Rapidprototyping of models in industrialdesign. Szybkie prototypowanie modeli we wzornictwie przemysłowym

Transkrypt

1 Rapidprototyping of models in industrialdesign Szybkie prototypowanie modeli we wzornictwie przemysłowym Kamila KNITTER, Remigiusz KNITTER, KRÓLIKOWSKI Tomasz WydziałTechnologiiiEdukacji KatedraMechatronikiiMechanikiStosowanej PolitechnikaKoszalińska, ul. Śniadeckich 2, Koszalin, ABSTRACT: The articlediscusses and executesusing a 3D modeler in the form of a cityscooterpowered by anelectric motor. The Fused Deposition Modeling method has been described and illustrated on a computer 3D model to a 1:10 scalemodel printed on 3D modeler. KEY WORDS: 3D printing, incremental methods, prototyping, modeling. STRESZCZENIE: W artykule przedstawiono opis i wykonanie modelu wzorniczego w postaci skutera miejskiego napędzanego silnikiem elektrycznym. Proces wydruku metodą przyrostową technologią FusedDeposition Modeling, został opisany oraz pokazany na przykładzie komputerowego modelu trójwymiarowego do uzyskanego na drukarce 3D w skali 1:10. SŁOWA KLUCZOWE: druk 3D, metody przyrostowe, prototypowanie, modelowanie.

2 1. Wprowadzenie Druk 3D to innowacyjna technologia pozwalająca na szybkie prototypowanie projektów. Zastosowanie różnych metod wydruku i wykorzystywanych materiałów pozwala na stworzenie zarówno funkcjonalnych obiektów rzeczywistych rozmiarów, jak i modeli w skali. Te cechy sprawiają, że druk 3D znajduje swoje zastosowanie praktycznie we wszystkich dziedzinach nauki i przemysłu pozwalając na szybsze projektowanie jednocześnie obniżając koszty, w porównaniu do tradycyjnych technik prototypowania.metody przyrostowe umożliwiają szybkie oraz ekonomiczne tworzenie modeli koncepcyjnych oraz funkcjonalnych prototypów złożonych z kilku podzespołów. Rozróżnia się wiele metod FDM, CJP, SLA, SLS, DLP, MJM, DMS. Na bazie wydruku można stworzyć model nie odróżniający się wyglądem od produkowanego seryjnie. Za pośrednictwem tej techniki można tworzyć powierzchnie metalizowane, gumowane, przeźroczyste, doprowadzone do idealnego połysku lub matowe, posiadających również różne kolory w zależności od użytego materiału (filamentu), czyli materiału z którego wytwarzany jest dany model.[3] 2. Metoda osadzania topionego materiału (FusedDeposition Modeling) Jedną z metod rapidprototyping jest metoda FDM. Polega ona na nanoszeniu materiałupodawanego przez dyszę, ogrzaną do temperatury jego topnienia. Dysza kontroluje przepływ materiału i jest przemieszczana automatycznie po trójwymiarowym układzie współrzędnych (XYZ) według instrukcji programu CAM, generującego ścieżkę za pośrednictwem G-kodów. Podobnie jak przy metodzie SLS, model wytwarzany jest warstwa po warstwie, natomiast nie posiada tak dokładnej tolerancji wymiarowej. Metoda osadzania topionego materiału charakteryzuje się dokładnością +/ 0,13 mm. Używana jest do tworzenia modeli testowych jak również, dzięki zastosowaniu w miarę wytrzymałych materiałów, do wykonywania detali użytkowych.w tej metodzie wykorzystuje się różne typy materiałów termoplastycznych, różniące się wytrzymałością i temperaturą topnienia: ABS, poliwęglany, polifenylosiarczki i woski. Istnieją również techniki korzystające z materiałów rozpuszczalnych w wodzie tzw. Hips, służący do drukowania żeber podtrzymujących bardziej skomplikowane modele przy użyciu ekstrudera z podwójnymi głowicami, dzięki czemu można budować modele, gdzie ważne jest odwzorowanie

3 trudnych powierzchni bez żeber pomocniczych. Drukarki 3D, które działają w technologii FDMtworzą części warstwa po warstwie przez nakładanie podgrzanego materiału termoplastycznego. Prototypy budowane są z dwóch materiałów: modelowego i pomocniczego (wspierającego). [1,2,4] Rysunek 1. Osadzanie topionego materiału warstwa po warstwie. [4] 3. Modelowanie 3D Model został wykonany w programie SolidWorks 2016, jego skomplikowana budowa nie pozwala na dokładne odwzorowanie za pośrednictwem renderingu, natomiast dzięki poszczególnym wydrukom można zauważyć dokładnie odwzorowane elementy, które można zmieniać podczas procesu modelowania danego elementu. Rysunek 2. Pierwsze szkice projektowanego modelu. [opracowanie własne]

4 Rysunek 3. Szkic rzutu z przodu i boku. [opracowanie własne] Model został wykonany z pojedynczych elementów, w założeniach nie miał być to tylko i wyłącznie model geometryczny zewnętrznej bryły, jest to skomplikowana budową, która miała na celu odwzorowanie całości skutera wraz z zaprojektowanym miejscem na silnik elektryczny oraz ramą. Model trójwymiarowy posłużył do komputerowych wizualizacji przed wykonaniem gotowego skutera. Rysunek 4. Schemat rozmieszczenia podzespołów silnika. [opracowanie własne]

5 Rysunek 5. Schemat podłączania zasilania. [opracowanie własne] Rysunek 6. Wizualizacja elementów [opracowanie własne]

6 Rysunek 7. Wizualizacja z dołożonym siedziskiem. [opracowanie własne] Rysunek 8. Wymiary modelu w skali 1:1. [opracowanie własne]

7 Rysunek 9. Wizualizacja wariantów kolorystycznych. [opracowanie własne] Rysunek 10. Wizualizacja elementów skutera. [opracowanie własne] 4. Wykonanie modelu Model został wyeksportowany do pliku o formacie.stl (stereolithography), który następnie zaimportowano do programu Voxelizer, w którym generowane są ścieżki urządzenia po uprzednim przebudowaniu modelu na voxele o wielkości 0,15 mm. Ze względu na skomplikowaną budowę oraz możliwie jak

8 najmniejszą ilość elementów podporowych model został podzielony na dwie części. Zdefiniowany jednocześnie został materiał na tworzywo sztuczne PLA (ang. polylacticacid), który jest biodegradowalnym termoplastycznym poliestrem, wytwarzanym z surowców odnawialnych o średnicy 2,85 mm. Materiał ten można zakupić w różnych wariantach kolorystycznych, dla tego wydruku wybrano kolor czerwony. Uniknięcie przetopień modelu zostało zminimalizowane poprzezwydruk z otwartą obudową drukarki z zadanymi wartościami temperatur odpowiednio dla dysz głowicy 205 [ o C] oraz temperaturze stołu 60 [ o C]. Wydruk powstał na wielofunkcyjnej drukarce ZMorph 2.0 SX. Rysunek 11. Ustawienia programu Voxelizer przed przystąpieniem do wydruku.[opracowanie własne] Rysunek 12. Drukarka ZMorph 2.0 SX [zrodlo]

9 Rysunek 13. Wydruk modelu. [opracowanie własne] Rysunek 14. Wydrukowany model w skali 1:10 [opracowanie własne]

10 Rysunek 15. Wydrukowany model w skali 1:10 [opracowanie własne] 5. Podsumowanie W dzisiejszych czasach metoda przyrostowa jest jedną z najbardziej rozwijających się dziedzin. Tematyka która została przyjęta jest interesująca nie tylko w aspekcie naukowym ale i dydaktycznym, pozwalającą odwzorowywać modele oraz tworzyć prototypy. Biorąc pod uwagę fakt, w jak szybkim tempie ta dziedzina się rozwija, drukarki 3D powoli wypierają kosztowne oraz żmudne procesy produkcji form wtryskowych i samego parku maszynowego, który potrzebny jest do ich wykonania oraz maszyn do wykonywania detali metodami wtryskowymi. Podczas tworzenia modeli wzornicy używali materiałów takich jak wosk czy balsa, oraz poświęcali dużo czasu na dokładne odwzorowanie. W dzisiejszych czasach metody te powoli odchodzą do lamusa, dzięki czemu wszystkie procesy stają się prostsze, mniej pracochłonne oraz nie potrzebują dużych nakładów finansowych. Wydruki 3D mogą posłużyć nie tylko w procesach produkcyjnych, ale również w modelarstwie tworząc detale do produkcji modeli jezdnych lub latających.

11 Literatura 1. Agarwala M.K., Jamalabad V.R., Langrana N.A., Safari A., Whalen P.J.,DanforthS.C.:Structural quality of parts processed by fused deposition 2. Hutmacher, D.W., Schantz T., Zein I., Woei Ng K.,Teoh S. H., Cheng Tan K.:Mechanical properties and cell cultural response of polycaprolactone scaffolds designed and fabricated via fused deposition modeling. Journal of biomedical material research. Rapid Prototyping Journal 1996 ISSN: Song Y, Yan Y, Zhang R,Xu D, Wang F. Manufacturing of the die of an automobile deck part bases on rapid prototyping and rapid tooling technology. Journal of Materials Processing Technology, 120, pp , Źródłainternetowe 4.