Modu 9: Szybkie Prototypowanie

Mechatronika Modu 9: Szybkie Prototypowanie podr czniki, wiczenia i rozwi zania (pomys ) prof. dr hab. in. Edward Chlebus dr in. Bogdan Dyba a, dr in. Tomasz Boraty ski dr in. Jacek Czajka dr in. Tomasz B dza dr in. Mariusz Frankiewicz mgr in. Tomasz Kurzynowski Politechnicka Wroclawska/ Polska Europejski Projekt transferu innowacji dla dodatkowej kwalifikacji Mechatronika dla specjalistów w zglobalizowanej produkcji przemys owej. UE-Projekt Nr. DE/08/LLP-LdV/TOI/147110 "MINOS + +", okres od 2008 do 2010 r. Ten projekt zosta zrealizowany przy wsparciu finansowym Komisji Europejskiej. Projekt lub publikacja odzwierciedlaj jedynie stanowisko ich autora i Komisja Europejska nie ponosi odpowiedzialno ci za umieszczon w nich zawarto www.minos-mechatronic.eu

Partners for the creation, evaluation and dissemination of the MINOS and the MINOS** project. - Chemnitz University of Technology, Institute for Machine Tools and Production Processes, Germany - np neugebauer und partner OhG, Germany - Henschke Consulting, Germany - Corvinus University of Budapest, Hungary - Wroclaw University of Technology, Poland - IMH, Machine Tool Institute, Spain - Brno University of Technology, Czech Republic - CICmargune, Spain - University of Naples Federico II, Italy - Unis a.s. company, Czech Republic - Blumenbecker Prag s.r.o., Czech Republic - Tower Automotive Sud S.r.l., Italy - Bildungs-Werkstatt Chemnitz ggmbh, Germany - Verbundinitiative Maschinenbau Sachsen VEMAS, Germany - Euroregionala IHK, Poland - Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen - Euroregionale Industrie- und Handelskammer Jelenia Gora, Poland - Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Hungary - Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Hungary - Nationales Institut für berufliche Bildung Budapest, Hungary - Christian Stöhr Unternehmensberatung, Germany - Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Sweden Zawarto Szkolenia Minos: modu y 1 8 (podr czniki, wiczenia i rozwi zania do wicze dla): Podstawy/ Kompetencje mi dzykulturowe, zarz dzenie projektem/ Fluidyka / Nap dy Elektryczne i Sterowanie / Elementy Mechatroniki/ Systemy i Funkcje Mechatroniki/ Logistyka, Teleserwis, Bezpiecze stwo/ Zdalne Zarz dzanie, Diagnostyka Minos **: modu y 9 12 (podr czniki, wiczenia i rozwi zania do wicze dla): Szybkie Prototypowanie / Robotyka/ Migracja/ Interfejsy Wszystkie modu y dost pne s w nast puj cych j zykach: Polski, Angielski, Hiszpa ski, W oski, Czeski, W gierski i Niemiecki W celu uzyskania dodatkowych informacji prosz si skontaktowa z Chemnitz University of Technology Dr.-Ing. Andreas Hirsch Reichenhainer Straße 70, 09107 Chemnitz phone: + 49(0)371 531-23500 fax: + 49(0)371 531-23509 e-mail: minos@mb.tu-chemnitz.de www.tu-chemnitz.de/mb/werkzmasch or www.minos-mechatronic.eu

Mechatronika Modu 9: Szybkie Prototypowanie podr czniki, (pomys ) prof. dr hab. in. Edward Chlebus dr in. Bogdan Dyba a, dr in. Tomasz Boraty ski dr in. Jacek Czajka dr in. Tomasz B dza dr in. Mariusz Frankiewicz mgr in. Tomasz Kurzynowski Politechnicka Wroclawska/ Polska Europejski Projekt transferu innowacji dla dodatkowej kwalifikacji Mechatronika dla specjalistów w zglobalizowanej produkcji przemys owej. UE-Projekt Nr. DE/08/LLP-LdV/TOI/147110 "MINOS + +", okres od 2008 do 2010 r. Ten projekt zosta zrealizowany przy wsparciu finansowym Komisji Europejskiej. Projekt lub publikacja odzwierciedlaj jedynie stanowisko ich autora i Komisja Europejska nie ponosi odpowiedzialno ci za umieszczon w nich zawarto www.minos-mechatronic.eu

1 WPROWADZENIE... 5 2 CAD... 7 3 KOMUNIKACJA CAD RP... 12 3.1 FORMAT STL... 12 3.1.1 Budowa oraz tworzenie plików STL... 13 3.1.2 Orientacja trójkątów... 14 3.1.3 Układ współrzędnych i jednostki w formacie STL... 15 3.1.4 Tworzenie plików STL... 16 3.1.5 Najczęstsze błędy oraz wady formatu STL... 16 3.1.6 Zasady tworzenia plików STL... 21 3.1.7 Generowanie *.stl w różnych programach... 22 4 ZABIEGI PRZED-PROCESOWE W RP... 27 4.1 EDYCJA PLIKÓW STL... 32 4.2 NAPRAWA PLIKÓW STL... 36 4.3 GENEROWANIE SUPORTÓW... 37 5 RAPID PROTOTYPING RP (SZYBKIE PROTOTYPOWANIE) 39 5.1 STEREOLITOGRAFIA (SLA, SL)... 48 5.2 SELEKTYWNE SPIEKANIE LASEREM (SLS/SLM SELECTIVE LASER SINTERING/MELTING)... 51 5.2.1 MCP Realizer II urządzenie firmy MCP HEK... 53 5.2.2 EOSINT M270 urządzenie RP firmy EOS... 54 5.2.3 M3 Linear urządzenie firmy Concept Laser... 55 5.2.4 TrumaForm LF 250 urządzenie firmy TRUMPF... 57 5.2.5 EBM S12 urządzenie firmy ARCAM... 58 5.2.6 Sinterstation HiQ System urządzenie firmy 3D SYSTEMS 59 5.3 LAMINATED OBJET MANUFACTURING (LOM)... 60 5.4 MODELOWANIE WARSTWOWE TOPIONYM MATERIAŁEM (FDM - FUSED DEPOSITION MODELING)... 62 5.5 LASEROWE FORMOWANIE Z PROSZKÓW (LASER POWDER FORMING TECHNOLOGIES)... 63 5.6 INK JET PRINTING... 65 5.7 DRUKOWANIE TRÓJWYMIAROWE (3DP THREE DIMENSIONAL PRINTING) 67 5.8 METODA BEZPOŚREDNIEGO UTWARDZANIA PODŁOŻA (SGC - SOLID GROUND CURING)... 69 6 INŻYNIERIA ODWROTNA... 72 6.1 WPROWADZENIE... 72 3

6.2 ZASTOSOWANIA INŻYNIERII ODWROTNEJ W PRZEMYŚLE... 73 6.3 METODY DIGITALIZACJI... 77 6.3.1 Dotykowe metody digitalizacji... 78 6.3.2 Metody optyczne punktowe... 81 6.3.3 Metody optyczne liniowe... 84 6.3.4 Metody optyczne obszarowe... 85 6.3.5 Skanowanie niszczące... 87 6.4 URZĄDZENIA I OPROGRAMOWANIE... 88 6.5 DIGITALIZACJA GEOMETRII... 90 6.5.1 Etapy digitalizacji... 90 6.5.2 Planowanie procesu digitalizacji... 92 6.5.3 Akwizycja danych... 94 6.5.4 Przetwarzanie danych i budowa modelu CAD... 95 7 LITERATURA... 101 4

1 Wprowadzenie W istniejącym obecnie, wysoce zindustrializowanym świecie nieustająca potrzeba redukowania czasu planowania i konstruowania wyrobów oraz potrzeba zapewniania najwyższej jakości produktowi w chwili wprowadzania go na rynek wymusza rozwój nowych technologii mających na celu zredukowanie czasu wprowadzania nowego wyrobu na rynek (time to market). Nowe technologie dostarczają narzędzi umożliwiających rozszerzenie zagadnienia zapewniania jakości z obszaru wytwarzania na cały cykl rozwoju produktu. Składają się na nie techniki i metody, które pozwalają na redukcje czasu rozwoju produktu, począwszy od etapu formułowania potrzeb, a skończywszy na etapie wprowadzania finalnego wyrobu na rynek. Jednym z podstawowych celów jest minimalizowanie bezproduktywnego czasu z jednoczesnym polepszeniem jakości produktu. Za podstawowy składnik wszystkich tych technik uważa się matematyczny model obiektu (CAD 3D). Model ten jest zbiorem danych, które umożliwiają opisanie, we właściwy sposób, geometrycznych kształtów dowolnego trójwymiarowego obiektu. Podstawowe zasady oraz potencjalne narzędzia znane są od wielu lat, ale z powodu określonych problemów, w szczególności związanych z kosztami, wyspecjalizowanym oprzyrządowaniem oraz kulturą, aplikacje adresowane są przeważnie do odbiorców bardzo bogatych lub o strategicznym znaczeniu. Model matematyczny może być otrzymany na dwa różne sposoby: Bezpośrednio, używając narzędzi komputerowych do trójwymiarowego projektowania (CAD - Computer Aided Design) Poprzez skopiowanie elementu z wykorzystaniem narzędzi, takich jak kamery wideo, systemy reverse engineering, CAT (Computerized Axial Tomography), które są wybierane z zależności od typu elementu, obszaru zastosowań, wymaganej dokładności, itd. Raz otrzymany model może być wykorzystywany do różnych celów, począwszy od archiwizacji po możliwość przeprowadzania testów, ulepszaniu geometrii, wykorzystaniu w aplikacjach multimedialnych, 5

w analizach i testach FEM rzeczywistych procesów produkcyjnych, wykonywaniu prototypów i form z wykorzystaniem technik rapid prototyping i rapid tooling. [61] Technologie te wykorzystując różne materiały, są w stanie wykonać, w docelowym materiale, prototyp lub serie prototypową obiektu w oparciu o jego model numeryczny uzyskany z systemu CAD 3D lub z procesu reverse engineering. Wspólnym mianownikiem tych systemów jest sposób budowy prototypu, który budowany jest z wykorzystaniem procesów "bezubytkowych" dokładając poszczególne warstwy zgodnie z informacjami zapisanymi w pliku STL. RP, który jest narzędziem wizualizacyjnym, pomaga firmom redukować prawdopodobieństwo dostarczenia złego lub złej jakości produktu na rynek. Modele takie posiadają wiele zastosowań. Są doskonałą wizualną pomocą podczas wymiany pomysłów z współpracownikami lub klientami. Dodatkowo mogą być wykorzystywane w fazach testowania. Na przykład, inżynier lotnictwa może wykonać model płatu skrzydła i w tunelu aerodynamicznym zmierzyć siły nośne i oporu. Poza wykonywaniem prototypów, techniki RP mogą być użyte do wykonywania oprzyrządowania (znane jako rapid tooling) a nawet wysokiej jakości produktów (rapid manufacturing). Oczywiście rapid prototyping nie jest doskonały. Objętość wykonywanych elementów jest ograniczona, ich rozmiar zależy od urządzenia. Dla dużych serii produkcyjnych lub prostych obiektów tradycyjne techniki wytwarzania są zazwyczaj bardziej ekonomiczne. Jeżeli pominiemy te ograniczenia, to rapid prototyping jest godną uwagi technologia, która znacząco wspomaga proces wytwarzania. Z biegiem czasu, poszukiwania i rozwój pozwolą na dalszą ewolucję tych systemów, w zakresie wydajności (krótszy czas budowania, mniejsze tolerancje, lepsza jakość powierzchni, zwiększona odporność modeli RP na warunki klimatyczne oraz na czynniki mechaniczne, termiczne i chemiczne). Definitywna akceptacja rynku i późniejszy sukces. tych technologii został stwierdzony, a wynika on z niezahamowanej tendencji do redukowania czasu rozwoju nowych produktów. Był i jest to główny czynnik sukcesu. 6

2 CAD CAD (ang. Computer Aided Design) komputerowo wspomagane projektowanie. Oprogramowanie z tej dziedziny pozwala i jest wykorzystywane do projektowania wymyślonego przez inżyniera detalu czy mechanizmu. Systemy CAD wspierają budowę i projektowanie, są używane do szkicowania i modelowania geometrycznego. Modelowanie geometryczne służy do reprezentacji 3D modelowanych części i złożeń. Reprezentacja złożeń zawiera także opis struktury montażowej, która jest nazywana strukturą produktu. Reprezentacja 3D części i złożeń jest wykorzystywana do tworzenia dokumentacji technicznej np. rysunki, lista części, indeksy materiałowe. Pierwsze, opracowane systemy CAD oferowały funkcjonalność, która pozwalała na tworzenie dokumentacji płaskiej. Z czasem dodano funkcje do generowania modeli 3D. Dostępna była biblioteka prymitywów (stożek, walec, kula i inne.), które można było wykorzystać w tworzeniu modeli 3D. Wychodzono z założenia, że najpierw postaje dokumentacja 2D a na jej podstawie tworzone są modele 3D. Z czasem jednak to podejście zmieniło się z uwagi na dynamiczny rozwój modułów 3D. W końcu narzędzia do projektowania 3D stały się na tyle sprawne i proste w użycie, że projektowanie 3D stało się podstawowym modułem systemu CAD natomiast rysunki 2D traktowano jako dodatek. W końcu stwierdzono, że rysunki 2D to nic innego jak prezentacja modelu 3D w postaci np. rzutów, przekrojów i opracowano specjalne funkcje systemów CAD, które umożliwiają wygenerowanie dokumentacji 2D w sposób prawie automatyczny. Systemy CAD zawierają biblioteki gotowych obiektów (śruby, łożyska, wpusty etc.), które mogą być wykorzystane w pracach projektowych. Konstruktor nie musi więc posługiwać się różnego rodzaju katalogami w poszukiwaniu jakiegoś elementu. Może wyszukać go w bazie oraz dodatkowo pobrać do swojego projektu jego model 3D. Biblioteki części są zwykle otwarte i użytkownicy mogą je wzbogacać o części swojego autorstwa. W takim przypadku stają się one dostępne dla innych osób korzystających w przedsiębiorstwie z systemu CAD i mających dostęp do bibliotek części. Tego typu biblioteki czynią proces projektowania bardziej wydajnym. Modelowanie geometryczne jest techniką, której używamy do opisania kształtów danego obiektu. Systemy CAD pozwalają Definicja 7

usprawnić proces projektowania oraz skracają czas rozwoju produktu. Zastosowanie komputerów oraz programów graficznych wspomaga lub usprawnia prace projektowania produktu od koncepcji do dokumentacji. Praca z systemem CAD to interaktywna sesja z systemem komputerowym, która prowadzi do modelowania części. Na wykonanym modelu można przeprowadzać różne operacje. Nowoczesne systemy CAD umożliwiają modelowanie parametryczne, które bazuje na dwukierunkowym skojarzeniu pomiędzy wymiarami, które mogą być prezentowane zarówno w trybie szkicowania, w trybie 3D lub w trybie rysowania 2D i geometrią 3D i na odwrót. Oznacza to, że na dowolnym etapie projektowania części możemy zmieniać każdy z wprowadzonych wcześniej wymiarów. Przykładem takiego programu jest system SolidWorks czy też CATIA. Systemy te zapisują każdy krok projektowy i całą historię tworzenia modelu prezentują w postaci drzewa. Zmiana parametrów modelu odbywa się poprzez odszukanie operacji w drzewie i edycję jej parametrów. Modyfikować można również szkice na bazie których powstała operacja. Po zapisaniu zmian cały model jest aktualizowany. Aktualizacja modelu może zakończyć się niepowodzeniem ponieważ kolejne operacje mogą bazować na geometrii zmodyfikowanej operacji. W takim przypadku system sygnalizuje, które operacje są problematyczne i wymagają ingerencji ze strony użytkownika. Aktualnie wszystkie szanujące się systemy CAD pozwalają na: tworzenie projektów w trzech wymiarach, tworzenie rysunków złożeniowych z kilku osobnych elementów, sprawdzenie czy do siebie pasują, pracę nad jednym dużym projektem przez wiele osób, automatyczną aktualizację wszystkich rysunków złożeniowych po dokonaniu zmiany na pojedynczym detalu, automatyczne tworzenie listy detali, kosztorysowanie, współpracę z magazynem itd. wizualizacje. 8

Główne funkcje systemów CAD to: geometryczne modelowanie obiektów, tworzenie i edycja dokumentacji konstrukcyjnej, zapisywanie i przechowywanie dokumentacji w postaci elektronicznej, zarówno w postaci plików, jak i baz danych, wymiana danych z innymi systemami, tworzenie trójwymiarowych projektów konstruowanych elementów, tworzenie rysunków złożeniowych z kilku osobnych części, pracę nad jednym projektem przez wiele osób, automatyczną aktualizację wszystkich rysunków złożeniowych po dokonaniu zmiany na jednym z nich, automatyczne kosztorysowanie, współpracę z magazynem itp. Komputerowo wspomagane projektowanie składa się z trzech poziomów: koncepcja, w której przeprowadzana jest analiza, kompilacja wariantów rozwiązań oraz oszacowanie rozwiązania z punktu widzenia ich poprawności, rozwój koncepcji, następuje tu specyfikacja koncepcji rozwiązania, określenie skali projektu, konstrukcja modelu, oszacowanie rozwiązania, szczegół, gdzie następuje reprezentacja indywidualna części oraz oszacowanie rozwiązań. Proces projektowania CAD składa się z 6 faz [44]: rozpoznanie potrzeby, zdefiniowanie problemu, synteza, analiza i optymalizacja, ocena, prezentacja. 9

PROCES PROJEKTOWANIA CAD ROZPOZNANIE POTRZEB ZDEFINIOWANIE PROBLEMU SYNTEZA MODELOWANIE GEOMETRYCZNE ANALIZA OPTYMALIZACJI ANALIZA INŻYNIERSKA OCENA SPRAWDZENIE DOKUMENTACJI I OCENA PREZENTACJA AUTOMATYCZNE RYSOWANIE Rys. 2.1. Proces projektowania z zastosowaniem CAD Korzyści wynikające z wykorzystania systemów CAD: umożliwienie wyznaczania rozwiązania optymalnego, podwyższenie jakości uzyskanego rozwiązania (dokładne modele matematyczne (CAD 3D)), odciążenie projektanta od czasochłonności i często nudnych prac rutynowych (kreślenie, obliczenia), zwiększone możliwości korzystania z istniejących rozwiązań projektowych, dzięki wykorzystaniu komputerowych baz danych istniejących norm i katalogów, możliwość przeprowadzenia symulacji zachowania się projektowanego obiektu w różnych warunkach, jeszcze na etapie projektowania. Korzyści wynikające z wdrożenia systemu CAD są bezsporne i przedsiębiorstwo może w wyniku jego zastosowania wzmocnić swoją pozycję konkurencyjną. Konstrukcyjna pozycja produktu jako całości know-how zakładu jest tylko jednym z ogniw łańcucha działań technicznego przygotowania produkcji. Jeśli nie jest ona optymalnie i interaktywnie powiązana z wszystkimi innymi dziedzinami zaliczanymi do know-how przedsiębiorstwa, to zainstalowanie nawet najlepszego systemu CAD nie przyniesie przedsiębiorstwu, jako całości, żadnych większych korzyści (oprócz 10

zwiększenia komfortu, kultury i skuteczności pracy działu konstrukcyjnego). Rys. 2.2. Modele obiektów w systemie CAD W CAD stosowane są dwa rodzaje modeli geometrycznych: 1. płaskie za pomocą konturu, o graficzny model 2D gdzie pewne układy linii łączą ciąg punktów, model jest tworzony za pomocą elementów takich jak: prosta, łuk, okrąg, parabola itp. o graficzny model 2,5D, czyli modelowanie przedmiotów pryzmatycznych lub obrotowych definiowanych za pomocą elementów płaskich (przez translację lub obrót płaskiego elementu powierzchni wokół osi obrotu, tworzy się model bryłowy przedmiotu). o 2. przestrzenne za pomocą elementów przestrzennych. o modelowanie bryłowe polegające na składaniu rysunku trójwymiarowego z podstawowych brył matematycznych takich jak walec czy torus; o modelowanie powierzchniowe służące do tworzenia obiektów powierzchniowych, które składają się z krawędzi połączonych powierzchniami tzw. fasetami 11

(powstaje siatka wielokątna, której powierzchnie są płaskie); o modelowanie krawędziowe służące do tworzenia obiektów - szkieletów figury przy pomocy elementów liniowych oraz łukowych. Zasadniczo oprogramowanie CAD służy do projektowania konstrukcji i dlatego kojarzone jest przede wszystkim z mechaniką. Poniżej wymienionych jest kilka najpopularniejszych systemów CAD: CATIA Solid Works ProEngineer SolidEdge Unigraphics Inventor AutoCAD Dodatkowe informacje dotyczące poszczególnych systemów znaleźć można na stronach producentów. Systemy CAD są używane ze względu na: Dokładność projektowania, Mniejszy nakład pracy, Możliwość analizy modeli, Wizualizacja, Automatyzacja projektowania, Szybkie wprowadzanie zmian, Łatwość zarządzania projektami, Możliwość integracji z innymi systemami, Inne. 3 Komunikacja CAD RP 3.1 Format STL Idea stworzenia formatu STL (Standard Tringulation Language) zaproponowana została przez firmę 3D Systems, będącą pionierem w dziedzinie StereoLitografii. Na jej zlecenie pierwszą wersję STL stworzyła firma Albert Consulting Group w roku 1987. Format ten 12

szybko stał się podstawowym formatem wymiany danych w procesach Rapid Prototyping. Sukces STL wynikał z jego prostoty, oryginalności oraz wystarczająco dokładnego odwzorowania zaprojektowanego modelu. Głównym zadaniem omawianego formatu jest transfer modeli CAD 3D do urządzeń Rapid Prototyping. Obecnie większość programów CAD/CAM posiada możliwość zapisu modelu w formacie STL, a odczytać go mogą prawie wszystkie systemy Rapid Prototyping. [46] 3.1.1 Budowa oraz tworzenie plików STL STL stanowi listę trójkątnych powierzchni, zwaną inaczej siatką trójkątów, którą definiuje się jako zbiór wierzchołków, krawędzi oraz trójkątów połączonych ze sobą w taki sposób, że każda krawędź oraz każdy wierzchołek są wspólne dla co najmniej dwóch trójkątów przylegających (zasada vertex-to-vertex). Innymi słowy, siatka trójkątów w przybliżeniu przedstawia powierzchnie modelu 3D zapisanego w formacie STL. Odwzorowanie to pomija jednak takie elementy, jak: punkty, linie, krzywe, warstwy oraz kolory. Rys. 3.1. Aproksymacja modelu za pomocą trójkątów Pliki STL zapisywane są z rozszerzeniem *.stl, aczkolwiek część programów dopuszcza także stosowanie innych rozszerzeń. Rozmiar pliku zależy od ilości trójkątów, na jakie zostały podzielone powierzchnie modelu, a co za tym idzie od dokładności z jaką trójkąty odwzorowują geometrię modelu. 13

Rys. 3.2. Różnica w odwzorowaniu geometrii modelu przy różnej ilości trójkątów Zapis modelu 3D w formacie STL odbywa się w wyniku podziału ścian bryły na trójkątne powierzchnie, które opisywane są poprzez zbiór współrzędnych X, Y, Z każdego z wierzchołków oraz przez wektor normalny, skierowany od danej powierzchni na zewnątrz modelu. 3.1.2 Orientacja trójkątów Rys. 3.3. Opis powierzchni trójkątnej. Trójkąty, na które podzielone zostały ściany modelu 3D, stanowią także granicę pomiędzy jego wewnętrzną a zewnętrzną częścią. Ich orientację można określić na dwa sposoby: 1. Na podstawie wektora normalnego, skierowanego do zewnątrz. 2. W przypadku obserwacji modelu od jego zewnętrznej strony kolejność wierzchołków trójkąta jest przeciwna do ruchu 14

wskazówek zegara (obecnie powszechnie stosowana metoda). Rys. 3.4. Orientacja powierzchni trójkątnych Na powyższym rysunku przedstawione zostały dwie trójkątne powierzchnie. Powierzchnia po lewej stronie widziana jest od wewnętrznej strony, na co wskazuje zgodne z ruchem wskazówek zegara ułożenie wierzchołków trójkąta oraz zwrot wektora normalnego. Odwrotna sytuacja jest w przypadku trójkąta po prawej stronie, widzianego od zewnętrznej strony modelu. 3.1.3 Układ współrzędnych i jednostki w formacie STL Jednym z wymogów formatu STL jest to, aby prezentowany model był zlokalizowany w dodatniej części układu współrzędnych. Oznacza to, że żadne współrzędne wierzchołków trójkątów nie mogą być mniejsze lub równe zeru. Przykładem programu, który nie pozwala na wygenerowanie pliku STL w przypadku, gdy współrzędne wierzchołków są ujemne lub równe zero jest AutoCAD. Istnieje jednak wiele programów CAD dopuszczających dowolną lokalizację modelu. Plik zapisany w formacie STL nie zawiera żadnej informacji o wymiarach modelu. Są one przedstawione w dowolnych, nieznanych jednostkach. Dlatego też ważne jest, aby model przed konwersją był w pełni zdefiniowany, ponieważ wiele programów Rapid Prototyping posiada funkcje umożliwiające odtworzenie jednostek na podstawie dołączonych wymiarów. 15

3.1.4 Tworzenie plików STL Aby wygenerowany model 3D zapisać w formacie STL, należy: Wybrać część (części), która ma być poddana konwersji do formatu STL. Ustawić tolerancję parametrów procesu. Wybrać format przechowywania pliku (ASCII lub binarny). Zapisać plik. W przypadku modeli powierzchniowych, zapis pliku w formacie STL jest nieco bardziej skomplikowany, a obejmuje on następujące kroki: Określenie wszystkich przylegających powierzchni. Poddanie każdej powierzchni procesowi podziału na trójkąty. Określenie wektora normalnego, wskazującego zewnętrzną część dla każdej z powierzchni. Zapisanie pliku. Należy pamiętać o tym, aby podczas zapisywania pliku w formacie STL zostały zdefiniowane następujące parametry: Tolerancja podziału na trójkąty, określająca jak gładkie będzie odwzorowanie modelu 3D (wartość domyślna to: 0,0025 lub 0,05mm). Tolerancja przyległości trójkątów (wartość domyślna to: 0,005 lub 0,12mm). Automatyczne generowanie wektorów normalnych (on/off). Wyświetlanie wektorów normalnych (on/off). Wyświetlanie powierzchni trójkątnych (on/off). Informacje dotyczące pliku (on/off). 3.1.5 Najczęstsze błędy oraz wady formatu STL Format STL, tak jak większość formatów CAD/CAM, może zawierać pewne błędy, które często ujemnie wpływają na analizę modelu dokonywaną przez człowieka. 3.1.5.1 Niezgodność z zasadą vertex-to-vertex (wierzchołek do wierzchołka) 16

Zgodność z zasadą vertex-to-vertex to jeden z podstawowych warunków, jakie musi spełniać plik zapisany w formacie STL. Według tej zasady każdy trójkąt musi dzielić dwa wierzchołki z trójkątami do niego przyległymi oraz wierzchołek żadnego z trójkątów nie może leżeć na boku innego. Na kolejnym rysunku przedstawione są dwie figury (kwadraty), które podzielone zostały na trójkąty. Trójkąt 1 figury a, posiada aż cztery punkty wierzchołkowe, podczas gdy tylko trzy z nich są prawdziwe (punkt X nie może być traktowany jako wierzchołek, bo leży na boku trójkąta). Lewy dolny wierzchołek trójkąta 1, nie jest natomiast wspólny z żadnym innym trójkątem omawianej figury. Natomiast, jeśli chodzi o trójkąty 2 i 3 figury, każdy z nich zawiera jeden prawidłowy punkt, wspólny trójkątem 1 oraz jeden nieprawidłowy X nie będący prawdziwym wierzchołkiem trójkąta 1. Rys. 3.5. Zasada vertex-to-vertex Aby zasada vertex-to-vertex została spełniona, trójkąt 1 należy podzielić na dwa trójkąty tak, jak jest to pokazane na figurze b, lub połaczyć trójkąty 2 i 3 tak ja kto jest pokazane na figurze c. 3.1.5.2 Różnorodność (nieszczelność) Wszystkie powierzchnie, jakie zawarte są w pliku STL, powinny tworzyć co najmniej jedną nieróżnorodną jednostkę zgodnie z regułą Euler a dla brył normalnych: gdzie: F liczba powierzchni, E liczba krawędzi, V liczba wierzchołków, B liczba poszczególnych brył. F-E+V=2B 17

Przykładem spełnienia tej reguły może być prezentowany na początku sześcian (Rys. 3.1), dla którego: F = 6, E = 12, V = 8 oraz B = 1, a zatem: 6 12 + 8 = 2 x 1 2 = 2 Jeżeli powyższy warunek nie jest spełniony, wówczas model STL określa się jako nieszczelny. W chwili, gdy nieszczelny plik STL jest poddawany procesowi generowania warstw, zgodnie z przyjętym algorytmem, algorytm ten może nie wykryć błędu i w rezultacie powstają nie zamknięte granice. Jeżeli tak wygenerowany błędnie model zostanie użyty w procesie RP, laser, nóż tnący, bądź jakiekolwiek inne narzędzie, które tworzy poszczególne warstwy modelu po natrafieniu na lukę w powierzchni może potraktować ją jako zamierzoną i model zostanie wykonany niezgodnie z naszymi oczekiwaniami, lub po prostu podczas dalszego procesu model zniekształci się do tego stopnia, że spowoduje blokadę urządzenia. Rys. 3.6. Przykład błędu w plikach *.stl przecinanie się powierzchni (W przypadku modelu, na którym przeprowadzono operacje Boolowskie o zbyt niskiej dokładności, nieszczelność jest bardzo powszechnym błędem. Przejawia się tym, że nie zawsze wyświetlane są prawidłowe elementy geometrii) 18

Rys. 3.7. Przykład błędu w plikach *.stl dziury na granicy powierzchni (Luki jakie powstały na granicy powierzchni mogą być spowodowane wirusami występującymi w oprogramowaniu, źle skonfigurowanym plikiem *.stl) Jednak istnieją programy, takie jak 3D LightYear firmy 3Dsystems, lub Magics, za pomocą których można naprawić błąd poprzez dodanie segmentu, mającego na celu połączenie zerwanych granic. 3.1.5.3 Zdegenerowane powierzchnie Degeneracja powierzchni nie jest tak poważnym błędem, jak te wymienione wyżej. Jednak czasami może spowodować pewne uszkodzenia budowy modelu. Rys. 3.8. Przykład degeneracji powierzchni Powyższy rysunek przedstawia trzy wierzchołki pewnej powierzchni. Istotny jest fakt, że są one współliniowe lub takie się stały. Ich współliniowość wynika z wcześniejszego skrócenia niewspółliniowych współrzędnych podczas importu aplikacji. Mimo, iż degeneracja powierzchni nie jest poważnym błędem, nie należy jej ignorować. Ponieważ: po pierwsze dane dotyczące powierzchni podnoszą rozmiar pliku STL, po drugie powierzchnie zdegenerowane będą wprowadzać w błąd algorytmy analizujące procesy Rapid Prototyping, po trzecie ich edycja będzie znacznie trudniejsza. 19

Degeneracja powierzchni może również prowadzić do kolejnego błędu, jakim są dziury w siatce trójkątów. Problem ten polega na tym, że trójkąty, które w wyniku importu aplikacji do formatu STL stały się liniami, mogą powodować powstawanie dziur w punktach geometrii o dużym zakrzywieniu. 3.1.5.4 Błędy modeli Rys. 3.9. Dziury w siatce trójkątów Ten rodzaj błędów nie wynika z konwersji do formatu STL, lecz z błędów, jakie zaistniały podczas tworzenia modelu. Jeżeli błędnie zamodelowana bryła zapisana zostanie w formacie STL, to wszelkie informacje dotyczące błędów nie zostaną wyświetlone. Istotne jest zatem, aby błędnie zamodelowana bryła została naprawiona jeszcze przed zapisem w formacie STL. W przeciwnym wypadku, mogą pojawić się znaczne niezgodności z procesem Rapid Prototyping, a odnalezienie i naprawienie błędu w modelu, zapisanym w formacie STL, jest zabiegiem niezwykle trudnym i pracochłonnym. 3.1.5.5 Redundancja Jedną z podstawowych wad formatu STL jest jego duża redundancja (nadmiarowość), która wynika z dublowania się wierzchołków oraz krawędzi trójkątów. 20

Rys. 3.10. Redundancja w pliku STL 3.1.6 Zasady tworzenia plików STL Generowanie plików *.stl zazwyczaj jest prostą czynnością. Jednak każdy producent oprogramowania CAD 3D używa innych terminów i parametrów to zapisu formatu *.stl. Jednak nie trzeba znać wszystkich parametrów, aby poprawnie zapisać wygenerowany model w formacie *.stl. Postępowanie zgodne z poniższymi wytycznymi gwarantuje stworzenie prawidłowego pliku *.stl. 1. Typowym przykładem siatki trójkątnej, która zagwarantuje dobrą jakość generowanego pliku *.stl, jest rozmiar od 0,02mm (0,001 ) do 0,05mm (0,002 ). Należy jednak pamiętać o tym, że zmniejszenie tolerancji siatki nie zawsze będzie powodowało wzrost dokładności prototypu. Skomplikowana bryła z dużą ilością krzywizn i zaokrągleń musi mieć większą dokładność niż prosty geometrycznie model. 2. Preferowane jest zapisywanie plików STL w formacie binarnym niż ascii. 3. W przypadku bryłowego modelowania w programie CAD 3D są znacznie mniejsze szanse popełnienia błędu w późniejszym pliku *.stl, niż w przypadku modelowania powierzchniowego, gdzie należy modelować tak, aby wszystkie powierzchnie były ze sobą połączone i nie przecinały się. Wygenerowanie pliku *.stl z błędnego modelu jest możliwe, jednak później wymagać on będzie naprawy. 4. W przypadku modelu powierzchniowego, przed eksportem do formatu STL należy połączyć wszystkie powierzchnie ze sobą tak, aby powstał pojedynczy model. Jeśli powierzchnie 21

są nie ucięte bądź uszkodzone, nadal istnieje możliwość utworzenia pliku STL, ale nie będzie on prawidłowy, a jego naprawa jest wówczas trudniejsza. 5. Minimalny rozmiar(grubość) modelu z którego ma zostać wygenerowany *.stl wynosi 0,02mm. 6. W niektórych programach CAD podczas konwersji modelu do formatu STL mogą pojawiać się ostrzeżenia, że geometria części modelu jest poza dodatnią strefą osi X, Y, Z można te komunikaty zignorować. 7. W przypadku chęci zbudowania prototypu stałego złożenia, należy w programie CAD zrobić takie złożenie i dopiero je zapisać do formatu *.stl. 3.1.7 Generowanie *.stl w różnych programach Generowanie plików *.stl w większości programów polega na wykonaniu tych samych czynności i dostępne jest z polecenia PLIK Zapisz jako... Poszczególne czynności jakie należy wykonać przy eksporcie modelu do formatu *.stl zostało pokazane na dwóch przykładowych systemach CAD, gdzie w SolidWorks, jak w większości programów, zapis dostępny jest przez Zapisz jako..., natomiast w systemie CATIA wykorzystywany jest specjalny moduł. W celu zapisania modelu 3D w formacie STL w programie Solid Works należy: 1. Otworzyć model, który ma zostać poddany eksportowi do formatu STL. 2. Z górnego menu wybrać Plik, a następnie Zapisz jako. 3. W otwartym oknie dialogowym należy: wskazać katalog docelowy, nazwę modelu, a także wybrać rodzaj formatu, czyli: STL (*.stl). 4. Kolejnym krokiem jest zdefiniowanie parametrów pliku, a zatem należy w tym samym oknie dialogowym kliknąć Opcje... W efekcie zostanie otwarte kolejne okno o nazwie: Opcje eksportu (Rys. 3.11) 22