1

Rapid prototyping and manufacturing (RPM)

Curs 11

Reprezinta o alta modalitate fata de NC prin care un model geometric (CAD) este fabricatAceste procese au mare avantaj ca realizeaza prototipul intr-un singurpasExcelent in comunicarea vizuala a ideiilorTestarea proiectuluiRapid cu costuri reduseSinonime: Solid Freeform Fabrication, Computer automated manufacturing, sau layered manufacturing.

Rapid Prototyping (1986) Rapid Tooling (1995) Rapid Manufacturing (1998)

2

RPM vs. prelucrarea clasica (NC)Rapid

PrototypingProcese de masinare

CaracteristicileproceselorCaracteristicile interne ale modeluluiRezistentacomponentelorTimpi de productie

Procese aditive Procesesubstractive

Complicate Geometrice

Scazuta Ridicata

Redusi Mari

3

Tehnologii utilizate in RPMPolimerizarea rasinilor adecvate sub actiunealaserelor, altor surse de lumina sau lampiSolidificarea selectiva a particulelor solide saupulberi sub actiunea razelor laserCombinarea particulelor lichide sau solide prin lipiresau sudareTaierea si laminarea materialelor sub forma de foliiTopire si resolidificare

4

StereolithographyStabilizeaza rasinafotopolimerizanta intr-o cuvaastfel incat sa nu existe valuriCreaza structura de rezistenta, suport, a pieseiExpune suprafata lichidului uneiradiatii UV pentru solidifcareazonelor doriteCoboara rasina solidificata in cuva la o distanta egala cu grosimea stratului creat anterior. Acest strat va fi acoperit cu un strat proaspat de rasina lichidaCreaza o noua structura de rezistenta, suport, a piesei dacaeste cazulAplica aceiasi radiatie zoneicorespunzatoare noului stratRepeta procesul pana se obtineforma finala

•Exemple de structura de rezistenta sau suport a piesei

5

Procesul RPM

1. Creearea unui model CAD

2. Conversia modelului CAD in format STL

3. Pre-procesarea modelului STL

4. Felierea modelului STL cu sectiuni de grosime foartemica

5. Constructia modelului fizic din straturi succesive

6. Curatarea si finisarea modelului

6

1. Constructia modelului CADModel solid

2. Conversia modelului CAD in format STLDe ce STL?

Corectarea erorilor3. Pre-procesare

Marime

Pozitionare

Orientare

Structura auxiliara

Source : The Penn State Learning Factory

Procesul RPM

7

4. Felierea modelului STL cu sectiuni de grosime foartemica (grosimea tipica 0.15 mm)

5. Constructia modelului fizic din straturi succesive

Procesul RPM

8

6. Curatarea si finisarea modeluluiProcesul RPM

9

Tehnici RPM

Stereolithography (SL)Laminated Object Manufacturing (LOM)Selective Laser Sintering (SLS) Fused Deposition Modeling (FDM)Solid Ground Curing (SGC)Ink-Jet Printing (3D printing)

10

Stereolithography (SL)

• 3D Systems’, Valencia, CA• patent 1986, inceputurile RP• fotopolimerizare folosind laser UV• rasini epoxi, acrylati• acuratete < 50 microns

11

Laminated Object Manufacturing (LOM)

Helisys, Torrance, CApatent 1988Taieturi in sectiuni transvesalehartie, plastic acuratete 0.1 mm

12

LOM

13

Selective Laser Sintering (SLS)DTM, Austin, TXpatent 1989, Carl Deckard (teza de master)Fuzionarea pulberilor polymerizante sub actiunea unui laser CO2acuratete 160 micronspolycarbonate, nylon, wax, glass-filled nylon,pudra metalica sau ceramica

14

Selective Laser Sintering (SLS)Pudra sinterizanta este invelita cu un strat foarte subtirede rasina termoplastica cu punct de topire foarte ridicatUn laser CO2 trece peste zonele ce trebuie solidficateCand laserul atinge pudra, rasina se topeste producandlipirea pudrei in zona de impactPlatforma se coboara si un nou strat de pudra se imprastie peste stratul solidificatProcesul se repetaIn final rezulta un model solidificat iar pudra ramasa se poate indeparta si reutilizaModelul este incalzit intr-un cuptor la o temperaturasensibil mai mica decat punctul de topire al pudreimetalice. La aceasta temperatura rasina arde si pudrametalica se combina datorita difuziei intr-o forma solida

15

Selective Laser Sintering (SLS)

16

• Stratasys, Eden Prarie, MN• patent 1992• fibra extrudata ghidata robotic (vectorial)• acuratete 375 microns• ceara si rasini turnabile saumasinabile, polyolefin, ABS

FilamentRole

Directie de deplasare

Fused Deposition Modeling (FDM)

17

FDM

18

Similara SL dar creaza intregul strat in acelasi timp.Rasina fotorezistiva este pulverizata peste platforma.Masina creaza o masca a stratului ce este tiparita folosindun proces electrostatic asemanator fotocopiatoarelor pe o placa de sticla deasupra platformei.Masca este expusa radiatiei UV ce trece prin portiuniletransparente pentru a intarii selectiv forma stratului curentDupa intarirea stratului masina aspira rasina lichida in exces si umple spatiile goale cu ceara in loc de suport al modeluluiSuprafata superioara este frezata plan si procesul se repeta.La inceierea procesului ceara este inlaturata cu ajutorulunui solvent

Solid Ground Curing (SGC)

19

Solid Ground Curing (SGC)

20

3D Printing3D Printing, tehnologie dezvoltata de MIT.Componentele sunt construite deasupra unei platforme situata intr-ocuva plina cu material sub forma de pulbere.Un cap de tipul celui de la imprimata cu cerneala “tipareste” selectivcu liant zonele de pulbere ce trebuie unite.Pulberea care nu este incorporata in liant ramane sa sustina modelul.Platforma este coborata si procesul repetat.La terminare. partea solidificata este sinterizata si pulberea nefolositaeliminata.

21

3D Printing

22

Rapid ToolingAutomatic fabrication of production quality machine tools.Tooling is one of the slowest and most expensive steps in the manufacturing process.Tools often have complex geometries, high dimensional accuracy requirement.Tools must be hard, wear-resistance, and have very low surface roughness.Molds and dies are traditionally made by CNC-machining, electro-discharge machining, or by hand.Rapid Tooling can reduce the tooling costs and development times - >reduced by 75%

23

Rapid Tooling v.s. Indirect ToolingRP parts are used as patterns for making molds and dies.

Vacuum Casting, Sand Casting, Investment Casting and Injection molding.

Rapid Tooling – Direct Tooling

Directly make hard tooling from CAD data.RapidTool: A process that selectively sinters polymer-coated steel pellets together to produce a metal mold.Direct AIM (ACES Injection Molding): A technique from 3D Systems in which stereolithography-produced cores are used with traditional metal molds.LOMComposite: Ceramic composite materials for LOM

24

Rapid ManufacturingAutomated production of salable products directly from CAD data.RM will never completely replace other manufacturing techniques, especially in large production runs where mass-production is more economical.For shorter production runs, RM is much cheaper, since it does not require tooling.Ideal for producing custom parts tailored to the user’s exact specifications. E.g. custom-fitted helmet, spacesuit gloves, tailored golf club grips….Products that simply cannot be made by subtractive or compressive processes. (objects with complex features, internal voids, and layered structures).

25

Formatul STLExemplu de fisier

Forma obiectului este definita de o retea de discretizare ce acopera toate fetele obiectuluiContine codonatele varfurilor si directia normaleifiecarui triunghi (conectivitatea nodurilor)Suprafele curbe sunt reprezentate doar cu aproximatieMarirea numarului triunghiurior imbunatatesteaproximarea dar cu costul un fisier mai mare

26

Exemplu de fisier STLsolid exemplu.stlfacet normal -1.000000 0.000000 0.000000outer loopvertex 140.502634 233.993075 -38.310362vertex 140.502634 229.424780 -38.359042vertex 140.502634 242.525774 -27.097848

endloopendfacetfacet normal 0.903689 0.004563 0.428166outerloopvertex 134.521310 273.427873 30.342009vertex 134.521310 308.505852 30.715799vertex 140.502634 334.576026 18.369396

endloopendfacetfacet normal -0.903689 0.004563 0.428166outer loopvertex 140.502634 334.576026 18.369396vertex 140.502634 294.929752 17.946926vertex 134.521310 273.427873 30.342009

endloopendfacet... ...

endsolid exemplu.stl

27

De ce format STL?Avantaje

Conversie simpla si rapida din formatul CAD. Tesselareaobiectului de cele mai multe ori este realizata de placavideoOrice geometrie 3D poate fi convertita intr-un model triangularizat datorita gamei largi de algoritmi de triangularizareAlgoritmii de feliere sunt simpli si eficienti necesitand doarprocesare setului de triunghiuri intersectati de felieImpartirea modelului STL in modele mai mici dacamodelul original este prea mare. Fisierul odata impartittrebuie verficat pentru validitate

28

DezavantajeFormatul STL este complicat si prezinta date redundante. Stocarea normalei fetelor este redundanta deoarece poate fiobtinuta din lista varfurilor sau elementelor prin accesareaacestora intr-o ordine specifica. Deasemenea coordonatelevarfurilor triunghiurilor pot apare in mai multe triunghiuriErori cauzate de de aproximarea cu triunghiuri in special ale fetelor curbeErori de trunchiere cauzate de lipsa informatiei topologice a modeluluiInsuficienta informatiei. Modelul 3D original este in general complet incorporand informatii utile legate de geometriatopologia si materiale. Aceasta informatie ar putea fi utila in determinarea directiei de contructie a modelului si a suportuluiacestuia

29

Corectarea erorilorUn model STL produs de un “Solid Modeling System” poateprezenta erori chiar daca modelul parametric original nu are astfel de erori.

•Goluri intre fete (gaps). Sunt in general cauzate de lipsaunor elemente triunghiulare din modelul STL. Nu se cunoaste care este interiorul sau exteriorul modelului

•Directia gresita a normalelor: normala la triunghurilemodelului STL poate fi orientata in directie gresitafata de normala modelului CAD

•Intersectie incorecta

•Structuri interne saupereti interiori: din cauzaerorilor se pot genera pereti interiori in procesulde inchidere a golurilor in modelul STL. Acestia pot crea discontinuitati in solidificarea materialului

30

Corectarea erorilor

Software pt corectarea fisierelor STL, 3-matic (Materialise), 3ds Max

31

Structura auxiliaraDe ce este necesar suportul?

Part

Suport