WIRTUALIZACJA WYTWARZANIA MODELI ODLEWNICZYCH

Transkrypt

1 6/17 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2005, Rocznik 5, Nr 17 Archives of Foundry Year 2005, Volume 5, Book 17 PAN - Katowice PL ISSN WIRTUALIZACJA WYTWARZANIA MODELI ODLEWNICZYCH ST. M. DOBOSZ 1 Wydział Odlewnictwa, Akademia Górniczo-Hutnicza ul. Reymonta 23, Kraków, Polska STRESZCZENIE Wysokie wymogi jakościowe współczesnego odlewnictwa, zmuszają do coraz większego wsparcia wytwarzania modeli odlewniczych nowoczesną techniką ich projektowania oraz wykonawstwa. Dotyczy to także metod odlewania precyzyjnego a w tym technologii wytapianych modeli. Artykuł prezentuje nową metodę komputerowego wspomagania tych procesów przy użyciu techniki szybkiego prototypowania (Rapid Prototyping) z wykorzystaniem techniki nakrapiania wtryskowego DODJET. Key words: Rapid prototyping,lost wax process 1. RAPID PROTOTYPING I JEGO ODMIANY Produkcja bardzo drobnych, precyzyjnych odlewów o charakterze przemysłowym a także artystycznym - w tym jubilerskim - wymaga specjalistycznych metod takich jak: metoda wytapianych modeli, metoda form gipsowych czy metoda Shawa. Gwarantują one wysoką dokładność wymiarową rzędu +/-0.08 do +/- 0,13mm i bardzo wysoką gładkość powierzchni rzędu 3,2 do 0,8µm. W ostatnim okresie procesy wykonywania modeli są uzupełniane komputerowym wspomaganiem. Jednym z jego najnowocześniejszych elementów jest metoda szybkiego prototypowania - Rapid Prototyping [1-5]. Metoda ta polega na zaprojektowaniu kształtu przedmiotu w systemie 3D, przy użyciu oprogramowania typu CAD/CAM. Następnie sygnał jest wysyłany do urządzenia, które różnymi technikami wykonuje ostateczną wersję modelu. W większości metod Rapid 1 prof. nadzw.dr hab. inż., dobosz@uci.agh.edu.pl 69

2 Prototyping tworzenie modelu fizycznego polega na dodawaniu materiału, w przeciwieństwie do klasycznych metod, gdzie nadmiar materiału jest usuwany. Najbardziej rozpowszechnionymi metodami Rapid Prototyping są: Stereolitografia (SLA) Selektywne Spiekanie Laserowe (SLS) Wytwarzanie Obiektów Laminowanych (LOM) Modelowanie Ciekłym Tworzywem (FDM) Krystalizacja na Stałym Podłożu (SGC) Drukowanie Trójwymiarowe (3DP) Laserowe Kształtowanie Struktur (LENS). W krajowym przemyśle odlewniczym znana jest metoda wytwarzania obiektó w laminowanych w urządzeniu typu LOM. Model w tej metodzie jest wykonywany poprzez naklejanie na siebie wycinanych przez ploter elementów ze specjalnej, cienkiej papierowej taśmy. W urządzeniach do stereolitografii laserowej model wykonuje się poprzez warstwowe utwardzanie żywicy epoksydowej za pomocą światła ultrafioletowego, generowanego przez laser małej mocy. Metody te zapewniają szybkie wykonanie bardzo precyzyjnych modeli, niemożliwych do wykonania w postaci monolitycznej przez inne techniki. Nowym rozwiązaniem jest wykonywanie modeli woskowych do technologii wytapianych modeli za pomocą techniki nakrapiania wtryskowego DODJET. Do tworzenia modeli trójwymiarowych mają zastosowanie metody addytywne lub substratywne. Ta druga metoda polega na przetworzeniu materiału poprzez zastosowanie standardowej obróbki ręcznej lub maszynowej. Jest ona stosowana dla urządzeń obróbczych sterowanych numerycznie przez komputer (CNC) oraz obróbki ręcznej. Metoda CNC pozwala na bezpośrednie uzyskanie prototypu o dowolnej formie i złożoności z różnych materiałów lecz jest ograniczona poprzez stopień swobody narzędzia skrawającego, możliwy do uzyskania wzdłuż osi układu współrzędnych. Ograniczenia te nie występują w metodzie addytywnej, która rozpoczyna proces od pustej przestrzeni, a następnie sekwencyjnie dodaje materiał, tworząc trójwymiarowy obiekt o dowolnej formie, zgodnie z użytym plikiem CAD, a następnie konwersję pliku na stanowisko wykonawcze. Obecnie stosowane są najrozmaitsze techniki addytywne, które posługują się metodą nanoszonych powłok o ustalonej grubości i jednorodności. Generalną zasadą jest, iż duże modele mogą być konstruowane z powłok o większym uziarnieniu, natomiast kilkumilimetrowe, małe obiekty wymagają powłok o uziarnieniu drobnym TECHNIKA NAKRAPIANIA WTRYSKOWEGO DODJET Technika DODJET stosowana w urządzeniach firmy Solidscape, polega na łączeniu ze sobą, w trakcie sporządzania modelu woskowego dwóch metod: addytywnej i substratywnej [6]. Modele o doskonałym wykończeniu mogą być przeznaczone do wykonania formy odlewniczej czy też przeznaczone dla przemysłu wyrobów z tworzyw sztucznych. Ich jakość osiągnięto dzięki technice DODJET,

3 ARCHIWUM ODLEWNICTWA która w naturalny sposób buduje obiekty o skomplikowanej geometrii i gładkiej powierzchni, której porowatość nie przekracza 0,8µm, natomiast dokładność szacowana wzdłuż dowolnej osi współrzędnej wynosi 25,4µm. Proces tworzenia modelu w oparciu o dwoistość stosowanego budulca zapewnia wierność odtwarzania i daje całkowitą dowolność w kształtowaniu formy. Model w swej podstawowej geometrii budowany jest przez główny materiał, nakładany kolejnymi warstwami, podczas gdy materiał pomocniczy, który nie wnika we właściwą strukturę modelu, układa się w zagłębieniach i na występach. Minimalne rozmiary tworzonego modelu wynoszą 0,254mm, natomiast minimalna grubość kolejnych, nakładanych warstw 0,0127mm. Maksymalna wielkość obiektu (dla modelu T612BT) wynosi w obrysie: 304,8 x 152,4 x 152,4mm. Rys.1. Ogólny widok stanowiska do wytwarzania modeli woskowych. Fig.1. General view of stand for wax patterns production. Właściwa grubość warstwy oraz jej gładkość jest zachowywana dzięki zabiegowi "frezowania" jej poziomej powierzchni, stosowanemu każdorazowo po nałożeniu kolejnej warstwy. Grubość nakładanych warstw jest bez przerwy monitorowana i utrzymywana w przedziale 12,7 do 76,2µm, co skutecznie zapobiega powstaniu niepożądanego efektu "schodków" na powierzchni gotowego modelu. Następnie materiał pomocniczy zostaje selektywnie wypłukany, poprzez rozpuszczenie, z gotowego modelu tak, aby uzyskać całkowitą jego wierność w stosunku do wzorca zaprojektowanego w CAD. Dzięki temu nie ma potrzeby stosowania żadnych dodatkowych zabiegów jak szlifowanie, czy korekta kształtu, jako że obiekt jest z definicji pozbawiony wad strukturalnych, które często pojawiają się w technikach tworzenia modelu woskowego za pomocą obróbki pojedynczego kawałka materiału lub wtryskiwania do metalowej kokili. System Solidscape pozwala na wybór grubości warstwy w zakresie od najmniejszej - 12,7µm, po największą - 76,2µm. Wprowadzenie systemu DODJET pozwoliło 71

4 na uzyskanie najniższej chropowatości osiąganej z wszystkich stosowanych dotychczas procedur. 3. WYKONANIE MODELI Jako elementy procedury projektowej można wymienić: nieintruzywny (nie wnikający w model) materiał pomocniczy, nietoksyczna i nieszkodliwa dla środowiska technologia produkcji, kompaktowy, biurowy system, oparty na sterowniku PC, adaptującym i tworzącym pliki 3D w CAD, łącze (interface) graficzne użytkownika (GUI) i wreszcie końcowy model nadający się zarówno do wykonania odlewu, jak i tworzenia form gumowych, Opracowany system składa się samo sterującego plotera X-Y z głowicą (napędem), zainstalowaną na trwałej, nieruchomej ramie, zapewniającej stabilność i dokładność. Na głowicy plotera zainstalowany jest dualny podzespół nakrapiania wtryskowego (DODJET), który przemieszcza się nad precyzyjnym, ruchomym stolikiem roboczym, na którym konstruowany jest model warstwowy. Temperatura zasobnika z materiałem (budulcem) jest automatycznie monitorowana przez system grzewczy, dzięki czemu zarówno główny materiał tworzący model, jak i materiał pomocniczy utrzymywane są w odpowiedniej temperaturze, gwarantującej właściwy wtrysk. Łącze CAD, akceptuje kilka rodzajów standaryzowanych plików w formacie CAD dzięki programowi roboczemu (ModelWorks) oraz wcześniej wspomnianemu, graficznemu łączu użytkownika (GUI). Dzięki temu użytkownik może dokonywać interpretacji pliku CAD oraz optymalizacji modelu w celu otrzymania wyrazistej konstrukcji. Następnie program roboczy dokonuje automatycznego podziału na warstwy, tworząc jednocześnie plik pomocniczy. Plik ten jest przetwarzany na inny, binarny plik sterujący i wysyłany do systemu wykonawczego. Za pomocą tego pliku układy elektroniczne sterują pracą plotera, wtrysków, urządzenia gładzącego (frezującego) oraz ruchomego stolika roboczego. Obliczany jest również szacunkowy czas trwania budowy modelu. System Solidscape wyposażony jest w urządzenie gładzące (frezujące) operujące w płaszczyźnie poziomej i poruszające się na tych samych prowadnicach, co głowica plotera oraz podzespół dysz wtryskowych. Jest ono przeznaczone do wygładzenia powierzchni każdej kolejnej, nałożonej warstwy. Zapewnia to zachowanie wymaganej grubości, jednorodności oraz dokładności do 12,7µm. Gwarantuje więc, iż warstwy od pierwszej do ostatniej są takie same. Połączenie metod: substratywnej i addytywnej jest unikalne w systemie Solidscape. Końcowy produkt jest jednorodny, dokładny, o gładkiej powierzchni i nie wymaga żadnej, dodatkowej obróbki. Dokładność modelu to dokładne odwzorowanie, prawdziwość kształtu modelu, dokładność rozmiarów oraz zachowanie regularności powierzchni w stosunku do zaprojektowanego w CAD modelu. W system Solidscape wierność taka gwarantowana jest poprzez możliwość ciągłego monitorowania wymiarów wzdłuż każdej z osi. Tworzenie modelu odbywa się na zasadzie nanoszenia materiału na stolik roboczy wzdłuż osi z. Jako izolator, stanowiący jednocześnie rodzaj platformy, stosuje 72

5 ARCHIWUM ODLEWNICTWA się podłoże ze styropianu o dużej gęstości oraz gładkości, zapewniającej właściwe przygotowania miejsca pod budowę modelu. Ustalenie punktu początkowego oraz auto - kalibracja są realizowane automatycznie i poprzedzają każdy kolejny cykl budowy. Właściwy materiał tworzący model, jak i materiał pomocniczy są cyfrowo nanoszone na podłoże w postaci ciekłych kropelek, z których każda stanowi serię jednorodnych objętościowo "mikro kropelek", co jest istotą techniki nakrapiania wtryskowego w systemie Solidscape. Technologia ta będąca przedmiotem patentu pozwala na ulokowanie kropelek w dowolnie wybranym miejscu podłoża z całkowitą dokładnością do 25.4µm. Kropelki mają znamionową średnicę 76,2µm i przyklejają się jedna do drugiej w fazie zestalania się modelu tj. w trakcie przechodzenia fazy ciekłej w stałą, tworząc w ten sposób jednolitą, stałą masę. Proces twardnienia przebiega na tyle szybko, iż pozwala na wygładzenie powierzchni, wkrótce po jej nałożeniu. Ponieważ wtrysk jest sterowaną cyfrowo funkcją DODJET, kropelki są zsynchronizowane z cyklami przesuwu karetki, co sprawia iż model jest w sposób ciągły i jednorodny rozbudowywany wzwyż. Stopień w jakim kropelki na siebie zachodzą lub są od siebie zdystansowane jest precyzyjnie sterowany przez binarny program roboczy. Gładkość powierzchni zapewnia powadzenie ciągłej analizy obwodu, jaki ma w zarysie każda porcja nakładanego materiału - przed wypełnieniem wnętrza modelu materiałem konstrukcyjnym. W celu wzmocnienia wytrzymałości i trwałości ścianki, jak również uzyskania należytej jakości, odpowiedni plik programu ModelWorks, odpowiedzialny za konfigurację, automatycznie buduje dwie lub więcej, przylegających ścianek wewnętrznych. Gdy struktura ścianki jest już przygotowana pozostający w części wewnętrznej obszar jest szybko wypełniany, naprzemiennie wzdłuż osi X i Y, to jest w kierunkach do siebie prostopadłych. Taka ortogonalność procedury powoduje wewnętrzne związanie i zwarcie struktury modelu co zwiększa jego wytrzymałość i trwałość. Po wypełnieniu materiałem konstrukcyjnym, na tą samą warstwę nanoszony jest materiał pomocniczy. Stosowany jest przy występach lub zagłębieniach, sam nie wnikając w model. Dzięki temu nie tworzy się struktura "rusztowania", charakterystyczna dla innych metod addytywnych posługujących się jednym tylko materiałem konstrukcyjnym. Całkowity czas tworzenia modelu zależy od kilku zmiennych. W szczególności dotyczy to przygotowania pliku oraz ustawień, czasu konstruowania modelu przez urządzenie oraz czas przeznaczony na otrzymanie gotowego modelu. Przygotowanie pliku CAD jest znacznie ułatwione, dzięki zastosowaniu graficznego łącza użytkownika (GUI), współpracującego z programem roboczym (ModelWorks), którego menu użytkowe jest wysoce zautomatyzowane i zapewnia operatorowi prostotę obsługi. Opracowanie warstwowego modelu pliku, wygenerowanie pliku pomocniczego, oszacowanie czasu potrzebnego na zbudowanie modelu - wszystko to stanowi procedury automatyczne. Program roboczy tworzy warstwy i wysyła binarny plik sterujący budową modelu do jednostki wykonawczej. Czas tworzenia modelu zależy przede wszystkim od grubości warstwy narzuconej przez operatora, a w konsekwencji 73

6 szybkości plotera. Ponieważ modele Solidscape charakteryzuje rozdzielczość znacznie wyższa od systemów konkurencyjnych (w praktyce razy) wymaga to większej ilości czasu; za to uzyskana konstrukcja posiada najwyższą dokładność. Istotnym elementem wpływającym na całkowitą ilość czasu, niezbędna do powstania modelu są czynności post-produkcyjne i jego wykończenie. W przypadku omawianego urządzenia (wypłukanie materiału pomocniczego) ogranicza się ono do kilku minut. LITERATURA [1] E. Chlebus: Techniki komputerowe CAx w inżynierii produkcji, WNT Warszawa [2] E. Chlebus, M. Cholewa: Rapid prototyping rapid tooling, CADCAM Forum 11, [3] E. Chlebus, M. Cholewa: Rapid prototyping rapid tooling. Innowacyjne technologie w zastosowaniach przemysłowych, Zarządzanie Produkcją nr 3-4,1999. [4] K.E. Oczoś: Postęp w szybkim kształtowaniu przyrostowym Rapid prototyping, Mechanik nr 4, [5] K.E. Oczoś: Rapid prototyping znaczenie, charakterystyka metod i możliwości, Mechanik nr 10, [6] St. M. Dobosz, A.Chojecki: Rapid prototyping w technologii wytapianych modeli. Materiały XI Międzynarodowej Konferencji SPOLUPRACA 2005, Zakopane SUMMARY THE VIRTUAL PRESENTATION OF PRODUCING THE FOUNDRY PATTERNS The requirements of modern foundry with its widening range of offered products require the more complex supporting role of modern technique of designing and producing both patterns and foundry moulds. It also concerns the methods of investment founding including the technology of smelted patterns. This article presents the original method of computer aiding these processes by using the Rapid Prototyping method. Recenzował: prof. dr hab. inż. Franciszek Binczyk 74