Laboratorium Szybkiego Prototypowania Instrukcja 1 Metody Szybkiego Prototypowania Stereolitografia Gdańsk Wersja elektroniczna dostępna na stronie internetowej KTMiAP w zakładce Szybkie Prototypowanie http://ktmiap.mech.pg.gda.pl/content,showpage,27,1,dla,studentow
1. Wstęp 1.1 Czynniki konkurencyjności w rozwoju produktu Za najważniejsze czynniki rozwoju współczesnych przedsiębiorstw uważa się innowacyjne technologie. W długich horyzontach czasowych innowacyjne strategie produkcji i organizacji przynoszą więcej niż 68% efektywnej dostępności do rynku [1]. Oznacza to doskonałą koniunkturę przedsiębiorstwa i dalszy rozwój innowacyjnych technologii i produktów. Wg w/w źródła innowacyjne technologie kreują najważniejsze wskaźniki konkurencyjnej produkcji a mianowicie; Redukcję kosztów do 70% Poprawę jakości do 25% Wzrost elastyczności produkcji do 89,5% Innowacyjność produktu do 100% Innowacyjność technologii do 70,6% Poszerzenie produktywności i palety produktów do 64,7% Poprawę wpływu zewnętrznych wskaźników gospodarczych do 44,4% Przenikanie na rynku międzynarodowym do 58,8% Z kolei, spośród najważniejszych faz wdrażania innowacyjnych procesów za najważniejsze należy uznać: Właściwa ocena pomysłu ( innowacyjnej idei) 14% powodzenia zamierzeń Generowanie pomysłów ok. 28% powodzenia Realizacja projektu innowacyjnego 36 % zamierzeń, Aplikacja i wdrożenie rynkowe 34%. Ogólnie przyjmuje się za innowacyjne takie produkty i procesy, których wiek nie przekracza dwóch lat. W dużych koncernach jest to ciągły wymagający rozwój własnych produktów i technologii w oparciu o własne centra badawczo rozwojowe. W małych i średnich przedsiębiorstwach nie ma środków ani kadry do takich działań. Mogą one polegać tylko na instytucjach zewnętrznych tj.: Politechniki, Ośrodki Badawczo-Rozwojowe, itp., które z założenia specjalizują się w działalności naukowo-badawczej w dziedzinach nowych technologii współpracując z nimi w kierunku wdrażana nowych produktów. Zagadnienie metodologicznego opisu cyklu życia produktu można sprowadzić do kilku istotnych aspektów[1]: Projektowania marketingowego, obejmującego najważniejsze cechy przyszłego produktu, które będą podstawą badań marketingowych. Definiuje się zatem przy współudziale klienta cechy funkcjonalne nowego produktu. Projektowania konstrukcyjnego, obejmującego nadawanie funkcji i postaci konstrukcyjnej nowego wyrobu. Projektowania technologicznego, mającego na celu opis realizowanych procesów technologicznych wraz z niezbędnymi procesami pomocniczymi. Planowania procesów wytwarzania z uwzględnieniem planowania normatywnego niezbędnych zasobów oraz terminów realizacji zleceń i zabezpieczenia infrastruktury produkcyjnej. 2
Powyższe fazy rozwoju produktu nazywane są w nomenklaturze inżynierskiej- technicznym przygotowaniem produkcji. Charakteryzują się one tym, że w trakcie inżynierskich działań projektowo planistycznych przetwarzaniu podlegają modele geometryczne oraz informacje i dane do nich adekwatne. Na tym etapie mamy gotową dokumentację produkcyjną i na jej podstawie należy podjąć decyzję o sposobie wytwarzania. 1.2 Technologie Rapid Prototyping i Rapid Tooling w rozwoju produktu We współczesnych realiach gospodarczych za najważniejsze czynniki konkurencyjnego działania na rynku uważa się cenę produktu, czas jego pojawienia się na rynku oraz jakość jego wykonania [1]. Nie bez znaczenia są również takie czynniki jak: trendy w modzie, warunki społeczne oraz zwyczaje. Z uwagi na bardzo zróżnicowane środowiska opiniotwórcze produktów rynkowych, które stwarza klient, inwestor, dystrybutor, specjalista od serwisu, w każdym przedsięwzięciu produkcyjnym, zwłaszcza w przygotowaniu nowych produktów należy brać przede wszystkim opinię użytkownika produktu (klienta). Dlatego należy czynić możliwie wiele, aby strategiczne decyzje odnośnie wprowadzania nowych produktów na rynek podejmować przy minimalnym ryzyku inwestycyjnym. Minimalizację tego ryzyka mogą zapewnić techniki szybkiego wytwarzania prototypów, modeli i narzędzi (RP/RT). Są to techniki szybkiego wytwarzania fizycznych modeli produktów lub ich części składowych oraz prototypów funkcjonalnych, technicznych, wizualnych z pominięciem tradycyjnych technologii mechanicznych. Wykonywane są tylko w oparciu o wirtualną dokumentację 3D. Pełnowartościowy wyrób o wszelkich walorach użytkowych i estetycznych można wytworzyć powyższymi metodami i dopiero po zaakceptowaniu przez przyszłego użytkownika można przystąpić do jego produkcji seryjnej. Współczesne projektowanie wspomagane komputerowo (techniki CAD/CAE) jest podstawowym zadaniem w ramach technicznego przygotowania produkcji nowego wyrobu. Projekty te realizowane są przez wąską grupę specjalistów środkami i narzędziami komputerowymi. Efekty ich pracy w postaci dokumentacji wirtualnej nie są wystarczająco zrozumiałe dla oceny przez przyszłych użytkowników, bądź osób podejmujących decyzje, co do przyjęcia prezentowanych koncepcji, a niemających doświadczenia i percepcji do koniecznej analizy modeli wirtualnych. Osobom decydującym o uruchomianiu produkcji nowych wyrobów jak i ich użytkownikom i dystrybutorom wykonanie modelu rzeczywistego technikami RP/RT znacznie ułatwia decyzje. Projektowanie i techniczny rozwój produktu to proces polegający głównie na koncypowaniu, modelowaniu i podejmowaniu decyzji, co do kierunków kształtowania rozwiązania. Im projektant będzie lepiej wyposażony w narzędzia i metody analizy oraz oceny poszczególnych faz rozwoju produktu, tym trafniejsze będą jego decyzje. Będą one tym istotniejsze im wcześniej będą mogły być weryfikowane pomysły projektanta. Wiedza projektanta o projektowanym wyrobie rośnie wraz z etapami jego rozwoju. Jeżeli przyjęte przez projektanta założenia lub decyzje są podważane w trakcie ich oceny lub co gorsza nietrafione to należy natychmiast wprowadzić zmiany. Mogą one mieć miejsce w różnych fazach rozwoju produktu, począwszy od fazy założeń lub koncepcyjnej poprzez fazy projektowania technicznego, aż po fazę wytwarzania produktu. Im później ma to miejsce tym możliwości i koszty takich zmian są większe. Najbardziej niewskazane są zmiany wprowadzane w realizacyjnych fazach produkcji. Dostęp projektanta do metod szybkiego prototypowania minimalizuje duże koszt zmian w końcowych fazach wytwarzania produktu. Generalnie modele i prototypy można też wykonywać między innym na potrzeby: Rozmów z klientami i uzgodnień zmian, Konstrukcyjne, do oceny poprawności rozwiązania Montażowe, do analizy i oceny procesu montażu i demontażu np.: przekładni, co jest bardzo ważne w usługach serwisowych, 3
Badań eksploatacyjnych wyrobu takich jak: sprawność wytrzymałość, przepływy, testowania geometrii i innych. Projektowanie tradycyjne obecnie zastępuje inżynieria współbieżna (Concurent Engineering) i Rapid Engeenering są to techniki umożliwiające skrócenie okresu technicznego przygotowania produkcji, gdzie czas jest bardzo istotnym czynnikiem w konkurencji na rynku. Przez zastosowanie CE osiąga się korzyści [1]: Skraca się czas projektowania produktu w porównaniu z sekwencyjnym cyklem projektowania. Daje to przedsiębiorstwu czas na reakcję klienta na rynku i możliwość szybkiego dostosowania się do jego wymagań. Zmniejszają się koszty produktu co wiąże się głównie z tym, że zespołowa współpraca specjalistów z różnych dziedzin umożliwia wyeliminowanie w projektowaniu już na wstępnych etapach. W przypadku rosnącej konkurencji na rynku koncepcja Rapid Engineering najbardziej skraca ten okres, ale wytworzenie prototypu jest już konieczne w fazie koncepcji produktu. Możliwe jest to wyłącznie przy wykorzystaniu różnorodnych technik RP/RT [1]. We wstępnych fazach rozwoju produktu generowane są najistotniejsze składniki kosztów jego wytwarzania, odnoszące się do funkcji i konstrukcji oraz stosowanych materiałów i technologii. Najistotniejsze etapy w rozwoju nowego wyrobu kończą się zazwyczaj wytworzeniem jego prototypu, który jeszcze w fazie opracowania produktu pozwala na pierwszą wizualną, funkcjonalną, a czasami nawet rynkową ocenę jego cech. Wykonanie prototypu przy użyciu tradycyjnych metod jest długotrwałe i kosztowne. Tradycyjne metody wymagają zazwyczaj dużego nakładu pracy ręcznej oraz pracownika o bardzo wysokich kwalifikacjach zawodowych, co znacznie podnosi koszty, co przedstawiono na rys 1. Ręcznie wytwarzany model zakłóca jest również cykl obiegu informacji elektronicznych pomiędzy poziomem projektowania a poziomem właściwej produkcji. W ostatnich latach nastąpił poważny postęp w rozwoju komputerowo wspomaganych technologii geometrycznego i fizycznego modelowania, w tym także wytwarzania prototypów metodami tzw. rapid prototyping - RP (szybkie wytwarzanie prototypów i modeli fizycznych) oraz rapid tooling - RT (szybkie wytwarzanie narzędzi i oprzyrządowania do produkcji serii informacyjnej lub nawet produkcji seryjnej). Rys.1. Porównanie kosztów i czasu wytworzenia prototypu w różnych technikach[1] Zasadniczym celem zastosowań metod rapid prototyping jest modelowanie fizyczne (modele geometryczne, funkcjonalne, wizualne, montażowe, prototypy techniczne) na podstawie obiektów komputerowych 3D, głównie w celu oceny funkcji użytkowych i estetyki produktu. W dalszych fazach rozwojowych oraz podczas wytwarzania małej serii, szczególne zastosowanie znajduje technika rapid tooling, przeznaczona głównie do budowy form i narzędzi dla technologii przetwórstwa tworzyw sztucznych, dokładnego odlewania, przeróbki plastycznej cienkich blach, a także w mechanice precyzyjnej i w medycynie. Typowymi obszarami zastosowania technik RP/RT są: studia projektowe (design i stylizacja wizualna) oraz modele ergonomiczne; badania i ocena rozwiązań konstrukcyjnych na podstawie modeli fizycznych; 4
ocena procesów wytwarzania, a w szczególności montażu; badania i modelowanie przepływów formowania tworzyw; badania i ocena marketingowa nowych produktów; wielofunkcyjne modele stosowane w odlewnictwie i przeróbce plastycznej; modelowanie i wytwarzanie implantów kostnych w medycynie. 1.3. Zastosowania w przemyśle Nowoczesne innowacyjne technologie RP/RT (rapid prototyping, rapid tooling) mogą być efektywnie wykorzystane tylko wraz z zaawansowanymi technikami geometrycznego modelowania 3D w środowisku systemów CAD. Zastosowanie zintegrowanych modeli geometrycznych oraz standardowych formatów wymiany danych i technik CAx umożliwia elektroniczne i kompleksowe modelowanie w zakresie stylistyki (a nawet rzeźby), konstrukcji oraz tworzenia modeli fizycznych i prototypów technicznych, a nawet próbnych serii wyrobów rynkowych[1]. Technologie RP/RT są szczególnie przydatne w gałęziach przemysłu wymagającego tworzenia fizycznych modeli: Budowie prototypów do celów: o weryfikacji rozwiązań konstrukcyjnych, o analizy jednostkach oceny rozwiązań konstrukcyjnych o badania przepływów o prowadzenia badań jednostkach tunelach aerodynamicznych o doboru materiałów konstrukcyjnych Budowie fizycznych modeli dla: o poszukiwania koncepcji dla rozwiązań projektowych, o projektowania budowli jednostkach wzornictwa przemysłowego, o prezentacji dla zleceniodawcy o rozwiązywania problemów techniką case study Wytwarzania części jednostkach wyrobów dla: o produkcji narzędzi jednostkach oprzyrządowania o produkcji pomocniczych środków produkcji o rozpoznania marketingowego jednostkach postaci serii próbnej Projektowaniu jednostkach wytwarzaniu narządzi do: o planowania procesów wytwarzania jednostkach zwłaszcza montażu, o projektowania jednostkach wytwarzania narzędzi prototypowych, zwłaszcza dla przetwórstwa cienkich blach Projektowania jednostkach wytwarzania wzorców jednostkach modeli dla: o technologii odlewniczych jednostkach tym odlewania jednostkach formach piaskowych jednostkach metodą traconego wosku o metodą formowania próżniowego o hydro i termomforowania 5
o formowania poprzez napylanie wzorca warstwą metalu o stosowanie technik jednostkach materiałów epoksydowych. W jednostkach naukowo-badawczych świadczących usługi dla przemysłu takich jak Politechnika Gdańska, funkcjonują nowoczesne pracownie komputerowe, wyposażone w bogate oprogramowanie wspomagające techniki RP/RT, a zwłaszcza techniki geometrycznego modelowania 3D: w konstruowaniu i projektowaniu technologicznym CAD-FEM/CAP/CAM, w technicznym przygotowaniu produkcji TPP/PDM, planowaniu i sterowaniu produkcją PPC/SFC, symulacji procesów produkcyjnych oraz w projektowaniu systemów wytwórczych i planów typu layout. 2.1 Stereolitografia Stereolitografia jest jedną z metod szybkiego prototypowania (ang. rapid prototyping). Jest to technologia wytwarzania trójwymiarowych modeli (prototypów) na podstawie geometrii wygenerowanej za pomocą systemu CAD 3D. Polega na warstwowym utwardzaniu ciekłych żywic pod wpływem promieniowania laserowego, którego źródłem jest laser małej mocy (ok. 100 mw). Schemat budowy urządzenia SLA pokazano na rysunku 2. Rys.2. Schemat działania urządzenia w systemie stereolitografii [4] 2.2 Główne fazy tworzenia modelu: Proces tworzenia modelu możemy wyróżnić następujące etapy czynności: Budowa modelu w systemie CAD-3D 6
Zapisanie modelu w formacie *.stl -Stereolithography Language Zdefiniowanie platformy (zadanie parametrów budowy modelu w urządzeniu SLA to jest między innymi: rozdzielczość, rodzaj żywicy, typ zgarniacza, minimalna wielkość podpór. Umieszczenie modelu lub modeli na platformie (np.: określenie położenia w przestrzeni, określenie położenie w stosunku do ruchów zgarniacza) Weryfikacja poprawności plików *.stl modelu(li), w przypadku występowania błędów naprawa plików, Projektowanie położenia i geometrii elementów wspierających model (nowy model 3D) Weryfikacja geometrii elementów wspierających Podział modelu 3D na warstwy zgodnie z zadanymi parametrami tworzenia modelu fizycznego Sprawdzenie poprawności plików *.bff Przesłanie pliku *.bff do urządzenia Budowa fizycznego modelu w procesie fotopolimeryzacji Umycie utworzonego modelu z resztek nieutwardzonej żywicy Zakończenie procesu fotopolimeryzacji w urządzeniu PCA Obróbka wykańczająca modelu (polerowanie, kulkowanie, itp.) Poszczególne fazy tworzenia modelu przedstawia rys 3. Rys. 3. Kolejne fazy kształtowania nowego wyrobu: a) model CAD, model sformatowany w pliku *.stl, c) model wykonany z tworzywa polimerowego wykonany metodą stereolitografii, d) prototyp [1] 2.3 Sposób tworzenia i utwardzania kolejnych warstw modelu Wiązka lasera pozycjonowana przez system zwierciadeł skanuje powierzchnię żywicy w miejscu, gdzie ma powstać model. Proces tworzenia warstwy modelu składa się z następujących etapów: - Utwardzanie konturów warstwy (ang. Bordering), - Utwardzanie warstwy poprzez tzw. kreskowanie przekroju (ang. Hatching). W ten sposób tworzy się sztywna siatka służąca do wzmocnienia granic i utrzymania kształtu modelu pomimo zamknięcia ciekłej żywicy między granicami. Gęstość i kierunek linii siatki są określane przez użytkownika. 7
- Wypełnienie przekroju (ang. Filling). Każdorazowo po utwardzeniu warstwy następuje obniżenie platformy, na której powstaje model w celu naniesienia ciekłej żywicy. Następnie zgarniacz wyrównuje warstwę żywicy i ustala grubość naniesionej warstwy. Zasadę pracy zgarniacza i utwardzania kolejnych warstw modelu przedstawiono na rys. 4. Rys.4. Schemat działania zgarniacza w urządzeniu Viper stereolithography system [1] Wykonywany model oddzielony jest od platformy podporami tworzonymi w taki sam sposób jak model. Jedyną różnicą jest brak ruchów zgarniacza przy ich tworzeniu. Dokładność wykonania dla elementów podpierających jest wysoka, gdyż zostają one usunięte po zakończeniu procesu. Podpory te mają kształt cienkich pionowych pręcików zwężanych tuż przed powierzchnią modelu, aby można łatwo je usunąć po zakończeniu budowy modelu. Po wykonaniu modelu dokonuje się końcowej obróbki polegającej na oczyszczeniu z ciekłej żywicy i usunięciu podpór, ostatecznym utwardzeniu i obróbce wykańczającej, np. szlifowaniu, polerowaniu, malowaniu itp. 2.4 Laboratorium Szybkiego Prototypowania 2.4.1 Elementy składowe urządzenia Urządzenie do wykonywania modeli metodą stereolitografi składa się z czterech modułów: Viper si 2 urządzenie główne które bezpośrednio wykonuje model widoczne na rys. 5 po lewej stronie. Stacja komputerowa DELL - służy do przygotowania danych elektronicznych dla urządzenia głównego rys. 5 strona prawa. Urządzenie ProClean służy do czyszczenia modelu wykonanego z resztek nieutwardzonej żywicy, co przedstawiono na rys. 6. 8
PCA 350 komora do utwardzania końcowego modeli, rys. 7. Rys.5. Laboratorium Szybkiego Prototypowania z prawej urządzenie Viper si 2 Stereolitography System Rys.6. Urządzenie ProClean służy do oczyszczania modelu z nieutwardzonej żywicy 9
Rys.7. Urządzenie PCA 350 służy do końcowego utwardzania modelu promieniowaniem UV 2.4.2 Podstawowe Parametry Techniczne maksymalna wielkość wykonywanych modeli 250x250x250mm; maksymalny ciężar modelu 9,1 kg wyposażone jest w laser stały Nd:YVO 4 emitujący wiązkę promieniowania UV o długości 354,7nm i mocy 100mW fotopolimer Accura 10 utwardzana za pomocą w/w promieniowania UV. 2.4.3 Rozdzielczość urządzenia Fast - średnica promienia laserowego 0,25 ±0,025mm, grubość warstwy 0,15mm, Exact- średnica promienia laserowego 0,25 ±0,025mm, grubość warstwy 0,10mm, High Resolutions - średnica promienia laserowego 0,075 ±0,015mm, grubość warstwy 0,06mm. 2.4.4 Oprogramowanie Buildstation v1. Oprogramowanie do sterowania procesem tworzenia modelu: 3D Lightyear program do: sprawdzenia poprawności tworzonego modelu (plików STL) ustawienie pozycji modelu w przestrzeni, umiejscowienie na platformie, wykonanie podpór podtrzymujących powstające fragmenty modelu podczas jego budowy, podział modelu na warstwy. 10
2.4.5 Możliwości techniczne wykonywania modeli i prototypów Urządzenie może wykonywać prototypy i modele w cały zakresie objętości platformy, przy czym maksymalny model ograniczony jest wymiarami 250x250x250. nie ma żadnych ograniczeń w stosunku do kształtu powierzchni którą chcemy wykonywać (można wykonywać powierzchnie określone krzywą dowolnego stopnia ) Rys.8. Model wykonany w rozdzielczości High Resolution Na rysunku 8 przedstawiono model wykonany w wysokiej rozdzielczości w którym można odwzorować szczególy o rozmiarach 1mm. Duże modele nak np. model wirnika przedstawiony na rys. 10 umożliwia wykonywanie modeli do badań eksperymentalnych. Na rysunku 9 przedstawiono model części maszyny w postaci koła zębatego, w którym wykonano powierzchnie boczne zębów wykonane jako powierzchnię ewolwentową bez stosowania specjalistycznych metod produkcyjnych. Na rysunku 11 przedstawiono wykonany model odlewniczy. Model ten wykonano jako konstrukcję skorupową bez wypełniania wnętrza modelu. Konstrukcja taka całkowicie spełnia wymagania stawiane modelom odlewniczym, ponadto minimalizuje zużycie surowca w postaci żywicy jak i oszczędza pracę maszyny Metoda ta umożliwia także wytwarzanie elementów ozdobnych, czego przykładem są elementy wyrobów jubilerskich przedstawione na rys 12. 11
Rys.9.Model techniczny wykonany w trybie Fast Rys.10. Model wirnika do badań eksperymentalnych 12
Rys.11. Model odlewniczy wykonany w systemie Quick-Cast Rys.12. Modele wyrobów jubilerskich Bibiografia: [1] Chlebus E.: Techniki komputerowe CAx w inżynierii produkcji, Wydawnictwa Naukowo Techniczne, Warszawa 2000r. [2] Lierath F.:RAPID-TECHNOLOGIEN AUF DEM VORMARSCH-ZU AUSGEWÄHLTEN RAPID PROTOTYPING-, TOOLING- UND MANUFACTURING- VERFAHREN, II Sympozium: Wybrane Problemy Projektowania Procesów Technologicznych, Sopot 18-19 maja 2004r. [3] W. Bauer, R. Knitter: Development of a rapid prototyping process chain for the production of ceramic microcomponents, Journal of materials science 37 (2002), 3127 3140. [4] Materiały firmy 3D System 13