Sprawozdanie

Ćwiczenia laboratoryjne – zapoznanie się z maszynami do szybkiego prototypowania metodą SLA oraz FDM

Prowadzący:
Mgr inż. Michał Haraburda

Stereolitografia (SLA - Stereolitography)

Opis Opracowana przez firmę 3D Systems technologia polegająca na polimeryzacji płynnej żywicy wiązką lasera. Utwardzenie płynnej żywicy jest możliwe dzięki dodaniu fotoinicjatora, który powoduje w miejscu naświetlenia (w tym przypadku fotonami w skierowanej wiązce laserowej) rozpoczęcie procesu polimeryzacji (łączenia się merów w łańcuchy merowe) w ściśle określonej objętości. Grubość uzyskanej warstwy zawiera się w przedziale 0,05-0,3 mm. W urządzeniach stosowane są lasery o mocy nawet 200 mW. Dokładność urządzeń stereolitograficznych wynosi ok. ± 0,1 mm. Do wytwarzania tą metodą stosuje się żywice akrylowe lub epoksydowe, np. Accura 10 – Żywica standardowa, Accura 48HTR – przeznaczona do gotowych wyrobów, Accura Amethyst - przeznaczona do precyzyjnych modeli

Maszyna[1]

Maszyną do wytwarzania modeli techniką SLA, którą poznaliśmy na zajęciach było urządzenie firmy 3D Systems SLA 250/30. Pozwala ona na budowę modeli w temperaturze pokojowej. Urządzenie to zbudowane jest z czterech podstawowych modułów (oznaczonych na rys. 1):
[pic]
Rysunek 1: Maszyna SLA250/30. 1 – laser, 2 – układ optyczny, 3 – przestrzeń robocza, 4 – zestaw kontrolny z komputerem

1. Lasera Laser jonowy He-Cd (helowo-kadmowy) emitujący wiązkę w zakresie promieniowania ultrafioletowego o długości fali λ=325 nm (nadfiolet) i mocy od 2 do 40 mW. Średnicą wiązki padającej na płynną żywicę = ok. 0,125 mm (zależnie od indywidualnego wykonania każdego lasera).

2. Układu optycznego Układ optyczny maszyny SLA250/30 składa się ze zwierciadeł, których zadaniem jest zwiększenie skupienia promienia lasera oraz skierowania go do przestrzeni roboczej maszyny. Na układ optyczny składają się: • przesłona (migawka) sterująca otwieraniem i zamykaniem drogi optycznej promienia lasera, • ekspander skupiający promień lasera. Im promień jest bardziej skupiony tym uzyskuje się większą gęstość mocy pozwalającą na szybsze spolimeryzowanie żywicy. Ponadto mniejsza średnica promienia zwiększa dokładność budowy a zwłaszcza umożliwia uzyskać większą rozdzielczość, która pozwala na budowę modeli składających się z drobnych i małych elementów. • zwierciadła kierujące, • zwierciadło dynamiczne, kierujące wiązkę do przestrzeni roboczej maszyny oraz przemieszczające wiązkę lasera po powierzchni żywicy.

Zwierciadło kierujące oraz zwierciadło dynamiczne pokryte są powłoką o wysokim współczynniku odbicia promieni lasera. [pic]
Rysunek 2: Laser i układ optyczny maszyny stereolitograficznej
1 – laser, 2 – przesłona, 3 – zwierciadła kierujące, 4 – ogniskowanie wiązki,
5 – okno optyczne, 6 – zwierciadło dynamiczne, 7 – płyta optyczna
.

3. Przestrzeni (komory) roboczej Przestrzeń robocza składa się ze: • zbiornika z płynną żywicą o pojemności 32,2 dm3, • perforowanej platformy roboczej z mechanizmem śrubowym. Mechanizm śrubowy napędzany silnikiem elektrycznym przemieszcza w pionowo platformę. Ruch góra-dół jest sterowany komputerem i zależny jest od aktualnej fazy procesu budowy. Otwory w platformie pozwalają na swobodne spływanie żywicy z modelu do zbiornika po zakończeniu procesu wytwarzania. Platforma umożliwia budowane prototypów o rozmiarach 250x250x250 mm i masie 9,1 kg, • zgarniacza zbierającego nadmiar żywicy i precyzyjnie ustalającego grubość nowo budowanej warstwy, • mechanizmu kontrolno-sterującego utrzymującego żądany poziom żywicy w zbiorniku. W skład urządzenia kontrolno-sterującego poziomem żywicy wchodzą: laser He-Ne, elementy światłoczułe oraz nurnik. Zależnie od poziomu żywicy, sygnał pochodzący od fotoelementu steruje poziomem zanurzenia nurnika w żywicy utrzymując jej zadany poziom.

4. Zestawu kontrolnego wraz z komputerem sterującym pracą maszyny Zestaw kontrolny wraz z komputerem służą do kontrolowania i sterowania procesem wytwarzania prototypu. Ekran monitora pozwala, np. śledzić proces wytwarzania np. wyświetla kształt aktualnie budowanej warstwy, określa ile warstw zostało do zakończenia budowy, podaje aktualną moc lasera itp.

Proces budowy modelu

Typowy proces wykonania prototypu [2]– modelu fizycznego w technice SLA możemy podzielić na: 1) utworzenie modelu geometrycznego (bryłowego lub powłokowego) w systemie CAD, 2) aproksymacja modelu formatem STL – dowolna powłoka zastępowana jest siatką płaskich trójkątów przylegających do siebie, 3) przygotowanie procesu technologicznego służącego wytworzeniu prototypu – modelu fizycznego na maszynie z którym wiąże się: a. weryfikacja poprawności danych zapisanych w formacie STL (możliwe błędy: brakujące trójkąty, brakujące krawędzie, zły zwrot wektora normalnego), b. orientacja modelu w przestrzeni roboczej maszyny i. Ograniczenia – czas (im więcej warstw, tym dłuższy czas budowy, ale i lepsze odwzorowanie modelu komputerowego, przy uwzględnieniu dokładności 0,1 mm), dokładność wykonania (najlepiej jak najmniej pochyłych ścianek, żeby zminimalizować efekt schodkowy) c. utworzeniu podpór pod tworzony prototyp, d. określenie parametrów technologicznych procesu, tj.: i. grubości nakładanej warstwy, ii. kompensacji „prześwietlenia" warstw, iii. kompensacji szerokości wiązki lasera, iv. liczby przejść i szybkość ruchu zgarniacza, v. stylu budowy warstw. e. wygenerowanie plików sterujących procesem wytwarzania i przesłanie ich do układu sterowania maszyny, 4) wytworzenie prototypu – modelu fizycznego w żywicy.

[pic]
Rysunek 3: Uproszczony schemat procesu budowy modelu – prototypu RP
[pic]
Rysunek 4: Schemat procesu budowy modelu w maszynie SLA

Po przesłaniu instrukcji do układu sterowania obrabiarku proces budowy każdej warstwy modelu wygląda następująco: 1. Następuje zanurzenie się ostatniej warstwy (ruchomy stół przesuwa się w dół) i napłynięcie świeżej żywicy 2. Wypłynięcie płynnej żywicy 3. Zebranie przez zgarniacz nadmiaru żywicy (usunięcie menisku) 4. Wyrównanie warstw 5. Uruchomienie lasera (przy ustalonej grubości warstwy)

Budowa jednej warstwy przebiega zatem w 5 etapach, a czas budowy uwarunkowany jest głównie grubością warstwy. Z reguły jednak czas budowy jednej warstwy wynosi około 1 minuty. Po zakończeniu budowy całego modelu usuwane są suporty (podpórki konieczne dla modeli ze swobodnie zwisającymi fragmentami), a model, w zależności od wymagań, odstawiany jest na określony czas do urządzenia naświetlającego, które za pomocą lamp utwardza wszelkie miejsca, gdzie żywica się jeszcze nie uległa polimeryzacji.

Wady SLA • ograniczone przestrzenią roboczą maszyny wymiary prototypów, • schodkowatość powierzchni pochyłych • ograniczony zbiór możliwych do wykorzystania materiałów w procesie wytwarzania, • wymagania mechaniczne części które spełnione są tylko w ograniczonym zakresie, • ograniczona dokładność (ok. ± 0,1 mm), • niska jakość powierzchni pochylonych (efekt schodkowy), • pozostałości na powierzchniach podpartych po usunięciu podpór, • odkształcenia spowodowane nierównomiernie wzrastającymi naprężeniami wewnętrznymi w materiale

Przykład modelu uzyskanego metodą SLA

Materiał prezentacyjny firmy Robotmech[3]
[pic] [pic]
Rysunek 5 i 6: Skanowanie 3D ciała modelki oraz przetwarzanie w programie CAD

[pic] [pic]
Rysunek 7 i 8: Widok na przestrzeń roboczą maszyny SLA oraz widok ekranu komputera pokazującego aktualnie naświetlaną warstwę oraz warstwy poprzednie
[pic] [pic]
Rysunek 9 i 10: Wynurzenie gotowego wyrobu w przestrzeni roboczej oraz usunięcie podpórek

Wytłoczne osadzanie topionego materiału (FDM – Fused Deposition Modeling)

Opis Druga pod względem popularności (po SLA), opracowana przez firmę Stratasys i zaprezentowana po raz pierwszy w 1990 roku technologia polegająca na warstwowym nakładaniu (przez dwu-dyszową głowicę) rozpuszczonego materiału modelowego i podporoweg w postaci nitek warstwa po warstwie. Kryteriami wyboru tej metody często są wytrzymałość modeli – prototypów oraz możliwość wykonania modeli zespołów zawierających części ruchome, gotowych do pracy bez konieczności obróbki wykańczającej (dzięki rozpuszczalnemu tworzywu podoporowemu). Materialami używanymi do wytwarzania w technologii FDM są: ABS, ABSi (materiał medyczny), termoplasty, stal, ceramika (pochodna technologia FDC – fused deposition of ceramics) oraz materiały podporowe –głównie woski. Przykłady materiałów: ABSplus -M30/ ABS-M30i - o podwyższonej wytrzymałości/ biozgodne, PC/ PC-ABS – poliwęglan/ poliwęglan – ABS (termopolimer), Akrylonitryl – Butadien – Styren), ULTEM 9085 - tworzywo ognioodporne, PPSF/PPSU (Polifenylenosulfon) – materiały o podwyższonej wytrzymałości cieplnej. Dokładność urządzeń FDM również wynosi ok. ± 0,1 mm. Grubość nakładanych warstw od 0,178 do 0,33 mm.

Maszyna Maszyną zaprezentowaną na ćwiczeniach było urządzenie firmy Stratasys z serii Dimension, model Elite (rys. 9)
[pic]
Rysunek 11[4]: Maszyna FDM Dimension Elite

składające się z: 1) Panela LCD – gdzie można wybrać plik z instrukcją obróbki czy śledzić parametry procesu podczas obróbki 2) Komory roboczej, na którą skłądają się: a. Głowica robocza z dwoma dyszami, z których jedna podaje włókno materiału modelowego, druga włókno materiału podporowego. W głowicy również znajdują się grzałki upłynniające podawany materiał oraz rolki transportujące nici materiału ze szpuli do dyszy. Średnica głowicy roboczej jest stała, natomiast regulacja szybkości nakładania niteczek materiałów pozwala na zmianę średnicy nakładanych niteczek. b. Platforma robocza – stół ruchomy w osi Z, który od momentu nałożenia pierwszej warstwy porusza się w dół o określoną wartość (grubość warstwy). Model budowany jest na specjalnej płytce umieszczanej na stole, pierwsza warstwa jest nanoszona z wosku czy innego materiału podporowego, co umożliwia później łatwe odcięcie modelu od płytki. Jedna płytka wg producenta powinna być zastosowana jeden raz. c. Wentylatora 3) Podajnika, gdzie umieszczane są szpule z materiałem do modelowania oraz materiałem podpierającym (z reguły wosk).

Dane techniczne urządzenia przedstawia tabela(rys. 10)[5]:

[pic]
Rysunek 12: Tabela przedstawiająca dane techniczne urządzenia

Proces budowy modelu

[pic]
Rysunek 13: Widok komory roboczej w maszynie FDM podczas budowy modelu – prototypu

[pic]
Rysunek 14: Schemat obrazujący nakładanie warstw tworzywa termoplastycznego ABS, przekrój głowicy roboczej, na schemacie wyróżniony został materiał w postaci stałej oraz quasi-płynnej. Podczas nakladania każda kolejna warstwa doskonale przywiera do poprzedniej i momentalnie twardnieje.

Typowy proces wykonania prototypu – modelu fizycznego w technice FDM możemy podzielić na: 1) utworzenie modelu geometrycznego (bryłowego lub powłokowego) w systemie CAD, 2) aproksymacja modelu formatem STL – dowolna powłoka zastępowana jest siatką płaskich trójkątów przylegających do siebie, 3) przygotowanie procesu technologicznego służącego wytworzeniu prototypu – modelu fizycznego na maszynie z którym wiąże się: a. weryfikacja poprawności danych zapisanych w formacie STL (możliwe błędy: brakujące trójkąty, brakujące krawędzie, zły zwrot wektora normalnego), b. orientacja modelu w przestrzeni roboczej maszyny i. Ograniczenia – czas (im więcej warstw, tym dłuższy czas budowy, ale i lepsze odwzorowanie modelu komputerowego, przy uwzględnieniu dokładności 0,1 mm), dokładność wykonania (najlepiej jak najmniej pochyłych ścianek, żeby zminimalizować efekt schodkowy) c. określeniu, w których miejscach użyty zostanie materiał podporowy d. określenie parametrów technologicznych procesu, tj.: i. grubości nakładanej warstwy (szybkość ruchu głowicy), ii. gdzie model zawierał będzie puste przestrzenie e. wygenerowanie plików sterujących procesem wytwarzania i przesłanie ich do układu sterowania maszyny, 4) wytworzenie prototypu – modelu fizycznego z termoplastu.

Po wytworzeniu i odcięciu od płytki model umieszcza się w podgrzewanej kąpieli z dodatkami chemicznymi rozpuszczającymi materiał podporowy w urządzeniu np. firmy CleanStation model SRS (rys. 12) (technologia WaterWorks). Po usunięciu suportów model jest gotowy do użycia.

[pic]
Rysunek 15: Urządzenie CleanStation SRS

Zaletami FDM są: • tańsze urządzenia, niż urządzenia SLA • wytrzymałość uzyskanych modeli • przy nieskomplikowanych modelach ok. 2x krótszy czas budowy, niż w przypadku SLA • możliwość uzyskiwania złożonych z części zespołów, skomplikowanych kanałów przelotowych w modelach w jednym procesie wytwórczym • łatwość usuwania materiału podporowego

Wady: • schodkowatość pochyłych ścianek modelu wymaga wedle potrzeby obróbki wykańczającej • przy modelach wymagających dużo materiału czas obróbki może być dłuższy, niż czas budowy tego samego modelu w technologii SLA • konieczność używania za każdym razem nowej płytki pod model

Przykłady:
[pic]
Rysunek 16: Przykłady modeli uzyskanych metodą FDM – (od lewej) przekładnia obiegowa, obudowa kasy fiskalnej, kręgosłup

Podsumowanie

Ze wszystkich addytywnych technik szybkiego prototypowania SLA oraz FDM (jak również technologia SLS) używane są w szerokim zakresie jako technologie Rapid Manufacturing. Powodem tego jest fakt, iż dostępnych jest najwięcej materiałów pozwalających na wytwarzanie za pomocą tych technologii.
Każda z tych technologii ma swoje zalety oraz wady. Wybór odpowiedniej metody zależy od oczekiwanych właściwości technicznych, wytrzymałościowych itp. Techniki przyrostowej budowy modeli odgrywają w dzisiejszych czasach wielką rolę, dzięki której firmy mogą sprostać wymaganiom klientów i odpowiednio szybko dostosować swoją ofertę produktów.

-----------------------
[1] Opis na podstawie: http://imik.wip.pw.edu.pl/kmib/index.php?option=content&task=view&id=55; 20.01.2012
[2] Opis na podstawie: http://imik.wip.pw.edu.pl/kmib/index.php?option=content&task=view&id=55; 20.01.2012
[3] Źródło: http://www.youtube.com/watch?v=c2eOfChFKRg; 20.01.2012
[4] Źródło: http://cadpolska.pl/index.php/hardware/drukarki-3d/307-dimension-elite; 21.01.2012
[5] Źródło: za 4

-----------------------
4

3

1

2

3

2

1