tehnologije 3d ispisa - predavanje

Dr.sc. Davor Antonić

TEHNOLOGIJE

3D ISPISA

Stanje i

perspektive

Sadržaj

• Uvod

• Tehnologije 3D ispisa

• Projekt RepRap

• 3D pisač MendelMaxPRO

2

UVOD

• Princip rada

• Primjene

• Povijesni razvoj

3

Princip rada

• Predmeti se stvaraju principom aditivne izrade, tj. dodavanjem materijala – ušteda materijala!

• Vedina klasičnih tehnika obrade temeljeno je na stvaranju predmeta oduzimanjem materijala (tokarenje, glodanje, ...)

4

Princip rada

• Aditivna izrada omoguduje izradu predmeta koje nije mogude ostvariti klasičnim postupcima obrade

• Primjer: kuglični ležaj

5

Princip rada

DizajnPriprema za ispis

Ispis

Stvaranje 3D modela u nekom od CAD alata

Rastavljanje modela na slojeve

Izrada predmeta

Neovisno o tehnologiji ispisa Specifično

6

Princip rada

7

Primjene

• Industrija - brza izrada prototipova, izrada alata (kalupi), proizvodnja, prilagodba i individualizacija proizvoda

CRP Group’s Italian, all-electric “superbike”, Energica

– Printani oklop

http://3dprintingindustry.com/2013/07/22/3d-printing-gives-electric-superbike-energica-more-power/ 8

Primjene

• Hobi / kudna upotreba

– Izrada predmeta za osobnu upotrebu

– Modelarstvo, robotika

http://www.thingiverse.com/thing:32281/

http://www.3ders.org/articles/20120415-young-student-builds-hexapod-robot-with-dimension-3d-printer.html

http://www.digitaltrends.com/cool-tech/the-worlds-first-plane-created-entirely-by-3d-printing-takes-flight/

9

Primjene

• Hobi / kudna upotreba

– Izrada dijelova za 3D pisače

http://www.mikroelektronika.hr/

10

Primjene

• Medicina i stomatologija– Izrada modela dijelova tijela

temeljem CT /RTG snimke -priprema za operacije, protetske zahvate

– Izrada prilagođenih implantata

– Izrada stomatoškog otiska iz CT snimke čeljusti

– Fiksiranje udova

(egzoskelet)

http://www.energyandcapital.com/articles/3d-printing-profits-from-the-health-care-industry/3590

http://blog.solidconcepts.com/evolution-custom-manufacturing/tip-of-the-iceberg/

11

Primjene

• Biologija i kemija

Stvaranje bakterijskih kultura

Ispis katalizatora i reaktanata

http://www.rsc.org/chemistryworld/2013/10/3d-printing-bacteria-multiple-infections

12

Primjene

• Arhitektura

– Izrada modela građevina

http://solidsmack.com/fabrication/3dmtp-makes-it-easy-to-3d-print-architectural-models/

13

Primjene

• Dizajn i umjetnost

– 3D reprodukcije kipova, ekvivalent grafikama

– Dorada 3D predmeta

– Ispis matematičkih funkcija

http://www.businessinsider.com/will-3d-printing-go-mainstream-2013-1

14

Primjene

• Moda

Haljina rađena po mjeri za Ditu von Teese

– 17 zasebno ispisanih dijelova

– Korišten pisač s najlonskim prahom i laserskom koagulacijom

http://vr-zone.com/articles/3d-printing-crosses-over-to-the-designer-fashion-industry/19201.html?TB_iframe=true&height=650&width=850

15

Primjene

• Edukacija– Pristupačna cijena čini 3D printer dostupnim

obrazovnim ustanovima

– Pruža uvid u proizvodne procese

– Potiče kreativnost

– Uvodi u nove tehnologije

– Omoguduje sticanje znanja iz raznih područja: • Građa pisača: strojarstvo, elektrotehnika, računarstvo,

mehatronika, robotika,

• Upotreba pisača: 3D dizajn, proizvodni procesi, strojarstvo, medicina, kemija, arhitektura, umjetnost, ekonomija

16

Primjene

• Bududnost– Printanje bioloških (organi) i kemijskih struktura

(lijekovi)

– Integracija s nanotehnologijom – 3D ispis postavljanjem pojedinih atoma – novi materijali

Li-ion baterija

– Promjer dizne 30μm

– Širina elektrode 60μm

http://www.rsc.org/chemistryworld/2013/06/3d-printed-microbattery-grain-sand

17

Povijesni razvoj

Godina

1984. Charles Hull razvio tehnologiju stvaranja fizičkih 3D objekata iz digitalnih podataka.

1986. Charles Hull patentira tehnologiju pod nazivom Stereolitografija. Iste godine osniva tvrtku 3DSystems i razvija prvi komercijalni 3D pisač.

1988. Scott Crump otkriva Fused Deposition Modeling (FDM) tehnologiju koja se koristi u današnjim stolnim pisačima.

1989. Scott Crump osniva tvrtku Stratasys.

1992. Stratasys prodaje prvi printer koji koristi FDM tehnologiju i štiti naziv FDM.

1993. MIT patentira „3D tehnologiju ispisa” baziranu na 2D inkjet tehnologiji

1995. Studenti i njihov mentor s MIT-a osnivaju tvrtku Z Corporation i dobivaju ekskluzivnu licencu od MIT-a za korištenje tehnologije. 2012. je tvrtka 3D Systems preuzela Z Corporation.

1995.-2004. Razvijaju se nove tehnologije ispisa, pojavljuju novi modeli. Cijena uređaja i dalje >30.000$

2004. Adrian Bowyer pokrede RepRap projekt 18

TEHNOLOGIJE ISPISA

19

Pregled tehnologija

Tehnologija Opis Materijali

Fused Deposition Modeling (FDM) ili Fused Filament Fabrication (FFF)

Istiskivanje (rastaljenog) materijala kroz ispisnu diznu.

Različite vrste termoplastika (ABS, PLA), guma, plastelin, silikon, čokolada, ...

Powder-bed and inkjet-head 3D printing

Na sloj praha inkjet glavom nanosi se vezivo i boja

Različite vrste praha i materijala za impregnaciju

Direct metal laser sintering (DMLS) iliSelective laser melting (SLM) ili Selective laser sintering (SLS)

Tanki sloj praha selektivno se tali laserskom zrakom

Različiti metali i plastike

Electron-beam melting (EBM)

Slična prethodnoj tehnologiji, umjesto lasera koristi se snopelektrona.

Različiti metali i plastike

20

Pregled tehnologija

• FDM / FFF i EBF3 jedine omoguduju izradu zatvorenih šupljih struktura.

21

Tehnologija Opis Materijali

Electron-Beam Freeform Fabrication (EBF3)

Materijal se nanosi metalnom žicom. Spoj žice i prethodnog sloja tali se elektronskim snopom (NASA).

Različiti metali

Stereolitography (SLA) Laserska zraka skrutnjava tekudi foto-polimer.

Polimeri

Laminated-object manufacturing (LOM)

Tanki listovi materijala izrezuju se mehaničkim rezačem ili laserom i međusobno lijepe

Papir, plastika, metalne folije

Fused Filament Fabrication (FFF)

22

Powder-bed and inkjet-head 3D printing

23

Selective laser sintering (SLS)Electron-beam melting (EBM)

24

Electron-Beam Freeform Fabrication (EBF3)

25

Stereolitography (SLA)

26

Laminated-object manufacturing (LOM)

27

PROJEKT REPRAP

28

• REPlicating RApid Prototyper

• Projekt je 2005. godine pokrenuo Adrian Bowyer, profesor stojarstva na Sveučilištu Bath u Engleskoj

• Osnovna ideja projekta je razviti 3D pisač koji može ispisati vedinu svojih dijelova

• Open source projekt – sve ideje se brzo objavljuju da se spriječi patentiranje

• Glavni dizajni pisača nazvani po poznatim genetičarima

• Koristi Fused Filament Fabrication (FFF) tehnologiju. Naziv izmišljen unutar RepRap projekta zbog zaštidenog imena Fused Deposition Modeling (FDM).

29

RepRap Darwin

30

RepRap Mendel

31

RepRap Prusa Mendel

32

RepRap Huxley

33

RepRap MendelMax 1.5

34

RepRap MendelMax 2.0

35

3D PISAČ MENDELMAXPRO

36

37

Dizajn

• Razvili smo ga na bazi pisača MendelMax 1.5+• Unapređenja:

– Poboljšana krutost nosača pogonskih elemenata (redizajn 90% plastičnih dijelova)

– U izvornom dizajnu vodilice i vijci za pogon Z-osi nisu bili paralelni. Zupčasti remeni nisu bili paralelni s pogonjenom osi.

– Vijci korišteni za pogon Z-osi zamijenjeni trapeznim navojnim vretenima

– Navojna vretena fiksirana u gornjoj točki– Senzori krajnjeg položaja fiksirani na nosače. Senzor Z-osi

omoguduje precizno podešavanje– Ugradnjom Al profila povedana krutost radnog stola– Fiksiran na podlogu, što povedava krutost i smanjuje

vibracije 38

Tehnički podaci

39

Radni volumen: 20 x 20 x 16 cm

Vertikalna razlučivost: 0,1 – 0,4 mm

Promjer niti: 3 mm

Promjer dizne: 0,5 mm

Hlađenje sloja: Aktivno (ventilator s regulacijom brzine vrtnje)

Preciznost pozicioniranja: XY osi: 12,5 mikronaZ os: 0,6 mikrona

Brzina rada: XY os: 500 mm/s pozicioniranje, 150 mm/s izradaZ os: 5 mm/s

Prosječna potrošnja: 80W (PLA), 120W (ABS)

Softver

• Dizajn 3D objekta– Mogude je koristiti bilo koji program za 3D

modeliranje koji dizajn može pohraniti u standardnom STL formatu

– FreeCAD (http://www.freecadweb.org/)

• Priprema modela za ispis– Rastavljanje 3D modela na slojeve uz definiranja

parametara izrade sloja

– Slic3r (http://slic3r.org/)

• Kontrola pisača– Pronterface (http://reprap.org/wiki/Printrun) 40

Materijali

• PLA (PoLylactic Acid): biorazgradiv, proizveden polimerizacijom kukuruznog škroba, osjetljiv na povišenu temperaturu i vlagu, krut

41

Materijali

• ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) – ekološki manje prihvatljiv od PLA, u odnosu na PLA veda čvrstoda, elastičnost, bolje podnosi povišenu temperaturu i vlagu. Kod ispisa zahtijeva više temperature glave i radnog stola, podložan deformacijama.

42

• Drvo – čestice drva (40%) pomiješane s polimernim vezivom. Ispisani predmet na izgled, opip i miris pruža osjedaj drveta. Temperatura ispisa određuje boju.

43

• Kamen – čestice kamena pomiješane s polimernim vezivom. Ispisani predmet na izgled, opip i miris pruža osjedaj kamena. Temperatura ispisa određuje finodu površine.

44

• FlexPLA – elastični PLA, svojstva slična gumi

• Polistiren

• Najlon

• BendLay – prozirni materijal sličan pleksiglasu

• Thermochrome EcoPLA – iznad 29oC postaje proziran

. . .

• Novi materijali pojavljuju se svakodnevno

45

ZAKLJUČAK

46

• 3D pisači sada su na razini kao kad su se u području klasičnog 2D ispisa pojavili dostupni tintni pisači.

• Tako je bilo s vedinom tehnologija koje danas koristimo: računala, pisači, mobilni telefoni, ...

47

Budućnost stolnih pisača

• Pisači s više glava– Ispis više različitih materijala ili više boja

– Uređaji ved postoje

• Masovna proizvodnja– Uzrokovati de pad cijene

• Pad cijene i dostupnost nekih od tehnologija ispisa (kao što je pojavom jeftinih tintnih pisača s vremenom pala cijena laserskih)

• ??? Vidjeti demo ...

48

Korisni linkovi

MendelMaxPRO

• http://www.mikroelektronika.hr

Projekt RepRap

• http://reprap.org/

Korisne informacije

• http://www.3ders.org/

• http://en.wikipedia.org/wiki/3D_printing

Online usluge 3D ispisa

• http://www.shapeways.com/

• http://i.materialise.com/

49

50

Hvala na pažnji !