Aditivna proizvodnja

5/28/2018 Aditivna proizvodnja

1/18

GORAN CUKOR

ADITIVNA PROIZVODNJA

RIJEKA,2011.


2/18

2

SADRAJ

1. UVOD............................................................................................................................... 3

2. STEREOLITOGRAFIJA............................................................................................... 7

3. SELEKTIVNO LASERSKO SINTERIRANJE........................................................... 9

4. PROIZVODNJA LAMINIRANIH OBJEKATA....................................................... 11

5. TALOENJE RASTALJENOG MATERIJALA...................................................... 13

6. 3D PRINTANJE............................................................................................................ 15

LITERATURA................................................................................................................... 18


3/18

3

1. UVOD

Tehnologije izrade dodavanjem podrazumijevaju itav niz proizvodnih postupaka

kojima se dodavanjem i vezivanjem materijala sloj po sloj (sl. 1.1) izrauju fiziki objekti

direktno iz CAD (engl. Computer Aided Design) izvora podataka. Postupci izrade

dodavanjem se bitno razlikuju od konvencionalnih postupaka izrade, npr. tokarenja i

glodanja, kod kojih se objekti oblikuju mehanikim oduzimanjem (skidanjem) vika

materijala.

Slika 1.1.Izrada objekta dodavanjem materijala

Do nedavno su se tehnologije izrade dodavanjem koristile samo za brzu izradu

prototipova (RP engl.Rapid Prototyping), zatim i za brzu izradu alata (RT engl.Rapid

Tooling), a posljednjih se godina sve vie etablira brza izrada funkcionalnih proizvoda

(RM engl. Rapid Manufacturing). Danas se najee upotrebljava naziv aditivna

proizvodnja (AM engl. Additive Manufacturing) koji ukljuuje sve tri prethodno

navedene tehnologije.

Metodologija svih procesa izrade dodavanjem je jednaka i sastoji se iz sljedeihosnovnih faza:

stvaranje STL file-a iz 3D CAD podataka i podjela na slojeve: Raunalnimodel objekta se oblikuje pomou jednog od brojnih CAD softverskih paketa kao

to su npr. I-DEAS, Catia, Solidworks, Pro/Engineer itd. Nakon toga slijedi

konvertiranje u STL standardni podatkovni format koji predstavlja 3D povrinu

nastalu kao sklop planarnih trokuta i podjela na slojeve (engl. slicing).

Radni stol

Debljina sloja

a) prije izrade b) nanos 1. sloja c) za vrijeme izrade d) nakon izrade


4/18

4

stvaranje slojeva: Od najdonjeg prema najgornjem dok se ne dobije gotoviizradak (fizika interpretacija raunalnog modela).

naknadna obrada izratka: Nakon stvaranja izratka s njega se uklanja zaostali,neeljeni materijal, te se brusi ili polira kako bi se dobilo eljeno stanje povrine.

Aditivna proizvodnja se temelji na skoro svakom obliku poznatog materijala.

Tekuine koje mijenjaju svoje stanje u kruto koritenjem svijetla (fotopolimeri) formirale

su prvu generaciju praktinih strojeva (stereolitografija). Ubrzo su slijedile metode

temeljene na vezivanju prahova (selektivno lasersko sinteriranje), ekstrudiranju

termoplastika (oblikovanje taloenjem rastaljenog materijala), lijepljenju materijala ufolijama (proizvodnja laminiranih objekata) i mnogi drugi.

Aditivna proizvodnja u velikoj mjeri doprinosi proizvodnoj "filozofiji" saetoj u

maksimiproizvoditi jeftinije, kvalitetnije i bre, budui da omoguuje viestruko skraenje

vremena izlaska proizvoda na trite, smanjuje trokove usvajanja novog proizvoda (u

nekim sluajevima sloenih dijelova i alata ak i do 60-80% [1]) i poveava kvalitetu

izrade novog proizvoda. Ona je s obzirom na sloenost oblika, veliinu dijela i vrijeme

izrade isplativija od usporedivih konvencionalnih proizvodnih tehnologija kada je oblikdijela sloeniji, manjih dimenzija i kada je potrebno izraditi vrlo sloene oblike u vrlo

kratkom vremenu (sl. 1.2).

Slika 1.2.Konvencionalna CNC tehnologija vs. aditivna proizvodnja (AM)

Sloenost Sloenost

Trokovi VrijemeAM

CNC glodanje

VBO glodanje


5/18

5

Aditivna proizvodnja se koristi u mnogim granama industrije. Sl. 1.3 [2] prikazuje

koliki udio pripada pojedinoj grani. Vidljivo je kako najvei udio zauzimaju proizvodi za

kupca (izrada cipela i tenisica za pojedinca, naoala, opreme za ronjenje itd.) iautomobilska industrija (izrada dijelova dijelovi ovjesa, mjenjaka kutija, upravljaki

mehanizam, spojke, izrada kalupa za odljevke od titana sloenih oblika itd., trkaih

automobila i bolida Formule 1 te izrada dijelova za antikna vozila kojih vie nema na

tritu). Nakon tih grana slijede medicina (izrada elemenata za ispravljanje zubi, slunih

aparata, implantata itd.), strojogradnja, industrija zrakoplova i svemirskih objekata (izrada

dijelova space shuttle-a i svemirskih postaja, borbenih zrakoplova F-18 i komercijalnih

zrakoplova), akademske institucije, vojna industrija te ostalo.

Slika 1.3.Zastupljenost aditivne proizvodnje u pojedinim granama industrije [2]

Najzastupljeniji postupci izrade dodavanjem klasificirani su na sl. 1.4, dok su u tab.

1.1 dani okvirni podaci o cijenama ureaja (strojeva) za aditivnu proizvodnju [3].

Medicina10,1%

Strojogradnja9,6%

Ostalo8,7%

Automobilskaindustrija

23,8%

Proizvodi zakupca25,5%

Industrijazrakoplova

8,6%

Vojnaindustrija

6,9%

Akademskeinstitucije

6,7%


6/18

6

Slika 1.4.Klasifikacija najzastupljenijih postupaka aditivne proizvodnje

Tablica 1.1. Okvirni cjenovni podaci o AM ureajima (strojevima) [3]

AM postupci Okvirna cijena ureaja (EUR)Stereolitografija 150 000 390 000

Taloenje rastaljenog materijala x12 000 800 000

Proizvodnja laminiranih objekata x26 000 100 000

Selektivno lasersko sinteriranje 150 000 800 000

3D printanje x12 000 x65 000

Stereolitografija

AM POSTUPCI

Izrada tekuim

materijalima

Izrada prakastim

materijalima

Lijepljenje Ekstrudiranje1 komponentni 1 komponentni

+ vezivo

Selektivnolasersko

sinteriranje3D printanje

Proizvodnjalaminiranih

objekata

Taloenjerastaljenog

materijala

+ ostali

Izrada vrstim

materijalima

Fotopolimerizacija


7/18

7

2. STEREOLITOGRAFIJA

Stereolitografija (SLA engl. Stereolitography) je prvi AM postupak koji je razvijen

1986. u tvrtci 3D Systems (USA). Kod SLA postupka svaki se sloj izrauje tako da se

skruuje samo onaj dio UV osjetljivog fotopolimera u tekuem stanju kojeg obasja voeni

laserski snop. Kada se jedan sloj skrutne, radna platforma se za tu debljinu pomakne prema

dolje. Sl. 2.1 prikazuje postupak stereolitografije, a tab. 2.1 prikazuje usporedne podatke

nekolicine SLA strojeva [3].

Slika 2.1.Stereolitografija

Tablica 2.1.Usporedni podaci za neke SLA strojeva [3]

Model SLA 5000 SLA 7000 Viper si

NamjenaDijelovi velikih

dimenzijaDijelovi velikih

dimenzijaIzrada preciznih

dijelovaRadna povrina (mm) 508 508 584 508 508 600 250 250 250

Tip lasera Nd: YVO4 Nd: YVO4 Nd: YVO4Valna duljina lasera (nm) 354,7 354,7 354,7

Izlazna snaga lasera (mW) 216 800 100

Oekivano trajanje lasera (h) 5000 5000 7500

Za svaki se slojradna platforma

pomie premadolje

Posuda

Tekuifotopolimer

Skruenidio

LaserSustavzrcala

Potpornji


8/18

8

Prednosti SLA postupka:

I. visoka tonost 0,1 mm i dobra kvaliteta povrineII. polu-prozirni materijaliIII.potpuna automatiziranost

Nedostaci SLA postupka:

I. ogranieni broj upotrebljivih materijala (samo fotopolimeri)II. dijelovi slabijih mehanikih svojstavaIII.potrebni su potpornji koje naknadno treba uklonitiIV. esto je potrebno naknadno UV ovrivanje dijelova u peiV. fotopolimer je otrovan u tekuem stanjuVI. relativno visoki troak u usporedbi s ostalim AM postupci (odravanje, ienje)

SLA postupak se primjenjuje za izradu marketinkih prototipova, funkcionalnih

prototipova, uzoraka za vakuum lijevanje itd. Kao materijali za izradu dijelova se koriste

akrilne i epoksidne smole. Sl. 2.2 pokazuje neke primjere proizvoda izraenih

stereolitografijom.

Slika 2.2.Primjeri proizvoda izraenih stereolitografijom


9/18

9

3. SELEKTIVNO LASERSKO SINTERIRANJE

Postupak selektivnog laserskog sinteriranja (SLS engl. Selective Laser Sintering)

patentiran je 1989. u USA. Kod SLS postupka laserski snop prolazi po sloju prakastog

materijala prethodno rasporeenog preciznim mehanizmom za valjanje i grije ga na

temperaturu neto niu od talita (temperatura sinteriranja) pri emu dolazi do selektivnog

povezivanja estica prakastog materijala i skruivanja. Podloga izraivanog dijela potom

se spusti za debljinu sljedeeg sloja i itav se proces sinteriranja ponavlja. Sl. 2.3 prikazuje

SLS postupak, a tab. 2.2 prikazuje usporedne podatke nekolicine SLS strojeva [3].

Slika 2.3.Selektivno lasersko sinteriranje

Tablica 2.2. Usporedni podaci za neke SLS strojeve [3]

Model EOS Eosint P395 Sinterstation Pro 230 Sinterstation HiQRadna povrina (mm) 340 340 620 550 550 750 381 330 457Debljina sloja (mm) od 0,06 do 0,18 oko 0,1 oko 0,076

Materijal Polimeri, metaliPoliamid,

SandFormTMZrPoliamid,

SandFormTMZr

LaserSustavzrcala

ValjakPrah

Za svaki se slojklip pomieprema gore Za svaki se sloj

klip pomieprema dole

Abrazivna

Dio


10/18

10

Prednosti SLS postupka:

I. dijelovi najboljih mehanikih svojstava u usporedbi s ostalim AM postupcimaII. mogua primjena irokog raspona materijalaIII. mogue je relativno kratko proizvodno vrijeme (priblino 25 mm/h)IV. nisu potrebni potpornji jer viak praha podupire objektV. nije potrebno naknadno ovrivanje

Nedostaci SLS postupka:

I. loija kvaliteta povrineII. pri koritenju nekih materijala (osobito plastinih) potrebna je zatitna atmosfera

radi pojave otrovnih plinova tijekom sraivanja

III. dijelovi su manje detaljni od onih proizvedenih SLA postupkom zbog visokeradne temperature i velikog skupljanja

SLS postupak se primjenjuje za izradu funkcionalnih prototipova, kalupa za

lijevanje, EDM elektroda, alata za injekcijsko preanje, tvrdih alata itd. Kao materijali za

izradu dijelova se koriste prahovi od metala, keramike, poliamida, polistirena,

polikarbonata, elastomera Sl. 2.4 pokazuje neke primjere proizvoda izraenih selektivnim

laserskim sinteriranjem.

Slika 2.4.Primjeri proizvoda izraenih selektivnim laserskim sinteriranjem


11/18

11

4. PROIZVODNJA LAMINIRANIH OBJEKATA

Postupak proizvodnje laminiranih objekata (LOM engl. Laminated Object

Manufacturing) je razvijen u tvrtci Helsys, a prvi je stroj prodan 1992. Preko sustava

upravljivih pominih ogledala (sl. 2.5) laserski snop izrezuje konturu objekta iz posebne

vrste folije namotane na valjku. Nakon toga preko povrine folije prelazi zagrijani valjak

koji aktivira vezivno sredstvo s njezine donje strane ime se izrezani sloj povezuje s

prethodnim. Tab. 2.3 prikazuje usporedne podatke nekih LOM strojeva [3].

Slika 2.5.Proizvodnja laminiranih objekata

Lee Laser

Zagrijanivaljak

Folija

Dostavni valjakValjak za namotavanjeostatka folije

Platforma

Proizvod

Otpadni

materijal

PozicioniranjeX-Y


12/18

12

Tablica 2.3. Usporedni podaci za neke LOM strojeve [3]

Model Solido SD300 Pro LOM-1030 LOM SC800

Radna povrina (mm) 330 250 350 400 280 406 600 600 600Debljina sloja (mm) 0,168 od 0,106 do 0,2 od 0,178 do 0,356Materijal SolidVC, rigid PVC Papir, folija Papir, folija

Prednosti LOM postupka:

I. mogue su obrade glodanjem i buenjem kao u drvuII. vrlo dobra i prihvaena tehnologija za modelareIII.poslije 3DP najjeftiniji stroj u usporedbi s ostalim AM postupcimaIV. nema unutarnjih naprezanja (laser ree samo konturu)V. pogodna za velike objekte

Nedostaci LOM postupka:

I. tonost u smjeru z-osi je manja nego kod drugih AM postupakaII. ne mogu se izvoditi uplji objekti kao boce (ne moe se odstraniti viak

materijala)III. ako se koristi papir potrebno je naknadno lakiranje kako bi se izbjeglo upijanje

vlage koje moe promijeniti dimenzije

LOM postupak se primjenjuje od izrade kalupa za lijevanje do automobilske

industrije itd. Kao materijali za izradu dijelova se koriste papir, metalne i keramike folije.

Sl. 2.6 pokazuje neke primjere proizvoda izraenih LOM postupkom.

Slika 2.6.Primjeri proizvoda izraenih LOM postupkom


13/18

13

5. TALOENJE RASTALJENOG MATERIJALA

Prvi komercijalni sustav za taloenje rastaljenog materijala (FDM engl. Fused

Deposition Modeling) je izveden 1992. Smatra se kako je to, nakon stereolitografije,

najraireniji postupak. Na koloturi je namotana nit od polimernog materijala koja ulazi u

mlaznicu za ekstrudiranje. Mlaznica je grijana tako da u njoj dolazi do rastaljivanja

materijala. Cijeli proces nanoenja slojeva se odvija u komori u kojoj se odrava

temperatura tek neto nia od temperature talita polimernog materijala. Sl. 2.7 prikazuje

FDM postupak, a tab. 2.4 prikazuje usporedne podatke nekih FDM ureaja [3].

Slika 2.7.Taloenje rastaljenog materijala

3-osni sustavs velikimbrzinama

Zagrijana

mlaznica

Nit

Platforma

Koloturas niti


14/18

14

Tablica 2.4. Usporedni podaci za neke FDM ureaje [3]

Model Dimension SST Fortus 400mc Fortus 900mc

Radna povrina (mm) 203 203 305 355 254 254 882 588 882Debljina sloja (mm) od 0,178 do 0,33 od 0,127 do 0,330 od 0,171 do 0,318

Materijal ABSABS, PC-ABS, PC, PPSF /

PPSU, ULTEM 9085ABS, PC-ABS, PC, PPSF /

PPSU, ULTEM 9085

Prednosti FDM postupka:

I. brzo generiranje slojevaII. naknadna obrada nije potrebnaIII. relativno niska investicija u ureaj kao i niski trokovi odravanjaIV. materijali nisu otrovni

Nedostaci FDM postupka:

I. relativno mali broj komercijalno raspoloivih materijalaII. nuna je primjena potpornjaIII. neto loija dimenzijska stabilnostKao materijali za izradu prototipova se koriste vosak, ABS, metakrilati. Sl. 2.8

pokazuje neke primjere proizvoda izraenih FDM postupkom.

Slika 2.8.Primjeri prototipova izraenih FDM postupkom


15/18

15

6. 3D PRINTANJE

Postupak 3D printanja (3DP engl. 3D Printing) razvijen je na MIT-u, USA, a prvi

komercijalni printer se pojavio 1997. Kod 3DP postupka glava printera koja radi na ink-jet

principu taloi vezivnu otopinu po sloju prakastog materijala prethodno rasporeenog

preciznim mehanizmom za valjanje pri emu dolazi do selektivnog povezivanja estica

prakastog materijala. Podloga izraivanog dijela potom se spusti za debljinu sljedeeg

sloja i itav se proces ponavlja. Gotovi dijelovi mogu se dodatno zgusnuti i otvrdnuti

odgovarajuom toplinskom obradom koja slui za uklanjanje veziva, sinteriranje i

infiltriranje s nekim drugim materijalom. Sl. 2.9 prikazuje 3DP postupak, a tab. 2.5

prikazuje usporedne podatke nekolicine 3DP ureaja [3].

Slika 2.9.3D printanje

Vezivnaotopina

Glava printeras mlaznicom

ValjakPrah

Za svaki se slojklip pomieprema gore Za svaki se sloj

klip pomieprema dole

Dio


16/18

16

Tablica 2.10. Usporedni podaci za neke 3DP ureaje [3]

Model Z-Print 310 Voxeljet VX500 Ex One R-1

Radna povrina (mm) 203 254 203 500 400 300 50,8 38,1 50,8

Debljina sloja (mm) od 0,089 do 0,203 od 0,1 do 0,15 od 0,05 do 0,2

Materijal silikatni sadrasti prahprakasti plastini

materijalinehrajui elik, bronca,

zlato

Prednosti 3DP postupka:

I. najbri AM postupakII. niski trokovi materijalaIII. mogunost izrade dijelova i sklopova sastavljenih od razliitih materijala s

razliitim mehanikim i fizikalnim svojstvima u jednom procesu printanja

IV. mogunost izrade u bojama

Nedostaci 3DP postupka:

I. ograniene dimenzije dijelaII. naknadna toplinska obrada za uklanjanje veziva, sinteriranje i infiltriranje

3DP postupak se primjenjuje za vizualizaciju dizajna, izradu funkcionalnih

prototipova, dijelova i alata. Kao materijali za izradu dijelova se koriste prahovi od

plastomera, te metalni, keramiki i kompozitni prahovi. Sl. 2.10 pokazuje neke primjere

proizvoda izraenih 3D printanjem.


17/18

17

Slika 2.10.Primjeri proizvoda izraenih 3DP postupkom


18/18

18

LITERATURA

[1] LII, B.: Brza izrada prototipa i dijelova. Bilten Razreda za tehnike znanosti

2(1999)1: Okrugli stol Suvremeni postupci i proizvodne koncepcije, Zagreb, 14.

svibnja 1998. / glavni urednik Dragutin Fle

[2] FILETIN, T., KRAMER, I., ERCER, M.: Brza izrada konstrukcijskih dijelova i

alata. FSB, Zagreb.

[3] MARII, S.: Optimizacija tehnolokih procesa izrade biokompatibilnih dijelova.

Disertacija, Tehniki fakultet Sveuilita u Rijeci, 2011.

Documents

Aditivna proizvodnja