Transfer inovácií 25/2013 2013

208

Ing. Tomáš Neumann

Ing. František Tomeček

Vysoká škola Báňská – Technická univerzita

Ostrava

17. listopadu 15, Ostrava-Poruba, 708 33, ČR e-mail: tomas.neumann@vsb.cz

e-mail: frantisek.tomecek@vsb.cz

Abstrakt

Článek pojednává o moderních trendech

a možnostech při výrobě prototypových dílů

pomocí jedné z technologií rapid prototypingu.

Dále se zaměřuje na optimalizaci a nastavení

jednotlivých parametrů, které výrazně ovlivňují

kvalitu, čas tisku a mechanické vlastností

zkušebních vzorku. Podle normy pro tahovou zkoušku byly na tiskárně 3D Touch vyrobeny

zkušební vzorky z termoplastu. Vzorky sloužily k

analýze mechanických vlastností. Součástí je

i závěrečné zhodnocení jednotlivých vzorku

a porovnání získaných parametrů.

Klíčová slova: Rapid prototyping (RP), 3D tisk,

prostorové modely, FDM technologie, vrstvení

materiálu

Abstract

Article discusses the modern trends and

possibilities in the production of prototype parts using technology called Rapid prototyping. It then

focuses on the optimization and adjustment of the

parameters that significantly affect the quality,

printing time and mechanical properties of the test

sample. According to the tensile test specimens

were produced, which were used for the analysis of

mechanical properties. Components is the final

evaluation of each sample and comparing the

received parameters

.Key words: Rapid prototyping, 3D printing,

spatial models, FDM technology, layering material

ÚVOD

Rapid prototyping (RP) neboli rychlé

prototypování dnes proniká do celé řady odvětví.

Stále častěji se s těmito metodami setkáváme nejen

v automobilovém a leteckém průmyslu, ale

i v takových oborech jako je medicína nebo

stavebnictví. Historicky byly metody RP přijímány za průkopnické technologie právě v automobilovém

a leteckém průmyslu, kde nahradily klasickou

výrobu modelů a prototypů, čímž se výrazně

zkrátila doba vývoje a výzkumu. Cílem RP je

rychlejší zavedení výrobku na trh. Na zhotovených

prototypech se nejčastěji ověřuje jejich funkčnost,

zástavbové rozměry, design, ergonomie a v případě

sestav tzv. smontovatelnost. Prototypy slouží také

pro prezentaci produktu cílovému zákazníkovi

a testování zájmu o daný produkt. Nedílnou součást

nachází i ve školství, jako názorné didaktické pomůcky.

3D tisk je jednou z forem RP. Velkou

výhodou této metody, ve srovnání s konvenčními

výrobními technologiemi, je svoboda při

navrhování a tvorbě designu. Díky 3D tisku můžeme vyrobit objekty a tvary, které by byly

konvenčními metodami nedosažitelné nebo příliš

drahé. 3D tisk také šetří nemalé finanční náklady již

ve fázi vývoje nových produktů, neboť pro

zhotovení objektu nepotřebujeme žádné další

nástroje, přičemž cena materiálu je v porovnání se

strojním časem zanedbatelná. Nevýhodou metody

je malá produktivita, z čehož vyplývá její

nevhodnost pro sériovou výrobu. Ve výjimečných

případech ale může být 3D tisk jedinou možnou

výrobní metodou, která je schopná daný objekt

zhotovit. V takových případech je snaha snížit předpokládaný výrobní čas všemi dostupnými

prostředky již při virtuálním návrhu objektu.

DĚLENÍ SYSTÉMU RAPID PROTOTYPING

Systémy pro torbu rychlých prototypů

pomocí 3D tisku lze rozdělit podle několika hledisek, kde převážně záleží na výrobním zařízení

a použité technologií 3D tisku.

Dělení dle výrobního procesu:

přírůstek hladin při použití laseru

s vytvrzováním bod po bodu

přírůstek hladin bez použití laseru

s vytvrzováním bod po bodu

přírůstek hladin zdola při použití laseru

přírůstek hladin bez použití laseru

Dělení podle použitých materiálů:

tekuté materiály

práškové materiály (Powder-Based)

tuhé materiály (Solid-Based)

Dělení dle použité technologie:

V současnosti existují spousty metod

tvorby modelů pomocí RP, některé jsou však pouze

modifikace základních technologií. V další kapitole je stručný přehled nejpoužívanějších a zároveň

nejrozšířenějších metod v průmyslovém použití

Dělení dle systému přidávání materiálu:

po vrstvách

po kapkách

OPTIMALIZACE VÝROBY PROTOTYPŮ PŘI VYUŽITÍ TECHNOLOGIÍ RAPID

PROTOTYPING

Transfer inovácií 25/2013 2013

209

PŘEHLED ZÁKLADNÍCH TECHNOLOGIÍ

3D TISKU

Stereolitografie (SLA) [4]

V současnosti patří tato metoda RP k nejpoužívanějším v průmyslovém využití. Model

se staví z tekuté epoxidové pryskyřice. V tekutině

je umístěna základová deska, na které je stavěn

model tak, že laserový paprsek vytvrzuje po

jednotlivých vrstvách konturu na hladině. Poté

klesne základová deska o nastavený krok, proběhne

urovnání hladiny kapaliny a pokračuje vytvrzení

další vrstvy. Zároveň je stavěna podpůrná

konstrukce, která zaručuje tvarovou stálost modelu.

Na obr. 1 je názorně popsána podstata této

metody. Zhotovené produkty mají poměrně

vysokou přesnost a malou drsnost povrchu, zlepšení

lze docílit i následným obráběním součásti. Mezi

nevýhody SLA lze zahrnout pomalý proces tvrzení

polymeru, malá tepelná odolnost materiálu a velmi vysoká pořizovací cena výrobního zařízení.

Obr. 1 Podstata metody SLA [4]

Solid Ground Curing (SGC)

Metoda je založena na podobném principu

jako metoda SLA s tím, že nanesená vrstva

materiálu je vytvrzena pomocí UV lampy přes

předem vyrobenou masku, celá najednou. [5]

Selectiv Laser Sintering (SLS)

Materiál je ve formě velmi jemného prášku

natavován teplem, působením laserového paprsku

v daném místě dochází k natavování a následnému

slinování. Okolní nenatavený prášek slouží jako podpora pro model. Pomocí SLS je možné vytvářet

součásti z plastů, pryže, kovu, keramiky a dokonce

i ze speciálního písku. [5]

Laminated Object Manufacturing (LOM, LM)

Podstatou této metody je postupné laminátování jednotlivých vrstev. Materiál se

používá fólie nebo napuštěný papír. Spodní část

fólie je opatřena lepidlem, díky čemuž se přichytí

k předešlé vrstvě. Následně laser vyřeže obrys

požadovaného tvaru, přebytečná fólie propadne.

Podložka se posune dolů o tloušťku vrstvy a celý

proces se opakuje.

Multi-Jet Modelling (MJM)

Princip metody je založený na nanášení

jednotlivých vrstev termopolymeru postupně na

sebe pomocí speciální tiskové hlavy. Tato speciální

tisková hlava může být opatřena až 350 tryskami

uspořádaných rovnoběžně vedle sebe. Tato metoda

je efektivní a úsporná, díky velkému množství

trysek je materiál nanášen rovnoměrně a tisk je

velmi rychlý. Nevýhodou ovšem je malá přesnost

modelu. [4]

Fused Deposition Modeling (FDM)

Metoda je založená na vytlačování pevné

látky tryskou (tisková hlava), ve které se tento

materiál zahřeje na tavící teplotu. Nové vlákno se

přichytí na poslední vrstvu a okamžitě tuhne.

Tisková hlava se pohybuje v souřadnicích x a y po vygenerovaných drahách, které byly předem

zpracovány pomocí příslušného softwaru. Po

dokončení jedné vrstvy se podložka sníží o výšku

vrstvy a celý proces se opakuje až po dokončení

součásti. Pro zvýšení stability složitějších modelu

při tisku se využívá podpůrné konstrukce, která se

tiskne z druhé tiskové hlavy (může být použit i jiný

materiál). Nevýhodami této metody jsou velké

výrobní časy modelu a omezená přesnost daná

velikosti vlákna stavebního materiálu. Výhodami

jsou jeho dostupnost, použití i v kancelářských prostorech, vysoká tepelná odolnost a pevnost

vytištěného modelu.

Obr. 2 Podstata metody FDM [4]

3D TISKÁRNA „3D Touch™ 3D Printer“ –

technické parametry

Tato tiskárna vychází z technologie 3D

tisku FDM – tavení plastového materiálu, jeho

vytláčení a nanášení horkou tryskou ve vrstvách.

Tiskárna obsahuje 3 tiskové hlavy tzv. extrudery,

které se můžou při tisku kombinovat a vytvářet

různé barevné kombinace výsledného produktu. To

Transfer inovácií 25/2013 2013

210

také přispívá k tisku složitějších součásti, u kterých

je potřeba umístit podpůrnou konstrukci aby se

součást nezbortila. Podpůrná konstrukce je

vytvářena jinou tiskovou hlavou než se tiskne

samotná součást (jiná barva, jiný druh plastu apod.).

Obr. 3 3D tiskárna „3D Touch™ 3D Printer“ [2]

Výhodou této tiskárny je její použitelnost

v kancelářském prostředí, neboť při samotném tisku neprodukuje žádné škodlivé látky, jako je tomu u

jiných technologií či velkých průmyslových 3D

tiskárnách. Není nutné propojení tiskárny s PC,

datová komunikace funguje přes USB disk. Po

připojení výměnného disku se načte přímo předem

upravený soubor a začne se tisk. Další její výhodou

je nízká pořizovací cena a nízké náklady tisku,

ovšem kvalita tisku není příliš dobrá v porovnání

s průmyslovými tiskárnami stejné technologie.

Tab. 1 Technické parametry tiskárny „3D Touch“ [2]

PŘÍPRAVA DAT PRO TISK

Již před tvorbou 3D modelu bychom měli

mít částečnou představu o tvaru budoucí součásti.

První skica by pak měla být provedena v rovině

XY, protože právě ta představuje nosnou desku, ze

které začne součást vyrůstat. Správným situováním

součásti lze například ovlivnit směr vláken, která

rozhodují o pevnosti součásti. Základnou by měl

být povrch, který zajistí maximální kontakt se

základní deskou. Výsledný trojrozměrný objekt

vlastně vzniká vrstvením termoplastů do rovin XY

(resp. skládáním příčných řezů určité tloušťky).

3D model byl vytvořen v programu

Autodesk Inventor 2012. Základní rovinou byla

vybrána XY, jejíž orientaci v modelu lze vidět na

obr. 4. Nesprávně zvolená základní rovina lze

i dodatečně opravit ve speciálním softwaru. Je vhodné, aby těžiště objektu při tisku bylo pokud

možno co nejníže.

Obr. 4 Vhodné umístění objektu

Hotový model je nutno převést do formátu

.STL (STereoLithography), který se používá pro

rapid prototyping a podporuje ho většina CAD

systémů. STL formáty popisují pouze povrchovou

geometrii objektu a další informace například

o barvě, jakosti materiálu apod. jsou ztraceny. Při

převodu dat do STL formátu, může dojít k poškození souboru, je proto důležité při ukládání

volit vhodné rozlišení a jednotky.

Obr. 5 Nevhodné umístění objektu

Rozměry tiskárny (šxdxv) 515x515x598 mm

Hmotnost 38 kg

Příkon 60 W

Napájení 230V AC

Max. rozměr tištěného předmětu (XxYxZ)

185x275x201

Tisková rychlost max. 15 mm3/s

Tisknutelný materiál PLA, ABS

Transfer inovácií 25/2013 2013

211

Další optimalizaci parametrů provedeme

již v softwaru určeném pro 3D tiskárnu. V tomto

případě v programu “Axon 2“. Zde je řada

volitelných parametrů, které mohou značně ovlivnit

kvalitu tisknuté součásti. Volíme si zde například

tloušťku vrstvy, strukturu výplně, obsah materiálu

apod.

Obr. 7 Volitelné tiskové parametry, které ovlivňují

kvalitu vytisknuté součásti (1 - tloušťka vrstvy; 2 –

typ stavebního materiálu; 3 – typ pomocného

materiálu; 4 – typy materiálu pro součást složenou

z více druhu materiálu; 5 – hustota výplně; 6 – typ

výplně; 7 – rychlost tisku)

Vždy je potřeba si uvědomit, jakou přesnost

od vyrobených komponentů očekáváme, a podle

toho volit vhodnou tloušťku vlákna. Tloušťka vlákna

(resp. tloušťka příčného řezu) ovlivňuje nejen

pevnost vytisknuté součásti, ale také čas tisku.

V některých případech může být časový rozdíl tisku

pro vlákno tloušťky 0,125 až pětkrát delší než pro

vlákno tloušťky 0,5mm.

Při návrhu součásti je třeba počítat

i s nepatrným zvětšením rozměru v ose Z. Tuto

změnu rozměrů způsobuje tloušťka pomocné

podkladové vrstvy, se kterou je potřeba vždy počítat. Další pomocné prvky si program tvoří sám

na základě vstupních informací. Vhodné je, aby

podpůrný materiál pro pomocné prvky (např. pro

vyplňování dutin) byl shodný se základním

stavebním materiálem. V případě nedodržení této

zásady se může výrobní čas rapidně prodloužit,

neboť odlišný materiál musí být vytlačován z jiného

extruderu, přičemž doba zahřátí tohoto extruderu na

provozní teplotu prodlouží významně výrobní čas

tisku.

V poslední fázi optimalizace v programu

Axon 2 je nutné uložit provedené nastavení, čímž

se daná součást převede do formátu BFB. Tento

formát již přímo komunikuje s 3D tiskárnou.

EXPERIMENT

Průběh experimentu

Tímto testem jsme ověřili mechanické

vlastnosti vytištěných vzorků v závislosti na kvalitě

3D tisku.

Nejprve byl proveden tisk zkušebních

vzorků na 3D tiskárně „3DTouch™ 3D Printer

(Triple Head)“. Velikost a tvar zkušebních vzorků

je přesně stanoven v normě ČSN EN 527, která

pojednává o zkoušce tahem plastů. Tato norma

udává tahové vlastností, při nichž jsou ze závislosti

napětí/poměrné prodloužení stanoveny hodnoty

modulu pružnosti při tahovém namáhání, meze

pevnosti v tahu a dalších napěťových

Obr. 6 Převod modelu vytvořeného v Inventoru 2012 do STL formátu

2

.

1

. 3

.

4

. 5

. 6

. 7

.

Transfer inovácií 25/2013 2013

212

a deformačních charakteristik [1]. Základní

rozměry zkušebního vzorku jsou znázorněny na

obr. 8.

Obr. 8 Tvar a velikost zkušebního vzorku

Při tisku je důležité počítat i s poměrně

malou, ale nezanedbatelnou podkladní vrstvou. Ta

po dokončení tisku vytvoří na součásti nevzhledný

otřep (obr. 9), který by samozřejmě nepříznivě

ovlivňoval následnou tahovou zkoušku zvětšením

průřezu zkušebního vzorku. Proto bylo nutné otřep

mechanický odstranit pomocí skalpelu a další

vzniklé nerovnosti lehce zabrousit.

Obr. 9 Zkušební vzorek s podkladní vrstvou

v programu Axon 2

Vzorek byl následně podroben tahové

zkoušce na trhacím stroji. Trhací rychlost byla

stanovena na 5mm/min. Průběh tahové zkoušky pro jednotlivé vzorky je zaznamenán v grafu (obr. 12)

a číselné hodnoty naměřených hodnot i výrobních

časů 3D tisku jsou uvedeny v následující tabulce

(tab. 2). Na obr. 11 je zobrazen detail kvality

povrchu tištěných vzorků. Vzorek č. 1 byl natištěn

s nejmenším přírůstkem vlákna 0,125 mm.

Vizuálně i dotykem je možné rozpoznat jeho

nejjemnější struktura s nejmenší drsností povrchu

v porovnání se vzorky 2 a 3.

Tab. 2 Naměřené hodnoty a výrobní časy

Obr. 10 Průběh tahové zkoušky

Obr. 11 Detail kvality tisku zkušebních vzorků

Č. vzorku Vzorek 1 Vzorek 2 Vzorek 3

Barva

Tl. vlákna [mm]

0,125 0,250 0,500

Výrobní čas [min.]

169 75 40

Stress peak [MPa]

45,585 53,825 46,360

Force peak [N]

1823,4 2153,0 1854,4

Obr. 12 Pracovní tahový diagram pro zkušební vzorky 1, 2, 3

Transfer inovácií 25/2013 2013

213

Materiálové vlastnosti zkušebních vzorků

Jak bylo již dříve uvedeno, zkušební

vzorky byly vyhotoveny z materiálu PLA. Charakteristickou vlastnosti tohoto plastu je jeho

plně biologická odbouratelnost, jelikož je vyráběn

z kukuřičného škrobu nebo cukrové třtiny. Velkou

přednosti je velmi malá deformace při tuhnutí,

zároveň i za nižších tavících teplot je vytištěná

součást pevná a jednotlivé vrstvy kvalitně spojené.

Po vytištění lze dodatečně součásti z tohoto

materiálu opracovávat běžnými konvenčními

postupy (frézování, broušení apod.) avšak musí se

zohlednit teplota tání tohoto plastu. Materiál lze

snadno lakovat a natírat.

Tab. 3 Parametry pro tisk PLA materiálu [3]

Zhodnocení experimentu

Cílem studie bylo posoudit, do jaké míry

může konstruktér ovlivnit kvalitu součásti ještě ve

fázi návrhu. Hlavním měřítkem při posuzování byla

kvalita vytisknuté součásti (resp. jeho pevnost) ve

srovnání s výrobním časem (resp. využitelností

stroje), který má největší vliv na výslednou cenu

součástí vyrobených 3D tiskem. Z experimentálně

zjištěných dat vyplývá, že nejlepší mechanické

vlastnosti vykazuje vzorek s tloušťkou vlákna 0,25.

Představuje zároveň přijatelný kompromis ve

srovnání s časovými nároky.

ZÁVĚR

Výroba prototypů pomocí metod 3D tisku

je finančně i časově méně náročné oproti klasickým

konvenčním výrobním metodám. Toto plátí hlavně

ve vývoji, výzkumu a samozřejmě i v samotné

konstruktérské praxi. Přínosem tohoto článku je

stručné shrnutí metod RP a seznámení čtenáře

s podstatou základních technologií 3D tisku. Dále

se zde zaměřujeme na správnou úpravu dat z CAD výstupu a optimalizaci v závislosti na výrobním

čase tištěného modelu.

POUŽITÁ LITERATURA A ZDROJE

[1] ČSN EN ISO 527-1 Plasty – Stanovení

tahových vlastností, Část 1: Základní principy

[2] Bits From Bytes: 3DTouch 3D Printer [online]. 2012 [cit. 2013-03-30]. Dostupné z:

http://www.bitsfrombytes.com/eur/store/bfb-

3dtouch-3d-printer-triple-head

[3] Inteo: Materiály pro 3D tiskárny [online].

2012 [cit. 2013-03-30]. Dostupné z:

http://www.inteo.cz/pla-role-pro-tisk/

[4] Přehled technik využívaných při Rapid

Prototyping: Učební text. Liberec: TUL,

Katedra výrobních systému, 2012.

[5] CHUA, C.K., LEONG, K.F., LIMC, S.Rapid

Prototyping, World Scientific Publisher CO.

PTE. LTD, 2003 [cit. 2009-04-20], 420 s, ISBN 981-238-117-1

Tavící teplota 190°C

Teplota pro tisk (běžná vrstva)

210 – 220°C

Teplota pro tisk (základní mřížka)

195°C

Teplota pro tisk (první vrstva)

200°C

Průměr vlákna 3 mm

Rychlost tisku 20 – 30 mm/s