Materiály RP technologií

Tags: 3D tisk | DMLS | FDM | Prototypování | SLA | SLS | Strojírenství

V dynamicky se rozvíjející oblasti Rapid prototypingu dochází k neustálému zlepšování technologií, ale také používaných materiálů. Většina článků je zaměřená na podrobný popis jednotlivých technologií, dnes se víc zaměřím na materiály základních technologií Rapid prototypingu.

Stereolitografie – SLA

Nejstarší ze všech technologií je Stereolitografie (SLA). Její princip vytváření prototypu po jednotlivých vrstvách byl následně použit u všech dalších technologií. U stereolitografie jde o laserové vytvrzení tekuté pryskyřice v lázni. Nevýhodou těchto modelů bývala v minulosti jejich křehkost. Model se dal relativně snadno opracovat a použít jako master model pro zaformování, ale jeho schopnost zástavby byla velice špatná, u složitějších dílů prakticky nemožná.

V dnešní době je však možné vlastnosti materiálu alespoň částečně přiblížit požadavkům zákazníka. Je možné si například vybrat materiál částečně simulující vlastnosti polypropylenu, ABS, materiály s vysokou odolností proti nárazu, nebo materiály použitelné např. pro zkoušky v aerodynamickém tunelu. Nabídnout lze také relativně čirý materiál.

Obráběný světlovod s optikou z plexi

Selective Laser Sintering – SLS

Další z technologií je Selective Laser Sintering (SLS). Hlavním materiálem je polyamidový prášek, u kterého můžeme zvolit buď materiál se sklem, nebo bez skla. Méně často využívaným materiálem je Polystyren, používaný jako vytavitelný model např. pro slévárny. Pevnost těchto materiálů je vyšší než u SLA technologie, ale přesnost ±0,3 mm a minimální tloušťka stěny 1 mm neumožňují dosáhnout uspokojivých výsledků u stavby složitějších modelů s drobnými detaily. Vzhledem k laserovému vytvrzení práškového materiálu je také povrch modelů hrubší a vyžaduje větší úsilí při dokončení.

Direct Metal Laser Sintering – DMLS

Technologií, kde je dochází k laserovému vytvrzení jemného prášku, je také Direct Metal Laser Sintering (DMLS). Tato technologie je naopak vhodná pro stavbu velmi malých a tenkostěnných modelů. Můžeme zvolit mezi stavbou modelů z martenzitické nebo nerezové oceli, případně bronzu. Díky vlastnostem materiálu je tato technologie využitelná nejen pro stavbu samotných prototypů, ale také například pro stavbu malých a složitých vložek vstřikolisových forem s chlazením. Výhodou je možnost díly leštit, naopak nevýhodou vysoká cena dílů a stále přetrvávající nedůvěra zákazníků k těmto modelům a upřednostnění výroby klasickým obráběním z blokových materiálů.

Fused Deposition Modeling – FDM

Technologie, která se snaží co nejvíce materiál přiblížit nejpoužívanějším termoplastům ABS, PC, nebo kombinaci těchto materiálů, je Fused Deposition Modeling (FDM). V tomto případě se již nejedná o laserové vytvrzování prášku či kapaliny, ale hlavní částí stroje je tisková hlava, skládající se z tiskové komůrky a trysky. Materiál zahřátý těsně pod teplotu tavení je tryskou vytlačován na stavební platformu. Výhodou těchto modelů jsou dobré mechanické vlastnosti, vysoká teplotní odolnost a relativně nízká cena při stavbě větších dílů, nevýhodou špatný povrch způsobený postupným nanášením vlákna a nejmenší přesnost ze všech popisovaných technologií. Tato technologie je např. hojně využívaná pro prvotní zástavbové modely v automobilovém průmyslu u větších dílů, jako je např. nárazník, nebo dveřní výplň. Nevhodné je tyto modely použít u složitějších dílů při nutnosti zachování detailů, nebo pro jejich složité dokončení u master modelů pro následnou výrobu silikonových forem a odlitků.

3D tisk

Nejvhodnější technologií pro stavbu master modelů je 3D tisk (3D Print). Jedná se o nejnovější a nejpřesnější technologii ze všech výše popsaných základních technologií na rychlou stavbu prototypu. Tiskárny pracují na stejném principu jako inkoustové tiskárny, známé z kancelářského prostředí. Tiskárna se skládá z tiskové hlavy, která je vybavena řadou mikroskopických trysek. Například tiskárny firmy Objet mají 8 vyměnitelných tiskových hlav. Polovina hlav obsahuje stavební materiál a druhá polovina podporový materiál, nutný pro výrobu tvarově složitějších dílů. Materiál, kterým je akrylátová pryskyřice, je nanášen na kovovou platformu a následně je každá vrstva samostatně vytvrzena UV lampou. To je důležitý rozdíl oproti dříve popsaným technologiím, kde jsou modely vytvrzovány po dokončení stavby (SLA), nebo postupně chladnou (SLS) a tím vzniká nebezpečí deformací modelu. Hlavní výhodou je přesnost modelů s vykreslením detailů, což zaručuje tloušťka stavěné vrstvy 0,016 mm a možnost stavby modelů se sílou stěny 0,5–0,6 mm. Také u této technologie dochází k vývoji nových materiálů.

Polyuretanový odlitek ze silikonové formy

Další materiály

Kromě již osvědčených materiálů FullCure, VeroWhite a VeroBlack je možné stavět z materiálů, které se snaží částečně simulovat termoplasty ABS, PP, PC, řady pryžových materiálů ve škále tvrdosti od 25–95 Shore A, 3 druhy materiálů využitelné ve stomatologii, z nichž jeden materiál je bio-kompatibilní a je schválen pro více jak 30denní kontakt s pokožkou a 24hodinový kontakt se sliznicí. Dalším z materiálů je transparentní materiál VeroClear. Tento materiál je např. vhodný pro výrobu prototypů krycích skel, optických prvků, nebo vizualizaci proudění kapalin.

Vzhledem k jednoduché výměně cartridge se stavebním materiálem, je možné při stavbě kombinovat materiály a tím stavět jednotlivé části modelu z různých materiálů, čímž vznikne prototyp se specifickými vlastnostmi dle přání zákazníka.

Je však nutné mít na paměti, že podobnost veškerých prototypů výše popsaných technologií k sériovým materiálům je omezená z hlediska mechanických vlastností, teplotní odolnosti a jejich možnosti využití ne vždy odpovídají stále větším požadavkům zákazníků. Důležitým aspektem je také požadovaný počet prototypů. Pokud zákazník potřebuje větší množství dílů, bylo by i cenově nevýhodné stavět díly pomocí RP technologií.

Obrábění dílu do “umělého dřeva“

Prototypové formy

Pro tento případ je ideálním řešením výroba prototypových silikonových forem a odlitků. Tato technologie nám navíc nabízí další nepřeberné množství dalších možností z hlediska použitých materiálů a tím i přizpůsobení vlastností prototypů našim požadavkům. Vlastnosti, například vakuově odlévaných polyuretanových materiálů, jsou velmi podobné používaným sériovým vstřikolisovým materiálům a lze je použít pro testování před výrobou drahé vstřikolisové formy. Pokud nebudeme materiál vybírat podle podobnosti k sériovému materiálu, můžeme vlastnosti odlitku měnit podle zvoleného materiálu, ať už z hlediska houževnatosti, tvrdosti, elasticity, otěruvzdornosti, barvy, teplotní odolnosti, nebo např. vůči odolnosti proti provozním kapalinám. Lze také vyrobit několik odlitků z jednoho druhu materiálu a v případě nevyhovujících vlastností materiál po konzultaci se zákazníkem změnit.

Pokud se podrobněji podíváme na vlastnosti jednotlivých materiálů, lze vybírat např. z hlediska ohybového modulu od 500 do 4500 Mpa, teplotní odolnosti od standardních 75 do 195 stupňů Celsia s možností další temperace odlitků a docílení Tg až 220 stupňů Celsia. Lze uspokojit i zákazníka s požadavkem na samozhášivý materiál.

Můžeme zvolit i výrobu odlitku z čirého, leštitelného materiálu s UV filtrem, tyto materiály můžeme také probarvovat, případně vyrábět 2komponentní (dvoubarevné) odlitky, pokud zákazník nechce odlitek lakovat. Tento způsob se hojně využívá např. při výrobě krycích skel zadních světel automobilů.

Velký výběr materiálů je také při výrobě pryžových prototypů. Hlavním kritériem výběru je v tomto případě tvrdost, volit můžeme od 25 do 95 Shore A. Materiály jsou ideální pro výrobu těsnění, zarážek, elastických podpěr atd.

Jelikož se kvalita těchto ve vakuu odlévaných polyuretanů a elastických uretanů neustále zvyšuje, jsou čím dál častěji využívány také u malosériových projektů, jako finální díl sloužící k trvalému užívání.

Další možností je využití odlévacích polyuretanů. Tyto materiály nemusíme odlévat ve vakuové komoře, což nám umožňuje výrobu velkých, nebo masivních odlitků, které bychom nebyli schopni ve vakuové komoře vyrobit, nebo odlitků na jejichž výrobu je potřeba velké množství materiálu, které bychom nebyli schopní najednou rozmíchat a zalít. Tyto materiály lze zalít po několika částech, přičemž dojde k bezproblémovému spojení jednotlivých vrstev. Materiály lze také plnit až 180 % minerálních, nebo hliníkových plniv. Nejen že tím snižujeme cenu odlitku, ale také zabraňujeme případnému smrštění a zlepšujeme například otěruvzdornost, nebo pevnost v tlaku. Ideální využití pro odlévací polyuretany je výroba slévárenských modelů, maket, šablon a nástrojů.

Model z 3D tiskárny

Prototypové materiály pro CNC obrábění

K rozvoji dochází také v oblasti materiálů pro výrobu prototypů CNC obráběním. Kromě výroby prototypů z klasických materiálů, jako ocel, nebo různých slitin hliníku, je hitem posledních let obrábění do odlévaných plexi bloků (PMMA). Před pár lety byl problém sehnat polotovar o tloušťce větší jak 100 mm, dnes není problém sehnat čiré plexi o síle 190 mm. V automobilovém průmyslu je obrábění krycích skel, segmentů světlometů či interiérového osvětlení při vývoji velmi žádané z důvodu rychlé realizace a hlavně vysoké kvality těchto dílů, nesrovnatelné s čirými materiály aditivních technologií Rapid prototypingu. Zákazníkům už pomalu přestává stačit obrábění modelů z čirého plexi a vzrůstá poptávka po obráběných modelech z probarvených materiálů, ale zatím jsou dodávány pouze probarvené polotovary maximálně do tloušťky 10 mm. Při snaze probarvit větší tloušťku polotovaru dochází k usedání barviva a nestejnoměrnému probarvení jednotlivých částí polotovaru. Výjimkou je tzv. mléčné plexi, který je dodavatel schopen vyrobit do tloušťky 30 mm ve dvou provedeních s rozdílnou propustností světla.

Vhodnými materiály pro výrobu obráběných prototypů jsou tzv. umělá dřeva. Jedná se o polyuretanové materiály o hustotě od 0,45 do 1,67 kg/litr. Běžně se používají pro výrobu modelů pro předváděcí účely, designové posouzení, pro zaformování, nebo pro výrobu prototypových forem. Materiály s vysokou hustotou jsou vhodné i pro výrobu tažných nebo lisovacích nástrojů, šablon a měrek. Vlastnosti materiálu jsou zlepšeny u některých materiálů např. přidáním hliníkového plniva. Tyto polotovary jsou přes svou dobrou obrobitelnost velmi rozměrově stabilní s dobrou otěruvzdorností. Naopak pro výrobu lehkých prototypů lze využít pěnové blokové materiály, případně klasický či tvrzený polystyren.

S jistotou lze říct, že i v oblasti materiálů bude v příštích letech docházet k dalšímu vývoji, který zkvalitní a zrychlí výrobu prototypů.