ANALÝZA P ESNOSTI VÝROBY SOUČÁSTÍ METODAMI RAPID PROTOTYPING
Bakalá ská práce
Studijní program:
Studijní obor:
Autor práce:
Vedoucí práce:
B2301 – Strojní inženýrství 2301R000 – Strojní inženýrství Barbora Levínská
Ing. Radomír Mendřický, Ph.D.
TECHNI CKÁ UNI VERZI TA V LI BERCI Fakulta strojní
Akademický rok: 2OL4/ 2O1,5
zAD^ NÍ gaKAtÁŘ sxp pRÁcE
(eRoJEKTU, UMĚ lncxptto oí lA, uuĚ r,pcrÉ Ho vÝNoNU)
Jmé no a
pří jmení : Barbora Leví nská
Osobní
č í slo:
S14000590Studijní
program: 82301 Strojní inž enýrství
Studijníobor: Strojní inž enýrství
Název
té matu: Ana| ýzapře"snosti výroby souč ástí metodami rapid prototyping
Zadávají cí
katedra: Katedra výrobní ch systé mů
Zásady pro v} ,pracor,ání :
cí lem
práce je provedeni analýzy přesnosti aditivní výrob;, souč ástí metodami Rapid proto- typingv
závislosti na použ ité technologii (např. FDN[ ,PolyJet
N4atrix), pří padně zvolené m materiálu.K
posouzení rozmě rové a tvarové přesnosti vyrobenÝch modelů bude využ ito bez- kontaktní ch metod mě ření .1) Seznámit se
s
vybavení ma
zaří zenim potřebnýmk
realizaci praktickéč ásti
práce (3D tiskárny. bezkontaktní skenerAtos I I
400,SW GOM
I nspect apod.)a
s principy3D
tisku a optické digitalizace.2) Prové st rozbor
výrobci
udávaných parametrůo
přesnosti výrob.vdí lů
na3D
tiskárnách a reš erš i publikovaných výzkumnÝch prací týkají cí ch se zpracovár,ané ho té matu.3)
Navrhnout ntodel zkuš ební souč ástis
ohledemna
specifickákrité ria výroby
metodami Rapid Prototyping.4) Navrž ený model vyrobit metodami Rapid Prototyping s využ ití m ně kolika technologií . 5) Prové st digitalizaci vyrobených modelů s využ ití m bezkontaktní ho optické ho 3D skeneru.
6) Aktuální
modely zí skanédigitalizací
porovnats
nominální mCAD
modelema
prové stanalýzu rozmě rové a tvarové přesnosti v závislosti na použ ité technologii 3D tisku.
Rozsah grafických prací : Rozsah pracovní zprávy:
Datum zadání bakalářské práce:
Termí n odevzdání bakalářské práce:
Dle potřeby
40,
I ng. Radomí r Mendřickí Ph.D.
Katedra výrobní ch systé mů
27. í í jna
2OL46. ledna 2Ot5
Forma zpracování bakalářské
práce: tiš tě ná/ elektronická
Seznam odborné literatury:
[ 1]
HLAVÁČ , V., Č ONKA, M.: Poč í tač ové vidě ní , Praha Grada, 1gg2,272
s.,,I SBN
8085424-67-3.[ 2]
GOM MBH. ATOS V7 - Hardware - [ Jser Manual. Braunschweig, Germany, 2ol2.
[ 3]
NOORANI , R.: Rapid Prototyping: Principles and Applications, Wiley, 2006,
377 s.,I SBN
978O47L730019.[ 4]
KAMRANI , A., K., NASR, E., A.: Engineering Design and Rapid Prototyping, Springer Science and Business Media,
za10r466
s.,I SBN
0387958630.
[ 5]
GI BSON, I . - ROSEN, D. W. - STUCKER, B.: Additive Manufacturing Technologies: Rapid Prototyping to Direct Digital Manufacturing. Springer,
2010,459
s.,I SBN
978-I -44L9-1119-3.[ 6]
DRASTÍ K, F.: Přesnost strojní ch souč ástí podle mezinárodní ch norem:
Tolerování rozmě rů a geometrických vlastností . Ostrava: MONTANEX
a.s.,1996,
I SBN
80_85780_18_6.V-edoucí bakalářské práce:
vedoucí Katedry
í -Hň
kwý
Prohlášení
Byla jsem seznámena s tím, že na mou bakalářskou práci se plně vzta- huje 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 vědoma povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto pří- padě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vyna- ložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.
Bakalářskou práci jsem vypracovala 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 elek- tronickou verzí, vloženou do IS STAG.
Datum:
Podpis:
Poděko á í
Tímto bych velmi ráda poděkovala vedoucímu bakalá ské práce panu Ing. Radomíru Mend ickému Ph.D.
za jeho ochotu, věnovaný čas, cenné rady a pomoc s vypracováním celé práce.
Dále děkuji Ing. Ji ímu Šafkovi, Ph.D. a Ing. Martinu Lachmanovi, Ph.D. za pomoc s realizací tisku.
Zároveň děkuji dalším zaměstnanc m katedry Výrobních systém TU v Liberci za jejich věnovaný čas.
V neposlední adě děkuji mé rodině a blízkým za soustavnou podporu, d věru a pomoc v pr běhu dosavadního studia.
TÉMů: ANALÝZA P ESNOSTI VÝROBY SOUČÁSTÍ METODAMI RAPID PROTOTYPING
ABSTRAKT: Cílem této práce bylo ově it a analyzovat p esnost výroby 3D tiskáren pomocí optických metod. K ově ení byla vybrána tiskárna Stratasys Dimension SST 76Ř pracující na principu FDM a tiskárna Objet Connex 500 tisknoucí metodou PolyJet Matrix. Vytištěné modely byly zdigitalizovány pomocí bezkontaktního skeneru ůTOS II 400 a pomocí softwaru GOM Inspect porovnány s CůD daty. Rešeršní část uvádí základní informace o Rapid Prototyping a bezdotykovém skenování. V části praktické je popsán postup výroby jednotlivých model , 3D skenování a analýza p esnosti získaných dat.
KLÍČOVÁ SLOVA: 3D TISK, 3D SKENER, FDM, POLYJET, P ESNOST
THEME: ACCURACY ANALYSIS MANUFACTURING A COMPONENT OF RAPID
PROTOTYPING
ABSTRACT: The goal of this study was verify and analyze the accuracy of 3D printers’ production using optical methods. For verification were selected printers Stratasys Dimension SST 768 which operations on the principle FDM and Objet Connex 500 which uses the printing method PolyJet Matrix.
Printed models were digitized using the contactless scanner ATOS II 400 and compared with CAD data using the software GOM Inspect. The part of research provides basic information about Rapid Prototyping and non-contact scanning. The practical part describes the process of production of individual models, 3D scanning and analysis of data accuracy.
KEYWORDS: 3D PRINT, 3D SCANNER, FDM, POLYJET, ACCURACY
Zpracovatel: TU v Liberci, Fakulta strojní, Katedra výrobních systém
Dokončeno: 2015
Počet stran: 63
Počet p íloh: 4
Počet tabulek: 9
Počet graf : 9
Počet obrázk : 49
Počet model nebo jiných p íloh: 0
Obsah
Sez a o rázků ... 9
Sez a grafů ... 10
Seznam tabulek ... 10
Sez a s olů a zkratek ... 11
Ú od ... 12
1 Teoreti ká část Rapid Protot pi g ... 13
1.1 O e é ter í ... 13
1.2 Výro í pro es ... 13
1.3 Historie Rapid Prototyping ... 14
1.4 T or a odelu po o í Rapid Protot pi g ... 16
1.5 Technologie Rapid Prototyping ... 17
1.5.1 Děle í te h ologií Rapid Protot pi g ... 17
1.5.2 Vol a hod é te h ologie Rapid Protot pi g ... 17
1.5.3 Fused Deposition Modeling (FDM) ... 18
1.5.4 PolyJet Matrix ... 19
1.5.5 Stereo Lithography (SLA) ... 20
1.6 For át potře é k pře osu dat ... 21
1.6.1 STL (Standard Tessellation Language) ... 21
1.6.2 Mož é ad STL souborech ... 22
1.7 Použité tiskár ... 22
1.8 O li ě í k alit tisku po o í aplika í ... 23
2 Teoreti ká část ezdot ko ého ske o á í ... 25
2.1 S í á í o razu ... 25
2.1.1 Digitalizace ... 25
2.1.2 )áklad í krok při digitaliza i o jektu ... 26
2.1.3 Druh s í á í ... 26
2.2 Historie ske o á í ... 26
2.3 Skenery ... 27
2.3.1 Bezko takt í opti ký D ske er ... 28
2.3.2 Te h i ké parametry skeneru ATOS II ... 28
2.4 Použitý soft are k hod o e í ěře í ... 29
3 Tolero á í roz ěrů a geo etri ký h last ostí ... 30
3.1 Ter í a jeji h defi i e ... 30
3.2 Tolero á í geo etri ký h last ostí ... 30
4 Prakti ká část prá e ... 31
4.1 )íská í reál ý h odelů ... 31
4.1.1 Ná rh odelu a prá e s ko strukč í progra e ... 31
4.1.2 Ko u ika e s tiskár ou ... 33
4.1.3 Tisk modelu ... 34
4.1.4 Úpra ásledují í po tisku ... 35
4.1.5 Sklado á í odelů ... 36
4.1.6 V t oře é odel ... 36
4.1.7 Přípra a odelů k ezdot ko é u s í á í ... 38
4.1.8 Ske o á í odelů ... 39
4.2 V hod o e í získa ý h dat ... 41
4.2.1 Bare é ap ... 42
4.2.2 Ro i ost horizo tál í h plo h ... 44
4.2.3 Ro i ost ertikál í h plo h ... 45
4.2.4 Rovi ost šik ý h plo h ... 46
4.2.5 Prů ěr a ál o itost ál ů ... 47
4.2.6 A solut í roz ěr , prů ěr koulí a jeji h rozteče ... 49
4.2.7 Vizuál í ko trola ... 52
5 )á ěr a doporuče í ... 53
Použitá literatura ... 54
A O sah přilože ého CD ... 57
B S hé a ko trolo a ý h aspektů ... 58
Sez a o rázků
Schéma subtraktivního, aditivního a formativního procesu výroby součásti [3] ... 13
Schéma metody FDM [15] ... 18
Schéma technologie PolyJet Matrix [13] ... 19
Proces stereolitografie [9] ... 20
Facets, trojúhelníkové plošky [Ř] ... 21
vlevo Dimension SST 768, vpravo Objet Connex 500 ... 23
Stavební vrstva Solid, ez podložkou, aplikace CatalystEX ... 23
Stavební vrstva Solid, ez tvarovými objekty, aplikace CatalystEX ... 23
Stavební vrstva Sparse High, ez podložkou, aplikace CatalystEX ... 24
Stavební vrstva Sparse High, ez tvarovými objekty, aplikace CatalystEX ... 24
Objet Studio, porovnání High Speed a High Qality ... 25
Bezdotykové skenování ůTOS [21] ... 29
Značka rovinnosti (vlevo) a válcovitosti (vpravo) ... 30
Funkce CATPart from Product ... 31
Schéma kontrolovaných hodnot, p íloha B ... 32
Navrhnutý model pro tuto práci. ... 33
Umístění modelu na pracovní plochu a automatické generování podpor, CatalystEX ... 34
Tisk metodou FDM ... 34
Tisk metodou PolyJet Matrix ... 35
Dočištění podpor v ultrazvukové čističce, model FDM ... 35
Částečně odmočené podpory po vyjmutí z vody, model PolyJet Metrix ... 36
Zkušební modely, bílé metodou PolyJet Matrix, modré metodou FDM ... 37
Referenční body na součásti i okolí za běžného osvětlení ... 38
Nak ídování model ... 39
Referenční body pohledem kamery na skeneru ůTOS II 400 ... 39
Projekce proužk světla na model, vlevo vzorek technologií PolyJet Matrix, vpravo FDM ... 40
Detail dvou červených laserových bod a k íže, skener ůTOS II 400 ... 40
Proces skenování, GOM ůTOS Professional V7 SR2 ... 40
Odstranění nepot ebných dat, GOM ůTOS Professional V7 SR2 ... 41
Stav p ed spojením pohledu naskenovaného shora a zespoda, GOM ůTOS Professional V7 SR2 ... 41
Srovnání barevných map, pohled shora, GOM Inspect VŘ ... 42
Srovnání barevných map, pohled zdola, GOM Inspect VŘ ... 43
Rovinnost horizontálních ploch, Objet HS, GOM Inspect VŘ ... 44
Rovinnost vertikálních ploch, GOM Inspect VŘ... 45
Rovinnost šikmých ploch, GOM Inspect VŘ ... 46
Kontrola vnit ních a vnějších pr měr a válcovitosti válc , GOM Inspect VŘ ... 47
Kontrola absolutních rozměr vzorku... 49
Kontrola roztečí a pr měr koulí ... 50
Malé pr chozí otvory, modré FDM, bílé PolyJet Matrix ... 52
Kontrolované prvky, schéma ... 58
Barevná mapa Objet HQ, vrchní část... 59
Barevná mapa Objet HQ, spodní část ... 59
Barevná mapa Objet HS, vrchní část ... 60
Barevná mapa Objet HS, spodní část ... 60
Barevná mapa FDM Sparse, vrchní část ... 61
Barevná mapa FDM Sparse, spodní část ... 61
Barevná mapa FDM Full, vrchní část ... 62
Barevná mapa FDM Full, spodní část ... 62
Povrch vytištěných vzork , modré FDM, bílé PolyJet Matrix ... 63
Sez a grafů
Graf 1 Vliv výšky vrstvy na dobu tisku ... 37Graf 2 Rovinnost horizontálních ploch ... 44
Graf 3 Rovinnost vertikálních ploch ... 45
Graf 4 Rovinnost šikmých ploch ... 46
Graf 5 Objet: odchylky od jmenovitého rozměru (pr měry válc )... 48
Graf 6 FDM: odchylky od jmenovitého rozměru (pr měry válc ) ... 48
Graf 7 Válcovitost vnit ních a vnějších válc ... 49
Graf Ř Objet: odchylky od jmenovitého rozměru (absolutní rozměry, rozteče koulí, pr měry koulí) ... 51
Graf ř FDM: odchylky od jmenovitého rozměru (absolutní rozměry, rozteče koulí, pr měry koulí) ... 51
Seznam tabulek
Tabulka 1 Historický vývoj 3D tisku do roku 2010 [2] [18] [19] ... 15Tabulka 2 Zajímavé mezníky 3D tisku po roce 2010 [27] [2Ř] [2ř] [30] [31] [32] ... 16
Tabulka 3 Srovnání jednotlivých technologií u tisknutých vzork ... 37
Tabulka 4 Rovinnost horizontálních ploch ... 44
Tabulka 5 Rovinnost vertikálních ploch ... 45
Tabulka 6 Rovinnost šikmých ploch ... 46
Tabulka 7 Odchylka od jmenovitého pr měru válc ... 47
Tabulka Ř Válcovitost vnit ních i vnějších pr měr ... 47
Tabulka ř Odchylky od jmenovitých rozměr ... 50
Sez a sy olů a zkratek
2D Dvoudimenzionální, dvourozměrný 3D Trojdimenzionální, t írozměrný ABS Acrolonitril-Butan-Styren
ASCII American Standard Code for Information Interchange, americký standardní kód pro výměnu informací
ATOS Advanced Topometric Optical Sensor
CAD Computer Aided Design (Drafting), počítačem podporované projektování (kreslení) CAM Computer Aided Manufacturing, Počítačová podpora obrábění
CCD Charge-Coupled Device
CD Compact Disk, datové médium
CNC Computer Numerical Controlled, číslicové ízení počítačem DIY Do It Yourself, udělej si sám
FDM Fused Deposition Modeling, tvorba modelu natavenou vrstvou FEM Finite Element Method, metoda konečných prvk
GNU General Public Licence, všeobecná ve ejná licence HQ High Quality, vysoce kvalitní tisk
HS High Speed, vysokorychlostní tisk IGES Initial Graphics Exchange Specification Inc. Incorporated, korporace
LOM Laminated Object Manufacturing, vrstvená výroba Ltd. Limited, společnost s ručením omezeným
MIT Massachusetts Institute of Technology, Massachusettský technologický institut PLA polylaktidová vlákna
RepRap Replicating Rapid prototyper, schopný sebereplikace a rychlého prototypování RP Rapid Prototyping, rychlé prototypování
SGC Solid Ground Curing, plošné vytvrzování vrstev SLA Stereolithography Process, proces aditivní výroby SLC Single Level Cell, jedna paměťová buňka SLS Selective Laser Sintering, proces aditivní výroby
STEP STandard for Exchange of Product model data, standartní formát pro výměnu dat STL STereoLithography, proces aditivní výroby
UV Ultraviolet, ultrafialové
Ú od
Mít možnost 3D tisku je splněný sen mnoha nejen technických odvětví. K tomu, abychom těchto technologií mohli využívat v plném rozsahu, musíme znát jejich limity. V tomto p ípadě se pomyslným mantinelem myslí p esnost, s jakou je daná tiskárna schopna pracovat.
Cílem této práce bylo ově it a analyzovat p esnost výroby 3D tiskáren. K tomuto účelu bylo nutné natisknout zkušební vzorky a získat jejich reálné obrazy. K získání reálných model jsme využili bezdotykového skeneru. Zamě ili jsme se na tiskárnu Stratasys zastupující technologii FDM (Fused Deposition Modeling) a tiskárnu Objet pracující s technologií PolyJet Matrix. K získání digitálního obrazu pot ebného pro inspekci rozměrové a geometrické p esnosti vytištěných vzork bylo využito bezdotykového skeneru ůTOS II a softwaru GOM Inspect.
Na každé ze jmenovaných tiskáren byly vytvo eny dva modely s identickou geometrií a odlišně nastavenými parametry ovlivňujícími kvalitu budoucího vzorku. Díky tomu jsme dokázali analyzovat, jak velký vliv na p esnost mají tato nastavení na výsledný vytištěný model.
V první části práce jsou popsány obecné termíny zabývající se metodou Rapid Prototyping, výrobní procesy, historie rychlého prototypování, základní technologie, které se jimi zabývají, použité tiskárny, software a formáty. Druhá část se zamě uje na bezdotykové skenování, vysvětluje pojem digitalizace, druhy snímání, historii skenování, druhy skener , podrobněji popisuje bezkontaktní skener ůTOS II a software využitý p i fázi skenování i výsledné inspekci. T etí část ve stručnosti objasní pojmy zabývající se tolerancemi.
V praktické části práce je podrobně popsán návrh a tvorba modelu, samotný tisk na obou tiskárnách, d ležité fáze preprocessingu a postprocessingu tisku ovlivňující výslednou kvalitu vytištěných model . Dále se zabývá p ípravnými operacemi skenování a samotným procesem skenování. Poté následuje část zabývající se vyhodnocením získaných dat, tedy podrobná analýza jednotlivých problém . V této části nalezneme barevné mapy, určení rovinností a úchylek reálných model oproti rozměr m jmenovitým.
Poslední část práce obsahuje závěry vyhodnocené díky mě ení. V p ílohách jsou umístěny barevné mapy, schéma kontrolovaných aspekt a obsah p iloženého CD.
1 Teoreti ká část Rapid Prototyping
1.1 O e é ter í y
Rapid prototyping se stalo obecným termínem k popisu mnoha prototypových proces . Dnes je vše o rychlosti, efektivnosti a produktivitě, takže tento termín je obvykle aplikován na proces, který generuje prototyp „rychle“. „Rychle“ je ovšem relativní pojem, vztahuje se tedy na procesy, které postaví model p es noc, ale také na ty, které trvají i týden. P esná definice zní:
„A collection of technologies that are driver by CAD data to produce physical models and parts through an additive process.“
Todd Grimm, User´s Guide to Rapid Prototyping, 2004 Tedy v p ekladu: Kolekce technologií, které jsou ízeny pomocí CůD dat, sloužící pro výrobu fyzických model a jejich částí prost ednictvím aditivních proces .
Vysvětlení pojmu aditivní proces bude podrobněji popsáno v následující kapitole o výrobních procesech.
Neměli bychom však opomenout ani úzce spjaté termíny s touto definicí a těmi jsou Rapid Tooling nebo Rapid Manufacturing.
Rapid Tooling, tedy v p ekladu rychlé nástroje, p edstavuje výrobu nástroj , forem a lisovacích forem p ímo či nep ímo z Rapid Prototyping technologie.
Rapid Manufacturing, čili rychlá výroba, se zaobírá výrobou konečně využitelných díl p ímo či nep ímo z Rapid Prototyping technologie. [2] [3]
1.2 Výro í pro esy
Výrobní procesy, manuální i automatické, mohou být definovány jako subtraktivní, aditivní nebo formativní.
Obrázek 1 Schéma subtraktivního, aditivního a formativního procesu výroby součásti [3]
Subtraktivní proces: V tomto procesu se vychází z pevného bloku materiálu o větších rozměrech, než je velikost hotového objektu. Potom se pomalu materiál odstraňuje až do doby, než se dosáhne
požadovaného tvaru. Tyto procesy zahrnují většinu forem obráběcích proces , ať už CNC nebo jiných.
Nejčastější p íklady jsou frézování, soustružení, vrtání, ezání, broušení, laserové ezání, ezání vodním paprskem a podobně.
ůditivní proces: Na rozdíl od subtraktivního procesu, pro dosažení požadovaného tvaru se materiál p idává a to vrstvu po vrstvě. Vše v p esně požadovaných pr ezech, aby se dosáhlo dokonale p esného tvaru objektu. RP proces spadá do kategorie aditivních proces a zahrnuje technologie SLA, FDM, LOM, SLS, SGC, 3D Printing a mnohé další. Tyto technologie budou podrobněji popsány v kapitole zabývající se popisem jednotlivých metod 3D tisku.
Formativní proces: V tomto p ípadě mechanické síly p sobí na materiál tak, aby se vytvo il požadovaný tvar. Jedná se nap íklad o ohýbání, kování, vst ikování plast atd.
Rapid prototyping je tedy digitální nástroj, díky kterému nar stají díly vrstva po vrstvě bez obrábění, lisování nebo odlévání. [3] [2]
1.3 Historie Rapid Prototyping
Pojem 3D tiskárna pochází až z druhé poloviny ř0. let. Vznik této technologie však započal již d íve, musíme ho však hledat pod jiným pojmem tím je stereolitografie.
Počátky technologie 3D tisku spadají již do druhé poloviny 20. století, kdy si Charles Hull nechal v roce 1986 patentovat technologii stereolitografie, která bude podrobněji popsána v kapitole zabývající se popisem technologií. P ed koncem ř0. let pak Hull pod hlavičkou jeho nové firmy 3D Systems vytvo il první za ízení tisknoucí v 3D formátu pro širokou ve ejnost, tzv. stereolitografický aparát SLů-1. SLA-1 byl využíván pouze beta zákazníky a postupně upravován až p išla na svět podoba SLů-250, která byla nabídnuta široké ve ejnosti. Stereo Lithography Apparatus SLA-1 je doposud k vidění ve Fordově muzeu v Dearborn v Michiganu.
Pozdější nástup konkurence na trh p inesl nové technologie, nap . roku 1991 modelování depozicí taveniny (FDM, Fused Deposition Modeling) využívající termoplast či o rok později selektivní laserové spékání (SLS, Selective Laser Sintering) pracující s CO2 laserem a práškovým materiálem. [2] [18]
P íkladem domácí tiskárny je RepRap, který je vyvíjen mezinárodní DIY/ Maker komunitou a jeho kompletní návrh je volně k dispozici jako otev ený hardware.
Vývoj jde však mnohem dál, od roku 2010 je zahájen tisk biologických prvk , jako nap íklad cév, společností Organovo. V roce 2011 byly p edstaveny první 3D tiskárny určené k tisku jídla či oblečení.
[2] [18] [27]
Tabulka 1 Historický vývoj 3D tisku do roku 2010 [2] [18] [19]
1984 Charles Hull i ul te h ologii pro tisk f zi ký h D o jektů z digitál í h dat
1986
Charless Hull zakládá D S ste s, je i ut pr í ko erč í stroj pro D tisk s áz e SLA-1 pro eta zákaz ík
te h ologie Charlesa Hulla je poj e o á a jako stereolitografie a získá á pate t
1988
Scott Crump vynalezl FDM
3D systems vyvinula model SLA- , která je jeko pr í pro širokou eřej ost 1989 S ott Cru p zakládá fir u Stratas s
1991 Pr í LOM zaříze í
1992
Pr í SLS zaříze í
Pr í FDM zaříze í D odeler
1993
Massachusetts Institute of Technology (MIT), patentovala 3D tisk Solids ape produkuje stroj a i kousto é ázi
1995 Z Corporation získala ýhrad í li e i od MIT a začala íjet D tiskár založe é a te h ologii 3D Printing
1996
D S ste s předsta ila A tual , D tisk se popr é použí á k oz ače í RP ) Corporatio předsta ila )
Stratas s předsta il Ge es s
2005 Z Corporatio předsta ila ) . Pr í tiskár u s soký rozliše í are
2006 )aháje projekt RepRap, za ěře ý a reproduk i sa a se e dle pod í ek GNU Ge eral Pu li Licence)
2008 Objet Geo etries Ltd. Předsta uje re oluč í Co e , popr é lze uží at ěkolik růz ý h ateriálů součas ě
2010
Společ ost Orga o o předsta uje rege erati í lékařst í- tisk iologi ký h pr ků, apř. é Ur ee, pr í protot po ý ůz tiště ý a D tiskár ě
3D tisk již není výsadou pouze vědeckých pracovišť, ale stále častěji a samoz ejmě i levněji máme možnost si tento stroj po ídit i do vlastní firmy nebo dokonce čistě jako p edmět volnočasových aktivit kutil a modelá .
V dnešní době není nutné volit materiál k tisku pouze mezi plasty, m žeme použít potravinové náplně, hrnčí skou hlínu, papír, kov či zlato. Volba barvy tištěného materiálu je témě vždy samoz ejmostí.
Dne 23. ř. 2014 byla 3D tiskárna nasazena v Mezinárodní Vesmírné Stanici. Tiskárnou First Zero – G byly vy ešeny problémy 3D tisku ve stavu beztíže a zajištěna bezpečnost posádky p i jejím používání [2] [18] [27]
Tabulka 2 Zajímavé mezníky 3D tisku po roce 2010 [27] [28] [29] [30] [31] [32]
2011
Rola d DG Corportio předsta ila o ý iModela IM- pro odeláře a kutil
Vienna U i ersit of Te h olog předsta ila ej e ší a ejlehčí tiskár u, áží í , kg V Southa pto u t oře o pr í letadlo po o í D tisku
Ve Velké Britá ii předsta e a D tiskár a a ýro u čokolád Shape a s a Co tiuu Fashio předsta ují pr í tiště é iki Předsta e Ulti aker s r hlostí zd ihu /s a posu u /s Věd i z Cor ell U i ersit začali sta ět D tiskár u a potra i
2013
Česká fir a Aroja předsta uje ej ětší sério ě rá ě ou D tiskár u a s ětě te h ologie FDM, t oří součást
U i erzita Pri eto u t ořila fu kč í lidské u ho sl ší í rádio é frek e e skuteč é u u hu eza h titel é
Aplikace pro tvorbu a tisk D odelů pří o e Wi do s 8.
MIT dokáže tisk out ětší odel , ež je sa ot á tiskár a, uží á k to u pri ip poskládá í o jektu do dlouhého řetěz e a ásled é slože í do kr hle
2014
D tiskár a First )ero popr é e es íru
Společ ost Shape a s a ízí D tisk ze karáto ého zlata
Fir a Nike e hala ro it jako pr í a s ětě sporto í tašku, pro ejlepší hráče Mistro st í s ěta e fot ale
Potra i o á tiskár a Foodi i předsta e a a We Su itu Du li u
Fir a Autodesk oz á ila, že uduje soft are platfor u Spark a D tiskár u s ol ý li e č í užití
1.4 Tvorba modelu po o í Rapid Prototypi g
Metoda Rapid Prototyping se skládá z pěti základních krok [3]:
1) Vytvo ení modelu v konstrukčním CůD programu 2) P evedení CůD modelu do formátu STL
3) Jednotlivé díly z STL souboru p evést na 2D vrstvy ze všech pr ez 4) Samotná tvorba modelu s vhodně zvolenou technologií RP
5) Postprocessing obsahující nap íklad čištění modelu od podpor
1.5 Technologie Rapid Prototyping
Zde je uveden p ehled hlavních metod RP, využívajících r zné technologické postupy a materiály.
Stěžejní pro tuto práci jsou metody FDM a PolyJet Matrix, které budou dále podrobněji vysvětleny.
Ostatní jsou uváděny pouze pro porovnání a dokreslení situace na poli RP. [3] [10]
a) Stereolithography Process (SLů nebo též STL) b) Selective Laser Sintering (SLS)
c) Selective Laser Melting (SLM)
d) Laminated Object Manufacturing (LOM) e) Fused Deposition Modeling (FDM) f) PolyJet Matrix
g) Multi-Jet Modelling (MJM) h) Solid Ground Curing (SGC) i) Direct Shell Production Casting j) ProMetal 3D Printing
k) Direct Laser Forming
l) Ballistic Particle Manufacturing m) Model Maker 3D Plotting
1.5.1 Děle í te h ologií Rapid Prototyping
Tyto technologie se mohou dělit, mimo jiné, z hlediska použitého materiálu nebo výrobního postupu.
Dle použitého materiálu na tekuté materiály, práškové materiály, polymerní materiály a papírové materiály. Ing. Jaroslav asa, CSc. v článku Nekonvenční metody obrábění ř. díl k tomuto rozdělení dle materiálu p idává navíc tryskové tištění reprezentované nap íklad metodou FDM a tryskové spojování metodou Multiphase Jet Solidification. [3] [10]
Z hlediska výrobního postupu na [3] [10]:
- systém p idávání vrstev p i použití laseru s vytvrzováním bod po bodu - systém p idávání vrstev p i použití laseru s vytvrzováním po vrstvách - systém p idávání vrstev bez použití laseru s vytvrzováním bod po bodu - systém p idávání vrstev bez použití laseru s vytvrzováním po vrstvách
1.5.2 Vol a hod é te h ologie Rapid Prototypi g
Neexistují pravidla, podle nichž by se p edem obecně dalo určit, který z postup RP je nejvhodnější pro který druh prototypu a který materiál. Je nutné zvážit materiálové vlastnosti, geometrický tvar a p ípustné tolerance. Tolerance mají zásadní vliv na volbu technologie. V metodě SLS se eší desetiny milimetr , zatímco v STL setiny milimetr . Stejně tomu bude u metod FDM a PolyJet, každá metoda má naprosto jiné nároky na kvalitu povrchu a tím i p esnosti. Dalším, neméně d ležitým faktorem p i výběru technologie je cena tisku, p ípadně samotné 3D tiskárny. Opomenout se samoz ejmě nesmí ani budoucí
využití prototypu, zda má být funkční, jde-li pouze o prezentaci nebo bude nasazen do výroby. Záleží i na plánovaném počet kus prototyp . [11]
1.5.3 Fused Deposition Modeling (FDM)
Fused Deposition Modeling, čili vytvá ení modelu pomocí nanášení natavené vrstvy, je technologií aditivní výroby, kterou na konci osmdesátých let dvacátého století vyvinul a v roce 1řŘř patentoval S. Scott Crump, pozdější zakladatel společnosti Stratasys, jež má tento pojem zajištěn ochrannou známkou.
FDM je jednou z nejrozší enějších metod profesionálního 3D tisku. Tato technologie na rozdíl od ostatních nevyužívá laseru.
Princip FDM spočívá nejčastěji v tavení termoplastu (je však možné vosku i kovu) ve formě vlákna uvnit vytlačovací hlavy, někdy označováno jako extruzní. P ipravený materiál je navinutý na cívce. Tisková vytlačovací hlava taveninu vytlačuje na podložku a svým pohybem ve dvou osách postupně nanáší velmi tenkou vrstvu materiálu v rovině horizontálního pr ezu budoucího výrobku. Tloušťka vrstvy je mezi 127 a 254 mikrometry. V trysce je materiál oh íván na teplotu o 1 °C vyšší, než je jeho teplota tavení. Po nanesení celé vrstvy se podložka sníží o tloušťku vrstvy ve vertikální ose a postupné nanášení pokračuje až do vytvo ení celého produktu. [11] [12] [15]
Obrázek 2 Schéma metody FDM [15]
Na podep ení p ečnívajících částí je nutné vytvo it podp rnou konstrukci, která se po dokončení modelu mechanicky odstraní. Tato konstrukce se tiskne automaticky p ímo během procesu tisku z odlišného materiálu, než je materiál stavební.
TISKOVÉ TRYSKY
SYSTÉM PODÁVÁNÍ DRÁTU
ZÁSOBNÍK TERMOPLASTU
TIŠT NÝ MODEL
NOSNÁ MODELOVACÍ DESKA
PRACOVNÍ KOMORA MATERIÁL PODPOR
Nejčastěji používanými materiály pro FDM jsou termoplasty ABS a PLů, dále je možné vytvá et součásti nap íklad z polyamidu, polyetylenu nebo vosku. V profesionálních aplikacích jsou využívány další materiály jako nap . polykarbonáty.
Výhodou FDM je značná rychlost po ízení modelu, aniž by p itom byly p ekračovány p edem stanovené tolerance p esnosti dimenzí. Na rozdíl od SLS zde není zapot ebí počítat s časy pro chladnutí a vytvrzování modelu.
Na principu technologie FDM pracuje většina tzv. 3D tiskáren. [11] [12] [15]
1.5.4 PolyJet Matrix
Firma Objet, která si metodu PolyJet Matrix patentovala, pochází z Izraele a je první RP technologií, která umožňuje současné dávkování dvou druh prysky ic v pr běhu jednoho procesu výroby modelu.
Tiskovými hlavami vytlačovaný fotopolymer je vytvrzován pomocí UV lampy.
Díky simultánnímu dávkování a míchání dvou komponent směsi je možné stavět fyzické modely s r znými mechanicko-fyzikálními vlastnostmi v jednom výrobním procesu. Je možné vybrat prysky ici o vlastnostech co nejvíce p iblížených vlastnostem finálně aplikovaného materiálu. Objet PolyJet Matrix eliminuje pot ebu následného sestavení samostatných díl modelu z r zných materiál .
Obrázek 3 Schéma technologie PolyJet Matrix [13]
V závislosti na vybraném módu je možná výroba model ve vrstvách o tloušťce 16 nebo 30 mikron .
I zde je na podep ení p ečnívajících částí nutné vytvo it podp rnou konstrukci, která se po dokončení modelu mechanicky odstraní tlakovou vodou. Tato konstrukce se tiskne automaticky p ímo během procesu tisku z odlišného materiálu, než je materiál stavební.
Technologie je vhodná na modely s vysokou mírou detailu. [16] [17]
V dnešní době již existují na trhu volně dostupné tiskárny Connex3 Systems umožňující tisk t í základních prysky ic současně. Díky tomu máme možnost získat libovolnou barevnou kombinaci a ještě větší flexibilitu p i tvorbě model složených z více druh materiál . [14]
1.5.5 Stereo Lithography (SLA)
Jde o nejstarší metodu z technologií Rapid Prototyping, která byla vyvinuta společností 3D Systems, Inc., a roku 1řŘ7 uvedena na trh. Součást se vytvá í postupným vytvrzováním polymeru, plastické hmoty citlivé na světlo, pomocí UV laseru, který je na základě dat p icházejících z počítače zamě ován složitou optickou soustavou na hladinu polymeru. Součást je vytvá ena na nosné desce, která se na začátku procesu nachází p ímo pod hladinou polymeru. Po vytvrzení (tj. po osvícení) jedné vrstvy se nosná deska pono í o tloušťku vrstvy hlouběji do lázně a začne se vytvá et další vrstva. ůby se vyrovnaly nep esnosti vzniklé nanášením polymeru, je nutné p ed osvitem každé vrstvy p ejet hladinu tzv. stěračem.
Vytvarováním tekutého polymeru po vrstvách a následným sejmutím z nosné desky vzniká trojrozměrné těleso (model).
Tato metoda vyniká vysokou p esností a velkým množstvím použitelných materiál . Oproti jiným technologiím je možno stereolitografií vytvá et modely s milimetrovými otvory a miniaturními prvky.
Nevýhodou je p edevším pomalý proces vytvrzování polymeru a u některých materiál také malá tepelná odolnost vzniklého modelu. [10]
Obrázek 4 Proces stereolitografie [9]
LASER
LASEROVÝ PAPRSEK
NOSNÁ DESKA S PÍSTEM TEKUTÝ POLYMER VRSTVY PEVNÉHO POLYMERU OPTICKÁ SOUSTAVA
ST RAČ
1.6 For áty potře é k pře osu dat
K tomu, aby tiskárna dokázala komunikovat s počítačem a p evzala si tedy námi vytvo ený 3D model z CAD dat, je nutné využít pro ni srozumitelného formátu. Zde bude uveden jeden, který se nejvíce uchytil mezi uživateli a je nejpoužívanějším formátem k p enosu těchto dat.
1.6.1 STL (Standard Tessellation Language)
Je standartní formát pro uložení dat v technologiích RP. Zastupuje CůD model souborem trojhranných aspekt . Tyto trojhranné aspekty určují p esnou hranici mezi prostorem tvo eným materiálem a volným prostorem. STL není ničím jiným než seznamem x, y, z sou adnic, které popisují vygenerované body, čili uzly, které slouží k popisu trojúhelníkových ploch. Zároveň určují směr vektoru normály pro každý trojúhelník, který určuje vnější povrch modelu.
STL model je úplně uzav ená hraniční reprezentace, sestavená pouze z trojúhelníkových plošek (facets), jejichž velikosti závisí na toleranci použité na povrch p vodního objemového modelu. Formát také obsahuje pravidla pro zajištění toho, aby všechny trojúhelníky byly správně spojeny ve všech uzlech.
P vodně byl tento formát vyvinut firmou 3D Systems k propagaci metody stereolitografie, odtud název STL někdy p ekládaný i jako Stereo Lithography. Modely složené z trojúhelníkových ploch se osvědčují i v simulaci procesu slévání či tvá ení, p i napěťové a teplotní analýze, nebo obráběcích aplikacích.
ůproximace originální geometrie na model složený z trojúhelník vyvolává otázky spojené s p esností tvar . Z principu práce stroje však vyplývá, že se model d íve nebo později stejně stane "ploškovým".
To proto, že všechny dráhy nástroje se skládají z lineárních pohyb . Chyby p i těchto aproximacích musí být velmi malé, z toho d vodu plošky modelu bývají generovány s nastavenou tolerancí 0,001 mm.
Obrázek 5 Facets, trojúhelníkové plošky [Ř]
Větším problémem m že být velikost STL souboru. To z d vodu, že čím je pot eba p esnější aproximace komplexní 3D geometrie, tím je zapot ebí větší počet trojúhelník . Soubor také obsahuje množství zdvojených informací, protože vrcholy každého trojúhelníku jsou uvedeny jednotlivě. Bude-li daný vrchol sdílen dvěma nebo více sousedními trojúhelníky, bude bod zapsán dvakrát, t ikrát nebo i vícekrát.
Normála povrchu každého trojúhelníku je explicitně definována jako vektor, což pomáhá vylepšit rychlost zpracování pro Rapid Prototyping, ale nap íklad pro t íosé obráběcí aplikace jde o nepot ebná data.
Výstup STL souboru m že být v binární nebo ůSCII formě.
Binární forma má velkou výhodu v tom, že je kompaktnější a pro p enos tedy výhodnější. Nelze však v ní číst bez p ekladu z pouze strojově čitelného kódu.
Oproti tomu forma ASCII je pro obsluhu mnohem p ehlednější, nedoporučuje se však k p enosu po síti z d vodu velkého objemu souboru, je pomalejší a tedy méně efektivní. [7] [3]
1.6.2 Mož é ady STL souborech
STL soubory mohou mít celou ad vad, ty hlavní mohou být [Ř] [9]:
a) Špatně definovaný normálový vektor (m že zp sobit, že výplň bude vně objektu) b) Neuzav ená stěna (STL soubory musí být uzav ené)
c) Duplicitní trojúhelník nebo bod d) Protínající se stěny nebo hrany
e) Nesmí obsahovat tzv. „Noise shells”, trojúhelníky či skupiny trojúhelník nep ipojené ani jedním bodem k hlavnímu modelu.
f) Nesmí být dutý, takový model bychom sice byly schopni vytisknout, ale nikoliv vyčistit od podp rného materiálu a musel by se roz ezat.
1.7 Použité tiskár y
K výrobě vzork pro tuto práci bylo využito tiskárny Stratasys Dimension SST 768 pro metodu FDM a Objet Connex 500 pro metodu PolyJet Matrix.
Stratasys Dimension SST 768 [24]:
Maximální rozměry model : 203 x 203 x 305 mm Tloušťka nanášených vrstev: 0,254 nebo 0,330 mm P esnost stavby: 0,127 mm
Objet Connex 500 [4]:
Maximální rozměry model : 490 x 390 x 200 mm Tloušťka nanášených vrstev: 0,016 nebo 0,030 mm P esnost stavby: 0,020 až 0,0Ř5 mm
Obrázek 6 vlevo Dimension SST 768, vpravo Objet Connex 500
1.8 O li ě í k ality tisku po o í aplika í
K tomu, aby počítač dokázal komunikovat s tiskárnou je ve většině p ípad zapot ebí dalšího softwaru.
CatalystEX je aplikace určená pro komunikaci s tiskárnou Dimension. Díky ní se snadno p ipraví data pro tisk a odeslání do p ístroje od firmy Stratasys. V tomto prost edí lze nastavit výšku vrstvy stavebního materiálu. Tím se ovlivní kvalita povrchu na úkor času pot ebného ke zhotovení modelu. Čím nižší vrstvu vybereme, tím bude povrch lepší, musíme však počítat s prodloužením výrobních čas . [26]
Obrázek 7 Stavební vrstva Solid, ez podložkou, aplikace CatalystEX
Obrázek 8 Stavební vrstva Solid, ez tvarovými objekty, aplikace CatalystEX
Další možnost, jak zasáhnout do výrobních čas , je volbou typu pevnosti stavební vrstvy. Na výběr jsou pojmy jako Solid, Sparse High nebo Sparse Low, což v p ekladu znamená pevný, vysoce ídký a nízce
ídký.
Solid se využívá tehdy, požadujeme-li pevnou a odolnou součást. Ze všech možností na ni bude spot ebováno nejvíce stavebního materiálu. Sparse High je nejčastěji doporučován jako standartní typ stavby. Doba tisku je kratší, spot eba materiálu je také nižší a hmotnost se p itom výrazně sníží. Sparse Low umožňuje nejmenší spot ebu materiálu, to má ovšem vliv na pevnost modelu.
Pomocí aplikace CatalystEX lze volit i typy materiál podpor. To má vliv na jejich pevnost a též i rychlost tisku. Volit m žeme mezi Sparse, Minimal, Break-away nebo Surround. V p ekladu tedy na podpory ídké, minimální, odstranitelné a ohraničené.
ídké minimalizují množství materiálu podpor. Rozestupy mezi rastry dráhy nástroje jsou větší než u základního nastavení. Minimální jsou určené pouze pro malé modely, které nepot ebují tolik podpor, jsou tedy mnohem lépe odstranitelné. Rozhodně není vhodné pro velké díly nebo vysoké sloupy podpor.
Odstranitelné podpory jsou podobně jako ty minimální lehce odstranitelné. Stavějí se trochu pomaleji a nejsou k dispozici pro všechny typy tiskáren. Ohraničené podpory obklopí celý model nosným materiálem, jsou vhodné pro hubené a úzké modely, nap íklad tvaru tužka. [26]
Obrázek 9 Stavební vrstva Sparse High, ez podložkou, aplikace CatalystEX
Objet Studio - Tento software je speciálně vyvinut pro firmu Objet, podporuje jak STL, tak SLC formáty.
Obsluha je velmi jednoduchá, umožňuje snadné a p esto p esné odhady výrobních čas včetně ízení fronty. Dále nabízí výkonné pr vodce usnadňující údržbu systému. Volí se zde mezi typy High Quality a High Speed. Tato volba má za následek změnu velikosti vrstvy z 30 μm na 16 μm. Tím se výrazně ovlivní kvalita povrchu součásti i čas pot ebný k výrobě modelu.
Obrázek 11 Objet Studio, porovnání High Speed a High Qality
Oba softwary mají společnou část nastavení modelu do pracovního prostoru tiskárny a její orientaci v prostoru. Orientace je u technologií 3D tisku velmi podstatná, lze tisknout rozsáhlé modely, které nesmí být p íliš vysoké. Čím vyšší model je, tím je zapot ebí více vrstev a to je samoz ejmě pomalejší než vrstev méně, p estože by se jednalo o objemově větší model.
2 Teoreti ká část ezdotyko ého ske o á í
2.1 S í á í o razu
Chceme-li zpracovat reálný obraz pomocí počítače, je nutné ho digitalizovat. Snímání obrazu, čili digitalizace, je p evedení optické veličiny na elektrickou. Rozhodující vliv na kvalitu získaných informací má snímací za ízení, obrazové čidlo, osvětlení i uspo ádání scény. Informace ztracená p i chybném snímání je zpět nezískatelná a je nutné snímání opakovat, což není pokaždé možné. [1]
Nejběžněji se ke snímání optického obrazu využívá skener. Těch je mnoho druh , podrobněji je nalezneme v kapitole Skenery.
2.1.1 Digitalizace
Digitalizace je proces reverzního inženýrství, p i kterém dochází ke snímání sou adnic objektu v prostoru.
Takto získaný mrak bod za pomoci softwaru p evedeme na digitální obraz reálného modelu.
Čidla pro vstup obrazové funkce jsou většinou zdrojem spojitého signálu. Pro zpracování na počítači však pot ebujeme její digitální ekvivalent. Toho dosáhneme právě digitalizací obrazu, která spočívá ve vzorkování obrazu v matici MxN bod a v kvantování spojité jasové úrovně každého vzorku
do K interval . Čím jemnější je vzorkování, čím větší jsou hodnoty M a N a kvantování, tím lépe se poda í aproximovat p vodní spojitý obrazový signál. [1] [22]
Zpracovaný digitální model m že být jak plošný, tak i objemový. Takto zpracované údaje se poté dále zpracovávají, konstruují se formy, generují se CNC kódy a podobně.
2.1.2 )áklad í kroky při digitaliza i o jektu
1) Nasnímání prostorových sou adnic, čímž získáváme hrubá data.
2) Filtrace nechtěných dat, což jsou šumy, odrazy, chybné dotyky. Tím docílíme jemných dat.
3) Vytvo ení CůD dat, to znamená p evedení do plošného nebo objemového modelu.
4) Následná tvorba pot ebné dokumentace.
2.1.3 Druhy s í á í
a) Dotykové
b) Bezdotykové laserové
c) Bezdotykové optické (cíl této práce)
Další možné dělení je nap íklad na bodové snímání povrchu, plošné snímání povrchu nebo snímání povrchu pásem světla.
Dotykové čili mechanické snímání funguje na principu kontaktu sondy se snímaným povrchem.
Tato metoda je velmi p esná, ale časově náročná. Kontakt m že být p erušovaný (digitální) nebo neustálý (analogový).
Bezdotykové laserové snímání pracuje na principu snímání odrazu laserového paprsku. P esnost oproti dotykovému snímání je nižší, dokážeme však docílit vyšší rychlosti mě ení.
Bezdotykové optické snímání pracuje tak, že na povrch objektu jsou promítány pruhy světla, které jsou snímány pomocí dvou kamer a CCD čipu. Software z těchto záběr vypočítá prostorové sou adnice jednotlivých bod . Lze pohybovat celým objektem i skenerem.
Výběr metody skenování ovlivňuje v první adě požadovaná p esnost mě ení a dále tvarová složitost součásti, drsnost povrchu a stupeň detailu. Jedná-li se o optickou nebo laserovou metodu, je nutné vzít v potaz i lesklost a barvu povrchu snímané součásti, z d vodu velkého vlivu na kvalitu výsledku. Pokud p esto pot ebujeme skenovat tmavé či lesklé p edměty je dobré zvážit možnost nanesení tenké vrstvy k ídy, p ípadně jiného materiálu, umožňujícího změnu povrchu. [5] [22]
2.2 Historie ske o á í
Dotyková sonda byla vyvinuta v 80. letech minulého století. Tato digitalizace však byla velmi pomalá.
Proto se p ešlo na vývoj optické technologie snímání povrchu. Výhodou byla i možnost skenování
Mezi první využití 3D skeneru pat ilo snímání lidí. Společnost Cyberware Laboratories se sídlem v Los Angeles uvedla v Ř0. letech skener hlavy, využitelný ve filmovém pr myslu pro animace. O pět let později byl p ístroj upraven a bylo možné skenovat již celé tělo.
Roku 1994 nastal pokrok v oblasti 3D skenování a se skenerem REPLIKů vyráběným firmou 3D Scanners p ichází rozvoj skenování detailních p edmět .
Dalším bodem vývoje byl 4 osý laserový skener společnosti Digibotics. Princip jeho skenování byl založený na vyza ování bodu pomocí laseru. Chybělo mu však 6 stupň volnosti, nebylo tedy možné pokrýt celý povrch p edmětu. Tento p ístroj zatím nedokázal zachytit ani barvu.
Roku 1řř6 společnost 3D Scanners vytvo ila skener ModelMaker. Zde byla spojena technologie vyza ování pásu a ručního ovládání. Byly tedy poprvé splněny požadavky na rychlost, p esnost i zachycení barvy. [23]
2.3 Skenery
Ty nejznámější a běžnému uživateli nejbližší jsou 2D skenery. K tomuto mě ení bylo zapot ebí však využít 3D skeneru. 3D skenery pat í do skupiny technických skener , které m žeme rozdělit na dotykové, bezdotykové, mechanické, optické, laserové, destruktivní, ultrazvukové atd. Dále by bylo možné je dělit i nap íklad podle konstrukce na pevné a p enosné. V současné době umí nasnímat fyzické objekty do 3D podoby mnoho za ízení, p i jeho výběru musíme zvážit, k jakému účelu budou naskenovaná data sloužit, jak velké objekty budeme pot ebovat skenovat, v čem se budou data dále zpracovávat, kolik času máme na naskenování, zda bude mě ená součást s texturou a v neposlední adě zda p jde o mě ení probíhající v laborato i, nebo nap . v extrémních podmínkách. [5] [23]
Dotykové skenery: Hrot obtahuje k ivky p edmětu, tyto k ivky se poté spojují plochou a tím vzniká povrch skenovaného objektu.
Bezdotykové skenery: Časově méně náročné skenování, tvo í hustější síť bod i v místech, kde by nebylo možné využít dotykového skeneru.
Mechanické skenery: Jsou v podstatě dotykové skenery. Jedná se o soustavu ramen propojených klouby na konci se sondou. V kloubech se nacházejí senzory a díky nim systém rozezná okamžitou polohu sondy.
Optické skenery: Skener pracuje na principu projekce proužku světla na mě ený objekt, který je snímán dvěma kamerami. Na jeden snímek, tedy zpravidla i jednu polohu skeneru je sejmutý celý viditelný povrch součásti v mě icím objemu skeneru. Optické skenery mají problémy s určováním nepr chozích děr a hlubokých otvor , dá se však použít i jako za ízení k mě ení vibrací nebo deformací. [33]
Laserové skenery: Pracuje na principu odrazu laserového paprsku. Počítá s dobou a úhlem vráceného paprsku. Oproti optickému skenování nemá problémy s nepr chozími dírami.
Destruktivní skenery: Jak název napovídá, dochází ke zničení skenovaného p edmětu. Výhodou však je, že dokáže zaznamenat i vnit ní geometrii. Pracuje na principu zaplnění veškerých dutin barvou a postupním odfrézováním tenkých vrstev.
Ultrazvukové skenery: Ultrazvukové signály se p eloží do 3D sou adnic. Jde o nejlevnější variantu skenování, bohužel má však nižší p esnost a to v rozmezí 0,3-0,5mm.
Rentgenové skenery: Digitalizuje vnit ní geometrii podobně jako u destruktivních skener , ale neničí mě enou součást. Vhodné pro kontrolu uzav ených nádob jako jsou potrubí nebo kotle. [5] [23]
2.3.1 Bezko takt í opti ký 3D ske er
Zatím nacházejí uplatnění hlavně ve strojírenství, ale do budoucna se od nich očekává široké využití.
Bezkontaktní optický skener pracuje na principu projekce proužk . Ty jsou p ímé. Dopadem na tvarovou plochu se ale zak ivují. Kamery na skeneru snímají tyto změny zak ivení p vodně p ímých proužk světla a stínu a tím vykreslují snímaný objekt. Jde tedy o princip pasivní triangulace se známou orientací více kamer.
K mě ení této práce byl využit bezkontaktní optický skener ůTOS II. ATOS je zkratka Advanced Topometric Sensor a na trhu se pohybuje více než 15 let. Jde o mobilní p ístroj od německé firmy GOM.
Nejširší využití má v oblastech CAM, CAD a FEM, kde je vyžadováno mě ení reálných objekt a jejich následné srovnání s teoretickým modelem. Tento p ístroj je vhodný pro snímání objekt od velikosti pouze několika milimetr až po několik metr . Je možné spojovat jednotlivé snímky do jednoho celku a mě it tak i rozměrné a složité objekty po celém povrchu. P ístroj je mobilní a uzp sobený i na práci pomocí robot . Výstupem z mě ení jsou 3D sou adnice bod (mrak bod ), který lze p evést do STL dat, program umožňuje ukládat i ezy, obrysové linie, p ípadně výstupní protokoly kvality.
Nespornou výhodou toho p ístroje je možnost mě it měkké, k ehké nebo historicky cenné p edměty.
Výsledky jsou nezávislé na hmotnosti i teplotě a součásti. Rychlé mě ení i tvarově složitých model ho dělá velmi efektivním nástrojem. Zároveň to, že dokáže spojovat jednotlivé snímky do jednoho, ho činí velmi flexibilním p i skenování velmi velkých p edmět .
Lesklé nebo pr hledné objekty lze mě it až po úpravě povrchu. Nevýhodou m že být problémové mě ení některých povrch , obtížné mě ení hlubokých dutin, děr nebo opticky nedostupných oblastí. Problémové m že být i okolní osvětlení nebo znečištění. [5][20][21] [23]
2.3.2 Te h i ké para etry ske eru ATOS II
Pro získání reálných model bylo využito bezdotykového skeneru ůTOS II 400 [5].
Mě ený objem 250 x 200 x 200 mm
Čas na 1 sken 1 s
2.4 Použitý soft are k yhod o e í ěře í
K vyhodnocení získaných dat bylo využito volně dostupného softwaru GOM Inspect. Tento program umožňuje rozměrovou analýzu 3D mraku bod získaných z optických skener , laserových skener , počítačové topografie CT a jiných zdroj . Zároveň je možné ho použít jako prohlížeč dat softwaru GOM Inspect Professional. Software byl za azen do t ídy 1, tedy t ídy s nejmenšími odchylkami.
Porovnání v či referenčnímu CůD modelu je možné pomocí barevné 3D mapy, v ezech nebo v odchylkách referenčních bod . Importovaná data jsou podporována z formátu STEP, IGES.
Exportovaná data mraku bodu jsou ve formě ůSCII, STL a jiné. Software GOM Inspect automaticky p evádí data mraku bod na vysoce kvalitní 3D polygonální sítě a nabízí obsáhlé funkce pro další zpracování, jako jsou nap íklad vyhlazení, redukce, zahuštění, extrahovaní k ivostních čar a základních geometrických prvk ze skeneru. Celoplošně namě ená data umožňují snadné zjištění potencionálních problém výrobk a rychlejší nalezení možných ešení. Software Gom Inspect umožňuje výměnu informací mezi vývojovým, konstrukčním a kontrolním oddělením a výrobou. Software GOM Inspect je vhodný nástroj pro zákazníky a spolupracovníky k prohlížení výsledk a provádění dalších analýz.
Všechny soubory dat software GOM Inspect jsou plně kompatibilní se systémy GOM Inspect Professional a ATOS Professional. [25]
Obrázek 12 Bezdotykové skenování ůTOS [21]
3 Tolero á í roz ěrů a geo etri ký h last ostí
3.1 Ter í y a jeji h defi i e
Rozměr - číselně vyjád ená hodnota délky nebo úhlu v obvyklých jednotkách.
Jmenovitý rozměr - rozměr, k němuž se vztahují mezní úchylky. Doporučuje se volit jmenovitý rozměr jako celé číslo, pokud možno z normálních rozměr .
Skutečný nebo též reálný rozměr – rozměr zjištěný mě ením.
Mezní rozměry – dva krajní p ípustné rozměry prvku, mezi nimiž musí ležet (nebo jim být nejvýše rovný) skutečné rozměry prvku. Horní mezní rozměr je největší p ípustný rozměr prvku, dolní mezní rozměr je nejmenší p ípustný rozměr prvku.
Rozměrová tolerance – algebraický rozdíl mezi horním mezním rozměrem a dolním mezním rozměrem.
Úchylka – algebraický rozdíl mezi rozměrem a jmenovitým rozměrem. Mezi skutečným rozměrem a jmenovitým rozměrem je skutečná úchylka. Ta m že být kladná, záporná nebo nulová. [6]
3.2 Tolero á í geo etri ký h last ostí
Tolerováním geometrických vlastností se rozumí zejména p edepsání vhodných geometrických toleranci.
P edepsané geometrické tolerance se mohou vztahovat k jednomu prvku, ke dvěma nebo více prvk m.
V této práci nás bude zajímat tolerance tvaru rovinnost a tolerance tvaru válcovitost. [6]
Rovinnost jednotlivého tolerovaného prvku je považována za správnou, jestliže vzdálenost každého bodu skutečného prvku od obalové roviny ideálního geometrického tvaru je nejvýše rovna hodnotě p edepsané tolerance. Zvláštními p ípady úchylky rovinnosti jsou vypuklost a vydutost. [6]
Válcovitost jednotlivého tolerovaného prvku je považována za správnou tehdy, jestliže se skutečný válec nalézá mezi dvěma souosými válci ideálního geometrického tvaru, jejíž radiální vzdálenost je nejvýše rovna p edepsané toleranci válcovitosti. Zvláštními p ípady jsou kuželovitost, soudkovitost a sedlovitost.
[6]
Obrázek 13 Značka rovinnosti (vlevo) a válcovitosti (vpravo)
4 Prakti ká část prá e
4.1 )íská í reál ý h odelů
Hlavním cílem této práce bylo porovnat jednotlivě vytištěné modely a to jak v či CůD dat m, tak v či sobě. K tomu jsme pot ebovali znát skutečné rozměry reálných model . Stručně byl tedy postup následovný:
1) Návrh modelu vhodného k tisku
2) Vytištění modelu na 3D tiskárnách pracujících rozdílnými technologiemi s použitím rozdílných parametr ovlivňujících kvalitu tisku
3) Digitalizace vytištěných vzork a vytvo ení reálných model 4) Vyhodnocení reálných model a porovnání s CAD modelem
4.1.1 Ná rh odelu a prá e s ko strukč í progra e
Podstatné bylo vytvo ení modelu v konstrukčním programu, umožňujícím uložení do formátu STL.
To v dnešní době je témě každý. P esto je nutné na začátku práce s touto nutností počítat.
Obrázek 14 Funkce CATPart from Product - V tomto p ípadě byla použita CůTIů V5R1ř
- Protože model byl vytvo en pro jednodušší manipulaci jako sestava (Product), nebylo možné, aby byl použit pro p evedení do STL. Proto byla použita funkce Generate CůTPart from Product a sestava byla sjednocena jako jediné těleso (Part), které bylo poté p evedeno na požadovaný STL formát již bez dalších problém a to v ůSCII formě.
Geometrie modelu byla navrhnuta tak, aby obsahovala co nejvíce problémových partií. Stěžejní byly nakloněné roviny, identické válce ve dvou r zných orientacích, p evislá rovina a t i totožné koule.
Odstupňované obdélníkové pr chozí drážky a kruhové díry sloužili k vizuálnímu porovnání.
Vzdálenost jednotlivých geometrických objekt byla volena s p ihlédnutím na budoucí bezdotykové skenování, bylo vhodné, aby se objekty zbytečně nep ekrývaly.
Ze stejného d vodu bylo d ležité, aby výška válce nebyla větší, než je jeho vnit ní pr měr. Nedodržení tohoto pravidla by mělo za následek nekvalitní nasnímání povrchu dna válce.
Základna 100 x 100 mm byla dostatečně velká na to, aby pojmula všechny požadované útvary, zároveň byla vhodná pro uchycení do stojánku p ipraveného pro skenování. Model byl situován tak, aby absolutní výška byla co nejnižší, to mělo vliv na výrobní časy. Čím více vrstev je k vytisknutí modelu zapot ebí, tím jsou časy delší.
Obrázek 15 Schéma kontrolovaných hodnot, p íloha B Model byl navrhnut tak, aby bylo možné kontrolovat tyto hodnoty:
Odchylky od jmenovitého rozměru:
- pr měr koulí 3 x 15 mm
- rozteč mezi koulemi 60mm a Ř0mm - vnit ní pr měr válce 2 x 15mm - vnější pr měr válce 2x 20mm - rozměr modelu v ose x 12mm - rozměr modelu v ose y 100mm - rozměr modelu v ose z 100mm
Geometrické vlastnosti:
- rovinnost horizontálních ploch (plocha A, plocha B, plocha C)
- rovinnost vertikálních ploch (plocha D, plocha E, plocha F, plocha G)
- rovinnost šikmých ploch (L, M, N, O, P, Q) - válcovitost vnit ních válc (I, K)
- válcovitost vnějších válc (J, H)
Obrázek 16 Navrhnutý model pro tuto práci.
4.1.2 Ko u ika e s tiskár ou
Následovalo otev ení p ipraveného STL souboru v programu umožňujícím komunikaci s 3D tiskárnou a následné nastavení požadovaných vlastností budoucí vytištěné součásti.
- V tomto p ípadě byl použit program CatalystEX pro tisk metodou FDM na tiskárně Dimension SST 768 a program Objet studio pro tisk metodou PolyJet Matrix na tiskárně Connex 500.
- Bylo nutné zvolit vhodné umístění výrobku na pracovní plochu, z d vodu p íznivých výrobních čas a tím snížení náklad . U tisku technologií FDM by bylo možné tisknout oba vzorky současně a tím docílit vyšší produktivity, program CatalystEX tuto variantu umožňuje. Bohužel se nepoda ilo model na pracovní plochu umístit dvakrát. Maximální možná velikost modelu je 203 x 203 x 305 mm, model o rozměrech základny 100 x 100 mm, by tedy teoreticky měl jít umístit na základnu bez větších problém . Prakticky to však možné nebylo, program počítal i s možností podp rného materíálu v závitech a tím se velikost základny zvětšíla a oba modely nebylo možné rozmístit současně na jednu základní desku. U tisku metodou PolyJet byl prostor pro tisk dostatečně velký, dva modely p esto nebylo možné tisknout současně. To zap íčinila nutná kalibrace stroje po změně vrstvy z 16 μm na 30 μm.
- U technologie PolyJet Matrix bylo nutné nastavit výšku nanášené vrstvy, 16 μm (označovaná HQ, čili High Quality) nebo 30 μm (označovaná HS, High Speed), s jakou bude tiskárna pracovat. U technologie FDM se nastavila konstantní výška 250 μm.
- Dále byl zvolen požadovaný typ podpory Sparse. Tímto zp sobem jsme ovlivnili výrobní čas a poté následně vyhodnocovali vliv větší pevnosti na rozměrové a geometrické p esnosti samotného modelu. Umístění podpor bylo generováno automaticky a nebylo možné ani u jedné technologie do definovaného umístění zasahovat.
- U tisku metodou FDM byla navíc zvolena i hustota struktury stavebního materiálu vyplněných objem a to Solid u jednoho modelu a Sparse High u druhého modelu. To mělo hned několik d vod . Jednak tím byla ušet ena spot eba stavebního materiálu, dále se snížila váha konečného modelu a času pot ebného k tisku modelu. Poté se též zjišťoval vliv tohoto nastavení na geometrickou a rozměrovou p esnost.
Obrázek 17 Umístění modelu na pracovní plochu a automatické generování podpor, CatalystEX
4.1.3 Tisk modelu
V tomto bodě bylo již známo, jak dlouho bude tisk trvat a kolik bude pot eba stavebního a podp rného materiálu. Tím p ípravná fáze, čili preprocessing, byla u konce a mohl následovat proces tisku, čili processing. Tisk byl realizován zcela automaticky a nebylo pot eba zásahu obsluhy.
- Po spuštění byl tiskárnou automaticky zvolen nulový bod modelu a byla započata samotná realizace tisku, na kterou byly využity materiály ůBS u technologie FDM a VeroGray RGD850 pro technologii PolyJet Matrix.
- Občasné zaváhání a zastavení tisku, které bylo pozorováno u tiskárny Connex 500, bylo zap íčiněno stahováním dalších částí dat ze softwaru počítače. Toto drobné pozastavení však nebylo časté a netvo ilo výrazné zpoždění z celkového času tisku. Data nebyla načtena na začátku procesu všechna z d vodu zahlcení paměti tiskárny.
- Další pozorovanou abnormalitou byly občasné ot esy tiskárny Dimension SST 76Ř. Vždy v určité fázi p esunu hlavy se tiskárna viditelně ot ásla. To by mohlo mít vliv na p ípadné tvarové nep esnosti u tisknutého modelu. ešení tohoto problému však není cílem této práce.
Zmíněno je tu pouze jako možné vysvětlení některých vad povrchu.
Obrázek 19 Tisk metodou PolyJet Matrix
4.1.4 Úpra y ásledují í po tisku
Dále bylo zapot ebí následné úpravy vzorku po vytisknutí. Bylo nutné vyjmout vzorek z tiskárny, oddělit jej od podložky a vyčistit od materiálu podpor. Tato fáze se nazývá postprocessing.
- U tiskárny Dimension SST 76Ř je podpora z pevného k ehkého materiálu P400SR Soluble Support, proto bylo nutné k hrubému odstranění největších částí využít n ž a pro dočištění se musel díl vložit do ultrazvukové čističky.
- Naopak u tiskárny Connex 500 jsou podpory Full Cure 705 měkké a vodou odstranitelné, proto stačilo na odtrhnutí od podložky využít špachtli a poté model na pár hodin odležet ve vodě.
Pro dokonalejší očištění byla využita i tlaková vodní čistička. Nejmenší otvory se protlačili pomocí jehly a drátku. Na finální fázi dočištění se vzorek umístil do oxidační lázně.
Obrázek 20 Dočištění podpor v ultrazvukové čističce, model FDM
Obrázek 21 Částečně odmočené podpory po vyjmutí z vody, model PolyJet Metrix
4.1.5 Sklado á í odelů
Po očištění se modely vložily do pece, kde byly uskladněny do doby, než došlo k jejich naskenování.
- V peci se udržovala stálá teplota 32°C. To bylo obzvlášť vhodné pro modely tisknuté metodou FDM, protože jejich pórovitá struktura zap íčinila, že i po několika sušení tlakem vzduchu stále pouštěla vodu a bylo tedy nutné k jejich dokonalejšímu dosušení využít prostoru s regulovatelnou vlhkostí vzduchu.
4.1.6 Vyt oře é odely
Objet HS: metoda PolyJet Metrix, nastavení tisku HS (High Speed) Objet HQ: metoda PolyJet Metrix, nastavení tisku HQ (High Quality)
FDM Sparse: metoda Fused Deposition Modeling, nastavení vrstvy Sparse High FDM Full: metoda Fused Deposition Modeling, nastavení vrstvy Solid
Nastavení tisku a nastavení vrstvy, čili vysvětlení pojm High Speed, High Quality, Sparse High a Solid, bylo podrobně popsáno v kapitole Ovlivnění kvality tisku pomocí aplikací.
Tabulka 3 Srovnání jednotlivých technologií u tisknutých vzork
Výška vrstvy Doba tisku Spot eba stavebního materiálu
Spot eba materiálu podpor FDM Sparse 250 μm 5 hod 43 min 53, 877 cm3 12, 549cm3 FDM Full 250 μm 8 hod 27 min 137, 835 cm3 12, 549cm3
Objet HQ 16 μm 4 hod 24 min 237 g 82 g
Objet HS 32 μm 2 hod 20 min 226 g 75 g
Graf 1 Vliv výšky vrstvy na dobu tisku
Obrázek 22 Zkušební modely, bílé metodou PolyJet Matrix, modré metodou FDM
250 250
16 32
343
507
264
140
FDM Sparse FDM Full Objet HQ Objet HS
Sro á í ýšky a áše é rst y a do y tisku
Výška a áše é rst μm Doba tisku v min
4.1.7 Přípra a odelů k ezdotyko é u s í á í
Fáze preprocessingu se nesměla podcenit, měla stěžejní vliv na kvalitu nasnímaných dat. Obzvlášť u tmavých nebo lesklých součástí je d ležité povrch zmatnit a zesvětlit. Dále je pot ebné model a jeho p ilehlé okolí opat it referenčními body, sloužícími k spojení jednotlivě po ízených snímk .
Obrázek 23 Referenční body na součásti i okolí za běžného osvětlení
- Pro lepší manipulaci s modelem během skenování bylo nutné modely usadit do p ípravku.
K tomu bylo zapot ebí usadit do každého modelu šrouby. V tomto okamžiku již závity v modelech byly, protože byly součástí CůD dat poslaných do 3D tiskárny, p esto pro větší p esnost byly ještě pročištěny sadou závitník .
- Bylo nutné p ilepit v dostatečném počtu referenční body. Tyto body byly papírové samolepky o pr měru 3 mm. Body se nenacházely pouze na samotném modelu, ale i na jeho p ilehlém okolí. V tomto p ípadě šlo o hranoly z modelíny a p edem p ichystaný jednoduchý stojánek.
Stěžejní byly referenční body z boku mě ené součásti. Ty slouží ke spojení pohledu naskenovaného z horní a spodní strany.
- Stojánek nesloužil pouze pro lepší úhel pohledu skeneru, ale byl d ležitý i z d vodu ochránění vrstvičky k ídy, díky němu ani p i otočení součásti nedocházelo k nechtěnému set ení.
- Po p ichycení referenčních bod byly modely nast íkány velmi tenkou vrstvou k ídy. Optické skenery jako takové mají problém s mě ením tmavých a lesklých p edmět . Dochází u nich k nechtěným odlesk m a tím špatnému vyhodnocení dat. Modely vytisknuté pro tuto práci byly p esně tento p ípad, vzorek tištěný metodou FDM měl tmavě modrý povrch a model z technologie PolyJet Matrix měl povrch lesklý.
