Mr Ţivko Joković, prof

PROTOTYPING

TOOLING

MANUFAKTURING

RP (eng. Rapid Prototyping)- brza izrada modela

RT (eng. Rapid Tooling)- brza izrada alata

RM (eng. Rapid Manufacturing)- brza izrada proizvoda

RP, RT i RM predstavljaju grupu tehnologija pomoću kojih se modeli, alati i proizvodi izraĎuju direktno iz 3D CAD bez korišćenja alata i pribora.

3D CAD (digitalni oblik) modela, alata i proizvoda moţe 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 inţenjeringa (RE- Reverse Engineering).

Ž. Joković: RPTM 2

Klasični načini izrade modela/prototipa su za savremene uslove privreĎivanja 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 moţe da se skrati "Time to market", Slika: Uticaj R P/T na trougao najuticajnijih faktora pri razvoju proizvoda.

Ž. Joković: RPTM 3

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 meĎusobno vezuju vezivnim sredstvom, sinterovanjem ili stapanjem.

Ž. Joković: RPTM 4

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 ţice koja se topi neposredno pre nanošenja sloja.

Ž. Joković: RPTM 5

Video:Moţe li 3D štampa da promeni svet??? Video: Video: Video:

Uvod

Ž. Joković: RPTM 6

"Jedan pogled vredi više od 1000 reči"

Foto: Model lobanje, SL postupak

Foto: Kugla u kugli, SL postupak

Video: Stereolitogaphy

Video: Stereolithografie an der Hochschule Aalen

Video: The Stereolitography...

Video: ZBuider Ultra- osvetljavanje polimera u celom sloju

Ž. Joković: RPTM 7

Karakteristike postupka:

Prva komercijalna RP tehnologija

I danas je najviše zastupljena

Relativno kratko vreme izrade fiunkcionalnog 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 moţe se analizirati unitrašnjost konstrukcije

Ž. Joković: RPTM 8

Materijali

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

Raspon talasnih duţina 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 poloţaju 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.

Ž. Joković: RPTM 9

Ž. Joković: RPTM 10

Uravljački 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.

Ž. Joković: RPTM 11

Osvetljavanje sloja smole (crtanje preseka laserskim zrakom) moţe se izvoditi na dva načina: Tačka do tačke- koristi se kod većine SL ureĎaja Projektovanjem celog sloja istovremeno laserskom

fotolitografijom. Oblik svakog sloja se izraĎuje na fotomaskirnoj ploči procesom jonografije i razvijanjem ţeljenog 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 osvatlavanje i očvršćavanje sloja polimera. Neočvrsli polimer se vakuumom odstranjuje i zamenjuje voskom koji igra ulogu potpore. Za svaki sloj postupak se ponavlja. Vosak je rastvoljiv u vodi i lako se naknadno uklanja.Ovaj postupak se još naziva i Solid Ground Curing-SGC. On je najskuplji postupak RP.

Ž. Joković: RPTM 12

Postoje dva sistema SL ureĎaja, 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 podiţu.

Ž. Joković: RPTM 13

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.

Ž. Joković: RPTM 14

Video: Fused Deposition Modeling (FDM) "Solid Concept"

Video: RepRap FDM-

Video: StrataSys FDM

Ž. Joković: RPTM 15

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

Ž. Joković: RPTM 16

Ž. Joković: RPTM 17

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

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

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

Tečan meterijal se slaţe 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,

Ž. Joković: RPTM 18

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.

Uobičajena debljina slojeva je oko 0,125 mm ali se bolji rezultati postiţu sa debljinama 0,2 do 0,25 mm. Širina slojeva je 0,3 do 2,5 mm i reguliše se razmakom izmeĎu mlaznice i prethodnog sloja.

Ž. Joković: RPTM 19

Materijali:

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

Akrylonitrile butadiene styrene (ABS plastika),

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.

Ž. Joković: RPTM 20

Postoje dve grupe postupaka 3D štampe:

Direktna 3D štampa (Direct 3D printing)

Vezivna 3D štampa (Binder 3D printing)

Ž. Joković: RPTM 21

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, moţe se mašinski obraĎivati, galvanski presvlačiti i koristiti kao kalup,

Ž. Joković: RPTM 22

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

Ž. Joković: RPTM 23

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

"Jedan pogled vredi više od 1000 reči"

Video 1: Animacija 3D štampe jezgara za livački kalup

Video 2: Livenje bloka motora SUS u kalupu od jezgara

Video 3: ZPrinter 150&250

Video 4: ZPrinter 450

Video 5: ZPrinter 650

Ž. Joković: RPTM 24

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, sluţe kao „drţač“ 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.

Ž. Joković: RPTM 25

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, brisiti i polirati.

Ž. Joković: RPTM 26

Ž. Joković: RPTM 27

Princip: 1- CAD model; 2- CAM sistem; 3- laserski zrak; 4- prah; 5- sistem za rasporeĎivanje 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 podiţe prah tako da ga sistem za rasporeĎivanje nanosi u tankom sloju na radnu platformu. Laser emituje zrak odreĎenih 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.

Ž. Joković: RPTM 28

Princip: 1- CAD mode; 2- CAM sistem; 3- laserski zrak; 4- prah; 5- sistem za rasporeĎivanje praha; 6- sistem za dodavanje praha; 7- sistem za spuštanje radne ploče.

Ž. Joković: RPTM 29

Foto: Model od termoplastičnog polimera uraĎen SLS

Video: SLS princip (3D Systems)

Video: SLS 3D Systems

Ž. Joković: RPTM 30

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

Generalno: svaki materijal koji se moţe proizvesti u obliku praha i koji se pri zagrevanju na odreĎenu temperaturu topi a pri hlaĎenju na sobnu temperaturu očvršćava moţe se koristiti za SLS.

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

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

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

Ž. Joković: RPTM 31

Karakteristike postupka Relativno veliki broj materijala Mogućnost izrade geometrijski veoma sloţenih

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

Ž. Joković: RPTM 32

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

laser melting (DMLS)

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

Nekoliko pogleda, za uvod... Foto: Model1, Model 2, Model 3, Model 4

Video: DMLS izrada alata za brizganje plastičnih čaša.

Video: SLM (sektivno lasersko topljenje metala)- tooling

Video: DLMS- izrada modela povišene tačnosti

Video: DMLM- izrada lopatica za mlazne avione

Video: DMLS- prikaz ureĎaja EOS M 400

Ž. Joković: RPTM 33

Postupak Upravljački računar CAM sisstema u koji je importovan 3D CAD model u .stl formatu pravi njegove preseke i preko snaţnog 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 moţe koračno spuštati vertikalno.

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

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

Ž. Joković: RPTM 34

Posle formiranja sloja platforma se spušta za oko 20 µm, odgovarajućim ureĎajem (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).

Ž. Joković: RPTM 35

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

Ž. Joković: RPTM 36

Karakteristike Relativno veliki broj metalnih materijala,

Mogu se izraditi modeli povišene tačnosti i sloţene konfiguracije,

Sve vrste modela se mogu izraditi,

Funkcionalni modeli tj. finalni proizvodi (Rapid Manufacturing),

Skupa oprema i skupi materijali,

Zahteva "podupirače" (proveriti ???)

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

Ž. Joković: RPTM 37

Laminated object manufacturing- LOM (Proizvodnja modela iz listova

Postoji više varijanti ovog postupka

Video: Princip LOM postupka

Ž. Joković: RPTM 38

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.

Ž. Joković: RPTM 39

Ž. Joković: RPTM 40

Valjak se vraća u početni poloţaj, 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.

Ž. Joković: RPTM 41

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 noţem 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.

Ž. Joković: RPTM 42

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 oteţanog uklanjanja potpora.

Ž. Joković: RPTM 43

Electron beam melting- EBM (Topljenje elektronskim snopom)

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

Video: Princip EBM

Video: EBM- princip, karakteristike, primena

Video: Proces, predgrevanje, topljenje, spuštanje platforme, nanošenje novog sloja praha

Foto: Implantant za lobanju

Foto: Implantant za vilicu

Foto:

Ž. Joković: RPTM 44

Postupak: 1; 2; 3

Ž. Joković: RPTM 45

Ž. Joković: RPTM 46

Ž. Joković: RPTM 47

Metalni prah fine granulacije (do 20 µm) se nalazi u rezervoaru u vakuumiranoj komori. Pomoću sistema za rasporeĎivanje prah se razvlači na površinu radne ploče koja se mehanički, koračno, moţe 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 meĎusobno povezuju unutar konture koja odgovara tekućem preseku 3D CAD modela.

Ž. Joković: RPTM 48

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.

Ž. Joković: RPTM 49

Materijali Legure titnijuma

Visokolegirani čelici,

Legure aluminijuma

Super legure (legure Ni-Co-Cr)

Legure bakra

Ž. Joković: RPTM 50

Ž. Joković: RPTM 51