Τρισδιάστατη Εκτύπωση 3D-Printing

Transcript

1 Τρισδιάστατη Εκτύπωση 3D-Printing

2 Ταχεία Παραγωγή (Πρωτοτυποποίηση) (Rapid Prototyping, RPT) Τρισδιάστατη Εκτύπωση (3D-Printing) Νέα τεχνολογία κατασκευής μοντέλων στρώµαστρώµα (layer by layer) Προσθετική κατασκευή. Το RPT έχει καθιερωθεί να περιγράφει τις νέες τεχνολογίες που κατασκευάζουν μοντέλα προσθέτοντας υλικό και όχι αφαιρώντας. Πάνω από 30 διαδικασίες (μερικές υπό εξέλιξη) Η πρώτη εµπορική διαδικασία παρουσιάστηκε στην Έκθεση Autofact στο Detroit, το Νοέµβριο του 1987, από την εταιρεία 3D Systems Inc

3 Ταχεία Παραγωγή Τεχνολογίες Ταχείας Παραγωγής Πρώτη ύλη : Υγρό Πρώτη ύλη: σε κόκκους Πρώτη ύλη: Στερεό Στερεολιθογραφία / Stereolithography (SL) Solid Ground Curing (SGC) Επιλεκτική Σύντηξη (Συσσωμάτωση) με Laser / Selective Laser Sintering, (SLS) 3Δ-Εκτύπωση / 3D-Printing Συγκόλληση Επάλληλων φύλλων με Laser / Laminated Object Manufacturing, (LOM) Μέσω Εναπόθεσης Τήγματος / Fused Deposition Modeling, (FDM)

4 Διαδικασία Ταχείας Παραγωγής 1 2 Σχεδιασμός 3D σχεδίου στον υπολογιστή (CAD) Μετατροπή του CAD σε αρχείο STL 3 Τεμαχισμός της εικόνας με κατάλληλο λογισμικό σε λεπτές διατομές Επιλογή παραμέτρων (π.χ. πάχος διατομής) Πλέγμα στήριξης Προσανατολισμός Κατασκευή του αντικειμένου Αφαίρεση στηριγμάτων Καθαρισμός του αντικειμένου με διαλύτη Περαιτέρω έκθεση σε UV για σκλήρυνση Τελικό φινίρισμα 4 5

5 Στερεολιθογραφία / Stereolithography, SLA Την εφηύρε ο Charles Hall το 1984 και κατοχυρώθηκε το 1986 Πρώτες μηχανές από την εταιρεία 3D Systems στη Valencia της Καλιφόρνιας (ΗΠΑ) το 1988 και μέχρι σήμερα είναι η επικεφαλής της αγοράς uds.com com/blog/an-intro-toour-3d-printingtechnologiesstereolithography/ ms.com/

6 Στερεολιθογραφία

7

8 Στερεολιθογραφία/ Διαδικασία στον Εκτυπωτή Αρχικά, ο ανελκυστήρας βρίσκεται σε µια απόσταση από την επιφάνεια του ρευστού ίση µε το πάχος του πρώτου στρώµατος ( mm). Η ακτίνα laser (HeCd, 325nm) σαρώνει την επιφάνεια. Το φωτοπολυµερές µε τις υπεριώδης ακτίνες laser στερεοποιείται. Ο ανελκυστήρας μετακινείται προς τα κάτω και µε την ίδια διαδικασία παράγεται το επόµενο επίπεδο. Στο τέλος το µοντέλο αφαιρείται από το διάλυµα και το παγιδευµένο στο εσωτερικό του µοντέλου ρευστό, αφαιρείται σε ειδικό φούρνο. Μια δεύτερη ακτίνα laser χρησιµοποιείται για να επιβεβαιώνει ότι η επιφάνεια του ρευστού βρίσκεται στη σωστή θέση. Απαιτούνται υποστηρικτικές κατασκευές που αφαιρούνται συνήθως χειροκίνητα στο τέλος.

9 Φωτοπολυμερικά Υλικά Ακρυλικά Εποξειδικά Βινυλαιθέρες Πολυμερισμός ελευθέρων ριζών Υψηλή δραστικότητα Δεν έχουν καλή ακρίβεια (συρρίκνωση) Το οξυγόνο δρα ως αναστολέας + Σχετικά υψηλή ακρίβεια - Ταχύτητα/Κόστος Κατασκευής Χαμηλή ταχύτητα Φωτοπολυμερισμού Εύθραυστα Μεγάλη ακρίβεια, πιο σκληρά, πιο γερά (μικρότερες αλλοιώσεις της δομής) Δεν έχουν προβλήματα από την παρουσία οξυγόνου Ευαίσθητα στην υγρασία Κατιοντικός πολυμερισμός

10 Ακρυλικά Πολυμερισμός ελευθέρων ριζών Υψηλή δραστικότητα Δεν έχουν καλή ακρίβεια (συρρίκνωση) Το οξυγόνο δρα ως αναστολέας

11 Εποξειδικά Χαμηλή ταχύτητα Φωτοπολυμερισμού Εύθραστα Μεγάλη ακρίβεια, πιο σκληρά, πιο γερά (μικρότερες αλλοιώσεις της δομής) Δεν έχουν προβλήματα από την παρουσία οξυγόνου Ευαίσθητα στην υγρασία Κατιοντικός πολυμερισμός

12 Σήμερα χρησιμοποιούνται κυρίως εποξειδικά φωτοπολυμερή με μικρό ποσοστό ακρυλικού περιεχομένου Πολυλειτουργικά μονομερή Ακρυλικά πολυεστέρων (polyester acrylate), εποξειδικά ακρυλικά (epoxy acrylates), ακρυλικά ουρεθάνης (urethane acrylates), ακρυλικά αμινών (amino acrylates)

13 Πολυμερισμός

14 Επιλεκτική Σύντηξη (Συσσωμάτωση) με Laser / Selective Laser Sintering, SLS Την εφηύρε ο Carl Deckard στο Παν/μιο του Τέξας και κατοχυρώθηκε το 1989 Οι σόλες είναι κατασκευασμένες με SLS Πύργος αντιδραστήρα

15 SLS / Διαδικασία στον Εκτυπωτή

16 Επιλεκτική Σύντηξη (Συσσωμάτωση) με Laser / Selective Laser Sintering Μία ακτίνα laser λιώνει και στερεοποιεί διάφορα υλικά σε μορφή κόκκων Κύλινδρος «στρώνει» μια ποσότητα υλικού σε κόκκους κατάλληλου πάχους πάνω σε μία επιφάνεια Ένα laser εκθέτει το σχήμα της πρώτης διατομής Η επιφάνεια κατέρχεται και τοποθετείται εκ νέου σκόνη την οποία στρώνει ο κύλινδρος Το laser εκθέτει την επόμενη διατομή στερεοποιώντας την πάνω στην πρώτη Η περίσσεια σκόνης λειτουργεί ως στήριγμα του αντικειμένου

17 Υλικά για SLS Πολυμερή, κερί, κράματα μετάλλων, κεραμικό, νάυλον (απλό ή ενισχυμένο) Ακρίβεια: 150μm Ποιότητα επιφάνειας: Μέτρια + Καλές Μηχανικές ιδιότητες υλικών - Ακριβή μέθοδος Η πιο «δύσκολη» μέθοδος

18 Συγκόλληση Επάλληλων φύλλων με Laser / Laminated Object Manufacturing, LOM Αναπτύχθηκε από την εταιρεία Helisys (ΗΠΑ), Πρώτο υλικό που χρησιμοποιήθηκε: το χαρτί htm

19 LOM / Διαδικασία στον Εκτυπωτή

20 LOM / Διαδικασία στον Εκτυπωτή Πρώτο φύλλο χαρτιού σε μία βάση Περνά από πάνω θερμαινόμενος κύλινδρος ώστε να κολλήσει το χαρτί στη βάση Λέιζερ «κόβει» το σχήμα της διατομής πάνω στο χαρτί και χαράζει μικρά τετραγωνάκια στο υπόλοιπο τμήμα Κατεβαίνει η βάση και τοποθετείται από πάνω από το πρώτο στρώμα νέο φύλλο Περνάει ο θερμαινόμενος κύλινδρος ώστε να κολλήσει στο πρώτο φύλλο Κόβεται με το λέιζερ το 2 ο φύλλο κτλ ώσπου να ολοκληρωθεί το αντικείμενο Στο τέλος επικαλύπτεται με χρώμα ή βερνίκι ώστε να μην προσβάλλεται και παραμορφώνεται από την υγρασία το αντικείμενο Τελικό αντικείμενο έχει την υφή ξύλου Αν χρησιμοποιηθεί ταινία κεραμικού υλικού ή μετάλλων υπό μορφή σκόνης το αντικείμενο πρέπει να υποστεί μία διαδικασία «σύντηξης» για την αύξηση της αντοχής του.

21 LOM Υλικά: Χαρτί, πλαστικό (μέταλλο) Ακρίβεια : 100 μm Ποιότητα Επιφάνειας: Καλή + Κόστος κτήσης, παραγωγής - Μηχανικές ιδιότητες υλικών, έντονο σκαλοπάτι Η μέθοδος με τις περισσότερες παραλλαγές

22 Εκτύπωση Μέσω Εναπόθεσης Τήγματος / Fused Deposition Modeling, FDM Αναπτύχθηκε από την εταιρεία Stratasys Δύο εκδόσεις: 1) Για γρήγορη κατασκευή μοντέλων για γενική ιδέα του σχεδίου και 2) για μία βραδείας κατασκευής για κατασκευή πρωτοτύπων ακριβείας Fab@home Model 2 (2009) An ORDbot Quantum 3D printer

23 FDM / Διαδικασία στον Εκτυπωτή

24 FDM / Διαδικασία στον Εκτυπωτή Ίνες θερμού πλαστικού εξέρχονται από μία κεφαλή η οποία κινείται στο επίπεδο x-y. Το υλικό έρχεται σε νηματώδη µορφή σε ένα καρούλι. Το νήµα σπρώχνεται µέσω θερμαινόμενων άκρων στο στόµιο καθώς κινείται και εξωθείται Αρχικά η κεφαλή εναποθέτει λεπτές στρώσεις του υλικού πάνω σε μία βάση από αφρώδες υλικό Η βάση βρίσκεται σε χαμηλότερη θερμοκρασία οπότε το υλικά στερεοποιείται γρήγορα Η βάση κατέρχεται και η κεφαλή εναποθέτει 2 ο στρώμα πάνω στο πρώτο Η διαδικασία συνεχίζεται μέχρι να ολοκληρωθεί το αντικείμενο

25 FDM / Υλικά ΑΒS (Acrylonitrile butadiene styrene) Πολυκαρβονικά Πολυαμίδιο Πολυαιθυλένιο Πολυπροπυλένιο Υλικά που χρησιμοποιεί η εταιρεία Stratasys

26 FDM Υλικά: Πλαστικό (περ. ΑBS), κερί, μέταλλο Ακρίβεια : 100 μm Ποιότητα Επιφάνειας: Μέτρια + Ιδιότητες υλικών, Ευκολία χρήσης - Ακρίβεια Η πιο καθαρή μέθοδος

27 Solid Ground Curing, SGC Αναπτύχθηκε από την εταιρεία Cubital (σύστηµα SOLIDER) Παραλλαγή της στερεολιθογραφίας, µε σηµαντικά διαφορετική διαδικασία

28 SGC / Διαδικασία στον Εκτυπωτή 1. Επικάλυψη με φωτοευαίσθητη ρητίνη 4. Απομάκρυνση της μη εκτεθειμένης ρητίνης και στερεοποίηση της εκτεθειμένης Τελικό προϊόν 2. Δημιουργία φωτομάσκας με την μέθοδο ionographic printing της Cubital 5. Εναπόθεση κεριού για κάλυψη των κενών 3. Έκθεση της ρητίνης μέσω της φωτομάσκας 6. Λείανση της επιφάνειας

29 SGC / Διαδικασία στον Εκτυπωτή Υλικά: Solimer Resin (εποξειδική ρητίνη) Γρήγορη μέθοδος Δεν χρειάζεται περαιτέρω κατεργασία το τελικό προϊόν Το κερί υποστηρίζει το προϊόν Δεν είναι τόσο διαδεδομένη αλλά κερδίζει έδαφος γιατί έχει + Υψηλή απόδοση + Μεγάλες κατασκευές - Πολλά απόβλητα