4. WYTWARZANIE MODELI ŁOPATEK PRZYROSTOWYMI METODAMI SZYBKIEGO PROTOTYPOWANIA 4.1. Charakterystyka przyrostowych metod wytwarzania Szybkie prototypowanie umożliwia tworzenie modeli fizycznych i prototypów na podstawie geometrycznego modelu trójwymiarowego 3D-CAD. Model kształtowany jest przez ciągły przyrost materiału do uzyskania wymaganego kształtu. Opracowano w ostatnim dziesięcioleciu wiele technik szybkiego prototypowania, nie wszystkie jednak rozwinęły się w sposób umożliwiający ich zastosowanie w procesie produkcyjnym. Przedstawiono charakterystykę wybranych metod szczególnym znaczeniu w szybkim przygotowaniu modeli do wytwarzania form ceramicznych do odlewania precyzyjnego łopatek silników lotniczych. Podstawowym etapem procesu szybkiego prototypowania jest zdefiniowanie przedmiotu jako trójwymiarowego modelu 3D-CAD. Jest on następnie przetwarzany w procesach numerycznych do postać zbioru danych odpowiednich dla systemów RP. W dostępnych metodach szybkiego prototypowania zwykle występuje podział modelu na warstwy poziome, z których w odpowiedniej kolejności budowany jest prototyp fizyczny przedmiotu. Przyrostowe kształtowanie przedmiotów staje się efektywne w produkcji jednostkowej lub realizowanej w niewielkich seriach np. łopatek dla jednego dysku turbiny. Wytwarzanie przez kształtowanie przyrostowe eliminuje konieczność stosowania specjalnego oprzyrządowania (np. form lub matryc). Ma więc dużą przewagę nad konwencjonalnymi metodami formowania, jak też pewną przewagę nad procesami obróbki skrawaniem. Łatwość automatyzacji procesu stanowi kolejną przesłankę rozwoju sposobów przyrostowego kształtowania przedmiotów. Tworzone są w bezpośredniej integracji z komputerowo wspomaganym konstruowaniem CAD. W wielu przypadkach ubytkowego kształtowania przedmiotów można stosować techniki komputerowe (CAD/CAM). Jednak skala korzyści uzyskiwanych z integracji jest mniejsza w porównaniu ze stosowaniem przyrostowego kształtowania przedmiotów.
72 Przyrostowy proces RP generuje tylko niezbędne tworzywo bez użycia narzędzi. Charakteryzują go następujące cechy: brak konieczności konstruowania specjalnego oprzyrządowania konstrukcje pomocnicze budowane są w trakcie wytwarzania modelu, wystarczająca jest trójwymiarowa powierzchnia lub pełny model wyrobu do wykonania prototypu proces wytwarzania nie musi być przystosowany do geometrii lub cech przedmiotu, model 3D-CAD zawiera wszystkie informacje geometryczne potrzebne do jego wytwarzania nie występuje potrzeba przechodzenia od cech konstrukcyjnych do technologicznych oraz nie pojawia się żadna różnica między materiałem prototypu a materiałem, który będzie kształtowany, nie ma potrzeby określania geometrii półwyrobu, ponieważ prototyp wykonywany przeważnie jest na gotowo, planowanie procesu i operacji jest zmniejszone do minimum jako zadanie programowe urządzeń RP, przedmiot jest wykonywany podczas jednej operacji i w jednym ustawieniu nie jest wymagane ustalenie kolejności operacji oraz ustawień. Prototyp jest wytwarzany z różnych materiałów: metali, polimerów, ceramiki technicznej, drewna, kompozytów na osnowie metalicznej lub polimerowej. Metody przyrostowego kształtowania obecnie nie zapewniają wystarczającej dokładności elementów o małych rozmiarach i mikroelementów. Pojawiają się publikacje przedstawiające przykłady ich dobrej efektywności w zakresie mikrokształtowania materiałów [71, 130]. Dlatego w przypadku elementów, dla których decydującym czynnikiem jest minimalizacja ich wymiarów, stosowane są niektóre niekonwencjonalne sposoby kształtowania ubytkowego (np. drążenie mikrootworów). Wymienione czynniki powodują, że metody RP w połączeniu z metodami inżynierii odwrotnej stanowią dobre narzędzie do wykonywania prototypów łopatek części gorącej silników lotniczych. W obszarze szybkiego prototypowania pojawiają się ciągle nowe lub zmodyfikowane metody i techniki. Mają na celu przyspieszenie wytwarzania wyrobu, poprawy jego jakości i minimalizacji kosztów. Obecnie w budowie maszyn, architekturze i medycynie najczęściej stosowane są metody RP typu: JS-PolyJet, SLS, SLA, FDM, 3DP (tab. 4.1). Tabela 4.1. Metody RP na rynku szybkiego prototypowania [239, 240] Metoda szybkiego prototypowania Oznaczenie Nazwa angielska Nazwa polska Udział w rynku, % JS Jetting System Drukowanie 3D polimerem 27,8% SLS Selective Laser Sintering Selektywne spiekanie laserowe 24,1% SLA Stereolithography Stereolitografia 9,3% FDM Fused Deposition Modeling Modelowanie ciekłym tworzywem 7,4% 3DP Three Dimensional Printing Drukowanie 3D na proszku 6,4%
Metody RP klasyfikuje się przyjmując różne kryteria podziału, w tym: rodzaj danych wejściowych, zasadę działania metody RP (fizyczną lub chemiczną), stan wyjściowy przetwarzanych materiałów, preferowane zastosowania. Podstawowym kryterium klasyfikacji metod RP jest stan wyjściowy przetwarzanych materiałów (rys. 4.1). 73 Rys. 4.1. Podział metod RP ze względu na stan lub postać materiałów wyjściowych Charakterystykę metod szybkiego prototypowania ograniczono do najszerzej rozpowszechnionych w ośrodkach naukowo-badawczych i przemyśle [240]. Uwzględniono jednocześnie metody RP, które mogą mieć zastosowanie do wykonywania prototypów do wytwarzania modeli dla ceramicznych form odlewniczych stosowanych do odlewania łopatek silników lotniczych. Została uwzględniona również dostępność metod oraz wyposażenie Katedry Konstrukcji Maszyn Politechniki Rzeszowskiej. 4.2. Szybkie prototypowanie modeli badawczych łopatek 4.2.1. Wytwarzanie modeli łopatek metodą JS Warstwowy druk ciekłym fotopolimerem (JS Jetting Systems) polega na nakładaniu warstwy polimeru z głowicy drukującej, która jest utwardzana światłem UV emitowanym z lampy zintegrowanej z głowicą drukującą (rys. 4.2). Podczas budowy modelu nakładane są na platformę roboczą dwa materiały: modelu i konstrukcji podpierającej model model. Modele budowane są na platformie roboczej wzdłuż osi pionowej (z) przestrzeni roboczej. Warstwy polimeru nakładane są kolejno w płaszczyźnie równoległej platformy roboczej (x, y). System JS stosowany jest do wytwarzania prototypów znajdujących zastosowanie m.in. w przemyśle elektromaszynowym, samochodowym i lotniczym.
74 Rys. 4.2. Schemat procesu wytwarzania modelu łopatki metodą JS PolyJet W metodzie PolyJet stosowane są polimerowe żywice fotoutwardzalne pozwalające na uzyskanie prototypów o różnych właściwościach. Skład chemiczny żywic jest zastrzeżony przez producentów. Użytkownicy urządzeń posługują się nazwami handlowymi (Full Cure 720, Vero, Tango, DurusWhite) i parametrami wytrzymałościowymi [142]. W zależności od planowanych właściwości prototypów stosujemy następujące żywice do wykonania modeli: FullCure 720 do wykonywania modeli o dużej dokładności i sztywności, Vero do wykonywania precyzyjnych i wytrzymałych modeli odpornych na działanie wilgoci, Tango do wykonywania elastycznych modeli o właściwościach elastycznych zbliżonych do gumy, DurusWhite do wykonywania elastycznych i wytrzymałych modeli o właściwościach zbliżonych do polipropylenu. Do wykonania modeli łopatek badawczych stosowano urządzenie EDEN 350 pracujące w systemie JS-PolyJet (rys. 4.3) w firmie Bibus Menos. Urządzenie umożliwia wytwarzanie prototypów z warstw o grubości 0,016mm lub 0,032mm z rozdzielczością w poszczególnych osiach: x 600dpi, y 300dpi, z 1600dpi. Dokładność wykonania modelu zawiera się w zakresie 0,1 0,2mm. Modele łopatek (rys. 4.4) wykonano z żywicy Vero (tab. 4.2). Dobór materiału podyktowany był dużą dokładnością odwzorowania złożonych prototypów oraz małą higroskopijnością materiału.
75 Tabela 4.2. Właściwości fizyczne i mechaniczne materiału Vero Właściwość Wartość Wytrzymałość na rozciąganie, MPa 49,8 Twardość Shore a 83,0 Gęstość w stanie stałym, g/cm 3 1,174 Rys. 4.3. Urządzenie EDEN350: a) widok ogólny, b) widok komory roboczej Rys. 4.4. Prototyp łopatki wykonanej w technice JS PolyJet 4.2.2. Wytwarzanie modeli łopatek metodą SLS Selektywne spiekania proszku (SLS) polega na utwardzaniu powierzchni warstwy wiązką lasera. Model jest wykonywany na podstawie geometrii 3D-RP np. w formacie STL. Proszek rozprowadzany jest warstwami na platformie roboczej. Wiązka lasera spieka warstwę w pierwszej kolejności obrys przekroju, następnie wypełnienia wnętrze przekroju warstwy. Po utwardzeniu platforma robocza obniża się
76 o grubość warstwy i następuje ponowne rozprowadzenie proszku. Utwardzanie kolejnej warstwy powoduje nadtopienie warstwy poprzedniej, tworzy się jednolita bryła modelu (rys. 4.5). Rys. 4.5. Schemat procesu wytwarzania modelu łopatki metodą SLS Tworzony model podparty jest proszkiem wypełniającym przestrzeń roboczą. Dlatego nie są wymagane oddzielne konstrukcje podpierające. Model wykonany metodą SLS jest porowaty. W zależności od funkcji modelu stosuje się nasączanie innymi materiałami. Prowadzi to do polepszenia jego właściwości mechanicznych. W badaniach używano urządzenia SLS EOS Formiga P100 (rys. 4.6) pracującego w Firmie Bibus Menos. Modele łopatek (rys. 4.7) wykonano z proszku poliamidowego PA 2200 (tab. 4.3). Tabela 4.3. Właściwości fizyczne i mechaniczne materiału PA 2200 Właściwość Wartość Wytrzymałość na rozciąganie, MPa 45 Twardość Shore a 77,6 Gęstość w stanie stałym, g/cm 3 0,95
77 Rys. 4.6. Urządzenie SLS EOS Formiga P100: a) widok ogólny, b) komora robocza Rys. 4.7. Prototyp łopatki wykonanej w metodzie SLS W metodzie SLS stosowane są różne proszki (np. proszki polimerów, metali i ceramiki). Stąd metodą tą wytwarza się prototypy użytkowe np. narzędzia metalowe i ceramiczne [130]. Znaczącą niedogodnością tej metody jest długi czas chłodzenia modelu przed wyjęciem z przestrzeni roboczej urządzenia i usunięciem niezwiązanego proszku. Dla wyrobów o dużych rozmiarach, złożonej budowie i cienkich ściankach wynosi nawet kilka dni. 4.2.3. Wytwarzanie modeli łopatek metodą SLA Stereolitografia należy do najstarszych metod szybkiego prototypowania. Zaletą tej metody jest przede wszystkim możliwość tworzenia modeli o złozonej budowie wewnętrznej i zewnętrznej wymagających dużej dokładności wymiarowej oraz powtarzalności.
78 W procesie budowania prototypu stereolitograficznego wyróżnia się cztery etapy: trójwymiarowe projektowanie CAD, wirtualne przygotowanie modelu, budowę modelu fizycznego, obróbkę wykończeniową modelu. Model stereolitograficzny tworzony jest w wyniku fotopolimeryzacji ciekłej żywicy utwardzanej za pomocą wiązką lasera. Model jest umieszczony jest na platformie roboczej w zbiorniku z ciekłą żywicą (rys. 4.8). Rys. 4.8. Schemat procesu wytwarzania modelu łopatki metodą SLA Rozpoczęcie budowy modelu na platformie roboczej wymaga wykonania podpór. Podpory są automatycznie generowane w programie 3D Lihtyear możliwe jest wykonanie korekty ich kształtu. Metoda SLA wymaga stosowania podpór dla pierwszej warstwy modelu, dla elementów odchylonych od płaszczyzny roboczej oraz elementów, których budowa rozpoczyna się na pewnej wysokości. Brak podparcia doprowadza do zniekształcenia modelu lub rozdzielenia kolejnych warstw. Wykonanie podpór łączących platformę roboczą z modelem poprzedza zasadniczą część procesu budowy prototypu. Obiekt wirtualny podzielony na warstwy jest odtwarzany w żywicy przez utwardzanie wiązką lasera kolejnych przekrojów bryły. Głębokość penetracji wiązki lasera dosięga poprzedniej warstwy celem połączenia warstw i utworzenia monolitycznej bryły. Platforma robocza obniża się po utwardzeniu warstwy o wartość 0,05, 0,1 lub 0,15 mm. Model wykonywany znajduje się w zbiorniku z ciekłą żywicą. Poziom żywicy jest wyrównywany za pomocą zgarniacza podciśnieniowego. Zapewnienia to jednakową wysokość cieczy nad utwardzoną częścią modelu. Proces jest powtarzany do utworzenia ostatniej warstwy bryły. Platforma z modelem jest następnie podnoszona ze zbiornika z żywicą. Dalsza obróbka modelu tzw. Post Processing obejmuje usunięcie podpór, mycie modelu w acetonie lub izopropanolu (oczyszczenie powierzchni z
resztek żywicy) oraz dodatkowe naświetlanie promieniowaniem UV w celu zakończenia polimeryzacji w całej objętości modelu. Dokładność modelu rzeczywistego zależy zarówno od dokładności modelu 3D-CAD, jak również warunków prowadzenia procesu (np. grubość warstwy utwardzanej, rodzaj żywicy, średnica wiązki lasera). Szczególnie istotne (dla uniknięcia efektu schodków ) jest prawidłowe ustawienie obiektu na platformie roboczej [22, 23]. Model stereolitograficzny jest budowany przy użyciu różnych sposobów utwardzania warstw: STAR-WEAVE TM stosowany do modeli z żywic akrylowych i epoksydowych. Podczas wykonywania modelu pozostawiane są nieutwardzone przestrzenie w celu kompensacji zmian objętości występujących w żywicach akrylowych w procesie fotopolimeryzacji. Sposób ten zapewnia dobrą dokładność wykonywanego prototypu. ACES TM (ang. Accurate Clear Epoxy Solid) do wykonywania modeli z żywic epoksydowych o małej wartości współczynnika skurczu. Dlatego w procesie wytwarzania modelu nie zakłada się nieutwardzonych przestrzeni dla kompensacji skurczu. Modele budowane mają prawie w pełni utwardzone wnętrze. Jest to możliwe przez zagęszczenie odstępów linii skanowania do wartości połowy szerokości wiązki lasera (h s /2). Modele wykonane tym sposobem mają większą dokładność i wytrzymałość w porównaniu z modelami STAR-WEAVE TM. Quick Cast przeznaczony do wytwarzania modeli odlewniczych o budowie skorupowej wypełnionej siecią cztero- i sześciokątnych płytek. Po wykonaniu modelu z jego przestrzeni wewnętrznej usuwa się żywicę przez otwory drenażowe. Model taki charakteryzuje się najmniejszą dokładnością w porównaniu z innymi sposobami. Ważnym parametrem procesu wytwarzania modelu stereolitograficznego jest czas jego wykonania. Czas wykonania prototypów t metodą stereolitografii określa się przy użyciu aplikacji w oprogramowaniu urządzenia SLA, którego podstawą jest zależność: t = t + t (4.1) s r gdzie: t s jest czasem utwardzania całej objętości modelu. Stanowi sumę czasu utwardzania kolejnych warstw t si i jest opisany zależnością: n {, ( )} (4.2) t = t = f s v = f P s si i s L i= 1 gdzie: n liczba warstw, s i suma powierzchni jednostkowych, v s prędkość skanowania, P L moc lasera Czas t r jest natomiast sumą czasu przygotowania kolejnych warstw t si : 79
80 n {, } t = t = f v t (4.3) r ri pi pi i= 1 gdzie: v p prędkość przesuwu zgarniacza wyrównującego powierzchnię lustra żywicy, t p czas pomocniczy (czas pozycjonowania platformy i przygotowania warstwy żywicy do naświetlania). Czas przygotowania kolejnych warstw jest zbliżony dla każdej warstwy i niezależny od kształtu modelu. Powoduje to, że czas sumaryczny jest proporcjonalny do liczby warstw. Można uzyskać skrócenie całkowitego czasu wykonania modelu umieszczając go poziomo w przestrzeni roboczej urządzenia. Często nie jest to możliwe, ze względu zmniejszenie jakości modelu spowodowane warstwową budową prototypu [23, 26, 253]. Prototypy stereolitograficzne łopatek wykonano za pomocą urządzenia SLA 250 (rys. 4.9a) w Katedrze Konstrukcji Maszyn PRz oraz urządzenia Viper SI SLA System (rys. 4.9b) w Firmie CAR Technology. Materiałami użytymi do wykonania łopatek (rys. 4.10) były fotopolimery: dla urządzenia SLA 250 żywica epoksydowo akrylowa SL 5170, dla urządzenia Viper Accura 25 o właściwościach polipropylenu (tab. 4.4). Rys. 4.9. Urządzenia SLA: a) SLA 250, b) Viper SI SLA System Tabela 4.4. Właściwości fizyczne i mechaniczne materiałów SL 5170 i Accura 25 Właściwość SL5170 ACCURA 25 Wytrzymałość na rozciąganie, MPa 31 38 Twardość Shore a 85 80 Gęstość w stanie stałym, g/cm 3 1,22 1,19
81 Rys. 4.10. Modele SLA łopatki badawczej: a) SL 5170, b) Accura 25 4.2.4. Wytwarzanie modeli łopatek metodą FDM Model w metodzie FDM budowany jest z materiału przetłaczanego przez dyszę w stanie półpłynnym. Dysza jest umieszczona w korpusie z możliwością przemieszczania poziomego. Pionowo przemieszcza się platforma robocza. Umożliwia to ułożenie warstwy materiału w przestrzeni roboczej, zgodnie z zadaną jej geometrią. Nakładana warstwa materiału krzepnie i łączy się z warstwą ułożoną wcześniej (rys. 4.11). Rys. 4.11. Schemat procesu wytwarzania modelu łopatki metodą FDM W procesie wytwarzania modelu z jednej dyszy wytłaczany jest materiał do budowy modelu, natomiast z drugiej dyszy materiał podpór. Materiał ten ma również za zadania połączenie modelu z platforma roboczą. Podpory wykony-
82 wane są jednocześnie z modelem. Dla łatwego usunięcia podpór często są wykonane z materiału rozpuszczalnego w wodzie. W metodzie FDM stosuje się kilka rodzajów materiałów m.in. woski, ABSy i poliwęglany. Modele z poliwęglanu charakteryzuje duża wytrzymałość. Zastosowanie ABS-u pozwala na uzyskanie modeli o największej dokładności np. modeli odlewniczych łopatek silników lotniczych. Prototypy FDM wykonano przy użyciu urządzenia FDM Stratasys w Firmie ProSolutions (rys. 4.12). Stosowano dwa rodzaje materiałów na modele łopatek (rys. 4.13): poliwęglan i ABSplus w kolorach białym i niebieskim (tab. 4.5). Rys. 4.12. Urządzenia FDM: a) widok ogólny, b) widok komory roboczej Rys. 4.13. Modele FDM łopatek z poliwęglanu (a) i ABS-u (b) Tabela 4.5. Właściwości fizyczne i mechaniczne materiałów ABSplus i poliwęgalnu Właściwość ABSplus Poliwęglan Wytrzymałość na rozciąganie, MPa 36 55 Twardość Shore a 76 87 Gęstość w stanie stałym, g/cm 3 1,04 1,06
83 4.2.5. Wytwarzanie modeli łopatek metodą 3DP Trójwymiarowy druk polega na warstwowym łączeniu proszków materiałów za pomocą spoiwa nanoszonego przez głowicę drukującą. Proces rozpoczyna się naniesieniem określonej warstwy proszku z zasobnika. Warstwa ta jest wyrównywana na powierzchni platformy roboczej przy użyciu walca. Na tak przygotowaną warstwę proszku nanoszone jest spoiwo, zgodnie z założonym przekrojem poprzecznym bryły. Powstaje warstwa modelu i platforma robocza obniża się o grubość warstwy (rys. 4.14). Rys. 4.14. Schemat procesu wytwarzania modelu łopatki metodą 3DP Proszek niezwiązany stanowi podporę tworzonego modelu. Platforma z modelem po wykonaniu wszystkich warstw jest podnoszona niezwiązany proszek jest usuwany. Modele po oczyszczeniu są nasączane w celu poprawy ich właściwości wytrzymałościowych lub elastyczności. Do drukowania przestrzennego stosuje się m.in. proszki metali, polimerowe i ceramiczne oraz mieszaniny zawierające krzemionkę koloidalną lub spoiwo polimerowe [18, 19]. Drukowania przestrzenne znajduje duże zastosowanie w wytwarzaniu prototypów elementów maszyn. Jest to spowodowane niskim kosztem materiałów do wykonywania modeli oraz krótkim czasem procesu (2-4 warstwy/min). Niektóre umożliwiają także drukowanie przestrzenne w 24-bitowej palecie kolorów (np. Z 510 firmy Z Corporation). Prototypy 3DP wykonano za pomocą urządzenia Z510 Spectrum w Katedrze Konstrukcji Maszyn PRz (rys. 4.15). Do wykonania prototypów łopatek (rys. 4.16) stosowano standardowy materiał dla technologii 3DP proszek ZP131. Właściwości wytrzymałościowe modeli 3DP są trudne do określenia.
84 Wytrzymałość użytkową modele te uzyskują dopiero po ich infiltracji (tab. 4.6). Głębokość infiltracji zależy od sposobu jej wykonania [19, 252]. Rys. 4.15. Urządzenie 3DP: a) widok ogólny, b) widok komory roboczej i modelu łopatki Rys. 4.16. Model 3DP łopatki Tabela 4.6. Podstawowe materiały infiltrujące Gatunek Wax (wosk) Z-Bond (żywica akrylowa) Z-Max Epoxy (żywica epoksydowa) Zastosowanie zanurzenie malowanie pędzlem natrysk i malowanie pędzlem
85 4.3. Dokładność geometryczna modeli łopatek 4.3.1. Charakterystyka geometrii modeli wytwarzanych warstwowo W procesie szybkiego prototypowania wyróżnia się cztery etapy, których warunki oddziaływają na dokładność modeli fizycznych: tworzenie modelu 3D-CAD, proces przetwarzania danych, wytwarzanie prototypu na urządzeniu RP, obróbka wykończeniowa. Modelowanie 3D-CAD i przetwarzanie danych odbywa się w środowisku programowym, gdzie istnieje również możliwość naprawy większości błędów geometrycznych modelu z zastosowaniem operacji numerycznych. Końcowym etapem tego procesu jest podział modelu numerycznego na warstwy o grubości zależnej od możliwości technologicznych urządzenia RP. Każda przyrostowa metoda szybkiego prototypowania pozwala na wykonanie modelu z odpowiednią dokładnością. Dokładność modelu zależy zarówno od zastosowanej metody, urządzenia RP jak również od przebiegu procesu technologicznego (np. założonej grubości warstwy). Budowa warstwowa modelu charakterystyczna dla procesów przyrostowych, jest podstawowym źródłem zarówno odchyłek geometrycznych jak i chropowatości powierzchni. Grubość warstwy ma zasadniczy wpływ na dokładność modelu. Szczególnie w przypadku powierzchni krzywoliniowych, których kąt nachylenia względem płaszczyzny roboczej urządzenia przyjmuje różne wartości (rys. 4.17). Rys. 4.17. Wpływ grubości warstwy na dokładność wykonania powierzchni modelu: a) grubość 0,15 mm, b) grubość 0,1 mm, c) grubość 0,05 mm Dla modeli wykonywanych przyrostowymi metodami RP w zależności od planowanej obróbki wykończeniowej przyjmuje się tolerancję: ujemną, dodatnią lub mieszaną (rys. 4.18).
86 Rys. 4.18. Tolerancja modelu warstwowego względem modelu CAD: a) ujemna, b) dodatnia, c) mieszana Obróbka wykończeniowa modelu zależy od obrabialności materiału stosowanego w metodzie RP. Materiały polimerowe mają dobrą obrabialność. Dlatego dla modeli wytwarzanych z polimerów stosuje się wszystkie rodzaje tolerancji. Tolerancja warstwowa zależy od kształtu prototypu. Dla elementów o powierzchniach krzywoliniowych tolerancję określa się zwykle odległością pomiędzy przyjętym punktem zarysu modelu CAD i punktem modelu fizycznego, położonym na prostej normalnej do zarysu modelu CAD. Określono wzajemne zależności grubości warstwy od pozostałych parametrów geometrycznych modelu w przekroju modelu wzdłuż osi z (rys. 4.19). Zależności te przyjmują następującą postać: - dla zewnętrznej płaskiej powierzchni ukośnej (rys. 4.19a): δ = h sinγ (4.4) - dla zewnętrznej powierzchni krzywoliniowej (rys. 4.19b): 2 2 δ = ρ + ρ + h + 2 h sinγ (4.5) gdzie: P(x,y,z) współrzędne punktu na powierzchni modelu CAD, δ odległość punktu warstwy modelu od punktu na krzywej, ρ promień krzywej, h grubość warstwy, N wektor normalny w punkcie P powierzchni.
87 Rys. 4.19. Zależności geometryczne w warstwach modelu o powierzchni: a) płaskiej, b) krzywoliniowej Dokładność geometryczna wykonanego modelu w kierunku osi z zależy od grubości budowanych warstw. Ustawienie grubości warstwy odbywa się przed uruchomieniem procesu. Dla całego modelu przyjmuje się takie same ich wartości (tab. 4.7). Tab. 4.7. Grubość warstwy w przyrostowych metodach RP Metoda PolyJet SLS SLA SLA Viper FDM 3DP Grubość warstwy [mm] 0,016 0,1 0,1 0,15 0,05 0,10 0,15 0,175 0,254 0,0875 0,1000 W celu zapewnienia największej dokładności wykonania modeli łopatek proces wytwarzania przeprowadzono przy założeniu minimalnej grubości warstwy dla każdej badanej metody RP. Rzeczywistą dokładność geometryczną określono przez bezpośrednie pomiary prototypów łopatek z zastosowaniem współrzędnościowej maszyny pomiarowej WENZEL LH 87. 4.3.2. Pomiary geometrii modeli łopatek badawczych Przeprowadzono pomiary dokładności geometrycznej modeli łopatek wykonanych metodami szybkiego prototypownia. Analizie poddano wyniki pomiarów uzyskanych za pomocą współrzędnościowej maszyny pomiarowej WENZEL LH 87 (rys. 4.20) wyposażonej w uchylno obrotową dotykową głowicę skanującą Reinshaw [144]. Badania dokładności obejmowały następujące etapy: przygotowanie współrzędnościowej maszyny pomiarowej, import modelu 3D-CAD łopatki do przestrzeni programowej maszyny,
88 przygotowanie elementów mocujących i bazowych dla mierzonego modelu łopatki, opracowanie programu CNC do pomiaru łopatek na podstawie modelu 3D- CAD, wykonanie pomiarów. Rys. 4.20. Pomiar łopatki maszyną WENZEL LH87: a) widok ogólny, b) pomiar pióra łopatki Układ współrzędnych modelu badawczego 3D-CAD połączono ze środkiem górnej płaszczyzny bazowania łopatki (rys. 4.21). Przyjęty w taki sposób układ współrzędnych był podstawą do dokładnej identyfikację modelu w przestrzeni programowej współrzędnościowej maszyny pomiarowej. Dolna część łopatki stanowi element mocujący, umożliwia szybkie i dokładne pozycjonowanie modelu do pomiaru.
89 Rys. 4.21. Model pomiarowy łopatki badawczej W modelu wykonane zostały również powierzchnie bazowe pozwalające na jednoznaczne ustawienie położenia modelu przed pomiarem. Przyjęto sposób wykonania modelu łopatki umożliwia jego pomiar bez wymiany końcówki pomiarowej oraz bez zmiany położenia głowicy pomiarowej (rys. 4.21). Taka konstrukcja modelu badawczego pozwalała na minimalizację błędów podczas pomiarów seryjnych w trybie CNC. Stanowisko badawcze do wykonywania pomiarów dodatkowo wyposażono w listwy bazowe na stole maszyny pomiarowej. Zapewniły one na odpowiednie bazowanie imadła podczas mocowania mierzonej łopatki. Dobór końcówki pomiarowej oraz inne czynności standardowe wykonano zgodnie z procedurą pomiarów współrzędnościowych [144, 184]. Opracowano program pomiarowy CNC umożliwiający szybką realizację serii pomiarów. Procedury programu obejmowały etapy: wczytanie danych układu współrzędnych imadła mocującego, wczytanie danych modelu 3D-CAD łopatki, określenie położenia punktów na powierzchniach bazowych modelu łopatki, pomiar przekroju 1, pomiar przekroju 2, pomiar przekroju 3, pomiar przekroju 4, utworzenie graficznego raportu pomiarów, wydruk wyników pomiarów. Pomiary prowadzono na prototypach bez dodatkowej obróbki wykończeniowej i wykonanych metodami przyrostowymi RP: JS-PolyJet, SLS, SLA, FDM i 3DP. Stosowano skanowanie wzdłuż ścieżek pomiarowych (w płaszczyźnie x, y) rozstawionych w odległościach 5mm wzdłuż osi z. Protokoły po-
90 miarowe przedstawiają graficznie wartości odchyłek w poszczególnych punktach pomiarowych (1 500) przekrojów łopatki (rys. 4.22). W lewej górnej części protokołu podana jest tabela wyników (założona tolerancja, wartości średnie, maksymalne i minimalne odchyłek) oraz wykres odchyłek wzdłuż punktów ścieżki pomiarowej (4.23-4.32). Rys. 4.22. Schemat protokołu pomiarowego pióra łopatki badawczej Rys. 4.23. Protokół pomiarowy łopatki JS PolyJet
91 Rys. 4.24. Protokół pomiarowy łopatki SLS Rys. 4.25. Protokół pomiarowy łopatki SLA (model 1)
92 Rys. 4.26. Protokół pomiarowy łopatki SLA (model 2) Rys. 4.27. Protokół pomiarowy łopatki SLA (model 3)
93 Rys. 4.28. Protokół pomiarowy łopatki (SLA Viper) Rys. 4.29. Protokół pomiarowy łopatki FDM (model 1)
94 Rys. 4.30. Protokół pomiarowy łopatki FDM (model 2) Rys. 4.31. Protokół pomiarowy łopatki FDM (model 3)
95 Rys. 4.32. Protokół pomiarowy łopatki 3DP Analizie poddano wyniki pomiarów modeli łopatek badawczych wykonanych metodami JS-PolyJet, SLS, SLA, SLA Viper, FDM i 3DP. Wyniki pomiarów wskazują, że łopatka wykonana metodą JS-PolyJet ma wysoką dokładność. Określone odchyłki w większości punktów pomiarowych mają wartość dodatnią, są skierowane w stronę środka promienia krzywizny i przekraczają nieznacznie wartości założonego pola tolerancji ±0,1mm (rys. 4.23). Model łopatki wykonany metodą SLS ma średnią dokładność. Wartość odchyłki w połowie długości ścieżki pomiarowej odchyłki przekraczają założone pole tolerancji i skierowane są w większości w kierunku środka promienia krzywizny. Modele SLS wytworzono z poliamidu o znacznym skurczu przetwórczym ok. 3%. Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, że skurcz ten powoduje odkształcenia modelu większe od założonej wartości tolerancji (rys. 4.24). W analizie rozważano również zależność dokładności geometrycznej od położenia modelu SLA w przestrzeni roboczej urządzenia (rys. 4.33). Model łopatki o osi z równoległej do osi z urządzenia (rys. 4.33a) ma najlepszą dokładność w porównaniu do wszystkich pozostałych modeli. Jest to efektem opracowani i zastosowania w procesie wytwarzania prototypów badanych łopatek autorskiej metody poprawy dokładności wykonywanych prototypów [18, 26, 208]. Polega ona na określeniu na platformie roboczej urządzenia stereolitograficznego SLA 250 pól o zwiększonej dokładności wykonywania modelu. Na całej długości ścieżki pomiarowej wartość odchyłki nie przekracza założonej wartości
96 tolerancji (rys. 4.25). Model łopatki, którego oś x jest równoległa do osi z urządzenia (rys. 4.33b) ma dobrą dokładność. Obserwowano jednak częste przekroczenia założonej wartości tolerancji (rys. 4.26). Rys. 4.33. Ustawienie łopatek w przestrzeni roboczej urządzenia RP Model łopatki, którego oś y jest równoległa do osi z urządzenia (rys. 4.32c) ma małą dokładność. Właściwie na całej długości ścieżki pomiarowej wartość założonej tolerancji jest przekroczona (rys. 4.27). Dla takiego połozenia łopatki występuje podparcie pióra na całej długości. Pozostałości podpór powodują niedokładności geometrii pióra łopatki. Model SLA Viper wykonany przy dla przyjętej grubości warstwy 0,05mm ma dobrą dokładność. Stwierdzono jednak, że w niektórych obszarach modelu występują nieznaczne przekroczenie założonej wartości tolerancji (rys. 4.28). Pomiarom poddano kilka modeli łopatek wykonanych metodą FDM. Pierwszy model łopatki został wykonany z poliwęglanu (o grubości warstwy 0,254mm), w położeniu w którym oś z łopatki była równoległa do osi z urządzenia. Stwierdzono, że model ten ma małą dokładność. W całym obszarze modelu obserwowano przekroczenie założonej wartości tolerancji (rys. 4.29). Drugi model wykonany z ABS-u, którego oś y jest równoległa do osi z urządzenia ma średnią dokładność występują przekroczenia założonej wartości tolerancji (rys. 4.30). Kolejny model wykonany z ABS-u, którego oś z jest równoległa do osi z urządzenia ma dobra dokładność. Obserwowane tylko lokalne nieznaczne przekroczenia założonej wartości tolerancji (rys. 4.31). Stwierdzono, ze model ten charakteryzuje się najlepszą dokładnością spośród badanych prototypów FDM. Model łopatki wykonany metodą 3DP charakteryzuje średnia dokładność. Część ścieżki pomiarowej od strony wewnętrznej jest w polu tolerancji. w części zewnętrznej ścieżki występują natomiast przekroczenia założonej tolerancji (rys.
4.32). Ustalono, że geometria modelu bezpośrednio po wydruku różni się od geometrii po jego infiltracji. Wartość odchyłki zależny od skurczu stosowanego infiltratora oraz sposobu i głębokości infiltracji. Przyrostowe metody Rapid Prototyping pozwalają na znaczne skrócenie czasu wykonywania prototypu. Porównano czas przygotowania danych i wykonania prototypu metodami RP i CNC dla łopatki o długości całkowitej 70mm i szerokości pióra 25 mm ustawionej w pozycji pionowej w urządzeniu RP. Uzyskane wyniki wskazują, że metody RP umożliwiają zwykle uzyskanie krótszych czasów procesu wytwarzania (tab. 4.8) niż CNC. Obliczenia czasu wykonania prototypu prowadzono dla grubości warstwy 0,1 mm dla pojedynczego elementu w obszarze roboczym urządzenia. Często dla danego urządzenia występuje możliwość ustawienia grubości wytwarzanej warstwy. Ma to wpływ na prędkość wykonywania prototypu [18, 30]. Tabela 4.8. Porównanie czasu wykonania prototypu łopatki metodami RP i CNC Metoda CNC SLA 3DP FDM SLS Czas operacji Czas przygotowania danych, h 2,5 0,6 0,3 0,3 0,5 Czas wykonywania prototypu, h 15,8 10,5 2,9 6,7 7,3 Czas sumaryczny, h 18,3 11,1 3,4 7,0 8,8 Stwierdzono, że czas jednostkowy dla większej liczby modeli zależy od ich liczby w przestrzeni roboczej urządzenia RP. Zależność ta nie jest liniową. W przyrostowym procesie RP występuje bowiem czas przygotowania kolejnych warstw. Jest on zbliżony dla wszystkich warstw. Czas wykonania zależy również od wysokości elementu liczby warstw. Ułożenie elementów długich (wysokich) w pozycji pionowej zwiększa czas procesu. Zapewnia jednak dobrą dokładność wykonania prototypu. Takie ustawienie powinno być stosowane podczas wytwarzania modeli łopatek, dla których najważniejszym kryterium jest dokładność ich wykonania. Zwiększenie dokładności modeli jest możliwe również przez opracowanie i wprowadzenie odpowiednich procedur korekcyjnych dla aparatury RP. Na przykład przez określenie pól o zwiększonej dokładności w przestrzeni roboczej urządzenia [26, 208]. Analiza kosztów wykonania prototypów metodami przyrostowymi wskazuje, że metody SLA i SLS należą do najdroższych (w grupie metod stosujących materiały niemetaliczne do budowy modelu). Dotyczy to zarówno kosztów materiałów jak i zakupu urządzenia. Natomiast koszty zakupu i eksploatacji urządzeń JS-PolyJet są na średnim poziomie. Metody 3DP i FDM charakteryzują się mniejszymi kosztami zarówno zakupu urządzenia jak i kosztów eksploatacji. Analiza właściwości mechanicznych i technologicznych materiałów stosowanych na modele RP łopatek silników lotniczych, wskazuje także, że parametry wytrzymałościowe i technologiczne należy uwzględniać podczas dalszego 97
98 ich zastosowania np. do wykonania zestawów modelowych ceramicznych form odlewniczych. Większość producentów ma w sprzedaży materiały do wykonania elementów zestawów modelowych. Często jednak materiały te nie spełniają wymagań technologii odlewania precyzyjnego metodami konwencjonalnymi. Istnieje więc potrzeba stosowania dodatkowych technik wytwarzania prototypów z użyciem procesów Rapid Tooling. Szczególnie do wykonywania modeli odlewniczych form ceramicznych dla procesu monokrystalizacji, gdzie wymagana jest ich odporność zarówno na wysoką temperaturę procesu monokrystalizacji jak i długi czas oddziaływania ciekłego stopu na warstwę wewnętrzną ceramicznej formy odlewniczej [15, 24, 143].