ANALIZA SODOBNE TEHNOLOGIJE DODAJANJA FOTOPOLIMERA PO PLASTEH

Objavljeno v: NOVICE | 0

Jaka DUGAR1, David HOMAR1, Franci PUŠAVEC1, Janez KOPAČ1

1Katedra za menedžment obdelovalnih tehnologij, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana

 

IZVLEČEK

Katedra za menedžment obdelovalnih tehnologij (FS-Ljubljana) predstavlja umestitev in zagon 3D tiskalnika ProJet 3510 SD v laboratorijsko okolje, vključno z izvedbo ustrezne  kalibracije naprave. Hitra izdelava prototipov se je v vseh teh letih uveljavila kot metoda hitrega razvoja izdelkov, ki je pomembno vplivala tudi na sam potek razvoja izdelkov. Dandanes je mogoče izdelati prototipe že v fazi iskanja konstrukcijskih rešitev in tako določene rešitve preizkusiti, še preden steče prilagajanje konstrukcije tehnološkim zahtevam. Pogovori med stranko in projektantom so enostavnejši in bolj neposredni, predvsem pa jih je manj, potem ko proizvodnja že steče. ProJet 3510 se tako uvršča med 3D ali trirazsežne tiskalnike, kateri spadajo pod kapljični ciljni proces nalaganja fotopolimera (ang. multi-jet printing – MJP). Z uporabo MJP tehnologije tiskanja, tiskalnik naredi kakovostne, vzdržljive plastične kose z dobro kakovostjo površine, za funkcionalno testiranje, preverjanje prileganja in oblike, ter nenazadnje direktno in hitro izdelavo orodij. Izdelana in primerjana je bila tudi ocenitev povprečne hitrosti izdelave posameznih naprav. Izkaže se, da je kakovost tiska analiziranega stroja Projet 3510 SD pred konkurenčnimi napravami. Ekonomsko pa smo, na podlagi razmerja pokritosti delovne površine in prostornine izdelka, uvrstili ProJet 3510 SD ob bok konkurenčnim napravam.

1   UVOD

ProJet 3510 SD tiskalnik proizvajalca 3D Systems viden na sliki 1, je v mesecu decembru, dobil stalen prostor na Fakulteti za strojništvo v Laboratoriju za odrezavanje – LABOD. Uvršča se med tako imenovane 3D ali trirazsežne tiskalnike, kateri spadajo pod kapljični ciljni proces nalaganja fotopolimera (ang. multi-jet printing – MJP). Uporablja izjemne VisiJet materiale za izdelavo visoko kakovostnih izdelkov. Z uporabo MJP  tehnologije tiskanja, tiskalnik naredi kakovostne, vzdržljive plastične kose z dobro kakovostjo površine, za funkcionalno testiranje, preverjanje prileganja in oblike, ter nenazadnje direktno in hitro izdelavo orodij.

3d printer projet 3510 SD

Slika 1: ProJet3510SD

Izdelani modeli so konkurenčni mehanskim lastnostim izdelkom pridobljeni po metodi brizganja plastike, ki v fazi razvoja predstavlja bistveno dražjo opcijo.

Ta vsestranski in robusten tiskalnik se uporablja v različnih panogah industrije, predvsem v zdravstvu in šolstvu.

 

2   OPIS NAPRAVE PROJET 3510 SD

2.1 Predstavitev 3D tiskalnika

Glavna lastnost naprave je tiskalna glava, katera izhaja iz tiskarskih strojev za izdelavo večjih reklamnih panojev oz. plakatov. Razlika je v tem, da tukaj tiskalna glava ne brizga barv, temveč gradivo oz. vezivo in obenem oblikuje posamezen sloj izdelka. Tako imenovani fotopolimer se strjuje pod vplivom ultravijolične svetlobe, katerega ustvarja UV utrjevalna svetilka nameščena na sami tiskalni glavi. Naprave torej dejansko tiskajo dvorazsežne, bitne slike pri posameznem sloju, za pomikanje slik v tretji osi pa skrbi dvig tiskalne glave.  Postopek zahteva izdelavo podporne strukture za previse, le-ta je zgrajena iz voska, katerega kasneje enostavno stopimo in dobimo končni prototip, shema delovanja je prikazana na sliki 2.

Tabela 1: Osnovne karakteristike stroja

Delovno območje – x,y,z [mm] 298 x 185 x 203
Resolucija – x,y,z [DPI] 375 X 375 X 790
Debelina sloja [µm] 32
Natančnost [mm] 0,025 – 0,05 na dolžini 25,4mm
Možni materialni za izdelavo VisiJet M3-X, VisiJet M3 Black, VisiJet M3 Crystal, VisiJet M3 Proplast, VisiJet M3Navy, VisiJet M3 Techplast;
Podporni material VisiJet S300

 

2.2 Prednosti in slabosti postopka

 

S PJ (ang. polyjetting – PJ) postopkom lahko gradimo izdelke z zelo dobro natančnostjo in kvalitetno površino. Ponuja široko paleto nabora materialov, ki omogočajo izgradnjo delov z zelo specifičnimi karakteristikami, na voljo so v različnih barvah, prosojnostih in nateznih trdnostih. Nekateri materiali tako lahko popolnoma konkurirajo lastnostim inženirske plastike, a le za kratko časovno obdobje, saj se s časom mehanske lastnosti fotopolimera spremenijo in zato niso stabilne. Kot že omenjeno za razliko od stereolitografije, kjer je za podporne strukture potrebna naknadna mehanska obdelava po izdelavi, se pri PJ izdelek za nekaj minut izpostavi temperaturi cca. 60°C, da se vosek iz katerega je podporna struktura stali. Tako nam omenjena nova naprava izdeluje izdelke v visoki ločljivosti (višina sloja 32 µm) in nam hkrati omogoča izdelavo zelo kompleksnih objektov, tudi s premičnimi deli v notranjosti, nekaj, kar ne moremo narediti s tradicionalnimi metodami. Z drugimi besedami povedano za primer izdelave vijačne zveze s tradicionalnimi metodami, ne moremo izdelati iz enega kosa, izdelati je potrebno posamezne dele in jih nato sestaviti. Omenjenemu ProJet 3510 SD kompleksnost geometrije določenega izdelka ne predstavlja nikakršnih težav.

 

2.3 Postopek zagona ProJet 3510 SD

Za pravilno delovanje naprave je potrebno nastaviti tri zelo precizne  in pomembne dejavnike za določevanje treh kritičnih odmikov točnosti, to so: 1. Odmik od delovne mize do valja (merjenje poševnosti valja) prikazuje slika 6, 2. Odmik med spodnjim delom brizgalne glave in valjem prikazuje slika 7, 3. Odmik med valjem in delovno mizo pri skrajni spodnji poziciji tiskalne glave pa prikazuje slika 8.

Nastavljanje kritičnih odmikov mora potekati v opisanem zaporedju. Parametre smo nastavljali v tako imenovanih registrih programskega sistema, v katerem se hrani celotna konfiguracija sistema (informacija o stroju in programski opremi ter navsezadnje tudi sistemski podatki).

3   PRIMERJAVA KONKURENČNIH NAPRAV

 

V grafu, ki jo prikazuje slika 9 je prikazana primerjava povprečne hitrosti izdelave ProJet-a 3510 SD z ostalimi proizvajalci naprav z dodajalno tehnologijo, na katerih se je izvajala enaka opisana metoda za določanje povprečne hitrosti (identična velikost testnih izdelkov).

Ugotovljeno je bilo, da se pri obeh razmerjih prostornine izdelave testnih vzorcev  karakteristike ProJet- 3510 SD najbolj ujemajo z napravo ZBuilder, kateri deluje na osnovi stereolitografijskega postopka in s tem spada pod proces selektivnega strjevanja, kjer se ravno tako uporablja svetlobno občutljiv tekoč polimer – fotopolimer. Pri večji pokritosti pladnja, kar z drugimi besedami pomeni izdelava več izdelkov oz. kosov na enkrat, sta se obe napravi uvrstili kot zelo primerni, saj dosegata zelo velike hitrosti izdelave. V ta namen je bila v nadaljevanju izvedena primerjava obeh naprav, kot tudi sama cena in kakovost izdelave enakega izdelka narejenega na ZBuilderju in ProJetu 3510 SD. Omeniti je potrebno še napravo EOSINT P385, katera najbolje izstopa od ostalih naprav, saj je njena povprečna hitrost daleč najhitrejša. Gre za postopek, ki spada pod proces selektivnega sintranja, kjer se za gradnjo uporablja tanka plast plastičnega prahu, katerega selektivno stalimo z laserjem. Sama naprava vsebuje več kot 6-krat večjo delovno prostornino, cenovni razred te naprave pa je občutno dražji od ProJet-a 3510 SD, vendar je hkrati potrebno poudariti dejstvo, da je najmanjša debelina sloja 3-krat večja od Proje-ta 3510 SD in znaša 100 µm.

4   UGOTOVITEV

 

V praksi glavno odločitev pri izbiri vsake naprave vedno ključno vlogo odigra na eni strani kakovost izdelka, ki jo uporabnik potrebuje in na drugi strani cena naprave in obratovalnih stroškov, ki jo je pripravljen plačati. Potrebno se je zavedati, da pri napravah z dodajalno tehnologijo visoka cena naprave in njena zmogljivost ne pomenita vedno tudi najbolj ustrezno izbiro za določeno delo.

 

Za obratovanje in upravljanje naprav z dodajalno tehnologijo ne potrebujemo visoko usposobljenega kadra, zato se dodatna vrednost izdelka dodeljuje samo s pravimi idejami in kompleksnostmi, ki jih ustvarjalec oz. inženir vgradi v svoj izdelek. Tako lahko za primer vzamemo izdelavo komponente s posebnimi notranjimi geometrijami, kjer s poroznostjo določenega dela komponente ustvarimo ekstremno lahko konstrukcijo. Takšne dodatne in izboljšane zmogljivosti v primerjavi s konvencionalnimi proizvodnimi tehnologijami so zelo povezane s stroški in načrtovanjem dela. Priljubljen izraz, ki opisuje nove možnosti, ki jih dodajalna tehnologija omogoča je ” Kompleksnost izdelave for free”. Slika 10 tako pojasnjuje, da za kompleksnost geometrije določenega izdelka se cena pri dodajalni tehnologiji ne povečava tako drastično kot, če bi ta isti izdelek izdelovali s konvencionalno metodo. Vrednost izdelka je tako lahko na koncu določena le še s potrebo na trgu in konkurenco, če na trgu sploh obstaja.

5   ZAKLJUČEK

 

Napredek dodajalne tehnologije zadnjih deset let narekuje nove razsežnosti in zmožnosti izdelave uporabnih končnih izdelkov, ter maloserijskih orodij, kateri so do sedaj veljali le za teoretično konstruktorski idealizem (ugnezdene strukture in že sestavljeni mehanizmi), nemogoče pa jih je bilo izdelati. Ravno iz tega stališča lahko verjamemo večkrat že omenjenim namigom, da omenjena tehnologija morda prinaša novo industrijsko revolucijo.

 

Z umestitvijo naprave ProJet 3510 SD v laboratorij LABOD UNI-LJ, smo želeli doseči, da bo študentom ta tehnologija na dosegu že v njihovih študijskih letih, saj bodo le s praktično pridobljenim znanjem in raziskavami, ki bodo storjene preko te naprave, kasneje v hitro-spreminjajočem industrijskem okolju še kako prišle prav.

 

Viri:

[1]    I. Anžel, J. Balič, O. Blatnik, F. Čuš, I. Drstvenšek, M. Ficko, J. Grum, K. Kuzman: Moderno proizvodno inženirstvo: [priročnik]. Grosuplje: Grafis trade, 2010

[2]    Podjetje Additively: predstavitev tehnilogij 3D tiskanja Dostopno na: https://www.additively.com/en/learn-about/3d-printing-technologies, ogled: 10. 1. 2015.

[3]    Podjetje IB-CADDY: Predstavitev strojev: predstavitev tehnologij 3D tiskanja Dostopno na: http://www.ib-caddy.com/market/3d-tiskalniki/mjp/projet-3510-sd.html ogled: 10. 1. 2016.

[4]    M. Fujan: Kakovost izdelave pri postopkih z dodajanjem plasti materiala: Diplomska naloga univerzitetnega študija. Ljubljana: 2011.

[5]    T. Brajlih, B. Valentan, J. Balič, I. Drstvenšek: Speed and accuracy evaluation of additive manufacturing machines. Rapid Prototyping Journal, 2010, 17, 64-75.

[6]    RM platform: Additive Manufacturing: SASAM Standardisation Roadmap 2015: Dostopno na: http://www.rm-platform.com/index.php/component/jdownloads/send/50-strategic-research-agenda/608-sasam-standardisation-roadmap-open-june-2015, ogled: 12. 1. 2016.