Rp-Design Stúdió Kft. hivatalos honlapja

Sztereolitográfia (SLA)

1987 novemberében a sztereolitográfia volt az első RPT eljárás, amit a detroiti (USA) AUTOFACT kiállításon mutattak be. Akkoriban az eljárás még pontatlan volt és az anyagválaszték is nagyon korlátozott volt, de mára számtalan anyag áll rendelkezésre és pontossága messze meghaladja a kezdeteknél nyújtott mértéket.A sztereolitografikus készülék fő részegységei: a folyékony műanyag gyanta tárolására szolgáló tároló tartály, amelyben egy függőlegesen mozgatható asztal helyezkedik el, amely tulajdonképpen egy perforált fémlap. A modell készítésének kezdetekor ez az asztal a folyékony polimer gyanta felszíne alatt egy rétegvastagsággal helyezkedik el, így tehát az asztal felett a modell első rétegének elkészítéséhez szükséges vastagságban polimer gyanta van. A polimer gyantát a számítógépes modellből a megfelelő helyen készített metszet alapján egy HeCd vagy YVO₄ lézer térhálósít. A réteg elkészülte után az alaplemez egy rétegvastagságnyit lejjebb ereszkedik, majd a gyantát egy réteg elsimító lemez egyenletesíti a modell tetején. Az állandó folyadék magasságot egy merülő dugattyú biztosítja, amely merülési mélységét a vezérlő egy HeNe lézer által mért folyadékfelszín magasságból határoz meg. Az elkészítendő következő metszet alakját a számítógép az aktuális modell magasságban a CAD modellen készített metszetből szolgáltatja. A folyamat innen periódikusan folytatódik a modell teljes elkészültéig (1. ábra) [4].

1. ábra. Sztereolitografikus készülék

(1 – HeCd vagy YVO₄ lézer, 2 – fókuszáló lencsék, 3 – tükör, 4 – HeNe lézer a vastagság mérésére, 5 – simító lemez, 6 – alaplemez mozgató szerkezet, 7 – folyékony műanyag gyanta, 8 – alaplemez, 9 – elkészült modell)

A rétegképzés folyamata

A modell építése során a lézer tehát mindig egy adott réteget készít el, így a lézernek be kell futnia az adott metszetben a modell teljes felületét. Ez úgy történik, hogy első lépésben a metszet körvonalán fut végig a lézersugár térhálósítva a gyantát.A következő lépésben a lézersugárnak végig kell pásztáznia a modell metszetét. Az építési folyamatnak ez a leglassúbb lépése, amelynek sebessége nagymértékben függ az alkalmazott gyanta kritikus sugárzási intenzitásától és a térhálósító lézer teljesítményétől. A kritikus sugárzási intenzitás (E_C [^mJ/_cm²]) a gyantára jellemző érték, amely megmutatja, hogy mekkora energia szükséges 1 cm² területen a gyanta tárhálósítására az átlagos vastagságban. Állandó lézerteljesítmény mellett a folyamat akkor gyorsítható, ha az alkalmazott gyanta E_C értéke minél kisebb, mivel így a lézer nagyobb sebességgel haladhat a metszeten. A teljes modell kialakítása után a végső szilárdság elérésének érdekében utólagos térhálósításnak vetik alá, aminek hatására a még nem térhálósodott részek is kitérhálósodnak.Ennél az eljárásnál szükséges olyan tartólábak megszerkesztése, amelyek a modell elbillenését, elúszását vagy egyes elemeinek az elmozdulását meggátolják. Ezeket a tartólábakat a modellel együtt építik fel a gyártás folyamán ugyanabból az anyagból, mint amiből a modell készül. A modell elkészülte után ezeket eltávolítják, ami hulladékként és plusz költségként jelentkezik, ezért a modell rétegirányainak megválasztásakor a tartólábak minimalizálása fontos szempont.

A sztereolitografikus készülék

A térhálósító lézer, mint a gép egyik legfontosabb részegysége jelentős fejlődésen ment keresztül. A régebbi típusoknál kisebb teljesítményű HeCd lézert alkalmaztak, míg az újabb típusokon már nagyobb teljesítményű YVO₄ lézer található, amelynek élettartama is nagyobb (1. táblázat).

1. táblázat: A sztereolitografikus készülékek jellemzői

Az alkalmazott anyagok

A sztereolitografikus modell építési folyamata a fotopolimerizációs technikával valósítható meg, amelynek során a folyékony monomer gyanta szilárd polimerré térhálósodik UV fény hatására. A polimerizáció mértéke és ily módon a szilárd fázis kialakulásának mértéke (vastagsága) függ a teljes fényenergia elnyelés mértékétől (2. táblázat).

A folyékony gyanta fotopolimerizációja nem új technológia, már több évtizede használják az UV festékek, bevonatok, lakkok és nyomtatott áramkörök gyártásánál.

 2. táblázat. A sztereolitográfiában alkalmazható anyagok

Szelektív lézer szinterezés (SLS)

Lényegében tekintve a szelektív lézer-szinterezés nagyon hasonlít a sztereolitográfiához, azzal az alapvető különbséggel, hogy itt nem folyadékból, hanem porból építjük a modellt (2. ábra) [4].

A modell elég porózus lesz, funkcionális prototípusnak nem kifejezetten alkalmas. Hosszadalmas az előkészítése valamint a finiselése. Ez utóbbira porozitása valamint a szemcsés szerkezete miatt van szükség. Pontossága és felületminősége korlátozott, amit a felhasznált por szemcsemérete határoz meg. Ezen felül a darab jelentős, akár 3-4 százalékos zsugorodást is mutathat.

2. ábra. Szelektív lézer szinterezés berendezése

(1 – CO₂ lézer, 2 – fókuszáló lencsék, 3 – tükör, 4 – szinterezetlen por, 5 – modell, 6 – terítőhenger, 7 – alaplemez, 8 – adagoló tartályok)

Működési elv

A működési elvét tekintve a 2D‑s pontonkénti rétegtechnikák közé tartozik. A port egy hengerrel visszük fel a felületre, majd ott CO₂ lézerrel térhálósítjuk. Amikor az adott réteg kialakításával végeztünk az asztal lejjebb süllyed, majd egy következő réteg kialakítása veszi kezdetét. Hátrányt jelent, hogy az oxidáció elkerülésére nitrogén atmoszféra szükséges, ami költségnövelő tényező.

Előnyként említhető viszont az, hogy a felhasználható anyagok köre szinte korlátlan. Elméletileg minden anyag használható, ami hő hatására ömledék állapotba kerül, de használhatók fémek is, amelynek a szemcséi közé hőre lágyuló polimer kötőanyagot keverünk. A jellegzetesebb anyagok a PA, PVC, és egyéb akrilátok.

Az SLA-val szembeni nagy előnye az, hogy nem kell támasztékokról gondoskodni a folyamat során, valamint egy lépésben elvégezhető a térhálósítás, tehát nem kell utólagosan az egész darabot keményíteni.

Fused Deposition Modelling (FDM)

A működési elve az, hogy egy megfelelően megválasztott polimerszálat megolvaszt a berendezés, majd az adott geometriának megfelelően újra megszilárdítja azt (3. ábra) [4].

Hasonlóan minden gyors prototípus technológiához ez is a 3D‑s modellből kiindulva a sztereólitográfiai fájlformátumot használja a számítógép és az FDM gép közötti kapcsolat megteremtésére. A gép igen kicsiny is lehet, akár irodai alkalmazásra is alkalmas csendes és gyors működésének köszönhetően. Ezt annak a tulajdonságának köszönheti, hogy a modell nem igényel utólagos keményítést, nincs szükség sem UV, sem lézer fényre, valamint nem szükséges hűtés sem.

Alapelve, hogy egy termoplasztikus szálas anyagot egy extrúderhez hasonló berendezés az anyag olvadáspontja felé melegít egy fokkal, így éppen megolvasztva azt. Ezzel elérhető, hogy az anyag ömlédék állapotba kerülve hozzátapadjon az előző réteghez, valamint, hogy könnyen alakítható legyen. Másik előnye, hogy az anyag így nagyon gyorsan, a másodperc tizede alatt ismét megszilárduljon külső hűtés nélkül.

3. ábra. Az FDM berendezés

(1 – hevített FDM fej, 2 – modell, 3 – anyagadagolás, 4 – mozgó asztal)

Az extrúderfejet x-y irányban, valamint z irányban is vezérelni kell. Az előbbit az adott síkban a forma kialakításához, amelyet az stl fájlból határoz meg a számítógép, a z irányban pedig az új réteg meghatározásához.

A hevített fej, ami lényegében tekinthető egy extrúdernek (4. ábra), az egyes pontban az anyagot az olvadáspontja fölé melegíti egy fokkal, a sötétebb szakaszon ömledék állapotban van, de a kettes pontban már kezd megszilárdulni és a hármas pontra teljesen megszilárdul. Ebből is látható, hogy nagyon érzékeny a technika az anyagtulajdonságok változására és igen precíz vezérlést igényel.

4. ábra. Az FDM fej működése

(1 – ömledék állapotba hozott anyag, 2 – megszilárdulás kezdete, 3 – megszilárdult állapot)

Az anyagot szál formában lehet felhasználni és gyakorlatilag minden termoplasztikus (hőre lágyuló) anyag alkalmas. Manapság ez tipikusan ABS, esetleg valamilyen precíziós öntészeti viasz, de a leggyakrabban alkalmazott anyag a PA. Előnye az eljárásnak, hogy egy modellhez akár több szín, illetve anyag is alkalmazható.

A technika mint láthattuk igen egyszerű, de ebből következően vannak hátrányai is, úgymint a pontatlanság, főként z irányban, valamint a nem megfelelő felületi minőség.

Laminated Object Manufacturing (LOM)

A rétegelt darabgyártás az egyik legszélesebb körben alkalmazott gyors prototípuskészítési eljárás, valamint ez az első technológia, amely Magyarországra érkezett [5].

A technológia lényege, hogy fóliaszerű anyagból kivágott alakzatokat egymáshoz ragasztva rétegről rétegre alakítja ki a testet (5. ábra) [4,5].

5. ábra A LOM berendezés elvi vázlata

(1 – CO₂ lézer, 2 – optika, 3 – x-y pozícionálás, 4 – vasalóhenger, 5 – papír, 6 – munkaasztal)

Az alapanyaga tipikusan a LOM-hoz kialakított papír, de előfordulnak speciális impregnált papírok, speciális polimer fóliák, valamint üvegszál erősítésű kompozitok, amelyeknek legfontosabb közös tulajdonságuk, hogy CO₂ lézerrel vághatók legyenek. Természetesen van más lézerrel működő géptípus is, de ez a legelterjedtebb LOM berendezések esetében.

A gép a már korábban ismertetett stl fájlok segítségével olvassa be a tervezőprogramok által kialakított 3D‑s modellt, majd a saját szoftvere segítségével elkészíthető a teríték. A teríték a munkatérben a darabok elhelyezését jelenti, hiszen egyszerre több modell is gyártható, amennyiben azok elférnek ott. Ezt a terítéket egyébként előre is elkészíthetjük a már korábban szintén említett Materialise cég Magics RP programja segítségével, ezzel is csökkentve a gép terhelését, hiszen egy gépóra ára lényegesen több a LOM berendezésnél, mint egy CAD számítógépnél.

A gép idejével úgy is takarékoskodhatunk, hogy a modellt elmetsszük egy alkalmas helyen, ahol az nem zavarja a funkciót, valamint nem okoz gondot a két fél összeillesztése a felek elkészülte után, így a Z irányú méretet akár felére csökkenthetjük. Ezzel azért nyerhetünk időt és ezáltal pénzt, mert a modell építési idejét a Z irányú méret befolyásolja a legjelentősebb mértékben, mivel ebben az irányban történik a rétegek egymásra illesztése.

Első lépésként a LOM papírt kell befűzni, a ragasztóval impregnált oldalával lefelé, majd pár réteget fel kell vinni anélkül, hogy elkezdenénk a tényleges modell gyártását. Erre a modell „kibontásánál” lesz szükségünk. Ennek az alaprétegnek az előállítása után elkezdődhet a tényleges modell gyártása.

Minden egyes réteg lefektetésénél az asztal megemelkedik, majd egy fűtött henger végigsimítja, így aktivizálva a ragasztóréteget, ami a papírlapot a már elkészült tömbhöz ragasztja. Mivel minden réteg vastagsága eltérő lehet a papír egyenetlenségéből adódóan a modellhez szükséges rétegek számát nem tudjuk előre meghatározni, hanem egy visszacsatolással kell megoldani ezt a problémát. Ez úgy történik, hogy minden réteg lefektetése után a már elkészült modell vastagságát megmérjük, majd az ebből számított adatok alapján a LOM géphez csatolt számítógép kiszámítja, hogy a modellen hol kell a következő metszetet venni Z irányban. Az adott metszetben az stl fájlban levő háromszögek oldalainak metszéspontjainak összekötése adja ki az adott réteg kontúrvonalát.

A kontúrvonal mentén a CO₂ lézer kivágja a papírt, majd a modellről leeső felesleges darabokat „felkockázza”, annak érdekében, hogy azok könnyebben eltávolíthatóak legyenek az utómunkálatok során. A leválasztandó kockák mérete változtatható, a geometria bonyolultságától függően, annak érdekében, hogy a kibontás pontosabb és könnyebb legyen.

Miután végzett a lézer az adott réteg felkockázásával is, a papír továbbítódik, majd egy következő réteg vasalása, és vágása következik (6. ábra). Ez a folyamat addig folytatódik, míg a teljes modell el nem készül, pontosabban amíg a berendezés el nem éri a modell maximális Z irányú magasságát.

6. ábra A LOM modell előállításának elvi menete

A modell kézbevételéhez ki kell azt bontani a papírtömbből (7. ábra), amelyet a már korábban említett kockázások megkönnyítenek, mivel azok mentén darabonként lehet lefejteni a felesleges részeket.

7. ábra A LOM modell "kibontása"

(A kibontási folyamat: 1 – A modelltömb kiemelése a gépből, 2 – A modell felületével közvetlenül nem érintkező kockák eltávolítása, 3 – A modell felületéről a kisebb kockák (amik a felületi geometria miatt igazából nem is kockák) eltávolítása, 4 – Csiszolás)

Miután a kibontás befejeződött a modellt le lehet csiszolni, festeni, esetleg be lehet vonni valamilyen felületvédő anyaggal. Ez utóbbi tipikusan epoxi lehet, amely több okból is hasznos, egyrészt a felületi minőséget jobbá tehetjük ezzel, másrészt megakadályozza a víz felszívódását a modellbe. A víz a modell duzzadását idézi elő, főként Z irányban, ezáltal deformálva is azt, így ez a LOM technológia egyik legjelentősebb problémájának tekinthető.

Mint az előzőekből láthatjuk ennek a technológiának van számos előnye, úgymint a gyorsaság, olcsóság (a többi technológiához viszonyítva), a nagyméretű munkatér (akár 800*600*500 mm‑es), de számos hátránya is ismert, többek között a Z irányban eltérő mechanikai tulajdonságok, vetemedések, a korlátozott felületminőség, valamint a belső üregek korlátozott előállíthatósága.

3D Printing

A 3D Printing technológiát az MIT (Massachusetts Institute of Technology) laboratóriumaiban fejlesztették ki prototípusok előállítására, valamint valós termékek rugalmas gyártására, direkt szerszámkészítésre és precíziós öntőformák előállítására.

7. ábra Modell a technológia bemutatására

Ezzel a technológiával előállítható bármilyen alakú modell (7. ábra), szinte bármilyen anyag felhasználásával. Ezek az anyagok lehetnek kerámiák, polimerek, fémek, vagy akár kompozit anyagok.

8. ábra A 3D Printing működési elve

(1 – porfelvitel az előző rétegekre, 2 – kötőanyag elhelyezése a modell metszetén, 3 – porfürdő süllyesztése)

A legtöbb technológiához hasonlóan ez is rétegenként alakítja ki a modellt a számítógépen elkészített 3D–s modell szeletekre bontásával. A rétegek építése az előzőleg elkészült modellrétegekre történő porfelvitellel kezdődik (8. ábra). Az ink‑jet nyomtatókhoz hasonlóan működő berendezés az adott rétegben, ahol a modell elhelyezkedik, kötőanyagot helyez el, így kialakítva az adott réteg geometriáját. Ezután a porfürdő alsó lapja lesüllyed egy rétegnyit, ezzel helyet adva a következő réteg számára felviendő anyag számára. Ezeket a lépéseket addig ismétli a berendezés, míg a teljes darab kialakítása meg nem történik. A darab a végleges formáját a hőkezelés valamint a felesleges por eltávolítása után nyeri el.

Az eljárás előnyei közé sorolható, hogy igen gyorsan elő lehet vele állítani kerámia öntőformákat a precíziós öntés számára. A modell nem igényel támasztóelemeket, mint például az SLA alkalmazásánál, valamint egy relatív egyszerű és megbízható eljárás. Hátrányai közé sorolhatjuk, hogy a modell utólagos keményítést igényel, valamit a pontossága korlátozott és a belső felületekhez nem lehet hozzáférni, így az öntött darab felületi minősége szintén korlátozott.

forrás: BME Polimertechnikai tanszék