Rapid Prototyping a jeho využití

Tags: 3D skenování | CNC | Engineering | Plasty | Prototyping | Rapid | Reverse

Termínem Rapid Prototyping (RP) jsou od konce 80. let minulého století označovány ty technologie, které výrobek vytváří neklasickými postupy – obvykle tzv. vrstveným aditivním procesem. Při tomto způsobu výroby se neodebírá z polotovaru materiál s cílem získat konečný tvar výrobku (jako např. při obrábění) ani se materiál nepřidává najednou (např. při odlévání). Konečný tvar výrobku se získá poskládáním vrstev, na které je výrobek rozřezán. Prototypovou výrobu lze obecně rozdělit z několika hledisek – z hlediska charakteru výrobku (prototypu), z hlediska charakteru nástroje pro výrobu výrobku a z hlediska objemu výroby.

Prototyp je výrobek, který přebírá některé charakteristiky výrobku sériového, je však vyroben náhradní technologií a mnohdy také z náhradního materiálu. Náhradní technologie bývají obvykle mnohem dražší než technologie výroby sériového dílu. Jejich společnou předností je však rychlost, s jakou dokážou prototyp vyrobit. Tyto technologie jsou označovány anglickým názvem Rapid Prototyping.

Zahrnují např. rychlostní obrábění, odlévání či tváření v případě kovových výrobků a vstřikování v případě výrobků plastových. První z uvedených charakterizují vysoké řezné rychlosti spolu se speciálními nástroji. Pro druhou skupinu jsou charakteristické speciální nástroje, jejichž životnost je hluboce pod životností nástrojů sériových, avšak dostatečná pro výroby prototypové série.

Principem všech RP technologií je rozřezání 3D dat na rovinné vrstvy. Vrstvy mají konstantní tloušťku a jejich tloušťka je důležitým faktorem ovlivňujícím přesnost prototypu a vykreslení detailů. Pro tyto účely se převádějí data do speciálního datového formátu s označením STL. Modely jsou v tomto formátu tvořeny sítí rovinných trojúhelníků, které obalují původní datový model s požadovanou přesností. Přesnost lze upravovat v závislosti na velikosti a složitosti modelu. U menších a složitějších modelů se využívá maximálního nastavení (odchylka trojúhelníkové obálky od původního tvaru v řádu tisícin milimetrů), u větších modelů může být nastavena odchylka v řádu desetin milimetrů. Nastavení přesnosti obálky ovlivňuje hlavně velikost výsledného datového souboru – počet trojúhelníků – a tedy možnosti práce s ním. Základní a nejvyužívanější technologie RP, kterými jsou bezpochyby Stereolitografie (SLA), Selective Laser Sintering (SLS), Fused Deposition Modeling (FDM), v současnosti nejznámější a nejpřesnější 3D tisk (3D Print). Nesmíme však zapomenout i na CNC obrábění, které zde má také své místo.

Využití 3D modelů

Modely všech těchto RP technologií mohou zákazníkovi sloužit bez dalších úprav v surovém stavu např. pro designérské posouzení, reklamní nebo marketingové účely na různých výstavách a veletrzích, pro funkční zkoušky a ověření sestavitelnosti. Dále se modely dají brousit, lakovat i pokovit. Velikost stavěného modelu je omezena velikostí platformy. Nejedná se však o zcela limitující faktor, neboť modely u všech zmiňovaných technologií se mohou stavět dělené a následně se dají slepit. Složitější modely se z důvodu zachování přesnosti slepují v obráběných přípravcích. Tímto způsobem lze vyrobit i několikanásobně větší modely, než jsou platformy jednotlivých strojů. Stále častěji se však tyto prototypy používají jako master modely pro zaformování do silikonových forem pro výrobu polyuretanových nebo voskových odlitků. Díky polyuretanovým odlitkům zákazníci dostanou ve velmi krátké době 2–3 týdnů výrobky s podobnými vlastnostmi jako sériové termoplasty (ABS, POM, PA), čiré nebo probarvené odlitky včetně jemných detailů a pryžové odlitky s tvrdostí od 25 do 90 Shore A). Mohou tak velmi rychle prezentovat své výrobky, případně odhalit nedostatky ještě před výrobou nákladné vstřikovací formy. Výhodou pružných forem je možnost jejich rozřezání na jednotlivé segmenty, což umožňuje snadné odlití i tvarově složitých dílů. Životnost forem je kolem 30 odlitků v závislosti na složitosti dílu a použitém materiálu. U čirých nebo agresívních polyuretanů je životnost formy nižší. Master model se dá však mnohdy opakovaně použít pro výrobu několika forem. Silikonové formy umožňují také zalití dalších komponentů a výrobu 2- i více komponentních odlitků (plast + pryž), do odlévaných dílů lze vložit a zalít tak například závitové vložky či přesná pouzdra a podobně. Stejně jako modely, tak i PU odlitky se dají lakovat, leštit a pokovit.

V začátcích RP technologií byla cena modelů tak vysoká, že ji byly schopny akceptovat ve většině případů pouze firmy napojené na automobilový průmysl. S vývojem těchto technologií a snižováním výrobních nákladů jsou tyto technologie využitelné i v jiných oborech.

Elektrotechnika, letectví

Běžně se RP technologie využívají v elektrotechnice, neboť dochází k neustálé minimalizaci součástek a není tak mnoho jiných možností, jak prototypy s důrazem na přesnost a minimální tloušťku stěn vyrobit. Dalším odvětvím je letecký průmysl, kde se dají prototypy využít např. u výroby simulátorů. Ve spotřebním průmyslu již také našly tyto technologie využití při vývoji nových výrobků a slévárny využívají modely nebo odlitky pro přesné lití metodou vytavitelného vosku.

Zdravotnictví

Řadu let se tyto technologie uplatňují také ve zdravotnictví. Je důležité, že v posledních letech se začaly používat i v České republice. Firma 3D Tech, která poskytuje svým zákazníkům služby ve všech výše zmíněných oblastech, dodávala chirurgům modely, které jim značně pomohly při složitých operacích čelistí a zubů několika pacientů.

Ve zdravotnictví je obecně velký potenciál RP technologií. Modely se dají využít dvěma způsoby. Jedním způsobem je zhotovení master modelu pro výrobu prototypové formy a následné odlití voskových odlitků. Tyto odlitky slouží slévárnám jako modely pro přesné lití a zhotovení implantátů například kolenních kloubů. Druhým způsobem je využití modelů u složitých operací, jak bylo zmíněno. V minulých letech byly uskutečněny složité stomatologické operace s pomocí probarvených modelů z 3D tiskárny. Vzhledem k možnému převedení CT dat do klasického 3D formátu lze vyhotovit přesný model včetně vyobrazení tvaru a tloušťky kostí, ale i cév, nervů a kořenů zubů. Ve firmě 3D Tech byla vypracována metoda, která probarvením zvýrazní uvedené – pro operatéra důležité – detaily. V hojné míře jsou tyto modely používány u stomatologických operací zejména v USA, ale i v České republice je několik firem zabývajících se touto problematikou. Do budoucna lze předpokládat využití RP technologií také u operací nádorových onemocnění.

CNC obrábění

Další alternativou, jak rychle zhotovit prototyp, je CNC obrábění. Dříve obráběcí centra sloužila převážně k výrobě forem a nářadí. Nyní jsou využívána ve stále větší míře k výrobě modelů z oceli, hliníku, polyuretanových a epoxidových desek – tzv. „umělých dřev", plexiskla, polystyrénů a plastů. Tato technologie je vhodná zejména pro výrobu větších prototypů. Na 3osých a hlavně 5osých obráběcích centrech lze vyrobit i složitější tvary a vzhledem k přesnosti obrábění není problém zhotovit ucelené sestavy prototypů. Tímto způsobem jsou například vyráběny z umělého dřeva, hliníku a plexiskla prototypy automobilů pro předváděcí účely, nebo modely sloužící jako referenční kontrolní makety. Tyto modely lze brousit, lakovat a pokovovat, takže výsledný prototyp je k nerozeznání od sériového dílu. Výhodou obrábění z umělého dřeva je kromě dobré obrobitelnosti těchto materiálů i možnost zvolit materiál dle požadavků zákazníka. Kromě běžných umělých dřev lišících se různou hustotou je možné vyrobit prototyp či nástroj např. z materiálu plněného hliníkem. Obráběné modely lze použít také k výrobě silikonových forem nebo slouží k zhotovení výrobního zařízení např. pro sanitární výrobky. Dlouholeté uplatnění nacházejí obráběné modely také ve slévárnách při výrobě prototypových modelových zařízení a jaderníků, nebo v leteckém průmyslu, kde jsou např. zmenšené kopie letadel, případně jejich části zkoušeny v aerodynamickém tunelu.

Automobilový průmysl

Hlavně obrábění z čirého odlévaného blokového plexiskla je v posledních letech velkým hitem zejména v automobilovém průmyslu. Již mnoho let se vyrábí např. krycí skla světlometů pro předváděcí účely z plexiskla. V posledních letech se vzhledem k velké konkurenci automobilky předhánějí např. v počtu světlovodů a podobných optických částí zabudovaných do světlometů. Kvalita obrobeného a vyleštěného čirého modelu z plexiskla je nesrovnatelně vyšší než stavba modelu RP technologiemi ze „zaručeně" průhledného materiálu, nebo výroba čirých PU odlitků ze silikonových forem. Tento rozdíl je nejen lehce rozpoznatelný, když si oba výrobky položíte vedle sebe, ale stejným výsledkem skončí například i měření propustnosti, případně vodivosti světla.

Autorka pracuje ve společnosti 3D Tech, spol. s. r. o.
www.3dtech.cz