RAPID PROTOTYPING – METODY, MOŻLIWOŚCI ZASTOSOWANIA ORAZ ROZWÓJ

Grzegorz Sapiecha, Michał Nowakowski
Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Nysie
Koło Naukowe Abaculus

1. Wprowadzenie

Powszechne użytkowanie oraz szybki rozwój systemów CAD 3D doprowadził do opracowania rozwiązań umożliwiających uzyskanie projektowanego przedmiotu, jeszcze na etapie prac rozwojowych, przed uruchomieniem produkcji. Celem niniejszego opracowania jest zaprezentowanie metod druku przestrzennego oraz przegląd zastosowań w różnych dziedzinach nauki i przemysłu.

2. Podstawowe etapy szybkiego prototypowania 

Rapid prototyping [Chlebus 2000, s. 237] to techniki szybkiego wytwarzania fizycznych modeli produktów lub ich części składowych oraz prototypów funkcjonalnych, technicznych, wizualnych z pominięciem tradycyjnych technologii mechanicznych (odlewniczych, ubytkowych i elektroerozyjnych).  Bazą całego procesu jest model cyfrowy wykonany w środowisku CAD.  Na jego podstawie powstaje rzeczywisty obiekt dzięki wykorzystaniu zdolności łączenia różnych materiałów takich jak: tworzywa sztuczne, papier, ceramika, metal lub kompozyt.  Rapid prototyping jest techniką przyrostową, ponieważ elementy powstają poprzez nakładanie kolejnych warstw materiału. Występują różne metody tworzenia fizycznych modeli, lecz ogólny zarys postępowania dla każdej z technik jest identyczny. 

Tabela 1. Metody

Skrót	Nazwa	Opis
SLA	StereoLithography Apparatus	Stereolitografia została opatentowana przez Charlesa Hull w 1984 roku. Proces wytwarzania modelu w tej technice polega na stopniowym obrysowywaniu kolejnych przekrojów poziomych produkowanej części za pomocą lasera na platformie zanurzanej w wannie z żywicą fotopolimerową.
LOM	Laminated Object Manufacturing	Opatentował ją Michael Feygin w 1996 roku. Laminowanie polega na wycinaniu warstw z materiału (papier powlekany klejem lub folia PCV), za pomocą promienia lasera albo nożyka tnącego i ich łączeniu.
SLS	Selective Laser Sintering	Selektywne spiekanie laserowe opatentował w 1979 roku Ross Housholder. Polega na rozprowadzenia cienkiej warstwy materiału w postaci proszku na stole. Następnie zostaje poprowadzona wiązka lasera po powierzchni materiału, która powoduje spiekanie określonych warstw proszku oraz topienie poprzedniej powłoki, dzięki czemu uzyskujemy jednolity model.
FDM	Fused Deposition Modeling	Opatentowana przez Scott’a Crump’a w 1993 roku. Metoda ta polega na warstwowym nakładaniu przez dwu dyszową głowicę, rozpuszczonego materiału modelowego i podporowego do odpowiedniej temperatury. Urządzenie na przemian nanosi na podgrzaną platformę roboczą materiał bazowy i podporowy.

Źródło: Chlebus 2000

Pierwszym etapem jest przygotowanie modelu w środowisku CAD, dzięki któremu jest on precyzyjnie opisany za pomocą brył i powierzchni. Tylko i wyłącznie projekt przeniesiony do środowiska komputerowego może być zrealizowany za pomocą szybkiego prototypowania. Jeśli dysponuje się jedynie szkicami lub dokumentacją 2D, musi ona zostać przeniesiona do środowiska CAD [Przegląd mechaniczny 2/2010, s.39]. Kolejnym typem danych, którego można użyć jest – chmura punktów. Jest to wynik pomiarów skanerem trójwymiarowym, tomografem komputerowym lub rezonansem magnetycznym. Jednak nie jest to w pełni użyteczny format danych, musi zostać uprzednio przygotowany i poprawiony, aby mógł być wykorzystany.

Kolejny etap to zapis projektu w formacie STL (ang. Stereolitographic Language) w celu uproszczenia dalszego przetwarzania matematycznego. Format ten został opracowany 1988 roku prze firmę 3D Systems na potrzeby druku metodą stereolitografi. Uproszczenie polega na opisywaniu powierzchni elementu za pomocą siatki trójkątów.  Plik składa się ze współrzędnych x, y, z  każdego wierzchołka oraz wektora normalnego do powierzchni każdego z trójkątów.  Taki zapis obarczony jest sporą niedokładnością odwzorowywanego kształtu, jednak za pomocą odpowiednich parametrów Chord Height i Angle Control możemy sterować jakością siatki. Parametr Chord Height odpowiada za maksymalny dopuszczalny błąd cięciwy, a Angle Control steruje maksymalnym dopuszczalnym kątem między dwoma trójkątami [Przegląd Mechaniczny 2/2010, s.40], [Chlebus 2000, s. 245].

Przed rozpoczęciem procesu drukowania przestrzennego powinno się także przemyśleć sposób orientowania danego elementu w obszarze roboczym urządzenia. Model powinien być tak ustawiony, aby jak najbardziej ograniczyć czas drukowania oraz koszt związany z materiałem. Najmniejszy wymiar powinien być umiejscowiony w osi Z co ograniczy liczbę warstw, lecz trzeba pamiętać o ograniczeniach związanych z samej istoty technologii przyrostowej. Efektem odwzorowywania warstw na płaszczyźnie X,Y jest tzw. efekt schodkowy w osi Z przy dużych nachyleniach.  Następnym krokiem jest geometria pomocnicza. Jest ona niezbędna w celu wspierania powierzchni o niewystarczającym podparciu. Podpory są generowane automatycznie w oprogramowaniu, lecz poprzez zmianę orientacji przedmiotu istnieje wpływ na określenie ich liczby. Najważniejsze, aby były łatwe do oddzielenia od modelu, bez jego uszkodzenia, oraz zużywały jak najmniej materiału przy zachowaniu odpowiedniej sztywności. Warto nadmienić, iż nie wszystkie metody wykorzystują geometrię pomocniczą. Przykładem są technologie oparte na selektywnym spajaniu sproszkowanego materiału, ponieważ element jest samoczynnie podpierany przez materiał, z którego powstaje. [Przegląd Mechaniczny 2/2010, s.41]

Następny etap to „sliceing” tzw. plasterkowanie,  polegające na rozbiciu modelu 3D na poszczególne warstwy o określonej grubości zależnej od zastosowanego sprzętu i oczekiwań względem jakości wytworzonego elementu. Geometria zostaje podzielona w płaszczyźnie X/Y na warstwy o grubości ok, 0,1-0,2 mm co pozwala na stworzenie programu do sterowania np. głowicą, która nakłada ciekłe tworzywo. W tym etapie także są określane parametry obróbki: prędkość nakładania warstw lub ruchu głowicy, grubość warstw, metody wypełniania itp. Poprzez nakładanie kolejnych warstw, które odwzorowują przekrój danego elementu zgodnie z ich kolejnością w osi Z wytwarzany jest fizyczny model. W zależności od stosowanej metody sposób odwzorowywania warstw się różni. [Projektowanie i konstrukcje inżynierskie 4/2008, s.15].

Po ukończeniu nakładania materiału model nie posiada jeszcze finalnej użyteczności. Często trzeba przeprowadzić szereg zabiegów: oczyszczanie, poprawa właściwości mechanicznych i wizualnych oraz zmniejszenie chropowatości. Wykorzystywane są najczęściej tradycyjne metody takie jak: np. szlifowanie, mycie, malowanie, woskowanie [Przegląd Mech. 2/2010, s.41].

3. Przykłady zastosowania technik Rapid Prototyping wykonane w ramach działalności Koła Naukowego „Abaculus”

Koło Naukowe „Abaculus” dysponuje drukarką Velleman 3D K8200, którą otrzymano w formie zestawu do samodzielnego montażu. Umożliwia ona drukowanie obiektów o wymiarach 200 x 200 x 200 mm przy użyciu materiału ABS lub PLA w postaci drutu o średnicy trzech milimetrów. Jest kompatybilna z drukarkami 3D projektu RepRap i dlatego do jej sterowania można używać oprogramowania Open Source dla popularnych systemów operacyjnych. My wykorzystujemy Repetier-Host Windows w wersji 0.84. Drukarka bazuje na metodzie FDM, jako że Fused Deposition Modeling, jest zarejestrowanym znakiem towarowym firmy Stratasys, przy projekcie RepRap stosuje się nazwę Fused Filament Fabrication, w skrócie FFF.  Drukarkę wykorzystuję się do wykonywania elementów pokazowych pobranych z sieci, a także zaprojektowanych przez członków Koła Naukowego, które mają zastosowanie w ramach zajęć kole naukowym Poniżej przedstawiono przykładowe elementy wykonane przy użyciu drukarki 3D.

Mechanizm różnicowy został pobrany ze strony thingiverse.com, pliki zapisane w formacie STL są gotowe do otwarcia w programie. Umieszczone elementy należy odpowiednio skonfigurować, tzn. ustawić je w ergonomicznych pozycjach, które ułatwią wydruk i rozmieścić w Object Placement co przedstawiono na rys. 1. Model składa się z osiemnastu elementów. W celu sprawniejszego wydruku podzielono je na 2 zestawy. Na podstawie tego modelu zauważono, że drukarka nie radzi sobie z jednoczesnym wydrukiem elementów, o bardzo dużej różnicy w wielkości (korpus i wał). Dlatego też pierwszy zestaw zawierał elementy podobne gabarytowo.  W programie uruchamia się Slicer, który dzieli obiekty na warstwy i generuje G-kod zrozumiały dla drukarki – rys. 2. Z kodu można dowiedzieć się m.in. ile materiału zostanie zużyte do wykonania elementów. Sam program przedstawia w symulacji przebieg wydruku i jego czas. Wydruk pierwszego zestawu trwał dwie godziny i czterdzieści minut i zostało do tego wykorzystane siedem metrów PLA. Wykonanie drugiego zestawu trwało 3 godziny i osiemnaście minut, zużyto 11 metrów materiału. Warto wspomnieć, że czas i zużycie materiału może się zmienić w zależności od doboru grubości warstwy, wzoru i gęstości wypełnienia. W opisywanym modelu Layer = 0,4mm;  Fill pattern = rectilinear; Fill density = 0,4. Wykonanie elementy należało oczyścić z niepożądanego materiału, za pomocą pilników modelarskich. Do złożenia obiektów należało użyć wkrętów o średnicy trzech milimetrów.

Rys. 1 Object placement

Źródło: własne

Rys. 2 G-Code editor

Źródło: własne

  

Rys. 3 Gotowy element

Źródło: własne

Przykładem kolejnego elementu jest spojler dla mini bolidu zaprojektowany w Autodesk Inventor Professional 2014. W tym przypadku ze względu na złożoność obiektu należało użyć dodatkowej funkcji w programie Repetier, którą jest Support material pozwalająca na wykonanie podpór w odpowiednich miejscach co przedstawia rys. 4. Po wydruku i oddzieleniu  materiału pomocniczego spojler był gotowy Rys 5.

Rys. 4 Support matirial

Źródło: własne

   

Rys. 5 Gotowy element

Źródło: własne

Podczas wykonywania tego elementu sami można było się przekonać jak ważne jest odpowiednie zorientowanie przedmiotu w polu roboczym drukarki, aby uzyskać jak najlepszą jakość wydruku. Rysunek 6 po lewej przedstawia model wydrukowany w pionie, dzięki czemu więcej warstw przypadło na odwzorowanie jego skomplikowanego kształtu. Po prawej znajduje się  wydruk w poziomie co diametralnie zmieniło jakość, bardzo wyraźny stał się efekt schodkowy.

Rys. 6 Jakość a orientacja

Źródło: własne

4. Wykorzystanie technik RP w nauce i przemyśle

Celem zastosowania metod szybkiego prototypowania jest modelowanie fizyczne na podstawie modelu komputerowego CAD oraz budowa form i narzędzi w przemyśle tworzyw sztucznych, odlewniczym i obróbki plastycznej 

oraz mechanice precyzyjnej i medycynie [Chlebus 2000, s. 260]. Wydruki 3D dają możliwość przeprowadzenia wstępnej oceny produktu oraz w bardzo dużym stopniu niwelują koszty wprowadzenia poprawek. Nawet złożone zespoły mogą być wykonane w przeciągu kilku godzin. Rys. 7 przedstawia główne obszary zastosowania technologii szybkiego prototypowania.

Rys. 7 Ogólne obszary zastosowania technologii rapid prototyping.

Źródło: Chlebus 2000 s.261

Rapid prototyping jest szczególnie przydatny w gałęziach przemysłu, w których istnieje potrzeba tworzenia modeli fizycznych. Stosowany jest w […] : 

• budowie prototypów w celu:

 o weryfikacji rozwiązań konstrukcyjnych, ich oceny i analizy,

 o badania przepływów,

 o badania cech aerodynamicznych,

 o doboru materiałów konstrukcyjnych,

• budowie modeli fizycznych do:

 o poszukiwania nowych koncepcji projektowych,

 o projektowania budowli i wzornictwa przemysłowego,

 o prezentacji marketingowych,

• wytwarzania części i wyrobów do:

 o produkcji narzędzi i oprzyrządowania,

 o rozpoznania rynku w postaci serii próbnej,

• projektowaniu i wytwarzaniu wzorców i modeli do:

 o technologii odlewniczych,

 o formowania próżniowego,

 o hydro- i termoformowana tworzyw sztucznych,

[Chlebus 2000, s. 263].

5. Rozwój

5.1 Popularyzacja 

Głównym czynnikiem, który zapoczątkował wzrost zainteresowania technologią Rapid Prototyping przez zwykłych konsumentów, nie związanych z przemysłem czy medycyną, był projekt RepRap. Ideą tej koncepcji jest wytworzenie samoreplikującego się urządzenia, które można udostępnić jak największej liczbie ludzi na świecie przy minimalnym koszcie. Inicjatorem projektu jest dr. Adrian Bowyer, wykładowca na Uniwersytecie w Bath w Wielkiej Brytanii. Wyniki prac projektu RepRap są publikowane na licencji GNU (General Public License) co oznacza ,że są dostępne za darmo i każdy może je modyfikować. W roku 2013 kompletny zestaw do samodzielnego montażu drukarki RepRapPro Huxely kosztował ok. 540 USD. Porównując to z cenami profesjonalnych urządzeń osiągającymi ok 20000 USD jest to ogromny krok do tego, aby każdy w domu mógł posiadać drukarkę 3D [5].

5.2 Druk 4D

Firma Stratasys wraz z MIT’s Self-Assembly Lab opracowuje nową technikę druku połączoną z dodatkową możliwością wbudowanej transformacji z jednego kształtu do drugiego. Prowadzony przez Skaylara Tobbitsa projekt koncentruje się na technologii samodzielnego montażu wydrukowanych elementów. Dzięki tej technologii pojedynczy wydruk może się przekształcić z jednego kształtu w drugi jeśli zostanie pobudzony odpowiednim bodźcem, np. temperaturą. Technika ta obiecuje nowe możliwości programowania urządzeń z pominięciem układów elektronicznych [6].

6. Podsumowanie

Metody Rapid Prototyping uchodzą za powolne i nie są stosowane w produkcji masowej, lecz są bardzo efektywne w produkcji małoseryjnej i jednostkowej. Dzięki nim można znacznie skrócić cykl rozwojowy produktu oraz zmniejszyć nakłady na jego opracowanie i wdrożenie do produkcji. Decydującym czynnikiem wzrostu zainteresowania tymi metodami jest możliwość wytwarzania elementów bez stosowania specjalnego oprzyrządowania np. form. Istotna jest też pełna automatyzacja procesu wytwarzania, polegająca jedynie na komputerowej integracji z systemem CAD 3D. Dzięki temu można wyeliminować większość problemów związanych z tradycyjnymi procesami wytwarzania np. konieczność określenia geometrii półfabrykatu czy planowanie procesu technologicznego [Chlebus 200 s. 261]. Analiza wielu przypadków zastosowań przemysłowych technik Rapid Prototyping wykazuje bardzo duże zmniejszenie kosztów i czasu zarówno w fazach rozwoju produktu, jak i wytwarzania gotowych wyrobów w produkcji jednostkowej i małoseryjnej [Chlebus 200, s. 264]. Jeśli chodzi o druk przy wykorzystaniu domowych drukarek jak przykładowa Velleman 3D K8200, czy innych zbudowanych dzięki projektowi RepRap, jego jakość i dokładność nie jest jeszcze na wysokim poziomie. Na pewno takie drukarki nie znajdą zastosowania w przemyśle, lecz są świetnym narzędziem dla uczniów oraz studentów, którzy mogą w łatwy sposób przenieść swoje wirtualne projekty w świat rzeczywisty. 

Bibliografia

1. Bubicz M., Szybkie prototypowanie. Maszyny, materiały zastosowania…, Projektowanie i konstrukcje inżynierskie nr 4/2008.

2. Chlebus E., Techniki komputerowe CAx i inżynierii produkcji, WNT, Warszawa 2000.

3. Miecielica M., Techniki szybkiego prototypowania – rapid prototyping, Przegląd Mechaniczny nr 2/2010.

4. http://www.przyrostowo.pl/technologie/fdm#.UzgolKh_slQ , dnia 26 marca 2014

5. http://reprap.org/wiki/RepRap, dnia 20 marca 2014

6. http://www.stratasys.com/industries/education/4d-printing-project, dnia 21 marca 2014

7. http://www.thingiverse.com/thing:11836, dnia 21 marca 2014