DEFINICIJE I OSNOVNI PRINCIPI

RP (eng. Rapid Prototyping)- brza izrada modelaRT (eng. Rapid Tooling)- brza izrada alataRM (eng. Rapid Manufacturing)- brza izrada proizvodaRP, RT i RM predstavljaju grupu tehnologija pomoću kojih se modeli, alati i proizvodi izrađuju direktno iz 3D CAD bez korišćenja alata i pribora.

3D CAD (digitalni oblik) modela, alata i proizvoda može da nastane procesom projektovanja u nekom od softvera za 3D modelovanje (navesti ih u zagradi???) ili digitalizacijom već postojećeg modela, alata i proizvoda procesom reverzibilnog inženjeringa (RE- Reverse Engineering).

Klasični načini izrade modela/prototipa su za savremene uslove privređivanja neprihvatljivo spori jer se izvode skidanjem strugotine, elektroerozijom, brušenjem, bušenjem (kod kojih oblik modela/prototipa nastaje skidanjem materijala), plastičnim deformisanjem.

Klasičan način izrade modela vrlo često zahteva dugotrajnu i skupu ručnu doradu.

Ovim postupcima izrade modela/prototipa ne može da se skrati "Time to market", Slika: Uticaj R P/T na trougao najuticajnijih faktora pri razvoju proizvoda.

VRSTE RAPID P-T-M

Klasični postupci izrade prototipova/modela baziraju se na odstranjivanju (skidanju) dela materijala strugnjem, glodanjem, bušenjem, brušenjem, erozijom itd.

Postupci RP/T/M se baziraju na aditivnim metodama: model/prototip nastaje uzastopnim nanošenjem slojeva materijala relativno male debljine.

Svaki sloj ima konturu u ravni koja se generiše kompjuterom koji pravi preseke digitalnog CAD modela.

Slojevi se međusobno vezuju vezivnim sredstvom, sinterovanjem ili stapanjem.

Klasifikacija RP postupaka prema vrsti tj. stanju osnovnog materijala:

Postupci kod kojih se koristi tečan materijal- fotopolimer koji očvršćava pri osvetljavanju lasrskim zrakom ili UV svetlošću,

Postupci kod kojih se koriste čestice mikronske veličine koje se povezuju (očvršćavaju) dodavanjem vezivnog sredstva ili pod uticajem laserskih zraka.

Postupci kod kojih se koriste čvrsti materijali od plastične mase, papira i metala u obliku folije ili plastična masa u obliku žice koja se topi neposredno pre nanošenja sloja.

Stereolitography-SL

Karakteristike postupka:

Prva komercijalna RP tehnologija

I danas je najviše zastupljena

Relativno kratko vreme izrade funkcionalnog modela (1 dan) relativno velike čvrstoće,

Debljina sloja 0,05 do 0,15 mm,

Relativno skupa smola (80 do 210 $/litri)

Relativno skupa oprema, i preko 500 000 $

Zahteva „podupirače“ (noseća konstrukcija modela).

Model je transparentan i može se analizirati unitrašnjost konstrukcije

Materijali

Fotopolimeri- organski materijali (smole) koji su na sobnoj temperaturi u tečnom stanju. Ako se izlože dejstvu laserskih UV zraka prelaze u čvrsto stanje.

Raspon talasnih dužina UV spektra je od 254 do 365 nm

Postupak

Fotopolimerna smola se nalazi u kadi u kojoj se vertikalno, u malim pomacima, kreće horizontalna platforma.

Iznad kade je postavljen laser, sistem sočiva i kopjuterom upravljano ogledalo pokretno po X i Y osi.

U početnom položaju platforma se nalazi na gornjem nivou smole i na njoj se nalazi sloj smole relativno male i kontrolisane debljine 0,05 do 0,15 mm.

Upravljački računar "seče" CAD model koji je u njega unet u stl. formatu na svakih 0,05 do 0,15 mm i preko sočiva i ogledala prenosi ga tj. crta na sloju fotoplimerne smole na platformi. Pri tome sloj smole očvrsne.

Fizički model se formira iz slojeva: platforma se sukcesivno spušta za debljinu sloja, na prethno formirani (očvrsli) sloj nanosi se novi sloj tečne smole koji se otvrdnjava crtanjem sledećeg "digitalnog" preseka laserskim zrakom.

Osvetljavanje sloja smole (crtanje preseka laserskim zrakom) može se izvoditi na dva načina:

Tačka do tačke- koristi se kod većine SL uređaja

Projektovanjem celog sloja istovremeno laserskom fotolitografijom. Oblik svakog sloja se izrađuje na fotomaskirnoj ploči procesom jonografije i razvijanjem željenog oblika elektrostatičkim tonerom. Nakon razvijanja oblika ploča se postavlja iznad sloja tečnog fotopolimera. Preko ploče se pušta intenzivna UV- svetlost kroja prolazi kroz masku i vrši osvetljavanje i očvršćavanje sloja polimera. Neočvrsli polimer se

vakumom odstranjuje i zamenjuje voskom koji igra ulogu potpore. Za svaki sloj postupak se ponavlja. Vosak je rastvorljiv u vodi i lako se naknadno uklanja.Ovaj postupak se još naziva i Solid Ground Curing-SGC. On je najskuplji postupak RP.

Postoje dva sistema SL uređaja, Slika: Varijante SL mašina.

Osvetljavanje smole se vrši sa gornje strane, platforma i fizički model se spušataju (ovaj sistem se više koristi),

Osvetljavanje smole se vrši sa donje strane, kroz staklenu ploču a platforma i fizički model se podižu.

Naknadna obrada modela

Posle formiranja modela on se:

Vadi se iz kade sa smolom

Pere se od viška (tečne) smole,

Mehanički se uklanjaju podupirači,

Model se dodatno očvršćava u pećima u tajanju do nekoliko sati.

Fuze depozition modeling- FDM

Modelovanje dodavanjem istopljenog materijala, Slika:1 glava za topljenje i ekstruziju; 2- naneti slojevi;3- pokretna platforma

Karakteristike postupka

Brzo i jeftino generisanje slojeva,

Pouzdanost procesa tj. jednostavno i manipulisanje podacima,

Minimalni gubitci materijala,

Relativno veliki broj materijala sa širokim spektrom osobina,

Relativno mala tačnost mera i oblika modela,

Nije pogodan za modele sa otvorima, udubljenjima i izbočinama

Materijali za izradu modela i potpornih "konstrukcija" se nalaze u obliku žice na kalemovima,

Transportnim sistemom (valjci, sprovodne cevi, skretnice i dr.) žica se dovodi u ekstruzione glave,

U ekstruzionim glavama žica se topi i u tečnom stanju se istiskuje kroz mlaznice (dizne) prečnika oko 0,15 mm na ekstruzionoj glavi,

Tečan meterijal se slaže u slojevima na platformu koja se posle svakog sloja spušta za debljinu novog sloja,

Konture slojeva se generišu u računaru na osnovu CAD modela

Istisnuti sloj se stapa (sjedinjuje) sa prethodno istisnutim slojem,

Formiranje sloja se ostvaruje kretanjem ekstruzionih glava u XY ravni ili kretanjem platforme

Kretanje ekstruzionih glava i platforme se izvodi pomoću koračnih motora čiji se rad kontroliše CAM paketom.

Uobičajna debljina slojeva je oko 0,125 mm ali se bolji rezultati postižu sa debljinama 0,2 do 0,25 mm.

Širina slojeva je 0,3 do 2,5 mm i reguliše se razmakom između mlaznice i prethodnog sloja.

Materijali:

Koristi se relatvno veliki broj materijala sa različitim odnosom osobina (mehaničkih, toplotnih, optičkih) i cene:

ABS plastika (Akrylonitrile butadiene styrene),

Polikarbonati,

Polikaptoliktoni,

Polifenilsulfoni

Različite vrste "voskova" od kojih su neki rastvorljivi u vodi,

Eutektičke legure i metali sa relativno niskom tačkom topljenja

Neki od ovih materijala imaju takve osbine da se od njih mogu izraditi funkcionalni modeli.

3D printing

Postoje dve grupe postupaka 3D štampe:

Direktna 3D štampa (Direct 3D printing)

Vezivna 3D štampa (Binder 3D printing)

1. Direktna 3D štampa (Direct 3D printing)

Video: Direkna 3D štampa

Pomoću 8 štamparskih glava na radnu površinu se injektuje sloj fotopolimera koji odgovara obliku poprečnog preseka virtuelnog 3D CAD modela,

Pod dejstvom UV lampi sloj odmah očvršćava,

Fizički model se formira sloj po sloj koji očvršćavaju još u toku štampe i model je odmah spremen za upotrebu,

Model vrlo dobro apsorbuje boju, može se mašinski obrađivati, galvanski presvlačiti i koristiti kao kalup,

Karakteristike direktne 3D štampe

Visok kvalitet izrade (debljina sloja od 16 m),

Visoka geometrijska tačnost (debljina zida manja od 0,6 mm),

Visok kvalitet površine, bez brušenja i poliranja,

Širok izbor fotopolimernih materijala,

Neophodni „podupirači“ tj. nosači modela,

Potrebne su instalacije i vreme za uklanjanje „podupirača“ mlazom vode

Relativno veliki izbor materijala (gips, pesak, celuloza, keramika, staklo i dr) omogućili su relativno veliku primenu ovog postupka.

Praškasti materijal se nanosi na ploču u relativno tankom sloju, oko 0,1 mm, Slika.

Na sloj praha se pomoću jedne ili više štamparskih glava (pokretnih u X-Y ravni) nanosi vezivno sredstvo i boja po konturi (površini) koja odgovra preseku virtuelnog 3D CAD modela.

Vezivno sredstvo vezuje čestice praha formirajući sloj fizičkog modela a boja ga boji,

Čestice praha, na koje nije naneto vezivno sredstvo i boja, služe kao „držač“ ili „podupirač“ delova modela dok on ne dobije dovoljnu čvrstoću

Ploča se spušta (u pravcu Z ose) za debljinu sloja, nanosi se novi sloj praha a na njega vezivo i boja po konturi koja odgovara sledećem preseku virtuelnog modela.

Postupak se ponavlja sve dok se svi preseci virtuelnog modela ne „prenesu“ na ploču tj. fizički model .

Primarno očvršćavanje fizičkog modela se obavlja na ploči, u prahu u koji nije naneto vezivo i boja u trajanju do nekoliko sati.

Prah na koji nije naneto vezivo i boja se uklanjaju i vraćaju ponovo u proces,

Fzički model se detaljno čisti od praha,

Fizički model se naknadno (sekundarno) otvrdnjava infiltracijom odgovarajućih hemikalija,

Fizički model se može naknadno bojiti, ručno ili mašinski bušiti, brisati i polirati.

Selective laser sintering- SLS

Princip: 1- CAD model; 2- CAM sistem; 3- laserski zrak; 4- prah; 5- sistem za raspoređivanje praha;6- sistem za dodavanje praha; 7- sistem za spuštanje radne platforme.

CAD model se u .STL ekstenziji unosi u CAM sistem koji ga priprema za proces (pozicionira i vrši izradu virtuelnih preseka). Sistem za dodavanje praha podiže prah tako da ga sistem za raspoređivanje nanosi u tankom sloju na radnu platformu. Laser emituje zrak određenih karakteristika koji se preko sistema ogledala i sočiva usmerava na sloj praha. Laserski zraci na sloju praha "crtaju" presek i vrše delimično (površinsko) topljenje čestica praha. Pri hladjenju čestice praha se povezju- sinteruju. Posle formiranja sloja radna platforma se spušta za debljinu sloja a preko formiranog sloja se nanosi novi sloj praha.

Materijali

Za SLS se koristi relativno veliki broj materijala koji se stalno povećava.

Generalno: svaki materijal koji se može proizvesti u obliku praha i koji se pri zagrevanju na određenu temperaturu topi a pri hlađenju na sobnu temperaturu očvršćava može se koristiti za SLS.

Najveću primenu su našli termoplastični polimeri: najlon, najlonski kompoziti, polietilen, polipropilen, polikarbonat, vosak i dr.

Pored njih koristi se: pesak, staklo, keramika, metal (čelik, Al-legure, Ti-legure).

Ako se koristi metalni prah onda se on meša sa prahom od termoplastičnog polimera ili se prethodno oblaže slojem polimera. Polimer igra ulogu vezivnog sredstva

Karakteristike postupka

Relativno veliki broj materijala

Mogućnost izrade geometrijski veoma složenih modela: Slika; Slika; Slika.

Nisu potrebne "potporne" konstrukcije

Osobine modela zadavoljavaju veliki broj zahteva: od prototipova do finalnih proizvoda,

Minimalna naknadna obrada modela.

Relativno skupa oprema.

Kvalitet modela (mehaničke, fizičke i hemijske osobine), hrapavost površine, gustina i dr. zavisi od velikog broja faktora, Slika:

Materijal,

Kvalitet laserskog zraka tj. oprema

Parametri procesa

Direct metal laser sintering- DMLS ili DMLM

Direct metal laser sintering (DMLS)- direktno lasersko sinterovanje metala. Koristi se još i termin Direct metal laser melting (DMLM)

Ovaj postupak je u suštini slektivno lasersko sinterovanje. Razlika je u tome što se koristi čist metalni prah i snažan laser tako da nije potrebno naknadno sinterovanje

Postupak

Upravljački računar CAM sistema u koji je importovan 3D CAD model u .stl formatu pravi njegove preseke i preko snažnog lasera (do 1 kW), sistema sočiva i ogledala "iscrtava" ga na sloju metalnog praha (veličina zrna oko 20 µm) koji se nalazi na platformi koja se može koračno spuštati vertikalno.

Laserski zrak površinski topi zrna metalnog praha, povezujući ih međusobno i sa prethodnim slojem.

Platforma se nalazi u zaštitnoj atmosferi čime se sprečava oksidacija metalnog praha.

Posle formiranja sloja platforma se spušta za oko 20 µm, odgovarajućim uređajem (valjkom) nanosi se novi sloj metalnog praha i postupak se ponavlja sve dok se svi preseci 3D CAD modela ne prenesu na slojeve metalnog praha.

Model ima odgovarajuću gustinu (oko 95% u odnosu na odlivke) i čvrstoću tako da nije potrebno naknadno sinterovanje.

Modeli se mogu koristiti kao prototip modeli ili kao gotovi proizvodi (RM).

Materijali

Svi metalni materijali koji se mogu proizvesti u obliku praha mogu se koristiti za izradu modela

Svi kvaliteti čelika,

Legure aluminijuma,

Legure bakra

Kobalt-hrom legure,

Legure titana,

Super legure

Karakteristike

Relativno veliki broj metalnih materijala,

Mogu se izraditi modeli povišene tačnosti i složene konfiguracije,

Sve vrste modela se mogu izraditi,

Funkcionalni modeli tj. finalni proizvodi (Rapid Manufacturing),

Skupa oprema i skupi materijali,

Zahteva "podupirače"

Široko područje primene DMLS modela: medicinski instrumenti i aparati, implantanti, alati, svemirska istraživanja, vojna oprema...

Laminated object manufacturing- LOM

Laminated object manufacturing- LOM (Proizvodnja modela iz listova

Postoji više varijanti ovog postupka

Postupak

Folija od papira, polimera ili metala koja je sa jedne strane premazana termoplastičnim polimerom namotana je u rolnu. Mehanizam za poprečno pomeranje folije (XY ravan) preko sistema valjaka postavlja (razvlači) foliju preko radne platforme.

Laserski zrak (najčešće CO2 laser) se preko sistema ogledala i optičke glave, pokretne u XY ravni, usmerava na foliju, i seče foliju po konturi tekućeg preseka CAD model.

Laserski zrak zatim seče preostali deo folije na platformi na manje delove da bi se kasnije lakše odvojili od modela.

Valjak se vraća u početni položaj, platforma se spušta za debljinu sloja a preko prethodno formiranog sloja razvlači se novi sloj folije.

Postupak se ponavlja dok se svi "preseci" sa CAD modela ne prenesu na foliju.

U fazi postprocesuiranja model se odvaja od podupirača koji su nastali lepljenjem i sečenjem slojeva izvan konture modela.

Video: "Solido" desktop LOM 3D printer

Polietilenska folija nije premazana srestvom za lepljenje već se ono unosi na svaki sloj selektivno- prema konturi preseka koji se preslikava sa CAD modela.

Na sloj folije koji je razvučen preko radne platforme štamparskom glavom se nanosi sredstvo za lepljenje unutar konture tekućeg sloja a sredstvo protiv lepljenja se nanosi izvan konture tekućeg sloja (u delu za potpore).

Mehaničkim nožem se seče folija po konturi takućeg preseka.

Kada se svi preseci sa CAD modela prenesu na foliju "blok" se skida sa platforme a model se odvaja od potpornog materijala.

Karakteristike

Postupak je relativno brz- laser seče samo konture,

Postupak je relativno jeftin i zbog opreme i zbog materijala,

Relativno veliki otpad

Pogodan je za izradu relativno velikih modela/proizvoda, (800x600x600 mm)

Dimenzionalna tačnost mera modela je relativno mala,

Osobine modela su različite i različitim pravcima

Modeli sa ispustima i upustima se teško formiraju zbog otežanog uklanjanja potpora.

Laminated object manufacturing- LOM

Karakteristike

Postupak je relativno brz- laser seče samo konture,

Postupak je relativno jeftin i zbog opreme i zbog materijala,

Relativno veliki otpad

Pogodan je za izradu relativno velikih modela/proizvoda, (800x600x600 mm)

Dimenzionalna tačnost mera modela je relativno mala,

Osobine modela su različite i različitim pravcima

Modeli sa ispustima i upustima se teško formiraju zbog otežanog uklanjanja potpora.

Electron beam melting- EBM

Electron beam melting- EBM (Topljenje elektronskim snopom)

Ovaj postupak spada u grupu RM postupaka jer se sa njim uglavnom irađuju finalni proizvodi od metala: alati, implantanti, delovi za avio, auto, vojnu i kosmičku industriju a ređe modeli.

Metalni prah fine granulacije (do 20 µm) se nalazi u rezervoaru u vakuumiranoj komori. Pomoću sistema za raspoređivanje prah se razvlači na površinu radne ploče koja se mehanički, koračno, može pomerati po Z- osi. Debljina sloja praha je oko 20 µm.

Ceo sloj praha se snopom elektronskih zraka predgreva na temperaturu blisku temperaturi topljenja,

Snop elektronskih zraka se preko sistema magnetnih sočiva fokusira, usmerava na predgrejani prah i vodi tako da se zrna praha selektivno tope i međusobno povezuju unutar konture koja odgovara tekućem preseku 3D CAD modela.

Radna ploča se spušta za debljinu sloja, nanosi se novi sloj praha i vrši se njegovo topljenje u obliku koji odgovara sledećem preseku koji se sa 3D CAD modela prenosi na prah.

Pri tome se ovaj sloj stapa (povezuje) sa prethodnim slojem.

Kada se svi slojevi sa 3D CAD modela "prenesu" na slojeve praha na radnoj ploči, u vakuumiranoj komori, model se vadi iz komore, čisti od viška paraha i podvrgava dodatnoj mašinskoj obradi.

Gustina i mehaničke osobine modela su isti kao kod odlivka tako da nije potrebno naknadno sinterovanje.

Materijali

Legure titnijuma

Visokolegirani čelici,

Legure aluminijuma

Super legure (legure Ni-Co-Cr)

Legure bakra