Autor: Aleksander Karwiński, Stanisław Pysz 2008-08-21
Metoda szybkiego prototypowania (Rapid Prototyping System) wywodzi się ze Stanów Zjednoczonych. Ocenia się, że w 2004 roku na świecie było około 14 000 instalacji szybkiego prototypowania, w tym około 6 000 w USA. Powstało tam wiele firm, które oferują wykonywanie odlewów prototypowych z wykorzystaniem metod szybkiego prototypowania.
W Europie tematyka ta również jest rozwijana. Większość opracowanych urządzeń bazuje na metodach opracowanych w Stanach Zjednoczonych. Polska w stosowaniu tych metod stoi na początku drogi do ich przemysłowego wykorzystania.
Termin Rapid Prototyping System (system szybkiego prototypowania) jest ogólnie przyjętym określeniem zbioru technik służących do szybkiego i precyzyjnego wytwarzania jednostkowych wyrobów zgodnie z technologią addytywną, polegającą na budowaniu wyrobu warstwa po warstwie z określonego materiału.
Szybkie prototypowanie jest techniką pozwalającą optymalizować konstrukcję, ponieważ ułatwia komunikację pomiędzy fazami projektowania i wytwarzania. Lepsze pomysły, lepsze projekty, szybsze wykrywanie błędów – to wszystko jest możliwe dzięki tej technice. Rezultatem jest krótszy czas dostarczania gotowych produktów, przy lepszej jakości i niższych kosztach procesu przygotowania produkcji.
Wykorzystanie metod RPS w produkcji odlewów prototypowych to:
wykonywanie gotowych modeli odlewniczych dla metod odlewania precyzyjnego stosowanych bezpośrednio w procesie wytwarzania form odlewniczych;
wykonywanie oprzyrządowania do formowania w klasycznych formach piaskowych lub matryc do wykonywania modeli woskowych;
wykonywanie gotowych zestawów odlewniczych - form i rdzeni przeznaczonych wprost do zalewania ciekłym metalem.
Duża różnorodność technik szybkiego prototypowania, które są obecnie dostępne sprawia, iż istnieje
możliwość doboru optymalnej techniki
wykonania prototypowego odlewu. W dużej liczbie projektowanych urządzeń prototypowych mamy do czynienia z podzespołami, które są wykonywane jako odlewy. Przykładem może być nowy testowany silnik zawierający co najmniej kilka odlewanych części. Podobnie obudowa rozrusznika czy też zawieszenie składa się z odlewanych części. Takie elementy produkowane są seryjnie z wykorzystaniem bardzo drogiego oprzyrządowania, którego wykonanie dla trzech czy nawet stu testowych części jest nieopłacalne. W tego typu przedsięwzięciach metody szybkiego prototypowania są bardzo pomocne.
Cechą odróżniającą proces wykonywania odlewów prototypowych od tych dotychczas stosowanych w odlewniach (w produkcji seryjnej) jest liczba sztuk zamawianego odlewu. Dla odlewów ze stopu aluminium, zalewanych grawitacyjnie do form piaskowych lub kokili, ilość jest liczona w setkach lub tysiącach sztuk. Natomiast zamówienie na odlew prototypowy, to od dwóch do kilku lub kilkunastu sztuk, maksymalnie 100 sztuk. Inną cechą charakterystyczną odlewów prototypowych jest skomplikowany kształt i krótki czas wykonania.
Z przeprowadzonej analizy stosowanych technologii w firmach wykonujących odlewy prototypowe na świecie wynika, że dominują trzy procesy ich wykonywania:
- technologia odlewania precyzyjnego;
- technologia odlewania do form piaskowych;
- technologia odlewania do form gipsowych;
W każdej wyżej wymienionej technologii wykorzystuje się modele wykonane na urządzeniach szybkiego prototypowania. Zbudowane modele są to wprost formy gotowe do zalewania albo służą do sporządzenia form ceramicznych lub gipsowych, które po wypaleniu są gotowe do zalania. Takie podejście ogranicza lub eliminuje konieczność wprowadzania zbieżności, oprzyrządowanie na rdzenie oraz w sposób zdecydowany zmniejsza wielkość naddatków, co w konsekwencji ogranicza lub również eliminuje proces obróbki mechanicznej.
Pierwszą metodą budowania modeli, która została zastosowana w odlewnictwie była
{mospagebreak}
technika STL (Stereolithography).
Modele wykonywane tą techniką, zastępując modele woskowe, dobrze nadawały się do wypalania, jednak ze względu na niskie właściwości mechaniczne często ulegały uszkodzeniu podczas obróbki i przygotowywania form.
Dlatego w ostatnich latach powstały urządzenia, których przeznaczeniem jest wykonywanie modeli o zwiększonej wytrzymałości, łatwych do wypalania oraz niewymagających obróbki np. ręcznego usuwania podpórek. Jedną z takich metod jest technika szybkiego prototypowania FDM (Fused Deposition Modelling). System FDM opiera się na budowaniu modelu poprzez nakładanie kolejnych warstw z tworzywa sztucznego, które w formie cienkich włókien podawane są przez dyszę, w których następuje podgrzanie. Wprost z dyszy, stopiony pręt tworzywa nakładany jest na poprzednio nałożoną warstwę i następuje wstępne łączenie. Modele wykonywane są z tworzywa ABS, łatwego do usunięcia poprzez wypalanie. Odlewnicza forma ceramiczna powstaje w ten sposób, że na model wykonany zgodnie z techniką FDM nakładane są kolejne warstwy masy ceramicznej. Operacja ta jest powtarzana kilkakrotnie tak, aby uzyskać wymaganą grubość formy. Po nałożeniu ostatniej warstwy ceramicznej, forma wygrzewana jest w piecu elektrycznym w temperaturze około 9000C. W tej temperaturze model odlewniczy zostaje wypalony, powstaje wnęka, do której z kolei wlewane jest ciekłe tworzywo metalowe. Po zakrzepnięciu metalu odlew oczyszcza się z pozostałości masy ceramicznej.
Inna technika szybkiego prototypowania,
która jest wykorzystywana w procesie wykonania odlewów prototypowych to metoda opracowana w Instytucie Mes i rozpowszechniona przez amerykańską firmę ZCorp. Materiałem jest opracowane specjalnie tworzywo ceramiczno - żywiczne utwardzane płynnym lepiszczem. Ze względu na dużą uniwersalność tej metody, może ona służyć zarówno do budowania modeli dla odlewnictwa precyzyjnego, jak również do sporządzania gotowej do zalewania ciekłym metalem formy. Również przy zastosowaniu tej techniki można wykonać oprzyrządowanie do klasycznego formowania ręcznego w masie piaskowej formierskiej. Stwarza to możliwości dużej elastyczności w wyborze technologii wykonania odlewu. Wadą tej technologii jest mniejsza dokładność wymiarowa w porównaniu np. z technologią FDM. Dla porównania, dokładność wykonania odlewów z wykorzystaniem metody FDM w technologii odlewania precyzyjnego wynosi około 0,05 mm dla wymiaru nominalnego 20 mm, natomiast z wykorzystaniem technologii ZCorp w tej samej technologii odlewania - około 0,1 mm.
Kolejna technika szybkiego prototypowania bazuje na urządzeniu {mospagebreak}
Solidscape T612,
wykonującym modele z woskowej masy modelowej, które bezpośrednio służą do wykonywania form ceramicznych według metody wytapianych modeli. Urządzenie to przeznaczone jest do wykonywania bardzo precyzyjnych modeli (dokładność wykonania modelu około 0,015 mm dla wymiaru nominalnego 20 mm).
W Instytucie Odlewnictwa zorganizowano Centrum Szybkiego Prototypowania, które wyposażone jest w oprogramowanie komputerowe oraz urządzenia przeznaczone do wykonywania odlewów prototypowych. Cały cykl wykonania odlewu składa się z następujących operacji:
- opracowanie wirtualnego modelu 3D w edytorze CAD i technologii odlewania przy zastosowaniu programów symulacyjnych MagmaSoft ;
- wykonanie modelu z wykorzystaniem technik RPS - do wykonania modelu służą opisane powyżej systemy do szybkiego prototypowania: FDM , 3D Printer oraz Solidscape T612 do wykonywania oprzyrządowania odlewniczego.
Wybór spośród powyższych urządzeń do wykonywania modeli odlewów prototypowych jest uzależniony od szeregu czynników takich jak:
- dokładność wymiarowa odlewu,
- ilość odlewów koniecznych do zrealizowania zamówienia;
- skomplikowanie geometrii odlewu;
- koszt wykonania;
- termin wykonania prototypowych odlewów.
Pozostałe operacje wykonania prototypowego odlewu to:
- wykonanie formy ceramicznej zgodnie z technologią wytapianych modeli (system MK Technology)
- zalewanie formy ceramicznej ciekłym tworzywem metalowym (system Indutherm );
- kontrola wymiarowa wykonanego odlewu przy pomocy ramienia pomiarowego.
Cały cykl wykonania odlewu poprzez zastosowanie technik RPS można skrócić do kilku dni w porównaniu do kilku tygodni przy stosowaniu tradycyjnych metod odlewania.
W warunkach Polski stosowanie innowacyjnych rozwiązań w zakresie opracowywania nowych prototypów z wykorzystaniem metod RPS jest dotychczas minimalne. Jednak obecnie, po wejściu Polski do Unii Europejskiej, ze względu na niższe koszty wytwarzania w naszym kraju, jest coraz więcej ofert wykonywania prototypowych podzespołów, które są jeszcze na etapie testowania, a więc są objęte niejednokrotnie tajemnicą handlową.
Podstawowym celem prac prowadzonych w Instytucie Odlewnictwa jest opracowanie techniczne i technologiczne "polskiej ścieżki szybkiego prototypowania" oraz promocja opracowanych rozwiązań wśród potencjalnych użytkowników w naszym kraju.
Zastosowanie innowacyjnych rozwiązań i nowych technik, a do takich należą systemy RPS, pozwala na zwiększenie konkurencyjności i wejście na rynki zawansowanych technologii.