PRUMYSL.CZ KONSTRUKTER.CZ 3D-TISK.CZ MATEMATIKA.CZ HLEDAME.CZ

Začínáme s 3D tiskem kovů #4: Příprava výroby v řešení QuantAM

Sdílejte tento článek na Twitteru
21. 5. 2017, | 1 komentář

Výhody 3D tisku spočívají v možnosti topologicky optimalizovat požadovaný díl a provést na něm patřičné úpravy s ohledem na snížení váhy a objemu spotřebovaného materiálu. Součásti lze tisknout duté nebo jejich topologii může tvořit bionická či minimalistická příhradová konstrukce. Přebytečný prášek se vysype malým otvorem, který je ponechám ve stěně. Podívejme se společně, jak připravit výrobu topologicky optimalizovaného dílu 3D tiskem v řešení QuantAM na zařízení Renishaw AM400.

Kapitoly:

Příprava 3D tisku kovů v řešení QuantAM

Zapůjčené zařízení Renishaw AM400 v Laboratoři aditivní výroby na Fakultě strojní VŠB-TU Ostrava umožňuje přípravu 3D tisku v řešení QuantAM, které si pro vlastní potřebu vyvíjí mateřská společnost Renishaw v Anglii. QuantAM je otevřené řešení a uživatelům umožňuje použít pro stavbu jakýkoli kovový prášek splňující předpoklady tisku. Procesní parametry si pak může uživatel přizpůsobit v řešení Renishaw Material Editor, které je dodáváno společně s řešením QuantAM. V editoru lze měnit procesní parametry, jako jsou:

  • výkon laseru,
  • výška vrstvy,
  • rychlost skenování,
  • strategie tisku atd.

Tyto parametry je vhodné upravovat a vyvíjet společně s 3D tiskem zkušebních vzorků (například zkušebních tyčinek pro zkoušku tahem), aby si uživatel ověřil finální a současně požadované mechanické vlastnosti stavby. Ty se mění v závislosti na použitých parametrech. Ve výchozím nastavení však řešení QuantAM obsahuje připravené (optimalizované) parametry pro kovové prášky dodávané od společnosti Renishaw. Ta u dodávaných prášků zaručuje mechanické vlastnosti vytištěných dílů uvedených v technických specifikacích.

Před samotnou přípravou probíhá posouzení tvaru dílů, provádí se topologická optimalizace, navrhuje se technologičnost konstrukce a nosníkové konstrukce, které mohou snížit váhu výrobku, objem použitého práškového kovu a eliminovat tvorbu podpor. Tento krok je nezbytný, jelikož mnoho uživatelů má od 3D tisku příliš velká očekávání. Nutné je zdůraznit, že žádná z dostupných technologií aditivní výroby nedovede vyrobit součást s vysokými požadavky na rozměrovou přesnost a kvalitu výroby. Prozatím je vždy nutné uvažovat s dokončovacími operacemi obráběním, broušením nebo povrchovými úpravami. K diskuzi je samozřejmě i finální kontrola, měření a destruktivní a nedestruktivní zkoušení mechanických vlastností.

Tip: Topologické optimalizaci, bionickým konstrukcím a navrhování příhradových konstrukcí jsme se věnovali ve 3. dílu tohoto seriálu, proto se zaměříme pouze na přípravu výroby již topologicky upraveného dílu v řešení QuantAM.

Postup přípravy 3D tisku v řešení QuantAM

Pro názornou ukázku přípravy výroby jsme použili topologicky optimalizovaný model konzole exportovaný do formátu STL. Tento datový formát je vyžadován pro import do prostředí QuantAM.

Topologicky optimalizovaný model konzole

Topologicky optimalizovaný model konzole

Po vložení modelu dílu do prostředí QuantAM se součást automaticky vystředí do počátku souřadného systému, který je orientován do středu horní plochy základové desky

Po vložení modelu dílu do prostředí QuantAM se součást automaticky vystředí do počátku souřadného systému, který je orientován do středu horní plochy substrátu (základové desky)

Postup přípravy výroby v řešení QuantAM se skládá ze čtyř základních částí:

  1. změna orientace součásti (polohování) s ohledem na tvorbu podpor a stanovení výchozí výšky stavby od horní plochy substrátu, kterou je nutné ponechat pro odřezání stavby ze substrátu (odřezání stavby se provádí pásovou pilou nebo elektroerozivním řezáním drátem),
  2. automatický návrh podpor a následná manuální úprava,
  3. lineární pole pro kopírování instancí,
  4. volba materiálu a výpočet procesních parametrů (cena stavby, výška stavby, doba tisku atd.).
Postup přípravy výroby 3D tiskem a výstupního kódu pro 3D tiskárnu pro se skládá ze čtyř základních částí

Postup přípravy výroby 3D tiskem a generování výstupního kódu pro 3D tiskárnu se skládá ze čtyř základních částí

Odsazení modelu od základové desky se zpravidla volí 3 až 4 mm

Odsazení modelu od horní plochy substrátu se zpravidla volí 3 až 4 mm

Tlačítko pro zobrazení/skrytí barevné mapy (1) odhaluje barvenou mapu. Ta pomáhá lokalizovat plochy stavěné s podporami. Žluté plochy podpory nevyžadují, jsou však pro tisk doporučeny. Červené plochy 3D tisk podpor vyžadují, protože by bez nich došlo k propadaní vrstvy.

Tlačítko pro zobrazení/skrytí barevné mapy (1) odhaluje barvenou mapu. Ta pomáhá lokalizovat plochy stavěné s podporami. Žluté plochy podpory nevyžadují, jsou však pro tisk doporučeny. Červené plochy 3D tisk podpor vyžadují, protože by bez nich došlo k propadání vrstev (vyrobil by se zmetek)

Se součástí lze různě natáčet pomocí triády po stisknutí tlačítka Orientace součásti (2). S pomocí barvené mapy tak může uživatel spolehlivě určit optimální polohu modelu, která potlačí nebo eliminuje 3D tisk podpor.

Ve druhém kroku uživatel navrhuje podpory a to automaticky nebo ručně. Zároveň je možné navrhnou vlastní profil a velikost podpor

Ve druhém kroku uživatel navrhuje podpory – automaticky, nebo ručně. Zároveň si může navrhnout vlastní profil a velikost podpor

Tip: Tvorba podpor souvisí s uživatelskými zkušenostmi. Například díry do velikosti průměru 10 mm nevyžadují podpory, je však vhodné ponechat na stěnách přídavek na obrobení a dokončení.

Detailní pohled na návrh podpor po ruční úpravě. V otvorech nahoře byly některé podpory na základě uživatelských zkušeností odebrány

Detailní pohled na návrh podpor po ruční úpravě. V otvorech nahoře byly některé podpory odebrány

Ve třetím kroku uživatel volí počet instancí pomocí Lineárního pole

Ve třetím kroku uživatel volí počet instancí pomocí Lineárního pole

Stavební prostor lze díky více instancím efektivně využít a zkopírovaný totožný díl můžete současně tisknout různými procesními parametry. Ty totiž ovlivňují mechanické vlastnosti hotových prototypů. Jako příklad lze zmínit rozdílnou velikost výkonu laseru. Se zvyšujícím se výkonem se snižuje pórovitost, zhoršují se však parametry drsnosti povrchu

Jsou-li navrženy podpory, provedeno lineární pole, lze přistoupit k volbě materiálu a výpočtu kódu pro realizaci stavby. Tento kód se po síti odesílá do tiskárny

Jsou-li navrženy podpory a provedeno lineární pole, lze přistoupit k volbě materiálu a výpočtu kódu pro realizaci stavby. Tento kód se pak po síti odesílá do tiskárny

Řešení QuantAM obsahuje výchozí optimalizované parametry pro různé materiály a slitiny. Na obrázku je uvedena knihovna materiálu s vybranou korozivzdornou ocelí 316L s výškou vrstvy 50 mikrometrů. Jako názorný příklad byla vybrána strategie Meander

Řešení QuantAM obsahuje výchozí optimalizované parametry pro různé materiály a slitiny. Na obrázku je uvedena knihovna materiálů se zvolenou korozivzdornou ocelí 316L a výškou vrstvy 50 mikrometrů. Jako názorný příklad byla vybrána strategie Meander

Při strategii Menader jsou jednotlivé vrstvy pootočeny o 67 stupňů. 180 vrstev je nutných k tomu, aby byla vytvořena vrstva pod stejným úhlem.

Při strategii Meander jsou jednotlivé vrstvy pootočeny o 67 stupňů. 180 vrstev je nutných k tomu, aby byla vytvořena vrstva pod stejným úhlem jako vrstva n

Makroskopický náhled na vrstvy vytvořené strategií Menader

Makroskopický náhled na rozříznutý vzorek zkušební tyčinky v příčném řezu. Pod mikroskopem je zřetelný průběh kladení vrstev strategií Meander

Výpočet rozřeže model na jednotlivé vrstvy a určí strategii skenování laserem. Svislým posuvníkem na pravé straně obrazovky lze sledovat 3D tisk vrstvu po vrstvě a podle potřeby může ověřit, jak bude součást stavěna

Výpočet v řešení QuantAM umožňuje rozřezat model na jednotlivé vrstvy a pozorovat, jak si strategie poradí v kritických místech. Svislým posuvníkem na pravé straně se reguluje skenovaná vrstva

V levé části obrazovky se po výpočtu zobrazí report s odhadovanou dobou stavby, přibližnou cenou výroby, výškou stavby, počtem vrstev a spotřebovaným objemem práškového kovu na 3D tisk součásti a podpor. Ve spodní části jsou pak uvedeny procesní parametry 3D tisku

V levé části obrazovky se po výpočtu zobrazí report s odhadovanou dobou stavby, přibližnou cenou výroby, výškou stavby, počtem vrstev a spotřebovaným objemem materiálu na součást a podpory. Ve spodní části tabulky jsou pak uvedeny základní procesní parametry 3D tisku

Prototypy vyrobené 3D tiskem kovů zpravidla vyžadují dokončovací operace (odstranění prototypu ze substrátu, odstranění podpor, obrábění, broušení, leštění atd.). Foto: 3d-tisk-kovu.cz

Prototypy vyrobené 3D tiskem kovů zpravidla vyžadují dokončovací operace (odstranění prototypu ze substrátu, odstranění podpor, obrábění, broušení a leštění funkčních ploch atd.). Foto: 3d-tisk-kovu.cz

Přibližná cenová kalkulace zahrnuje spotřebovaný prášek, energie, amortizaci stroje, spotřebu ochranné atmosféry (argonu) a práci obsluhy. Nezahrnuje topologickou úpravu modelu, návrh výroby a programování, odřezání stavby ze substrátu, finální kontrolu modelu (skenování a 3D měření), tepelné zpracování, destruktivní a nedestruktivní testování (CT skener), obrábění a povrchové úpravy. Cenové kalkulaci se budeme věnovat v samostatném dílu našeho seriálu Začínáme s 3D tiskem kovů.

Schéma výrobního procesu 3D tisku kovů

Schéma výrobního procesu 3D tisku kovů

Fotografie: Laboratoř aditivní výroby, Fakula strojní, VŠB-TU Ostrava; 3d-tisk-kovu.cz

Mohlo by vás také zajímat

Komentáře k tomuto článku

  1. Petr Skalský napsal:

    Velmi dobrá práce, přesně tohle potřebujeme, ještě aby to bylo levné a bude to paráda.

Přidejte k článku svůj komentář

Komentář podléhá autorizaci ze strany redakce, proto se nezobrazí ihned po vložení. Vyhrazujeme si právo odstranit příspěvky, které jsou v rozporu s dobrými mravy nebo platnou legislativou. Slušnou a konstruktivní diskusi vítáme!