GORAN CUKOR ADITIVNA PROIZVODNJA R IJEKA, 2011.
5/28/2018 Aditivna proizvodnja
1/18
GORAN CUKOR
ADITIVNA PROIZVODNJA
RIJEKA,2011.
5/28/2018 Aditivna proizvodnja
2/18
2
SADRAJ
1. UVOD............................................................................................................................... 3
2. STEREOLITOGRAFIJA............................................................................................... 7
3. SELEKTIVNO LASERSKO SINTERIRANJE........................................................... 9
4. PROIZVODNJA LAMINIRANIH OBJEKATA....................................................... 11
5. TALOENJE RASTALJENOG MATERIJALA...................................................... 13
6. 3D PRINTANJE............................................................................................................ 15
LITERATURA................................................................................................................... 18
5/28/2018 Aditivna proizvodnja
3/18
3
1. UVOD
Tehnologije izrade dodavanjem podrazumijevaju itav niz proizvodnih postupaka
kojima se dodavanjem i vezivanjem materijala sloj po sloj (sl. 1.1) izrauju fiziki objekti
direktno iz CAD (engl. Computer Aided Design) izvora podataka. Postupci izrade
dodavanjem se bitno razlikuju od konvencionalnih postupaka izrade, npr. tokarenja i
glodanja, kod kojih se objekti oblikuju mehanikim oduzimanjem (skidanjem) vika
materijala.
Slika 1.1.Izrada objekta dodavanjem materijala
Do nedavno su se tehnologije izrade dodavanjem koristile samo za brzu izradu
prototipova (RP engl.Rapid Prototyping), zatim i za brzu izradu alata (RT engl.Rapid
Tooling), a posljednjih se godina sve vie etablira brza izrada funkcionalnih proizvoda
(RM engl. Rapid Manufacturing). Danas se najee upotrebljava naziv aditivna
proizvodnja (AM engl. Additive Manufacturing) koji ukljuuje sve tri prethodno
navedene tehnologije.
Metodologija svih procesa izrade dodavanjem je jednaka i sastoji se iz sljedeihosnovnih faza:
stvaranje STL file-a iz 3D CAD podataka i podjela na slojeve: Raunalnimodel objekta se oblikuje pomou jednog od brojnih CAD softverskih paketa kao
to su npr. I-DEAS, Catia, Solidworks, Pro/Engineer itd. Nakon toga slijedi
konvertiranje u STL standardni podatkovni format koji predstavlja 3D povrinu
nastalu kao sklop planarnih trokuta i podjela na slojeve (engl. slicing).
Radni stol
Debljina sloja
a) prije izrade b) nanos 1. sloja c) za vrijeme izrade d) nakon izrade
5/28/2018 Aditivna proizvodnja
4/18
4
stvaranje slojeva: Od najdonjeg prema najgornjem dok se ne dobije gotoviizradak (fizika interpretacija raunalnog modela).
naknadna obrada izratka: Nakon stvaranja izratka s njega se uklanja zaostali,neeljeni materijal, te se brusi ili polira kako bi se dobilo eljeno stanje povrine.
Aditivna proizvodnja se temelji na skoro svakom obliku poznatog materijala.
Tekuine koje mijenjaju svoje stanje u kruto koritenjem svijetla (fotopolimeri) formirale
su prvu generaciju praktinih strojeva (stereolitografija). Ubrzo su slijedile metode
temeljene na vezivanju prahova (selektivno lasersko sinteriranje), ekstrudiranju
termoplastika (oblikovanje taloenjem rastaljenog materijala), lijepljenju materijala ufolijama (proizvodnja laminiranih objekata) i mnogi drugi.
Aditivna proizvodnja u velikoj mjeri doprinosi proizvodnoj "filozofiji" saetoj u
maksimiproizvoditi jeftinije, kvalitetnije i bre, budui da omoguuje viestruko skraenje
vremena izlaska proizvoda na trite, smanjuje trokove usvajanja novog proizvoda (u
nekim sluajevima sloenih dijelova i alata ak i do 60-80% [1]) i poveava kvalitetu
izrade novog proizvoda. Ona je s obzirom na sloenost oblika, veliinu dijela i vrijeme
izrade isplativija od usporedivih konvencionalnih proizvodnih tehnologija kada je oblikdijela sloeniji, manjih dimenzija i kada je potrebno izraditi vrlo sloene oblike u vrlo
kratkom vremenu (sl. 1.2).
Slika 1.2.Konvencionalna CNC tehnologija vs. aditivna proizvodnja (AM)
Sloenost Sloenost
Trokovi VrijemeAM
CNC glodanje
VBO glodanje
5/28/2018 Aditivna proizvodnja
5/18
5
Aditivna proizvodnja se koristi u mnogim granama industrije. Sl. 1.3 [2] prikazuje
koliki udio pripada pojedinoj grani. Vidljivo je kako najvei udio zauzimaju proizvodi za
kupca (izrada cipela i tenisica za pojedinca, naoala, opreme za ronjenje itd.) iautomobilska industrija (izrada dijelova dijelovi ovjesa, mjenjaka kutija, upravljaki
mehanizam, spojke, izrada kalupa za odljevke od titana sloenih oblika itd., trkaih
automobila i bolida Formule 1 te izrada dijelova za antikna vozila kojih vie nema na
tritu). Nakon tih grana slijede medicina (izrada elemenata za ispravljanje zubi, slunih
aparata, implantata itd.), strojogradnja, industrija zrakoplova i svemirskih objekata (izrada
dijelova space shuttle-a i svemirskih postaja, borbenih zrakoplova F-18 i komercijalnih
zrakoplova), akademske institucije, vojna industrija te ostalo.
Slika 1.3.Zastupljenost aditivne proizvodnje u pojedinim granama industrije [2]
Najzastupljeniji postupci izrade dodavanjem klasificirani su na sl. 1.4, dok su u tab.
1.1 dani okvirni podaci o cijenama ureaja (strojeva) za aditivnu proizvodnju [3].
Medicina10,1%
Strojogradnja9,6%
Ostalo8,7%
Automobilskaindustrija
23,8%
Proizvodi zakupca25,5%
Industrijazrakoplova
8,6%
Vojnaindustrija
6,9%
Akademskeinstitucije
6,7%
5/28/2018 Aditivna proizvodnja
6/18
6
Slika 1.4.Klasifikacija najzastupljenijih postupaka aditivne proizvodnje
Tablica 1.1. Okvirni cjenovni podaci o AM ureajima (strojevima) [3]
AM postupci Okvirna cijena ureaja (EUR)Stereolitografija 150 000 390 000
Taloenje rastaljenog materijala x12 000 800 000
Proizvodnja laminiranih objekata x26 000 100 000
Selektivno lasersko sinteriranje 150 000 800 000
3D printanje x12 000 x65 000
Stereolitografija
AM POSTUPCI
Izrada tekuim
materijalima
Izrada prakastim
materijalima
Lijepljenje Ekstrudiranje1 komponentni 1 komponentni
+ vezivo
Selektivnolasersko
sinteriranje3D printanje
Proizvodnjalaminiranih
objekata
Taloenjerastaljenog
materijala
+ ostali
Izrada vrstim
materijalima
Fotopolimerizacija
5/28/2018 Aditivna proizvodnja
7/18
7
2. STEREOLITOGRAFIJA
Stereolitografija (SLA engl. Stereolitography) je prvi AM postupak koji je razvijen
1986. u tvrtci 3D Systems (USA). Kod SLA postupka svaki se sloj izrauje tako da se
skruuje samo onaj dio UV osjetljivog fotopolimera u tekuem stanju kojeg obasja voeni
laserski snop. Kada se jedan sloj skrutne, radna platforma se za tu debljinu pomakne prema
dolje. Sl. 2.1 prikazuje postupak stereolitografije, a tab. 2.1 prikazuje usporedne podatke
nekolicine SLA strojeva [3].
Slika 2.1.Stereolitografija
Tablica 2.1.Usporedni podaci za neke SLA strojeva [3]
Model SLA 5000 SLA 7000 Viper si
NamjenaDijelovi velikih
dimenzijaDijelovi velikih
dimenzijaIzrada preciznih
dijelovaRadna povrina (mm) 508 508 584 508 508 600 250 250 250
Tip lasera Nd: YVO4 Nd: YVO4 Nd: YVO4Valna duljina lasera (nm) 354,7 354,7 354,7
Izlazna snaga lasera (mW) 216 800 100
Oekivano trajanje lasera (h) 5000 5000 7500
Za svaki se slojradna platforma
pomie premadolje
Posuda
Tekuifotopolimer
Skruenidio
LaserSustavzrcala
Potpornji
5/28/2018 Aditivna proizvodnja
8/18
8
Prednosti SLA postupka:
I. visoka tonost 0,1 mm i dobra kvaliteta povrineII. polu-prozirni materijaliIII.potpuna automatiziranost
Nedostaci SLA postupka:
I. ogranieni broj upotrebljivih materijala (samo fotopolimeri)II. dijelovi slabijih mehanikih svojstavaIII.potrebni su potpornji koje naknadno treba uklonitiIV. esto je potrebno naknadno UV ovrivanje dijelova u peiV. fotopolimer je otrovan u tekuem stanjuVI. relativno visoki troak u usporedbi s ostalim AM postupci (odravanje, ienje)
SLA postupak se primjenjuje za izradu marketinkih prototipova, funkcionalnih
prototipova, uzoraka za vakuum lijevanje itd. Kao materijali za izradu dijelova se koriste
akrilne i epoksidne smole. Sl. 2.2 pokazuje neke primjere proizvoda izraenih
stereolitografijom.
Slika 2.2.Primjeri proizvoda izraenih stereolitografijom
5/28/2018 Aditivna proizvodnja
9/18
9
3. SELEKTIVNO LASERSKO SINTERIRANJE
Postupak selektivnog laserskog sinteriranja (SLS engl. Selective Laser Sintering)
patentiran je 1989. u USA. Kod SLS postupka laserski snop prolazi po sloju prakastog
materijala prethodno rasporeenog preciznim mehanizmom za valjanje i grije ga na
temperaturu neto niu od talita (temperatura sinteriranja) pri emu dolazi do selektivnog
povezivanja estica prakastog materijala i skruivanja. Podloga izraivanog dijela potom
se spusti za debljinu sljedeeg sloja i itav se proces sinteriranja ponavlja. Sl. 2.3 prikazuje
SLS postupak, a tab. 2.2 prikazuje usporedne podatke nekolicine SLS strojeva [3].
Slika 2.3.Selektivno lasersko sinteriranje
Tablica 2.2. Usporedni podaci za neke SLS strojeve [3]
Model EOS Eosint P395 Sinterstation Pro 230 Sinterstation HiQRadna povrina (mm) 340 340 620 550 550 750 381 330 457Debljina sloja (mm) od 0,06 do 0,18 oko 0,1 oko 0,076
Materijal Polimeri, metaliPoliamid,
SandFormTMZrPoliamid,
SandFormTMZr
LaserSustavzrcala
ValjakPrah
Za svaki se slojklip pomieprema gore Za svaki se sloj
klip pomieprema dole
Abrazivna
Dio
5/28/2018 Aditivna proizvodnja
10/18
10
Prednosti SLS postupka:
I. dijelovi najboljih mehanikih svojstava u usporedbi s ostalim AM postupcimaII. mogua primjena irokog raspona materijalaIII. mogue je relativno kratko proizvodno vrijeme (priblino 25 mm/h)IV. nisu potrebni potpornji jer viak praha podupire objektV. nije potrebno naknadno ovrivanje
Nedostaci SLS postupka:
I. loija kvaliteta povrineII. pri koritenju nekih materijala (osobito plastinih) potrebna je zatitna atmosfera
radi pojave otrovnih plinova tijekom sraivanja
III. dijelovi su manje detaljni od onih proizvedenih SLA postupkom zbog visokeradne temperature i velikog skupljanja
SLS postupak se primjenjuje za izradu funkcionalnih prototipova, kalupa za
lijevanje, EDM elektroda, alata za injekcijsko preanje, tvrdih alata itd. Kao materijali za
izradu dijelova se koriste prahovi od metala, keramike, poliamida, polistirena,
polikarbonata, elastomera Sl. 2.4 pokazuje neke primjere proizvoda izraenih selektivnim
laserskim sinteriranjem.
Slika 2.4.Primjeri proizvoda izraenih selektivnim laserskim sinteriranjem
5/28/2018 Aditivna proizvodnja
11/18
11
4. PROIZVODNJA LAMINIRANIH OBJEKATA
Postupak proizvodnje laminiranih objekata (LOM engl. Laminated Object
Manufacturing) je razvijen u tvrtci Helsys, a prvi je stroj prodan 1992. Preko sustava
upravljivih pominih ogledala (sl. 2.5) laserski snop izrezuje konturu objekta iz posebne
vrste folije namotane na valjku. Nakon toga preko povrine folije prelazi zagrijani valjak
koji aktivira vezivno sredstvo s njezine donje strane ime se izrezani sloj povezuje s
prethodnim. Tab. 2.3 prikazuje usporedne podatke nekih LOM strojeva [3].
Slika 2.5.Proizvodnja laminiranih objekata
Lee Laser
Zagrijanivaljak
Folija
Dostavni valjakValjak za namotavanjeostatka folije
Platforma
Proizvod
Otpadni
materijal
PozicioniranjeX-Y
5/28/2018 Aditivna proizvodnja
12/18
12
Tablica 2.3. Usporedni podaci za neke LOM strojeve [3]
Model Solido SD300 Pro LOM-1030 LOM SC800
Radna povrina (mm) 330 250 350 400 280 406 600 600 600Debljina sloja (mm) 0,168 od 0,106 do 0,2 od 0,178 do 0,356Materijal SolidVC, rigid PVC Papir, folija Papir, folija
Prednosti LOM postupka:
I. mogue su obrade glodanjem i buenjem kao u drvuII. vrlo dobra i prihvaena tehnologija za modelareIII.poslije 3DP najjeftiniji stroj u usporedbi s ostalim AM postupcimaIV. nema unutarnjih naprezanja (laser ree samo konturu)V. pogodna za velike objekte
Nedostaci LOM postupka:
I. tonost u smjeru z-osi je manja nego kod drugih AM postupakaII. ne mogu se izvoditi uplji objekti kao boce (ne moe se odstraniti viak
materijala)III. ako se koristi papir potrebno je naknadno lakiranje kako bi se izbjeglo upijanje
vlage koje moe promijeniti dimenzije
LOM postupak se primjenjuje od izrade kalupa za lijevanje do automobilske
industrije itd. Kao materijali za izradu dijelova se koriste papir, metalne i keramike folije.
Sl. 2.6 pokazuje neke primjere proizvoda izraenih LOM postupkom.
Slika 2.6.Primjeri proizvoda izraenih LOM postupkom
5/28/2018 Aditivna proizvodnja
13/18
13
5. TALOENJE RASTALJENOG MATERIJALA
Prvi komercijalni sustav za taloenje rastaljenog materijala (FDM engl. Fused
Deposition Modeling) je izveden 1992. Smatra se kako je to, nakon stereolitografije,
najraireniji postupak. Na koloturi je namotana nit od polimernog materijala koja ulazi u
mlaznicu za ekstrudiranje. Mlaznica je grijana tako da u njoj dolazi do rastaljivanja
materijala. Cijeli proces nanoenja slojeva se odvija u komori u kojoj se odrava
temperatura tek neto nia od temperature talita polimernog materijala. Sl. 2.7 prikazuje
FDM postupak, a tab. 2.4 prikazuje usporedne podatke nekih FDM ureaja [3].
Slika 2.7.Taloenje rastaljenog materijala
3-osni sustavs velikimbrzinama
Zagrijana
mlaznica
Nit
Platforma
Koloturas niti
5/28/2018 Aditivna proizvodnja
14/18
14
Tablica 2.4. Usporedni podaci za neke FDM ureaje [3]
Model Dimension SST Fortus 400mc Fortus 900mc
Radna povrina (mm) 203 203 305 355 254 254 882 588 882Debljina sloja (mm) od 0,178 do 0,33 od 0,127 do 0,330 od 0,171 do 0,318
Materijal ABSABS, PC-ABS, PC, PPSF /
PPSU, ULTEM 9085ABS, PC-ABS, PC, PPSF /
PPSU, ULTEM 9085
Prednosti FDM postupka:
I. brzo generiranje slojevaII. naknadna obrada nije potrebnaIII. relativno niska investicija u ureaj kao i niski trokovi odravanjaIV. materijali nisu otrovni
Nedostaci FDM postupka:
I. relativno mali broj komercijalno raspoloivih materijalaII. nuna je primjena potpornjaIII. neto loija dimenzijska stabilnostKao materijali za izradu prototipova se koriste vosak, ABS, metakrilati. Sl. 2.8
pokazuje neke primjere proizvoda izraenih FDM postupkom.
Slika 2.8.Primjeri prototipova izraenih FDM postupkom
5/28/2018 Aditivna proizvodnja
15/18
15
6. 3D PRINTANJE
Postupak 3D printanja (3DP engl. 3D Printing) razvijen je na MIT-u, USA, a prvi
komercijalni printer se pojavio 1997. Kod 3DP postupka glava printera koja radi na ink-jet
principu taloi vezivnu otopinu po sloju prakastog materijala prethodno rasporeenog
preciznim mehanizmom za valjanje pri emu dolazi do selektivnog povezivanja estica
prakastog materijala. Podloga izraivanog dijela potom se spusti za debljinu sljedeeg
sloja i itav se proces ponavlja. Gotovi dijelovi mogu se dodatno zgusnuti i otvrdnuti
odgovarajuom toplinskom obradom koja slui za uklanjanje veziva, sinteriranje i
infiltriranje s nekim drugim materijalom. Sl. 2.9 prikazuje 3DP postupak, a tab. 2.5
prikazuje usporedne podatke nekolicine 3DP ureaja [3].
Slika 2.9.3D printanje
Vezivnaotopina
Glava printeras mlaznicom
ValjakPrah
Za svaki se slojklip pomieprema gore Za svaki se sloj
klip pomieprema dole
Dio
5/28/2018 Aditivna proizvodnja
16/18
16
Tablica 2.10. Usporedni podaci za neke 3DP ureaje [3]
Model Z-Print 310 Voxeljet VX500 Ex One R-1
Radna povrina (mm) 203 254 203 500 400 300 50,8 38,1 50,8
Debljina sloja (mm) od 0,089 do 0,203 od 0,1 do 0,15 od 0,05 do 0,2
Materijal silikatni sadrasti prahprakasti plastini
materijalinehrajui elik, bronca,
zlato
Prednosti 3DP postupka:
I. najbri AM postupakII. niski trokovi materijalaIII. mogunost izrade dijelova i sklopova sastavljenih od razliitih materijala s
razliitim mehanikim i fizikalnim svojstvima u jednom procesu printanja
IV. mogunost izrade u bojama
Nedostaci 3DP postupka:
I. ograniene dimenzije dijelaII. naknadna toplinska obrada za uklanjanje veziva, sinteriranje i infiltriranje
3DP postupak se primjenjuje za vizualizaciju dizajna, izradu funkcionalnih
prototipova, dijelova i alata. Kao materijali za izradu dijelova se koriste prahovi od
plastomera, te metalni, keramiki i kompozitni prahovi. Sl. 2.10 pokazuje neke primjere
proizvoda izraenih 3D printanjem.
5/28/2018 Aditivna proizvodnja
17/18
17
Slika 2.10.Primjeri proizvoda izraenih 3DP postupkom
5/28/2018 Aditivna proizvodnja
18/18
18
LITERATURA
[1] LII, B.: Brza izrada prototipa i dijelova. Bilten Razreda za tehnike znanosti
2(1999)1: Okrugli stol Suvremeni postupci i proizvodne koncepcije, Zagreb, 14.
svibnja 1998. / glavni urednik Dragutin Fle
[2] FILETIN, T., KRAMER, I., ERCER, M.: Brza izrada konstrukcijskih dijelova i
alata. FSB, Zagreb.
[3] MARII, S.: Optimizacija tehnolokih procesa izrade biokompatibilnih dijelova.
Disertacija, Tehniki fakultet Sveuilita u Rijeci, 2011.