Rp Technologies

NOVE TEHNOLOGIJE BRZE IZRADE PROTOTIPOVA PROIZVODA (RAPID PROTOTYPING) Gordana Jakovljević

Rad sadrži teorijsku analizu Rapid Prototyping (RP) postupaka izrade, sistematizaciju materijala koji se koriste, klasifikaciju mašina, analizu primene CAD projektovanja u funkciji RP postupaka i primene RP u oblastima livenja metala, izrade alata i medicini. Rad sadrži sledeće celine: 1. Uvodna razmatranja, 2. Istorijski razvoj RP tehnologija, 3. Pregled i teorijska analiza RP postupaka izrade, 4. Materijali koji se primenjuju u RP tehnologijama, 5. CAD i interfejs u funkciji RP postupaka, 6. RP mašine i njihova osnovna oprema, 7. Primena RP u livenju metala, izradi alata i medicini, 8. Zaključci, 9. Literatura.

1

1. UVOD Vladati novim tehnologijama brze izrade prototipova proizvoda RP ("Rapid prototyping") i alata RT ("Rapid tooling") od vitalnog je značaja za bilo koje preduzeće u trci za osvajanjem novih proizvoda i tržišta. Tokom protekle decenije, nove metode i sredstva doprineli su pojednostavljivanju i ubrzavanju procesa izrade proizvoda. Ove metode dobijaju sve veći značaj, nakon razvoja i primene "Layered manufacturing" odnosno "izrade delova pomoću slojeva", ili "Solid free form fabrication" (SFF), odnosno "izrada delova slobodnim formiranjem bez korišćenja alata i pribora". Iako je većina, do sada proizvedenih delova ovim tehnologijama, korišćena samo u svrhe modeliranja, podaci iz 1996. godine govore da je u ove tehnologije uloženo par milijardi dolara širom sveta. Razvoj i komercijalizacija SFF tehnologije počeo je pre desetak godina u SAD- u (Kompanija 3D Systems), da bi se napori na tom polju preneli u Evropu i Japan. Glavna istraživanja usmerena su na direktnu izradu proizvoda od materijala kao što su metali, keramički i plastični materijali, svojstava sličnih svojstvima materijala za konvencionalnu izradu istih proizvoda. Osim toga SFF tehnologija poseduje potencijal za izradu objekata najkompleksnijih oblika, korišćenjem raznovrsnih materijala što je ranije bilo nemoguće. Predstavljanje novih proizvoda u sve većim količinama i raznovrsnijim oblicima od ključnog je značaja za uspešan opstanak preduzeća na konkurentnom tržištu; smanjenje vremena potrebnog za razvoj proizvoda i povećanje njegove složenosti, zahteva nova rešenja za realizaciju inovativnih ideja. Kao odgovor na ove izazove, poslednjih godina razvija se širok spektar tehnologija za razvoj novih proizvoda. Na ovaj način omogućuje se zadovoljenje zahteva tržišta da se proizvede proizvod u što kraćem vremenu ("time to market") sa što manjim troškovima, a najvećeg kvaliteta. RP i RT tehnologije odnose se na izradu fizičkog modela budućeg proizvoda u fazi razvoja i osvajanja nekog proizvoda ili alata, na osnovu čega se vrše neophodna ispitivanja, provere, optimizacije, eventualne korekcije, marketiška prezentacija i donošenje konačne odluke o razvoju proizvoda i njegovoj proizvodnji, kao i proizvodnja nekih proizvoda u manjim serijama. Ovim postupcima se omogućava brza i efikasna izrada veoma kompleksnih fizičkih modela proizvoda, kraće a efikasnije od klasičnih načina izrade, u svim fazama - od nastajanja ideje i razvoja, projektovanja i izrade gotovog prototipa proizvoda. Na izbor RP i RT tehnologije kod ulaska u razvoj i osvajanje novog ili poboljšanje postojećeg proizvoda, dominantno utiču tri najuticajnija faktora: kvalitet, troškovi i vreme, kao što je prikazano na slici 1. 2

Najkra}e vreme izrade

Korisnik alata (proizvoda)

Povoljna cena

Vrhunski kvalitet

Slika 1. Trougao: kvalitet - troškovi - vreme kao pokazatelj uspešnosti primene RP i RT tehnologije Uticaj i značaj ovih faktora određuje cenu proizvoda, a zadatak je da se u fazi razvoja proizvoda od ideje do početka proizvodne serije, za svaki proizvod nađe optimalna kombinacija ovih faktora. U trouglu kvalitet - troškovi - vreme, prikazan je uticaj RP i RT tehnologije na skraćenje vremena izrade, uz zadržavanje povoljne cene i kvaliteta. Ključna ideja ovih tehnologija zasniva se na građenju proizvoda uz kompjutersku podršku, direktno iz kreiranog 3D crteža proizvoda; zatim dekompoziciji tog crteža na tanke, slojeve (lamele); i generisanju toga proizvoda, uz pomoć STL datoteke (stereolithography file). Na odgovarajućoj mašini vrši se nanošenje materijala u tankim slojevima bez korišćenja alata i pribora, što, s druge strane, ne zahteva (ili zahteva minimalno) angažovanje radnika. SFF tehnologija se može brzo i automatizovano realizovati, nezavisno od oblika dela, iz više razloga: (1) (2) (3)

razlaganja oblika kompleksne 3D geometrije u jednostavan 2§D prikaz; ne zahteva uobičajeno postavljanje i stezanje predmeta steznim alatima; mašine, na kojima se realizuje ova izrada, imaju relativno jednostavno upravljanje i rukovanje.

U tabelama 1 i 2 prikazane su organizacije u Evropi i Japanu koje se bave istraživanjem, razvojem i realizacijom RP tehnologija, korisnici i proizvođači opreme .

[1]

3

Tabela 1: Organizacije, korisnici i proizvođači opreme u Evropi Organizacije za istraživanje, razvoj i realizaciju Catholic University of Leuven (KU Leuven), Belgium Fraunhofer Institute for Applied Materials Research (IFAM), Bremen, Germany Fraunhofer Institute for Production Technology (IPT), Aachen, Germany Fraunhofer Institute for Manufacturing Engineering and Automation (IPA), Stuttgart, Germany Institute for Polymer Testing and Polymer Science (IKP), University of Stuttgart, Stuttgart, Germany Bavarian Laser Center (University of Erlangen), Erlangen, Germany Fraunhofer Institute for Chemical Technology (ICT), Pfinztal (Berghausen), Germany Korisnici Daimler Benz, Sindelfingen, Germany Proizvođači SFF opreme Fockele and Schwarze, Borchen Alfen, Germany Cubital, Bad Kreuznach, Germany Laser 3D/Dassault Aviation, Nancy, France Electro Optical Systems GmbH, Münich, Germany

Tabela 2: Organizacije, korisnici i proizvođači opreme u Japanu Organizacije za istraživanje, razvoj i realizaciju Hokkaido University (meetings took place in Tokyo) Osaka Sangyo University, Osaka Tokyo Metropolitan Institute of Technology, Tokyo University of Tokyo, Tokyo Korisnici Japan Aviation Electronics, Tokyo Kyoden, Tokyo Nakamura Pattern Making Co., Aichi Olympus Optical Co., Yamanashi Tokuda Industries, Kakamingahara City Hino Motors, Tokyo Toyota Motor Corporation, Nagoya Servisni biroi INCS, Kanagawa Shonan Design Co., Tokyo Proizvođači SFF opreme CMET/Asahi Denka, Nagoya Denken Engineering Co., Oita D-MEC Ltd., Tokyo Kira Corp., Kira

4

Meiko Co., Yamanashi Omron, Kyoto Teijin Seiki, Tokyo Vladine Organizacije IMS Promotion Center, Tokyo MITI, Tokyo

U okviru uvoda predstavljen je značaj primene novih tehnologija izrade prototipova proizvoda. Ovim radom je u drugom poglavlju obuhvaćen istorijski razvoj tehnologija izrade delova pomoću slojeva, čiji koreni leže u najmanje dve tehničke oblasti: topografiji i fotoskulpturi, prve razvijene SFF tehnike (počev od 1968. godine), kao i RP patenti, realizovani između 1979. i 1992. godine. Treće poglavlje obuhvata opis RP tehnologija koje se primenjuju u svetu; najpre su predstavljene zajedničke pretpostavke i osnovna metodologija istih, a potom izvršena njihova klasifikacija, pre svega u zavisnosti od primenjenih materijala i mehanizama stvaranja slojeva: – SLA postupak (stereolitografija), – SLS postupak (selektivno lasersko sinterovanje), – LOM postupak (laminacija), – FDM postupak (ekstrudiranje), – Ink - Jet Printing, – Odnošenje materijala laserom, – Kombinovani procesi dodavanja i odnošenja materijala. U okviru četvrtog poglavlja predstavljeni su materijali koji se koriste u ovim tehnologijama: plastični materijali, smole, termoplasti, papir, keramički materijali i metali. Peto poglavlje odnosi se na CAD i interfejs, i njihovo mesto i značaj u okviru RP postupaka; analizirane su najčešće greške koje nastaju pri projektovanju geometrijskog modela željenog proizvoda i predstavljeni postupci za njihovo prevazilaženje ili otklanjanje; izvršena je kategorizacija RP softvera i karakteristike paketa. Šestim poglavljem obrađene su RP mašine. Najpre je izvršena njihova klasifikacija u zavisnosti od operacija koje mašine izvršavaju; u okviru svake klasifikacije izvršena je analiza karakterističnih elemenata opreme koji doprinose tačnosti izrade. Poglavlje sadrži i prikaz mašina. Sedmo poglavlje odnosi se na primenu RP u livenju metala. Poglavlje sadrži detaljan opis postupka injekcionog livenja, kao i ostale primene RP u drugim postupcima livenja metala. U okviru osmog poglavlja, predstavljena je primena RP u brzoj izradi alata RT (Rapid Tooling). Opisani su postupci direktne izrade alata SLA, SLS i LOM tehnologijom (kao najčešće korišćenih), kao i tehnike koje se primenjuju u cilju produženja veka eksploatacije i kvaliteta površina alata dobijenih ovim postupkom. Opisani su postupci inverzne izrade alata korišćenjem modela dobijenih nekim RP postupkom veće tačnosti u cilju izrade alata od materijala 5

jačih fizičkih svojstava, iz kojih se može proizvesti znatno veći broj delova nego što to mogu alati izrađeni direktnom primenom RP. Takođe su opisani alati koji se izrađuju kombinovanjem 3D zavarivanja i CNC obrade. Ovim radom je, u devetom poglavlju, istaknuta primena RP u medicini, pre svega u sve prisutnijoj telemedicini, CAS- u (kompjuterski asistiranoj hirurgiji) i izradi RP modela organa za dijagnostikovanje, planiranje hirurških intervencija i, u skorije vreme, sa razvojem biokompatibilnih materijala, sve više i izradi individualnih protetičkih sredstava za hiruršku implantologiju. Na kraju rada dat je zaključak i pregled korišćenja literature.

2. ISTORIJSKI RAZVOJ SFF TEHNOLOGIJE Koreni tehnologije brze izrade proizvoda nalaze se u najmanje dve tehničke oblasti: topografiji i fotoskulpturi. * 1982. godine, Blanther je predložio metod slojeva za izradu kalupa za topografske reljefne mape. Metod se sastoji od utiskivanja topografskih konturnih linija na serijama voštanih ploča, isecanju voštanih ploča po konturama, a zatim postavljanju i glačanju voštanih isečaka. Ovaj metod stvara obe, pozitivne i negativne 3D - površine, koje predstavljaju teren indikovan konturnim linijama. Štamparski papir se pritisne između pozitivne i negativne forme i stvara reljefnu mapu. Perera (1940.), Zang (1964.) i Gaskin (1973.) postepeno su usavršavali ovaj metod. * Godine 1972., Matsubara iz "Mitsubishi Motors"- a predložio je topografski postupak u kome se koriste foto-otvrdnjavajući materijali. U ovom postupku površina fotopolimerne smole je pokrivena česticama materijala otpornih na toplotu (grafitni prah ili pesak), koji se zatim tanji u sloj, i zagreva tako, da se formira koherentna površina. Svetlost (najčešće potiče od lampe sa živinom parom) selektivno se projektuje ili skenira na ovu površinu da bi određeni deo nje očvrsnuo. Nezagrejani, neočvrsli materijal se odstranjuje sa dela rastvaračem. Tanki slojevi formirani na ovaj način se, zatim, koriste za izradu dela, odnosno proizvoda. * Di Matteo je, 1974., zaključio da može koristiti ovu tehniku za izradu površina koje se teško izrađuju standardnim mašinskim operacijama (propeleri, aeroprofili, kalupi za udarne prese, i sl.). Konturne metalne slojeve, formirane glodanjem, međusobno je, u slojevima, spajao adhezijom, metalnim klinovima ili tankim štapovima. * Profesor Nakagawa sa Tokijskog univerziteta započeo je, 1979. godine, da koristi tehnike slojeva za izradu složenih alata, kao što su alati za livenje čelika, alati za presovanje (Kunieda i Nakagawa, 1984.) i alate za injekciono 6

livenje (Nakagawa, Kunieda i Liu, 1985.). Kao posebnu napomenu, Nakagawa je skrenuo pažnju na problem izrade kompleksnih kanala za hlađenje u kalupima. * Fotoskulptura potiče iz pokušaja da se, u 19. veku, kreira tačna 3D reprodukcija objekata, uključujući i ljudska obličja, na osnovu njihovih silueta (senki). Uspešnu realizaciju ovih tehnologija izveo je francuz Francois Willème, 1860. godine. Njegov metod se zasniva na tome da se subjekat ili objekat smešta u središte obrtnog prostora i uzastopno fotografiše sa 24 kamere, ravnomerno raspoređene oko središta te prostorije. Siluetu svake fotografije, potom, koristi zanatlija u Willème- ovom studiju, urezujući je u materijal, koji predstavlja 24- ti deo cilindra, izrezan po izvodnici), stvarajući tako repliku subjekta ili objekta (fotoskulpturu). U tom studiju je tom tehnikom, krajem 1860. godine izrađena fotoskulptura admirala Farragut- a. * U pokušaju da izbegne izražene oštre prelaze između izrezanih delova cilindara koji kada se spoje po redosledu, formiraju Willème- ovu fotoskulpturu, Baese (1904.) opisuje tehniku korišćenja svetlosti podesive jačine kojom se osvetljava fotosenzitivni gel, koji se širi, proporcionalno izloženosti svetlu, kada se tretira vodom. Prstenasti krugovi tretiranog gela se zatim fiksiraju na fotoskulpturu da bi se objekat što vernije i tačnije replicirao. Slične tehnike je razvio Monteah (1924.). * U nekim od najranijih radova u Japanu, Morioka (1935., 1944.), razvio je hibridni metod kombinujući aspekte fotoskulpture i topografije. Ovaj metod koristi strukturnu svetlost (od crne do bele granične oblasti svetla) za topografsko kreiranje konturnih linija objekta. Linije zatim mogu biti razvijane u slojeve, isecane i pripajane, ili, pak, projektovane na sirov materijal za rezanje. * Godine 1951., Munz je predložio postupak koji ima karakteristike današnjih tehnika stereolitografije. Ovaj postupak se zasniva na selektivnom izlaganju providne foto-emulzije u vidu slojeva, gde svaki sloj potiče od horizontalnog preseka skeniranog objekta. Ti se slojevi stvaraju spuštanjem klipa u cilindru i dodavanjem odgovarajuće količine foto-emulzije i fiksirajućeg sredstva. Posle izlaganja i fiksiranja, stvoreni providni čvrsti cilindar sadrži izgled objekta. Nakon toga, ovaj objekat se može ručno rezati ili vršiti fotohemijsko nagrizanje do formiranja 3D objekta (slika 2).

7

Slika 2. Munz- ov postupak reprodukcije 3D izgleda objekta

* 1968., Swainson je predložio postupak direktne izrade plastičnog predmeta selektivnom 3D-polimerizacijom fotoosetljivog polimera, u preseku dva laserska snopa. Uporedni rad je vođen u Battelle Laboratoriji (Schwerzel). Bitne odlike ovog postupka, nazvanog fotohemijska obrada, izložene su na slici 3. Predmet se formira ili stvaranjem fotohemijskih unakrsnih veza između makromolekula u polimeru ili razgradnjom polimera simultanim izlaganjem presečenim laserskim snopovima. Iako je laboratorijski hardver konstruisan za ovaj postupak, komercijalna vrednost ovog postupak, ipak, nije postignuta.

Slika 3. Postupak izrade fotoskulpture korišćenjem presečenih laserskih snopova, Swainson

8

* Postupak sa praškastim materijalom, koji ima više sličnosti sa laserskim tehnikama valjanja površina nego sa fotoskulpturom, predložio je Ciraud (1972.). To je postupak izrade predmeta različitim materijalima koji su, najmanje, delimično topljivi. Da bi se izradio predmet, delići se ugrađuju u kalup pod dejstvom gravitacije, magnetostatike ili elektrostatike, ili pomoću mlaznika (brizgaljke) postavljene u blizini kalupa. Delići se zatim lokalno zagrevaju laserom, elektronskim snopom ili snopom plazme. Kao posledica zagrevanja, delići se međusobno pripajaju i formiraju kontinualan sloj. Kako slika 4 pokazuje, može se koristiti više od jednog laserskog snopa da bi se povećala jačina veza između spojenih delića.

Slika 4. Laserski postupak sa prahovima, koji je predložio Ciraud * Hideo Kodama iz Instituta za Industrijsko Istraživanje u Nagoji je bio prvi koji je publikovao funkcionalnu tehniku brze izrade prototipova korišćenjem fotopolimera (1981.). Njegovom metodom, predmet se proizvodi iz slojeva, gde izložena područja odgovaraju horizontalnim presecima modela. Proučavao je tri različite metode za postizanje ove tehnike: a. Korišćenje zaštitne maske za kontrolu UV zračenja i uranjanje predmeta nadole u rezervoar sa tečnim fotopolimerom da bi se izradio novi sloj. b. Korišćenje zaštitne maske kao pod (a.), ali postavljanjem maske i izvora zračenja ispod rezervoara, i podizanjem predmeta nagore da bi se formirali novi slojevi. c. Uranjanje predmeta kao pod (a.), ali korišćenjem x-y plotera i optičkog vlakna za izlaganje novog sloja.

9

Slika 5. Šematski prikaz tri sistema sa fotopolimerima, koji je proučavao Kodama * Drugi, paralelan ali nezavisan rad vodio je Herbert iz 3M Korporacije (1982.). On je opisao uređaj koji usmerava UV- laserski snop na površinu fotopolimera posredstvom sistema ogledala na x-y ploteru. U njegovoj eksperimentalnoj tehnici, kompjuter se koristi za upravljanje laserskim snopom koji prelazi preko sloja. Sud sa fotopolimerom je tada spušten (č 1mm) i tečni fotopolimer je pri tome dodat da bi se formirao novi sloj.

Slika 6. Herbert- ov fotopolimerni postupak U okviru razvoja SFF tehnologije realizovan je veći broj patenata (tab. 3).

10

Tabela 3: RP patenti IME Housholder

NASLOV Proces izrade kalupa

Murutani Masters

Metod optičke izrade kalupa Proizvodni procesi i sistemi upravljani računarom Uređaj za izradu modela industrijskih proizvoda Uređaj za izradu 3D objekta stereolitografijom Uređaj za izradu 3D mapa i modela

André et al. Hull Pomerantz et al. Feygin

Arcella et al.

Uređaj i metod izrade celovitih objekata laminacijom Metod i uređaj za proizvodnju delova selektivnim sinterovanjem Metod i uređaj za proizvodnju 3D objekata fotoočvršćavanjem; zračenje neočvrslog fotopolimera Oblici odlivaka

Crump

Uređaj i metod za stvaranje 3D objekata

Helinski

Metod i sredstva za konstruisanje 3D proizvoda nanošenjem delića 3D, kompjuterom kontrolisano selektivno nanošenje gasovitih materijala 3D Printing

Deckard Fudim

Marcus Sachs et al. Levent et al. Penn

Metod i uređaj za proizvodnju 3D proizvoda termičkim nanošenjem spreja Sistem, metod i proces izrade 3D objekata

PREDAT Decemba r 1979 Maj 1984 Jul 1984

DR@AVA U.S. Japan U.S.

Jul 1984

Francuska

Avgust 1984 Jun 1986

U.S. Izrael

Jun 1986

U.S.

Octobar 1986 Februar 1987

U.S.

Mart 1987 Octobar 1989 Novemba r 1989 Decemba r 1989

U.S.

Decemba r 1989 Decemba r 1990 Jun 1992

U.S.

U.S.

U.S. U.S. U.S.

U.S. U.S.

11

3. RP TEHNOLOGIJE 3.1. OSNOVNE PRETPOSTAVKE Cilj RP tehnologije je da omogući brzu izradu trodimenzionalnih delova kompleksnog oblika direktno iz CAD modela. Tekući SFF sistemi zasnovani su na paradigmi izrade delova pomoću slojeva. Po ovoj metodi, 3D- CAD crtež proizvoda se, najpre, razlaže na horizontalne slojeve (slika 7). Zatim se generišu trajektorije za vođenje procesa dodavanja materijala, što predstavlja faze predprocesiranja, da bi se svi ti slojevi, sukcesivno izradili SFF mašinom. 3D izgled proizvoda

* izrada slojeva Proces dodavanja * projektovanje trajektorija materijala

Podaci o izmeni formata

CAD

Putanje za kontrolu kretanja

Predprocesiranje Automatizovana proizvodna ma{ina

Slika 7. SFF proizvodnja zasnovana na paradigmi izrade putem slojeva Potporni materijal u vidu slojeva se, takođe, nanosi istovremeno sa osnovnim materijalom u cilju oslanjanja predmeta. Na primer, oblici se prvo razlažu u 2D slojeve, koji predstavljaju poprečne preseke predmeta. Svaki sloj je jednake (uniformne) debljine. Svaki fizički naneti sloj, sastoji se od sloja osnovnog materijala od koga se formira predmet, i sloja potpornog materijala komplementarnog oblika, koji se deponuju na predhodni sloj, korišćenjem jedne od nekoliko raspoloživih tehnika nanošenja i fuzije (stapanja). Potporni materijal se, po izradi objekta, uklanja kao suvišan (slika 8.a.). Potporni materijal ima nekoliko važnih uloga: prvo, on pridržava deo analogno njegovom oslanjanju pri izradi standardnim tehnologijama; drugo, služi kao sredstvo za izradu udubljenja u delu (slika 8.a.), i, treće, on služi kao oslonac iznad kojih "nepovezani" elementi osnovnog materijala, kao i njegovi "prepusti" mogu biti naneti. Ovakvi elementi dela zahtevaju ovu potporu s 12

obzirom da nisu povezani sa osnovnim materijalom u toku nanošenja konkretnih slojeva.

Potporni materijal “nepovezani” element

Osnovni materijal “prepust” Formiranje udubljenja

a) Komplementarna potpora

b) potporna struktura (izra| ena u CA D- u)

Slika 8. Oslanjanje predmeta Tehnike sa tečnim materijalima (a ponekad i druge zavisno od konfiguracije dela) koriste potporne strukture samo kada se to zahteva, za "nepovezane" elemente i izražene "prepuste" na delu, a uvek na onim površinama dela sa kojima treba da se ostvari veza sa pokretnim radnim delovima. Uz dobar izbor polimera, ova potporna struktura, formirana ili od istog materijala kao i deo, ili od posebnog materijala za lako uklanjanje u procesu očvršćavanja sloja lako se mehanički odvaja od dela, jer je najčešće u polučvrstom stanju. Potporna struktura, npr., može biti naneta kao tanka, šupljikava struktura (slika 8.b.). Ovakva vrsta potporne strukture mora se brižljivo isplanirati, zavisno od orijentacije i konfiguracije dela. Takođe se ona mora uzeti u obzir u fazi izrade CAD modela predmeta koji se izrađuje (na slici 8 se takođe vidi da su površine "stepenastog" izgleda jer se formiraju nanošenjem sloja na sloj). U tabeli 4 prikazane su najpoznatije kompanije u SAD- u, Evropi i Japanu, koje se bave RP tehnologijama.

13

Tabela 4: Proizvođač 3D Systems Helisys Stratasys DTM Sanders Prototype Soligen

Ime procesa Stereolithography Apparatus (SLA) Laminated Object Manufacturing (LOM) Fused Deposition Modeling (FDM) Selective Laser Sintering (SLS)

3D Systems

Model Maker Direct Shell Production Casting (DSPC) Ballistic Particle Manufacturing (BPM) Multi-Jet Modeling

EOS (Germany)

STEREOS

EOS (Germany)

EOSINT

Cubital (Germany/Israel) Fockele&Schwarze (Germany)

Solid Ground Curing (SGC) LMS

CMET (NTT Data Communications)

Solid Object Ultraviolet Plotter (SOUP) Sony's Solid Creation System (SCS) Solid Center

BPM

D-MEC (JSR/Sony) Kira Corp. Teijin Seiki Denken Engineering Meiko Corp.

Solid Forming System (Soliform) Solid Laser Plotter (SLP) Meiko

Tip procesa SAD laserska fotolitografija laminacija, lasersko sečenje istiskivanje laserska fuzija sa prahom brizganje 3D printing veziva u prahove

Materijali akrilati, epoksi materijali papir, odlivci u tabli ABS, vosak, sintetika, meki liv sintetika, vosak polikarbonati, metal obložen polimerom plastika niske tačke topljenja keramika

brizganje

plastika niske tačke topljenja

brizganje rastopa Europe laserska fotolitografija laserska fuzija sa prahom

vosak

fotomaskiranje laserska fotolitografija Japan laserska fotolitografija

akrilati, epoksi materijali poliamid, polistiren, metalne legure, pesak obložen smolom akrilati, vosak

epoksi materijali

laserska fotolitografija

uretan akrilati

laminacija, sečenje nožem laserska fotolitografija laserska fotolitografija laserska fotolitografija

papir uretan akrilati, smole sa staklom akrilati akrilati

14

Mitsui Zosen

COLAMM

Ushio, Inc.

Uni-Rapid

laserska fotolitografija laserska fotolitografija

Građenje objekata u vidu slojeva postavljanjem kamenih blokova nije nova ideja; zapravo, seže iz vremena starog Egipta i gradnje piramida (slika 9). Ta ideja predstavlja osnovu svih automatizovanih tehnologija izrade proizvoda pomoću slojeva.

Slika 9. Gradnja piramida iz velikog broja slojeva Praktična primena izrade proizvoda pomoću slojeva za moderne proizvodne potrebe, omogućena je razvojem većeg broja tehnologija, u koje se ubrajaju: CAD izrada geometrijskog modela proizvoda, laseri, ink - jet printeri (štampači) i kontroleri kretanja visokih performansi, integrisani sa tradicionalnim proizvodnim postupcima kao što su: metalurgija praha, istiskivanje (ekstrudiranje), zavarivanje, CNC obrada, litografija, kako je ilustrovano na slici 10. M ogu}e komponentske tehnologije

Tradicionalne tehnologije * * * * *

metalurgija praha zavarivanje istiskivanje CNC obrada litografija

* laseri * ink - jet {tampa~i * kontroleri kretanja

CA D * izrada geometrijskog modela proizvoda

Slika 10. SFF integrisane tehnologije Osnovna metodologija svih RP tehnologija može se sumirati na sledeći način: 1. CAD - geometrijski model je konstruisan, zatim konvertovan u STL format. Rezolucija se može tako podesiti da se stepenasti koraci na površini izgrađenog dela svedu na minimum. 2. RP mašina prosleđuje STL datoteku kreirajući slojeve modela. 15

3. Nakon formiranja prvog sloja proizvoda vrši se njegovo spuštanje za debljinu narednog sloja, i postupak se ponavlja do kompletne izrade proizvoda. 4. Svi potporni delovi se uklanjaju. Površine proizvoda su završene i očišćene.

3.2. SLA POSTUPAK - FOTOLITOGRAFIJA (STEREOLITHOGRAPHY APPARATUS) Fotolitografski SFF postupci su zasnovani na korišćenju svetla za selektivno otvrdnjavanje fotoočvršćavajućih smola. Postoje dva osnovna prilaza: fotolitografija i fotomasking. Najbitnije karakteristike tehnike fotolitografije: To je prva tehnologija brze izrade prototipova, i još uvek najčešće korišćena, koju je razvila kompanija 3D Systems iz Valensije, Kalifornija, SAD, 1986. godine pod nazivom stereolitografija (Stereolithography Apparatus - SLA tehnologija); Nije skupa u poređenju sa drugim tehnikama; Koristi tečni polimer osetljiv na svetlost; Zahteva naknadno otvrdnjavanje jer laser nema dovoljnu snagu za kompletno otvrdnjavanje; Dugotrajno otvrdnjavanje može dovesti do deformisanja (uvijanja) dela; Površine su dosta krte i imaju izgled sitnih "stepenica", zbog čega se mogu naknadno peskariti; U zavisnosti od debljine nanetih slojeva (koraka), preciznost po z- osi može biti različita; Potporne strukture se, u principu, zahtevaju. Postupak je jednostavan; Neočvrsli materijal može biti toksičan, pa je neophodna ventilacija; U cilju poboljšanja estetskog izgleda, deo se može naknadno farbati. U smeravanje snopa (galvo - ogledala) M ehanizam za nano{enje sloja te~nog polimera

platforma (lift)

Fotootvrdnjavaju}a smola

16

Slika 11. Laserska fotolitografija Laserska fotolitografija (slika 11) stvara delove od akrilne ili epoksi-smole direktno iz suda sa tečnim, fotootvrdnjavajućim polimerom selektivnim očvršćavanjem polimera pomoću skeniranog (usmerenog) laserskog snopa. Proizvodi se grade na platformi, koja se pomera po vertikalnoj osi. Pod dejstvom fokusiranog laserskog snopa (koji se vodi preko površine tečnog polimera, npr. uz pomoć servo-kontrolisanih galvo-ogledala), dolazi do očvršćavanja jednog sloja izloženog snopom. Nakon izrade jednog sloja, platforma se pomera u tečnom polimeru za jedan korak po visini (0,1÷0,25 mm). Ovaj korak, ujedno, definiše rezoluciju tačnosti izrade 3D dela po visini (zosi). Zatim se proces ponavlja, formira novi sloj i spaja sa prethodnim slojem, sve do konačne izrade dela. S obzirom na to da su fotopolimeri relativno viskozni, pri spuštanju platforme (tj. dela) u sudu sa polimerom za dati korak, proces tečenja polimera preko gornje površine očvrslog sloja, odvija se sporo. Osim toga, temperatura izrađenog sloja veća je od temperature neočvrslog polimera, što naknadno otežava proces. Iz tog razloga se primenjuje mehanizam za nanošenje, da bi se taj proces ubrzao. Kompanija "3D Systems", npr. u stereolitografiji koristi mehanizam kod koga se, najpre, platforma spušta par milimetara niže od propisanog koraka, što omogućava tečnom polimeru da trenutno prekrije gornju površinu prethodno izrađenog sloja. Platforma se, zatim, podiže na željenu visinu, a deo mehanizma, poput oštre lopatice, prelazi preko površine da brzo odstrani suvišni materijal i izravna sloj. 3D prikaz postupka je šematski prikazan na slici 12.

Rezervoar sa smolom (za ponovno nano{enje)

Laser i opti~ki ure| aji

Sud sa neo~vrslom te~nom smolom Platforma z- osa

Slika 12. Prostorna šema SLA postupka Laserskom fotolitografijom, delovi bez izraženih prepusta se mogu proizvoditi bez potporne strukture. U suprotnom se ona zahteva, jer kada se nanese prvi sloj pri formiranju prepusta na delu, on se može uviti ili odlomiti pri kretanju nadole kroz tečni polimer. Uz dobar izbor polimera, potporna struktura, formirana od istog materijala kao i proizvod u procesu očvršćavanja lako se odvaja od dela. 17

Vreme izrade dela i "stepenasti" izgled njegovih površina zavise od njegove orijentacije pri izradi. Generalno, ako se duža dimenzija dela orijentiše vertikalno, zahtevaće duže trajanje izrade, ali će "stepenice" biti minimalne. Postavljanjem duže dimenzije horizontalno, smanjuje vreme izrade, ali značajno povećava "stepenaste" prelaze na površinama delova. Najčešće primenjeni laseri za tehniku stereolitografije su UV helijumkadmijum laseri i argon-jonski laseri. Laserski snop je konstantno fokusiran na visini nivoa površine tečnog polimera. Zbog prirode laserskog snopa da se raspodela specifične snage u poprečnom preseku menja po Gaus- ovoj raspodeli (u centru najveći intenzitet, koji opada ka periferiji), te zbog apsorpcije i raspršivanja snopa na površini polimera, fotopolimer podvrgnut snopom poprima parabolično cilindričan oblik, prikazan na slici 13.

Slika 13. Formiranje strukture obratka: a) prikaz očvrsnute linije fotopolimera, h- visina očvrsnute linije, b- širina očvrsnute linije, 1- laserski snop, 2- očvrsnuta linija, b) formiranje slojeva, 1- laserski snop, 2- smer pomeranja laserskog snopa pri očvršćavanju linije, 2- koračni posmak laserskog snopa za formiranje sledeće linije, 3- koračno spuštanje radnog stola za formiranje sledećeg sloja Postoji nekoliko postupaka stereolitografije razvijenih u svetu, pod različitim imenima, ali sličnog prilaza (prethodna tabela 4). Na mašini koju je proizveo Denken Engineering u Japanu, (slika 14.a) čiji proces nosi naziv Solid Laser Plotter (SLP), deo se gradi obrnuto, vezan za platformu koja se podiže sa svakim nanetim slojem. Sloj tečne smole se nalazi u specijalnom koritu, koje je providno zbog dejstva lasera i za koji se očvrsnuti polimer slabo vezuje. Deo predmeta koji se izrađuje, potopljen je u smoli tako, da između dela i providne ploče postoji sloj tečnosti. Izložen laserskom snopu, on očvršćava, i debljina tog sloja tečne smole jednaka je debljini sloja na delu. Posle izrade sloja, deo se podiže, odvajajući naneti sloj od ploče, i postupak se ponavlja.

18

Platforma (lift)

Pumpa

Providna plo~a

Providna plo~a

a)

b)

Slika 14. Ostali pristupi laserskoj fotolitografiji a) Solid Laser Plotter (SLP), Denken Engineering, Inc. (Japan) b) Microlithography, Nagoya University Postupak na slici 14.b. razvio je profesor Koji Ikuta sa Nagoja Univerziteta pod nazivom Microlithography. Postupak je optimalan za izradu mikronskih delova - dimenzija žiže lasera je 5 μm. Po ovom postupku, providna ploča je spuštena u sudu da bi se formirao sloj tečnosti preko prethodno izrađene površine. Osnovna karakteristika kojom se ova tehnika razlikuje od drugih tehnika stereolitografije je u tome što predmet, sve vreme izrade, ostaje nepokretan u sudu, dok se sud relativno kreće u odnosu na fiksirani laserski snop koji, prolazeći kroz providnu ploču, formira uniformne slojeve. Laser se, zajedno sa pločom, pomera na gore da bi se omogućilo precizno fokusiranje sledećeg sloja. Za razliku od "iscrtavanja" svake horizontalne sekcije sloja laserskom fotolitografijom, moguće je zamisliti kompletno nanošenje svih horizontalnih sekcija sloja u samo jednoj operaciji, korišćenjem zaštitnih maski (fotomasking). Ovaj originalan pristup je razvijen i komercijalizovan od strane udružene kompanije "Cubital" (Izrael/Nemačka), a postupak je nazvan SGC (Solid Ground Curing), prikazan na slici 15. Po SGC tehnologiji, dakle, svaki sloj se nanosi u jednom prolazu. Oblik svakog sloja se izrađuje na fotomaskirnoj ploči, koja može da se briše, a koja se proizvodi izlaganjem ploče procesu jonografije i razvijanjem željenog oblika elektrostatičkim tonerom. Zatim se maska postavlja iznad uniformnog sloja tečnog polimera, i intenzivne pulzacije UV- svetlosti koja prolazi kroz masku i vrši selektivno otvrdnjavanje materijala. Neočvrsli fotopolimer se odstranjuje od sloja vakuum - sistemom i zamenjuje voskom (rastvorljivim u vodi i koji ima nisku tačku topljenja), koji služi kao potpora. Nakon hlađenja voska, sloj se sastruže da bi površina bila glatka. Uzorak na masci, koja je bila izložena UV- zracima, otklanja se brisanjem tonera, i ceo postupak se ponavlja. Kada se proizvod završi, vosak se odstranjuje topljenjem.

19

Izvor U V svetlosti

R aspr{ena te~na smola Razvijene fotomaske U V zraci koji prolaze kroz masku Neo~vrsla smola Raspr{eni o~vrsli vosak Sastrugana povr{ina

Slika 15. Fotomasking Solid Ground Curing (SGC), Cubital Inc. (Izrael/Nemačka) Jedinstvena odlika fotomasking- a jeste sposobnost izrade većeg broja proizvoda istovremeno, za kratko vreme, u jednoj seriji. Kako vreme izrade svakog sloja ne zavisi od geometrije i veličine delova (četiri replikacije, jedna do druge na slici), umnoženi delovi mogu se izraditi za isto vreme koje je normalno potrebno za izradu jednog dela. Osim toga, SGC sistem gradi delove u čvrstom vosku kao potpornom materijalu što omogućuje da se veliki broj delova izrađuje u jednoj operaciji (dva reda delova koji su prikazani na slici 15).

3.3. SLS POSTUPAK - LASERSKA FUZIJA (SELECTIVE LASER SINTERING) Najbitnije karakteristike tehnike SLS postupka su: Najviše primenjivana, SLS tehnologija je patentirana 1989. godine od strane Teksaškog Univerziteta, Ostin, a zatim komercijalizovana od strane DTM Korporacije (SAD) i EOS, Inc. (Nemačka). Ovi sistemi su, takođe, razvili i imaju na tržištu svoje sopstvene mašine za SLS; Koristi se znatno veća energija nego kod SLA tehnologije; moguća je izrada strukturnih, odnosno funkcionalnih delova; Laserski snop vrši selektivnu fuziju praškastog materijala: sintetičkog praha, elastomera, i u novije vreme, sve više, metalnog praha; Prednosti nad SLA tehnologijom su u mogućnosti primene raznovrsnih materijala i približavanja korišćenju uobičajenih plastičnih materijala koji se koriste u praktičnoj primeni; Zavisno od koraka slojeva, tačnost duž vertikalne ose može biti različita; Postupak je jednostavan; Postoji mogućnost izrade sa materijalima sličnim termoplastima (polikarbonati, sintetika ili sintetika punjena staklenim vlaknima); 20

Ovim postupkom se dobija sitnozrnasta porozna površina, osim u slučaju kada se obloži određenim materijalom, čijom primenom, takođe, ojačava deo; Neočvrsli materijal se jednostavno odstranjuje po izradi četkanjem ili oduvavanjem. Nano{enje i ravnanje praha topljivog pod dejstvom toplote a)

b)

Slika 16. Laserska fuzija U ovim tehnikama, (slika 16) sloj praškastog materijala je raširen i poravnan preko gornje površine strukture koja se izrađuje. laserskom

CO2 zraku se, tada, selektivno izlaže sloj pri čemu se vrši fuzija onih površina definisanih geometrijom poprečnog sloja. Čestice praha se spajaju različitim mehanizmima fuzije, uključujući topljenje, površinsko vezivanje, sinterovanje, kao i njihovo oblaganje polimerima. Materijal koji nije bio izložen laserskom zraku (fuziji) ostaje na mestu kao potporni materijal. Posle nanošenja svakog sloja, pokretna platforma spušta deo za debljinu sloja, i sledeći sloj praha se nanosi. Kada se deo kompletno izradi, on je strukturno odvojen od praškastog potpornog materijala. Nekoliko vrsta materijala su u upotrebi: plastični materijali, voskovi i metalne legure sa niskom temperaturom topljenja, kao i metali obloženi polimerom i keramika za izradu predoblika. Direktna fuzija metala i keramike (kao neobloženih prahova) još uvek se ispituje. Na tom polju, Fraunhofer Institut za Proizvodnu tehnologiju (IPT) su proizveli eksperimentalnu jedinicu za direktno sinterovanje metalnog praha. Iako su i DTM i EOS mašine bazirane na istoj metodologiji, postoje bitne razlike u izvršnim operacijama mašina, uključujući i način snabdevanja praškastim materijalom. DTM mašine snabdevaju postupak materijalom, iz suda, koji se kreće u suprotnom smeru u odnosu na sud u kome se nalazi deo; valjak se koristi da raširi i poravna prah (slika 16.a.). U EOS mašinama, prah se raspršuje kroz otvor mlaznika, koji je postavljen na glavi mlaznika koji se kreće s jedne na drugu stranu (slika 16.b.). Na glavi je izrađena ivica koja poput lopatice, širi i ravna sloj praha.

21

Najčešće korišćeni laseri su

laseri, oko 50 W. Značajan deo energije

CO2 lasera se tranformiše u toplotu. Toplotna energija, potrebna za proces fuzije, zavisi od praškastog materijala i njegovih svojstava. Potrebna izlazna snaga lasera može biti umanjena održavanjem temperature praha na tački malo ispod njegove tačke topljenja. Postupak se vrši unutar komore proizvodne mašine, u sredini sa inertnim azotom. Ovo je neophodno da bi se izbegla oksidacija vezujućih površina i moguće sagorevanje delova praha. Završeni komad leži u bloku praha koji ga okružuje i pridržava tokom izrade. Blok praha, takođe, zadržava toplotu i sprečava naglo hlađenje koje izaziva unutrašnje napone u proizvedenom komadu. Na kraju procesa, platforma koja drži deo se podiže odstranjujući zaostali prah. Proizvodi izrađeni bilo kojom od RP tehnologija uglavnom imaju grubu "stepenastu" površinu, uslovljenu izradom u diskretnim slojevima; međutim na kvalitet površine dela koji je izrađen SLS tehnologijom posebno utiču sledeći faktori: – – –

diskontinualna priroda praha povećava hrapavost; delići praha nemaju ujednačene prečnike, već se oni kreću od 80 μm do 120 μm. horizontalni slojevi su dobijeni u vidu rastera, tako da se mogu javiti greške po x-y koordinatama.

U mnogim primenama, ovo ne mora predstavljati problem, ali površine moraju biti glatke ukoliko se postupak primenjuje u izradi alata. L aser i Opti~ki ure| aj Valjak za prah Smer skeniranja

K omora za dopremanje praha Platforma sa izradnim delom

K omora za dopremanje praha

Slika 17. Trodimenzionalni prikaz SLS postupka izrade

3.4. POREĐENJE SLA I SLS POSTUPAKA 22

Poređenje SLA i SLS tehnoloških postupaka RP, može se izvršiti sa više aspekata. - Tehnološki materijali: SLA (Stereolitography) tehnologija je limitirana na upotrebu fotoosetljivih smola koje su, uglavnom krte. SLS proces (Selective Laser Sintering) može primenjivati praškaste polimere koji se, prilikom sinterovanja, veoma dobro približuju termoplastima. - Izgled površina: Površina dela izrađenog SLS tehnologijom je sitnozrnasta, kao posledica toga što su se delići praha, na površinama, međusobno spojili bez kompletnog topljenja. Što se tiče kvaliteta površina, delovi izrađeni SLA tehnologijom, uglavnom nadmašuju one proizvedene SLS tehnologijom. Površine su čistije i znatno manje hrapave. U zavisnosti od potreba, SLA delovi se mogu naknadno obrađivati peskarenjem, a postoji mogućnost nanošenja spreja, ili se mogu koristiti za modeliranje u tehnikama livenja. Ako temperatura neočvrslog praha u SLS tehnologiji postane previsoka, tada se suvišni fuzioni materijal može skupljati na nekim delovima površina. Taj proces je teško kontrolisati, s obzirom da postoji toliko mnogo varijabli u SLS procesu. Generalno, SLA je bolja tehnologija kada se zahtevaju fini i precizni detalji. Međutim, na deo u SLS tehnologiji može biti naneta prevlaka u obliku premaza, u cilju smanjenja hrapavosti njegovih površina i ojačavanja. - Dimenziona tačnost: SLA tehnologija daje veću tačnost izrađenog dela, ali SLS tehnologija je manje sklona zaostalim naponima, uzrokovanim dugotrajnim očvršćavanjem i okolnim naponima. Obe tehnologije imaju zajednički nedostatak - netačnost duž vertikalne ose (zbog izrade u diskretnim slojevima), ali SLS tehnologija je manje predvidljiva zbog primene raznovrsnijih materijala i parametara procesa. Temperatura u SLS postupku može, ponekad, biti takva da uzrokuje fuziju suvišnog materijala po površini dela, što dodatno može uticati na netačnost po z- osi. SLA proizvodi pate od problema "zarobljenih zapremina" u kojima se zadržava tečna smola, što izaziva dimenziona odstupanja. SLS proces nema ovih problema. - Potporne strukture: SLA delovi obično, zahtevaju potporne stukture u toku procesa izrade modela. SLS delovi, zbog postojanja potpornog praha, najčešće ne zahtevaju ikakvu potporu, ali to zavisi od konfiguracije dela. Nakon uklanjanja potporne strukture, njeni delimični ostaci na delu uzrokuju dimenzijsku netačnost i narušavaju izgled dela. - Obradivost: U principu, SLA materijali su krti i teško ih je naknadno obrađivati, dok SLS materijali slični termoplastima imaju dobru obradivost. - Dimenzije dela: SLS i SLA delovi se mogu proizvoditi istih dimenzija, ali ukoliko se zahteva izrada proizvoda iz više delova, SLS delovi se lakše međusobno vezuju.

23

3.5. LOM POSTUPAK - LAMINACIJA (LAMINATED OBJECT MANUFACTURING) Postoje dva SFF postupka laminacije. Laminated Object Manufacturing (LOM) je metod laminacije koji je razvila i komercijalizovala Helisys Korporacija (SAD), i tehnika laminacije proizvedena od strane Kira Korporacije (Japan). Najbitnije karakteristike tehnike laminacije: deo se formira od slojeva papira, plastike ili metalne folije spojenih lepljenjem i materijali imaju nisku cenu; veliki delovi: u procesu nema hemijskih reakcija, pa se mogu izrađivati delovi velikih dimenzija; tačnost po vertikalnoj osi je manja nego kod SLA i SLS tehnologija; preostali materijal se odstranjuje sa dela relativno lako jer se formira u obliku slojeva izrezanih na male kvadrate; proizvodi bi nakon izrade trebalo da budu zaliveni, da se ne bi ovlažili (papir apsorbuje vlagu); pre zalivanja, proizvodi imaju teksturu nalik mekom drvetu; zalivaju se bojom ili lakom. LOM tehnologija je zasnovana na oduzimanju materijala pri formiranju određenog sloja, što je suprotnost u odnosu na druge RP tehnologije koje su bazirane na principu dodavanja slojeva. LOM gradi predmete pomoću slojeva papira dok se sve više teži primeni plastike i tankih metalnih folija. Slojevi (laminati) koji imaju adheziona svojstva koja se aktiviraju toplotom lepe se za prethodni sloj, zagrejanim valjkom. Laser, zatim, seče spoljašnje konture dela, odnosno svakog sloja tog dela. Laser, tada, na preostalom materijalu van kontura dela, pri svakom sloju, unakrsno urezuje male kvadrate (slika 18.a.) i, kako se proces ponavlja, ti kvadrati grade pločice koje predstavljaju potpornu strukturu. Unakrsno urezani kvadrati na preostalom materijalu oko izrađenog dela ubrzavaju njegovo skidanje. LOM tehnologijom se izrađuju veliki delovi relativno brzo, jer se laserom skeniraju samo konture. LOM je takođe ispitivao Helisys i Dejtonski Univerzitet za izradu keramičkih delova i pojačanih kompozitnih oblika, korišćenjem slojeva metalnog lima; konačni proizvod se mora sinterovati. Jedini nefotolitografski SFF postupak proizveden u Japanu je laminacija koju je proizvela Kira Korporacija. Dok je "Kira"- in osnovni pristup izradi isti kao i onaj primenjen u Helisys LOM mašini, mašina Kira Solid Center- a (SC mašina) se značajno razlikuje u implementaciji. SC mašina koristi standardni štamparski papir koji se dovodi mašini korišćenjem uobičajenog laserskog štampača (kopira). Printer (štampač) koristi adhezioni toner za štampanje spoljašnje 24

strukture sloja, kao i za štampanje unakrsnih linija, zbog formiranja malih kvadrata na svakom sloju papira. Zagrejana ploča, zatim, spaja papir sa prethodnim slojevima. Spoljne konture sloja se, onda, seku karbidnim nožem. Kvadratni segmenti potporne strukture takođe se isecaju da bi ubrzali njeno otklanjanje (slika 18.b.).

Zagrejani valjak

Laserski {tampa~sa adhezivnim tonerom Zagrejana

plo~a

K arbidni no`

papir

Adhezivnoimpregnirani papir

Slika 18. Postupci laminacije a) Laminated Object Manufacturing (LOM), Helisys, Corp. SAD b) Solid Center, Kira Corp. Japan Udubljenja su teška za formiranje postupcima laminacije koji su prethodno opisani, s obzirom da je teško odstraniti potpornu strukturu iz šupljina. Baveći se ovom temom, Case Western Reserve University i CAMLEM, Inc. (SAD) razvijaju postupak laminacije korišćenjem tabli metalnog lima, odvojeno od potpornog materijala koji nije postojan. Svaka sekcija lima i potpore se posebno seče laserom, a zatim zajedno postavlja. Na kraju izrade, potporni materijal se pali, i izgori da bi deo bio oslobođen.

3.6. FDM POSTUPAK - EKSTUDIRANJE (FUSED DEPOSITION MODELING) Najbitnije karakteristike tehnike ekstrudiranja: Prvo oblikovanje ekstrudiranjem bez korišćenja alata i pribora razvijeno je i komercijalizovano od strane Stratasys, Inc. (SAD). Postupak je nazvan Fused Deposition Modeling - FDM; Standardni inženjerski termoplasti, kao što je ABS, mogu se koristiti u izradi strukturnih funkcionalnih delova; FDM je jedina tehnologija koja izrađuje delove od ABS- a, koji je prvenstveno namenjen za brizganje u kalupima. Mogu se proizvesti delovi dimenzija do 0,6 x 0,6 x 0,5 m; Nit zagrejanog termoplastičnog polimera se istiskuje kao pasta iz tube, da bi se formirao sloj; 25

Termoplast se brzo hladi kada se platforma održava na nižoj temperaturi; Nanošenje sloja je, ponekad, neujednačeno, tako da površ može postati iskošena; Nije tako rasprostranjena kao SLA i SLS tehnologija, ali se utemeljuje zbog raspoloživih materijala. FDM tehnologijom se nanosi kontinualna nit termoplastičnog polimera ili voska kroz strujom zagrevanu brizgaljku (slika 19.a.). Materijal se doprema kao nit u glavu za istiskivanje i zagreva do temperature nešto ispod tačke topljenja, tako da relativno brzo očvrsne nakon izlaska iz brizgaljke. Moguća je izrada delova bez većih prepusta - tada nema potrebe za potpornom strukturom; međutim, generalno se takva struktura zahteva. Potpore se grade kao tanke zidne sekcije koje se lako odstrane po izradi dela. Različite organizacije, kakve su Rutgers University, Allied - Signal, Lone Peak Engineering, i Advanced Ceramics Research, takođe istražuju korišćenje FDM tehnologije sa termoplastičnim žicama i šipkama, koje su napunjene keramičkim prahom u cilju izrade sirovih predoblika. Ekstrudiranje (istiskivanje) Zagrejana brizgaljka

Termoplasti~na `ica

M etalni rezervoar za istiskivanje Suspenzija (vosak i prah)

Slika 19. Oblikovanje ekstrudiranjem a) Fused Deposition Modeling (FDM), Stratasys Inc. SAD b) Multiphase Jet Solidification (MJS), Fraunhofer Inst. Nemačka Višefazna Džet Solidifikacija (Multiphase Jet Solidification - MJS) je sledeći postupak zasnovan na istiskivanju (slika 19.b.). MJS tehnologija je razvijena zajedničkim snagama Fraunhofer Instituta za Istraživanje Primenjenih Materijala (IFAM, Bremen) i Proizvodnog Inženjeringa i Automatizacije (IPA, Štutgart). IPA radi na razvoju softvera, a IFAM na aspektima materijala. MJS tehnologijom se ekstrudira metalna ili keramička suspenzija korišćenjem tehnologije injekcionog livenja metala. Suspenzija, koja je smesa, otprilike podjednakih, delova voska i metala, ili keramičkog praha, ulivena je u rezervoar koji se zagreva, i istiskuje se kroz pričvršćenu brizgaljku pomoću klipa koji se aktivira zavrtanjem i pritiska suspenziju. Mašine za FDM tehnologiju kreću se u zavisnosti od modela od onih velikih brzina, do sporijih, veće preciznosti. Materijali za izradu delova su: poliester, ABS, elastomeri i vosak za livenje. 26

U novije vreme razvijeno je revolucionarno oruđe za odstranjivanje potporne strukture nazvano WaterWorks. Novije Stratasys- ove mašine kao FDM Maxum, FDM 3000 i Prodigy opremljene su WaterWorks sistemom za uklanjanje potporne strukture. Post-procesiranje sa WaterWorks- om zasnovano je na jednostavnom rastvaranju potporne strukture dela pod dejstvom odgovarajućeg vodenog mlaza, ostavljajući obrađenu površinu glatkom i čistom, bez ostataka potpornih struktura. WaterWorks sistem dopušta da se uštedi vreme i rade drugi poslovi dok se vrši uklanjanje potpore; omogućena je izrada proizvoda funkcionalnih karakteristika, čiji se pokretni delovi izrađuju kao celina - ti se delovi mogu pokretati odmah nakon uklanjanja potporne strukture; njegovim korišćenjem mogu se izraditi proizvodi kompleksnih geometrija, koje bi bilo nemoguće izraditi na konvencionalan način. Stratasys- ov sistem uklanjanja potporne strukture rastvaranjem dobio je nagradu časopisa CADENCE za unapređenje CAD industrije .

[ 5]

FDM tehnologija dopušta korišćenje znatno raznovrsnijih plastičnih masa od drugih tehnologija. Proizvođači FDM opreme nastavljaju razvoj tih materijala u obliku niti, koji se koriste kod FDM mašina. Materijal u obliku niti namotan je na kalem, što omogućava korisniku da brzo i jednostavno zameni materijal u mašini montažom kalema i ugradnjom niti u FDM uređaj za nanošenje. Ovi materijali se stalno razvijaju da bi se izašlo u susret željama potrošača za većom brzinom, jačinom delova, tačnošću, rezolucijom površina, otpornošću na toplotu i hemijsko dejstvo i izborom boja. Takođe, ovi materijali, za razliku od UV polimera, ne zagađuju okolinu, i mogu se koristiti i u kancelariji. Najnovije mašine odlikuje automatsko dopremanje materijala u formi patrona ili kanistera. Najnoviji materijali uključuju: – – – – – –

elastomere, koji se primenjuju kada se zahteva jačina, dugotrajnost i elastičnost, polikarbonate (inženjerske termoplaste), kada se zahteva izrazita otpornost na udar, udružena sa otpornošću na toplotu i korozivne agense, tvrdi polimer ABS (sačinjen od tri monomera: akrilonitrila, butadiena i stirena), koji takođe predstavlja inženjerski termoplast. Koristi se u proizvodnji delova za telefone, kutija za kompjutere i igračke, ABSi, (ABS većeg gradusa) koji je poluprovidan i koga karakteriše veća otpornost na udar od ABS; takođe se može koristiti za primenu u medicini, uključujući i autoklavnu sterilizaciju, poliester, materijal za opšte namene, materijal za otpuštanje, koji se koristi za izradu potpore i uklanja sa finalnog modela, 27

– –

materijal rastvorljiv u vodi, koji se koristi kao potporna struktura tokom procesa izrade i kasnije rastvara sa modela pod dejstvom WaterWorks sistema, vosak za injekciono livenje.

Svaki materijal ima karakteristična svojstva koja ih čine primenljivim za različite svrhe. ABS, recimo, pruža mogućnost izbora boja: crne, crvene, plave, žute i zelene. Ove godine je razvijen PPSF (polifenilsulfon), izvrsnih mehaničkih svojstava, i koristi se za izradu prototipova u mnogim granama industrije.

3.7. INK - JET PRINTING Nekoliko SFF postupaka iskoristilo je prednost ink - jet tehnologije za štampanje slojeva strukture proizvoda. Prvi postupak koji je uspešno demonstrirao "štampanje" oblika bio je 3D printing (3DP), prikazan na slici 20.a, koji je razvijen kao metod za stvaranje sirovih predoblika (MIT), primenjenih u metalurgiji praha. S obzirom da se mogu koristiti različiti materijali u prahu, 3DP je trenutno komercijalizovana od strane Soligen Korporacije (SAD) pod imenom Direct Shell Production Casting (DSPC) za kreiranje keramičkih čaura i jezgara za livenje. Najbitnije karaktristike 3DP postupaka: Vezivni materijal se "štampa" na nevezani sloj praha; Površina izrade može postati vrlo zakošena; Nije tako utemeljena kao SLA i SLS tehnologije. U 3DP tehnologiji deo se gradi u rezervoaru sa klipom, koji spušta deo u rezervoaru za određeni korak. Prah (kao što je aluminijumski) ispušta se iz levka iznad rezervoara, dok se valjak koristi da raširi i izravna sloj praha. Ink jet glava štampača prelazi preko površine praha i selektivno ubrizgava vezivno sredstvo (kao što je koloidni silikon) u prah. Vezivo međusobno spaja prah na onim područjima definisanim geometrijom poprečnih slojeva dela. Nevezani prah postaje potporni materijal. Kada je oblik potpuno izrađen, sirova struktura se žari, i tada se deo vadi iz nevezanog praha. 3DP tehnologija metalnog praha, kakav je nerđajući čelik, vezuje se sa polimerom kao vezivom, i takođe je u fazi istraživanja; u tom se slučaju zahteva da se vezivni materijal istovremeno unosi i u potporni prah da bi se omogućilo očvršćavanje metala. Trenutne napore ulaže Tehnički Univerzitet u Minhenu u razvoj "modifikovanog" 3D printing postupka koji ubrizgava struju smole koja očvršćava pod dejstvom UV- zraka. Takođe, MIT i Univerzitet u Kaliforniji, razvija sistem mlaznika za nanošenje metalnih legura.

28

Istopljena Istopljen plastika vosak

Vezivo Nano{enje i ravnanje praha pome{anog sa vezivom

I stopljena plastika

Reza~ plo~e

Slika 20. Postupci Ink - jet printing- a a) 3D Printing (3DP), MIT b) Ballistic Particle Manufacturing (BPM), BPM Technology Inc. SAD c) Model Maker System, Sander's Inc. SAD Ostali postupci koriste ink - jet tehnologiju za direktno nanošenje ciljanih materijala niskih tački topljenja. Ballistic Particle Manufacturing (BPM), razvijena od strane BPM Tehnology, Inc. (SAD), koristi piezoelektrični mlazni sistem za nanošenje mikroskopski malih delova rastopljenih termoplasta (slika 20.b.). Kao u FDM i SLA tehnologiji, zahteva se potporna struktura za "nepovezane" sekcije objekta. Potpore su nanete kao šupljikave strukture da bi se brže uklonile. BPM jet- glava je, međutim, postavljena na pozicionom mehanizmu sa pet osa, tako da se prepusti na delu mogu nanositi bez potpore, kako se vidi na slici. Najbitnije karakteristike Sanders Model Maker - tehnologije: Izuzetna preciznost dopušta korišćenje u industriji nakita; Tačnost je delimično povećana dodatkom za uklanjanje oblikačem posle svakog nanetog sloja; Štampački sistem može da brizga materijale od čvrstog do tečnog stanja - i termoplaste i voskove; U poređenju sa SLA i SLS tehnologijom nije toliko utemeljena. Model Maker System, Sander's Inc. (SAD), ispušta oba materijala istovremeno: termoplast niske tačke topljenja i odvojeno voštani materijal za potporu. Kao dodatak, ovaj sistem uključuje oblikač da poravna i ukloni višak sa svakog sloja do precizno definisane debljine. Glatka površina visokog kvaliteta može se postići ako se, najpre, istrasiraju konture pre no što se ispuni unutrašnjost omeđena konturom sloja (slika 20.c).

3.8. MULTI - JET TEHNOLOGIJA (THERMO - JET) Najbitnije karakteristike Multi - Jet postupka: Brza tehnika; Netoksični materijali, ispuštanje neprijatnih mirisa je zanemarljivo; 29

Jednostavna operacija; Prvenstveno se koristi za izradu modela predmeta; U poređenju sa SLS i SLA, nije toliko utemeljena. Sledeći proizvod Kompanije 3D Systems, od inovatora SLA tehnologije jeste Multi - Jet postupak, koji koristi glavu štampača sa 96 nezavisnih mlaznika koji nanose termoplaste niskih tački topljenja (slika 21.). Koriste se isti materijali u izradi potporne strukture u vidu tankih, igličastih struktura. Postupak je brz u poređenju sa ostalim RP tehnikama, i daje proizvod kvalitetnog izgleda, sa minimalnim greškama operatera. Sistem je relativno mali i ne stvara buku. Označena je kao jedna od najperspektivnijih tehnologija, u čiji se razvoj ulažu znatni napori. Finalni izgled dela sličan je izgledu delova izrađenih, SLA, LOM ili SLS tehnologijom. Površine imaju stepenaste prelaze. Ovaj efekat je nepoželjan, ali nastaje kao posledica dupliciranja 3D - CAD crteža u diskretnim slojevima. Konstruisanjem modela u tanjim slojevima efekat "stepenastih" površina se umanjuje. Modeli izrađeni 3DP tehnologijom su slabi i lako se mogu oštetiti i izobličiti. U tom slučaju modeli se mogu ojačati infiltracijom voskom, u koje se može dodati mastilo da bi se, od početno providnog voska proizveo deo čija se boja može birati. Multi - Jet tehnologija se pored primene u brzoj izradi prototipa (Rapid Prototyping) koristi sve značajnije i u brzoj izradi alata (Rapid Tooling) i modeliranju za precizni liv (Investment Casting). Ova tehnologija omogućuje izradu pozitivne ili negativne forme modela. Pozitivna forma omogućuje manji broj koraka do izrade gotovog komada i zato se radije koristi za brzu izradu prototipa i verifikaciju dizajna. Nedostatak je primena veoma skupog materijala. Međutim, izrada negativnog otiska modela bi omogućila izradu elemenata alata (Rapid Tooling), koji bi ubrizgavanjem voska u alat, omogućilo višestruku izradu pozitivne forme (modela). Time bi se znatno smanjili troškovi izrade. Model izrađen ovim postupkom, omogućuje upotrebu jeftinijih voskova za precizni liv. Primena Multi - Jet tehnologije u preciznom livu postaje intenzivnija sa padom cena voska, posebno izražen tokom poslednje dve godine i taj trend se nastavlja. Dominantno primenjena varijanta Multi - Jet tehnologije je tzv. Thermo Jet. Naziv potiče od proizvođača 3D Systems - SAD, koji je definisao i STL specifikaciju podataka. Metod se zasniva na nanošenju epoksilne smole (zagrejane do 0,5 - 1ºC više od tačke topljenja) putem seta mlaznica, distribuiranih po y- osi. Strogom kontrolom temperature omogućuje se brzo hlađenje nanešenog sloja. Glava sa setom mlaznica vrši translaciju po x- osi, a preciznom vremenskom kontrolom aktiviranja pojedinih mlaznica definiše se geometrija modela po y- osi. Kontrola

30

z- ose je definisana ekvidistantnim diskretnim spuštanjem radnog stola sa korakom mm.

d ≅ 0.04 Tokom izrade pojedinih slojeva, neophodno je obezbediti nosivu strukturu prethodnog sloja. Ako je zbog topologije modela prazan prostor u prethodnom sloju, neophodno je obezbediti potpornu strukturu, koja se lako uklanja nakon procesiranja modela. Po definiciji se takođe nanosi inicijalni potporni sloj 5 mm, da bi se obezbedila čvrsta veza sa površinom radnog stola. Potporna struktura je po pravilu u svim onim prostorima, gde nastaje senka formirana zamišljenim paralelnim snopom svetlosti, usmerenim po pozitivnoj z- osi. Potporna struktura se pažljivo uklanja nakon Thermo - Jet procesiranja. Neophodnost potporne strukture je upravo osnovni nedostatak ove tehnologije, jer se nakon njenog uklanjanja zahteva dodatno čišćenje i obrada površina modela koje su bile u kontaktu.

Istopljena plastika [ tampa~kaglava sa 96 elemenata

Slika 21. Multi - Jet Modeling (MJM), 3D systems, SAD Na slici 22 data je prostorna šema Multi - Jet postupka.

31

Slika 22. Prostorna šema Multi - Jet tehnologije

3.9. PROCESI ODNOŠENJA MATERIJALA 3.9.1. CNC MAŠINSKA OBRADA Glavna konkurencija sistemima baziranim na SFF (RP) tehnici brze izrade prototipova jeste NC (numerički kontrolisana) mašinska obrada koja se, uglavnom, koristi za izradu manjih predmeta. U poređenju sa tekućim SFF postupcima, mašinska obrada može proizvesti deo visoke tačnosti i kvaliteta površina, raspolažući, pri tome, većim rasponom materijala, posebno alatnim čelicima. Osim toga, ako je na raspolaganju samo 2D- izrada crteža dela, u tom slučaju se mašinska obrada, najčešće, brže vrši, vođena od strane veštog operatera, nego od vremena koje je potrebno da se kreira 3D CAD model koji zahteva SFF proces. Mašinska obrada, osim toga, ostaje strateški važna za industrije Evrope i Japana, što je delimično uslovljeno relativno sporom primenom 3D CAD modeliranja. Takođe se uzimaju u obzir i nemogućnosti tekućih SFF postupaka da (1) proizvode delove zahtevane tačnosti i kvaliteta površine za mnoge inženjerske potrebe, (2) proizvodi sa širokim izborom inženjerskih materijala, i (3) direktno proizvode metalne delove visokog kvaliteta primenjenih za proizvodnju alata. Kompletno automatizovana CNC mašinska obrada može imati značajan uticaj na RP. Međutim, generalno se smatra da CNC obrada ne može biti SFF tehnologija iz sledećih razloga: ona još uvek zahteva veštu ljudsku intervenciju pri planiranju operacija i pri rukovanju opremom; uobičajeno stezanje dela i 32

specijalni alati se često zahtevaju; bilo koja mašinska obrada ima geometrijska ograničenja (slika 23). Međutim, kao što se očekuje napredak mogućnosti SFF procesa, takođe se očekuje da i mogućnosti automatizovanog CNC planiranja uznapređuju sa razvojem 3D CAD modeliranja. U budućnosti, obe, i CNC i SFF ostaće važne tehnologije za brzu izradu prototipova. U Japanu, Profesor Nakagawa sa Univerziteta u Tokiju prednjači u istraživanju mogućnosti obrade velikim brzinama (brzine vretena oko 100 000 ). Posebno je zainteresovan za korišćenje ovakve mašinske obrade za brzu ο min proizvodnju alata.

Primene specijalnih alata

Reorijentacija

Uobi~ajeno stezanje

Bez udubljenja

Slika 23. Zašto CNC obrada nije SFF postupak?

3.9.2. ODNOŠENJE MATERIJALA LASEROM Dok postoji značaj poboljšanja mogućnosti automatizovanih CNC sistema planiranja, takođe postoji potreba za poboljšanje samih postupaka mašinske obrade. Postoji zanimljiv rad u Nemačkoj i Japanu na polju mašinske obrade i ostalih postupaka odnošenja materijala. Glavna oblast primene ovih postupaka je za brzu izradu alata. Proizvodnja alata pribora umanjuje neka geometrijska ograničenja; na primer, udubljenja odozdo se, obično, ne zahtevaju. Lasercaving (izrada udubljenja laserom), postupak koji koristi LCTec, Inc. (Nemačka), rafinirao je Bavarian Laser Center (BLZ). To je postupak odnošenja materijala koji se koristi za sečenje i izradu udubljenja u metalnom ili keramičkom materijalu na principu, sloj po sloj, odozgo na dole. Laser velike snage i izvor kiseonika simultano se usmeravaju na površinu da bi je isekli, i očistili sečeno područje. Zagrejani metal oksidira, i oksidirani delići se odvaljuju od osnovnog materijala, što je posledica različitog termičkog širenja neoksidisanog osnovnog materijala i oksidisanih segmenata (slika 24).

33

kiseonik

Slika 24. Izrada udubljenja laserom - Lasercaving, LCTec, Inc. Nemačka Sistem uključuje CNC vertikalnu glodalicu sa 5 osa, i

laser snage

CO2 750 W. Delovi se postavljaju na glodalicu, i relativno se kreću u odnosu na fiksirani laserski snop. Zahtevana tačnost je 0,05 mm, a zapremina skinutog materijala je . Vreme mašinske obrade se može smanjiti tako što se 5 mm 3 / min prvo materijal grubo odstranjuje, u većem iznosu, korišćenjem lasera u metodi topljenja, pri čemu se odstranjuje materijala. Hrapavost površine je 1000mm 3 / min oko 5μm. BLZ tehnologija se najčešće koristi za izradu udubljenja u alatima i poboljšanje teksture njihovih površina. Postoje primeri čeličnih alata i uzoraka profilne strukture; kvalitet njihovih površina je izuzetan. Ovakve površine moraju biti zatapane u staklu da bi se otklonio oksidni sloj; u suprotnom se ne zahtevaju dodatni procesi. Lasercaving može da bude efikasan metod za izradu i profilisanje alata finih detalja i malih dimenzija.

3.9.3. POSTUPCI KOJI KOMBINUJU NANOŠENJE I ODNOŠENJE MATERIJALA U poslednje vreme su izraženi napori u istraživanju kombinovanja prednosti postupaka nanošenja materijala (posebno onih koji pojednostavljuju proces planiranja) sa prednostima postupaka odnošenja materijala (onih velike tačnosti i kvaliteta površina). Prva primenjena oblast bila je proizvodnja alata. Fraunhofer IPT je razvio eksperimentalni sistem koji se zove "Laser Generated RP", koji koristi lasersko zavarivanje za topljenje metalnog praha 34

koji se ispušta iz konusa za dopremanje, spregnutog sa laserom (slika 25.a.). Drugi koncentrični konusi sa sondom dopremaju gasove i tečnosti za hlađenje. Sistem koristi ili laser snage 900 W, ili Nd: YAG laser snage 1000 W

CO2 (neodimijumski). Unutar radne komore se vrši 2§D glodanje za doradu mera tolerancija. IPT planira da komercijalno razvije ovaj sistem sa nekom kompanijom koja izrađuje mašine za proizvodnju alata za livenje. L asersko zavarivanje Dopremanje praha

a)

b)

Slika 25. Kombinovanje nanošenja i odnošenja materijala a) Laser Generated RP, Fraunhofer IPT, Nemačka b) Large - Scale Lamination, Prof. Nakagawa, Tokyo Univ. U okviru svog rada na polju brze mašinske obrade, Profesor Nakagawa razvija postupak izrade alata pomoću slojeva velikih gabarita, kao što su kalupi za formiranje delova u automobilskoj industriji (karoserije). Pojedinačne sekcije materijala se oblikuju CNC sečenjem, a zatim spajaju po slojevima do formiranja alata (slika 25.b.). Proces nanošenja/odnošenja materijala prethodno opisan, očigledno ne uključuje potporne strukture. Carnegie Mellon i Stanford Univerziteti razvijaju proces nanošenje/odnošenje materijala, pod nazivom Shape Deposition Manufacturing (SDM), koji uključuju izradu potpornih struktura. U SDM tehnologiji, CAD model se prvo horizontalno "iseca" u 3D ležeće strukture (spoljna površina svakog sloja zadržava 3D geometriju originalnog modela). Segmenti sloja se tada nanose u približnim neto količinama a zatim mašinski obrađuju - skida se suvišna količina i oblikuje materijal pre nego što se materijal ponovo nanese. Redosled nanošenja i oblikovanja primarnog i potpornog materijala zavisi od lokalne geometrije dela; ideja je razlaganje oblika u slojevite segmente. Udubljenja odozdo, npr., ne zahtevaju mašinsku obradu, već se formiraju prethodno oblikovanim segmentima (slika 26).

35

Potporni materijal bakar

Ner| aju}i ~elik Odno{enje

Primer mikrolivenja

CN C obrada Nano{enje

Slika 26. Shape deposition manufacturing, Carnegie Mellon & Stanford Univ. SAD SDM tehnologija može koristiti alternativne tehnike nanošenja materijala. Kao jedan primer, microcasting (mikrolivenje) je postupak zavarivanja koji nanosi diskretne kapi jako zagrejanog istopljenog metala da bi se izradile potpuno zbijene, metalurški ojačane strukture. Npr. nerđajući čelik se može nanositi kao primarni, a bakar kao potporni materijal. Ostali tipovi postupaka nanošenja se istražuju, uključujući lasersko zavarivanje, istiskivanje i primenu dvokomponentnih epoksidnih sm

4. MATERIJALI Većina delova proizvedenih RP tehnologijama, trenutno, prave se od materijala nižih mehaničkih svojstava, koji samo dopuštaju korisniku da fizički prikaže svoju zamisao, ili, eventualno proizvede nekoliko delova za ograničeno testiranje. Postizanje poboljšanja svojstava materijala je postepen proces, koji se ostvaruje primenom materijala boljih svojstava od prethodno primenjivanih. Slika 27 prikazuje kompleksnost izbora materijala i njegovih karakteristika pomoću dva parametra - zatezne čvrstoće i modula elastičnosti.

36

D ijamant ^elici L egure aluminijuma Staklo

D rvo, iverica

Trenutni fotopolimerni sistemi Najlon

EL US D rvo, iverica

) a P (G N I^ T S A E L U D O M

Rani fotopolimerni sistemi

Guma

ZATEZNA ^VR STO] A

Slika 27. Modul elastičnosti i čvrstoća određenih materijala RP tehnologije imaju koristan efekat u vizuelizaciji proizvoda i ograničenom korišćenju u druge svrhe, ali nedostatak inženjerskih materijala u tim tehnologijama je značajna, prema mišljenju većine i najveća barijera, koja usporava njen razvoj. Prilikom komercijalizacije određene RP tehnologije, treba pronaći ravnotežu između svojstava materijala, njegove cene, cene opreme, jednostavnosti primene i iznad svega performansi sistema, što govori o kompleksnosti i uslovljenosti svih elemenata RP tehnologija.

4.1. PLASTIČNI MATERIJALI Korišćenje plastičnih materijala u RP industriji je uopšteno govoreći, podeljeno u dve kategorije: (1) sistem reaktivnih polimera kakvi se koriste u postupku stereolitografije, i (2) nereaktivnih polimera koji se, npr. koriste u tehnikama baziranim na sinterovanju. Istraživanje i razvoj u ovim oblastima 37

doveli su do približavanja svojstava ovih materijala svojstvima inženjerskih plastičnih materijala. Najveći proizvođači ovih materijala su Ciba Geigy (epoksi smole) i DTM (prahovi kao što su: sintetika, vosak i polikarbonati). Reaktivni polimeri očvršćavaju pod uticajem toplote; očvršćavanje se inicira uvođejem energije u smolu, najčešće korišćenjem svetlosti (obično ultraljubičaste). Mehanizam očvršćavanja zasnovan je na rastu polimernih lanaca i njihovom međusobnom spajanju; akrilni materijali koriste metod slobodnih radikala pri polimerizaciji, dok epoksi materijali koriste katjonski sistem polimerizacije. Epoksi - sistemi, posebno, pokazuju visoku preciznost, malu sklonost ka deformacijama i imaju bolja svojstva od ranijih smola. Najzastupljenija smola na tržištu Severne Amerike je polistiren (PS). Polistiren srednje čvrstoće ima čvrstoću 50 MPa, a modul elastičnosti 3 GPa. ABS je reprezentativni materijal na Japanskom tržištu. Presovani ABS, srednjim udarom, ima čvrstoću 40 MPa, a modul elastičnosti 2 GPa.

4.2. SMOLE Korišćenje smola sa dodatkom komponenti, u Japanu i Evropi, čini se vrlo zanimljivim. Materijali sa komponentama, generalno, imaju znatno veću viskoznost: deo izrađen takvim materijalom posle očvršćavanja je nesavitljiv; on može biti otporan na habanje zavisno od matrice i materijala kojim se puni (komponenti); i na kraju, komponentske smole mogu imati efekat na povećanje tačnosti, jednostavnom zamenom polimera sa inertnom komponentom. U isto vreme, one smanjuju troškove, jednostavnom zamenom skupog polimera jeftinim materijalom. Komponentske smole najveću buduću primenu nalaze u izradi alata, a najčešće komponente su staklo, SiC, keramika i vosak. Veličine komponentskih čestica su od 10 - 20μm, i čine 60 - 70% od težine komponentske smole. Asahi Denka smole (koriste ih Mitshubishi Motors) imaju epoksi bazu, velike čvrstoće i module elastičnosti, što je proisteklo iz opredeljenja za proizvodnju relativno krtih materijala. Njegova najpopularnija smola je HS 673 (čvrstoće 67 MPa, modula elastičnosti 3334 MPa). Laser koji se koristi za njegovo očvršćavanje je Ar (argon) - laser. Povećanjem vlažnosti HS 673 menja dimenzije, zavisno od dužine izloženosti vlagi. HS 673, takođe, pokazuje niski stepen elongacije i malu otpornost na udare. Japan Synthetic Rubber smole (koristi ih Sony), imaju akril - uretan bazu. One imaju manju čvrstoću i manju krutost od epoksi - smola. Njihova smola SCR 310 ima malu sklonost ka uvijanju (čvrstoća 39 MPa, modul elastičnosti 1.2 GPa), dok je SCR 600 (32 MPa, 1.1 GPa) eksperimentalna smola sa staklom kao komponentom. Teijin Seiki smole koriste se u izradi alata. Njihova smola TSR 752 je komponentska smola koja pokazuje veliku krutost (14000 MPa) i 38

zadovoljavajuću čvrstoću (75 MPa). Za razliku od nje, TSR 800 ima znatno manju krutost (2800 MPa) i manju čvrstoću (61 MPa). Cubital- ove smole: Cubital je razvio veći broj smola za potrebe sopstvenog postupka Solid Ground Curing. U osnovi su to akrilne smole. Mekoća ovih smola pokazuje da delovi izrađeni ovim materijalima mogu biti kompetitivni sa drugim akrilatima, ali ne i sa epoksi smolama. Veća postojanost na višim temperaturama poželjna je kod RP smola ukoliko se koriste za: a) izradu kalupa za presovanje plastike, koja je pod dejstvom pritiska, dovedena u stanje tečenja, u kome će se proizvesti nekoliko stotina prototipskih delova od uobičajene plastike i, b) izradu funkcionalnih modela koji moraju da podnesu promenljive temperature, kao u slučaju testiranja funkcije uređaja za snabdevanje gasom motora sa unutrašnjim sagorevanjem.

4.3. TERMOPLASTI Razvoj termoplasta zauzima posebno mesto u Severnoj Americi i Evropi. EOS (Nemačka) koristi polimere u svojim EOSINT mašinama - polistiren za brizganje, materijale slične sintetici i pesak obložen polimerima. EOS koristi pesak da bi napravio jedinstvena peščana jezgra za precizno livenje.

4.4. PAPIR KAO MATERIJAL Kira Korporacija proizvodi delove od papira, isecajući njegovu konturnu liniju nožem. Međutim Kira- in rad se još uvek zasniva na konvencionalnom kancelarijskom papiru, a mogućnost korišćenja pirinčanog papira se istražuje.

4.5. KERAMIČKI MATERIJALI Postoji posebna zainteresovanost za primenu keramike u RP tehnologijama, za izradu keramičkih delova, prvenstveno za vojne potrebe i potrebe svemirske industrije. Ovo interesovanje se odnosi na potencijal keramičkih materijala visokih performansi i iznalaženja tehnika izrade koje smanjuju cenu keramičkih proizvoda. Keramički materijali imaju dobre performanse i na visokim temperaturama i u agresivnim sredinama. U Evropi, EOSINT S mašine proizvode kalupe za precizno livenje, direktno u livačkom pesku. Proces je modifikacija EOS- ove standardne SLS mašine u kojoj se pesak obložen vatrostalnim materijalom (keramikom) koristi kao prah. 39

Korišćenjem

lasera vrši se spajanje čestica peska, zagrevanjem i

CO2 spajanjem njihovih "obloga". Proces je nazvan "Direct Croning". Kalupi za kompleksne delove se mogu brzo uraditi, a livenje se može direktno vršiti u kalupu od peska. Fraunhofer Institut (IFAM) iz Bremena već je proizveo keramičke delove (SiC) koristeći svoju tehniku Multiphase Jet Solidification (MJS). U Japanu, istraživači iz Teijin Seiki i D - MEC čine napore da uključe keramiku (ili staklo) unutar svojih fotopolimera, kao komponenata za korišćenje u standardnim RP (SL) mašinama. Ideja je proizvodnja prototipova koji bi se mogli koristiti kao kalupi za ograničen broj operacija presovanja istiskivanjem. Keramika obezbeđuje dodatnu čvrstoću da izdrži pritiske pri presovanju, i ona obezbeđuje provođenje toplote da bi se izbeglo starenje, odnosno habanje, kalupa tokom oblikovanja plastike. Svaka polovina kalupa se podupire "leđnom" stranom metalnim ramovima koji imaju ugrađene kanale za hlađenje. Profesor Nakagawa (Tokijski Univerzitet) napominje da se delovi od keramike proizvode slaganjem u gipsane kalupe, obično primenom livenja u košuljici. Nakagawa uspešno lije keramiku u gumenim kalupima, što otvara mogućnost stvaranja kalupa za višestruku upotrebu, koji se mogu brzo izraditi korišćenjem RP originala (modela), procesom vakuumske multiplikacije. U SAD- u, nekoliko licenci komercijalizuju aspekte "3D Printing"- a, uključujući Soligen koji nudi "Direct Shell Production Casting" mašine. Mašina "štampa" uzorak kalupa direktno u keramički prah korišćenjem vezivnog sredstva koje se ispušta kroz "ink - jet" glavu štampača. Završni uzorak se čisti od ostalog praha i sinteruje da bi mu površina postala dovoljno glatka da bi u njemu mogao da se lije metal. DTM i Univerzitet u Teksasu su ispitivali SLS tehnologiju koja koristi keramičke prahove i procese fuzija obloženih keramičkih prahova. Druge organizacije istražuju proizvodnju keramičkih traka koje bi se koristile u LOM tehnologiji; neke proširuju ovaj proces na komponentnu keramiku, istražujući i sečena, i kontinualna vlakna koja se, kao komponente, ugrađuju u keramičke trake. S druge strane, fotopolimeri ispunjeni keramikom za korišćenje u stereolitografiji razvijeni su na Univerzitetu u Mičigenu. Trenutno se ispituju vlakna punjena keramikom koja će biti kompatibilna sa "Fused Deposition molding" procesima. Takođe se razvija CAM - LEM sistem, koji koristi keramički materijal dopreman u tablama. Svaki sloj materijala seče laser sa 5 osa koji oblikuje ivicu. Slojeve zatim spaja robot i deo se sinteruje. Materijali kojima se teži su keramički materijali otporni na visokim temperaturama, kakvi su SiC i AlN.

4.6. METALI RP tehnologije se mogu koristiti za stvaranje metalnih proizvoda proizvodnjom kalupa za livenje, o čemu će biti više reči u poglavlju o primeni RP postupaka u livenju metala. Najčešće predlagana primena ovih procesa je u izradi alata, posebno alata za injekciono livenje. 40

Procesi izrade metalnih delova mogu se generalno, podeliti na tri postupka: transfer metode, indirektne metode i direktne metode. Transfer metode koriste RP uzorke kao modele za izradu kalupa za livenje metala. Indirekne metode (nazivaju se i matrične metode niske gustine) uključuju stvaranje metalnih delova relativno male gustine, koji se zatim infiltriraju ili naknadno sinteruju do postizanja visoke gustine. Delovi se mogu sinterovati u pećima, pri čemu dolazi do smanjenja zapremine (zbog skupljanja i smanjenja dimenzijske tačnosti). Infiltracija legurom niske tačke topljenja ili epoksi smolom otpornom na visoke temperature, predstavlja alternativno rešenje, jer se deo ne mora sinterovati u pećima. Infiltrovani proizvodi predstavljaju kompromis: oni nemaju dobra svojstva na visokim temperaturama i često imaju suviše malu tvrdoću i otpornost na habanje u poređenju sa čeličnim proizvodima potpune gustine; međutim često su pogodni za izradu pilot (eksperimentalnih) alata kojim će se izraditi nekoliko hiljada delova presovanih istiskivanjem. U 3D Printing- u, ink - jet glava štampača može se koristiti za selektivno ubrizgavanje veziva u metalni prah. Deo dobijen selektivnim vezivanjem, izvađen iz preostalog praha, je relativno male gustine (oko 50 %). Takav "sirov" deo se zatim zagreva i infiltrira do postizanja potrebne gustine. Slika 28 šematski prikazuje rani primer izrade kalupa 3D Printing- om. Iako na ovom stupnju razvoja, ovaj kalup ima unutrašnje kanale za hlađenje, koji se teško izrađuju standardnim procesima obrade. Često se ovom tehnikom prave kalupi od legure nerđajući čelik - bronza, za brizganje plastičnih delova (konektora).

Ra{iren prah

“[ tampanje” sloja Ponavljanje postupka

Spu{tanje klipa

Slika 28. Šema 3D printing postupka U SLS postupku, metalni prah je obložen termoplastom kao vezivom. Čestice takvog praha se, zatim, selektivno međusobno spajaju zagrevanjem laserom, formirajući delove kalupa. Formiran kalup predstavlja poluproizvod; zatim se vrši zagrevanje u peći, gde vezivo izgori, a čestice praha metala međusobno se spajaju mehanizmima sinterovanja. Ovakav deo je, tada, 41

konačan proizvod; zadržava zadatu geometriju, ali je porozan po prirodi. Zato se takav deo infiltrira drugim metalom da bi se dobio kalup potpune gustine. Ovim postupkom se najčešće, izrađuju komercijalna livačka jezgra i setovi šupljih rezonatora. Svojstva ovih kalupa slična su onim izrađenim od 7075 aluminijuma.

Slika 29. Jezgro i set šupljih rezonatora proizvedeni RT tehnologijom

[1]

Direktne metode (takođe se mogu nazvati metodama velike gustine) proizvode metalne delove velike gustine, bez post - procesiranja. Za razliku od indirektnih, ove metode su još uvek u fazi ispitivanja. RP metode koje se mogu koristiti za direktnu izradu metalnih objekata su: SLS, SDM, LD (Laser Deposition) i Droplet Deposition tehnologije. Droplet Deposition tehnologija koristi elektronski kontrolisane mlazeve za selektivno nanošenje tačne količine istopljenog metala, i u fazi je razvoja. SLS tehnologija se može koristiti za izradu metalnih slojeva velike gustine korišćenjem većih temperatura i lasera snaga (>50 W). Ovim postupkom se izrađuje sloj relativno velike gustine (debljine oko 125μm) od superlegure Inconel 625, korišćenjem Nd: YAG lasera snage 60 W. Proces se ispituje za izradu metalnih delova velike gustine korišćenjem metalnih prahova i legura. SDM tehnologijom se, prvo, nanose slojevi, u približnim količinama, a zatim se oni obrađuju do tačnih dimenzija pre ponovnog nanošenja materijala (primarnog i potpornog). Slika 30 prikazuje deo proizveden ovim postupkom. Još uvek se ovim postupkom ne mogu praviti delovi sa izraženijim detaljima; međutim, prikazani deo je komponovan od dva različita materijala: jezgro je od nerđajućeg čelika, a spoljašnja ljuska od bakra, što stvara mogućnost izrade proizvoda od većeg broja materijala.

42

Kanali za hla| enje

Slika 30. Struktura od nerđajućeg čelika i bakra Laser Deposition postupak je razvio Sandia National Labs; sličan postupak razvija Los Alamos National Labs. Na slici 31 se vidi da se ta tehnika sastoji od sistema za snabdevanje prahom i laserskog snopa; dopremanje praha metala je izvedeno tako da se seče sa laserskim snopom i gradi deo iz slojeva. U osnovi, postupak se sastoji od 3D laserskog zavarivanja. Slika 32 prikazuje delove proizvedene na ovaj način. Oni su napravljeni od nerđajućeg čelika, gotovo 100%- tne gustine. So~iva za fokusiranje i brizgaljka za prah su pozicionirane po z- osi

Podru~je interakcije snopa i praha

L aserski snop Brizgaljka za dopremanje praha

X - Y koordinate

Slika 31. Šema Laser Deposition postupka

Slika 32. Delovi od nerđajućeg čelika izrađeni Laser Deposition postupkom Laminacija slojeva isečenih laserom takođe se može koristiti kao RP postupak. Ako su slojevi metalni, onda se metalni delovi i kalupi mogu praviti spajanjem ovih slojeva.

43

5. CAD I INTERFEJS 5.1. RP POSTUPAK RP postupak, kao što je prikazano na slici 33, ne obuhvata samo SFF mašine i izradu dela, već uključuje operacije pre izrade, kao što su projektovanje u funkciji RP, pripremu geometrijskih podataka, tako i operacije posle izrade, kao što su očvršćavanje, odstranjivanje potpornih struktura i čišćenje.

44

Spoljne pred-operacije

Spoljne post-operacije

SFF ma{ine

Projektovani geometrijski model `eljenog proizvoda

Prosle| ivanje informacija Putanje za kontrolu kretanja Izrada

M aterijal Podaci o materijalu i parametrima procesa

Sirovi fizi~ki deo

O~vr{}avanje I nfiltracija Odstranjivanje potpore ^i{}enje

Model, proizvod

Slika 33. RP postupak Elementi sistema koji učestvuju u stvaranju oblika proizvoda su: interfejsi za prenos (2D, 3D) podataka do SFF mašine od mesta za projektovanje gde se stvara geometrijski model dela (MRI, CAD); matematički prikaz modela i formiranje podataka - STL datoteka modela. Nakon toga slede modifikacije i formiranje dodataka na originalni geometrijski model, u smislu orijentacije, postavljanja, kompenzacije deformacija i potpornih struktura, da bi se prilagodili specifičnim karakteristikama procesa. Ovako pripremljen model koristi se za generisanje putanja i kontrole kretanja radi nanošenja slojeva u toku izrade dela. Podaci o unetom materijalu i parametrima procesa deo su kontrolera procesa.

5.2. RP ELEMENTI Slika 34 pokazuje pet elemenata RP postupaka za izradu dela: (1) kreiranje podataka, (2) format izmene opštih podataka, (3) ispravnost modela i promene, (4) kompenzacije i (5) potporne strukture.

45

Format izmene op{tih podataka

SFF ma{ina

Kreiranje podataka @el jeni geometrijski oblik

3D podaci

2D podaci

3D puni model

I spravnost modela i popravke Prosle| ivanje informacija CAD PostProcesiranje

Priprema modela U pravljanje procesom Kontrola

Geometrijski oblik predstavljen u neutralnomformatu

Potporne K ompenzacija strukture Putanje za kontrolu kretanja

I zrada

M odel, proizvod

Slika 34. RP elementi

KREIRANJE PODATAKA Prvi korak u svim RP procesima je kreiranje geometrijskih podataka, ili kao 3D punih modela korišćenjem CAD radne stanice, ili kao 2D slojeva, korišćenjem sken sredstava. U svakom slučaju, podaci moraju predstavljati važeći geometrijski model; zapravo, onaj čije granične površine formiraju konačnu zapreminu, koje ne sadrže diskontinuitete na površini i tako izlažu unutrašnjost modela i ne preklapaju se međusobno. Drugim rečima, model mora imati tehnologičnost. Između ostalog, nisu dozvoljene površine nulte debljine i slučajevi kada više od dve sučeone površine formiraju ivicu. Čak i tanke ljuske imaju konačnu zapreminu. Model je ispravan ukoliko za svaku tačku u 3D prostoru, kompjuter može da odredi da li ta tačka leži izvan, na ili unutar granične površine modela i ukoliko je područje oko tačke potpuno opisano. Na ovu fazu i njenu grešku može se direktno uticati. Zato je bitno kvalitetno izvršiti ovu fazu predprocesiranja. Ovo bitno svojstvo kompjutera da determiniše položaj tačke u prostoru omogućava da se operacije izvode kao automatske i geometrijski upravljane, što postupcima na SFF mašinama daje karakter automatizovanih postupaka. Ako su 2D podaci poslati direktno u SFF mašinu, informacija sadržana u opisu može biti dovoljna da oformi ispravnu 3D zapreminu.

FORMAT IZMENE OPŠTIH PODATAKA 46

Iz razloga konkurentnosti, ciljanih tržišta i radnog režima, CAD sistemi koriste različite matematičke, geometrijske forme i formate podataka. Iz tog razloga, te različitosti se moraju prilagoditi SFF mašini, zahtevajući da svi spoljni ulazni geometrijski modeli budu izraženi u neutralnom formatu. CAD post-procesori vrše transformaciju internih CAD prikaza u ovaj neutralan format. Najčešće je to STL format (3D Systems), koji je postao standard za prenos geometrijskih podataka o modelu ka SFF mašinama. Čak iako mnogi proizvođači SFF mašina nude svoje sopstvene formate, sve one prihvataju STL format.

ISPRAVNOST MODELA I POPRAVKE Preciznije rečeno, CAD post - procesori zapravo vrše aproksimaciju unutrašnjih CAD geometrijskih formi, korišćenjem uprošćenih matematičkih formi (trouglova). Na taj način vrši se aproksimacija CAD modela u vidu generisanja diskretne mreže trouglova, formirajući karakterističan format podataka - STL datoteku (Stereolithography file). Pri stvaranju STL datoteke iz CAD- a, rezolucija (takođe poznata i kao tolerancija, visina tetive ili odstupanje podeonih površina), može se posebno naglasiti. Aproksimacija CAD- modela može biti grublja, sa većim brojem trouglastih površina u mreži, pa će, u tom slučaju STL datoteka uticati na smanjenje tačnosti, a može uticati i na izgled dela. U suprotnom, pri većem broju elementarnih trouglova, povećaće se vreme za pripremu dela, bez poboljšanja kvaliteta površine. Zato je bitno ostvariti optimalnu rezoluciju. Po nekim iskustvima, najpogodnija rezolucija je između 0,01 i 0,05 mm, a najveća veličina binarne datoteke normalno ne bi trebalo preći 5MB (megabajt- a). Svaki trougaoni element definisan je pozicijom njegovih uglova u prostoru, i njegovim pravcem i smerom (od površine). Pravac tog elementa određuje normala na površinu, dok se smer određuje pravilom desne ruke, vodeći računa o redosledu definisanja tačaka uglova. Definisanjem smera elementarne površine postiže se razlikovanje njegove unutrašnje i spoljašnje površine.

n

(x3,y3,z3)

(x1,y1,z1) (x2,y2,z2) Slika 35. Elementarna površina u obliku trougla Nažalost, ova aproksimacija, ako nije precizno urađena, ponekad dovodi do neželjenih geometrijskih nedostataka, kao što su mrtve zone ili preklopljeni delovi na graničnoj površini. Zbog toga većina SFF mašina ima softver za 47

proveru ulaznog modela da bi utvrdila da je to ispravan, tehnologičan deo, da je zatvoren i ograničen, sa konačnom zapreminom. Ukoliko nije tako, model zahteva popravke. Mnogi proizvođači SFF opreme razvili su softvere unutar mašina za ocenu ispravnosti modela i eventualne popravke. Ovakav softver određuje da li neki trougaoni element nedostaje na umreženom modelu, i ukoliko je tako, popunjava praznine novim elementima. D-MEC- ov sistem automatski reparira male praznine, ali u slučaju većih to se čini ručno. CMETov program za popravku STL datoteke baziran je na topologiji površine. Denken- ov Solid Laser Plotter softver vrši indikaciju oštećenih površina i, kao i Cubital- ov Solider Data Front End (DFE) softverski sistem ima veće mogućnosti manipulacije i popravke modela i može da vrši isecanje, dodavanje ili popunjavanje elementarnih površina. Daimler Benz, pak, kreira svoju sopstvenu CAD podršku u generisanju STL modela bez grešaka, opredeljujući se, na taj način, na rešavanje problema na samom početku CAD kreiranja. Po izradi ispravnog geometrijskog modela, mora se izvesti niz geometrijskih operacija na modelu (priprema modela), da bi se osiguralo da će konačnog proizvoda stići ulazne specifikacije. Na primer, potrebno je da model bude orijentisan i da bude izvršena kompenzacija njegovih mera u odnosu na radni prostor SFF mašine. Orijentacija zavisi od faktora koji se odnose na kvalitet površine, vreme izrade, potporne strukture, karakteristike pratećih procesa (smanjenje zapremine, uvijanje, izobličavanje, tečenje smole), i tolerancija izrade dela, između ostalih. Način na koji će biti raspoređen veći broj delova u jednoj radnoj komori i njihova izrada takođe se razmatraju u ovoj fazi. U ovoj fazi STL datoteka aktivirana je odgovarajućim softverom koji je ugrađen u SFF mašinu.

KOMPENZACIJA Vrlo često oblik dela zahteva izmenu u smislu kompenzacije zbog anomalija koje su posledica pratećih procesa koji se odigravaju uporedo sa postupkom izrade, kao što su: skupljanje, uvijanje, deformacija i vitoperenje. Većina kompenzacija koje se danas rade, se rade grubo i obično se oslanjaju na iskustvo operatera, stečenog na dugogodišnjem radu i greškama. Deo se radi po potrebi i više puta, kompenzuju se deformacije, sve do postizanja željenog dela. Danas se rade mnoge studije o zameni ovog iskustvenog metoda jednom metodom zasnovanoj na korišćenju analitičkih proračuna. Razvoj analitičkih proračuna limitiran je nedovoljnim poznavanjem svih detalja procesa. U tom cilju Tokijski Univerzitet simulira napone koji se javljaju pri izradi modela i rezultujuće deformacije; u Denken- u razmatraju korišćenje analize konačnih elemenata (metod FEA) da bi izradili optimalnu strategiju koja deformacije svodi na minimum. Ovaj način zahteva modeliranje međudejstva laser - polimer da bi se odredila raspodela napona. U Kira- i jednostavno vrše kompenzaciju od 1,5 - 2% u z- pravcu, jer računaju na to da će papir upiti vlagu iz okoline. Fraunhofer institut smanjuje napone kroz optimizaciju dizajna dela, tako da se u njemu generiše što manje napona.

48

POTPORNE STRUKTURE Potporne strukture su neophodne u procesima sa tečnim materijalima, da bi pridržavale prepuste na 3D delovima, da bi stvorile spoj između dela i radne platforme i da iznutra podupiru šuplje delove. Lokacije za potporu prepusta mogu biti određene proverom smera normale na površinu i projekcijom modela po z- osi. Postoji softver koji automatski generiše potporne strukture, korišćenjem najmanje moguće količine materijala. Skin and Core softver za izradu potpornih struktura (EOS) vrši optimizaciju utrošenog materijala. MAGICS softver (Materialise) omogućava izradu šupljikave potpore koja sadrži 10% materijala u odnosu na količinu materijala koja bi se utrošila da je ona puna, i, naravno, oduzima 10% vremena za izradu, od vremena koje bi se, inače, zahtevalo. Procesi sa praškastim i materijalima u tankim slojevima, koriste neprocesiran okolni materijal za potporu. Čak i u ovim procesima, Japanci bi voleli da smanje vreme potrebno da se odstrani ovaj potporni materijal i deo očisti do površine visokog kvaliteta. Novac utrošen na pripremu podataka i naknadne operacije može iznositi do 2/3 ukupnih troškova izrade. U slučaju izrade veoma preciznih delova sa puno tankih izbočina operacije kompenzovanja i operacije generisanja potpornih struktura možda moraju biti ponavljane, metodom iteracije, zato što potpora može deformisati prethodno kompenzovani deo. Da bi se postigle neophodne putanje za kontrolu kretanja, koje upravljaju mehanizmom za formiranje oblika, pripremljen geometrijski model se lamelizuje u slojeve, koji mogu biti nejednake debljine, i lamele se mogu prevesti u linije (ako se to zahteva), što podseća na inverzan proces, procesu izrade sloj - preko - sloja. Procesirane linije određuju kada će se laserski snop ili neka druga dejstvujuća sila za očvršćavanje uključiti ili isključiti. Debljina sloja određuje za koliko će se deo unutar cilindra podići ili spustiti da bi ponovo bio nanet osnovni materijal. STL datoteka je matematički procesirana da pri aktiviranju mašine izvrši lamelizaciju modela u vidu tankih slojeva. Rezultujuća datoteka je SLI datoteka (datoteka slojeva), koja predstavlja seriju približno prostornih poprečnih preseka 3D modela. Razvoj RP tehnologije omogućio je veoma precizne debljine slojeva, tako da se može postići debljina i od 50 μm. Kako su slojevi konačne debljine, mali procenti grešaka se mogu tolerisati duž z- ose. Finalni postupak izrade zahteva udruživanje većeg broja SLI datoteka da bi se dobila konačna datoteka za izradu proizvoda.

5.3. TIPIČNI UZROCI GREŠAKA 49

povr{ina 1

povr{ina 1

Nedostaje element povr{ine

povr{ina 2 povr{ina 2

Spajanje krivih povr{ina modela

Geometrija povr{inskih elemenata

interfejs datoteka

ma{ina Prosle| ivanje informacija

datoteka (sa topologijom) jedno teme

Spajanje dva puna elementa: objekti se dodiruju

Strelice pokazuju Suvi{an podatak u STL spajanje povr{ina

Izrada

Gotov deo

M ogu}e Savijanje Popre~ne linije laserskog snopa

Preklopljene povr{ine nisu otklonjene

Popre~ne linije ne prelaze preko preklopljenih povr{ina, {to mesto ~ini oslabljenim.

Slika 36. Tipični uzroci grešaka 1. Ako je površina 1 relativno ravna, ona može biti prilično tačno aproksimirana većim trouglovima. Takvi trouglovi uslovljavaju da su im temene tačke raspoređene na većim međusobnim rastojanjima duž granične površine 2. Ukoliko je, pak, površina 2 veće zakrivljenosti, biće aproksimirana manjim trouglovima, uslovljavajući niz temenih tačaka na manjim međusobnim udaljenostima duž zajedničke granične krive sa površinom 1. S obzirom da su ta temena trouglova obe ove površine duž zajedničke krive spojena pravim dužima da bi se stvorili trouglovi, pojaviće se procepi ili će pojedini elementarni trouglovi nedostajati (na slici 36 - osenčeno). Ovaj nedostatak se može lako ispraviti. Postojanje prekida na graničnoj površini 3D modela, prilikom lamelizacije, doveo bi do toga da je konturna granica nekompletna, odnosno nije zatvorena. U tom slučaju, prilikom aktiviranja datoteke sa takvim slojevima, generisali bi se pogrešni kontrolni signali za vođenje laserskog zraka ili nekog drugog izvora za očvršćavanje, i doveli bi do toga da se nastavi sa očvršćavanjem materijala sve dok ne dosegne do zida cilindra sa materijalom. Tako bi se proizveo nepotreban tanak sloj materijala preko predviđenih granica dela, a takođe bi se i nepotrebno trošio materijal. 2. Ponekad se nedostaci na delu javljaju usled nedefinisanog STL formata podataka. Iako je format jednostavan, često se javljaju suvišni podaci. STL format definiše svaki trougao nezavisno, koristeći njegova temena i vektor normale na spoljnoj površini. Ali, pri spajanju ovih trougaonih elemenata, svaka stranica i teme susednih, graničnih trouglova se preklapaju. S obzirom da STL format ne uzima u obzir ovu činjenicu, postojanje numeričke greške može dovesti do toga da strane i temena trouglova, koji bi trebalo da se preklope, imaju različite vrednosti. 50

Da bi se ovakva greška izbegla, STL datoteka može da se predprocesira, dodavanjem informacija o topologiji susednih površina, i po nastaloj grešci, proverom istovetnosti stranica i temena, dodavanjem pokazivača spajanja u datoteci. Međutim, opet se može pojaviti numerička greška, tako da je informacija o topologiji najpouzdanija tokom pripajanja elementarnih površina. Topološke informacije pojednostavljuju lamelizaciju i ubrzavaju izvršenje. 3. Najzad, nedostaci mogu nastati i usled nedovoljnog razumevanja fizike procesa izrade proizvoda. Najčešće operateri, pri dizajniranju dela ne razumeju kako će se u procesu izrade tretirati njihov izbor geometrijskih elemenata ili njihovo postavljanje ili manipulacija njima. Ponekad se modeli konstruišu međusobnim spajanjem dva puna objekta, što rezultira preklopljenim površinama u modelu, kao što je prikazano na slici 36. U CAD svetu, ovo nije problem, zato što ovako sučeljene površine imaju nultu debljinu. Međutim, njihovo prisustvo menja tok očvršćavanja materijala što, u nekim slučajevima, prouzrokuje unutrašnje napone pri izradi koji vode ka deformaciji izrađenog dela.

5.4. INTERFEJS Proizvođači CAD opreme, u današnje vreme, obezbeđuju CAD post procesore za prenos geometrijskih prikaza CAD modela ka SFF mašinama, na taj način što se, primenom nekog od softverskih paketa, izvrši aproksimacija CAD- modela u vidu generisanja mreže elementarnih površina, prihvatljivih od strane mašine. Veliki broj 3D softverskih paketa, namenjenih za rad na PC računarima, i razvijenih prvenstveno za primenu u 3D crtanju, danas se mogu primeniti i za aproksimaciju modela u opšte prihvatljiv STL format. Dakle, postoji mogućnost da se, primenom različitih modula istog softverskog paketa izvrši, najpre, kreiranje CAD- modela a zatim, primenom drugog modula, izvrši njegova transformacija u STL format, koji se prosleđuje u SFF mašinu. U tabeli 5 prikazani su CAD softverski sistemi koji sadrže interfejs sa SFF mašinama: Tabela 5: CAD softverski sistem

Kompanija

Pro/Engineer CATIA CADDS CADAM I/EMS Solid Edge

Parametric Technology Dassault Systèmes Computer Vision Dassault Systèmes Intergraph

Unigraphics (parasolid) ME30 & PE/Solid Designer

EDS Hewlett-Packard

⇒

51

AutoCAD DesignBase Fresdam Caelum I-DEAS Camand (surface) CAM Tool MacSurf (surface) ZYRCO DUCT Euklid

Autodesk Ricon Sony Toyota Structural Dynamics Research Corp. Camax Manufacturing Technologies Denken and Autostrade Daimler Benz Delcam (UK) Swiss

5.5. RP SOFTVERI Naučnik Otto i saradnici, izvršili su kategorizaciju SFF softvera na sledeći način: (1) dizajniranje (originalnog dela), (2) planiranje procesa uz podršku računara (orijentacija dela, raspoređivanje pri izradi više delova u jednoj operaciji, dizajniranje potpore, kompenzacije), i (3) programiranje proizvodnje uz računarsku podršku (lamelizacije, komande i kontrole). Neke kompanije za izradu softvera proširile su mogućnosti svojih CAD softvera za geometrijsko kreiranje, kao Imageware (SAD), tako da mogu biti primenljivi i u RP postupcima. Druge, pak, obezbeđuju softvere koji podržavaju specifične RP operacije, kao što je vizuelizacija STL podataka, transfer podataka, modeli podataka, ili generisanje potpornih struktura. Tipični predstavnici ove druge kategorije su Materialise (Evropa) i Brock Rooney and Associates (SAD). Kompanija Materialise nudi tri osnovna RP paketa: • • •

MAGICS (vizuelizacija, merenje, manipulacija i generisanje potpore za STL datoteku), tabela 6. Contour Tools (pronalazi, vizuelizuje i popravlja defektne konture, izvodi lamelizaciju, ispravke loših STL datoteka i generiše potpore iz datoteke o konturama), tabela 7. CT-Modeler System (kompletan interfejs od CT sken podataka ka RP i CAD). O njemu će biti reči u primeni RP u medicini.

Tabela 6: MAGICS softver - Materialise Nivo 1. MAGICS QM (Quotation Maker)

2. MAGICS RP

Karakteristike -

Vizuelizacija STL datoteke Tip vizuelizacije: žičani ram, senčenje, trouglovi,... Vizualna detekcija loših STL datoteka Generisanje 2D sekcija duž x,y,z- osa. Merenje u 2D i 3D Osnovne manipulacije: rotiranje, preslikavanje, re-dimenzionisanje Procena vremena izrade Pomeranje modela u cilju rasporeda na radnom stolu i orijentacija modela-definisanja prioritetnih površina

52

(Rapid Prototyping)

3. MAGICS SG (Support Generation)

-

Korišćenje teksta za pozivanje STL datoteka Proračun vremena izrade za optimizaciju produktivnosti mašine. Isecanje STL datoteka, uključujući i neravne profile isecanja. Probijanje otvora unutar STL datoteka da bi se izbegle zarobljene zapremine. - Automatsko i interaktivno generisanje potpore - Različiti nivoi izvršenja zbog zahteva klijenata - Šupljikave potporne strukture koje dopuštaju: * manju količinu smole * bržu izradu * lakše odstranjivanje * bolju drenažu - 3D vizuelizacija dela i potporne strukture - Brzo direktno slajsiranje potporne strukture optimalnim sken. šablonom

Tabela 7: CONTOUR TOOLS Softver - Materialise Nivo

Karakteristike

1. Interactive Slicer (CSTL) 2. Countourbased Support Generator (C-SUP) 3. Countour Tools ulazni i izlazni formati

-

Nesavršene konture se vide kao crvene Vršenje korekcija kontura jednog ili više slojeva Dodavanje/brisanje kontura (izbegavanje zarobljenih zapremina) Kompenzacija otklona po z- pravcu u SLI i CLI datotekama (takođe kreira šuplje delove). - Generiše potporne strukture na osnovu datoteke o konturama - Generiše šuplje potpore koje se brzo i dobro dreniraju i optimizira potporni materijal - 3D vizuelizacija -

SLC i SLI (3D Systems) CLI (EOS) SLC (Stratasys) F&S (Fockele & Shwarze) BIN (Sanders)

5.6. PRIMER PREDPROCESIRANJA U fazi (1) je dizajniran model u nekom od CAD- paketa (npr. CATIA- in modul NC Manufacturing > STL Rapid Prototyping). 53

sistem

generator

Verifikator i korektor

Orijentacija Skaliranje Formiranje mre`e

Verifikacija Datoteke

Lamelizacija

generator

procesiranje

Slika 37. Faze predprocesiranja

[ 2]

Za ovu fazu, Laboratorija za tehnologiju plastičnosti Mašinskog fakulteta u Banja Luci koristi CATIA V5R9, a mogu se koristiti i neki drugi softverski sistemi. Aproksimacija CAD- modela u obliku generisanja diskretne mreže trouglova se vrši u fazi (2), formirajući STL - datoteku (StereoLithography file), takođe primenom CATIA softvera. U sledećoj fazi (3) STL datoteka se aktivira softverom Thermo-Jet printer, gde je moguće obaviti nekoliko operacija: • • •

Orijentacija modela - definisanje prioritetnih površina, smanjenje zapremine potporne strukture; Kompenzacija - korektivne promene dimenzija (npr. korekcija za koeficijent širenja usled skupljanja materijala u procesu preciznog liva) Verifikacija STL datoteke i valjanosti rasporeda RP- modela na radnom stolu Thermo-Jet sistema

Lamelizacija (slicing) verifikovanog modela u fazi (4) je izvršena SLI generatorom koji je direktno implementiran na računaru u sklopu Thermo-Jet mašine. To znači da se na ovu fazu i njenu grešku ne može direktno uticati, ali se može direktno uticati kroz optimizaciju orijentacije modela (faza 3).

6. RP MAŠINE 6.1. KLASIFIKACIJA RP MAŠINA 54

Jedan broj eksperata je predložio klasifikaciju RP mašina, zasnovanu na fizici procesa koji se ostvaruju tim mašinama, odnosno na operacijama koje same mašine izvršavaju. Šema klasifikacije je uređena kao matrica (slika 38; 42 i 44). Horizontalna osa matrice predstavlja prikaz strategije, a vertikalna prikaz mehanizma. Strategija stvaranja slojeva, horizontalna osa matrice, predstavlja način definisanja oblika svakog sloja i direktno je analogna metodama koje se koriste za izradu oblika grafičkim štampanjem. Jedan pristup koristi raster tehniku, gde se oblik stvara kao serije pravih linijskih segmenata, koji se međusobno dodiruju ili delimično preklapaju. Ovaj metod se koristi za stvaranje slike na TV ekranu i najčešće se koristi za štampanje grafike. Alternativni metod je "iscrtavanje" makar spoljašnjih ivica vektorima. Unutrašnjost može biti ispunjena vektorskim ili, što je češće slučaj, raster tehnikom (kako je prikazano na šemama). Vektore iscrtavaju ploteri. Raster tehnika je brža, s obzirom da se ne zahtevaju nikakve promene smera i može biti rađena paralelno. Međutim, spoljne ivice dela izvedenog raster tehnikom, samo su približnog oblika u odnosu na zahtevani, sa greškama diskretizacije koje se javljaju na svakoj ivici koja nije paralelna sa pokretima rastera. Ovakva situacija se izbegava korišćenjem vektorskog pristupa. Mehanizam stvaranja oblika, vertikalna osa matrice, zapravo je klasifikacija mehanizama koji se koriste za definisanje 3D geometrije dela. U jednom slučaju, sve tri ose su definisane mehaničkim kretanjem. Na primer, 2D mehanički pokreti, korišćenjem postolja koje se kreće duž x i y ose, koriste se za definisanje geometrije svakog sloja, a treća dimenzija se postiže spuštanjem klipa vertikalno naniže. U alternativnoj metodi, svaki 2D sloj definisan je optički, a treća dimenzija se definiše tokom mehaničkog kretanja. Najčešća tehnika optičkog stvaranja oblika je korišćenje galvanometarskih ogledala. Matrice prikazuju reprezentativne tipove opreme većine prodavaca RP mašina i istraživačkih grupa, s napomenom da su mašine grubo podeljene na one sa dve optičke ose i na one sa svim mehaničkim osama. Sa druge strane, korišćenje vektora za spoljašnje konture sloja dominira nad raster tehnikom (ovo je u potpunom kontrastu prema stonim kompjuterskim štampačima, gde dominira raster).

6.1.1. GRUPA 1: LASER / OGLEDALO Najznačajnija klasa mašina koje su razvijene u Evropi i Japanu su mašine koje usmeravaju laserski snop korišćenjem galvo ogledala. Obe strategije stvaranja slojeva egzistiraju unutar ove klase, kako slika 38 prikazuje.

55

L . Photoli tho./ Tei jin-Seiki

SL S/D T M E osi nt/E OS

lk b rjo tv s m iz n a h e M

2 opti~ke ose 1 mehani~ka osa

SLA/3D Systems L.Photolitho./DM E C L.Photolitho.CM E T L.Photolitho./E OS L .Photoli tho./ Fockele& Schwarze

3 mehani~ke ose Strategija stvaranja slojeva

Vektor po spoljnoj liniji + ispunjavanje rasterom

Samo raster tehnika

Slika 38. Mašine koje koriste lasersko i optičko oblikovanje U najjednostavnijem slučaju, ova vrsta mašina sastoji se od lasera, fokusirajućih sočiva, i dve ose galvo ogledala (slika 39). Ispitivanje nekih od kritičnih elemenata ovog sistema i nekih od spornih pitanja koja vode ka većoj kompleksnosti ovog sistema, dovode do nekih zaključaka bitnih za opremu koja se sada proizvodi.

Galvo ogledala za 2 ose

Slika 39. Najjednostavnija konfiguracija sistema laser/ogledalo Režim rada galvo ogledala za skeniranje laserskog snopa, faktor je koji limitira učinak celokupnog sistema, jer od tog režima zavisi i brzina i tačnost izrade svakog sloja. S obzirom da ovaj element mašine može delimično biti odgovoran za konkurentnost RP opreme, ključno pitanje je da li bi proizvođači mašina trebalo da proizvode sopstvena ogledala ili da ih naručuju od specijalizovanih proizvođača (kao što je General Scanning)? 3D Systems se opredelio za obe opcije. U svojoj mašini SLA 250, koristi galvo ogledala koja je proizveo General Scanning. Međutim, kada je razvio mašinu SLA 500, odlučio se da napravi sopstvena ogledala, jer nije postigao zadovoljavajući režim rada upotrebom konzolnih ogledala. Svoja ogledala je primenio, i u izradi mašine 56

SLA 350. Teijin Seiki pravi svoje sopstvene skenere, dok DTM koristi skenere General Scanning- a. Kada ovi sistemi izrađuju sopstvene skenere, takođe prave i svoju kontrolnu elektroniku, koja je često zasnovana na slanju digitalnih signala. Zato se, u literaturi skeneri veoma često nazivaju 3D digitalizatorima .

[1]

Potreba za sve većim tačnostima izrade (posebno pri primeni fotopolimera) navela je projektante mašina da obezbede veću tačnost skeniranja galvo ogledalima. Tačnost skeniranja i brzine skeniranja, razlikuju se od mašine do mašine. Sve Teijin Seiki mašine koriste raster tehniku za izradu slojeva; pri brzini skeniranja od 15m/s, ostvaruju tačnost . Ova veća ± 12,5µm tačnost se može razumeti prepoznavanjem ovih mašina kao onih koje ne moraju da izvršavaju koordinisane pokrete u pravcu dve ose. Većina ostalih mašina ostvaruje tačnost skeniranja (EOS Stereos i DTM Sinterstation ± 50 µm 2000 pri brzini skeniranja 2m/s; SLA 500 i SLA 350, Kompanije 3D Systems pri brzini skeniranja 5m/s). Izuzetak je mašina EOS Eosint S700, koja pri brzini skeniranja od 2,5m/s ostvaruje tačnost skeniranja . Ova mašina ima dva ± 100µm lasera i dva skenera - dva lasera rade istovremeno, ili da bi proizveli jedan veći deo ili više manjih delova. Tačnost konačnog dela zavisi i od opreme i od materijala. Bržem napretku razvoja RP opreme, dominantno ograničenje leži u deformacijama koje se javljaju kod materijala. Ovo je posebno naglašeno kod procesa kao što je SLS proces, gde postoje značajne deformacije, ali, takođe i u SLA procesu. Postoji nada da će se, u budućnosti, sistemi materijala tako poboljšati da će njihova upotreba izbaciti potrebu da proizvođači opreme vrše reviziju svoje opreme i ponovo ih usavršavaju, kakav je do sada bio slučaj. Sistem laser/galvo ogledala, poput stožera vodi laserski snop da bi ga usmerio na radnu površinu. U najjednostavnijem sistemu, kao na slici 40, sočivo je postavljeno pre ogledala. Rezultat ovakvog sistema je da će snop biti u fokusu na samo jednom rastojanju od sočiva, duž optičke putanje ovog sočiva. Snop će biti u fokusu samo kada je usmeren ka središtu radne površine. Krećući se levo ili desno od te tačke, laserski snop, više nije fokusiran na radnoj površini već se tačka lasera povećava. Efekat je još izraženiji ukoliko su ogledala bliža radnoj površini i ukoliko je veća površina koja se izrađuje, s obzirom na veće uglove skretanja ogledala.

57

Problem: Skeniranje po ravnoj povr{i izobli~uje ta~ku Ve}a ta~ka lasera

Re{enje: So~ivo koje fokusira u ravni

So~ivo koje fokusira u ravni

Slika 40. Primena sočiva za rešavanje problema usmeravanja žiže laserskog zraka na površinu predmeta Postoji nekoliko mogućnosti za rešavanje ovog problema. U nekim sistemima, ovakva deformacija se toleriše. Posebno u sistemima sa velikim fokusnim tačkama, povećanje površina tih tačaka, uzrokovano kretanjem snopa do krajnjih radnih granica, smatra se tolerišućim efektom. Kod pojedinih oprema, dužina optičke putanje se namerno povećava korišćenjem sočiva većih fokusirajućih dužina. Mašine SLA 500 i SLA 350 (3D Systems), imaju ogledalo postavljeno na vrhu mašine s ciljem da duplira optičku putanju i vrati je nazad do skenera koji su postavljeni ispod. Rezultat ovakvog prilaza jeste da se znatnim pomeranjem skenera dalje od radne površine ostvaruju manji uglovi otklona laserskog snopa. Na taj način, skraćivanje putanje žižne tačke (pri kretanju snopa) od središta radne površine do njenih krajnjih granica, dovodi do smanjivanja veličine tačke lasera. Ovaj prilaz ima dodatnu prednost što omogućava snopu da bude bliži vertikalnom pravcu kada deluje na površinu rezervoara, što rezultira manjim deformacijama kružne tačke (manjim transformacijama u elipsu). Alternativno rešenje je principska modifikacija optičke putanje korišćenjem posebnog sočiva koje fokusira u ravni. Sistem sa takvim sočivom ima različitu dužinu fokusiranja, zavisno od pozicije sa koje laser deluje na sočivo. Zbog toga, takvo sočivo omogućava zadržavanje konstantne veličine fokusirane tačke na svim lokacijama. Međutim, ovakav optički element je jako skup, i njegova primena mora biti opravdana. Optimalan način "iscrtavanja" sken - vektora (odnosno formiranja lini-jskog segmenta sloja) korišćenjem sistema laser / galvo ogledalo, je onaj prilikom koga se formira vektor koji je ujednačen po dužini i ima istu širinu na početku, sredini i na kraju. Ukoliko se laser uključi na najveću snagu, a ogledala se, istovremeno, ubrzavaju, stvoreni efekat će biti kao na slici 41, gde je vektor širi u blizini krajeva, kada se tačka lasera ili ubrzava ili usporava a snaga lasera je veća od potrebne.

58

@eljeni skenirani vektor

Brzina snopa

Aktuelni skenirani vektor

Snaga lasera V reme

Slika 41. Uključivanjem lasera na najveću snagu odmah rezultira time da je sken vektor širi na početku i kraju Trenutno se koriste brojna rešenja za rešavanje ovog problema. Teijin Seiki koristi akustično-optički modulator (AOM) koji se postavlja između lasera i galvo/sistema. Ovim sredstvom moguće je izvršiti modulaciju širine impulsa snopa lasera koji prolazi kroz ogledala; cikličnom promenom režima snage lasera koja stiže do rezervoara, inženjeri su u mogućnosti da, efektivno smanje snagu lasera tokom ubrzavanja i usporavanja snopa, što rezultira ujednačenom gustinom snage lasera na površini rezervoara. D-MEC koristi svetlosni modulator velike brzine. 3D Systems koristi AOM, ali samo za uključenje i isključenje lasera na početku i na kraju vektora, a ne za modulaciju širine impulsa. 3D Systems proizvodi svoje sopstvene skenere i kontrolnu elektroniku, i ti sistemi velike brzine dozvoljavaju da se uticaj faza ubrzavanja i usporavanja na vektore svode na minimum.

6.1.2. GRUPA 2: LASER Sistemi sa laserima (slika 42) predstavljaju brojnu grupu sistema, u kojima sistemi sa laserima i galvo ogledalima predstavljaju samo jednu podgrupu.

lk b rjo tv s m iz n a h e M

2 opti~ke ose 1 mehani~ka osa

3 mehani~ke ose

SLA/3D Systems L .Photolitho./DM E C L.Photolitho.CM E T L.Photolitho./E OS L .Photoli tho./ Fockel e&Schwarze

L . Photoli tho./ Tei jin-Seiki

SL S/D TM E osi nt/E OS L.Photolitho.CMET L.Photolitho./Meiko L OM/Helisys LENS/Sandia Laser Generated RP/I PT

Strategija stvaranja slojeva

Vektor po spoljnoj liniji + ispunjavanje rasterom

Samo raster tehnika

Slika 42. Sistemi sa laserima 59

Veličina, tj. prečnik žiže lasera u različitim RP mašinama zasnovanim na laseru, uključujući oba tipa mašina i sa ogledalima i sa pokretnim postoljem za laser, kreće se, u većini slučajeva, između 150-200 ili 250μm. Postoji par izuzetaka, kao kod DTM mašina, koje imaju znatno veće tačke (400μm), i kod dve mašine sa znatno manjim veličinama žiže lasera: 3D Systems- ova Beta mašina (80μm) i Nagoja photomolding machine (5μm). Minimalna veličina žižne tačke lasera određuje se iz izraza: Minimalna veličina žiže

gde su: =

λ⋅ f , d

- talasna dužina svetlosti

λ - žižna dužina fokusirajućeg sočiva i f

- poluprečnik snopa svetlosti (snopa svetlosti svedenog na

d paralelne zrake, odnosno viziranog snopa), na ulazu u sočivo. Iz izraza proizilazi da se manja žižna tačka može ostvariti snopom velikog prečnika, koji ulazi u sočivo kratke fokusne dužine. U laser/galvo sistemima postoji prednost u pomeranju ogledala (samim tim i fokusirajućeg sočiva) daleko od radne površine u cilju bolje kontrole nad veličinom i oblikom žižne tačke. Međutim, kao što se može videti iz prethodnog, veća žižna dužina ( ) povećava minimalnu veličinu žiže koja se može ostvariti. f

U cilju uravnotežavanja ovih efekata, može se postaviti proširivač snopa na optičkoj putanji pre fokusirajućeg sočiva. Ovakvo rešenje je ugrađeno u mnogim laser/galvo sistemima. Ova strategija takođe ima ograničenja. Kako se povećava poluprečnik snopa, ogledala u galvo sistemu se moraju povećati u dimenzijama i masi, što može dovesti do smanjenja radnih sposobnosti. Međutim, većina laser/galvo sistema koristi proširivač snopa da bi se smanjila veličina žižne tačke na poluprečnike koji se obično kreću od 150-200 μm. U DTM- ovoj mašini veća žižna tačka (400 μm) proističe iz toga što mašina nije opremljena proširivačem snopa. Neke SLS mašine koriste koncentrične duple snopove. Veći snop predgreva i otpušta prah, dok se unutrašnji snop primenjuje pri sinterovanju. "Beta" mašina, Korporacije 3D Systems, ostvaruje prečnik žižne tačke od 80 μm. Beta mašina, zapravo, predstavlja modifikaciju mašine SLA 250, izvršenu nakon testiranja beta - zracima. U ovoj mašini primenjuje se nekoliko režima rada HeCd lasera, što omogućava da se snop može fokusirati u manju žižnu tačku. U procesu se gubi većina energije beta zračenja. 60

Postizanje malih žižnih tačaka, dobro kontrolisanih veličina, je lakše u mašinama koje su opremljene postoljem. Na primer, u LOM mašini, fokusirajuće sočivo je postavljeno na platformi i znatno je bliže radnoj površini (na približnom rastojanju od 10 - 15 cm) nego što je to slučaj kod mašina sa galvo ogledalima. Zbog toga nema potrebe za postavljanjem proširivača snopa pre sočiva. Osim toga, ne postoji promena upadnog ugla snopa, pa, shodno tome, nema deformacije oblika snopa. Mašina za fotopresovanje (Nagoja) namenjena je za mikroelektromehaničku primenu (MEMS), pa zato koriste vrlo male žiže (5 μm). Konstrukcija ove mašine na principu platforme pomaže u postizanju tako malog poluprečnika žiže. Moguća strategija laser mašina jeste promena veličine fokusiranja tačke u zavisnosti od geometrije oblika koja se stvara. Na primer, žiža malih dimenzija može biti korišćena za skeniranje po obimu dela, vektorskim pokretima sa finim detaljima, nakon čega se može koristiti veća žiža za ispunjavanje unutrašnosti dela raster tehnikom. Starije DMEC i CMET mašine imaju ovu mogućnost. Mnoge mašine od prethodno pomenutih su mašine za fotolitografiju tako da je nanošenje sloja važan aspekt pri dizajniranju i projektovanju režima rada ovih mašina. Korišćenje tehnika nanošenja može uticati (1) na svojstva smola, (2) na odstupanje oblika površine koja nastaje otvrdnjavanjem smola (teži se da što manje odstupa od ravne površine), i (3) na brzinu nanošenja sloja. Postoje četiri principa koja se koriste kod mašina sa rezervoarima sa polimerom: (a) duboko potapanje, (b) obrnuto "U", (c) viskozno zadržavanje, i (d) prinudno razmeštanje (slika 43). Metod "dubokog potapanja" je najrasprostranjenije korišćen metod za nanošenje sloja. Kako slika 43.a. pokazuje, platforma koja nosi deo najpre se spušta na veću dubinu od željene debljine sloja, čime se omogućava da tečni polimer za veoma kratko vreme preplavi gornju površinu prethodno izrađenog sloja. Platforma se, zatim, diže na onu visinu koja će omogućiti da se između gornje površine sloja i površine polimera nalazi potrebna debljina fotopolimera. Pri tome, se, zajedno sa delom, podigne i jedan suvišni deo neočvrslog polimera. Brisač, zatim, kretanjem preko površine, odstranjuje suvišni materijal, ravna sloj i dovodi ga do željene debljine. Ovaj metod predstavlja napredak u odnosu na prethodan, gde je sila gravitacije vršila nanošenje. Ovaj metod je bio spor, s obzirom na viskoznost polimera. Međutim, delovi čija je geometrija slična delu na slici 38.a., pate od problema "zarobljenih zapremina" smole. Pri kretanju brisača preko takve zapremine, smola unutar ove zapremine može biti uklonjena, što dovodi do toga da debljina sloja posle ovakvog ravnanja nije kao što je zahtevana. Ovaj metod koriste 3D Systems i DMEC. Slika 43.b. prikazuje metodu "obrnutog U", gde je brisač vrši i nanošenje smole, iznad slobodne površine rezervoara, gde se smola oslobađa. Punjenje "obrnutog U" može biti kapilarno, elektrostatičko ili vakuumsko. Ovaj metod je relativno otporan na problem "zarobljenih zapremina" i može biti brži od dubokog potapanja, s obzirom da nijedan stadijum ne zavisi puno od gravitacionog tečelja materijala. CMET koristi kapilarno ispunjavanje brisača. 61

Fockele & Schwarz koriste elektrostatički metod, mada se čini da on ne funkcioniše podjednako dobro sa svim polimerima. 3D Systems koristi vakuumski metod. Slika 43.c. prikazuje metod "viskoznog zadržavanja". Četka ili sito (u zavisnosti od smole) se postavlja između dva brisača. Dok se stvara sloj, brisač je potopljen u rezervoar. Kada dođe vreme da se ponovo nanese naredni sloj tečne smole, izranja i prelazi preko površine rezervoara, i materijal ističe van pod dejstvom gravitacije u količinama određenim viskoznošću smole. Zatim se površina obradi brisačem i dobija svoj finalni izgled. Ovaj metod primenjuje Teijin Seiki. Slika 43.d. prikazuje metod korišćenja pumpe za prinudno razmeštanje, koja nagore doprema materijal za formiranje sledećeg sloja. Ovaj metod koristi EOS.

a) duboko potapanje b) “Obrnuto U ” (kapilarno, elektrostati~ko, vakuumsko) c) viskozno zadr`avanje d) pumpa za prinudno razme{tanje Slika 43. Metode nanošenja sloja u laserskoj fotolitografiji

6.1.3. GRUPA 3: SVE OSE MEHANIČKE Trenutno ne postoji preovlađujuća tehnologija za ostvarivanje mehaničkih kretanja u RP mašinama. Široka raznovrsnost tehnologija koje se generalno koriste u industriji, primenjuju se i u RP mašinama, sa usredsređivanjem na osavremenjavanje elektronskih komponenti (što je u suprotnosti sa konvencionalnim industrijskim mašinama, gde se osavremenjuju hidraulične i pneumatske komponente). Često jedna ista mašina koristi različite pristupe za različite ose. U većini slučajeva, kontrola se poboljšava ili korišćenjem koračnog ili servo motora sa rotacionim uređajem za kodiranje na motoru, ali neki slučajevi takođe postoje sa linearnim uređajem za kodiranje na kliznom delu mašine. Uopšte govoreći, organizacije za istraživanje naginju kupovini integrisanih uređaja za kretanje, dok organizacije za komercijalizaciju često kupuju elemente mašine i vrše sopstvenu montažu. Velika grupa mašina spada u klasu mašina sa svim mehaničkim osama (slika 44). 62

lk b rjo tv s m iz n a h e M

2 opti~ke ose 1 mehani~ka osa

3 mehani~ke ose

L.Photolitho./CMET,Meiko BallisticParticle/Parception Fused Dep Model/Stratasys Multi-phaseJet/IFAM and IPA LOM/Helisys, SAHP/Kira Laser Generated RP/IPT ShapeDep Model/CMU, Stanford

Strategija stvaranja slojeva

Vektor po spoljnoj liniji + ispunjavanje rasterom

Samo raster tehnika

Slika 44. Mašine sa svim mehaničkim osama Značajna podgrupa svih RP mašina sa svim mehaničkim osama, je podgrupa mašina koje dopremaju materijal. Sredstvo kojim se doprema materijal je, u najopštijem slučaju, kritičan deo ovih tehnologija i često (možda i uvek) određuje odgovarajuću konstrukciju i razvoj mašine. U FDM (Fused Deposition Modeling) tehnologiji, koju primenjuje Stratasys, glava za istiskivanje mora da doprema materijal precizno definisane temperature da bi se moglo vršiti vezivanje, a da se pri tome zadržava isti oblik istisnutog materijala. Osim toga, kontrola širine istisnutog segmenta odlučujuća je u dimenzijskoj kontroli procesa. U BPM (Ballistic Particle Manufacturing) tehnologiji i 3D Printing- u, ink jet glave štampača koje se koriste za dopremanje materijala određuju geometriju komponenti. BPM ima i dodatni zahtev za kontrolom tačnosti temperature kapljica materijala da bi se mogle pravilno spojiti sa delom. U 3D Printing- u, potpuno iskorišćavanje mogućnosti postupka da nanosi različite materijale na raznim lokacijama, zahteva razvoj glave štampača, da se može prilagoditi različitim vezivnim materijalima. U LENS postupku, Laser Generated RP postupku, i u drugim sličnim tehnikama tehnologija dopremanja materijala do zone topljenja laserom, presudna je za postizanje zahtevanih svojstava materijala, a moguće je, i za postizanje dimenzijske kontrole duž vertikalne ose. U SDM (Shape Deposition Manufacturing) tehnologiji brizgaljka za nanošenje je kritični element za mogućnost korišćenja željenih svojstava materijala.

RP mašine koje izrađuju proizvode korišćenjem materijala u slojevima (tablama, listovima, folijama) podgrupa je mašina sa svim mehaničkim osama. Veoma su efektivne za mek materijal (papir, folije). 63

Međutim, kada su u pitanju tvrđi materijali, iako postoje mašine koje stvaraju 2D oblike optičkim putem, priroda i brzina mehanizama za sečenje 2D oblika sloja, ukazuju da je mehanička obrada, verovatno, pogodnija. Većina mehanizama za sečenje koji se već koriste ili razmatraju, su masivna ili imaju velike sile međudejstva za ostvarivanje kontakata između slojeva. Izuzetak je lasersko sečenje, ali u ovom slučaju, brzine sečenja su male kao i kod oblikovanja u stereolitografiji. Mehanička obrada ima veće prednosti u odnosu na ove operacije. Tabela 8 sumira interesantne odlike i suprotnosti između dva različita pristupa RP procesa sa papirom, kao dovedenom sirovinom, koji se praktikuju u LOM mašini (Helisys) i mašini za SAHP tehnologiju (selektivno adheziono i vruće presovanje), od strane Kira Korporacije, Japan. SAHP mašine imaju takvu konfiguraciju kakvoj se stremi u Japanu. Tabela 8: Upoređenje tehnologija LOM/Helisys i SAHP/Kira LOM Površina izrade Snabdevanje papirom Metod laminacije Primena adhezivnog sredstva Sečenje papira

500 x 760 mm Papirne rolne Vrući valjak Prethodno nanet na rolnu laser

SAHP 280 x 400 mm Ravni listovi papira Vruća presa Selektivni laserski štampač Ploter sa nožem

CO2 Radna sredina

Laboratorija ili radionica

Kancelarija

LOM može da pravi dosta velike delove od papira kao sirovine. U LOM- u, adhezivno sredstvo se predhodno nanosi na rolnu i novi sloj se dodaje da se spoji sa prethodnim slojem metodom laminacije vrućim valjanjem. Laser seče listove. Korišćenje lasera u tu svrhu ograničava ovaj proces na laboratoriju ili radionicu. Prednost SAHP mašine jeste da se njome mogu izrađivati proizvodi u kancelarijskom okruženju. Mašina radi sa isečenim listovima papira i selektivno dodaje adheziono sredstvo laserskim štampačem. Posle laminacije metodom vrućeg presovanja, list se seče ploterom, korišćenjem specijalnog noža. Osnovni nedostatak SAHP mašine jeste ograničenost površine izrade. Manja ograničenja odnose se na potrebu periodične zamene noža, i činjenicu da je papir osetljiv na vlagu. Obe tehnologije, odnosno mašine, prave rez koji je upravan na list materijala. Sledeća tačka istraživanja jeste sečenje sloja na taj način da mu ivice budu zakošene da bi se smanjio efekat "stepenastih" prelaza. Case Western Reserve (SAD) istražuje 4- osno sečenje laserom. Većina ovih radova je vršena sa livenim slojevima keramike (slojevi koji se prave od čestica keramike koje se međusobno spajaju polimernim vezivom). U tom slučaju, sloj je isečen pa zatim spojen; bilo bi teško zamisliti kako bi se moglo izvesti sečenje pod uglom ako bi se prvo slojevi spojili, a zatim sekli, i zato se sečenje mora završiti odmah nakon prvog sloja, i zbog toga što bi duže sečenje sa zakošenjem bilo teško kontrolisati sa neophodnom tačnošću. Posao koji je započet u MIT- u, a nastavljen u Polytechnic Institutu istražuje alternativne 64

metode 4- osnog sečenja metalnih slojeva, uključujući laser, vodeni mlaz i tehnike mašinske obrade. Profesor Nakagawa, Univerzitet u Tokiju, namerava da napravi mašinu za laminaciju metala za izradu velikih alata, sečenjem slojeva metala sa veoma malim uglom zakošenja.

6.1.4. GRUPA 4: TEHNOLOGIJA OBRADE TOPLOTOM Postoji široka klasa mašina koja ima zajedničku odliku da obrada toplotom igra bitnu ulogu tokom RP postupaka. Obrada toplotom bitna je zbog sledećih odlika: (1) generisanja termičkih napona u proizvedenom delu, i (2) postizanja željenih fizičkih svojstava dela. Izrada opreme za poboljšanje termičke kontrole često je jedan od najizazovnijih aspekata ovih procesa. U FDM procesu, već je rečeno da je kontrola temperature istisnutog materijala kritičan momenat. Međutim, kontrola temperature atmosfere oko dela je važna za kontrolu njegove deformacije. Na sličan način, u SLS postupku, kontrola sredine i praha je ključna za kontrolu zaostalih napona i deformacija. Ova kontrola je poseban izazov, jer se posuda sa prahom mora održavati na povišenoj temperaturi, da bi se još više smanjilo stvaranje napona. U procesima laminacije kao što je vruće valjanje (LOM) ili vruće presovanje (SAHP), izrada ovih laminatora (valjka ili prese) mora biti takva da napone svede na minimum, i u tom cilju se ulažu veći napori. U SDM tehnologiji, smanjivanju napona koji se javljaju pri nanošenju sledećeg sloja posvećuje se velika pažnja. U LENS i sličnim procesima, do sada nisu razmatrane nikakve studije o zaostalim naponima; međutim, moguće je da takvi naponi mogu jako da zavise od parametara obrade.

6.2. KARAKTERISTIKE RP MAŠINA FDM 3000 je mašina firme Stratasys i koristi tri jedinstvena i specijalizovana postupka - QuickSlice®, SupportWorks i WaterWorks. TM

QuickSlice® automatski i brzo procesira STL datoteku, matematički je lamelizuje i pozicionira model. SupportWorks automatski generiše potporne TM

strukture ako to postupak zahteva (slika 45).

65

Slika 45. FDM 3000 - Stratasys

[ 5]

FDM Maxum. - Radni prostor ove mašine je među najvećima u RP industriji, pa je moguća izrada većih delova, dimenzija do 600 x 500 x 600 mm. Najbrža mašina (trenutno) u Stratasys- u - 50% brža od prethodnog modela. Koristi Magna Drive tehnologiju precizne kontrole kretanja opreme, TM

zasnovanu na korišćenju mikročipova. Ova tehnologija omogućava da se glava za istiskivanje glatko kreće preko sloja vazduha, dok elektromagnetni impulsi beleže njen položaj. Koristi Insight softver u fazi predprocesiranja (slika 46). TM

66

Slika 46. FDM Maxum - Stratasys

[ 8]

Prodigy Plus - Stratasys, omogućava izradu prototipova na radnom stolu. Masa mašine je svega 136 kg. Prodigy Plus preuzima CAD datoteku i preobraća je u proizvod kada god je to potrebno. Jednostavno se priključi, ubaci patrona sa materijalom i slede navodi na displeju. Prodigy Plus je tih, kompaktan i bezbedan. Koristi Insight, ulazno - izlazni softver, koji radi sledeće - lamelizaciju, izradu potpore i generiše datoteku izrade modela. Po pitanju brzine i detalja, postoje tri opcije: fino, standardno i grubo (slika 47).

Slika 47. Prodigy Plus -Stratasys

[ 5]

Na slici 48 prikazan je SLA integrisani sistem kompanije 3D Systems. Sistem se sastoji od CAD i SLA modula. Desno se nalazi CAD modul, koji izvršava 3D modeliranje, a zatim konverziju, testiranje i optimizaciju podataka o modelu, čitljivih za SLA modul. Levo se nalazi SLA modul koji laserskom tehnikom procesira čvrsti realni model iz tečnog fotopolimera, na osnovu podataka poslatih sa CAD modula.

67

Slika 48. SLA 5000 - 3D Systems

[ 4.1]

Dimenzije izrade: Delovi do 1500 x 600 x 500 mm Postignuta tačnost: ± 0,1 − 0,2%

Materijal za obradu: različite vrste smola: Rigi Pox, Poly Pox, Dura Pox, Clear Pox. Debljina sloja: 0,125-0,2 mm

Slika 49. KSC - 50 - Kira 50

[1]

Na slici 49 prikazana je RP mašina za laminaciju. Dimenzije izrade: 400 x 280 x 300 mm

68

Postignuta tačnost:

mm ± 0,2

Materijal za obradu: listovi papira

Slika 50. MultiJet - Stratasys

[ 4.3]

69

7. PRIMENA RP U LIVENJU METALA 7.1. INJEKCIONO LIVENJA METALA RP injekciono livenje, često nazivano i livenje sa gubljenjem voska, predstavlja postupak preciznog livenja metalnih delova, približnih količina korišćenjem gotovo svih legura. U ovom postupku, vosak predstavlja uloženi materijal. Istorijski razvoj ovog postupka započinje izradom umetničkih dela. U skorije vreme se, najčešće, koristi za proizvodnju komponenti kompleksnih oblika a često i za livenje delova tankih zidova. Postupak injekcionog livenja započinje izradom modela (šablona) od materijala koji se, kasnije u postupku, odstranjuje. Taj model ima isti osnovni geometrijski oblik kao i završni odlivak, sa tom razlikom što model ima malo veće dimenzije (slika 51.a.). Modeli se obično izrađuju od voska za injekciono livenje, koji se ubrizgava u metalni kalup za oblikovanje. Ukoliko se livenje vrši konvencionalnim metodama, ovaj metalni kalup je neophodan. Njegova izrada često staje desetine hiljada dolara i zahteva nekoliko meseci za izradu. Primenom modela izrađenim RP postupkom, postiže se znatna ušteda u novcu i vremenu. Kada se voštani model izradi, spaja se sa ostalim elementima alata za livenje od voska, da bi se formirao sistem za dopremanje metala (slika 51.b.), koji se naziva ulivni i protočni sistem. Celokupni voštani agregat se zatim potapa u keramičku suspenziju, i oblaže peskom (slika 51.c.), a zatim suši. Potapanje i oblaganje peskom se više puta ponavljaju, sve dok se na površini voska ne formira ljuštura debljine č 6 - 8 mm.

Model od voska U livni sistem od voska. Oblaganje modela peskom.

Slika 51. Opis postupka injekcionog livenja 70

Kada se keramički pesak osuši, čitav se agregat postavlja u parni autoklav, odnosno u sud u kome, pod dejstvom pare na povećanom pritisku i temperaturi, dolazi do hemijske reakcije između pare i voska, i vosak se, uglavnom, odstranjuje topljenjem (slika 52.a.). Posle toga, zaostala količina istopljenog voska koja je ostala unutar keramičke ljuske izgori u peći (slika 52.b.). Na ovom nivou, celokupan vosak, od koga je izrađen model i ulivni/protočni sistem, je uklonjen, a ostao je keramički kalup. Kalup se tada predgreva do određene temperature i ispunjava istopljenim metalom, što na ovom stadijumu (slika 53.a.) predstavlja livenje metala. Kada se odlivak dovoljno ohladi, ljuštura (kalup) od keramike se oljušti i sastruže sa odlivka. Zatim se zaostali delovi ulivnog i protočnog sistema (slika 53.b.) odstranjuju sa odlivka sečenjem i konačno, vrši se postprocesiranje, odnosno naknadna obrada odlivka (peskarenjem, mašinskom obradom, itd). K alup se sme{ta u parnu autoklavu, da bi se odstranio vosak.

Para pod velikim pritiskom Zaostali vosak u ljusci seodstranjuje paljenjem.

Prikupljanje “izgubljenog” voska

Slika 52. Opis postupka injekcionog livenja (nastavak)

Ulivanje metala.

Metalni deo sa ulivnim i proto~nimsistemom.

Slika 53. Opis postupka injekcionog livenja (nastavak) Najveći značaj RP postupaka na injekciono livenje jeste njihova mogućnost izrade modela visokog kvaliteta, bez utrošenog novca i vremena na izradu kalupa za precizno livenje tog istog modela. Naime, RP tehnologija omogućava njegovu izradu direktno iz kreiranog geometrijskog CAD modela. U 71

današnje vreme moguće je proizvesti kompleksni model za nekoliko sati i pripremiti sve za livenje za nekoliko dana. Injekciono livenje obično se zahteva za izradu kompleksnih oblika, kada su drugi proizvodni postupci isuviše skupi i oduzimaju suviše vremena. Sledeća prednost RP livenja jeste niska cena proizvodnje odlivaka u manjim serijama.

7.2. PRIMENE RP U OSTALIM POSTUPCIMA LIVENJA METALA Jasno je da su SAD vodeće u primeni RP postupka u sferi livenja metala. Metalni odlivci, koji se dobijaju prethodno opisanim postupkom korišćenja RP modela, imaju široku primenu: za potrebe industrije, kao roba za široku potrošnju, za avio i automobilsku industriju, a sve je naglašenija i primena u pojedinim granama medicine. Korišćenje RP modela u postupku injekcionog livenja metala nastavlja da dobija sve veći značaj, s obzirom na usavršavanje RP tehnologija i poboljšanje kvaliteta RP modela. Industrija injekcionog livenja je dugo bila skeptična u vezi primene uloženog modela proizvedenog nekom drugom RP tehnologijom osim SLS; najzastupljeniji su bili SLS modeli od tradicionalnih voskova. Međutim, kompanija 3D Systems je razvila postupak (nazvan QuickCast ), koji TM

omogućuje da SLA modeli budu prihvatljiviji u postupku injekcionog livenja. S obzirom da se SLA smole ne tope, već se pri izlaganju toploti pretvaraju u pepeo, QuickCast modifikuje postupak izrade, tako da je unutrašnjost TM

modela šuplja, i u njoj se nalaze samo tanke potporne strukture u vidu rešetke. Pri žarenju keramike, QuickCast model kolabira, pretvarajući se u pepeo. TM

Nastala količina pepela, pri tome, minimalna je zbog male ukupne količine materijala modela, odnosno uzorka. Već postoji značajan broj proizvođača RP tehnologija, koji primenjuju svoje tehnologije za postupke livenja metala, ne samo za injekciono livenje, već i precizno livenje u pesku, izradu alata, i sl., kako to pokazuje tabela 9.

Tabela 9: Primena različitih RP postupaka u oblasti livenja metala Postupci livenja Injekciono livenje

Primena u livenju metala QuickCast uzorci TrueForm, kompozitna sintetika, polikarbonati Voštani uzorci Uzorci od papira (za

RP postupci i proizvođači SLA, 3D Systems SLS, DTM FDM, Stratasys 3D Plotting, SMM SGC, Cubital LOM, Helisys

72

ograničenu primenu) Kalupi od keramike rađeni direktno iz CAD modela Uzorci od polistirena Uzorci od epoksi smola Uzoci od poliuretanskih akrilnih smola Uzorci od smole SOMOS 4100 (u fazi razvoja) Uzorci od Exactomer smole, korišćenjem Skin&Core softvera Uzorci od epoksi smola za precizno livenje TrueForm, kompozitna sintetika, polikarbonati za precizno livenje Uzorci od papira Kalupi i jezgra direktno iz CAD modela, korišćenjem peska obloženog polimerom Uzorci od epoksi smole (Soft tooling) TrueForm, kompozitna sintetika polikarbonati (soft tooling) RapidTool za izradu

Livenje u pesku

Izrada alata za livenje metala

DirectShell Production Casting, Soligen SLS, EOSINTP Solid Object Ultra- violet Laser Plotter (SOUP), CMET Sony Solid Creator, CMET Soliform Solid Forming System, Teijin Seiki Electro Optical Systems, EOS SLA, 3D Systems SOUP, CMET SLS, DTM LOM, Helisys SAHP, Kira Solid Center SLS, EOSINT

SLA, 3D Systems SLS, DTM SLS, DTM

TM

Livenje u gipsu Livenje u livačkom ramu

alata za livenje metala (Hard Tooling) Uzorci za zalivanje gipsom Delovi kalupa se umeću u livački ram

Meiko, Japan SGC, Cubital

7.3. ZNAČAJ LIVENJA METALA Korišćenje RP tehnologija za injekciono livenje metala je ograničeno, ali se sve više može sresti u primeni. Sve većim korišćenjem CAD modeliranja, sve više se primenjuju RP postupci pri proizvodnom injekcionom livenju metala. Proizvođači RP tehnologija u Evropi i Japanu prepoznali su potencijal livenja metala, podržanog najpre CAD modeliranjem a zatim RP tehnologijama izrade modela za livenje. S druge strane, potražnja metalnih odlivaka konstantno raste. Dassault Aviation (Francuska) vrši livenje kompleksnih odlivaka korišćenjem SLA QuickCast modela. Njihovi inženjeri sarađivali su sa nekoliko livnica na razvoju parametara postupkaa injekcionog livenja. Takođe poseduju sertifikat sa dozvolom o korišćenju tako proizvedenih odlivaka kao prototipova za testiranje elemenata letilica. Dakle, kada je potrebno napraviti model od 73

realnog materijala (u ovom slučaju metala), injekciono livenje predstavlja jednostavan, jevtin, brz i pouzdan način da se izvrše neophodna testiranja. Kada je Mercedes-Benz konstruisao novi blok motora sa 4 cilindara korišćenjem CATIA softverskog paketa, taj je model poslao 3D Systems Techical Center- u, Nemačka, da bi proizveli model za injekciono livenje. Kompletiran model je, zatim, poslat u Solidiform Inc., u Dalasu, da bi se tamo izvršilo injekciono livenje. Završen aluminijumski odlivak je, zatim, poslat nazad u Mercedes-Benz. Ovaj primer kooperativnog rada dosta je čest, a sprovodi se u cilju značajne uštede u vremenu i ceni. Schneider Prototyping, najveći servisni biro u Nemačkoj, razvio je postupak livenja metala korišćenjem SGC postupka, Cubital. Cubital razvija postupak izrade modela od voska njegovim ulivanjem unutar tanke ljušture od polimera, koja se odstranjuje. Fraunhofer Institute (IFAM) koristi FDM tehnologiju, Stratasys, za proizvodnju modela od voska za injekciono livenje. Takođe je uključen u projekat injekcionog livenja medicinskih implantanata, udružujući napore sa medicinskim klinikama, proizvođačima implantanata i livnicama. INCS Inc., najveći je servisni biro u Japanu. On koristi SLA mašine 3D Systems- a u proizvodnji QuickCast modela za injekciono livenje. U cilju korišćenja Ciba Tool 5180 epoksi smole za izradu modela sarađivao je sa livnicama. Nakamura Pattern Company, Japan, je uključio LOM mašine u svoju proizvodnju, i koristi ih za kompletnu izradu kalupa za livenje u pesku. U zavisnosti od zahtevane tačnosti, kompanija bira između CNC obrade (CNC glodalicom za drvo) i LOM mašine pri izradi kalupa. CNC koristi za veću preciznost, dok se LOM mašinom lakše upravlja i brže radi. Hino Motors, Ltd., korisnik je SLA 500 mašine, 3D Systems- a. Trenutno vrše proces povećanja gradijenta te mašine u cilju izrade modela za injekciono livenje korišćenjem QuickCast softverskog paketa u CibaTool 5180 epoksi smole. Njihovi inženjeri vide i potencijal u korišćenju proizvedenih SLA modela i njihovoj primeni za livenje u pesku. Tokuda Ind., koristi Kira Solid Modeler mašinu za izradu papirnih kalupa za livenje u pesku. Njihov je zaključak da su tačnost i kvalitet površine nezadovoljavajući, kao i to da, iako je Kira- in proces jevtiniji, sporiji je od CNC glodanja. Kod nas se injekcionim livenjem bavi samo nekoliko preduzeća i to livnica preduzeća "Krušik" u Mionici i "Potisje" iz Ade. Uobičajen termin za ovu vrstu livenja kod nas je precizni liv. Kao uzorci koriste se voštani modeli, koji se liju u kalupima. Kod ovih preduzeća nije za sada primenjena SFF tehnologija za brzu izradu modela.

74

8. PRIMENA RP U BRZOJ IZRADI ALATA (RAPID TOOLING) Brza izrada alata (Rapid Tooling) je način pretvaranja nefunkcionalnih modela, konstruisanih nekom od različitih tehnika brze izrade (Rapid Prototyping), u funkcionalne prototipske delove. Ovo se očigledno ostvaruje u postupcima livenja kao što je injekciono livenje, gde se izrađuju RP modeli kao uzorci za livenje, proizvedeni SLA, SLS, LOM ili drugim postupcima. U nekim slučajevima, deo proizveden RP postupkom može biti konačan deo, ali, u principu, materijali koji se koriste u tim postupcima nemaju dovoljnu jačinu, a takođe i delovi koji se izrađuju njima nemaju visoku tačnost, da bi se koristili kao alati. Međutim, razvijene su, i stalno unapređuju, neke tehnike koje omogućuju da i RP model bude direktno korišćen u izradi alata, o čemu će biti reči. Rapid Tooling- om se modeli, izrađeni nekom od RP tehnologija, mogu upotrebljavati na dva načina: (1) kao model (uzorak) za izradu negativnih otisaka modela, odnosno izradu kalupa za livenje, i (2) kao kalupi za jednokratnu upotrebu (jedno livenje). Zbog mogućnosti njegove primene u brzoj izradi alata, RP model postaje manje značajan od razvoja alata. Alati moraju biti urađeni po tehničkim zahtevima i da obezbede dovoljno dug period eksploatacije. Prilikom primene RP postupaka u izradi alata, mora se razmotriti određeni broj uslova. U nekim slučajevima, delovi ili alati moraju biti obloženi tankom metalnom prevlakom, da bi se produžio njihov vek eksploatacije u agresivnim sredinama. U drugim slučajevima, neophodna je izrada steznog pribora tog dela, da bi mogao biti kontrolisan u mernim mašinama (merenjem koordinata), ili da bi se mogao obrađivati EDM mašinama. Alat se može izrađivati na dva načina: – –

direktno, primenjujući odgovarajući RP postupak (direktna izrada alata) korišćenjem RP modela na osnovu koga se izrađuje alat (inverzna izrada alata)

75

8.1. DIREKTNA IZRADA ALATA SLA POSTUPKOM Često se primenjuju i stalno unapređuju tehnike nanošenja metalnih prevlaka (najčešće nikla ili cinka) na površine delova ili alata izrađenih nekom od RP tehnika izrade plastičnih delova (npr. SLA postupkom), u cilju površinske zaštite i izrade alata. Te tehnike uključuju elektroplatiranje (galvanizaciju), elektrolizu, nanošenje raspršenog metala i sl. Prva prednost prevlaka je da komponenta, koja je inače lomljiva, ukoliko se prevuče slojem metala, poprima nove karakteristike , postaje čvršća i otpornija na dejstvo agresivnih sredina, tj. prisustvo određenih gasova, što omogućava da deo, komponenta ili alat budu primenjivi u strožijim režimima rada. Osim toga, postoji još jedna veoma značajna odlika prevlaka. Prevlake ispunjavaju "stepenaste prelaze" na površinama dela, tako da površine postaju glatke, nakon obrade peskarenjem. Ove tehnike se ispituju u IPA Institutu u Štutgartu. Istraživači IKP i ICT nisu posebno zainteresovani za primenu tehnika koje koriste negative i pozitive modela kao uzoraka za izradu kalupa; oni više vole da direktno proizvode delove kalupa korišćenjem EOS stereolitografije, direktno iz CAD modela, ali ih, zatim, postavljaju u čelične ramove, ojačane aluminijumskom sačmom i epoksi smolom, da bi kalupi bili otporniji na veće pritiske pri presovanju. Međutim, delovi izrađeni u ovakvim kalupima pokazuju znake habanja i ostatke rubova od kalupa. Ovom direktnom tehnikom, u ICT- u se proizvede udubljenja i jezgra u kalupima za plastično oblikovanje, korišćenjem 3D Systems- ovog SLA postupka i SLR - 5180 epoksi smole. Iz jednog kalupa mogu proizvesti oko 200 delova, od materijala kao što su : polistiren na 240ºC i 1000 bar- a; ASA na 210ºC i 900 bar- a. Ciklus izrade je 40 s. Delovi ovakvih kalupa ugrađuju se u čelične ramove. Ovakvi kalupi se najčešće koriste za izradu električnih utikača. Takođe se istražuje mogućnost uključivanja ojačavajućih vlakana i staklenih niti unutar SLA smola. Te su komponente providne i provode energiju lasera, što alate i delove čini otpornijim na vlagu (postiže se manja poroznost). Takav alat može da proizvede oko 180 ABS delova pre toplotne deformacije pri kojoj alat postaje neupotrebljiv. Postoji i program razvoja kalupa za plastično oblikovanje prototipskih proizvoda, za koje se predviđa smola 50 - 70% ispunjena neorganskom komponentom. Smola zahteva naknadno termičko očvršćavanje.

8.2. INVERZNA IZRADA ALATA SLA POSTUPKOM Istraživački timovi IFAM- a (Štutgart) i Daimler-Benz- a koriste FDM postupak za modeliranje pri izradi odlivaka i alata za oblikovanje. Na slici 54 76

prikazano je kako se RP modeli koriste za izradu odlivaka i alata za oblikovanje od realnih materijala. U postupku se koriste dvokomponentni materijali koji polimerizuju pri mešanju. Zato se postupak naziva Reaction Injection Moulding (RIM). K ada se zahtevaju udubljenja kao {to su kalupi Negativ kalupa (osnovni)

Model (osnovni)

Kada se zahtevaju modeli kao {to su alati za oblikovanje Model (osnovni)

Negativ modela

Negativ kalupa (osnovni)

Model

Izrada kalupa Kompletiranje kalupa

Ispunjavanje

Proizvod Alat za oblikovanje

Odlivak

Slika 54. Način korišćenja RP modela u izradi kalupa i alata za oblikovanje Postupak izrade alata (slika 54, levo) započinje izradom negativa modela, najčešće SLA tehnologijom, jer obezbeđuje veću tačnost u odnosu na druge postupke. Ovaj negativ modela koristi se kao uzorak za izradu kalupa u kojem će se izliti alat za oblikovanje. Negativ modela se, zatim, galvanizuje. Proces galvanizacije ne stvara napone u materijalu i ne razvija toplotu. Takođe, površina obložena metalom, postaje čvršća i tačnija. Sledeći korak je postavljanje takvog negativa u prethodno izrađenu, 3 mm debelu, SLA školjku. Između negativa modela i školjke postoji međuprostor, sa svake strane, po 3 mm debljine.

77

U narednom koraku, taj se negativ zaliva epoksi smolom sa dodatkom aluminijumske sačme, a deo tog materijala ulazi i u međuprostor između negativa i školjke. Da bi se izradio kalup, potrebno je, zatim, izvaditi negativ iz školjke. Zajedno sa negativom biva izvađena i sva komponentna smola, i u tom momentu školjka je prazna. Zatim se negativ opet postavi u školjku ali ovoga puta obrnuto. Deo smole koji je uliven u međuprostor između negativa i školjke pri tome formira sloj koji ravnomerno prekriva unutrašnje strane školjke. Na taj način nakon određenog vremena očvršćavanja formiran je kalup čija je površina udubljenja od istog materijala na svim lokacijama. U taj kalup se ulije istopljeni metal. Nakon očvršćavanja metala, izvadi se alat za oblikovanje (npr. aluminijumski). S obzirom da je izliven od metala, koristi se za određeni broj operacija livenja pozitiva modela (broj operacija zavisi, pre svega od fizičkih svojstava metala). Postupak izrade alata za oblikovanje od komponentnih epoksi - smola (slika 54, desno) inverzan je prethodnom, ali principski identičan. Alati za oblikovanje dobijeni ovakvim postupkom nazivaju se aluminijum - epoksi alati. S obzirom da dijagram predstavlja samo približenje stvarnom postupku, važno je napomenuti da se alat izrađuje iz dva dela - gornjeg i donjeg, zalivanjem SLA modela do polovine, odnosno do podeone ravni. Podeona ravan izrađena je prilikom izrade dela u postupku stereolitografije. Ovakvi alati namenjeni su za izradu najjednostavnijih delova i manjih serija. Zanimljiv primer ovih "inverznih" tehnika predstavlja direktna izrada negativa modela iz smole koja sadrži 70% staklenih zrnaca veoma malih prečnika. Takav se model potom koristi za izradu obe polovine alata od aluminijuma, kojim se vrši oblikovanje Dassault- ovih cevi za prečišćavanje vazduha. Teijin Seiki takođe primenjuje SLA tehniku u inverznoj izradi alata od komponentnih smola u cilju izrade ABS kućišta mobilnih telefona. Postupak se obavlja u vakuumskoj komori da bi se izbegli vazdušni uključci u alatu. Izrada alata zahteva 40 sati CAD dizajniranja, 14 sati izrade na Soliform mašini i 1 sat čišćenja i naknadnog očvršćavanja. Laser 3D'- ov kooperativni program izrade alata sa Dassault- om je korišćenje stereofotolitografskog (SPL) modela u 3D hydrotel mašini za "iscrtavanje" trajektorija, gde se upravljačka poluga aviona Mirage 2000 Fighter izrađuje iz alumunijuma, kopiranjem SPL modela. U ovom primeru, mašina laserski skenira plastični SPL deo dok izrađuje Al kopiju. Mašina je opremljena iglom za kopiranje profila i glodalom. Pokreti igle na delu koji se kopira takođe kontrolišu kretanje glodala koji obrađuje deo.

78

8.3. PRIMENA SLS POSTUPKA U IZRADI ALATA 8.3.1. DIREKTNA IZRADA SINTEROVANIH ALATA Alatni čelik (Rapid Steel) može se koristiti u izradi delova metalnih alata primenom laserskog sinterovanja i Rapid Tool postupka. Tehnika omogućuje izradu dugotrajnih alata od metala visoke gustine. Prvi korak je izrada sirovog alata koji se sastoji od čestica čelika koji su obloženi polimerom. Sledeći korak je žarenje sirovog alata u peći, pri čemu polimer izgori, stvarajući malu količinu pepela. Rezultat je čelična struktura alata, koja se zatim naizmenično sinteruje i natapa bronzom. @arenje prozrokuje sagorevanje veziva, što može dovesti do smanjenja zapremine i deformacije alata. Pre no što se deo izlije u ovakvom alatu, zahteva se da se delovi alata od kompozitnog metala postavljaju u osnovu alata. Potrebno je istaći da, korišćenje EOS- ovog sistema EOSINT - M 250 Extended, omogućava direktno sinterovanje alata, pa nije potrebna nikakva naknadna mehanička obrada. Alati izrađeni ovim postupkom namenjeni su prvenstveno prototipnim serijama do 5000 proizvoda. Takođe, primenom specijalnih alatnih čelika smanjuje se procenat smanjenja zapremine alata sa 4% (kada se koriste čelici nižih mehaničkih svojstava) na svega 0,2%. U institutu IFAM, korišćenjem EOSINT mašina, izrađuju se alati sinterovanjem elektroluks praha (bronza - nikl), i njihovim natapanjem bronzom (zavisno od primene, mogu se i sinterovati). Ovo omogućava proizvodnju velikog broja delova ovim alatom. Preko 300 delova od ABS sa staklenim vlaknima proizvede se iz jednog alata. Ukoliko se predviđa brizganje plastike u ovim alatima oni se mogu odmah sinterovati bez natapanja bronzom, jer će, u tom slučaju alat izdržati određeni broj operacija, a njegova poroznost ne utiče na oblikovanje.

8.3.2. INVERZNA IZRADA ALATA BLZ (Bavarian Laser Center) vodi različite razvoje laserskih tehnika. Među BLZ projektima nalazi se lasersko sinterovanje EDM (Electronic discharge machining) elektrode. Proces koristi EOS mašinu i Electrolux leguru (bronza nikl) kao materijal elektrode. Elektrode se, zatim koriste za izradu kovačkih kalupa. Direktnom izradom nekoliko ovih elektroda, korišćenjem procesa laserskog sinterovanja, a zatim njihovim korišćenjem u EDM mašinama, moguće je utisnuti njihov oblik unutar kalupa od mekog materijala, koji se, zatim, koristi kao model za izradu alata za kovanje elektroda. Čitav proces je šematski prikazan na slici 55.

79

L asersko sinterovanje

kovanje

EDM elektrode

Slika 55. RP izrada EDM elektroda za formiranje kovačkih kalupa

8.4. PRIMENA LOM POSTUPKA U IZRADI ALATA Razvoj LOM tehnologije se unapređuje, tako da se sve više koriste i tanki slojevi jačih materijala, pa i metala. Sada su na raspolaganju tanki slojevi materijala proizvedeni od metalnog praha (čije su čestice spojene slepljivanjem). Istraživači u BLZ- u razvijaju ovaj postupak, gde laser iseca delove metalnih slojeva koji se zatim međusobno spajaju zavrtnjima da bi se formirao alat. Prethodno se alat mora žariti u peći da bi se materijal sinterovao do svoje konačne strukture. Japanci su, tradicionalno, usredsređeni na dimenzijsku tačnost. Shodno tome pretežno koriste CNC obradu (RP procesi su manje zastupljeni). Očekivana tačnost Kira mašine je u granicama , što je neprihvatljivo u ± 0,1mm

izradi alata. Osim toga, dimenzijska tačnost duž ose upravne na spojene slojeve zavisi i od vlažnosti okruženja, što zahteva znatno unapređenje RP postupaka. Profesor Nakagawa veruje da budućnost RT tehnologija leži u sferi NC obrade velikim brzinama. Kira- ina mašina model KSC 50 prvenstveno je, namenjena za verifikaciju modela, a ne za korišćenje u izradi alata. Međutim, ta korporacija je otkrila da 80

su neki korisnici tih mašina (kao Tokuda Ind.) iznašli nov kreativan način za korišćenje modela od slojeva papira proizvedenih LOM postupkom, kao modela u izradi alata. Mada je tačnost bitan faktor u izradi alata, neki korisnici uspešno koriste papirne modele u izradi alata od epoksi materijala i silikona. Neki od njih vrše korekcije "stepenica" na površinama alata, nanošenjem prevlaka i ručnim peskarenjem (slika 56).

Materijal

Peskarenje

Prevlaka

Prevlake od smole

Slika 56. Faze poboljšanja kvaliteta površine proizvoda Što se tiče analogije RP izrade sa mašinom iz Kira proizvodnog programa i sečenja NC mašinom, Tokuda Ind., došli su do zanimljivih podataka u domenima (1) cene, (2) vremena izrade, (3) tačnosti i (4) karakteristika procesa sečenja. RP tehnologija na Kira mašini obezbeđuje znatno nižu cenu proizvoda i veoma malo je rizična, dok su vreme izrade i dimenzijska tačnost razočaravajući u odnosu na sečenje NC glodalicom.

8.5. ALATI KOJI SE IZRAĐUJU KOMBINOVANJEM 3D ZAVARIVANJA I CNC OBRADE Tehnike bazirane na 3D zavarivanju (SDM, Laser Deposition, Droplet Deposition), kao i objedinjene tehnike nanošenja i skidanja materijala omogućavaju direktnu izradu alata od metala bez naknadne obrade. Ovom tehnikom najčešće se izrađuju alati od aluminijuma. IPT Institut razvija laserski generisane RP tehnologije, zasnovane na postupku nanošenja materijala u slojevima, laserskim zavarivanjem i odnošenja perifernih površina alata, NC obradom. Takve načine objedinjavanja brze proizvodnje (Rapid Manufacturing) i postupaka odnošenja materijala (Lasercaving), da bi se proizveo alat bez potrebe za sinterovanjem, istražuje BLZ. Ti, tzv. "hibridni postupci" predstavljaju nova rešenja u brzoj izradi alata. "Hibridnim" postupcima se proizvode alati, koji se upotrebljavaju kao prototipski, ili alati za manje serije, do 10 000 proizvedenih delova.

8.6. VIRTUELNA STVARNOST (VR) 81

Profesor Fukuda (Tokio Metropolitan Institute of Technology) razvija CAD sistem koji je intuitivniji za korisnike - CAD sistem koji je u mogućnosti da integriše promene i modifikacije tako da sistem može da se primeni kod RP tehnologija i tada integriše u virtuelnu stvarnost (VR). Ovo može imati vrlo pozitivan efekat u oblasti brze izrade alata (Rapid Tooling). Mada ovaj intuitivni CAD pristup nije primena koja je na raspolaganju brzoj izradi prototipova danas, ona ima sjajne mogućnosti. Na današnjem stupnju razvoja proizvodnje dela, inžinjeri konstruktori kreiraju deo, ali oni ne moraju da razumeju postupak izrade završnog dela. Prema tome, kada završe dizajniranje i daju ga proizvođaču, proizvodni inženjeri su ti koji određuju kako da deo proizvedu, uzimajući u obzir faktore dilatacije, način na koji će se deo stezati, delove operacija i brojne druge faktore, za koje konstruktori ne moraju da brinu. Obično, nacrt proizvoda se kreće od sektora dizajna ka sektoru proizvodnje, gde se proizvod izrađuje i odatle isporučuje. Ovi nabrojani promenljivi parametri procesa još uvek se moraju prilagoditi RP i RT postupcima, ali sada se mogu prilagoditi mnogo ranije u ciklusu razvoja proizvoda. Istraživanje koje vrši profesor Fukuda može biti od pomoći u obuhvatanju čitavog procesa planiranja i njegovog uvođenja u CAD modeliranje, što predstavlja dovitljiv način da se izbegne potreba za dogovorom različitih eksperata za postupke da bi se odredio najbolji način izrade alata ili dela. Ovaj projekat profesora Fukude je vrlo važan za oblast izrade alata, zato što planiranje parametara procesa predstavlja realnost, a promenljive su često nejasne, neprepoznatljive i ne pridaje im se dovoljno značaja, ali, svejedno, parametri se moraju prilagoditi postupku izrade.

8.7. PROIZVODI I ALATI DOBIJENI RP POSTUPCIMA

Slika 57. SLA kalup - udubljenje i jezgro

[1]

82

Slika 58. Delovi od keramike - MJS proces: predproizvodi (levo); sinterovani delovi (desno)

Slika 59. Kalup dobijen SLS procesom (levo); elektroluks legura (desno)

[1]

Slika 60. Alat izrađeni 3DP postupkom i dobijeni konektori 83

Slika 61. Alat za injekciono livenje - FDM postupak, predproizvod (klipnjača - levo, dole) i sinterovani deo (desno, dole)

Slika 62. 3DP - kalup sa kanalima za hlađenje

84

Slika 63. Kalup od komponentske smole za izradu ABS kućišta mobilnih telefona

[1]

Slika 64. CAD geometrijski model (gore) SLS uzorak od polikarbonata (levo) A356 aluminijumski odlivak (desno)

85

Slika 65. CAD geometrijski model (gore) Keramička ljuska sa QuickCAst uzorkom (levo) QuickCast uzorak (desno) Podesivi ključ. - Ovaj podesivi ključ za vijke izrađen je u kompletu od dva pokretna dela (zavrtnja za podešavanje i pokretne čeljusti). Tamo gde se nalazi praznina koja omogućava kretanje, nalazio se rastvorljiv potporni materijal, koji je otklonjen WaterWorks sistemom. Dobijen je potpuno kompletiran i potpuno pokretljiv radni mehanizam na krajnje jedinstven način!

Slika 66. Podesivi ključ

[ 8]

86

9. PRIMENA RP U MEDICINI RP postupci imaju značajnu primenu u više oblasti medicine. Planiranje operativnih zahvata i izrada protetičkih sredstava dve su najistaknutije oblasti primene RP tehnologije u ovoj oblasti. Ranih 70- tih godina razvijen je novi vid prikazivanja unutrašnjih organa korišćenjem x- zraka, zasnovan na tomografskom skeniranju, odnosno kompjuterizovanoj tomografiji (CT). Ovaj vid stvaranja modela razlikuje se od tradicionalnog korišćenja x- zraka (za stvaranje senki) u ključnim aspektima, uključujući i činjenicu da se linearni obrisi organa sakupljaju duž jedne ravni odnosno položaja pacijenta u isto vreme. Ovi obrisi se stvaraju iz različitih uglova iz kojih dejstvuju x- zraci. Položaj koji se ispituje se, zatim, pomera i postupak se ponavlja. Da bi se organi ili drugi regioni skenirali, pacijent se postepeno pomera kroz mernu ravan, sa korakom koji se obično kreće od 2 - 3 mm. Finiji koraci skeniranja mogu se postići sve dok kompletna izloženost x- zracima ostaje unutar bezbednih granica. Informacija koja se prikupi za svaki presek numerički se analizira da bi se dobila prostorna raspodela gustine x- zraka unutar preseka. Informacija sa svakog preseka se zatim može spojiti da bi se dobio zapreminski izgled strukture. Standardni CT skeneri postižu rezoluciju od 512 x 512 elemenata na sloju, dok se sada, u naprednijim sistemima postižu rezolucije od 1024 x 1024 elemenata. Numerički rekonstruisana prostorna distribucija gustine x- zraka sa svake merene ravni se onda štampa na film za x- zrake, pa se podatak, tako obrađen, prosleđuje radiologu ili hirurgu u tradicionalnom formatu. Pri tome se raspodela gustine x- zraka oslikava na snimku kao tonovi sive boje. Otprilike u isto vreme prikazano je korišćenje nuklearne magnetne rezonance (NMR) za slična ispitivanja. Ime se promenilo tokom godina u interferometriju magnetnom rezonansom (MRI) i konačno u MR skeniranje. MR se razlikuje od CT najmanje u dva aspekta: (1) MR sistem meri gustinu specifičnog jedra ćelije, i (2) merni sistem je zapreminski (ispitivanje kompletnog tela, unutar merne zapremine ostvaruje se jednovremeno, bez pomeranja po koraku). MR sistem je, najčešće, podešen prema vodoniku koji ulazi u sastav većine mekih tkiva. Sistem se može podesiti i prema drugim nuklearnim izotopima, tako da jedro ima magnetni moment (a to je ogroman broj protona i/ili neutrona). Pretpostavljalo se da će ovakvo merenje definisati prostornu lokaciju organa razlikujući ih prema gustini vodonika unutar njihovih 87

tkiva. Kao što je to slučaj sa CT, MR skenirani podatak se, takođe, kompjuterski obrađuje i predstavlja u formatu sloj - za - slojem.

Ova dva sistema, CT i MR imaju mogućnost najfinije rezolucije koja je dostupna dijagnostičkim sistemima, a postižu zapreminsku rezoluciju č 2 mm u svakom pravcu. U skorije vreme je razvijen CT sa spiralnim skeniranjem. U ovom modalitetu, podatak od x- zraka prikuplja se duž spiralne linije oko ose dok se pacijent konstantno pomera kroz skener. Ovaj način sakupljanja podataka po spiralnim krivama obezbeđuje delimične podatke na svakoj lokaciji duž skeniranja. Korišćenjem algoritama za interpolaciju, kompletno skeniranje se može sakupiti na bilo kojoj ravni, doprinoseći da se slojevi rekonstruišu u znatno finijoj raspodeli nego što se postiže u sistemima sa korakom. Numerička analiza je dosta jasnija, s obzirom na mogućnost dobijanja delimičnih podataka sa svakog preseka. Trenutno se spiralnim CT postiže rezolucija od 0,5 mm ili bolja. Informacije dobijene od CT- skener sistema omogućuju mnoštvo primena u medicini. Korisnici ovih informacija mogu ih međusobno razmenjivati elektronskim putem, što omogućava konsultovanje na daljinu. Ovaj vid telemedicine omogućava stručnu asistenciju na udaljenim destinacijama. Sledeća primena u medicini koja se sve više koristi je stvaranje virtuelnih oblika korišćenjem 2D prikaza dobijenih CT skenerom. Od izlaznih podataka iz CT sistema može se dobiti potpuna 3D geometrija prikaza. Ovakvi oblici se tada mogu prikazati stereoskopski i mogu se posmatrati iz perspektive jedne konstruisane platforme, što korisniku stvara utisak kao da "leti" kroz 3D prikaz. Isti ovi prikazi u statičkom formatu, mogu da se stave na raspolaganje hirurzima tokom zahvata, posredstvom "heads-up" displeja ("heads up" displeji nisu statični, već se nalaze na glavi hirurga, u vidnom polju, sa strane, tako da mu je 3D prikaz stalno vidljiv tokom operacije) koji ih navode tokom zahvata (to se naziva kompjuterski asistirana hirurgija ili CAS). Prikazi se orijentišu unošenjem osnove sravnjenja korišćenjem fiducijala, lociranih na pacijentu i vidljivih na prikazu, a sistem za praćenje određuje lokaciju hirurga i vizuelni ugao u odnosu na pacijenta. Takođe, ovaj format sa podacima o sloju predstavlja pristupačan način za kontrolu tekućih RP sistema, koji takođe funkcionišu na principu sloja. Ova moguća transformacija prepoznata je u ranoj fazi razvoja RP tehnologije, i 88

proizvedeni su prvi anatomski RP modeli zadovoljavajuće tačnosti. Ova fizička realizacija CT podataka nazvana je "realna virtualnost". Ove tehnologije mogu imati značajan uticaj na zdravstvenu zaštitu. U SAD- u su fokusirani na telemedicinu i CAS. Korišćenje telemedicine u SAD- u ima poseban značaj, zbog velikog prostranstva države. Evropa je manja, a Japan još manji, tako da se telemedicini ne posvećuje posebna pažnja. Telemedicini se još posvećuje pažnja, u delu koji se odnosi na primenu istih tehnologija u elektronskom arhiviranju medicinskih dosijea pacijenata. U Australiji se ulažu veliki napori u primeni RP modela za planiranje operacija. CAS i RP se smatraju komplementarnim, i RP modeli pružaju prednost u ostvarivanju stereotaktičke povratne sprege sa hirurgom. Takođe, RP modeli predstavljaju sredstva za praktičnu primenu, pri predavanjima, kao učila. Osim toga, u kompleksnim rekonstrukcijama, model željenih rezultata se koristi da ostvari povratnu spregu hirurgu da proceni koliko se aktuelni hirurški rezultati približavaju planiranim rezultatima.

Format sa podacima o sloju dobijenom sa CT skenera zahteva brzu realizaciju koja će omogućiti konverziju podataka, tako da budu kompatibilni sa RP opremom mašine. Prvi zadatak je prikupljanje potrebnih podataka izdvajanjem od opštih informacija koje CT daje na raspolaganje. Prvenstveni napori, fokusirani na podatke sa CT skenera i vezane granične algoritme, korišćeni su za lociranje granične površine kosti u svakoj ravni. Granica regiona koji se ispituje locirana je na bazi piksel - po - piksel (piksel je bilo koji pojedinačni, vrlo mali kvadrat, gotovo tačka na ekranu kompjutera, koji zajedno formiraju čitav displej). Granice locirane unutar piksela formiraju "rubove" koji se spajaju u kontinualnu periferiju. Dobijeni podaci na snimku pokazuju grublji izgled zbog postojanja ovih pravolinijskih rubova, nastalih zbog oblikovanja unutar piksela. Periferija profila je finijeg izgleda pri korišćenju kubnih prostornih ili ostalih jednačina višeg stepena koje stvaraju prihvatljive konture u ravnima, odnosno na snimku (slika 67). Konstrukcija RP modela bila je zasnovana na korišćenju podataka o sloju, odnosno na gruboj aproksimaciji podataka o sloju u prostorne podatke tako što se skenirani sloj ponavlja na RP mašini sve dok se ne nanese dovoljno materijala da bude u ravni sa sledećim skeniranim slojem. Dobijena struktura je pokazivala oštre "stepenaste prelaze". Prevazilaženje ovog problema je od velikog značaja. Koristi se nekoliko metoda za umanjenje ovog efekta. Podaci između skeniranih slojeva mogu se aproksimirati "uobličavanjem" od jednog sloja ka sledećem. Kritične lokacije za transformaciju moraju biti izričito označene. Rezultat će biti profil koji je više gladak, sa diskontinuitetom na svakom sloju. Rezultati obezbeđuju podatke koji vode ka RP modelima koji imaju izvanredan izgled, koji su tačni anatomski modeli struktura kostiju, što je od posebnog značaja kada se radi o šupljim kostima i strukturi punih kostiju. 89

U Evropi, Japanu i Australiji, napori su skoncentrisani na primenu RP modela u dijagnostikovanju i planiranju hirurških intervencija. Njihov glavni napor je razvoj modela jedinstvenih struktura pojedinih pacijenata (što je u suprotnosti sa zamenom kuka, gde ograničeni broj varijanti modela zadovoljava svakog pacijenta). Ovo je od posebnog značaja u maksilofacijalnoj i kraniofacijalnoj rekonstrukciji, u zamenama viličnih kostiju, u zubnoj implantologiji i sl. Takođe, modeli karlice, stopala i kičme su ispitivani u nekim detaljima. Program u Australiji se, uglavnom, odnosi na hirurške implantante (slika 68), uglavnom primenom Evropskog softvera. U SAD- u, RP je korišćen samo za kuk i protetiku, i njegove mogućnosti bi se mogle više koristiti.

Slika 67. Stvaranje granica rezultira formiranjem "rubova". Spojeni rubovi formiraju graničnu konturu kosti. Uvećanje pokazuje spoj rubova na svakom pikselu.

90

Slika 68. (levo) Povreda lobanje je modelirana zajedno sa defektom; (desno) biokompatibilna proteza je izrađena korišćenjem RP modela i izvršeno je verifikovanje ugradnje pre hirurškog zahvata (Univerzitet u Kvinslendu, AUS) CT-Modeler softverski paket obezbeđuje kompletan interfejs od CT medicinskog skenera do CAD sistema ili RP mašina (slika 69). MIMICS predstavlja ulaz i izlaz medicinskih podataka u kome je segmentacija strukture izvršena korišćenjem 3D selekcije i izvršnih sredstava. 3D prikaz u boji generiše se iz podataka o sloju. C - SUP generiše potporne strukture. Šupljikave potporne strukture se izrađuju četiri puta brže, troše mnogo manje materijala i lakše se odstranjuju od konvencionalnih potpornih struktura. CTM vrši interpolaciju podataka o segmentu preko fizičkih slojeva i predstavlja direktan interfejs ka RP mašinama. Mogu se koristiti interpolacioni algoritmi visokog reda. Med CAD preuzima skenirane medicinske podatke i stvara datoteke o površinama koje se mogu direktno koristiti za dizajniranje individualnih protetičkih sredstava u CAD sistemima. Med CAD podržava IGES interfejs. C - SUP (generisanje potporne strukture) RP

CT skener

M IM I CS (3D stvaranje medicinskih prikaza)

CT M (generisanje modela)

MedCAD (interfejs za CAD)

CAD

91

Slika 69. Funkcije CT - Modeler- a

10. ZAKLJUČCI Na osnovu izlaganja u trećem poglavlju ovog rada, u kome su predstavljene i opisane RP tehnologije izrade prototipa proizvoda, mogu se izvesti sledeći zaključci: Stiče se utisak da su stručnjaci u SAD ispred ostalih u inovacijama RP tehnologija, dok su u Evropi i Japanu fokusirani na poboljšanjima postupaka. Koja je od RP tehnologija najbolja, zavisi od primene, i funkcija je nekoliko faktora i uslova, uključujući cenu, brzinu izrade, tačnost, okruženje, vrstu materijala i njegovu raspoloživost. Konačnu odluku o tome daje korisnik proizvoda (ili alata). Dok će dalji razvoj SFF postupaka, usloviće da poboljšani procesi mašinske obrade i automatizovana CNC obrada, takođe, nastavi da igra značajnu ulogu u RP tehnologiji. Najprepoznatljivija prednost metode izrade proizvoda pomoću slojeva jeste relativno jednostavna automatizovana i brza proizvodnja kompleksnih geometrijskih oblika. Izrada delova korišćenjem selektivnog nanošenja materijala i/ili procesa fuzije, mogla bi, međutim, imati i druge prednosti. Na ovaj način omogućena je izrada heterogenih struktura, kao na slici 70.a.. Heterogene strukture mogle bi uključivati i multimaterijalna područja i/ili poluproizvode umetnute u predmete, a površine mogu biti sa mikrogeometrijskim strukturama. Ovakve predmete bi bilo praktično nemoguće proizvoditi konvencionalnim tehnikama izrade. Jedan primer heterogene strukture je alat za oblikovanje prikazan na slici 70.b.. Alat bi uključivao prilagodljivo oblikovane kanale za zagrevanje/hlađenje, formirane potpornim materijalom. Unutrašnjost alata izrađivala bi se od bakra, zbog brzog i ujednačenog zagrevanja ili hlađenja; njegova spoljašnja površina bi bila od 92

čelika zbog čvrstoće. Masa bi mu se mogla smanjiti smanjenjem zapremine alata na najmanju moguću meru. Nizovi ugrađenih termoparova omogućavali bi da temperatura površine alata bude praćena monitorima za kontrolu procesa. Pri~vr{}ene komponente ^eli~na lju{tura

U metnuti termoparovi

Kanal za zagrevanje/ Unutra{njost od bakra hla| enje, prilago| enog oblika

Ve}i broj materijala Heterogene strukture

Izrada kompleksnih alata

Slika 70. Primer heterogenih struktura predmeta

Izvršenom sistematizacijom materijala koji se primenjuju u RP tehnologijama, može se zaključiti da se u Evropi (posebno Nemačkoj), Japanu i SAD- u, napori usmeravaju na istraživanje primena potpuno različitih materijala: U Evropi (posebno Nemačkoj) se čine obimna istraživanja u primeni metala u RP tehnologijama; U Japanu (sa izuzetkom rada profesora Nakagawa- e) se fokusiraju na istraživanja fotopolimera, jer oni omogućuju izradu delova izuzetne preciznosti; Istraživači SAD- a prednjače u svojim naporima za razvoj keramičkih materijala i RP postupaka u kojima se mogu primeniti, dok se u Evropi i Japanu, primena keramike ogleda u proizvodnji peščanih kalupa za precizno livenje metala, (u Evropi) i proizvodnji kalupa za presovanje, od fotopolimera koji je ispunjen keramičkim materijalom, (u Japanu). CAD projektovanje geometrijskog modela željenog proizvoda u funkciji RP postupaka i primena sve većeg broja RP softverskih paketa, omogućuju da se operacije poput orijentacije dela, kompenzacija njegovih mera, izrada potpornih struktura, provera ispravnosti rasporeda RP proizvoda na radnom stolu mašine, izvršavaju automatski i znatno brže nego što bi to bio slučaj pri konvencionalnim postupcima izrade.

93

Korišćena literatura

[1]

, pružila je značajne podatke pri izradi ovog rada. Iz

istog izvora proističu zaključci o značaju RP tehnologija u SAD, Japanu i Evropi. 1995. godine vlada SAD- a, uz podršku Društva Inženjera Proizvodnog Mašinstva, započinje studiju koju vode Japanski Centar za Tehnološke Procene (JTEC) i Svetski Centar za Tehnološke Procene (WTEC). Glavni zaključci grupe eksperata koji se odnose na trenutni status RP tehnologija u Evropi i Japanu u odnosu na SAD su: – – – –

Organizacije u SAD- u su vodeće u tehničkim inovacijama, raspolaganju materijalima i primeni RP tehnologija. Na polju dizajniranja mašina, projektanti iz SAD- a neznatno prednjače u odnosu na kolege iz Japana i Evrope. U sferi primene RP tehnologija u medicini, pak, napori stručnjaka iz SAD- a su daleko iza dostignuća u Evropi i Japanu, i, U Nemačkoj i Japanu se razvijaju značajni programi sistematskog stvaranja infrastrukture za RP tehnologije.

Jedan od osnovnih problema RP tehnologija je visoka cena zbog čega se one ne koriste više sa brze izrade prototipova (Rapid Prototyping), na proizvodnju (Rapid Manufacturing), ali se ovaj problem postepeno rešava intenzivnijom konkurencijom u proizvodnji istih, kako kroz veću ponudu različitih materijala, tako i kroz veći broj proizvođača koji ukidaju monopol vodećih kompanija. Razvoj i korišćenje CT (kompjuterizovane tomografije) i MR (magnetne rezonance), omogućili su nastanak i primenu telemedicine (razmenu medicinskih podataka elektronskim putem) i CAS (kompjuterski asistiranu hirurgiju). U ranim fazama razvoja RP tehnologija, prepoznata je njihova komplementarnost sa CT i MR sistemima. Zapravo, svi su oni zasnovani na stvaranju oblika pomoću slojeva. Istraživanjima o mogućnostima primene RP u medicini, postignuta su velika dostignuća. Medicina je postala jedna od najznačajnijih oblasti primene RP tehnologija. Izradom RP modela organa od tehnoloških materijala, omogućava se njegovo korišćenje kao učila, pomoćnog sredstva pri dijagnostikovanju ili planiranju hirurških zahvata. Ukoliko se, pak, model izrađuje od biokompatibilnog materijala, koristi se kao implantat (najčešće pri povredi kostiju i zubnoj implantologiji). Jasno je da će se ovakvi modeli sve više koristiti u budućnosti. U svakom slučaju, ova tehnologija i dalje pobuđuje sve šire interesovanje, jer postoji još mnogo realnog prostora u njenom usavršavanju, posebno kroz iznalaženje jevtinijih materijala uz istovremeno raznovrsnije fizičko - mehaničke osobine za različite aplikacije. 94

Investicioni troškovi za nabavku mašine i odgovarajućeg polimernog materijala su još uvek visoki, ali se u ukupnoj masi troškova direktno utiče na sniženje troškova proizvodnje, kroz skraćenje vremena projektovanja i izrade.

11. LITERATURA [1]

JTEC/WTEC Panel on Rapid Prototyping in Europe & Japan; Final Report; Volume I. Analytical Chapters, March 1997. Published & Distributed by RP Association of the Society of Manufacturing Engineers, in cooperation with International Technology Research Institute, Loyola College, Maryland (http://itri.loyola.edu); (ftp.wtec.loyola.edu/pub/) 95

[ 2]

Stanojević, M., Šljivić, M.: Identifikacija uticajnih faktora na kvalitet površine i tačnost dimenzija 3D modela postignutih primjenom 3D Multi - Jet RP tehnologijom, V Međunarodno savijetovanje DEMI 2002., Banja Luka, BiH.

[ 3]

Stanojević, M., Šljivić, M.: Osnove proizvodnih tehnologija, Mašinski fakultet u Banja Luci, 2003., BiH.

[ 4] [ 5]

Stratasys, Inc. 2002. annual report; Minneapolis, USA

Brošure Stratasys, Inc. - FDM Maxum, FDM 3000, Prodigy Plus, Minneapolis, USA

[ 6]

Internet časopisi

[ 6.1] [ 6.2] [ 7]

Rapid Product developement, http://rapidproducts.net/rpd_library.html E4, http://www.e4engineering.com/

Drugi interesantni sajtovi

[ 7.1] [ 7.2] [ 7.3]

RP Internet conference, http://www.mcb.co.uk/services/conferen/dec95/rapidpd/rapidpd.htm The Rapid Prototyping Resource Center, http://www.-rp.me.vt.edu/bohn/RP.html The Worldwide Guide to Rapid Prototyping, http://home.att.net/castleisland/home.htm Sculptor, http://www.sculptor.org/Technology/imaging.htm

[ 8]

Proizvođači opreme za brzu izradu prototipa

96

[8.1] [ 8.2] [ 8.3] [ 8.4] [ 9]

3D System, http://www.3dsystems.com/ Helisys, http://www.helisys.com/ Stratasys, http://www.stratasys.com/ Z corporation, http://www.zcorp.com/home.html

Kompanije koje pružaju usluge izrade prototipa

[ 9.1] [ 9.2] [ 9.3]

ACCELERATED TECHNOLOGIES, INC., http://www.acceltechinc.com/ Infinity Software Development, http://www.supernet.net/infinity/cs.htm Rapid Prototyping Corporation, http://www.rapidpro.com/

97