Rapid prototyping - metódy rýchlej výroby prototypov

Úspech podnikateľského zámeru v rôznych výrobných oblastiach dnes závisí v prvom rade od akceptácie výrobku na trhu. Dizajnérske stvárnenie je jedným z významných predpokladov úspechu výrobku. Účasť dizajnéra na vývoji produktu je vo väčšine prípadov takou dôležitou, že sa dizajnér stáva priamym účastníkom cyklu vývoja a výroby. Pri vývoji množstva výrobkov sa ukazuje, že správnemu konečnému rozhodnutiu by prispela možnosť vzhliadnuť na reálny model (vzorku, prototyp), podržať ho v ruke, pocítiť skutočnú hmotnosť a tvary. Pred dizajnérom vzniká úloha preniesť virtuálny model do reality.
Používanie počítačových programových produktov špecializovaných na podporu priemyselného dizajnu umožnilo zjednodušiť komunikáciu dizajnéra s ostatnými tvorcami produktu - autormi koncepcie, návrhármi, konštruktérmi, technológmi, marketingovými odborníkmi. Aké možnosti mu na to poskytujú programy, ktoré dizajnér používa?
Jednou z najprístupnejších možností je príprava výrobnej dokumentácie a následná výroba modelu klasickými výrobnými postupmi. Táto cesta je schodná pri návrhu jednoduchších a tvarovo menej náročných výrobkov, ako je napríklad nábytok. Presné určenie rozmerov, okótovanie, doplnenie legendy a sprievodných textov je samozrejmosťou väčšiny programov. Problémy nastávajú, ak sú výrobky tvarovo zložitejšie.
Konkurenčné tlaky, ktorým odolávajú výrobcovia i členovia ich vývojových tímov, vedú k rastu investícií do vývoja. Zároveň sa objavujú nové technológie, ktoré umožňujú vývoj nových výrobkov urýchliť, zjednodušiť a v konečnom meradle aj zefektívniť. Počítačová integrácia tak zasiahla oblasť, ktorá doteraz využívala takmer výhradne staré, dlhodobo overené pracovné metódy - tvorbu modelov a prototypov.

Metódy, určené na rýchlu výrobu modelov a prototypov pomocou počítača sú vo svete známe pod zovšeobecňujúcim názvom rapid prototyping (rýchla výroba prototypov). K najznámejším z nich patria stereolitografia a CNC obrábanie. Bližšie popíšeme jednu z prvých metód rapid prototypingu - stereolitografiu, z princípov ktorej vychádza väčšina ďalších technológií a ktorá našla jedno z najširších použití. V rôznej miere sa presadili aj iné, principiálne podobné technológie - Selective Laser Sintering (SLS), Laminated Object Modelling (LOM), Solidier, 3D-printing. Bližšie popíšeme metódu FDM (Fused Deposition Modelling), ktorá je svojimi vlastnosťami predurčená pre použitie tam, kde je menej finančných zdrojov.

výroba prototypov na CNC strojoch
Problémy nastávajú, ak sú výrobky tvarovo zložitejšie. Ukazuje sa, že trojrozmerný virtuálny model, s ktorým sa dizajnér celé hodiny "hral", aby dostal ten správny tvar, sa nedá jednoznačne preniesť na výkres, ktorý je len dvojrozmerný. Takýto postup vedie prakticky vždy k znehodnoteniu úsilia dizajnéra.
Cesta vedie cez použitie rozličných modelovacích techník a zariadení, ktoré umožnia vyrobiť trojrozmerný model priamo z počítačových dát bez prostredníctva výrobnej dokumentácie. Táto cesta si vyžaduje nové programové nástroje.
Jedným z najdostupnejších je opracovanie modelu na obrábacom stroji s číslicovým riadením (CNC). Na tieto účely je možné použiť aj menej nákladné modelárske frézovačky, prípadne obrábacie centrá. Tie opracujú z mäkkého modelárskeho materiálu ("umelé drevo") dokonalý tvar výrobku podľa NC programu, ktorý popisuje dráhy nástroja a parametre obrábania.

trocha histórie
Pri výskumoch využitia ultrafialového (UV) žiarenia v polygrafii prišiel Charles Hull, autor stereolitografie, na to, že fotopolyméry po osvietení UV lúčmi pomerne ľahko a rýchlo hustnú a tvrdnú. Vytvrdnutie kvapalného fotopolyméru pritom nastáva len v oblasti tesne okolo bodu osvetlenia. Napadlo ho, že by tento jav mohol byť využitý v zariadení, ktoré by zabezpečovalo rast trojrozmerných objektov po vrstvách. Po dvoch rokoch vývoja uzrelo svetlo sveta prvé zariadenie, po úspešnom odskúšaní ktorého podal žiadosť o udelenie patentu na novú metódu priestorovej výroby objektov. Patent mu bol udelený v roku 1986.
V tom istom roku založil firmu 3D Systems, ktorá po zabezpečení financovania projektu vyrobila prvé komerčné zariadenia a položila základy širokého využitia stereolitografie vo výrobnej praxi.

stereolitografia - princípy metódy
Výrobný proces prípravy modelov môže byť rozdelený do troch hlavných etáp: prípravy modelu, výroby samotného stereolitografického modelu a jeho dokončenia.
Výsledný stereolitografický model je budovaný na základe matematického popisu modelu. Matematický popis je produkovaný počítačovými systémami trojrozmerného modelovania CAD (Computer Aided Design). Tieto systémy vyvinuté pre konštruktérov, alebo pre priemyselných dizajnérov umožňujú presné definovanie priestorových geometrických vlastností objektov, na základe ktorých bolo možné za použitia výkonnej výpočtovej techniky a príslušných programov simulovať vplyvy mechanického namáhania navrhnutých dielcov, generovať programy pre číslicovo riadené obrábacie stroje, či vykresliť technické výkresy na plotri alebo vytlačiť fotorealistické zobrazenia výrobku na kvalitnej farebnej tlačiarni. Vytváranie trojrozmerných modelov priamo na základe dát z počítačového matematického modelu si však vyžiadalo použitie nových nástrojov. Firmou 3D Systems boli vyvinuté dátové formáty STL a SLA, do ktorých sú konvertované údaje, obsiahnuté v interných formátoch CAD systémov.
Pre CAD model, ktorý má byť v stereolitografickom zariadení prevedený do reálnej fyzickej trojrozmernej podoby je dôležité, aby bol vytvorený z úplne uzavretých plôch, alebo objemov. Konverziou sú tieto plochy s voliteľnou presnosťou nahradené malými trojuholníkovými plôškami (fazetami), ktoré s určitou aproximáciou stvárňujú výsledný objekt. Takto upravený virtuálny model je ďalej pripravovaný na výrobu: určuje sa jeho orientácia v priestore tak, aby bol výsledný model presný, aby bol vytvorený rýchlo a efektívne. Zvyčajne je potrebné k nemu pridať aj niektoré obslužné objekty, ktoré nebudú súčasťou výsledného modelu (napr. podporné plochy). Po zorientovaní v priestore je model matematicky rozrezaný na tenké vrstvy (tzv. kontúry) hrubé jednu alebo niekoľko desatín milimetra (podľa požadovanej presnosti výsledného fyzického modelu) a popis každej vrstvy je uložený v pamäti. Na základe popisu týchto vrstiev a vlastností použitého fotopolyméru je potom vygenerovaný program pre riadiaci systém stereolitografického zariadenia.
Fáza výroby samotného stereolitografického modelu prebieha v stereolitografickom zariadení. V súčasnosti sa používa celý rad zariadení, odlišujúcich sa rozmermi a objemom pracovnej komory a taktiež oblasťou použitia. Každé z týchto zariadení pozostáva z rovnakých troch základných častí: nízkoenergetického laseru, sústavy zrkadiel, riadených servopohonmi a pracovnou platňou, ktorá je taktiež riadená servopohonom.
Pracovná komora je vybavená nádržou s fotopolymérom, v ktorej sa pohybuje pracovná platňa, na ktorej dochádza k rastu modelu. Samotný proces je pomerne jednoduchý: na základe dát z riadiaceho systému laserový lúč usmernený sústavou zrkadiel vykreslí na hladine kvapaliny plochu jednej vrstvy rozrezaného modelu. Potom sa platňa ponorí do nádrže s fotopolymérom dostatočne hlboko, aby sa vytvorená vrstva úplne namočila a vynorí sa naspäť tak, že vzdialenosť medzi vytvrdnutým fotopolymérom a hladinou kvapaliny sa rovná práve hrúbke jednej vrstvy. Celý proces sa potom opakuje až dokiaľ nebude vo vaničke hotový celý model.
Tým, že pri stereolitografickej výrobe modelov vlastne dochádza k transformácii problému trojrozmerného k dvojrozmernému, je možné jednoducho vytvárať aj zložité priestorové útvary.
Vytvrdnutie vo vaničke stereolitografického zariadenia nie je dokonalé. V závislosti od použitého polyméru a metódy rastu dosahuje 75 až 95%. K úplnému vytvrdnutiu a taktiež k vysušeniu modelu dochádza pri jeho ožiarení v ultrafialovej peci.
Táto vlastnosť je dôležitá aj z nasledovného dôvodu. Rozmer pracovnej komory väčších zariadení presahujú 50x50x58 cm. Týmito rozmermi je obmedzená maximálna veľkosť modelu, vytváraného počas jedného cyklu. Pokiaľ potrebujete pripraviť väčší model, treba ho pomocou obslužných programov rozrezať na kusy, nepresahujúce rozmery pracovnej komory a vyrobiť ich postupne. Pred vytvrdením v ultrafialovej peci stačí na styčných plochách jednotlivé kúsky zlepiť tým istým polymérom. Keďže proces vytvrdenia v peci opäť používa UV žiarenie, výsledný spoj i model ako celok je úplne homogénny.
Hotový model sa zvyčajne ďalej upravuje. Vlastnosti materiálu umožňujú jeho obrábanie klasickými metódami - vŕtanie otvorov, rezanie závitov, brúsenie, leštenie. Po vyleštení je možné dosiahnuť rozmerovú presnosť modelu v stotinách milimetra. Model po nafarbení a konečných úpravách bežnými farbami na epoxidové živice môže byť na nerozoznanie od hotového výrobku. Každý dizajnér alebo marketingový pracovník chápe, aké výhody preňho takýto model môže priniesť.

Oblasti použitia

Práve v dizajne nových výrobkov sa naplno prejavuje prínos metódy stereolitografie. Vývojový tím, ktorý pracuje efektívne, s použitím počítačových systémov návrhu a konštruovania, dokáže veľmi rýchlo predstaviť obchodníkom model hotového výrobku. Model tak robí komunikáciu s obchodníkmi a následne i s budúcimi zákazníkmi úplne jednoznačnou. Ak je to potrebné, môže byť vyrobený z úplne čírej živice, alebo po natretí a pokovení môže verne vzhľadom simulovať kovový výrobok. Použitie stereolitografických modelov pre tento účel je zároveň často lacnejšie ako pri výrobe modelov inými metódami.
Ďalšou oblasťou použitia stereolitografických modelov sú nedeštruktívne skúšky (prúdenia tekutín, aerodynamické testy a pod.), testy zmontovateľnosti a funkčnosti, overovanie rozmerov a tvarov.

Stereolitografické modely sa stále častejšie používajú na prípravu foriem pre rôzne metódy odlievania, vrátane presného odlievania metódou vytaviteľného modelu. Klasické stereolitografické modely môžu byť použité aj na netradičné spôsoby výroby foriem nanášaním kovu za studena alebo galvanoplastikou. V tomto prípade sa v stereolitografickom zariadení pripravuje nie priamy model, ale jeho priestorový negatív vsadený do bloku a zväčšený o zmrštenie materiálu, z ktorého bude odliaty hotový výrobok.
Metóda stereolitografie má určitú podobnosť so spôsobom získavania dát o ľudskom tele počítačovým tomografom. Boli vypracované špeciálne programy, ktoré umožňujú vytváranie priestorových kópií vnútorných orgánov človeka, hlavne pevných tkanív - kostí, kĺbov, lebky a pod. Takéto modely sa využívajú v traumatológii napr. na dôkladné štúdium zlomených kostí pred operačným zákrokom. Stále častejšie sa stereolitografické modely používajú pri príprave implantátov - stomatologických a kĺbových protéz, upravených ešte pred operáciou podľa individuálnych parametrov tela pacienta.

Zaujímavé využitie našla stereolitografia pri testovaní mechanických vlastností niektorých zložitých strojárskych výrobkov. Analýzy zaťaženia lopatiek turbín leteckých motorov si vždy vyžadovali náročné skúšky na hotových lopatkách. Skúšky boli pracné, nákladné a trvali aj okolo jedného roka. Vďaka vlastnostiam niektorých novovyvinutých epoxidových fotopolymérov konzervovať a farebne zobraziť pôsobiace napätie bol na analýzu napätí na lopatkách turbín využitý princíp optickej analýzy napätí. Pri takýchto skúškach bola lopatka vyhotovená v stereolitografickom zariadení zaťažená odstredivou silou, alebo inou externou záťažou (krútením, ťahom alebo tlakom) v prostredí s teplotou okolo 100 stupňov Celzia. Pri tejto teplote sa menia vlastnosti živice, ktorá sa stáva pružným, gume sa podobajúcim materiálom. Pri následnom pomalom ochladzovaní súčiastky napätie doslova zamrzne v namáhanom modeli, čo sa prejaví dúhovým sfarbením pásov v materiáli. Sledovaním týchto pásov je možné analyzovať vplyv napätí na lopatku. Skúšky s použitím tejto metódy si vyžiadali 3 až 6-násobne menej času, ako klasickým spôsobom, a náklady sa znížili viac ako o 70 percent.

Použitie metódy je viazané na širšie využitie výpočtovej techniky v procese návrhu nových výrobkov. Keďže väčšina programových systémov CAD bola vyvinutá pôvodne pre riešenie priamych konštruktérskych, prípadne technologických úloh, v priemyselnom dizajne sa využívali pomerne zriedkavo. V praxi sa stále používa veľké množstvo počítačových systémov, ktoré majú rôzne vlastnosti a rôznu kvalitu vytváraných modelov. Staršie z nich (napr. AutoCAD) vznikli v dobe, keď sa o stereolitografii ani nechyrovalo, modernejšie určené na styling a návrh zložitých povrchových modelov, umožňujú priamy výstup svojich vnútorných geometrických modelov v dátových formátoch pre stereolitografické zariadenia. V súčasnej výrobnej praxi, keď finálne výrobky vznikajú za kooperácie desiatok podnikov, keď vývoj jednotlivých súčastí výrobkov prebieha za použitia rôznych počítačových CAD systémov (alebo aj klasicky - za rysovacou doskou), popísané procesy v sebe skrývajú určité úskalia. Na ich prekonanie boli vyvinuté programové balíky, ktoré by mali pomôcť užívateľom týchto systémov vytvárať vlastné modely, alebo využívať služby firiem, ktoré stereolitografické (a technologicky podobné) zariadenia prevádzkujú.

Na pomoc pracoviskám, ktoré pracujú s týmito technológiami, prišla fínska spoločnosť DeskArtes s produktami - DeskArtes Rapid Tools a DeskArtes 3DataExpert.

3D-printing
Stále nižšie cenové relácie prinášajú tzv. metódy 3D-printingu (tlač v 3D). Jednou z nich je metóda MJM (Multi-Jet Modeling), pri ktorej sa špeciálne vyvinutý, nie príliš drahý termopolymér, v 3D-tlačiarni tryskami nanáša na predchádzajúce vrstvy podobne, ako sa v atramentových tlačiarňach nanáša na papier atrament. Výsledkom je relatívne lacný a presný model, vhodný na otestovanie tvarových vlastností výrobku.

FDM - rapid prototyping na písacom stole
Postup FDM (Fused Deposition Modeling) je principiálne podobný metóde stereolitografie, model sa však nevytvára v tekutom prostredí, ale nanášaním pevného plastu na podložku v uzavretej procesnej skrini. Metóda postupného horizontálneho nanášania tenkých plastových vrstiev a zariadenie boli vyvinuté americkou firmou STRATASYS. Používané typy termoplastov (najčastejšie ABS) sú netoxické a pri kontakte s pokožkou nedráždivé. Metoda FDM nepoužíva laser, teda nepracuje s citlivým zariadením pre laserové snímane. Z týchto dôvodov môže byť zariadenie využívané v bežnom kancelárskom prostredí. Všetky zariadenia sa vyznačujú malými rozmermi, pri ktorých sa však môžu vyrábať diely až do rozmeru 457 x 457 x 609 mm.
Výška vrstvy pri technológii FDM sa pohybuje obvykle okolo 0,25 mm, môže však klesnúť až na 0,05 mm. Dosiahnuteľná presnosť dielcov je podľa skúseností +/- 0,13 mm. Opakovaná presnosť udávaná výrobcom je +/- 0.025 mm.
Dáta vo formáte STL sú spracované na tzv.rezy (plátky) a potom priamo využité k výrobe modelu. Software vytvorí automaticky tiež potrebné podporné konštrukcie. Pretože nie je nutná žiadna dodatočná úprava konštrukcií pre ich výrobu metódou FDM, môže konštruktér rýchlo a jednoducho vyhotoviť, na základe CAD podkladov, rozličné verzie návrhu dielca pre dizajnové a funkčné štúdie. Rozhodujúcou výhodou tejto technológie je teda rýchlosť; mnoho dielcov môže byť vyrobených behem krátkej doby. Metóda pracuje pri relatívne nízkych teplotách (obvykle okolo 70C). Pretože sa nepoužívajú toxické chemikálie, tekuté alebo práškové polyméry ani laser, je táto metóda úplne vhodná aj do kancelárskeho prostredia. Rovnako nie je potrebné dodatočné čistenie alebo vytvrdzovanie polymérov. Odpadajú tak problémy s látkami ohrozujúcimi životné prostredie. Zariadenie pracuje úplne automaticky bez obsluhy, takže môže byť v prevádzke cez noc alebo cez víkend, čím je postarané o dobré vyťaženie zariadenia a rýchlu výrobu modelu.
Najčastejšie používanými materiálmi pre výrobu prototypov pomocou technológie FDM je ABS (pevný materiál, vhodný pre výrobu technických funkčných vzoriek), špeciálny vosk (výroba dielcov metódou presného odlievania), elastoméry (podobné polyetylénu a polypropylénu). Prechod od jedného materiálu k druhému trvá asi 10 minút, čo umožňuje široké aplikačné použitie - od dizajnérskych návrhov, až po dielce použiteľné v zdravotníctve.
V súčasnosti firma Stratasys vyrába zariadenia s rozličnými rozmermi a vybavením. Všetky sú ovládané systémom riadenia, inštalovaným na počítačoch s OS UNIX, alebo Windows (NT, 2000, XP). Pri tvarovo náročnejších dieloch a pri vytváraní modelov z rôznych typov CAD software je vhodné použiť pokročilé nástroje predspracovania virtuálnych modelov, ako je DeskArtes Rapid Tools a DeskArtes 3DataExpert.


...a viete ako na to