Rapid prototyping rapid tooling [cz. 2] Artur Grochowski W poprzednim numerze przedstawiliœmy ogólne zasady podzia³u metod RP w zale noœci od rodzaju zastosowania modelu, materia³u, z którego jest wykonywany, oraz metody wytwarzania. Dotychczas omówiliœmy metody SL oraz FDM, w tym artykule opiszemy kolejne sposoby uzyskiwania modeli za pomoc¹ metod przyrostowych. Laminated Object Manufakturing (LOM) Zasadê budowy modelu metod¹ LOM przedstawia rysunek 2. W technice tej wykorzystuje siê jeden z najtañszych materia³ów papier. Budowa modelu polega na nak³adaniu na siebie kolejnych warstw papieru powleczonego jednostronnie klejem. Kolejne warstwy s¹ sklejane, a nastêpnie w ka dej wycinany jest w³aœciwy kszta³t modelu, wygenerowany przy u yciu oprogramowania do- ³¹czonego do maszyny. Obecnie na rynku, wœród firm promuj¹cych metodê LOM, najbardziej licz¹ siê Helisys, Kinergy i Kira. Ich rozwi¹zania ró ni¹ siê sposobem nak³adania kolejnych warstw materia³u oraz ciêcia. Na rysunku 2 przedstawiony zosta³ proces budowy modelu, stosowany przez firmê Helisys. Papier przewijany jest miêdzy dwiema rolkami, a czêœæ znajduj¹ca siê nad stolikiem zostaje po³¹czona z wczeœniej u³o onymi warstwami. Potem nastêpuje wycinanie i ustawiana jest kolejna warstwa papieru. Podobnie jak we wczeœniej opisywanych metodach, równie i w LOM informacje o modelu przekazywane s¹ do programu w postaci modelu bry³owego, zaprojektowanego w systemie CAD. Dostarczony model dzielony jest na odpowiednie warstwy i generowane s¹ kody steruj¹ce urz¹dzeniem wykonawczym. Aby u³atwiæ wyodrêbnienie bry³y w³aœciwej po zakoñczonym procesie, nadmiar materia- ³u podzielony zostaje na mniejsze kawa³ki. Proces usuwania zbêdnego materia³u przedstawia rysunek 3. Rozwi¹zania innych firm ró ni¹ siê tym, e stosowany jest papier w postaci arkuszy, a nie rolek, natomiast ciêcie przeprowadza siê no em sterowanym numerycznie, a nie laserem [1, 2, 4]. Producenci urz¹dzeñ LOM zwiêkszaj¹ swoj¹ ofertê, wprowadzaj¹c nowe materia³y. Firma Helisys [4] proponuje ju kompozyty oraz tworzywo sztuczne. Prowadzone s¹ te badania nad ceramik¹ i metalami [1, 2]. Rys. 1. Podzia³ metod przyrostowych RP. Rys. 2. Zasada budowy modelu w metodzie LOM. 37
zastosowano laser CO2 o mocy 50W (na yczenie klienta montowane s¹ te lasery o mocy 100 W), poprawiono parametry uk³adów mechanicznych, uk³ad sterowania (komputer) jest do³¹czany jako oddzielny modu³, dziêki czemu zmniejszy³y siê rozmiary czêœci wykonawczej, zmieniono system operacyjny z Uniksa na Windows NT, poprawiono kontrolê i sterowanie procesem ogrzewania komory roboczej. Rys. 3. W efekcie procesu tworzenia modelu uzyskujemy blok; nadmiar materia³u zostaje pociêty na mniejsze bloczki, by ³atwiej go by³o usun¹æ. Selective Laser Sintering (SLS) Kolejna metoda przyrostowa RP polega na scalaniu warstw proszku przy u yciu lasera CO 2. Obecnie metoda ta zapewnia zastosowanie najszerszego wachlarza materia³ów, z których mo na wytworzyæ model. Maszyny wykorzystuj¹ce tê metodê s¹ produkowane przez dwie firmy: EOS oraz DTM. l DTM Najnowszym urz¹dzeniem firmy DTM jest SINTERSTATION 2500. Wprowadzono w nim wiele zmian: zwiêkszono komorê robocz¹; obecnie ma ona wymiary 380x330x457 mm, Rys. 4. SINTERSTATION 2500 PLUS. Rys. 5. Zasada budowy modelu w metodzie SLS przy u yciu urz¹dzenia firmy DTM. Zasada dzia³ania tego urz¹dzenia zosta³a przedstawiona na rysunku 5, a jego przekrój na rysunku 6. Miêdzy dwoma zasobnikami z materia³em (w postaci proszku) znajduje siê komora, w której budowany jest model. Nanosimy pierwsz¹ warstwê materia³u (t³ok komory roboczej znajduje siê w górnym po³o eniu) i przeprowadzamy lokalne stapianie wi¹zk¹ laserow¹ (rys. 6). Nastêpnie t³ok obni a siê i nastêpuje na³o enie warstwy materia³u, który zostaje wypchniêty przez t³oki z zasobników i równomiernie rozprowadzony wa³kiem. W komorze roboczej panuje temperatura nieco poni ej temperatury topnienia materia³u u ytego do budowy modelu. Wi¹zka lasera podnosi wiêc nieznacznie temperaturê materia³u w punktach stapiania. Takie budowanie modelu nie wymaga generowania dodatkowych elementów podtrzymuj¹cych, w przeciwieñstwie do metod opisanych w poprzednim artykule. Elementem podpieraj¹cym wystaj¹ce czêœci modelu, pochylenia lub powierzchnie zamykaj¹ce jest tutaj materia³, z którego budujemy model, nie poddany procesowi spiekania. Po zakoñczeniu procesu wytwarzania i obni eniu temperatury zarówno modelu, jak i materia³u, mo emy detal oczyœciæ. Jest wówczas gotowy do u ytku bez dodatkowych procesów obróbczych. Ca³ym procesem steruje program zainstalowany w do³¹czanym stanowisku komputerowym. Program ten wymaga dostarczenia modelu bry³owego, wykonanego w systemie CAD, zapisanego z rozszerzeniem STL. Do³¹czone oprogramowanie zapewnia podzielenie modelu na warstwy o gruboœci od 0,05 do 0,3 mm. Metoda DTM umo liwia wykonywanie modeli 38
SandForm ZrII i SandForm Si S¹ to piaski kwarcowe i cyrkonowe, u ywane do budowy piaskowych form oraz rdzeni odlewniczych. Wykonanie formy piaskowej t¹ metod¹ nie wymaga dodatkowych rdzeni i pude³ek odlewniczych. Formy powsta³e z tego materia³u s³u ¹ do wykonania prototypów metalowych i aluminiowych. Rys. 6. Przekrój przez urz¹dzenie firmy DTM. z ró nych materia³ów. DTM Nylony (poliamid) Obecnie w ofercie firmy wystêpuj¹ dwa rodzaje tego tworzywa: DuraForm oraz DuraForm GF (materia³ wype³niany jest w³óknem szklanym). Ze wzglêdu na dobre w³aœciwoœci wytrzyma³oœciowe zarówno mechaniczne, termiczne, jak i chemiczne, powstaj¹ z nich modele funkcjonalne. Wprowadzenie szklanych w³ókien poprawia parametry mechaniczne modelu oraz zapewnia dok³adniejsze wykonanie krawêdzi. DuPont Somos 201 TPE Ze wzglêdu na du ¹ elastycznoœæ jest to materia³ do wykonywania elementów giêtkich. Tworzywo ma du ¹ odpornoœæ termiczn¹ (temperatura topnienia 156?C) i chemiczn¹, charakteryzuje siê te du ¹ stabilnoœci¹. Znajduje zastosowanie przy produkcji prototypów uszczelek wê y i elastycznych przycisków (klawiatur). TrueForm Polimer ten jest u ywany do tworzenia modeli jednorazowego wykorzystania, przy odlewaniu metod¹ elementu traconego. Zastêpuje wosk odlewniczy, zapewniaj¹c wykonanie ostrzej zakoñczonych krawêdzi, czyli dok³adniejsze wytworzenie przedmiotów cienkoœciennych. Cu-PA To proszek poliamidowy?wype³niony miedzi¹. Znajduje zastosowanie przy wytwarzaniu wk³adek do form wtryskowych, s³u ¹cych do odlewania tworzyw termoplastycznych. Charakteryzuje siê odpowiednim przewodnictwem cieplnym, a w³aœciwoœci wytrzyma³oœciowe wyprodukowanej z niego wk³adki zapewniaj¹ wykonanie do kilkuset wtrysków z materia³ów termoplastycznych. RapidSteel 2.0 Proszek Cr-Ni-stal, czyli proszek stalowy, pokryty jest polimerowym tworzywem. W wyniku spiekania w procesie SLS formowana jest wk³adka, któr¹ poddajemy kolejnemu procesowi odparowywania polimeru. Nastêpnie wk³adka nasycana jest br¹zem. Dziêki temu uzyskuje siê bardzo du ¹ wytrzyma³oœci¹ mechaniczn¹, umo liwiaj¹c¹ wykonanie do 100 000 wtrysków z tworzywa sztucznego. Wk³adka mo e równie s³u yæ do wykonania wtrysku z cynku, aluminium lub magnezu (200 500 sztuk). l EOS Podobnie jak dotychczas opisywany DTM, urz¹dzenia firmy EOS umo liwiaj¹ wykonywanie modeli z wielu materia³ów. Producent oferuje trzy typy urz¹dzeñ do budowy czêœci w tworzywie sztucznym, metalu i materia³ach ceramicznych. Ró norodnoœæ materia³u powoduje, e metoda ta mo e byæ wykorzystywana na u ytek wielu dziedzin przemys³u, medycyny, archi- Rys. 8. Model wykonany z DuPont Somos 201 TPE. Rys. 9. Model z TrueForm. Rys. 10. Forma piaskowa oraz odlew wykonany przy jej u yciu. Rys. 7. Zasada budowy modelu w metodzie SLS z zastosowaniem urz¹dzenia firmy EOS. 39
tektury i sztuki. Zasada dzia³ania urz¹dzeñ firmy EOS nieznacznie ró ni siê od wczeœniej opisywanych (rys. 10). Procesy spiekania mo emy przeprowadziæ w 3 typach urz¹dzeñ: Rys. 11. EOsint M 250. EOSINT M 250 Urz¹dzenie przeznaczone jest do budowania modeli z proszku metali. Proces spiekania odbywa siê pod wp³ywem œwiat³a podczerwonego, emitowanego przez laser w komorze roboczej o wymiarach 250x250x150 mm. Podobnie jak firma DTM, EOS oferuje kilka rodzajów proszków metali. Zosta³y one opracowane tak, aby podczas procesu spiekania i ch³odzenia nie wystêpowa³ znaczny skurcz. Ostatnio firma EOS wprowadzi³a w zamian za proszki br¹zo- Rys. 14. Forma piaskowa i detal w niej odlany. niezale nie, co umo liwia zwiêkszenie wydajnoœci urz¹dzenia. Ciekawym rozwi¹zaniem jest równie pneumatyczny system automatycznego nape³niania zasobnika materia³u w postaci proszku. Rys. 12. a) bry³owy model, wygenerowany w systemie CAD, zostaje zaimportowany do oprogramowania steruj¹cego urz¹dzeniem EOSINT 250, b) kolejnym etapem obróbki dostarczonej bry³y jest podzia³ na warstwy, c) gotowe wk³adki do formy, wykonane metod¹ SLS, d) elementy wytworzone metod¹ wtrysku, wykonane w formie z wczeœniej przygotowanymi wk³adkami. wo--niklowe (MCU 2201 i MCU3201) dwa nowe proszki metali: DirectMetal 100-V3 przeznaczony do budowy wk³adek do form wtryskowych dla wyrobów gumowych i kauczukowych, oraz DirectMetal 50-V3 proszek o ma³ym ziarnie (do 50 mm), przeznaczony do wykonywania wk³adek z du ¹ rozdzielczoœci¹. EOSINT P 350 Urz¹dzenie s³u y do budowy modeli o wymiarach 340x340x590 mm w ró nych materia³ów termoplastycznych. Proces przeprowadzany jest w komo e roboczej o podwy szonej temperaturze w otoczeniu gazu szlachetnego. Eosint P 350 zapewnia budowê modelu z wosku odlewniczego oraz tworzywa sztucznego (najczêœciej z polistyrenu lub poliamidu). Czêœci budowane z poliamidu maj¹ doskona³e w³asnoœci mechaniczne, takie jak twardoœæ i wytrzyma³oœæ termiczna, dlatego mog¹ byæ stosowane do prób funkcjonalnych przysz³ego urz¹dzenia. Firma EOS oferuje tak e urz¹dzenia s³u ¹ce do wykonywania modeli metod¹ sterolitografii. Z wyj¹tkiem ostatniego urz¹dzenia EOS zasada budowy modelu w trzech pozosta³ych jest jednakowa (rys. 17) i bardzo zbli ona do oferowanej przez DTM. Ró nica sprowadza siê tylko do sposobu podawania materia³u buduj¹cego materia³ znajduje siê nad powierzchni¹ pracy lasera, a podajnik pe³ni jednoczeœnie rolê wa³ka rozprowadzaj¹cego. Oczywiœcie, zasada budowy jest taka sama jak we wczeœniejszej metodzie materia³ w postaci proszku nak³adany jest Rys. 13. Eosint S 700. EOSINT S 700 Urz¹dzenie Eosint S 700 s³u y do budowy z ceramiki form i rdzeni o wymiarach do 720x380x380 mm. Stosowany materia³ (piasek) nosi handlow¹ nazwê Croning i, podobnie jak w pozosta³ych urz¹dzeniach, stapiany jest na stoliku roboczym wi¹zk¹ lasera. Eosint S 700 u ywa dwóch laserów pracuj¹cych Rys. 15. Eosint P 350. 40
Literatura: 1] Kazimierz E. Oczoœ, Postêp w szybkim kszta³towaniu przyrostowym Rapid Prototyping, Mechanik 4/99, 2] Kazimierz E. Oczoœ, Postêp w szybkim wykonywaniu oprzyrz¹dowania Rapid Prototyping, Mechanik 7/99, 3] www.dtm-corp.com, 4] www.helisys.com. Rys. 16. Model wykonany przy u yciu Eosint P 350 (powy ej: w trakcie oczyszczania, poni ej: gotowy model). w cienkich warstwach na paletê, a nastêpnie przy u yciu lasera selektywnie spiekany. Równie w tym przypadku informacja o bryle jest dostarczana w Rys. 17. Modele wykonane z tworzywa sztucznego (metoda SLS, urz¹dzenie firmy DTM). trójwymiarowym modelu bry³owym, wygenerowanym w systemie CAD, a nastêpnie przetwarzanym przy zastosowaniu oprogramowania EOS na warstwy, z których bêdzie budowany model. W kolejnej czêœci artykulu o RP/RT przedstawimy 3 pozosta³e metody: Laser Cladding, 3D Printing oraz Ink Jet printing, a tak e wspomnimy o metodach rzadziej stosowanych, mniej rozpowszechnionych lub bêd¹cych na etapie badañ. Postaramy siê równie dokonaæ zestawienia opisanych metod. 41