Sitomb Blog

Rapid Prototyping

Rapid Prototyping

Rapid Prototyping (RP) to ogólny termin określający zbiór procesów przyspieszonej produkcji części prototypowych oraz małych serii.

Różnorodność procesów, które wchodzą w skład grupy szybkiego prototypowania, stale rośnie. Jednocześnie zwiększa się również zakres możliwych do przetworzenia materiałów. Rosnąca dostępność możliwości oznacza, że powiązane procesy, takie jak druk 3D, nie ograniczają się już tylko do przemysłu, ale stają się coraz bardziej ugruntowane w sektorze prywatnym. W niniejszym artykule zostaną zbadane korzyści przemysłowe płynące z procesów  szybkiego prototypowania, ze szczególnym uwzględnieniem procesów odlewania.

Rapid Prototyping: Prototypowanie sekwencyjne i dodatkowa obróbka

Procesy szybkiego prototypowania różnią się pod względem zastosowanego materiału, jego stanu skupienia, źródła energii wymaganego do spojenia materiału lub innych parametrów procesu. Jednak wszystkie one mają tę samą cechę wspólną, detale są wytwarzane w procesie wertykalnego, wartstwowego druku 3D, zachodzącego zazwyczaj w osi Z.
Na tej podstawie metoda ta jest kategoryzowana  jako wytwarzanie addytywno-przestrzeniowe.

Dzięki warstwowej technologii druku możliwa jest  realizacja złożonych struktur geometrycznych, które byłyby trudne lub niemożliwe do wykonania przy zastosowaniu konwencjonalnych technologii produkcyjnych. Ponadto istnieją grupy procesowe bazujące na metodzie szybkiego prototypowania, takie jak Rapid Manufacturing (obróbka detali) lub Rapid Tooling (produkcja narzędzi). Decydującą cechą rozróżniającą jest tu przeznaczenie obrabianych przedmiotów. Przyspieszona metoda dostarczania oprzyrządowania jest atrakcyjna dla procesów odlewniczych, w szczególności odlewów ciśnieniowych i inwestycyjnych, ponieważ czas produkcji narzędzi może być znacznie skrócony.

Rapid Prototyping i CAD

Proces  RP opiera się na danych CAD (Computer Aided Design), które przedstawiają geometrię elementu w trzech wymiarach za pomocą wielokątów. Najczęściej stosowanym formatem pliku jest format STL (format pliku stereolitograficznego). Pliki CAD są łącznikiem pomiędzy środowiskiem komputerowym a odpowiednią maszyną produkcyjną.

Zalety szybkiego prototypowania

Kilka czynników przemawia za przemysłowym wykorzystaniem procesów RP. Najważniejszą zaletą w stosunku do innych procesów produkcyjnych jest odejście od typowego narzędzia formującego (formy odlewnicze, frezy itp.) i związane z tym skrócenie czasu produkcji. Potrzebne narzędzia nie muszą być kupowane lub produkowane we własnym zakresie w ciągu kilku dni lub tygodni. Dzięki opisywanej technologii komponenty mogą być wytwarzane na maszynach RP w ciągu kilku dni bądź nawet kilku godzin.

Kolejną zaletą procesów RP są stosunkowo niskie koszty inwestycyjne oraz szybka rentowność maszyn. Niezbędne oprzyrządowanie, przy pomocy którego można produkować komponenty z metali, można kupić już od 100 000 €, dla mniej wymagających komponentów można zejść poniżej tej kwoty. Ponadto spodziewać się można dużo szybszej amortyzacji kosztów, ze względu na przyspieszoną dostępność produktów, mniejszą liczbę etapów produkcji, oraz możliwość szybkiej identyfikacji potencjalnych wad konstrukcyjnych detali.
Ponadto, wraz z postępem technologicznym zmniejsza się zapotrzebowanie na posiadanie indywidualnego know-how w zakresie obsługi i programowania maszyn RP.
Eliminuje to konieczność obsługi maszyny przez wykwalifikowanych pracowników; projektanci i inżynierowie mogą sami wytwarzać produkt bez konieczności zatrudniania dodatkowych osób.

Podczas gdy wynalezienie stereolitografii w latach 90-tych początkowo pozwalało jedynie na produkcję polimerowych próbek detali do celów demonstracyjnych, obecnie idealnie nadaje się ona do produkcji gotowych do montażu komponentów, które nadają się do produkcji seryjnej. Na przykład, wysokiej jakości komponenty do turbin lotniczych są produkowane w postaci gotowej do montażu za pomocą  metody selektywnego spiekania laserowego (SLS).

Wady szybkiego prototypowania

Oprócz korzyści płynących z metod RP, istnieją również pewne ograniczenia, które należy wziąć pod uwagę. Największym minusem jest ograniczona prędkość produkcji detali, która jest spowodowana wartwowym nakładaniem. Czas wytworzenia pojedyńczej cześć bądź małego kompletu może się wachac od kilku godzin do kilku dni.

Średnia i duża produkcja seryjna, a nawet masowa, jest więc wysoce nieekonomiczna przy metodzie addytywnej.
Z tego powodu, preferowane jest metoda Rapid Tooling.

Ogólna charakterystyka szybkiego prototypowania
Zalety Wady
Brak koniecznego oprzyrządowania Długi proces produkcji jednostkowej
Niskie koszty inwestycyjne Ograniczone pole robocze
Relatywnie wysoka jakość produktów
Możliwość wytwarzania skomplikowanych detali

Na niekorzyść metod RP wpływają również ograniczenia związane z wymiarami. Wymiary drukowanych przedmiotów sa ograniczone polem roboczym danej maszyny. Na przykład systemy spiekania laserowego ograniczają się do elementów o wadze do 15 kg. Systemy LOM, na których przetwarzana jest celuloza i polimery, są ograniczone do 50 kg. Jednak obecnie dostępne są również maszyny posiadająca dopuszczalną objętość roboczą do jednego metra sześciennego. Dalsze potencjalne wady zależą bezpośrednio od  procesu.

 

 

 

Różne zastosowania metody szybkiego prototypowania

Pod pojęciem Rapid Prototyping wiele osób wyobraża sobie głównie druk 3D i w ten sposób szufladkuje wszystkie tego typu  procesy produkcji. Jednakże  poszczególne metody szybkiego prototypowania z reguły bardzo się różnią, więc uogólnianie tych technologii jest problematyczne. W poniższym fragmencie przedstawiono niektóre z najważniejszych metod  produkcji detali i objaśniono ich poszczególne cechy.

Stereolitografia

Stereolitografia (SL) jest uważana za jedną z pierwszych metod w rozumieniu szybkiego prototypowania, została opracowana w latach 80-tych.
Jako materiał bazowy stosuje się światłoutwardzalne tworzywo sztuczne (fotopolimer), które w formie płynnej znajduje się w komorze roboczej urządzenia.
Laser sterowany systemem luster, naświetla geometrię tworzonego detalu, powodując utwardzanie się polimeru w warstwach od 0,05 mm do 0,25 mm. Opcjonalnie można tworzyć dodatkowe konstrukcje w celu ustabilizowania wytwarzanego przedmiotu, muszą one zostać później usunięte. Po utwardzeniu pierwszej wartstwy model zanurza się głębiej, a laser utwardza jej kolejne poziomy. Proces ten jest powtarzany aż do momentu, w którym przedmiot osiągnie swój ostateczny kształt. Elementy produkowane w procesie SL mają bardzo gładką powierzchnię i drobną strukturę
.

Osadzanie topionego materiału

Metoda Fused Deposition Modelling (FDM) jest jedną z najczęściej stosowanych metod szybkiego prototypowania, zarówno w sektorze prywatnym, jak i przemysłowym. Kiedy poruszamy temat druku 3D, zazwyczaj chodzi właśnie o tą metodę.
Metoda FDM polega  na nakładaniu płynnego  polimeru na określone obszary.
Polimer jest nawinięty na cewki  warstwowo.

Ponieważ materiał jest stale nakładany jako polimerowa nić, a wkrótce potem ulega zestaleniu, określa się to mianem procesu deponowania nici. W razie potrzeby możliwe jest również równoległe ustawienie konstrukcji nośnej, która jest następnie usuwana. Grubość warstwy i możliwa do wykonania dokładność konstrukcji jest więc zależna od średnicy dyszy i mieści się w zakresie > 0,15 mm. Prędkość druku jest stosunkowo niska, ponieważ dysze muszą być przesuwane mechanicznie za pomocą specjalnego systemu szyn.

Selektywne spiekanie laserowe

Metoda  (SLS) jest procesem podobnym do stereolitografii. Jednakże w przypadku SLS zamiast płynnego polimeru stosuje się mieszaninę polimeru w proszku zawierającą spoiwo i materiału bazowego lub mieszaninę proszku metalu i spoiwa polimerowego.

W tej metodzie źródłem energii  jest laser o dużej mocy, który topi równomierną wartwę proszku na zadanym konturze. Proszek po zestaleniu tworzy trwałą strukturę. Po wykonaniu warstwy (grubość warstwy >0,1 mm) stół roboczy opuszcza się i następnie rozprowadzana jest nową warstwa proszku. Proces ten jest powtarzany aż do uzyskania pożądanej geometrii. W przeciwieństwie do SL, po wyjęciu z maszyny obrabiany przedmiot nie jest jeszcze gotowy do montażu, ponieważ konieczna jest jeszcze dodatkowa obróbka termiczna w piecu, dzięki której spoiwo polimerowe wydostaje się na zewnątrz, a obrabiany przedmiot jest zagęszczany. Oczywistą zaletą tego procesu jest możliwość drukowania metali.Z kolei  na niekorzyść tej metody wpływają dodatkowe etapy procesu i wydłużony czas producji.

 

Technologia selektywnego stapiania wiązką lasera

Bezpośrednie spiekanie laserowe metali (SLM), zwane również selektywnym topieniem laserowym, jest metodą bardzo zbliżoną do SLS, jednakże proces ten jest przeprowadzany bez dodatku spoiwa polimerowego. Materiał, który jest obecny w postaci bardzo drobnego proszku metalowego (do 20 µm), jest nakładany cienkimi warstwami na platformę roboczą. Następnie laser o dużej mocy selektywnie  naświetla poszczególne kontury geometryczne detalu i miejscowo topi drobiny proszku. Kryształy metalu następnie kurczą się i w miarę krzepnięcia  tworzą spoiwo. Proces jest powtarzany warstwa po warstwie, aż do uzyskania żądanego kształtu. Przedmioty produkowane metodą SLM mają zwykle kształt zbliżony do sieci i muszą być jedynie wyczyszczone pozostałego proszku. Detale otrzymywane tą metodą mają bardzo dużą gęstość (>99%), tym samym uzyskują doskonałe właściwości mechaniczne.

Metoda Rapid Tooling w technologii odlewniczej

Jak już wspomniano powyżej, preferowanym zastosowaniem procesów Rapid Tooling w związku z procesami odlewniczymi jest sektor narzędziowy (toolmaking). Nie jest oczywiście wykluczone stosowanie tychże procesów do wykonywania prototypów.

Dzięki dostępowi do technologii Rapid Tooling możliwe jest szybkie reagowanie na zmieniające się warunki produkcji oraz szybkie zaprojektowanie i wyprodukowanie wymaganego elementu w krótkim czasie. Projekty tego typu są w pełni cyfrowe, zapisywywane w postali modeli 3D.

Ponadto, elementy wytwarzane w technologii addytywnej dają możliwość realizacji geometrii, która nie może być wykonana w konwencjonalnych procesach. Na przykład systemy spiralnego chłodzenia wewnątrz suwaków bocznych formy odlewniczej. Ponadto metody addytywne zdecydowanie skracają czas trwania produkcji oprzyrządowania co w rezultacie zwiększa efektywność całego projektu.

Podsumowanie i wnioski nt. potencjalnej przyszłości technologii szybkiego prototypowania

Procesy szybkiego prototypowania oferują nieporównywalną możliwość realizacji prototypów i małoseryjnych detali  w bardzo krótkim czasie bez potrzeby użycia trwałych narzędzi. W przeciwieństwie do konwencjonalnych procesów, które poprzez usuwanie materiału tworzą przedmiot wytwarzany, procesy addytywne budują produkt warstwa po warstwie, umożliwiając tym samym tworzenie złożonych geometrii i struktur, które są trudno osiągalne bądź nie możliwe do wytworzenia bez zastosowania technologii szybkiego prototypowania.

Do poszczególnych zastosowań można dobrać odpowiednie procesy. Należy jednak zawsze mieć świadomość, że przy obecnym stanie techniki szybkie prototypowanie może być efektywnie użyte jedynie  do produkcji jednorazowej lub małoseryjnej. Sytuacja nie powinna ulec diametralnej zmianie na przestrzeni najbliższych lat.

Jednakże ten pozornie słaby punkt technologii Rapid Tooling może być wykorzystany  jako zaleta w przypadku bardzo skomplikowanych narzędzi i dodatkowych urządzeń pereferyjnych. W tej sytuacji odpowiednio zaprojektowany system pozwoli zaoszczędzić inwestorowi sporo pieniędzy oraz czasu.