preloder

Artykuł

Banner rectangle

FFF ≠ FDM – poznaj różnice, które naprawdę mają znaczenie (i zapisz się na webinar)

, , , , , 0

Co to właściwie jest FFF i FDM?

Technologie druku 3D stale się rozwijają, a wraz z nimi pojawiają się skróty, które mogą wprowadzać w błąd. Dwa z nich – FFF i FDM – są często stosowane zamiennie, ale w rzeczywistości oznaczają coś zupełnie innego. Ten wpis pomoże Ci zrozumieć różnicę oraz kiedy warto postawić na przemysłowe FDM zamiast hobbystycznego FFF.

Co oznacza FFF, a co FDM?

  • FFF (Fused Filament Fabrication) to termin używany głównie w świecie hobbystycznym. Oznacza on technologię drukowania z topionego filamentu, nakładanego warstwa po warstwie.
  • FDM (Fused Deposition Modeling) to zastrzeżona przez Stratasys technologia, która również polega na nakładaniu filamentu, ale wykorzystuje znacznie bardziej zaawansowane urządzenia, kontrolowane środowisko druku oraz certyfikowane materiały.

Najważniejsze różnice między FFF a FDM

  • Jakość i wytrzymałość części: FDM oferuje znacznie lepsze połączenie warstw i bardziej jednolitą strukturę materiału.
  • Powtarzalność wyników: Drukarki FDM zapewniają stabilność i niezawodność dzięki precyzyjnemu sterowaniu i serwisowi.
  • Zaawansowane materiały: FDM obsługuje szeroką gamę technicznych tworzyw, takich jak ABS, PC, nylon czy ULTEM.
  • Większy obszar roboczy: Przemysłowe maszyny FDM oferują możliwość druku dużych elementów z wysoką dokładnością.
  • Komora grzewcza: Dzięki podgrzewanej komorze druk FDM jest bardziej kontrolowany, a deformacje materiału są ograniczane do minimum.

Kiedy warto przejść na FDM?

Jeśli Twoje projekty wymagają niezawodności, wysokiej jakości i powtarzalności – warto rozważyć przesiadkę z FFF na FDM. Szczególnie jeśli drukujesz:

  • funkcjonalne prototypy, które będą poddawane testom mechanicznym,
  • części końcowe o konkretnych wymaganiach technicznych,
  • duże elementy o skomplikowanej geometrii,
  • serie produkcyjne, które muszą być identyczne.

Podsumowanie

FFF sprawdza się świetnie w zastosowaniach amatorskich i niskobudżetowych. Jednak jeśli zależy Ci na jakości, niezawodności i profesjonalnym poziomie wydruków – przemysłowe FDM będzie naturalnym krokiem naprzód.

To nie tylko większa drukarka – to całościowy system, który pozwala przejść od prototypu do produkcji z pełną kontrolą nad jakością.

banner-narzedzia-do-pulpy-fdm v2

Narzędzia do formowania puply papierowej wykonane w technologi druku 3D

, , , , , 0

Najważniejsze powody, dla których warto stosować narzędzia FDM do formowania pulpy papierowej

Formowana masa włóknista, znana również jako pulpa papierowa, to popularny materiał opakowaniowy wykorzystywany w wielu zastosowaniach konsumenckich, takich jak kartony na jajka, uchwyty do napojów czy opakowania ochronne. Ponieważ pulpa powstaje z makulatury lub włókien wtórnych, jest w 100% nadająca się do recyklingu i biodegradowalna, stanowiąc przyjazną dla środowiska alternatywę dla opakowań z tworzyw sztucznych.

Produkcja opakowań z pulpy papierowej to zautomatyzowany, szybki i niskokosztowy proces wytwórczy. Zmielony papier z recyklingu lub włókna rozpuszcza się w wodzie, tworząc zawiesinę. Następnie forma jest zanurzana w tej zawiesinie, a podciśnienie odciągające od tylnej strony zasysa materiał na formę, nadając kształt opakowaniu. W przypadku formowania typu drugiego następuje przeniesienie elementu na drugą formę z przeciwnej strony, która również wykorzystuje podciśnienie. Potem element jest usuwany z formy i trafia do pieca suszącego.

Chociaż sam proces produkcji jest prosty i szybki, wytwarzanie narzędzi (form) jest zazwyczaj żmudne i pracochłonne. Blok aluminium jest obrabiany mechanicznie do pożądanego kształtu, a w całym narzędziu wierci się liczne otwory. Aby zapobiec ich zatykaniu, cienka siatka druciana jest ręcznie spiekana, formowana i spawana do narzędzia. Ten czasochłonny proces zajmuje zwykle co najmniej dwa tygodnie i kosztuje około 30 000 USD za jedną dużą formę metalową.

Choć inwestycja w trwałe aluminiowe narzędzie ma sens przy potwierdzonym projekcie i produkcji przekraczającej 10 000 sztuk, w fazie prototypowania może być ona kosztowna i niepraktyczna przy mniejszych nakładach.

Producenci odkryli FDM (Fused Deposition Modeling) jako alternatywę. Narzędzia do druku przyrostowego w technologii FDM można wykonać w ułamku czasu i kosztu tradycyjnych metod. Co więcej, porowatość i sztywne kontury mogą być tworzone w jednym elemencie, bez konieczności zmiany formuły zawiesiny ani podciśnienia. Oto cztery powody, aby spróbować narzędzi FDM do pulpy papierowej.

Artykuł zdjęcie nr 7

Zaleta 1:
Projektowanie otworów i porowatości

Rozpuszczalne materiały podporowe FDM umożliwiają tworzenie złożonych geometrii i wielu segmentów CAD o różnym wypełnieniu w jednym wydruku – oszczędzając czas i pieniądze. Zewnętrzna krawędź narzędzia może być zaprojektowana jako struktura pełna (czerwony segment na ilustracji), która nie przepuszcza próżni. 

Siatka formująca, która nadaje kształt pulpie papierowej – przez tę powierzchnię zasysane są włókna do formy za pomocą podciśnienia dzięki porowatości między warstwami (niebieski segment).  

Tył narzędzia (zielony obszar wypełniający znajdujący się za siatką formującą – opcjonalnie dla form z cienkimi ścianami) jako sztywna struktura kratowa, umożliwiająca działanie podciśnienia, zapobiegająca uginaniu się powierzchni formujących do wewnątrz. Jest konieczna dla dużych form z grubymi ścianami. 

Powyższe elementy projektowe eliminują potrzebę frezowania konturów, wiercenia otworów i montażu siatki do formy. 

Dodatkowo całe narzędzia wykonane w FDM są naturalnie porowate, co poprawia przepływ powietrza i daje lepsze wykończenie powierzchni formowanego produktu.

Artykuł zdjęcie nr 8

Zaleta 2:
Walidacja projektu

Prototypowanie funkcjonalne pozwala zweryfikować jak narzędzie się sprawdzi w praktyce i umożliwia wprowadzenie zmian projektowych przed inwestycją w drogie, docelowe narzędzie metalowe. Prototypy FDM powstają z termoplastów klasy przemysłowej, które wytrzymują naprężenia mechaniczne procesu formowania pulpy nawet do 10 000 cykli — co wystarcza do przetestowania formy i jej dopasowania.

Zaleta 3:
Pomost do narzędzia docelowego

Po co czekać na gotowe narzędzie metalowe, skoro można od razu zacząć produkcję przy użyciu narzędzia FDM? Takie narzędzie powstaje zazwyczaj w połowie czasu potrzebnego do wykonania tradycyjnego narzędzia aluminiowego. Można rozpocząć sprzedaż i wysyłkę nawet do 10 000 opakowań, zanim gotowa będzie forma docelowa.

Artykuł zdjęcie nr 9

Zaleta 4:
Małe nakłady

Narzędzia FDM są opłacalną alternatywą przy odpowiednich wolumenach i kształtach. Na przykład firma SML Group, czołowy dostawca opakowań, użyła narzędzi FDM od Stratasys Direct Manufacturing do produkcji niewielkich serii opakowań z pulpy dla producenta i sprzedawcy elektroniki, oszczędzając 29 400 USD (czyli 98% w porównaniu z klasycznym narzędziem) i tydzień czasu (czyli 50%).

Artykuł zdjęcie nr 10

Studium przypadku: Grupa SML

Sytuacja

SML Group to wiodący dostawca dodatków do odzieży oraz różnego rodzaju opakowań. Firma z siedzibą w Chinach prowadzi ponad 30 zakładów na całym świecie, w tym największą fabrykę etykiet w Chinach. Wśród jej klientów znajdują się takie marki jak:

Adidas, American Eagle, Armani Exchange, Benetton, Brooks Brothers, Burberry, Eddie Bauer, Gap, Liz Claiborne, Macy’s, Marks & Spencer, Nautica, Next, Puma, Ralph Lauren, Target i Tommy Hilfiger.

W przeszłości SML nie była w stanie konkurować na rynku opakowań z pulpy formowanej w USA, ponieważ czas i koszt wykonania konwencjonalnych metalowych narzędzi uniemożliwiały szybkie dostarczenie prototypu klientowi.

Artykuł zdjęcie nr 11
Model CAD formy

Tradycyjne narzędzia do formowania pulpy powstają poprzez obróbkę metalu w lustrzany kształt gotowego opakowania. Narzędzie jest następnie wiercone, a do jego powierzchni montowana jest siatka. Narzędzie zanurza się w zawiesinie papierowej i za pomocą podciśnienia formuje się kształt. Koszt takiego narzędzia to około 30 000 USD, a czas wykonania wynosi około 2 tygodni (dla formatu 250 × 300 mm).

Rozwiązanie

„Zdecydowaliśmy się współpracować ze Stratasys, by sprawdzić, czy możliwe jest wykonanie narzędzia w technologii FDM” – mówi Jeremy Wolf, projektant opakowań strukturalnych w SML.

Stratasys RedEye (dział usługowy) opracował serię narzędzi FDM, które zoptymalizowały wzór wewnętrznego wypełnienia umożliwiający efektywne działanie podciśnienia.

„Całe narzędzie FDM jest porowate, co rozprasza podciśnienie i zapewnia czystsze opakowanie oraz lepszą jakość powierzchni” – dodaje Wolf.

Artykuł zdjęcie nr 12
Wydrukowana Forma

Rezultaty

„Możemy teraz wykonać narzędzie FDM za jedyne 600 USD w ciągu około tygodnia” – mówi Wolf.

„Przy tej cenie i czasie realizacji możemy bez problemu przygotować prototypy dla firm zainteresowanych opakowaniem z pulpy. Prototypy są bardzo ważne, ponieważ wielu producentów oryginalnych urządzeń (OEM) pokazuje je swoim sprzedawcom.”

„Użyliśmy narzędzi FDM do produkcji opakowań z pulpy dla dwóch klientów – producenta i sprzedawcy  elektroniki” – dodaje Wolf.

„Technologia FDM otworzyła przed nami nowe możliwości biznesowe, umożliwiając produkcję małoseryjną opakowań z pulpy, co wcześniej było nieopłacalne.”

Porównanie FDM i metod tradycyjnych (dla SML Group)

MetodaCzas produkcjiKoszt
CNC (metal)2 tygodnie30 000 USD
FDM1 tydzień600 USD
Oszczędności1 tydzień (50%)29 400 USD (98%)

Artykuł zdjęcie nr 13
Wyprodukowane opakowanie za pomocą formy wydrukowanej w technologii FDM z materiału ABS.

lepsze-narzedzia-produkcyjne-cover

Rewolucja w mocowaniach przemysłowych: Jak druk 3D zmienia zasady gry

, , 0

W dzisiejszym świecie nowoczesnej produkcji precyzja i efektywność mają kluczowe znaczenie. Uzyskanie dokładnych i powtarzalnych rezultatów w procesach montażu, obróbki, spawania czy kontroli jakości w dużej mierze zależy od skutecznych systemów mocowania. Uchwyty i przyrządy, od pomocników montażowych po narzędzia kontrolne, odgrywają zasadniczą rolę w zapewnianiu stabilności, właściwego ustawienia i wysokiej jakości w całym cyklu produkcyjnym.

Jednym z najbardziej innowacyjnych podejść, które rewolucjonizuje metody mocowania, jest wykorzystanie technologii druku 3D w tworzeniu przyrządów i uchwytów.

Czym jest mocowanie (fixturing)?

Mocowanie to podstawowy element infrastruktury produkcyjnej, zaprojektowany z myślą o stabilizacji obrabianych elementów. Jego rola polega na zapewnieniu właściwego przebiegu procesów takich jak montaż, kontrola czy spawanie — zwiększając produktywność, bezpieczeństwo i jakość produktu końcowego.

Różne typy przyrządów i uchwytów

W zależności od zastosowania, producenci korzystają z różnych typów mocowań. Oto najważniejsze z nich:

• Uchwyty montażowe

W operacjach montażowych przyrządy są niezbędnym wsparciem, zapewniającym precyzyjne ustawienie i pozycjonowanie elementów. Zastosowanie drukowanych w 3D uchwytów pozwala na szybszy montaż, większą dokładność i mniejszą liczbę błędów, co szczególnie doceniają branże: motoryzacyjna, elektroniczna i lotnicza.

• Uchwyty kontrolne

Niezbędne w kontroli jakości, współpracują z urządzeniami pomiarowymi (np. maszynami CMM), aby stabilizować elementy do dokładnego pomiaru i oceny. Druk 3D w ich produkcji zwiększa dokładność, powtarzalność i efektywność.

• Uchwyty do znakowania

Umożliwiają precyzyjne nanoszenie oznaczeń (logo, numery seryjne, kody kreskowe). Uchwyty dostosowane do np. znakowania laserowego drukowane w 3D zapewniają powtarzalność i jakość znakowań w przemyśle motoryzacyjnym, elektronicznym i lotniczym.

• Uchwyty spawalnicze

Kluczowe w stabilizacji elementów podczas spawania — pozwalają uzyskać dokładne, powtarzalne spoiny. Wersje drukowane 3D zwiększają jakość spawów i produktywność w branżach takich jak motoryzacja, lotnictwo, budownictwo i obróbka metalu.

Rola druku 3D w rozwoju systemów mocowania

Wprowadzenie technologii druku 3D do produkcji przyrządów i uchwytów stanowi prawdziwy przełom w podejściu do fixturingu. Dzięki niej możliwe jest szybkie i ekonomiczne tworzenie niestandardowych rozwiązań, dopasowanych do konkretnych potrzeb produkcyjnych.

Kluczowe korzyści:

  • Krótszy czas realizacji (lead time)
  • Niższe koszty produkcji
  • Minimalizacja strat materiałowych
  • Możliwość tworzenia lekkich, a zarazem wytrzymałych konstrukcji
  • Realizacja skomplikowanych geometrii, niedostępnych dla tradycyjnych metod
  • Pełna personalizacja, łatwa adaptacja do zmieniających się wymagań

Podsumowanie

Synergia druku 3D i nowoczesnych metod mocowania zmienia oblicze przemysłu. Dzięki niej firmy zyskują niespotykaną dotąd precyzję, wydajność i opłacalność w procesach takich jak montaż, kontrola jakości, znakowanie czy spawanie.

Wykorzystanie drukowanych w 3D przyrządów i uchwytów to początek nowej ery w produkcji – ery, w której elastyczność i innowacyjność stanowią fundament przewagi konkurencyjnej.

_DSC0654 v2

Możliwości stosowania fotopolimerowych form wtryskowych do produkcji małoseryjnej w strukturze Przemysł 4.0

0

Zastrzeżenie: Powyższy temat opracowany przez jednego z naszych pracowników – inżyniera aplikacji dr inż. Damiana Żelechowskiego oraz jego ówczesnego promotora Prof. dr hab. inż. Grzegorza Budzika. Artykuł został pierwotnie opublikowany w czasopiśmie “Polimery”, w numerze 6 z 2019 roku. Artykuł jest dostępny do przeczytania za darmo na stronie czasopisma: View of Possibilities of using photopolymer injection molds in small series production in Industry 4.0 structure (vot.pl)

Autorzy: Grzegorz Budzik1), *), Damian Żelechowski2), *)

Streszczenie: Duża konkurencja wśród firm zajmujących się produkcją maszyn, urządzeń lub ich pod-zespołów sprawia, że niezwykle ważne stają się czynniki, takie jak: czas pojawienia się produktu na rynku, jego cena i jakość. Techniki szybkiego prototypowania, nieodzownie związane z ideą Przemysłu 4.0, nabierają więc ogromnego znaczenia. W pracy przedstawiono korzyści wynikające z zastosowania technologii PolyJet, oferowanej przez światowego lidera rynku druku 3D, firmę Stratasys, do wytwarza-nia detali metodą formowania wtryskowego do produkcji małoseryjnej.

Najczęściej stosowaną obecnie metodą przetwórstwa tworzyw polimerowych jest formowanie wtryskowe. Wykorzystanie w masowej produkcji bardzo dokładnych, często złożonych, trójwymiarowych (3D) części finalnych, przy czasach cyklu od kilku sekund do kil-ku minut, niesie ze sobą wiele korzyści. Proces wtryski-wania przebiega z udziałem wtryskarki, formy wtryskowej i tworzywa polimerowego. Typowy proces obejmuje stopienie tworzywa, wtryśnięcie go do formy, następnie schłodzenie i usunięcie z formy tak wytworzonego elementu. Ze względu na dużą liczbę wtryskiwanych detali materiałami najczęściej stosowanymi na formy wtryskowe są różne rodzaje stali lub stopy aluminium, charakteryzujące się długą żywotnością. W procesie kształtowania form wtryskowych zazwyczaj wykorzystuje się obróbkę ubytkową. Obecnie wykonanie takiej formy u wyspecjalizowanego wykonawcy może trwać nawet miesiąc i jest bardzo kosztowne. Z tego względu stosowanie takiego rozwiązania w wypadku wprowadzania nowych produktów na rynek (prototypowanie) lub pro-dukcji małoseryjnej jest nieuzasadnione.

Czwarta rewolucja przemysłowa (Przemysł 4.0) przynosi wiele rozwiązań technologicznych pozwalających na skrócenie czasu oraz kosztów produkcji [1]. Przemysł 4.0 to zbiorcze pojęcie oznaczające integrację inteligentnych maszyn i systemów oraz wprowadzanie modyfikacji w procesach produkcyjnych, mających na celu zwiększenie wydajności wytwarzania oraz umożliwienie elastycznych zmian asortymentu [2–8]. Tradycyjne podejście do produkcji elementów z tworzyw polimerowych w ujęciu struktury Przemysł 4.0 przed-stawia rys. 1. W tym wypadku wytwarzanie form wtryskowych z zastosowaniem systemów obróbczych sterowanych numerycznie jest kosztowne i zajmuje dużo czasu. Wynika to głównie z konieczności wykorzystywania bardzo zaawansowanych obrabiarek oraz narzędzi, niezbędnych do wykonania form o skomplikowanych kształtach. Ponadto zmiany, często wprowadzane na każdym etapie procesu, np. przeprojektowanie formy wtryskowej i ponowne jej wykonanie, pociągają za sobą dodatkowe koszty i wydłużają czas potrzebny na wprowadzenie nowego produktu na rynek.

Artykuł zdjęcie nr 14
Rys. 1. Uproszczony schemat procesu wytwarzania w strukturze
Przemysł 4.0

Do rozwiązań skracających czas wprowadzania nowych produktów na rynek niewątpliwie zalicza się techniki szybkiego prototypowania (ang. rapid prototyping– RP), obejmujące metody wytwarzania przyrostowego – druk 3D [9]. Właściwości detali otrzymanych w technologii druku 3D, w której materiałem wyjściowym są tworzywa polimerowe, niestety nie zawsze są takie same, jak właściwości detali uzyskanych metodą wtryskiwania. W takim wypadku przeprowadzanie testów funkcjonalnych prototypów nie ma odniesienia do rzeczywistości.

Dynamiczny rozwój technik szybkiego prototypowa-nia, narzucany w wyniku wdrażania założeń czwartej rewolucji przemysłowej, w ostatnich latach doprowadził do pojawienia się licznych technologicznych rozwiązań o wysokim poziomie zaawansowania [10]. Dzięki temu dzisiaj można mówić nie tylko o przyrostowym wytwarzaniu prototypów (RP), ale też o szybkim wytwarzaniu narzędzi (ang. rapid tooling – RT). Pojęcie RT obejmuje wytwarzanie za pomocą technik szybkiego prototypowania oprzyrządowania lub gotowego narzędzia używanego w dalszym procesie produkcyjnym. Elementy otrzymywane technikami RT z metali jako materiału wyjściowego charakteryzują się mniejszą dokładnością geometryczną oraz wymagają dodatkowych zabiegów wykańczających, co sprawia, że sumaryczne koszty wytwarzania są większe niż w wypadku technik substraktywnych. Innym rodzajem technologii przyrostowej umożliwiającej wytwarzanie form wtryskowych charakteryzujących się zło-żoną geometrią oraz wysoką jakością powierzchni jest technologia PolyJet firmy Stratasys. Materiał wyjściowy stanowi tu fotopolimer na bazie żywicy akrylowej, który jest utwardzany za pomocą promieniowania ultrafioletowego. Schemat zastosowania technologii przyrostowej w strukturze Przemysł 4.0 do wytwarzania form wtryskowych dla krótkich serii wyprasek przedstawia rys. 2. Takie podejście pozwala na znaczne usprawnienie proce-su wprowadzania zmian w koncepcji rozwoju produktu (szybkie i tańsze drukowanie form wtryskowych o zmienionej geometrii) oraz na wyeliminowanie konieczności stosowania skomplikowanego i drogiego dodatkowego oprzyrządowania obrabiarek numerycznych.

Artykuł zdjęcie nr 15
Rys. 2. Uproszczony schemat procesu wytwarzania w strukturze
Przemysł 4.0 z zastosowaniem polimerowych form wtryskowych
wytworzonych w procesie przyrostowym

Jak widać jest możliwe pominięcie kosztownych proce-sów wykorzystujących obrabiarki sterowane numerycznie (CNC). Do wytwarzania form wtryskowych zastosowano tu technologię PolyJet. Urządzenia typu PolyJet bazują na materiałach z szerokiej gamy tworzyw foto-utwardzalnych, w tym materiałów sztywnych, materia-łów nieprzezroczystych i wysoko elastycznych w różnej kolorystyce. Grubość pojedynczej nakładanej w trakcie procesu warstwy wynosi 16 lub 30 mikrometrów, dzięki temu wytwarzane w tej technologii modele charaktery-zują się wysokim stopniem uszczegółowienia [11]. Formy wtryskowe wykonane w technologii PolyJet są alternatywnym rozwiązaniem dla wytwarzania detali z materiału docelowego, tak aby charakteryzowały się one właściwościami odpowiadającymi finalnie wytwarzanym produktom. Rozwiązanie to wypełnia lukę między for-mami uzyskanymi metodą obróbki ubytkowej i formami tańszymi, z gumy silikonowej, które mogą jedynie symulować formowane wtryskowo części i kosztować od 50 do 70 % mniej niż formy aluminiowe [12]. Formy wykonane w technologii PolyJet wykazują zalety form silikonowych, umożliwiających szybką produkcję złożonych części i dokonywanie częstych zmian z zastosowaniem termoplastów wykorzystywanych w produkcji masowej.

Podstawowym założeniem koncepcji Przemysł 4.0 jest takie zorganizowanie produkcji, aby była bardziej skoncentrowana na indywidualnym kliencie. W niniejszej pracy przedstawiono możliwości zastosowania form wtryskowych wykonanych w technologii PolyJet do produkcji małoseryjnej.

MATERIAŁY WTRYSKIWANE

W wypadku używania form wytworzonych w technologii PolyJet, trwałość narzędzia i jakość uzyskanych detali zależą m.in. od materiału termoplastycznego użytego w procesie formowania wtryskowego. Większa temperatura topnienia wtryskiwanego materiału odpowiada jego większej lepkości i abrazyjności, a w konsekwencji mniejszej żywotności wykorzystywanego narzędzia. Niedostateczne wypełnienia form oraz linie niedolewów, jako wady wtryskiwanych elementów, powstają w wyniku użycia zbyt lepkich materiałów wyjściowych. Jednym ze sposobów przeciwdziałania powstawaniu takich wad jest zastosowanie podczas wtryskiwania materiału wysokiego ciśnienia. Ponieważ jednak formy PolyJet nie wytrzymują ekstremalnego ciśnienia, zaleca się wykorzystywanie polimerów wykazujących dobre płynięcie. W razie konieczności zwiększenia ciśnienia wtrysku, po-większenie otworu układu dolotowego pomoże zredukować ciśnienie wtrysku i może być dobrym rozwiązaniem problemu. Zabieg taki można również zrealizować już po wydrukowaniu formy. W wyborze materiału do formo-wania wtryskowego ważną rolę odgrywa geometria części. Jeśli kształt geometryczny nie utrudnia przepływu tworzywa, można stosować materiały o większej lepkości i wyższej temperaturze topnienia.

Wtryskiwane tworzywa termoplastyczne dzieli się na cztery klasy różnicujące je pod względem łatwości przetwarzania (rys. 3). Dla każdej klasy podano przybliżoną żywotność narzędzia, której miarą jest liczba wtrysków. Należy dodać, że liczba możliwych do uzyskania wyprasek, bez zniszczenia formy, również zależy od geometrii części. Na przykład wysokie, cienkie elementy formy przyczyniają się do skrócenia jej żywotności.

Artykuł zdjęcie nr 16
Rys. 3. a) Żywotność form wytworzonych różnymi metodami
w odniesieniu do klasy wtryskiwanych materiałów, b) podział
wtryskiwanych tworzyw termoplastycznych [12]
—
Od najniższego:

Termoplasty wymagające zastosowania temperatury w cylindrze ok. 300 °C z powodzeniem formowano za pomocą form wytworzonych w technologii PolyJet. Jednak najdłuższą żywotność wykazują formy wówczas, gdy przetwarza się materiały charakteryzujące się stosunkowo niską temperaturą topnienia i dobrą płynnością, zaliczane do klasy A: polipropylen (PP) i polietylen (PE). Materiały klasy B, takie jak polioksymetylen (POM) i polipropylen napełniony włóknem szklanym (PP + G), będą wpływały na skrócenie żywotności narzędzia ze względu na wyższą temperaturę topnienia, większą lepkość lub abrazyjność. Niektóre tworzywa termoplastyczne będą więc powodowały szybsze zużywanie się wydrukowanych form. Należy wspomnieć, że jest możliwe także wtryskiwanie materiałów przezroczystych. Materiały te wymagają zazwyczaj użycia wysoce wypolerowanych gniazd formujących i precyzyjnej kontroli temperatury, z tego względu uzyskane w taki sposób elementy wykazują mniejszą transparentność niż wytworzone za pomocą tradycyjnych narzędzi. W takim wypadku transparentność przezroczystych detali mogą poprawić dodatkowe zabiegi wykańczające po procesie wtryskiwania.

PROJETKOWANIE FORMY

Procedury stosowane podczas projektowania tradycyjnych form wtryskowych mogą też być wykorzystane do projektowania form wytwarzanych w technologii PolyJet, konieczne jednak są niewielkie zmiany uwzględniające mechaniczną, termiczną i wymiarową charakterystykę formy z tworzywa polimerowego. Modyfikacje takie obejmują m.in. zwiększenie kąta nachylenia ścian (rekomendowane przez producenta: 5°), ułatwiające usuwanie wtryśniętych elementów i ograniczające ryzyko zniszczenia formy. Wdrożenie tego typu procesu do struktury Przemysł 4.0 daje możliwość szybkiej wy-miany danych i informacji podczas procesu projektowa-nia, a także realizację wybranych operacji w tzw. czasie rzeczywistym [13, 14], umożliwiają też w szybki sposób wprowadzenie zmian konstrukcyjnych. Wynikające z symulacji i analizy zjawisk modyfikacje konstrukcyjne, np. niewielkie zaokrąglenie krawędzi cienkich elementów formy, pozwalają uniknąć koncentracji naprężeń w tych miejscach, powodujących miejscowe uszkodzenia formy. Dodatkowo należy unikać otworów o średnicach mniej-szych niż 0,8 mm. Ze względu na właściwości termiczne formy PolyJet, kanały konformalne zaprojektowane wewnątrz formy nie wpływają w istotnym stopniu na czas cyklu formowania lub na jakość części. Zastosowanie w tych rozwiązaniach systemów chłodzenia może jednak zwiększyć trwałość narzędzia nawet o 20 %. Znaczną poprawę trwałości formy można osiągnąć w warunkach niewielkiej głębokości gniazda formującego oraz małej wysokości rdzenia, ponieważ chłodzenie formy na większym jej obszarze jest łatwiejsze. Do drukowanych form zaleca się stosowanie wkładek, które m.in. umożliwiają kreatywne projektowanie pozwalające na uzyskanie detali o bardziej skomplikowanych kształtach, niwelują problem usuwania powietrza podczas wtrysku (w wypadku dużego gniazda można zastosować kanały wentylacyjne), poprawiają żywotność formy – drobne szczegóły ulegające zniszczeniu w pierwszej kolejności można wymienić na nowe, wydrukowane w nakładzie kilku sztuk.

MATERIAŁY NA FORMY

W zależności od dostępności producent urządzenia proponuje dwa różne materiały o właściwościach pozwalających na uzyskanie drukowanych form wtryskowych o pożądanych cechach. Rigur (RGD450) to materiał polipropylenowopodobny, trwały, stabilny wymiarowo, dający gładkie wykończenie powierzchni wydruków. Kolejny to materiał rekomendowany przez producenta na drukowane formy wtryskowe – Digital ABS (RGD5160) – zielony materiał cyfrowy wykorzystywany w technologii PolyJet, otrzymany przez zmieszanie RGD515 z RGD535 w trakcie procesu wytwarzania. Dzięki połączeniu dużej wytrzymałości i odporności na wysoką temperaturę materiał jest przeznaczony do symulacji standardowych tworzyw polimerowych, takich jak ABS (akrylonitryl-bu-tadien-styren).

WYKOŃCZENIE POWIERZCHNI

Gładkość powierzchni gniazda formującego formy wy-konanej w technologii PolyJet wpływa na kosmetyczny wygląd wtryśniętego elementu. Jeden z trybów budowania, stosowany w tej technologii, pozwala na uzyskanie gładkiej powierzchni wytworu. W wypadku konieczności stosowania struktur podporowych uzyskiwana warstwa wierzchnia wymaga jednak dodatkowych zabiegów wykańczających, takich jak np. piaskowanie powierzchni. Zabieg taki można również przeprowadzić na gład-kiej powierzchni wytwarzanej w trybie Glossy, w celu usunięcia typowego dla technologii przyrostowych efektu warstwowości. Przyczyni się to także do łatwiejszego usuwania wyprasek z formy.

Zgodnie ze wspomnianymi zasadami otrzymywania form wtryskowych w technologii PolyJet firma PROSOLUTIONS – oficjalny partner Stratasys GmbH w Polsce – wytwarza je usługowo. Rysunki 4, 5 i 6 przed-stawiają przykłady takich form wraz ze zrealizowanymi za ich pomocą wypraskami.

  • Artykuł zdjęcie nr 17
    Rys. 4. Widok wydrukowanej formy i formy z wypraską
  • Artykuł zdjęcie nr 18
    Rys. 5. Widok wydrukowanej formy i formy z wypraską
Artykuł zdjęcie nr 19
Rys. 6. Widok wydrukowanej formy i formy z wypraskam

STUDIUM PRZYPADKU

Firma Robert Seuffer GmbH & Co. z siedzibą w Niemczech produkuje czujniki, elektronikę i sterowniki do użytku w gotowych produktach, licznych elementach montażowych. Włodarze tej firmy zdecydowali o wytwarzaniu form wtryskowych w technologii PolyJet. Obecnie wyprodukowanie jednej formy wtryskowej PolyJet 3D kosztuje mniej niż 1400 $ i umożliwia:

– szybkie i ekonomiczne wytwarzanie nowych form, z możliwością modyfikacji na każdym etapie wdrażania projektu geometrii każdej z nich;

– zredukowanie bądź wyeliminowanie ręcznej zmiany geometrii formy finalnej;

– tworzenie z gotowych materiałów produkcyjnych prototypów o złożonej geometrii, cienkich ścianach i z drobnymi detalami;

– zbieranie rzeczywistych danych o wydajności produkcji znacznie szybsze niż kiedykolwiek wcześniej.

Rysunek 7 przedstawia przykładową formę wytworzoną przez firmę Seuffer w technologii PolyJet oraz uzyskane przy jej użyciu wypraski.

Artykuł zdjęcie nr 20
Rys. 7. a) Przykładowa forma wtryskowa wydrukowana w
technologii PolyJet, b) wypraski uzyskane przy jej użyciu

PODSUMOWANIE

Koncepcje i gotowe rozwiązania związane z Przemysłem 4.0 docierają do coraz szerszych kręgów polskich przedsiębiorców i ludzi biznesu. Wdrażanie za-sad czwartej rewolucji przemysłowej, oferującej istotne korzyści dla branży automatyzacji produkcji, coraz bar-dziej widoczne we współczesnej technice, ciągle jednak wymaga pokonania szeregu trudności. Przedstawiono alternatywną metodę wytwarzania narzędzi (form wtryskowych) opartą na technice szybkiego prototypowania PolyJet. Omówiono korzyści płynące z zastosowania ich w obszarze produkcji małoseryjnej. Zaprezentowano również przykładowe formy wytwarzane przez jedne-go z klientów firmy Stratasys. Technologie przyrostowe coraz częściej zajmują istotne miejsce w strukturze produkcyjnej Przemysł 4.0 w branży przetwórczej. Obecnie stosowane są do wytwarzania nie tylko prototypów, ale też gotowych produktów. Technologie przyrostowe RT (ang. rapid tooling) mogą służyć do otrzymywania narzędzi w produkcji seryjnej (narzędzia wytwarzane metodami spiekania proszków metali i obrabiane za pomocą systemów CNC), mogą też być wykorzystywane do wytwarzania narzędzi do produkcji małoseryjnej.

LITERATURA

[1] Strange R., Zucchella A.: Multinational Business
Review 2017, 25 (3), 174.
http://dx.doi.org/10.1108/MBR-05-2017-0028

[2] Lasi H., Fettke P., Kemper H.-G. i in.: Business &
Information Systems Engineering 2014, 6 (4), 239.
http://hdl.handle.net/10.1007/s12599-014-0334-4

[3] Kolberg D., Zuhlke D.: IFAC-PapersOnLine 2015, 48,
1870.
https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2015.06.359

[4] Paszkiewicz A., Bolanowski M.: “Towards a Synergistic
Combination of Research and Practice in
Software
Engineering” (Eds. Kościuszenko P.,
Madycki I.), Springer International Publishing, 2017,
str. 193–206.

[5] Bolanowski M., Paszkiewicz A.: “Software
Engineering Research for the Practice”, Polish
Information Processing Society, 2017, str. 151–160.

[6] Kroll J., da Silva Estácio B.J., Audy J.L.N.: “An Initial
Framework for Researching Follow-the-Sun Software
Development”, 9th International Conference on
Global Software Engineering (ICGSE), IEEE 2014.
http://dx.doi.org/10.1109/ICGSE.2014.21

[7] Fu Y., Liu Y., Liu D.: “An environment-based RBAC
model for internal network”, 1st International
Conference on Computer Communication and the
Internet (ICCCI), IEEE 2016.
http://dx.doi.org/10.1109/CCI.2016.7778884

[8] Ladyman J., Lambert J., Wiesner K.: European Journal
for Philosophy of Science 2013, 3 (1), 33.
http://dx.doi.org/10.1007/s13194-012-0056-8

[9] Choi H., Samavedam S.: Computers in Industry 2002,
47, 39.
http://dx.doi.org/10.1016/S0166-3615(01)00140-3

[10] Weyer S., Schmitt M., Ohmer M., Gorecky D.: IFAC-
-PapersOnLine 2015, 48, 579.
https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2015.06.143

[11] Dziubek T.: Polimery 2018, 63, 49.
http://dx.doi.org/10.14314/polimery.2018.1.8

[12] Stratasys. PolyJet for Injection Molding. Stratasys
Ltd. 2016.

[13] Stock T., Seliger G.: Procedia CIRP 2016, 40, 536.
https://doi.org/10.1016/j.procir.2016.01.129

[14] Aboulkhair N.T., Everitt N.M., Ashcroft I., Tuck C.:
Additive Manufacturing 2014, 1–4, 77.

blog

Science-fiction 3D w przemyśle, czyli korzyści i zastosowania wytwarzania przyrostowego.

, 0

W serialu „Star-Trek” w odcinku wyemitowanym w 1987 roku zaprezentowany został tzw. Replikator wytwarzający dowolny obiekt na życzenie. Każdy, kto wtedy wysunąłby tezę, że podobne urządzenia rodem z XXIV wieku będą używane w przemyśle już za kilkanaście lat na Ziemi, zostałby uznany za niespełna rozumu. Tymczasem obecnie druk 3D niesamowicie ułatwia pracę inżynierom, projektantom, zwiększa efektywność wielu gałęzi przemysłu i znakomicie uzupełnia wiele tradycyjnych metod produkcji.

Na wstępie należy zaznaczyć, że powszechnie stosowana nazwa „druk 3D” jest nieco niefortunna, gdyż kojarzy się z wynalazkiem Johannesa Gutenberga, a zatem metodą druku dwuwymiarowego. Trafną i profesjonalną nazwą druku przestrzennego jest wytwarzanie przyrostowe lub addytywne.
Wytwarzanie addytywne jest przeciwieństwem substraktywnego, którego najlepszym przykładem jest obróbka skrawaniem CNC.

Zamiast obrabiać lub „odejmować” materiał, aby uformować obiekt – podobnie jak rzeźbiarz wycina drewno lub usuwa glinę — druk 3D dodaje warstwę po warstwie materiału, aby zbudować obiekt, ale tylko tam, gdzie jest to potrzebne. Projektanci i inżynierowie produktów przesyłają plik cyfrowy (CAD) do drukarki 3D, która następnie wytwarza detal. Najczęściej stosowanymi materiałami są tworzywa termoplastyczne, ale technologia obejmuje także fotopolimery, żywice epoksydowe, metale i inne. Najnowocześniejsze biotusze, w których wykorzystuje się mieszaninę ludzkich komórek i żelatyny, są również wykorzystane do drukowania złożonych modeli tkanek w 3D. Nawet materiały jadalne, takie jak czekolada są używane w drukarkach 3D.

To, co odróżnia hobbystyczne drukarki od przemysłowych, to dużo większa dokładność, a także być może przede wszystkim, przewidywalność i powtarzalność wydruków.
Biorąc pod uwagę zastosowania przemysłowe i labolatoryjne, najbardziej popularne są technologie FDM, PolyJet oraz PBF. Pokrótce opiszę każdą z nich.

FDM ( ang. Fused Deposition Modelling ) opatentowana przez firmę Stratasys – pioniera w druku 3D, polega na osadzaniu kolejnych warstw modelu poprzez ekstruzję termoplastów przez rozgrzaną dyszę. Wykorzystywana jest do druku prototypów i gotowych narzędzi. Stosowane materiały wysokowytrzymałe (w tym niepalne, odporne na czynniki toksyczne, rozpraszające ładunki elektromagnetyczne) czy inżynieryjne znajdują zastosowanie praktycznie w każdej gałęzi przemysłu. Najciekawsze zastosowania obserwujemy w branży motoryzacyjnej, lotniczej, kosmicznej, medycznej i militarnej.

Polyjet, z kolei nieco przypomina klasyczny druk tuszem, tyle że zamiast nakładania kropli na papier, drukarka nakłada krople fotopolimeru na stół roboczy i utwardza go światłem UV. Ta niezwykle precyzyjna metoda drukowania części, narzędzi i prototypów pozwala na dokładne odwzorowanie nawet najtrudniejszych modeli dzięki drukowaniu z warstw już od wysokości 16 mikronów.

PBF ( ang. Powder Bed Fusion ) polega na selektywnym, warstwowym spiekaniu metalowego proszku przez laser. Wdrożenie druku 3D z metalu skraca czas produkcji, przyspiesza pracę inżynierów, zmniejsza straty materiałowe oraz umożliwia budowanie wytrzymałych konstrukcji metalowych z mniejszą ilością połączeń spawanych. Druk 3D z metalu pozwala również na tworzenie skomplikowanych i unikatowych konstrukcji, których wcześniejsza produkcja była zbyt czasochłonna lub wręcz niemożliwa.

Korzyści biznesowe płynące z zastosowania wytwarzania addytywnego to między innymi swoboda projektowania, skrócenie czasu cyklu produkcyjnego, redukcja kosztów, łatwa personalizacja i zróżnicowanie produktów oraz ekonomicznie opłacalna produkcja w małych i średnich seriach.

Zalety oprzyrządowania produkcyjnego drukowanego w 3D obejmują produkcję na żądanie, dostosowywanie i digitalizację projektów i nieskrępowaną elastyczność projektowania. Eliminuje to kosztownych dostawców, skraca czas realizacji zamówień, umożliwia cyfrowe magazynowanie i zwiększa efektywność hali produkcyjnej. Jeśli chodzi o utrzymanie ruchu, to druk 3D jest znakomitym rozwiązaniem do szybkiego dostępu do części zamiennych i ramion robotów niezbędnych dla funkcjonowania linii produkcyjnych. Ramiona robotów wykonane w technologii FDM przy użyciu wytrzymałych materiałów są lżejsze od swoich metalowych odpowiedników i dorównują im wytrzymałością. Mogą mieć ukryte w swej strukturze kanały oraz minimalizują uszkodzenia innych elementów linii w przypadku kolizji.

W porównaniu do tradycyjnych metod produkcji, takich jak obróbka CNC czy formowanie wtryskowe, druk 3D jest znacznie szybszy w przypadku niskich wolumenów, a także znacznie tańszy.

Wprowadzanie nowych produktów na rynek jest znacznie przyśpieszone. W czasie potrzebnym do wykonania klasycznej formy wtryskowej, drukarka może wykonać wiele zróżnicowanych prototypów za znacznie mniejszą cenę. Wysoce realistyczne prototypy wydrukowane na wielokolorowych materiałach wyglądają i odzwierciedlają wiele cech produktu końcowego. Pozwala to na podejmowanie szybszych i lepszych decyzji.

Ciekawe zastosowania druku 3D obserwujemy w lotnictwie gdzie materiały muszą spełniać rygorystyczne kryteria. W 2020 roku Siły Powietrzne Stanów Zjednoczonych rozpisały konkurs na alternatywne rozwiązania inżynieryjne dotyczące zacisków hydraulicznych do przewodów eksploatowanych tysiącami w myśliwcach F-16. Zespół używający drukarki Stratasys Origin One wygrał konkurs, a ostateczna, zoptymalizowana konstrukcja zacisku dla zastosowanego w samolocie F-16 podwoiła wytrzymałość oryginalnej części, przy mniejszej wadze.
W wojskowości maszyny 3D pozwalają na druk części zamiennych w bezpośrednim zapleczu działań wojennych.

Przykładem z branży kosmicznej są wydrukowane w technologii FDM wielowiązkowe układy anten fazowych do programu NASA COSMIC-2 lub około 70 części łazika marsjańskiego, które spełniły wymagania wytrzymałości na marsjańskim terenie.

W medycynie zaś wykorzystywane są certyfikowane materiały biokompatybilne to znaczy dopuszczone do kontaktu ze skórą, kośćmi, błoną śluzową i mogące być poddawane sterylizacji. Wykorzystywane są do tworzenia biomechanicznie dokładnych, wieloteksturowych modeli anatomicznych takich jak: kręgosłupy, kręgi, dyski, korzenie nerwowe czy serca z wysoką dokładnością strukturalną i biomechaniczną. Te bardzo dokładne, realistyczne i funkcjonalne modele umożliwiają symulację procedur klinicznych, takich jak wiercenie i rozwiercanie, cięcie, szycie czy też przeprowadzanie testów przedklinicznych i badań naukowych z wykorzystaniem modeli reagujących na promieniowanie, które można poddać obrazowaniu CT lub rentgenowskiemu.

Wytwarzanie przyrostowe, czyli technologia 3D to narzędzie, które może mieć znaczący wpływ na rozwój wielu branż, takich jak medycyna, lotnictwo, motoryzacja czy produkcja. Dzięki niemu można tworzyć bardziej złożone, lekkie i wytrzymałe konstrukcje, oszczędzać materiały i czas, a nawet ratować ludzkie życie. Science-fiction 3D w przemyśle to nie tylko marzenie futurystów, ale już realna rzeczywistość i wyzwanie dla nauki, biznesu i społeczeństwa. Jest to narzędzie pozwalające, jak to powiedział dr Zefram Cochrane w 2119 roku: „Śmiało kroczyć tam, gdzie nie dotarł jeszcze żaden człowiek”.

Autor: Piotr Hanyga.
Wpis ukazał się pierwotnie w raporcie o druku 3D na stronie Raport: różnorodne zastosowania druku 3D w przemyśle | Utrzymanie Ruchu