tiskáren. Většina SLA tiskáren může pracovat pouze s pryskyřicemi vyvinutými společností, která zároveň vyrobila i tiskárnu. Taková originalita materiálu činí z pryskyřice velmi drahý tiskový materiál.
[3]
24 1.4.4. Stavěcí plošiny
Všechny FDM tiskárny tisknou na stavěcí platformu. Těchto stavěcích plošin je široká škála, vyhřívané či nevyhřívané, dále jsou hliníkové, skleněné nebo z tepelně odolného plastu. Před nanesením první vrstvy jsou tyto platformy obvykle pokryty malířskou páskou z důvodu snadného sejmutí hotového dílu. Objekty menších velikostí z PLA plastu lze snadno tisknout na nevytápěnou desku. Naopak pro ABS plast nebo nylon je nezbytně nutné tisknout na vyhřívané plochy. U velkoobjemových tisků je použití vyhřívané platformy vhodné pro zmírnění deformace.
Realizace vytápění je pomocí rezistorů připevněných na spodní části vodivé plochy.
Řízení odporů je zde vyřešeno senzorem tepla a mikroprocesory. Pokud není tiskárna opatřena vyhřívanou platformou, je možné provést vylepšení výměnou platformy. [3]
1.4.4.1.Vliv na tisk
Rozměry stavěcí platformy nám vymezují maximální rozměry výtisku (délku a šířku), které je možno vytisknout na dané tiskárně. 3D tiskárny se dají dělit podle velikosti stavěcích desek a podle objemů, které lze vytvořit na daném stroji. Tiskárny, které jsou kompaktní, snadno ovladatelné a málo nákladné, budou omezeny stavěcí plochou. Největší stavěcí plochy mají tiskárny typu delta. Větší platformy mají výhodu v tom, že nám dávají určitou flexibilitu ohledně množství, velikosti a rozmístění objektů.
Větší díly z PLA a ABS plastu nezbytně potřebují vyhřívanou platformu, naopak pro malé a střední výtisky z PLA není nezbytná. Horká deska udržuje vytištěné vrstvy teplé, zatímco vrchní se ještě tisknou. To napomáhá k následnému rovnoměrnému chladnutí, které nedoprovází nežádoucí zkroucení a deformace. Rovnoměrně rozprostřená teplota zamezí praskání a trhání vrchních vrstev, ke kterému může vlivem rozdílných teplot dojít. Pokud i přesto dochází k poškození výtisků, bývá to zapříčiněno nežádoucím prouděním chladného vzduchu do komory. Řešením je jednoduché orámování vstupních dveří do komory tiskárny. [3]
25 1.4.4.2.Doplňující informace
Jak již bylo řečeno, některé materiály potřebují vyhřívanou stavěcí platformu.
Provoz takto upravené desky je energeticky náročný, proto jsou tiskárny opatřeny alternativním zdrojem energie nebo obsahují modernější zdroje.
Snažíme se zabránit nežádoucímu chladnutí, ale v některých případech to může být výhodné. Zejména tam, kde by materiálu trvalo zchladnutí příliš dlouho (např. nylon).
Pokud by materiál nebyl chlazen, mohlo by dojít k propadání vrstev důsledkem dlouhého setrvání v kapalném stavu. Chlazení je obvykle zajištěno externím ventilátorem. [3]
1.4.5. Hnací mechanismy
Pro pohyb ve směru X, Y a Z je v tiskárně několik mechanismů. Tisková hlava zajišťuje pohyb v osách X a Y, což vystačí na vytvoření vrstvy průřezu. Existují různé způsoby pohybu v osách, které se mohou lišit mezi tiskárnami. Některé tiskárny mají tiskovou hlavu, která se pohybuje v osách X a Y a stavěcí deska se pohybuje pouze v ose Z. Výjimečně se objevují tiskárny, u kterých se hlava nepohybuje vůbec, zatímco platforma zabezpečuje pohyb ve všech osách. Pohyb extrudéru a desky je realizován pomocí závitových kovových tyčí, kladek a řemenů. Každá z os obsahuje přesný krokový motor, který pohání mechanismy. [3]
1.4.5.1.Jak fungují
Krokový motor se přírůstkově otáčí dle údajů zaslaných ovládací deskou ve formě X a Y údajů. Tento inkrementální pohyb otočí ozubenými koly, která se pohybují na řemenu, tyči nebo řemenici. Ty pak posouvají tiskovou hlavou v jednotlivých osách.
V některých případech jsou použity senzory (optické či mechanické) ke snímání vzdálenosti hlavy od krajních mezí. Pohyb v ose Z nejčastěji zajišťuje kovový šroub, který je poháněn krokovým motorem. Tento motor otáčí šroubem v přesných krocích a tím se stará o zvedání či spouštění platformy. [3]
1.4.5.2.Doplňující informace
Ke zlepšení povrchu tisku můžeme jednoduše dospět výměnou řemene pohonu za kvalitnější, z důvodu eliminace prokluzování. Ke špatnému rozlišení mohou vést i špatně obrobené kovové tyče nebo šrouby v konstrukci tiskárny. [3]
26 1.4.6. Řídící deska
Každá tiskárna obsahuje palubní mikroprocesor, který přijímá příkazy a převádí je do mechanického pohybu. Ovládací panel definuje pozici extrudéru a platformy během tisku. Dále také řídí vlastnosti extrudéru, tj. jak má být horký pro roztavení vlákna, v jakém množství a jak rychle má být materiál vytlačován v průběhu tisku. Dále řídí teplotu vyhřívané desky (pokud ji tiskárna obsahuje) a také ventilátory. V některých případech je řídící deska opatřena paměťovou jednotkou, která je na ni připájena. To umožňuje odpojit počítač a tiskárna bude dále pokračovat v tisku. Řídící deska spolu s extrudérem jsou nejdražší součásti 3D tiskárny. Díky společnosti Arduiono, která se zabývá výrobou hardwaru (řídících jednotek, mikroprocesorů atd.), lze snadno postavit a přizpůsobit stroj dle vlastních představ. Tato společnost nabízí řadu součástek a díky tomu si 3D tiskárnu může postavit kdokoliv. [3]
1.4.7. Displej
Některé tiskárny nemusejí být nutně připojeny k počítači, který by ho ovládal.
Takové stroje jsou opatřeny displejem s tlačítky nebo dotykovou obrazovkou. Pomocí displeje je možno procházet menu, ve kterém lze kalibrovat zařízení, načíst nebo uvolnit vlákno, začít tisk, zobrazit tiskovou frontu, předehřát extrudér nebo stavěcí platformu atd. Každá tiskárna obsahuje určitý typ displeje k ovládání základních funkcí. Díky tomu není nutný zapnutý počítač během doby tisku, který může trvat desítky hodin. [3]
1.4.8. Zdroj napájení
Napájení je další z dražších součásti 3D tiskárny. Jedná se o box, podobný tomu v počítači, který se stará o převádění a regulaci elektrické energie. Je běžné, že se tiskárna rozšiřuje o různé komponenty, např. další ventilátor, výměna platformy za vyhřívanou a jiné součásti závislé na elektrické energii. Některé zdroje umožňují jednodušší rozšíření, protože obsahují extra svorky pro napájení. To se ale nebude týkat většiny tiskáren koupených v obchodě. Existují zdroje s UPS funkcí (tj. záložní zdroj), které zajišťují dodávku energie v případě výpadku a jsou vhodné tam, kde k výpadkům často dochází. Díky tomu lze dokončit proces tisku. [3]
27 1.5. Porovnání s CNC obráběním
Pomocí RP je možné vyrobit objekty jakýchkoliv tvarů. Touto technologií lze produkovat dutá tělesa nebo rovnou celou sestavu, skládající se z několika dílů.
U obrábění je jedno velké omezení – musíme zajistit dostatek místa pro nástroj, který vytváří příslušný tvar. Některé tvary jsou někdy nevyrobitelné, např. ostrá vnitřní hrana.
Jedna z možných nepříjemností či nevýhod může být upínání do svěráku. To v některých případech omezuje přístup nástroje k obrobku a je nutná změna orientace dílu.
Náklady na CNC obrábění jsou přímo závislé na tvaru součásti. Čas potřebný pro přípravu řídícího programu se prodlužuje se složitostí součásti. Malé nástroje, vhodné na výrobu drobných detailů, mají nízké hodnoty řezných podmínek, což prodlužuje strojní čas. Tyto faktory zvyšují náklady. U 3D tisku se náklady odvíjejí od spotřebovaného materiálu a času, potřebného k výrobě součásti.
V případě RP technologií není nutné připravit a upínat polotovar. Pouze se v některých případech odstraní podpůrný materiál.
Vytvoření NC programu je závislé na podpoře dalšího softwaru, tzv. CAM. RP softwary tyto podporující programy již obsahují.
CNC stroje mohou obrábět v podstatě jakýkoliv konstrukční materiál. 3D tiskárny jsou v tomto případě limitované na několik materiálů, např. plasty, pryskyřice, kovy a papír.
Velké díly se u RP technologií vyrábějí tak, že se objekt rozdělí na menší části, které se následně spojí do jednoho (např. lepením). Tady má CNC obrábění proti 3D tiskárnám výhodu díky široké škále velikostí strojů.
Výsledná přesnost u 3D tisku je dána tloušťkou vrstvy, která je nanášena. Při CNC obrábění je možné volit různé řezné podmínky, volí se strojní čas nebo přesnost výroby.
Profesionální RP stroje jsou velmi drahé, naopak stolní tiskárny začínají být cenově dostupnější i pro domácí účely. Podobně je to i s obráběcími centry. Menší stroje mají oproti větším nevýhody, např. omezenou škálu zpracovávaných materiálů (např. snáze obrobitelné). Naopak takové stroje nejsou náročné na umístění, tj. místo k uložení. Jsou proto vhodné pro výrobu prototypů, umístěny mohou být např. ve vedlejší kanceláři. [7]
28 1.6. Porovnání výhod a nevýhod
Pro zjednodušené pochopení byla sestavena tabulka stěžejních bodů v závislosti na kladech a záporech technologie Rapid prototyping.
Tabulka 1: Výhody a nevýhody RP [7][8]
Výhody Nevýhody
Reálná představa o závěrečné podobě výrobku
Nekontrolovatelná výroba nebezpečných objektů, např. zbraní Na základě vytisknutého prototypu
lze získat finanční prostředky
Vytisknuté součásti mají hrubý strukturovaný povrch Lze nalézt konstrukční chyby
v počátečních vývojových úsecích
Vysoká pořizovací cena 3D tiskáren a materiálů
Díky RP se náklady na vývoj snižují, což dělá z RP efektivní nástroj
Omezená škála materiálů, ze kterých lze tisknout
Prototypové chyby lze snadno detekovat a eliminovat
Padělání zboží, kde je v podstatě nemožné dohledat autora Okamžitá zpětná vazba od
spotřebitelů Není vhodné pro velké součásti Představy a požadavky návrháře jsou
demonstrovány na prototypu na začátku
Přesnost výroby (+0,1 mm může být v některých případech nedostačující) Šetří čas a náklady na vývoj Výrobní čas
Kvalitní díl je snadno vyroben pomocí RP
29 2. Úpravy povrchů
2.1. Chemické
2.1.1. Pomocí Methylethylketonu (MEK)
Methylethylketon, známý jako butanon, je organická sloučenina se vzorcem C4H8O.
Používá se jako rozpouštědlo při výrobě pryskyřic, gumy, nátěrů z acetátu celulózy a také pro vinylové filmy. Dále také při výrobě plastů, textilií, parafínu a je součástí mořidel, laků a odstraňovačů nátěrů. Použití nalezl také jako denaturační činidlo, přísada do lepidel a jako čistič. [9]
Nanesením jemného povlaku methylethylketonu, mohou vytištěné objekty získat vysoký lesk a je možné snížit či dokonce odstranit zřetelné vrstvy po tisku.
2.1.2. Za pomoci acetonu
Jedná se o rozpouštědlo organických látek se vzorcem C3H6O. Za pomoci acetonu a dalších sloučenin se chemickými reakcemi vytvoří sloučenina potřebná pro zhotovování plexiskla. Používá se též při výrobě např. podpatků, podrážek a jiných gumových částí obuvi. [10]
Leptání 3D dílů z ABS plastu použitím acetonových par je velmi efektivní způsob, jak vytvořit lesklý a hladký povrch dílů. Nanášení acetonu štětcem nebo ponoření dílu do kapaliny, obvykle vede ke ztrátě detailů na objektu. Páry vedou k zachování detailů a k dokonalému povrchu. Bod varu acetonu je 55°C, k odpařování ale dochází i za pokojové teploty, je tedy nutné mít místnost dobře větranou.
30 2.1.3. Pomocí vyhlazování
Jedná se o alternativní způsob upravování FDM výtisků. Tato technologie není časově náročná a produkuje povrchy vhodné pro lakování či pokovování. Tyto úpravy jsou v rozsahu 0,032 – 0,063 mm.
Stanice obsahuje dvě komory – jedna je pro ochlazení a vytvrzení, druhá pak pro vyhlazování. Nejprve se díl vloží do chladící komory kvůli snížení jeho teploty.
Následně je přesunut do vyhlazovací komory na dobu v rozmezí 10 – 30 vteřin.
Chladnější teplota dílu způsobí, že vyhlazovací prostředek začne rovnoměrně kondenzovat po celém povrchu objektu. Po vytvoření jednolitého povlaku na povrchu součásti dojde k vyhlazení do jemné struktury. Tato fáze trvá 15 – 20 minut. Poté se povrch pískuje. Pískování není nutností, ale díky němu vytěžíme nejlepší výsledek.
V případě potřeby se celá procedura opakuje a na konci se nechá objekt ustálit ve vytvrzovací komoře. Díly jsou suché do 45 minut.
Pokud nepožadujeme lesklý povrch, tak se objekt otryská.
Jedná se o šetrný a bezdotykový proces dokončování FDM objektů. Díky tomu nedochází ke ztrátě detailů a malých prvků. Také je zachována rozměrová přesnost (změna max. 0,023 mm, což je zanedbatelné).
Tato technologie radikálně snižuje náklady a čas na dokončovací a utěsňovací operace FDM dílů. [11]
2.2. Mechanické 2.2.1. Omílání
Je vhodné pro zdokonalení povrchu FDM dílů. Dochází k obroušení stop vrstev nebo k vyleštění povrchu součásti. Při zkoumání FDM objektů lze pozorovat, že vrstvení plastu zanechává nerovnosti asi 0,05 mm velké. Tato technologie odstraní vrstvu v rozsahu 0,035-0,075 mm z povrchu součásti.
K dispozici jsou 2 varianty hromadné úpravy a to vibrační a odstředivá.
2.2.1.1.Vibrační
V tomto případě jsou k dispozici vany či misky v různých velikostech. Obě varianty jsou vhodné pro veškeré FDM materiály. Z důvodu agresivního zpracování dílu ve standartních vanách, byly přidány distanční tyče, které zabraňují uvíznutí abraziva mezi součástkou a stěnou. Při zpracovávání dílů v miskách nejsou tyto vymezující tyče nutné, jelikož zde nedochází k tak silnému rozpohybování abraziva s díly. Nevýhodou
31
omílání v miskách je delší čas procesu, z důvodu šetrnějšího opracovávání, ale díly jsou lépe chráněny před poškozením.
2.2.1.2.Odstředivé
Je vhodné pro všechny součásti vyrobené pomocí FDM technologie z jakéhokoliv materiálu. Jediným omezením tu je velikost dílu, po vložení musí být mezera mezi stěnou a objektem 12 cm. Toto dokončování je vhodné, pokud zpracováváme křehké díly a chceme zachovat jemné detaily.
2.2.1.3.Brousící média
K dispozici máme širokou škálu abraziv. Ty jsou k dostání v mnoha velikostech a tvarech, včetně např. kukuřičných klasů. Při výběru musíme posoudit velikost a geometrii součástky. Menší díly vyžadují malá tělíska a díly složitějších tvarů potřebují komplexní tvary (jako je hvězda).
2.2.1.3.1. Keramické
Vhodné pro mohutné FDM díly z PC, ULTEM či PPSF. Keramická tělíska jsou nejtěžší a nejagresívnější médium. Jsou k dostání v mnoha tvarech a velikostech.
Vhodná jsou pro oddělování a leštění v návaznosti na požadovanou modifikaci. Tímto abrazivem je možné dosáhnout vynikajících výsledků (lesklý povrch) na všech materiálech vhodných pro FDM.
2.2.1.3.2. Syntetické
Využití nacházejí převážně v oddělování. Největší výhodou je zde samotná váha abraziva. Díky tomu, že je lehčí než plast a keramika, eliminujeme zde poškození upravovaných dílů (zlomení tenkých částí nebo poškození jemných rysů). Nevýhoda spojená s hmotností je delší procesní čas.
2.2.1.3.3. Plastické
Proti keramice je toto médium lehčí a měkčí. Především je využívané pro oddělování. Dodává se v mnoha tvarech a velikostí.
32 2.2.1.3.4. Kukuřičné klasy
Toto médium je ve stádiu testování. Uplatnění našlo zvláště pro leštění, ale v kombinaci s jinými materiály ho lze použít i pro jiné metody. Tímto abrazivem může dojít k obarvení dílu, ale to lze lehce smýt.
Opracované díly stačí opláchnout čistou vodou, abychom odstranili zbytky po omílání.
[12]
2.2.2. Mikro tryskání
Za pomoci tlaku vzduchu je vrháno abrazivum proti povrchu součásti. Jedná se o suchý, velmi jemný proces, který používá malé trysky (od 0,25 mm do 1,5 mm).
Otryskávaná oblast má obvykle od 1 mm2 až po několik cm2 (v extrémních případech).
Použité tryskací médium má přesně určenou velikost zrna v rozmezí od 0,01 do 0,3 mm.
Jedná se o velmi přesnou technologii, kterou lze například vytvářet nápisy na sklo a zároveň je tak jemná, že lze vytvořit vzor na vaječné skořápce. Pro tryskání je používán vysoký tlak. Materiál, ze kterého jsou vyrobeny trysky, musí mít vysokou odolnost vůči otěru. Rychlost úbytku materiálu a velikost ovlivněného území je závislá na vzdálenosti trysky od plochy obrobku.
Výhodou je nepatrná produkce tepla, schopnost zpracovávat tvrdé a křehké materiály.
Nevýhodou je malý úběr materiálu, proto se zpravidla používá jako dokončovací operace. [13]
2.2.2.1.Brousící média [14]
2.2.2.1.1. Granulát z ořechových skořápek
Abrazivum není tak agresivní a proto je vhodné pro jemné broušení povrchů.
2.2.2.1.2. Ocelové kuličky
Ty jsou vhodné pro úpravy povrchů kuličkováním a také pro broušení povrchů.
2.2.2.1.3. Skleněné či zirkonové korálky
Používají se pro abrazivní tryskání a navíc zirkonové lze také použít pro kuličkování.
33 3. Analýza vybraných metod
Z výše uvedených metod pro úpravu povrchů si nyní vybereme nejvhodnější vzhledem k materiálu a dostupnosti zmíněných technologií. Objekty, které budeme upravovat, jsou vytisknuté z ABS plastu. Tento materiál lze jednoduše rozpouštět v acetonu. Z toho zároveň vyplývá, že úprava povrchu pomocí acetonových par bude jedna z nejvhodnějších. Navíc tento postup není náročný na pomůcky a čas.
Modifikace povrchu za pomoci methylethylketonu (MEK) se také jeví příhodně. Její největší výhodou je nenáročnost a jednoduchost.
Další vhodnou metodou, tentokrát mechanickou, je mikrotryskání. Jedná se o metodu, pomocí které lze odebírat materiál v různých tloušťkách či objemech. Změnou abraziva přizpůsobíme menší či větší úběr s ohledem na naše požadavky. Jedním z faktorů při volbě této technologie byla skutečnost, že katedra výrobních systémů je opatřena nezbytným zařízením.
Zbylé technologie jsou v našem případě nepoužitelné díky cenové náročnosti strojů, které jsou pro pokusy nutné.
4. Realizace 3D objektů
Objekty byly vytisknuté z ABS plastu pomocí FDM technologie. Tisk se uskutečnil na stroji od firmy Stratasys, typ Dimension SST 768 viz (obr. 5). Jedná se o tiskárnu kartézského typu, kde tisková hlava vykonává pohyb v osách X a Y (horizontální) a stavěcí plošina v ose Z (vertikální). Tento typ není vybaven vyhřívanou budovací deskou.
Obr. 5: Tiskárna Stratasys Dimension SST 768 [15]
34 4.1. Postup tisku
4.1.1. Stručný popis 1. Načtení modelu 2. Volba orientace
3. Rozřezání modelu do vrstev a generování podpor 4. Rozmístění na stavěcí ploše
5. Tisk dílů
6. Odstranění podpor (odlomení, rozpuštění, očištění)
4.1.2. Podrobný popis
1. Nejdříve je načten digitální model ve formátu .stl do uživatelského prostředí (Catalyst EX) tiskárny. (obr. 6) V pravé části panelu Properties si můžeme zvolit parametry tisku jako je tloušťka vrstvy či vnitřní výplň. Díl může být vytištěn jako plné těleso nebo z důvodu úspory materiálu může být vnitřek vytisknut pomoci příček.
Obr. 6: Načtení modelu
2. Ve druhém kroku si zvolíme vhodnou orientaci dílu vzhledem k jeho tvaru.
Tento krok je poměrně důležitý, protože se může stát, že díl je možné ideálně vytisknout pouze v jedné poloze, v ostatních by to již nebylo možné vzhledem
35
ke konstrukčnímu řešení. Tuto volbu může provést uživatel nebo program sám za pomoci funkce automatická orientace. (obr. 7)
Obr. 7: Volba orientace
3. Následuje rozřezání objektu do vrstev a vygenerování podpor. (obr. 8) Toto je časově nejnáročnější krok, který je závislý na složitosti dílu.
Obr. 8: Rozřezání modelu do vrstev a generování podpor
36
Po tomto kroku si lze díl prohlédnout vrstvu po vrstvě, jak bude objekt tisknut. (obr. 9)
Obr. 9: Zobrazení řezu
4. Nakonec nám zbylo rozmístit díly na pracovní desku. Nejprve se načte pouze jeden díl. (obr. 10)
Obr. 10: Načtení jednoho dílu
37
V pravém sloupci jsou zobrazeny informace o tisku, tj. spotřebovaný materiál na stavbu dílu a jeho podpor a délka tisku.
V našem případě se jednalo o 24,99 cm3 stavebního materiálu, 12,55 cm3 podpůrného a celkově by se jeden díl tiskl 4 hodiny a 57 minut.
Z obr. 10 je patrné, že stavební plocha není využita. Na obr. 11 je vidět efektivnější využití. Rozmístění závisí na volbě uživatele.
Obr. 11: Využití pracovní plochy
Nakonec nám náklady vzrostly na 149,92 cm3 stavebního materiálu, 75,28 cm3 podpůrného a potřebný čas na tisk 6 dílu dospěl na hodnotu 27 hodin a 13 minut.
38
5. Pokud jsme splnili výše uvedené kroky a jsme s nimi spokojeni, je na řadě odeslat projekt do tiskárny. Obr. 12 zobrazuje průběh tisku.
Obr. 12: Průběh tisku
Po dokončení tisku (obr. 13) se objekty i se stavěcí deskou vyjmou, viz (obr. 14).
Obr. 13: Vytisknuté díly ve stroji
39
Obr. 14: Vyjmutá stavěcí deska s objekty
6. Nyní je nutné odstranit díly z desky a zbavit je podpor. Na (obr. 15) lze pozorovat, že podpůrný materiál je možné jednoduše odstranit odlomením.
Obr. 15: Průběh odlamování
40
Na následujícím obrázku číslo 16 můžeme vidět finální fázi ručního odlamování.
Obr. 16: Stav po ručním odlamování
Zbytky, které nelze odstranit odlomením, musíme rozpustit pomocí horké lázně v hydroxidu sodném. Ten rozloží zbytky podpor bez nežádoucích efektů (např. ztráta detailů apod.). Nakonec se objekt omyje vodou, protože chemikálie zanechává bílý povlak. (obr. 17)
Obr. 17: Detail zbytků hydroxidu sodného (bílé stopy)
41 5. Pokusy
5.1. Úprava povrchu pomocí acetonových par
Tato technologie byla vyzkoušena v několika variantách. Ty se od sebe lišily různými aspekty, od rozdílných teplot až po časy, po které byly výtisky vystaveny účinkům par.
5.1.1. Postup pokusu
K pokusu budeme potřebovat vyhřívanou desku, díky níž dosáhneme teplot potřebných k odpařování acetonu. Výraznou výhodou je plotna s možností regulace teploty (v řádech stupňů Celsia), což ušetří mnoho úsilí při nastavováním požadované teploty. Nemusíme zdlouhavě pátrat po správné poloze spínače topného tělesa, popř. neustále měnit jeho polohu. Zajistí také více prostoru k manipulaci s objektem, není třeba umístění teploměru, popř. termokamery ke zjišťování vnitřní teploty.
Na plotýnku položíme nádobu, která by měla být minimálně 4x vyšší než je samotný díl. Velikost nádoby ovlivňuje množství par. Je vhodné použití skleněné nádoby, můžeme sledovat průběh leptání a v příhodný čas objekt vyjmout. Sklo není podmínkou, vhodná je i kovová nádoba (např. menší pozinkovaný barel), která by měla být bez jakýchkoliv nátěrů či jinak ošetřených povrchů a dalších příměsí, reagujících s acetonem a jeho parami, aby nedošlo ke kontaminaci prostředí.
Nyní je zapotřebí vybrat základnu či podložku pro samotný díl. Ze stejných důvodů musí být také bez jakýchkoliv povrchových úprav, stejně jako nádoba. Při pokusu dochází k přilepení modelu k podstavci vlivem rozleptání. Je tedy nutné, aby základna byla z nepřilnavého materiálu. Samozřejmě, že i tak dojde k částečnému přilnutí, ale chceme zajistit co nejmenší odpor při odstraňování dílu z platformy. Vhodná je hliníková folie v několika vrstvách. Tu lze jednoduše vyndat z nádoby např. zahnutým drátem. Použít lze i pozinkovaný plech, který je nutné příslušně zohýbat. Naprosto nevhodné je dřevo, ze kterého se jen velmi obtížně objekt snímá a může tak dojít k jeho poškození.
Na řadu se dostává aceton. Množství se musí volit s ohledem na výšku podstavce a dobu odpařování. Výška základny je rozhodujícím faktorem, protože samotný objekt by neměl přicházet do styku s kapalným acetonem. Dalším, již zmíněným, aspektem je odpařování. K tomu bude docházet v závislosti na teplotách vyhřívané podložky (méně či více, dle teploty). Minimální výška by měla být aspoň 2 cm, abychom předešli případnému dolévání chemikálie a možnému kontaktu dílu s kapalinou. Budeme-li takto
