……………………………………………………………………………………….

www.cebbis.eu

Generatywne techniki wytwarzania w rozwoju innowacji Konstanty Skalski, Michał Haraburda

1

……………………………………………………………………………………….

www.cebbis.eu

PLAN PREZENTACJI 1. Wstęp – Generatywne Techniki Wytwarzania (GTW) w rozwoju innowacji 2. Rozwój produktu w Technikach Wytwarzania 3. Wybrane technologie szybkiego prototypowania (RP) 4. Przykładowe technologie szybkiego wytwarzania narzędzi (RT) 5. Technologie szybkiego wytwarzania gotowych wyrobów (RM) i ich przykładowe zastosowania 6. Uwagi końcowe

2

……………………………………………………………………………………….

www.cebbis.eu

TERMINOLOGIA Technika • Całokształt sposobów i umiejętności w wytwarzaniu dóbr Technique • The manner in which technical details are treated

Technologia • Proces wytwarzania określonych dóbr Technology • Systematic treatment of art, technical method of achieving a purpose

3

……………………………………………………………………………………….

www.cebbis.eu

ROZWÓJ INNOWACJI poprzez:

PRODUKT INNOWACYJNY (nowy produkt) 1. modny (współczesny) * 2. funkcjonalny 3. spełniający oczekiwania * w warunkach konkurencji kształtuje go: • cena (tanio) • czas (szybko) • jakość (solidnie) INNOWACYJNA TECHNOLOGIA (nowy proces) 1. szybka (komputerowo wspomagana i zintegrowana) 2. elastyczna (współbieŜna) 3. dająca zysk 4

……………………………………………………………………………………….

www.cebbis.eu

GTW (RP / RT / RM): to Techniki Wytwarzania służące do szybkiego projektowania i wytwarzania modeli fizycznych oraz prototypów produktów otrzymanych zazwyczaj w wyniku przyrostowego nakładania warstw materiału na podstawie 3D modeli wirtualnych.

5

……………………………………………………………………………………….

www.cebbis.eu

MODELE FIZYCZNE I PROTOTYPY w GTW 1. Koncepcyjny

4. Konstrukcyjny • to połączenie modeli 1-3

• propozycja geometrii

2. Ergonomiczny

5. Funkcjonalny • to model 4 z oceną funkcjonalną

• dający komfort i bezpieczeństwo

3. Geometryczny • ocena wizualna

6. Prototyp funkcjonalny • ocena rzeczywista rozwiązania z ograniczoną eksploatacją.

7. Prototyp techniczny • to prototyp 6 z oceną eksploatac. 6

……………………………………………………………………………………….

www.cebbis.eu

TWORZONE WARSTWY MATERIAŁU głównie poprzez:

• Polimeryzację • Spiekanie • Topienie/ przetapianie/ stapianie • Sklejanie PRZYKŁADOWE MATERIAŁY I TECHNOLOGIE • Tworzywa sztuczne (głównie polimery)

•

SLA

•

SLS

•

SLM, EBM

• Kompozyty (róŜne osnowy)

•

FDM

• Papier …

•

3DP

• Proszki metali • Ceramika proszkowa

7

TYPOWY PRZEBIEG WYTWARZANIA ………………………………………………………………………………………. w GTW – RP Tworzenie 3D modelu • od podstaw w systemie CAD • z pomiarowej bazy danych

Odwzorowanie geometrii modelu – aproksymacja modelu • translatorem do formatu STL

Projektowanie procesu technologicznego

Realizacja procesu RP

• orientacja modelu • budowa wsporników

www.cebbis.eu

Obróbka wykańczająca • naświetlanie • wygładzanie

• podział warstwowy modelu • definicja wektorowa warstw • generacja programu

8

……………………………………………………………………………………….

www.cebbis.eu

PRZYKŁADY TYPOWEGO PRZEBIEGU GTW-RP Utworzenie 3D modelu w systemie CAD

Aproksymacja modelu 3D (formatem STL)

Projektowanie procesu technologicznego wytwarzania prototypu

Wytwarzanie w jednej z technologii RP

Wytworzony prototyp

SLA

FDM

9

………………………………………………………………………………………. ROZWÓJ PRODUKTU

www.cebbis.eu

W TECHNIKACH WYTWARZANIA Etapy procesu

Etapy procesu

A B C D E Fazy procesu

Fazy procesu

Etapy procesu

Fazy procesu

10

Etap A: Planowanie produktu ……………………………………………………………………………………….

www.cebbis.eu

Model: koncepcyjny, ergonomiczny Zmiany chorobowe stawu kolanowego

Proces dopasowywania endoprotezy wydłuŜalnej

11

Etap B: Koncepcja produktu ……………………………………………………………………………………….

www.cebbis.eu

Model: koncepcyjny, geometryczny

tuleja Ti z kołnierzem perforowanym

cylindry zewnętrzne

spręŜyna rozpręŜna

Koncepcja endoprotezy z modułem sterowania

a)

tuleja polietylenowa b) L

∆L

Moduł wydłuŜalny endoprotezy 12

Etap C: Projektowanie ……………………………………………………………………………………….

www.cebbis.eu

Model: geometryczny, funkcjonalny

Model - CAD

Dokumentacja konstrukcyjna Analiza wytrzymałości

13

Etap D: Przygotowanie, badanie prototypu www.cebbis.eu ……………………………………………………………………………………….

Model funkcjonalny

Elementy modułu kolanowego

Model fizyczny modułu kolanowego – funkcjonalny

14

Etap D: Przygotowanie, badanie prototypu www.cebbis.eu ……………………………………………………………………………………….

Prototyp funkcjonalny

Stanowisko do badania modułu wydłuŜalnego

Moduł wydłuŜalny

15

Etap E: Planowanie procesu produkcyjnego ……………………………………………………………………………………….

www.cebbis.eu

Prototyp techniczny

Endoproteza wydłuŜalna i jej wybrane elementy

16

……………………………………………………………………………………….

www.cebbis.eu

Wybrane technologie GTW (RP/ RT/ RM)

Technologie RP

17

PROCES TECHNOLOGICZNY ……………………………………………………………………………………….

www.cebbis.eu

SLA – Stereolitography (Stereolitografia)

Polimeryzacja

18

PROCESY TECHNOLOGICZNE ……………………………………………………………………………………….

www.cebbis.eu

SLS - Selective Laser Sintering (Selektywne spiekanie laserowe) SLM - Selective Laser Melting (Selektywne stapianie laserowe) EBM - Electro Beam Melting (Stapianie wiązką elektronów)

Komora robocza

Spiekanie/ Przetapianie/ Stapianie

19

PROCES TECHNOLOGICZNY ……………………………………………………………………………………….

www.cebbis.eu

3DP - 3D Printing (sklejanie proszków ciekłym lepiszczem)

Sklejanie

20

PROCES TECHNOLOGICZNY ……………………………………………………………………………………….

www.cebbis.eu

FDM - Fused Deposition Modeling – (wytłoczne osadzanie topionego materiału)

Przetapianie

21

CHARAKTERYSTYKA URZĄDZEŃ SLA ……………………………………………………………………………………….

www.cebbis.eu

Podstawowe dane urządzenia Urządzenie VIPER

1.

LASER • stały – Nd:YVO4, moc – 100 mW • średnica wiązki lasera – 0,250 +/- 0.025 mm

2.

KOMORA ROBOCZA • wymiary– 250 x 250 x 250 mm • maksymalna masa modelu: 9.1 kg

3.

PARAMETRY TECHNOLOGICZNE • grubość warstw: 0,1 – 0,3 mm • prędkość wytwarzania 12 cm3/h • kompensacja błędów prześwietlenia • róŜnorodne style budowy

Materiały • ciekłe Ŝywice (akrylowa, epoksydowa) Wprowadzenie technologii SLA w r. 1987, 3D Systems (USA)

22

CHARAKTERYSTYKA URZĄDZEŃ SLS ……………………………………………………………………………………….

www.cebbis.eu

Podstawowe dane urządzania Urządzenie EOSINT P390

1.

LASER • CO2 , moc - 30 W

2.

3.

KOMORA ROBOCZA • wymiary: 340 x 340 x 620 mm PARAMETRY TECHNOLOGICZNE • grubość warstw: 0,05 – 0,3 mm • prędkość budowania: ok. 7 cm3/h • współczynniki: absorpcji i zachodzenia

Materiały • proszki z tworzyw sztucznych, metali, ceramiki, • kompozyty z róŜnorodnymi osnowami tworzyw, metali, ceramiki

Wprowadzenie technologii SLS w r. 1989, Austin (USA), EOS (Niemcy)

23

CHARAKTERYSTYKA URZĄDZEŃ 3DP ……………………………………………………………………………………….

www.cebbis.eu

Podstawowe dane urządzania 1.

GŁOWICA ROBOCZA • liczba głowic – 2 1 - do barwnych modeli, 2 - do modeli bezbarwnych • szybkość budowy - 2-4 warstwy/min (kolor) • ilość kolorów – 16 mln

2.

KOMORA ROBOCZA • wymiary: 203 x 254 x 203 mm

Urządzenie ZPrinter450

• rozdzielczość 300 x 450 DPI 3.

PARAMETRY TECHNOLOGICZNE • grubość warstw: 0,089 – 0,102 mm

Materiały • proszki z tworzyw sztucznych

Wprowadzenie technologii 3DP w r. 1995, MIT (USA)

24

CHARAKTERYSTYKA URZĄDZEŃ FDM ……………………………………………………………………………………….

www.cebbis.eu

Podstawowe dane urządzania Maszyna Fortus 400mc

1.

GŁOWICA ROBOCZA • liczba głowic – 2 1 - do modeli, 2 - do podpór, • ilość kolorów - 9

2.

KOMORA ROBOCZA • wymiary 355 x 254 x 254 mm • dokładność - ± 0,127 mm.

3.

PARAMETRY TECHNOLOGICZNE • grubość warstw - 0,127 – 0,33 mm • stopień wypełnienia warstwy: pełny / częściowy

Materiały • tworzywa sztuczne: ABS, PC ABS - termopolimer: Acrylonitryl – Butadien – Styren, PC - poliwęglan Wprowadzenie technologii FDM w r. 1990, Stratasys Inc. (USA)

25

PRZYKŁADOWE ZASTOSOWANIA – SLA ……………………………………………………………………………………….

www.cebbis.eu

InŜynierskie

Wywietrznik Samolot

Czajnik

Przykładowe materiały Accura® 10 – Ŝywica standardowa Accura® 48HTR – przeznaczona do gotowych wyrobów (do 1300 C) Accura® XTreme – wysoka wytrzymałość i odporność na zuŜycie

26

PRZYKŁADOWE ZASTOSOWANIA – SLA ……………………………………………………………………………………….

www.cebbis.eu

Medyczne

Model Ŝuchwy

Koszyk panewki stawu biodrowego

Model stawu kolanowego

Model resekowanej kości udowej

Przykładowe materiały Accura® 10 – Ŝywica standardowa Accura® 48HTR – przeznaczona do gotowych wyrobów Accura® Amethyst™ - przeznaczona do precyzyjnych modeli

Implant krąŜka międzykręgowego

27

PRZYKŁADOWE ZASTOSOWANIA – SLS ………………………………………………………………………………………. InŜynierskie

Elementy obudowy pralki Obudowa klimatyzatora samochodowego

www.cebbis.eu

Medyczne

Model czaszki do rekonstrukcji

Przykładowe materiały CarbonMide – poliamid z włóknem węglowym PrimeCast 101 – polistyren do metody traconego wosku AluMide – proszki: poliamid + Al PA 3200 GF/ PA2210 FR/ PA 2200 – poliamidy: z włóknem szklanym/ ogniotrwałe/ standardowe, PrimePart DC/ PrimePart ST – sztywny termoplast / elastomer,

28

PRZYKŁADOWE ZASTOSOWANIA – 3DP ………………………………………………………………………………………. InŜynierskie

Reduktor

www.cebbis.eu

Medyczne

Pompa Staw kolanowy

Przykładowe materiały zp131 – materiał polimer w szerokiej gamie kolorów,

29

PRZYKŁADOWE ZASTOSOWANIA – FDM ………………………………………………………………………………………. InŜynierskie

Przekładnia obiegowa

www.cebbis.eu

Medyczne

Obudowa

Przykładowe materiały ABSplus -M30/ ABS-M30i - o podwyŜszonej wytrzymałości/ biozgodne PC/ PC-ABS – poliwęglan/ poliwęglan – ABS (termopolimer: Acrylonitryl – Butadien – Styren), ULTEM 9085 - tworzywo ognioodporne, PPSF/PPSU – materiały o podwyŜszonej wytrzymałości cieplnej

Kręgosłup

30

……………………………………………………………………………………….

TECHNOLOGIE RT

Metodą Bezpośrednią (MB)

www.cebbis.eu

• Technologia bezpośredniego szybkiego wytwarzania narzędzi • Technologie pośredniego odwzorowania geometrii modeli celem wielokrotnego wytworzenia ich w seriach prototypowych

RP = RT

bezpośrednie szybkie wykonywanie narzędzi (RP) (form, matryc, wkładek)

Metodą Pośrednią (MP) wykonywanie bezpośrednio negatywu oddającego geometrię

RP + VC

Odlewanie precyzyjne + formy silikonowe

RP + IC

Odlewanie precyzyjne + formy ceramiczne

RP + TAFA

Natryskiwanie metaliczne negatywów formy skorupowe 31

METODA POŚREDNIA (RP + VC + IC) ……………………………………………………………………………………….

1.

www.cebbis.eu

Wytworzenie modelu fizycznego funkcjonalnego w technologii RP – SLA, model z Ŝywicy epoksydowej

2. Umieszczenie modelu Ŝywicznego w skrzynce formierskiej i zalewanie płynną mieszanką silikonową 1.

Endoproteza (rdzeń)

2.

Mieszanka silikonowa

3.

Zawieszenie

4.

Zbiornik z mieszanką

32

METODA POŚREDNIA (RP + VC + IC) ……………………………………………………………………………………….

www.cebbis.eu

3. Utwardzania formy silikonowej w komorze termicznej (T = 600C, t = 120 min), 1.

Endoproteza

2.

Utwardzana mieszanka

3.

Atmosfera termiczna

4. Po wystudzeniu rozcięcie formy i usunięcie modelu Ŝywicznego 1.

Połówki form

2.

Wnęki po modelu 33

METODA POŚREDNIA (RP + VC + IC) ……………………………………………………………………………………….

www.cebbis.eu

5. Zalanie formy woskiem w komorze próŜniowej,

6. Model fizyczny endoprotezy z wosku.

34

METODA POŚREDNIA (RP + VC + IC) ……………………………………………………………………………………….

7.

Wykonanie formy ceramicznej na bazie modelu woskowego

8.

Zalanie formy płynnym metalem (Co-Cr-Mo),

9.

Prototyp techniczny endoprotezy.

Wytworzona forma ceramiczna: 1. układu wlewowego 2. formy ednoprotezy

www.cebbis.eu

Prototyp techniczny endoprotezy Zalewanie formy płynnym metalem

35

INNY PRZYKŁAD ZASTOSOWANIA www.cebbis.eu METODY POŚREDNIEJ (RP + VC + IC) ……………………………………………………………………………………….

Cykl produkcyjny obudowy silnika motocyklowego (trwający ok. 4 dni) Forma silikonowa

Odlew aluminiowy wykonany metodą wytapianych modeli

Model woskowy

Model SLA

36

METODA POŚREDNIA ……………………………………………………………………………………….

www.cebbis.eu

(RP + TAFA – metoda metalizacji natryskowej) Wykonanie formy wtryskowej metodą TAFA model RP 1. Zaformowanie modelu RP,

2. Pokrycie modelu separatorem,

Pojemnik z separatorem

Głowica natryskująca

3. Natryskiwanie powłoki

37

METODA POŚREDNIA (RP + TAFA) www.cebbis.eu ………………………………………………………………………………………. Wykonanie formy wtryskowej metodą TAFA

4. Wypełnienie dolnej połowy formy mieszaniną Ŝywicy i granulatu aluminiowego

Wypełnienie formy mieszanką Ŝywicy i granulatu

5. Obróbka mechaniczna powierzchni wypełniacza

6. Odwrócenie formy celem wykonania górnej połowy formy 38

METODA POŚREDNIA (RP + TAFA) www.cebbis.eu ………………………………………………………………………………………. Wykonanie formy wtryskowej metodą TAFA 7. Natryśnięcie powłoki metalicznej na powierzchnię modelu z separatorem, 8. Wypełnienie górnej połowy formy mieszaniną Ŝywicy i granulatu oraz usunięcie modelu fizycznego

Połówki form po metalizacji natryskowej

39

METODA BEZPOŚREDNIA (RT = RP) ……………………………………………………………………………………….

www.cebbis.eu

NAJCZĘŚCIEJ STOSOWANE TECHNOLOGIE RP • DLMS - Direct Laser Metal Sintering (bezpośrednie laserowe spiekanie proszków)

• SLM - Selective Laser Melting (selektywne stapianie laserowe)

• EBM - Electro Beam Melting (stapianie wiązką elektronów)

40

PRZYKŁADOWE ZASTOSOWANIA ………………………………………………………………………………………. MB – DLMS

www.cebbis.eu

MoŜliwość optymalnego zaprojektowania kanałów chłodzących formę i rdzeń Wytworzona forma wtryskowa oraz wykonane dźwignie

Wytworzona forma wtryskowa oraz wykonane uchwyty

41

……………………………………………………………………………………….

www.cebbis.eu

RM – RAPID MANUFACTURING (SZYBKIE WYTWARZANIE GOTOWYCH WYROBÓW)

RM to szybkie wytwarzanie w pełni funkcjonalnych wyrobów, które po zastosowaniu (o ile to konieczne) obróbki wykończającej, swoimi właściwościami są bardzo zbliŜone lub identyczne do produktów wytworzonych metodami konwencjonalnymi.

Przykładowe zastosowania technologii RP = RM dla wyrobów metalowych

Przykładowe zastosowania technologii RP = RM dla wyrobów z tworzyw sztucznych

• SLS - Selective Laser Sintering

• SLS - Selective Laser Sintering

(selektywne spiekanie laserowe)

(selektywne spiekanie laserowe)

• SLM - Selective Laser Melting

• FDM – Fused Deposition Modeling

( selektywne stapianie laserowe)

(wytłoczne osadzanie topionego materiału)

• EBM - Electro Beam Melting

• SLA - Stereolithography

(stapianie wiazką elektronów)

(stereolitografia)

42

PRZYKŁADOWE ZASTOSOWANIA ………………………………………………………………………………………. TECHNOLOGII RM

www.cebbis.eu

Obudowa tablicy rozdzielczej z ABS (Acrylonitryl – Butadien – Styren)

Orteza poliamidowa kończyny dolnej dla niepełnosprawnego

Suknia z poliamidu Lampa z poliamidu 43

UWAGI KOŃCOWE

……………………………………………………………………………………….

www.cebbis.eu

1. Zastosowania i ograniczenia GTW: •

produkcja jednostkowa i małoseryjna (omal we wszystkich dziedzinach techniki, medycyny, wojskowości …),

•

eliminacja tradycyjnych technologii wytwarzania,

•

produkty o złoŜonej geometrii,

•

główne ograniczenia: warstwowa metoda, efekt schodkowy, skurcz, porowatość,

2. Innowacyjność produktów (poprzez technologie i materiały): •

róŜnorodność wciąŜ nowych materiałów (tworzywa sztuczne, metale ceramika, kompozyty w róŜnorodnych osnowach),

•

róŜnorodność odmian procesów technologicznych, 44

UWAGI KOŃCOWE

……………………………………………………………………………………….

www.cebbis.eu

3. Tendencje rozwojowe: • •

w technologii materiałowej (mikro- i nano-materiały oraz biomateriały), w GTW oraz w innych klasycznych procesach technologicznych

RP – DLP (Digital Light Projection) Ciekły firmowy (Z Corp) polimer po fotopolimeryzacji staje się materiałem o bardzo wysokich własnościach wytrzymałościowych

45