Rapid Prototyping slúži na automatizovanú výrobu fyzických modelov pomocou tzv. pridávacích výrobných technológií. Prvé techniky pre Rapid Prototyping sa začali využívať koncom 80. rokov najmä na výrobu modelov a prototypov súčiastok. V súčasnosti sa používajú pre široké spektrum aplikácií a využívajú sa aj na výrobu finálnych súčiastok v menších množstvách.
Technológie Rapid Prototyping využívajú virtuálne modely vytvorené pomocou systémov počítačom podporovaného navrhovania CAD, transformujú ich do virtuálnych tenkých horizontálnych častí a potom vytvárajú po sebe idúce vrstvy až do ukončenia výroby modelu. Využívaním prídavnej technológie výrobný stroj načítava dáta z CAD systému a následne vytvára vrstvy z kvapaliny, prášku alebo tenkého voskového materiálu a takto tvorí model z množiny prierezov. Tieto vrstvy, ktoré zodpovedajú virtuálnym prierezom CAD modelu, sa automaticky spájajú do finálnej podoby. Základnou výhodou technológií Rapid Prototyping je ich schopnosť vytvoriť takmer akýkoľvek tvar alebo geometrický útvar [1].
VYUŽITIE METÓD RAPID PROTOTYPING
Súčasná počítačová podpora výroby a aplikácia CA systémov je charakteristická tým, že výrobky ktoré sú pomocou nich navrhované a majú sa vo veľkej miere uplatniť na trhu, musia sa nevyhnutne vyznačovať nasledujúcimi vlastnosťami:
– dostatočná funkčnosť a komplexnosť,
– dostupná cena,
– používateľská prístupnosť a ľahká ovládateľnosť.
Zo skúseností vypýva, že je ťažké a finančne i časovo náročné vyvíjať výrobky s uvedenými vlastnosťami. Jedným zo známych a využívaných spôsobov, akými je možné znížiť náročnosť a skrátiť vývojový čas, je použitie technológií rýchleho prototypovania – Rapid Prototyping počas návrhu a vývoja výrobkov [1].
Aby sa technológie Rapid Prototyping úspešne uplatnili v technickej praxi, je nevyhnutné splniť nasledujúce predpoklady:
Potrebná rýchlosť – najdôležitejšou úlohou je čo najrýchlejšia výroba modelu budúceho výrobku a po jeho odsúhlasení je možné jeho ďalšie vylepšenia realizovať pomalšie a premyslenejšie.
Opakovateľnosť a postupné približovanie sa k finálnej verzii – rýchlo vyrobený prototyp je výborným prostriedkom na kontrolu, oponovanie, návrh na zlepšenie a opätovnú kontrolu dizajnu a funkcií budúceho výrobku pre zákazníka, a to aj vo viacnásobnom cykle.
Dostatočné využívanie vlastných odborníkov – pri vývoji nového výrobku je výhodné, ak je prototyp výrobku vytvorený vlastným expertom. Firemní experti sú vo väčšine prípadov dobre oboznámení s požiadavkami zákazníka, poznajú jeho aktivity, priority a potreby.
RP TECHNOLÓGIA FUSED DEPOSITION MODELING
Pri zariadeniach využívajúcich technológiu tvorby modelov pomocou usadzovania a vytvrdzovania taveniny – Fused Deposition Modeling – sa z vyhrievaného hrotu riadenej vytláčacej hlavy, ktorá sa pohybuje v rovine v smere osi x a osi y, vytláča vlákno z nataveného termoplastu vo forme tenkých nití na základňu zariadenia, kde sa vytvára prvá vrstva prototypu. Nižšia teplota základne spôsobuje rýchle stuhnutie a stvrdnutie roztaveného materiálu termoplastu. V ďalšom kroku dochádza k zníženiu polohy základne o predpísanú hodnotu, čo umožní vytláčacej hlave ukladať druhú vrstvu prototypu na stuhnutú prvú vrstvu. Na spevnenie a ustavenie súčiastky sa využívajú podpory z menej pevného materiálu, alebo z rovnakého materiálu, ale v perforovanom vzhotovení. Najznámejším výrobcom zariadení pre Fused Deposition Modeling je firma Stratasys so sídlom v Eden Prairie (USA), ktorá ponúka Fused Deposition Modeling zariadenia schopné vyrábať prototypy v čo najkratšom čase, ale aj pomalé, vysoko presné prototypovacie zariadenia. Ako materiál sa v týchto prototypovacích zariadeniach najčastejšie využíva ABS – Acrylonitrile butadiene styrene (štandardné, alebo zdravotne neškodné vyhotovenia), elastomer (96 durometer), polykarbonát, polyfenolsulfon a liaty vosk. Princíp uvedenej metódy je zrejmý z obr. 1 [2].
POSTUP VYUŽITIA RAPID PROTOTYPING
Na Katedre výrobných technológií FVT TU v Košiciach so sídlom v Prešove bol pracovníkmi a študentami katedry navrhnutý a vyrobený model štrvorstupnovej experimenálnej prevodovky [2]. Model prevodovky vytvorený v CAD systéme Pro/Engineeri je zobrazený na obr. 2.
Po vytvorení 3D modelov jednotlivých súčiastok prevodovky boli tieto postupne prevedené do STL formátu a pomocou sofvéru Catalyst sa nastavili parametre tlače. Sú nimi: hrúbka vrstvy, ktorá je pri použitej 3D FDM tlačiarní UPrint konštantná – 0,254 mm, modelové vnútro, ktoré môže byť plné, riedke s malou hustotou alebo riedke s veľkou hustotou, nastaví sa podporná výplň. Ďalej sa určí počet vyrábaných kópii, v posledných kolónkach sa určia jednotky, v ktorých sa bude tlačiť súčiastka a mierka. Následne sa vygenerujú dráhy tlačeného materiálu. Po kontrole je možné vytvorené programy využiť na výrobu súčiastok na FDM zariadení UPrint. Po výrobe jednotlivých súčiastok sa z týchto odstránia podporné vrstvy vo vodnom roztoku so špeciálnou rozpustnou látkou. Následne boli jednotlivé súčiastky prevodovky zmontované do hotového výrobku. Vyrobená zmontovaná prevodovka je na obr. 3.
Technológie Rapid Prototyping sa v súčasnosti vo veľkej miere presadzujú v oblasti rýchlej výroby prototypov, rýchlej výroby nástrojov a rýchlej výroby finálnych výrobkov. Aj napriek svojim výhodám majú tieto zariadenia určité obmedzenia, ktorých vylepšením a odstránením sa využiteľnosť týchto progresívnych technológií ešte podstatne zvýši. Prvou takouto oblasťou je zvýšenie rýchlosti výroby prototypov. Súčasné FDM prototypovacie zariadenia pracujú napríklad 2,5 až 5 krát rýchlejšie ako staršie FDM prototypovacie stroje. Ďalšou oblasťou je zníženie drsnosti a zlepšenie povrchovej úpravy. Súčasné na trhu dostupné zariadenia majú presnosť asi 0,08 mm v horizontálnej rovine, ale menšiu vo vertikálnej rovine. Spresneným pohybom a zlepšeným riadením pohonov sa zvýši presnosť prototypu vo všetkých troch osiach. Využívaním nepolymérových materiálov, kovov, keramiky a kompozitov v zariadeniach pre Rapid Prototyping sa rozšíria ich možnosti výroby finálnych výrobkov. Tieto vylepšenia umožnia technológiám Rapid Prototyping ešte viac sa uplatniť v technickej praxi.
Poznámka: Príspevok bol spracovaný s prispením grantovej agentúry VEGA, č. 1/0032/12, KEGA č. 002TUKE-4/2012 a ASFEU ITMS projekt 26220220125.
LITERATÚRA
[1] Chua, C. K., Leong, K. F., Lim, C. S.: Rapid Prototyping: Principles and Applications. World Scientific Publishing, Singapore, 2003, 420 p.
[2] Marcinčinová, Ľ. N.: Advantages of rapid prototyping for innovation of products. In: Quality and Innovation in Engineering and Management. Cluj-Napoca, 2011, s. 333-336.
TEXT/FOTO ING. ĽUDMILA NOVÁKOVÁ – MARCINČINOVÁ, FAKULTA VÝROBNÝCH TECHNOLÓGIÍ SO SÍDLOM V PREŠOVE, TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH
