Generatywne techniki wytwarzania w rozwoju innowacji

Transkrypt

1 Generatywne techniki wytwarzania w rozwoju innowacji Konstanty Skalski, Michał Haraburda 1

2 PLAN PREZENTACJI 1. Wstęp Generatywne Techniki Wytwarzania (GTW) w rozwoju innowacji 2. Rozwój produktu w Technikach Wytwarzania 3. Wybrane technologie szybkiego prototypowania (RP) 4. Przykładowe technologie szybkiego wytwarzania narzędzi (RT) 5. Technologie szybkiego wytwarzania gotowych wyrobów (RM) i ich przykładowe zastosowania 6. Uwagi końcowe 2

3 TERMINOLOGIA Technika Całokształt sposobów i umiejętności w wytwarzaniu dóbr Technique The manner in which technical details are treated Technologia Proces wytwarzania określonych dóbr Technology Systematic treatment of art, technical method of achieving a purpose 3

4 ROZWÓJ INNOWACJI poprzez: PRODUKT INNOWACYJNY (nowy produkt) 1. modny (współczesny) * 2. funkcjonalny 3. spełniający oczekiwania * w warunkach konkurencji kształtuje go: cena (tanio) czas (szybko) jakość (solidnie) INNOWACYJNA TECHNOLOGIA (nowy proces) 1. szybka (komputerowo wspomagana i zintegrowana) 2. elastyczna (współbieŝna) 3. dająca zysk 4

5 GTW (RP/ RT / RM): to Techniki Wytwarzania służące do szybkiego projektowania i wytwarzania modeli fizycznych oraz prototypów produktów otrzymanych zazwyczaj w wyniku przyrostowego nakładania warstw materiałuna podstawie 3D modeli wirtualnych. 5

6 MODELE FIZYCZNE I PROTOTYPY w GTW 1. Koncepcyjny propozycja geometrii 2. Ergonomiczny dający komfort i bezpieczeństwo 3. Geometryczny ocena wizualna 4. Konstrukcyjny to połączenie modeli Funkcjonalny to model 4 z oceną funkcjonalną 6. Prototyp funkcjonalny ocena rzeczywista rozwiązania z ograniczoną eksploatacją. 7. Prototyp techniczny to prototyp 6 z oceną eksploatac. 6

7 TWORZONE WARSTWY MATERIAŁU głównie poprzez: Polimeryzację Spiekanie Topienie/ przetapianie/ stapianie Sklejanie PRZYKŁADOWE MATERIAŁY I TECHNOLOGIE Tworzywa sztuczne (głównie polimery) Proszki metali Ceramika proszkowa Kompozyty (róŝne osnowy) Papier SLA SLS SLM, EBM FDM 3DP 7

8 TYPOWY PRZEBIEG WYTWARZANIA w GTW RP Tworzenie 3D modelu od podstaw w systemie CAD z pomiarowej bazy danych Odwzorowanie geometrii modelu aproksymacja modelu translatorem do formatu STL Projektowanie procesu technologicznego orientacja modelu budowa wsporników podział warstwowy modelu definicja wektorowa warstw generacja programu Realizacja procesu RP Obróbka wykańczająca naświetlanie wygładzanie 8

9 PRZYKŁADY TYPOWEGO PRZEBIEGU GTW-RP Utworzenie 3D modelu w systemie CAD Aproksymacja modelu 3D (formatem STL) Projektowanie procesu technologicznego wytwarzania prototypu Wytwarzanie w jednej z technologii RP Wytworzony prototyp SLA FDM 9

10 ROZWÓJ PRODUKTU W TECHNIKACH WYTWARZANIA Etapy procesu Etapy procesu A B C D E Fazy procesu Fazy procesu Etapy procesu Fazy procesu 10

11 Etap A: Planowanie produktu Model: koncepcyjny, ergonomiczny Zmiany chorobowe stawu kolanowego Proces dopasowywania endoprotezy wydłuŝalnej 11

12 Etap B: Koncepcja produktu Model: koncepcyjny, geometryczny cylindry zewnętrzne tuleja Ti z kołnierzem perforowanym spręŝyna rozpręŝna Koncepcja endoprotezy z modułem sterowania a) tuleja polietylenowa b) L L Moduł wydłuŝalny endoprotezy 12

13 Etap C: Projektowanie Model: geometryczny, funkcjonalny Model - CAD Dokumentacja konstrukcyjna Analiza wytrzymałości 13

14 Etap D: Przygotowanie, badanie prototypu Model funkcjonalny Elementy modułu kolanowego Model fizyczny modułu kolanowego funkcjonalny 14

15 Etap D: Przygotowanie, badanie prototypu Prototyp funkcjonalny Stanowisko do badania modułu wydłuŝalnego Moduł wydłuŝalny 15

16 Etap E: Planowanie procesu produkcyjnego Prototyp techniczny Endoproteza wydłuŝalna i jej wybrane elementy 16

17 Wybrane technologie GTW (RP/ RT/ RM) Technologie RP 17

18 PROCES TECHNOLOGICZNY SLA Stereolitography (Stereolitografia) Polimeryzacja 18

19 PROCESY TECHNOLOGICZNE SLS - Selective Laser Sintering (Selektywne spiekanie laserowe) SLM - Selective Laser Melting (Selektywne stapianie laserowe) EBM - Electro Beam Melting (Stapianie wiązką elektronów) Komora robocza Spiekanie/ Przetapianie/ Stapianie 19

20 PROCES TECHNOLOGICZNY 3DP - 3D Printing (sklejanie proszków ciekłym lepiszczem) Sklejanie 20

21 PROCES TECHNOLOGICZNY FDM - Fused Deposition Modeling (wytłoczne osadzanie topionego materiału) Przetapianie 21

22 CHARAKTERYSTYKA URZĄDZEŃ SLA Urządzenie VIPER Podstawowe dane urządzenia 1. LASER stały Nd:YVO4, moc 100 mw średnica wiązki lasera 0,250 +/ mm 2. KOMORA ROBOCZA wymiary 250 x 250 x 250 mm maksymalna masa modelu: 9.1 kg 3. PARAMETRY TECHNOLOGICZNE grubość warstw: 0,1 0,3 mm prędkość wytwarzania 12 cm 3 /h kompensacja błędów prześwietlenia róŝnorodne style budowy Materiały ciekłe Ŝywice (akrylowa, epoksydowa) Wprowadzenie technologii SLA w r. 1987, 3D Systems (USA) 22

23 CHARAKTERYSTYKA URZĄDZEŃ SLS Urządzenie EOSINT P390 Podstawowe dane urządzania 1. LASER CO 2, moc - 30 W 2. KOMORA ROBOCZA wymiary: 340 x 340 x 620 mm 3. PARAMETRY TECHNOLOGICZNE grubość warstw: 0,05 0,3 mm prędkość budowania: ok. 7 cm 3 /h współczynniki: absorpcji i zachodzenia Materiały proszki z tworzyw sztucznych, metali, ceramiki, kompozyty z róŝnorodnymi osnowami tworzyw, metali, ceramiki Wprowadzenie technologii SLS w r. 1989, Austin (USA), EOS (Niemcy) 23

24 CHARAKTERYSTYKA URZĄDZEŃ 3DP Podstawowe dane urządzania Urządzenie ZPrinter GŁOWICA ROBOCZA liczba głowic do barwnych modeli, 2 - do modeli bezbarwnych szybkość budowy warstwy/min (kolor) ilość kolorów 16 mln 2. KOMORA ROBOCZA wymiary: 203 x 254 x 203 mm rozdzielczość 300 x 450 DPI 3. PARAMETRY TECHNOLOGICZNE grubość warstw: 0,089 0,102 mm Materiały proszki z tworzyw sztucznych Wprowadzenie technologii 3DP w r. 1995, MIT (USA) 24

25 CHARAKTERYSTYKA URZĄDZEŃ FDM Maszyna Fortus 400mc Podstawowe dane urządzania 1. GŁOWICA ROBOCZA liczba głowic do modeli, 2 - do podpór, ilość kolorów KOMORA ROBOCZA wymiary 355 x 254 x 254 mm dokładność - ± 0,127 mm. 3. PARAMETRY TECHNOLOGICZNE grubość warstw - 0,127 0,33 mm stopień wypełnienia warstwy: pełny / częściowy Materiały tworzywa sztuczne: ABS, PC ABS - termopolimer: Acrylonitryl Butadien Styren, PC - poliwęglan Wprowadzenie technologii FDM w r. 1990, Stratasys Inc. (USA) 25

26 PRZYKŁADOWE ZASTOSOWANIA SLA InŜynierskie Samolot Czajnik Wywietrznik Przykładowe materiały Accura 10 Ŝywica standardowa Accura 48HTR przeznaczona do gotowych wyrobów (do C) Accura XTreme wysoka wytrzymałość i odporność na zuŝycie 26

27 PRZYKŁADOWE ZASTOSOWANIA SLA Medyczne Koszyk panewki stawu biodrowego Model Ŝuchwy Model stawu kolanowego Przykładowe materiały Model resekowanej kości udowej Implant krąŝka międzykręgowego Accura 10 Ŝywica standardowa Accura 48HTR przeznaczona do gotowych wyrobów Accura Amethyst - przeznaczona do precyzyjnych modeli 27

28 PRZYKŁADOWE ZASTOSOWANIA SLS InŜynierskie Medyczne Elementy obudowy pralki Obudowa klimatyzatora samochodowego Model czaszki do rekonstrukcji Przykładowe materiały CarbonMide poliamid z włóknem węglowym PrimeCast 101 polistyren do metody traconego wosku AluMide proszki: poliamid + Al PA 3200 GF/ PA2210 FR/ PA 2200 poliamidy: z włóknem szklanym/ ogniotrwałe/ standardowe, PrimePart DC/ PrimePart ST sztywny termoplast / elastomer, 28

29 PRZYKŁADOWE ZASTOSOWANIA 3DP InŜynierskie Medyczne Reduktor Pompa Staw kolanowy Przykładowe materiały zp131 materiał polimer w szerokiej gamie kolorów, 29

30 PRZYKŁADOWE ZASTOSOWANIA FDM InŜynierskie Medyczne Przekładnia obiegowa Obudowa Przykładowe materiały Kręgosłup ABSplus -M30/ ABS-M30i - o podwyŝszonej wytrzymałości/ biozgodne PC/ PC-ABS poliwęglan/ poliwęglan ABS (termopolimer: Acrylonitryl Butadien Styren), ULTEM tworzywo ognioodporne, PPSF/PPSU materiały o podwyŝszonej wytrzymałości cieplnej 30

31 TECHNOLOGIE RT Technologia bezpośredniego szybkiego wytwarzania narzędzi Technologie pośredniego odwzorowania geometrii modeli celem wielokrotnego wytworzenia ich w seriach prototypowych Metodą Bezpośrednią (MB) bezpośrednie szybkie wykonywanie narzędzi (RP) (form, matryc, wkładek) RP = RT Metodą Pośrednią (MP) wykonywanie bezpośrednio negatywu oddającego geometrię RP + VC RP + IC RP + TAFA Odlewanie precyzyjne + formy silikonowe Odlewanie precyzyjne + formy ceramiczne Natryskiwanie metaliczne negatywów - formy skorupowe 31

32 METODA POŚREDNIA (RP + VC + IC) 1. Wytworzenie modelu fizycznego - funkcjonalnego w technologii RP SLA, model z Ŝywicy epoksydowej 2. Umieszczenie modelu Ŝywicznego w skrzynce formierskiej i zalewanie płynną mieszanką silikonową 1. Endoproteza (rdzeń) 2. Mieszanka silikonowa 3. Zawieszenie 4. Zbiornik z mieszanką 32

33 METODA POŚREDNIA (RP + VC + IC) 3. Utwardzania formy silikonowej w komorze termicznej (T = 60 0 C, t = 120 min), 1. Endoproteza 2. Utwardzana mieszanka 3. Atmosfera termiczna 4. Po wystudzeniu rozcięcie formy i usunięcie modelu Ŝywicznego 1. Połówki form 2. Wnęki po modelu 33

34 METODA POŚREDNIA (RP + VC + IC) 5. Zalanie formy woskiem w komorze próŝniowej, 6. Model fizyczny endoprotezy z wosku. 34

35 METODA POŚREDNIA (RP + VC + IC) 7. Wykonanie formy ceramicznej na bazie modelu woskowego 8. Zalanie formy płynnym metalem (Co-Cr-Mo), 9. Prototyp techniczny endoprotezy. Wytworzona forma ceramiczna: 1. układu wlewowego 2. formy ednoprotezy Zalewanie formy płynnym metalem Prototyp techniczny endoprotezy 35

36 INNY PRZYKŁAD ZASTOSOWANIA METODY POŚREDNIEJ (RP + VC + IC) Cykl produkcyjny obudowy silnika motocyklowego (trwający ok. 4 dni) Odlew aluminiowy wykonany metodą wytapianych modeli Forma silikonowa Model woskowy Model SLA 36

37 1. Zaformowanie modelu RP, METODA POŚREDNIA (RP + TAFA metoda metalizacji natryskowej) Wykonanie formy wtryskowej metodą TAFA model RP 2. Pokrycie modelu separatorem, Pojemnik z separatorem Głowica natryskująca 3. Natryskiwanie powłoki 37

38 METODA POŚREDNIA (RP + TAFA) Wykonanie formy wtryskowej metodą TAFA 4. Wypełnienie dolnej połowy formy mieszaniną Ŝywicy i granulatu aluminiowego Wypełnienie formy mieszanką Ŝywicy i granulatu 5. Obróbka mechaniczna powierzchni wypełniacza 6. Odwrócenie formy celem wykonania górnej połowy formy 38

39 METODA POŚREDNIA (RP + TAFA) Wykonanie formy wtryskowej metodą TAFA 7. Natryśnięcie powłoki metalicznej na powierzchnię modelu z separatorem, 8. Wypełnienie górnej połowy formy mieszaniną Ŝywicy i granulatu oraz usunięcie modelu fizycznego Połówki form po metalizacji natryskowej 39

40 METODA BEZPOŚREDNIA (RT = RP) NAJCZĘŚCIEJ STOSOWANE TECHNOLOGIE RP DLMS - Direct Laser Metal Sintering (bezpośrednie laserowe spiekanie proszków) SLM - Selective Laser Melting (selektywne stapianie laserowe) EBM - Electro Beam Melting (stapianie wiązką elektronów) 40

41 PRZYKŁADOWE ZASTOSOWANIA MB DLMS MoŜliwość optymalnego zaprojektowania kanałów chłodzących formę i rdzeń Wytworzona forma wtryskowa oraz wykonane dźwignie Wytworzona forma wtryskowa oraz wykonane uchwyty 41

42 RM RAPID MANUFACTURING (SZYBKIE WYTWARZANIE GOTOWYCH WYROBÓW) RM to szybkie wytwarzanie w pełni funkcjonalnych wyrobów, które po zastosowaniu (o ile to konieczne) obróbki wykończającej, swoimi właściwościami są bardzo zbliŝone lub identyczne do produktów wytworzonych metodami konwencjonalnymi. Przykładowe zastosowania technologii RP = RM dla wyrobów metalowych SLS - Selective Laser Sintering (selektywne spiekanie laserowe) Przykładowe zastosowania technologii RP = RM dla wyrobów z tworzyw sztucznych SLS - Selective Laser Sintering (selektywne spiekanie laserowe) SLM - Selective Laser Melting ( selektywne stapianie laserowe) FDM Fused Deposition Modeling (wytłoczne osadzanie topionego materiału) EBM - Electro Beam Melting (stapianie wiazką elektronów) SLA - Stereolithography (stereolitografia) 42

43 PRZYKŁADOWE ZASTOSOWANIA TECHNOLOGII RM Orteza poliamidowa kończyny dolnej dla niepełnosprawnego Obudowa tablicy rozdzielczej z ABS (Acrylonitryl Butadien Styren) Suknia z poliamidu Lampa z poliamidu 43

44 UWAGI KOŃCOWE 1. Zastosowania i ograniczenia GTW: produkcja jednostkowa i małoseryjna (omal we wszystkich dziedzinach techniki, medycyny, wojskowości ), eliminacja tradycyjnych technologii wytwarzania, produkty o złoŝonej geometrii, główne ograniczenia: warstwowa metoda, efekt schodkowy, skurcz, porowatość, 2. Innowacyjność produktów (poprzez technologie i materiały): róŝnorodność wciąŝ nowych materiałów (tworzywa sztuczne, metale ceramika, kompozyty w róŝnorodnych osnowach), róŝnorodność odmian procesów technologicznych, 44

45 UWAGI KOŃCOWE 3. Tendencje rozwojowe: w technologii materiałowej (mikro- i nano-materiały oraz biomateriały), w GTW oraz w innych klasycznych procesach technologicznych RP DLP (Digital Light Projection) Ciekły firmowy (Z Corp) polimer po fotopolimeryzacji staje się materiałem o bardzo wysokich własnościach wytrzymałościowych 45