A 3D nyomtatott alkatrészek világa: Anyagok, technológiák és alkalmazások
A 3D nyomtatás, illetve a műanyagszálas FDM technológiával dolgozó asztali 3D nyomtatók már nem csupán prototípusgyártásra, hanem - a gazdaságos üzemeltetésnek és olcsó alapanyagoknak köszönhetően - már sorozatgyártásra, végtermékek készítésére is alkalmas lehet. A 3D nyomtatás az elmúlt 10 évben meghódította a világot, és közismerté vált, azonban ez nem egy új technológia. Az első koncepciót David Jones brit vegyész fejlesztette ki az 1970-es évek közepén. Pár évvel később már több 3D nyomtató rendszert fejlesztettek ki, ez alapozta meg a mai 3D nyomtatókat.
Az additív megmunkálással kapcsolatban rengeteg tévhit kering az interneten, így gyorsan tud terjedni a hamis információ. A 3D nyomtatás felhasználási köre tényleg széles, azonban nem minden esetben a legjobb megoldás.
PLA: A sokoldalú biopolimer
A 3D nyomtatás FDM technológiával többféle műanyag alkalmazását teszi lehetővé, a leggyakoribb azonban a PLA nevű biopoloimer, amelyet sokan a jövő műanyagaként is emlegetnek. A PLA egy ideális 3D nyomtatási alapanyag, hiszen remek mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik, valamint alacsony mértékű zsugorodása lehetővé teszi, hogy szobahőmérsékletű munkatérben nyomtassunk vele mindenfajta deformáció nélkül.
A műszaki területen azonban sokan idegenkednek a PLA-tól, műanyagipari szakemberek rendszerint előnyben részesítik a fröccsöntéshez használt ABS, PC, Nylon, HIPS, ASA alapanyagokat. Jóllehet a felsorolt polimerek remekül alkalmazhatóak a fröccsöntés technológiájához, a rétegről rétegre történő 3D nyomtatásnál azonban speciális körülmények is felmerülnek.
A PLA alapesetben gyengébb mechanikai és UV-állósági mutatói azonban speciális adalékokkal javíthatóak, az anyag kémiai és szilárdságtani tulajdonságai programozhatóak. Dr. Bodnár Zsolt, a Philamania alapítója csaknem 15 éve dolgozik PLA-val, több speciális receptet dolgozott már ki különleges 3D nyomtatható PLA alapanyagra. Éppen ezen tulajdonságai miatt válik a PLA optimális 3D nyomtatási alapanyaggá, és használják egyre többen és többen, nem csupán hobbicélokra vagy prototípusgyártásra.
A Philamania speciális fejlesztései között szerepelnek vezető tulajdonságú, antisztatikus vagy ESD típusú PLA alapanyagok, amely tulajdonságok alapkövetelmények például elektronikai összeszerelő üzemekben. Ezekben az üzemekben alapkövetelmény az ESD minősítés, amelyet néhány hazai üzem már hitelesített is. Emellett orvosi vagy élelmiszeripari felhasználásra kifejlesztett, antibakteriális PLA is létezik, amely már nem is bomlik le még nedves, bakteriális közegben sem, így alkalmas élelmiszercsomagolásnak vagy orvosi segédeszközök gyártására is.
Reverse Engineering: Sérült alkatrészek pótlása 3D nyomtatással
Ennek jegyében a FreeDee 3D Akadémia is egyre többször kap olyan megbízásokat, melyek során meglévő, sérült alkatrészt kell pótolni gazdaságos, PLA alapanyaggal dolgozó 3D nyomtatók segítségével. 3D nyomtatáshoz minden esetben szükség van digitális 3D tervfájlra (.stl formátumban), a gyakorlatban a régi, törött alkatrészekről azonban ritkán áll rendelkezésre CAD modell. A meglévő, sérült alkatrészről így minden esetben házon belül kell előállítani a nyomtatási fájlt, amelyet rendszerint reverse engineering eszközökkel és módszerekkel szoktak kivitelezni.
Reverse engineering során a meglévő alkatrészről készül a CAD fájl, amely alkalmas mérésekre, valamint 3D nyomtatással történő replikációra is. A CAD fájl a meglévő objektumról 3D szkenneléssel is előállítható, ehhez azonban nagyfelbontású, ipari pontosságú professzionális 3D szkennerekre van szükség, mint amilyen az 50 mikronos felbontásra képes Artec Spider kéziszkenner.
A professzionális 3D szkennerek azonban nem olcsó berendezések, így a munkadíja egy-egy szkennelési munkának is elég magas. Sok esetben gazdaságosabb és gyorsabb megoldás, ha a meglévő alkatrészt megmérve, manuálisan hozzuk létre a CAD modellt egy 3D-s tervezőprogramban, mint például a Rhinoceros vagy a Solidworks. Az esetek többségében, egyszerűbb geometriák esetében ez az analóg eljárás is elegendő, amennyiben az alkatrész formája lehetővé teszi a pontos méréseket és a 3D modellezést.
Példák alkatrészreprodukcióra
Fogaskerék pótlása
Az első példa egy különleges fogaskerék reprodukálása, amelynek során egy nehezen beszerezhető speciális fémből készült fogaskereket kellett volna pótolni. A sárgaréz fogaskerék percekénti húszezres fordulaton pörög, ezért gyakran kell pótolni; fémből hagyományos, szubtraktív eljárásokkal azonban hosszadalmas és drága legyártatni az alkatrészt. Pótalkatrészként sajnos már nem beszerezhető, így a gépet lehetne megmenteni vele, ha valamilyen módon megoldható lenne az alkatrész legyártása.
A kapott fémalkatrészről első körben készül egy mérési skicc, a 3 vetületi síkkal és a meghatározó részletek illetve csomópontok kirajzolásával. A rajz bekótázása után egy tolómérő illetve kengyeles mikrométer segítségével a fő dimenziók kerülnek mérésre, majd rögzítésre a mérési skiccen. A 3D modellezés során a Solidworks vagy Rhinoceros szoftverével alap mértani tömör testekből szilárdtestműveletekkel állítjuk elő a végleges modellt; így a mérések megtervezése során gondolnunk kell a csonkolással, vágással, összeolvasztással történő geometriák előállítására is. Miután az összes fontos mérést elvégeztük és rögzítettük a skiccen, elkezdődhet a munka a 3D tervezőszoftverben.
Egy ilyen fogaskerék esetében először az alaptestet hozzuk létre egy hengerrel, majd ebből vágjuk ki a tengelyének a furatait, illetve az éleknél a vékonyítást. Ezeket újabb testek létrehozásával (hengerek, hasábok), majd az eredeti hengertestből történő kivonással (szilárdtestművelet) érjük el. A fogaskerék fogait megszámolva, azok közül egyet megmodellezve és azt 360 fokos szögben 36 darabból kiosztva megkapjuk az első lapon lévő fogakat. Ezeket a másik oldalra tükrözve, majd 5 fokkal elforgatva megkapjuk a másik oldal fogazását is, melyeket Boolean művelettel az eredeti testhez olvasztunk, hogy az stl exportálás előtt összefüggő, tömör geometriánk legyen, ezzel is minimalizálva a nyomtatásban esetleg jelentkező modellhibákat.
A kész modellt stl mesh-ként kiexportálva a Makerbot Desktop szoftverében előkészíthetjük a 3D nyomtatásra, ahogyan azt a FreeDee 3D Akadémia Makerbot Desktop Tutorial oktatóanyagából megismerhetjük. Az említett fogaskereket nagy kopásállóságú PLA alapanyagból gyártottuk le 100 mikronos rétegvastagsággal, 100 % belső kitöltéssel és 1.2 mm kéregvastagsággal, hogy a lehető legnagyobb szilárdsága legyen. Ennek ellenére elképzelhető, hogy az alkatrész műanyagból legyártva nem bírná ki a húszezres fordulatszámot, ezért felkészültünk arra is, hogy fémből kell majd megönteni az modellt. Fémöntéshez ideális, ha kiégethető mintát tudunk gyártani az alkatrésznek, így könnyedén megönthető bronzból, sárgarézből vagy akár alumíniumból, akár homoköntésről, precíziós öntésről vagy viaszveszejtéses eljárásról beszélünk.
Babakocsi és WC nyomólap pótlása
A második példa egy egyszerű alkatrész pótlását mutatja be, amely egy babakocsi létfontosságú darabja, hiszen enélkül nem lehet fel-le hajtani a kocsi fogantyúját. Az alkatrész a rendeltetésszerű használattól elkopott, a polimer elfáradt, és a leggyengébb keresztmetszet helyén el is törött. Sajnos pótalkatrész nem kapható a kocsihoz, így vagy új babakocsi beszerzésére, vagy valamilyen speciális, egyedi gyártású elem beépítésére lenne szükség, amelyek közül egyik sem olcsó megoldás.
A törött alkatrészt megvizsgálva a 3D szkenneléssel ellentétben itt is a méréseken alapuló 3D modellezés volt az optimális megoldás: körülbelül 1.5-2 óra alatt az eredeti darabot megmérve, meg lehetett tervezni a műanyagdarab CAD modelljét, amelynek segítségével 3D nyomtatással legyártható a törött darabot helyettesítő funkcionális másolat. Az törött alkatrészt itt először megragasztottuk, hogy lehessen rajta mérni a tolómérővel. Szerencsére csupa mértani alaptestből modellezhető a geometria, így nagyjából csak szélességeket, hosszúságokat, mélységet és néhány átmérőt kellett mérni a pontos mérési skicc elkészítéséhez, amely a 3D modellezés alapjául fog szolgálni.
3D nyomtatók és a környezetvédelem
Egy pontosan megszerkesztett mérési skicc segítségével már koordinátákkal megrajzolható a modell bármilyen professzionális vagy open-source CAD szoftverrel, akár az OpenSCAD vagy OnShape ingyenes eszközökkel is. Sőt, a TinkerCAD ingyenes eszköze is alkalmas a feladatra, amelynek használatát már néhány, a 3D Tech Az Iskolában pályázatán nyertes oktatási intézmény be is vezetett az oktatásba. Az első prototípus kinyomtatása után, a modellt megvizsgálva még néhány változtatás szükséges volt, az illeszkedés pontossága a kis csapok miatt különösen fontos. Az asztali 3D nyomtatók tizedmilliméteres pontosságát is figyelembe kell venni az illesztéseknél, néhány tized milliméteres ráhagyást célszerű hagyni az összeilleszthetőséghez. A második prototípus a változtatásokkal már megegyezett az eredeti geometriával, így ezt legyártottuk a PLA mellett más, ellenálló műszaki műanyagokból is.
Egy másik nagyon hasonló feladat volt, amikor egy falsík mögé épített WC törött nyomólapját kellett pótolni. Itt is a 3D nyomtatás volt az egyetlen szóba jöhető technológia, hiszen a beépített WC gyártója már megszűnt, pótalkatrészt nem lehetett kapni hozzá, az új WC beépítése új burkolással és szigeteléssel, valamint gipszkarton szereléssel járt volna együtt, akár százezres nagyságrendben. A törött nyomólap itt is megragasztásra került, sőt, a mérésekkel készült 3D modell még utólagos megerősítést is kapott a hozzáadott merevítőbordák által. Szinte napi rendszerességgel merülnek fel hasonló problémák a legtöbb háztartásban, és biztos csak nagyon keveseknek jut eszébe, hogy a 3D nyomtatás és 3D modellezés, valamint a 3D szkennelés és a reverse engineering megoldást nyújthat a lehetetlennek tűnő feladatokra is. Régen ugyanis még nagyon drága volt a technológia, az FDM eljárással dolgozó 3D nyomtatók azonban mára már elérhetővé váltak mindenki számára, ráadásul a különleges, műszaki PLA alapanyagok rendkívül erős nyomtatásokat tesznek lehetővé, így egyedileg gyárthatunk velük funkcionális, erős darabokat készülékeink alkatrészeinek pótlására.
Anyagok és nyomtatási paraméterek: ABS és ASA
Egy Voron nyomtató alkatrészeit ABS-ből vagy ASA-ból „kell” kinyomtatni, hiszen így lesz alkalmas maga is, ABS nyomtatására. Önköltségi áron megrendelhetőek a funkcionális alkatrészek, amik szükségesek ahhoz, hogy működőképes legyen a nyomtató. A PiF (Parts in Frame) program keretében jelentkezési sorrendben teljesítik a rendeléseket, jelenleg 38-an várakoznak és havonta 22 megrendelés teljesül. Készítőnek is lehet jelentkezni, instrukciókat is adnak a kivitelezéshez, és a nyomtatás minőségét is ellenőrzik az első alkalommal. Nincs túl sok alkatrésze a nyomtatónak, és ezek nem is túl nagy méretűek.
Az ABS nyomtatás sikerének titka a zárt nyomtatási tér. Ideiglenesen viszont sokkal egyszerűbb megoldásokat is választhatsz. A modellek 0,2mm rétegvastagsághoz és 0,4mm-es nozzle átmérőhöz lettek tervezve. Négy réteg falvastagságot és minimum öt alsó és felső réteget ajánlanak a nyomtatáshoz. Infill-re minimum 40%-ot mondanak, de sok esetben nem az infill-től lesz erősebb a tárgy, több értelme van a falak vastagságát növelni. A hűtést mindenképpen kapcsold ki! Ha így is előfordul vetemedés és nem marad lent a tárgy széle a tálcán, akkor megpróbálhatod a Brim használatát. Ha ez is kevés, akkor próbálkozhatsz azzal is, hogy a tárggyal együtt nyomtatsz egy huzat elleni védő falat.
ABS és ASA nyomtatása közben egészségre káros anyagok kerülnek a levegőbe! Ha lakásban nyomtatsz, akkor mindenképpen szellőztess közben és lehetőleg nyomtatás alatt ne maradj végig egy szobában a nyomtatóval. Ezzel kapcsolatban fontos tudni, hogy a káros anyagok mennyisége a hőmérséklet emelkedésével szintén növekszik. Ezt érezni is lehet, magasabb hőmérsékleten kimondottan kellemetlen szagot áraszt az ABS, de a hőmérséklet csökkentésével ez akár meg is szűnhet. Sajnos nem triviális a helyzet, ugyanis a túl alacsony hőmérséklet gyengíti a rétegek összetapadását. Ez ASA esetében kimondottan jellemző, előfordulhat, hogy látványra jól sikerültnek tűnik az eredmény, de könnyen eltörhető a tárgy. Ezért a két szempontot figyelembe véve kell kikísérletezni azt a legalacsonyabb HotEnd hőmérsékletet, amin megfelelő az eredmény szilárdsága. Készíts próbanyomtatásokat és kritikusan vizsgáld meg az eredményt, próbáld eltörni a rétegek mentén! Ha emeled a tálca hőmérsékletét, akkor javíthatod a tapadást, de ha túl magas a hőmérséklet, akkor „elfolynak” az alsó rétegek és az úgynevezett elefánt talp hiba jelentkezik.
Elvileg az ASA kevésbé vetemedik mint az ABS, és mivel minden más tulajdonságában is megfelel a feladatra, ezért logikus lehet ezt választani. Viszont ABS-ből rengeteg spécibb változatot forgalmaznak, ezek legtöbbje éppen azt ígéri, hogy kevésbé kényesek a nyomtatás során, mint a „hagyományos” ABS. Érdemes kísérletezni különböző gyártók, különböző termékeivel. A fájlnevekben szereplő [a] prefix jelzi a „színes” alkatrészeket, persze ehhez nem muszáj ragaszkodni. Vásárolhatunk készen ABS paneleket, de annyira kicsi a Voron0, hogy a panelek ráférnek például a Prusa Mk3 tálcájára, így ki tudjuk nyomtatni őket. Nem csak a spórolás miatt merülhet ez fel, praktikusabb, vagy esztétikusabb megoldásokat is választhatunk ilyen módon. A panelek DXF vázlatai elérhetőek a GitHub-on.
Alsó panelből ez a változat tetszik a legjobban: Deck_Panel_inserts_logo. Az alap modellben csak lukak vannak a rögzítési pontokon, így távtartók kellenek a vezérlőhöz és a tápegységhez, és átmenő csavarok is csúfítják a panelt felülről. Ez a változat insert nutok segítségével igényesebben oldja meg az elektronikák rögzítését alul. A képen látható nyomtatás úgy készült, hogy a piros anyag a nyomtató színes alkatrészeivel megegyező ABS+, míg a fekete PETG. Készítettem egy hatszögekkel díszített MidPanelt, amit menet közbeni filament cserével látványos módon lehet kinyomtatni két színnel. Az ajtó sarkait és a fogantyút kétoldalú ragasztóval lehet felragasztani, de ez nem a legigényesebb megoldás. A lábak magassága talán túlzottan ki van számolva. Ha a kész nyomtató fix helyen lesz, akkor talán nincs sok jelentősége, de nekem szerelés közben is nagy segítségemre volt, mikor az elektronikák szereléséhez ide-oda forgattam, oldalára döntöttem a nyomtatót.
A 3D nyomtatás szilárdsága és gazdaságossága
X-Y síkban (ez a rétegekkel párhuzamos sík) a 3D nyomtatott munkadarab ugyanolyan erős, mint egy fröccsöntött alkatrész, azonban egyes technológiáknál (FDM/FFF) a Z irány jellemzően gyengébb szokott lenni. Azonban ez nem azt jelenti, hogy nem használhatók nagy erőhatásokkal szemben műanyag alkatrészek. A megfelelő ellenállóképesség előállításához jó technológiát kell választani, illetve ha csak adott technológiát alkalmazhatunk, akkor az alkatrész elhelyezésével lehet trükközni. FDM technológiával (ideális környezetben) körülbelül 20%-ot veszít az anyag a mechanikai tulajdonságokkal szemben való ellenállóképességéből.
Lényegében a fém 3D nyomtatást tekinthetjük egyfajta hegesztésnek is. Ilyenkor az alkalmazott fémpor összeolvad, így egy homogén munkadarabot alkot, így az tisztább anyagminőség alakul ki mint egy öntött/kovácsolt munkadarabnál, mivel azokban előfordulhatnak zárványok, szennyeződések. Sajnos, az állítás, miszerint a 3D nyomtatás drága, meglehetősen szubjektív. Egyes esetekben lehet a 3D nyomtatás drága (például több ezres darabszámoknál már célszerű lehet fröccsönteni) néhány esetben viszont olcsó (például egy-két darab egyedi gyártásánál). A mennyiségen felül az alkatrész komplexitása, alapanyaga és a nyomtatási ideje is befolyásolhatja a nyomtatás költségét. Ugyan nagy darabszámú alkatrészeket nyomtatni gazdaságosan, de egy adott darabszám felett a fröccsöntés gazdaságosabbá válik. Természetesen a forgácsolási műveleteket sem lehet elfelejteni, ugyanis egy menet elkészítése nem célszerű additív gyártási eljárással.
Ipari megoldások és a jövő
A Renishaw rendszereket gyárt és megoldásokat kínál az additív gyártás (AM) számára. A Renishaw magas színvonalú fémipari additív gyártórendszerek piacvezető gyártója, amely egyben egyedi igények szerinti megoldásokat is kínál. Additív gyártórendszereket terveznek és építenek, amelyekkel számos fémből lehet alkatrészeket előállítani, az ún. fémporágy fúziós (vagy lézer szinterezéses) folyamattal. Folyamatfejlesztési szakértelmüknek, valamint a technológia saját gyártási műveleteinkben történő alkalmazása révén szerzett tapasztalatunknak köszönhetően kulcsrakész és optimalizált additív gyártási megoldásokat nyújtanak számos területen az ipari és egészségügyi ágazatokban.
Támogatási központok biztosítanak egyenes utat az innovatív additív gyártáshoz (AM). A fémipari additív gyártástechnológia segítségével a fém alkatrészek a hagyományos szerszám- és gépi háttér nélkül, sokkal kevesebb geometriai korlátozás mellett gyárthatók. Kiemelkedő előnyeik közé tartozik a teljesítmény, mely az additív gyártás kimenetének előreláthatóságát javító eljárásokkal, a folyamatok egységességével és stabilitásával jár együtt, növelve a termelékenységet és a legyártott alkatrészek működőképességi arányát. Fontos a biztonság is; a Renishaw-nak köszönhetően mindig biztos lehet benne, hogy olyan partnert választott, akinek berendezései és rendszerei a legszigorúbb szabványoknak és előírásoknak is megfelelnek, ezzel elősegítve, hogy az Ön módszerei és folyamatai megfelelő szintű védelmet biztosíthassanak. Az innovatív folyamatok révén az additív gyártástechnológiai (AM) eljárásaik rácsszerkezetek előállítását is lehetővé teszik, ahogyan alkalmasak könnyített alkatrészek gyártására, a folyadékáramlást optimalizáló komplex belső kamrák kialakítására, és AM-eljárással való gyártáshoz optimalizált tervezésre is (a topológiai optimalizálással együtt).
A Raise E2 3D nyomtató egy IDEX rendszerrel felszerelt, korunk ipari szintű elvárásainak megfelelő, ugyanakkor sokoldalú és megbízható készülék. Az IDEX rendszer nemcsak lehetővé teszi komplex modellek nyomtatását, illetve a kapacitás megduplázását, de kiváló alapot képez oktatási célokra is. A két, egymástól független mozgásra képes extruder szinte az összes olyan funkció felett rendelkezik, melyeket elvárhatunk korunk legfejlettebb asztali 3D nyomtatójától. A készülék így ipari felhasználás mellett kiválóan alkalmas oktatási célokra, illetve oktatási intézmények számára is (iskolák, főiskolák, egyetemek, szakintézmények stb.). A Raise E2 3D nyomtató teljesen zárt, légszűrős rendszerével nemcsak a megbízható nyomtatási folyamatot, illetve modellminőséget garantálja, de megfelel a biztonsági és egészségvédelmi elvárásoknak is. Az innovatív asztalfűtésnek, illetve az akár 300 °C-os üzemi hőmérsékletű extrudereknek köszönhetően a Raise E2 3D nyomtatóval alapanyagok igen széles spektruma nyomtatható.
Ez az állítás inkább jellemző az otthoni, hobbi gépekre, mintsem az ipari gépekre. Az alkalmazott technológia ugyan befolyásolja, hogy egy vagy több anyagot akarunk használni (például porágyas technológiák esetén nem lehetséges a több anyag), viszont így is lehetőség van az igények kielégítésére. FDM technológiánál gyakran alkalmaznak két nyomtatófejet, ahol az egyik modell anyagot a másik támasz anyagot nyomtat.
3D nyomtatási szolgáltatások
Szíves figyelmükbe ajánljuk 3D nyomtatási megoldásainkat kiemelten alkatrészek, tokok, burkolatok, makettek, anyák, rendezők, prototípusok reprodukálása kapcsán. Költséghatékonyság: Büdzsébarát gyártási megoldások vállalatok és kkv-k számára. Költségmegtakarítás gyors gyártási idővel! Egyedi üzleti megoldások: Képzelje el, hogy milyen hatékony lehet a termékfejlesztés vagy gyártás a 3D bérgyártási szolgáltatásainkkal! Személyre szabott lehetőségek: Egyedi igényekre szabott 3D alkatrész gyártás. Mi megvalósítjuk Önnek a legjobb minőségben és hatékonyan! Innovatív technológia és minőség: Legújabb technológiák, kiváló minőség. Válassza szolgáltatásainkat és lépjen egy új dimenzióba a 3D nyomtatás révén. Kiemelkedő tapasztalat és szakértelem: Bízza ránk a legbonyolultabb projekteket is! Környezettudatosság és fenntarthatóság: Környezetbarát 3D nyomtatás. Örömmel állunk szíves rendelkezésedre!
tags: #3d #nyomtato #alkatresz #ver #áttekintés