Περιεχόμενα. 1 Εισαγωγή και βασικές αρχές 19

Transcript

1 Περιεχόμενα Πρόλογος 15 Ευχαριστίες 18 1 Εισαγωγή και βασικές αρχές Τι Είναι η Προσθετική Κατασκευή; Για ποιο σκοπό χρησιμοποιούνται τα αντικείμενα ΑΜ; Γενικά η διεργασία της ΑΜ Βήμα 1: CAD Βήμα 2: Μετατροπή σε Αρχείο STL Βήμα 3: Μεταφορά στη Μηχανή ΑΜ και Επεξεργασία του Αρχείου STL Βήμα 4: Προετοιμασία της Μηχανής Βήμα 5: Κατασκευή Βήμα 6: Αφαίρεση Βήμα 7: Μετεπεξεργασία Βήμα 8: Εφαρμογή Γιατί χρησιμοποιούμε τον όρο προσθετική κατασκευή (Additive Manufacturing); Αυτοματοποιημένη κατασκευή (Automated Fabrication - Autofab) Κατασκευή ελεύθερης μορφής ή κατασκευή ελεύθερης μορφής στερεού (FreeformFabrication or Solid FreeformFabrication) Προσθετική κατασκευή ή στρωματική κατασκευή (Additive Manufacturing or Layer-Based Manufacturing) Στερεολιθογραφία ή 3D εκτύπωση (Stereolithography or 3D Printing) Ταχεία πρωτοτυποποίηση (Rapid Prototyping) Τα οφέλη της ΑΜ Η διαφορά της ΑΜ από την κατεργασία CNC Υλικό Ταχύτητα Πολυπλοκότητα Ακρίβεια Γεωμετρία Προγραμματισμός Παράδειγμα κομματιών ΑΜ Άλλες συναφείς τεχνολογίες Τεχνολογία Αντίστροφης Μηχανικής Μελέτη με την βοήθεια Η/Υ - Computer Aided Engineering Απτικό CAD Το παρόν σύγγραμμα Ασκήσεις 34 Βιβλιογραφικές αναφορές 34 2 Η εξέλιξη της τεχνολογίας της προσθετικής κατασκευής Εισαγωγή Υπολογιστές Τεχνολογία Computer-Aided Design (CAD) Άλλες σχετικές τεχνολογίες Lasers Τεχνολογίες εκτύπωσης Προγραμματιζόμενοι λογικοί ελεγκτές (Programmable Logic Controllers) Υλικά Κατεργασία Computer Numerically Controlled Η χρήση των στρώσεων υλικού Ταξινόμηση των διεργασιών ΑΜ Συστήματα με πολυμερή υγρής κατάστασης Συστήματα με διακριτά σωματίδια Συστήματα με τηγμένα υλικά Συστήματα με φύλλα στερεού υλικού Νέες μέθοδοι ταξινόμησης της ΑΜ Συστήματα με μεταλλικά υλικά Υβριδικά συστήματα Ορόσημα στην ανάπτυξη της ΑΜ Η ΑΜ παγκοσμίως Ποιό είναι το μέλλον; Η ταχεία πρωτοτυποποίηση μετεξελίσσεται σε άμεση ψηφιακή κατασκευή Ασκήσεις 55 Βιβλιογραφικές αναφορές 56 3 Η αλυσίδα της γενικευμένης διεργασίας προσθετικής κατασκευής Εισαγωγή Τα οκτώ βήματα στην προσθετική κατασκευή Βήμα 1: Σύλληψη της ιδέας και CAD Βήμα 2: Μετατροπή σε αρχείο STL/AMF Βήμα 3: Μεταφορά στη μηχανή ΑΜ και διαχείριση του αρχείου STL Βήμα 4: Προετοιμασία της μηχανής Βήμα 5: Κατασκευή Βήμα 6: Απομάκρυνση και καθαρισμός 62

2 10 / Τεχνολογίες προσθετικής κατασκευής Βήμα 7: Μετεπεξεργασία Βήμα 8: Εφαρμογή Διαφοροποιήσεις από μία μηχανή ΑΜ σε άλλη Συστήματα που βασίζονται σε φωτοπολυμερή Συστήματα που βασίζονται σε πούδρα Συστήματα τηγμένου υλικού Φύλλα στερεού Συστήματα με μέταλλα Η Χρήση υποστρωμάτων Ενεργειακή πυκνότηταα Βάρος Ακρίβεια Ταχύτητα Συντήρηση εξοπλισμού Ζητήματα αναφορικά με τη διαχείριση υλικών Σχεδιασμός για ΑΜ Προσανατολισμός κομματιού Αφαίρεση των στηριγμάτων Κομμάτια με κοίλα τοιχώματα Ενσωμάτωση υποκοπών και άλλων κατασκευαστικών περιοριστικών χαρακτηριστικών Συνδετικά χαρακτηριστικά (Interlocking Features) Μείωση αριθμού κομματιών σε ένα συναρμολογημένο σύνολο Σήμανση/Αριθμοί αναγνώρισης Περιοχές εφαρμογών που δεν εμπλέκουν τη συμβατική μοντελοποίηση CAD Κατασκευή ιατρικών μοντέλων Δεδομένα αντίστροφης μηχανικής Κατασκευή αρχιτεκτονικών μοντέλων Περαιτέρω εξέταση Ασκήσεις 73 Βιβλιογραφικές αναφορές 74 4 Διεργασίες φωτοπολυμερισμού σε κάδο Εισαγωγή Υλικά της διεργασίας φωτοπολυμερισμού σε κάδο Φωτοπολυμερή UV-πολυμερισμού Επισκόπηση χημείας φωτοπολυμερών Συνθέσεις ρητίνης και μηχανισμοί αντίδρασης Σύστημα φωτοεκκινητή Συνθέσεις μονομερών Σχηματισμός αλληλοδιεισδύοντος πολυμερικού πλέγματος Ταχύτητες αντίδρασης Φωτοπολυμερισμός σε κάδο με σάρωση Laser Μοντελοποίηση διεργασίας φωτοπολυμερισμού Ένταση ακτινοβολίας (Irradiance) και έκθεση (Exposure) Αλληλεπίδραση Laser-Ρητίνης Φωτοταχύτητα (Photospeed) Χρονικές κλίμακες VP μηχανές διανυσματικής σάρωσης Μοτίβα σάρωσης (Scan Patterns) Φαινόμενα και σφάλματα στρωματικής κατασκευής WEAVE STAR-WEAVE Μοτίβο σάρωσης ACES Φωτοπολυμερισμός σε μικρο-κάδο με διανυσματική σάρωση Τεχνολογίες και διεργασίες VP προβολής με μάσκα Τεχνολογία VP προβολής με μάσκα Εμπορικά MPVP συστήματα MPVP μοντελοποίηση Πολυμερισμός δύο-φωτονίων σε κάδο Ωφελήματα και μειονεκτήματα της διεργασίας Σύνοψη Ασκήσεις 110 Βιβλιογραφικές αναφορές Διεργασίες σύντηξης πούδρας σε κλίνη Εισαγωγή Υλικά Πολυμερή και Σύνθετα (Composites) Μέταλλα και Σύνθετα (Composites) Κεραμικά και Σύνθετα Κεραμικών (Ceramic Composites) Μηχανισμοί Σύντηξης της Πούδρας Συσσωμάτωση Στερεάς Κατάστασης Χημικά Προκαλούμενη Συσσωμάτωση LPS και Μερική Τήξη Πλήρης Τήξη Κατασκευή Κομματιού Παράμετροι Διεργασίας και Μοντελοποίηση Παράμετροι Διεργασίας Συσχετίσεις της Προσδιδόμενης Ενέργειας και Μοτίβα Σάρωσης Διαχείριση της Πούδρας Ζητήματα Αναφορικά με τη Διαχείριση της Πούδρας Συστήματα Διαχείρισης της Πούδρας Ανακύκλωση της Πούδρας 136

3 Περιεχόμενα / Παραλλαγές Διεργασιών PBF και Μηχανές του Εμπορίου Συσσωμάτωση Πολυμερών με Laser Συστήματα με Βάση το Laser για Μέταλλα και Κεραμικά Τήξη με Δέσμη Ηλεκτρονίων Γραμμικές και Διαστρωματικές PBF Διεργασίες για Πολυμερή Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα της Διεργασίας Συμπεράσματα Ασκήσεις 149 Βιβλιογραφικές αναφορές Συστήματα εξώθησης υλικού Εισαγωγή Βασικές αρχές Τροφοδότηση με υλικό Ρευστοποίηση Εξώθηση Στερεοποίηση Σημειακός έλεγχος Συγκόλληση Δημιουργία στηριγμάτων Σχεδιογράφηση και έλεγχος διαδρομής κεφαλής Κατασκευή με εναπόθεση τηγμένου υλικού - FDM από τη Stratasys Τύποι FDM μηχανών Υλικά Περιορισμοί της FDM Βιοεξώθηση (Bioextruxion) Σχηματισμός γέλης Εξώθηση τήγματος Αρχιτεκτονική ικριωμάτων Άλλα συστήματα Διάπλαση περιγράμματος (Contour Crafting) Μη επίπεδα συστήματα (Nonplanar Systems) FDM κεραμικών Reprap και Fab@home Ασκήσεις 174 Βιβλιογραφικές αναφορές Εναπόθεση υλικού Εξέλιξη της εκτύπωσης σε διεργασία προσθετικής κατασκευής Υλικά για τη διεργασία εναπόθεσης υλικού Πολυμερή Κεραμικά Μέταλα Εναπόθεση μέσω διαλύματος και εναιωρήματος (Solution-and Dispersion-Based Deposition) Βασικές αρχές της επεξεργασίας υλικών Οι τεχνικές προκλήσεις της εναπόθεσης υλικού Τεχνολογίες σχηματισμού σταγονιδίων Συνεχής τύπος εναπόθεσης (Continuous mode) DOD τύπος εναπόθεσης Άλλες μέθοδοι σχηματισμού σταγονιδίων Μοντελοποίηση της διεργασίας εναπόθεσης υλικού Μηχανές εναπόθεσης υλικού Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της διεργασίας Σύνοψη Ασκήσεις 199 Βιβλιογραφικές αναφορές Εναπόθεση συγκολλητικής ουσίας Εισαγωγή Υλικά Υλικά που διατίθενται στο εμπόριο Κεραμικά υλικά που χρησιμοποιούνται στο ερευνητικό πεδίο Παραλλαγές της διεργασίας Μηχανές εναπόθεσης συγκολλητικής ουσίας Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της διεργασίας Σύνοψη Ασκήσεις 214 Βιβλιογραφικές αναφορές Διεργασίες επάλληλων φύλλων Εισαγωγή Συγκόλληση με κόλλα Διεργασίες τύπου συγκόλλησημετά-διαμόρφωση Διεργασίες τύπου διαμόρφωσημετά-συγκόλληση Υλικά Βασικές αρχές επεξεργασίας υλικών Θερμική συγκόλληση Σύσφιγξη μεταλλικών φύλλων Προσθετική κατασκευή με υπερήχους Ποιότητα συγκόλλησης UAM Βασικές αρχές διεργασίας συγκόλλησης μετάλλων με υπερήχους 227

4 12 / Τεχνολογίες προσθετικής κατασκευής Παράμετροι και βελτιστοποίηση της διεργασίας UAM Μικροδομές και μηχανικές ιδιότητες των κομματιών UAM Εφαρμογές της UAM Συμπεράσματα Ασκήσεις 237 Βιβλιογραφικές αναφορές Διεργασίες εναπόθεσης με κατευθυνόμενη ενεργειακή δέσμη Εισαγωγή Γενική Περιγραφή της DED Διεργασίας Τροφοδοσία Υλικού Τροφοδοσία Πούδρας Τροφοδοσία Σύρματος Συστήματα DED Διεργασίες Εναπόθεσης Μετάλλου με Laser Διεργασίες Εναπόθεσης Μετάλλων με Δέσμη Ηλεκτρονίων Άλλες διεργασίες DED Παράμετροι Επεξεργασίας Τυπικά Υλικά και Μικροδομή Σχέσεις μεταξύ Επεξεργασίας-Δομής- Ιδιοτήτων Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα της DED Ασκήσεις 258 Βιβλιογραφικές αναφορές Τεχνολογίες άμεσης εγγραφής Τεχνολογίες άμεσης εγγραφής Πλαίσιο ανάλυσης Διεργασίες DW με μελάνη Διεργασίες επίστρωσης με ακροφύσιο Διεργασίες τύπου πένας Διεργασίες inkjetεκτύπωσης DW αερολύματος DW μεταφοράς με laser DW θερμικού ψεκασμού DW εναπόθεσης δέσμης CVD με laser CVD εστιασμένης δέσμης ιόντων CVD δέσμης ηλεκτρονίων Άμεση εναπόθεση υγρής κατάστασης Προσεγγίσεις αποτύπωσης δέσμης στην προσθετική/αφαιρετική DW Αποτύπωση με δέσμη ηλεκτρονίων Αποτύπωση με εστιασμένη δέσμη ιόντων Αποτύπωση με δέσμη laser Υβριδικές τεχνολογίες Υβριδικές τεχνολογίες Ασκήσεις 277 Βιβλιογραφικές αναφορές Διεργασίες εναπόθεσης με κατευθυνόμενη ενεργειακή δέσμη Εισαγωγή Πνευματική ιδιοκτησία Ανατρεπτική καινοτομία Ριζικά νεωτεριστικές επιχειρηματικές ευκαιρίες Το ενδιαφέρον των μέσων ενημέρωσης Το κίνημα Maker Το μέλλον της ΑΜ χαμηλού κόστους Ασκήσεις 286 Βιβλιογραφικές αναφορές Οδηγίες για την επιλογή διεργασίας Εισαγωγή Μέθοδοι επιλογής κατασκευαστικής διεργασίας Θεωρία αποφάσεων Μέθοδοι προσδιορισμού εφικτότητας Μέθοδοι επιλογής Παράδειγμα επιλογής Προβλήματα και προκλήσεις της διαδικασίας επιλογής Παράδειγμα συστήματος για προκαταρτική επιλογή Προγραμματισμός και έλεγχος παραγωγής Προγραμματισμός παραγωγής Προεπεξεργασία Κατασκευή κομματιού Μετεπεξεργασία Σύνοψη Ανοικτά θέματα Ασκήσεις 307 Βιβλιογραφικές αναφορές Μετεπεξεργασία Εισαγωγή Αφαίρεση του υλικού των στηριγμάτων Μετεπεξεργασία των φυσικών στηριγμάτων Αφαίρεση των συνθετικών στηριγμάτων Βελτίωση της επιφανειακής υφής Βελτίωση της ακρίβειας Πηγές ανακρίβειας 314

5 Περιεχόμενα / Προεπεξεργασία του μοντέλου για αντιστάθμιση της ανακρίβειας Στρατηγική κατεργασίας Αισθητικές βελτιώσεις Προετοιμασία για χρήση σαν πρότυπο χύτευσης Πρότυπα χύτευσης ακριβείας Πρότυπα χύτευσης σε άμμο Άλλες μέθοδοι αναπαραγωγής με πρότυπα χύτευσης Βελτιώσεις ιδιοτήτων χρησιμοποιώντας μη θερμικές τεχνικές Βελτιώσεις ιδιοτήτων χρησιμοποιώντας θερμικές τεχνικές Συμπεράσματα Ασκήσεις 328 Βιβλιογραφικές αναφορές Θέματα λογισμικού προσθετικής κατασκευής Εισαγωγή Προετοιμασία των CAD μοντέλων: Το STL αρχείο Το πρότυπο STL αρχείου, δυαδικό/ascii Δημιουργία STL αρχείων, από CAD σύστημα Υπολογισμός του περιγράμματος της κατασκευαστικής στρώσης/διατομής Στοιχεία που εξαρτώνται από τη συγκεκριμένη τεχνολογία Προβλήματα των STL αρχείων Διαχείριση του STL αρχείου Απεικονιστές Διαχείριση του STL αρχείου στην ΑΜ μηχανή Πέρα από το STL αρχείο Απ ευθείας τεμαχισμός του CAD μοντέλου Έγχρωμα μοντέλα Πολλαπλά υλικά Χρήση του STL αρχείου για μηχανουργικές κατεργασίες Επιπρόσθετο λογισμικό για την υποβοήθηση της ΑΜ Επισκόπηση λειτουργιών λογισμικού Προσομοιώσεις ΑΜ διεργασίας χρησιμοποιώντας την ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων To πρότυπο αρχείου προσθετικής κατασκευής Ασκήσεις 350 Βιβλιογραφικές αναφορές Άμεση ψηφιακή κατασκευή Η εταιρεία Align Technology Οι εταιρείες Siemens και Phonak Εξατομικευμένη κατασκευή υποδήματος και άλλα παραδείγματα DDM Παράγοντες που ευνοούν την Άμεση Ψηφιακή Κατασκευή - DDM Παραγωγή έναντι πρωτοτυποποίησης Υπολογισμός κόστους Μοντέλο κόστους Μοντέλο χρόνου κατασκευής Παράδειγμα εφαρμογής σε διεργασία φωτοπολυμερισμού σε κάδο με laser Το κόστος σε όλο τον κύκλο ζωής του κομματιού To μέλλον της DDM Ασκήσεις 371 Βιβλιογραφικές αναφορές Σχεδιασμός για προσθετική κατασκευή Σκοπιμότητα Σχεδιασμός για παραγωγή και συναρμολόγηση Οι μοναδικές δυνατότητες της ΑΜ Πολυπλοκότητα μορφής Iεραρχικά διαβαθμισμένη πολυπλοκότητα Λειτουργική πολυπλοκότητα Πολυπλοκότητα του υλικού Κύριες έννοιες και αντικειμενικοί σκοποί του DFAM Πολύπλοκη γεωμετρική μορφή Ενσωματωμένα συναρμολογημένα σύνολα Εξατομικευμένη γεωμετρική μορφή Πολυλειτουργικές σχεδιαστικές λύσεις Κατάργηση των περιορισμών του συμβατικού DFM Διερευνώντας τις σχεδιαστικές ελευθερίες Ενοποίηση και ανασχεδιασμός κομματιών Ιεραρχικά διαρθρωμένες δομές Εφαρμογές βιομηχανικού σχεδιασμού Εργαλεία CAD για AM Οι προκλήσεις για το CAD Συστήματα CAD στερεάς μοντελοποίησης Τεχνολογίες CAD με δυνατότητες και προοπτικές Μέθοδοι σχεδιαστικής σύνθεσης Θεωρητικά βέλτιστες κατασκευές με μικρό βάρος 400

6 14 / Τεχνολογίες προσθετικής κατασκευής Μέθοδοι βελτιστοποίησης Τοπολογική βελτιστοποίηση Σύνοψη Ασκήσεις 406 Βιβλιογραφικές αναφορές Ταχεία κατασκευή εργαλείων παραγωγής Εισαγωγή Άμεση κατασκευή ένθετων μητρών με ΑΜ για χύτευση έγχυσης Ηλεκτρόδια EDM Χύτευση ακριβείας Άλλα συστήματα Εργαλεία διαμόρφωσης υπό κενό Εργαλεία χύτευσης χαρτοπολτού Καλούπια διαμόρφωσης σύνθετων υλικών Εργαλεία συναρμολόγησης και μετροτεχνικοί οδηγοί εργαλεία Ασκήσεις 419 Βιβλιογραφικές αναφορές Εφαρμογές προσθετικής κατασκευής Εισαγωγή Ιστορική αναδρομή Η αξία των φυσικών μοντέλων Λειτουργικές δοκιμές Ταχεία κατασκευή εργαλείων Η χρήση της ΑΜ σε ιατρικές εφαρμογές Χειρουργικά και διαγνωστικά βοηθήματα Ανάπτυξη προθέσεων/τεχνητών μελών Παραγωγή Δημιουργία τεχνητών ιστών και εκτύπωση οργάνων Λογισμικό υποστήριξης ιατρικών εφαρμογών Περιορισμοί στη χρήση της AM σε ιατρικές εφαρμογές Ταχύτητα Κόστος Ακρίβεια Υλικά Ευκολία χρήσης Περαιτέρω εξέλιξη των ιατρικών εφαρμογών της ΑΜ Εγκρίσεις Ασφαλιστική κάλυψη Τεχνική εκπαίδευση Χωροταξική διευθέτηση της τεχνολογίας Γραφεία παροχής υπηρεσιών Εφαρμογές στην αεροδιαστημική Χαρακτηριστικά που ευνοούν την AM Βιομηχανική παραγωγή Εφαρμογές στην αυτοκινητοβιομηχανία Ασκήσεις 440 Βιβλιογραφικές αναφορές Επιχειρηματικές ευκαιρίες και μελλοντικές κατευθύνσεις Εισαγωγή Τι είναι το νέο που έρχεται; Νέα είδη προϊόντων Νέοι τρόποι εταιρικής οργάνωσης Νέες μορφές εργασιακής απασχόλησης Digiproneurship 450 Συμπεράσματα Ασκήσεις 453 Βιβλιογραφικές αναφορές 453