Hızlı Prototipleme. Yeni Malzemeler ve Üretim Yöntemleri. Prof. Dr. Sakin ZEYTİN

Transkript

1 Hızlı Prototipleme Yeni Malzemeler ve Üretim Yöntemleri Prof. Dr. Sakin ZEYTİN

2 HIZLI PROTOTİPLEME (RAPID PROTOTYPING) 1. Hızlı Prototip yapımının esasları 2. Hızlı Prototip yapım teknolojileri 3. Hızlı Prototiplemenin uygulama ve faydaları news.thomasnet.com/fullstory/451186

3 Hızlı Prototipleme (RP) Cismin CAD modelini baz alan minimum zaman kullanarak mühendislik prototipleri yapmak için geliştirilmiş bir üretim prosesleri ailesi Geleneksel metot talaşlı işleme (machining) Uzun ön hazırlık (tasarım-prototip yapımı-üretime geçinceye kadarki zaman) birkaç hafta-birkaç ay olabilir. Parçanın kompleksliği ve sipariş malzemesinin zorluğuna bağlı. RP parçanın yapılması, bir CAD sistemi üzerinden üretilen parçanın bilgisayar modelinin yapılmasını kapsayan saatler veya günler boyutunda bir zamana ihtiyaç vardır.

4 Why is Rapid Prototyping Important? Ürün tasarımcıları yeni bir parça veya ürün tasarımının bir bilgisayar modeli veya çiziminden ziyade fiziksel modeline sahip olmak isterler. Bir prototip yaratma tasarımda bir integral (bütüne giden) adımdır Bir sanal prototip (parçanın CAD modeli) parçanın uygun şekilde görünürleşmesine (hayal edilmesine) tasarımcı için yeterli olmayabilir Prototip yapmak için RP kullanarak, tasarımcı parçayı görebilir ve hissedebilir, onun iyi ve kusurlu yanlarını değerlendirebilir

5 RP İki temel kategori: Hızlı prototiplemenin iki temel kategorisi vardır: 1. Malzeme kaldırılan RP talaşlı işleme, tasarım departmanında mevcut bu iş için ayrılmış CNC makine kullanılarak, Başlangıç malzemesi çoğunlukla mum İşlenmesi kolay Ergitilebilir ve tekrar katılaştırılabilir CNC makinaları çoğunlukla küçük-masaüstü işleme 2. Malzeme katılan RP katı parçayı aşağıdan yukarı inşa etmek için malzeme tabakalarının ilave edilmesi

6 Malzeme Katılan RP de Başlangıç Malzemeleri 1. Sıvı monomerler- Katı polimer üzerine tabaka tabaka kürlenerek katılır 2. Tozlar- Toplanır/yığılır ve tabaka tabaka bağlanır 3. Katı levhalar katı parçayı oluşturmak için kat kat dizilirler İlave Metotlar Başlangıç malzemelerine ilave olarak, değişik malzeme katma teknolojileri katı parçayı oluşturmak üzere farklı tabaka katma ve inşa metotları kullanırlar. Başlangıç malzemeleri ve parça inşa teknikleri arasında bir korelasyon vardır.

7 Kontrol talimatlarını hazırlama adımları 1. Geometrik modelleme onun çevrili hacmini tanımlamak için bir CAD sistem üzerine parçanın modelinin oluşturulması 2. Geometrik modelin desenlenmesi (Tessellation) CAD model bilgisayar formatına çevrilir, onun yüzeyleri fasetler ile eşleştirilir (yaklaştırılır) (üçgen veya çokgen olarak) 3. Model tabakalara dilinir bilgisayar modeli sıkı-boşluksuz- paralel yatay tabakalar şeklinde dilimlenir (bölünür)

8 Final ürün Kırmızı:parça Yeşil: destek

9 Proses sonrası işlemler Platformdan parçanın alınması Parçadan desteğin alınması Parçanın temizlenmesi (silme, temizleme, kurulama, r... ) Son işlemlerfinishing part (kürleme, kumlama, parlatma vb. )

10 Katı model tabakaları Bir cismin katı modelinin tabakalara dönüştürülmesi (sadece bir tabaka gösterilmiş)

11 Hızlı prototipleme hakkında RP nin alternatif isimleri: Tabakalı üretim (Layer manufacturing) Direk CSD üretim (Direct CAD manufacturing) Katı freeform üretim (Solid freeform fabrication) Hızlı prototipleme ve üretim (Rapid prototyping and manufacturing -RPM) RP teknolojileri sadece prototip üretiminde değil, artan bir şekilde parça üretimi yapmada ve takım üretimi yapmada kullanılmaya başlanmıştır.

12 RP teknolojilerinin sınıflandırılması Bugüne kadar gelişmiş RP tekniklerini sınıflandırmak için çeşitli yollar vardır: Burada başlangıç malzemesini esas alan bir sınıflandırma kullanılmaktadır: 1. Sıvı bazlı 2. Katı bazlı 3. Toz bazlı

13 Sıvı bazlı RP sistemleri Başlangıç malzemesi bir sıvıdır Bu kategoride bir düzine RP tekniği vardır. Birkaç tanesi: Stereolitografi (Stereolithography) Katı zemin kürlemesi (Solid ground curing) Damla biriktirme üretimi (Droplet deposition manufacturing)

14 Stereolitografi (STL) Polimeri katılaştırmak için direkt bir lazer ışını kullanarak fotosensitif (ışığa duyarlı) bir sıvı polimerden katı plastik parça üreten RP prosesi Parça üretimi bir seri tabaka ile başarılmaktadır-her tabaka yavaş yavaş 3D geometriyi inşa etmek için bir önceki tabaka üzerine katılmaktadır. İlk malzeme katılan RP teknolojisidir de 3D System Inc.tarafından (Charles Hull) geliştirilmiştir. Diğer RP metotlarından daha fazla kuruludur.

15 Stereolitografi Stereolitografi: (1) prosesin başlangıcı, ilk tabaka platforma katılmıştır, ve (2) çeşitli tabakalar ilave edilmiş parça geometrisi yavaş yavaş şeklini almıştır.

16 Stereolitografi ile üretilmiş bir parça (photo courtesy of 3D Systems, Inc.).

17 STL hakkında gerçekler Her bir tabaka mm ile 0.50 mm kalınlıktadır Daha ince tabakalar daha iyi çözünürlük sağlar ve daha karmaşık şekillerin üretilmesine izin verir, fakat işlem süresi uzar. Başlangıç malzemeleri sıvı monomerlerdir. Polymerizasyon lazer tarayıcı ışın ile üretilen UV ışığına maruz kalmakla meydana gelir. Tarama hızları~ 500 to 2500 mm/san.

18 STL de parça inşa süresi Bir tek tabakanın tamamlanması için süre: Burada A vd i T i = + T T i = tabakanın tamamlanma süresi; A i = Tabaka alanı; v = yüzeyde lazer demetinin ortalama tarama hızı, D = lazer demet çapı spot size, dairesel kabul ediliyor; ve T d = tabakalar arasında iş tablasının tekrar pozisyon alması için geçen (gecikme) zamanı d

19 STL de parça inşa süresi Tüm tabakalar için Ti değerleri belirlenince, buradan inşa çevrim süresi, Tc: buradat c = STL inşa çevrim süresi; ve n l = parçayı tamamlamak için kullanılan tabaka sayısı n T c T i = i Bir parçayı inşa etmek için gerekli süre basit geometrili küçük parçalar için bir saatten başlayarak kompleks parçalar için birkaç on saate kadar olabilir i = 1

20 Katı zemin kürlemesi (Solid Ground Curing -SGC) Stereolitografi gibi, SGC de fotosensitif bir polimer kullanır. SGC CAD geometrik datası üzerine kurulmuş bir katı model oluşturmak için ışığa duyarlı polimer tabaka tabaka kürlenerek gerçekleştirilir. Verilen bir tabakayı kürlemek için bir taramalı lazer demeti kullanmak yerine, tüm tabaka sıvı polimer üzerindeki bir maske yardımıyla bir UV kaynağına maruz kalmaktadır. Sertleşme süresi her bir tabaka için 2-3 saniyedir.

21 Katı zemin kürlemesi (SGC) Her bir tabaka için SGC adımları: (1) maske hazırlama, (2) sıvı fotopolimer tabakasının uygulanması,(3) maskenin tabaka üzerine yerleştirilmesi ve maruz kalması, (4) kürlenmemiş polimerin yüzeyden kaldırılması, (5) mum doldurma, (6) düzleştirme ve kalınlık için milling.

22 SGC hakkında gerçekler Her bir tabaka yaklaşık 90 san alır SGC ile bir parçanın üretilmesi için gerekli sürenin diğer RP sistemlerinden yaklaşık 8 kat daha kısa olduğu iddia edilmektedir SGC de oluşturulan katı kübik bir form polimer ve mumdan ibarettir. Mum üretim sırasında parçanın kırılgan ve sarkık kısımlarını desteklemeyi sağlar, fakat desteksiz duran parçadan ayrılması için daha sonra eritilebilmelidir.

23 Damla Biriktirme Üretimi (Droplet Deposition Manufacturing -DDM) Başlangıç malzemesi ergitilmiştir ve küçük damlacıklar bir nozul yardımıyla daha önce oluşmuş tabaka üzerine düşürülürler. Damlacıklar yeni bir tabaka oluşturmak üzere yüzeye soğuk kaynaklanırlar Her bir tabakanın biriktirilmesi hareketli bir x-y nozul ile kontrol edilmektedir, nozulun yolu tabakalara bölünmüş bir CAD geometrik modelinin kesiti üzerine kurulmuştur. İş malzemeleri mum ve termoplastik polimerlerdir.

24 Katı bazlı RP sistemleri Başlangıç malzemesi bir katıdır Katı bazlı RP sistemleri şu prosesleri kapsar: Tabakalı cisim üretimi (Laminated object manufacturing) Eriyik biriktirme modeli (Fused deposition modeling)

25 Tabakalı cisim üretimi (LOM) Katı fiziksel model istiflenmiş bir levha (sheet) stokunun tabakaları ile yapılır, her bir levha stok tabakası tabakalara dilinmiş bir CAD modelinin kesitinin bir taslağıdır. Başlangıç levha stoğu kağıt, plastik, selüloz, metal veya fiber takviyeli malzeme olabilir Tabakalar (sheet) çoğu kere iki makara arasında sarılmış olan merdaneler yardımıyla platform üzerine beslenmektedir. Kesme sonrasında, tabakadaki fazla malzeme inşa sırasında parçayı destekleyecek durumda kalır.

26 Tabakalı Cisim Üretimi (LOM) Laminated object manufacturing.

27 Eriyik Biriktirme Modeli (Fused Deposition Modeling - FDM) Mum veya polimerin bir uzun filamanı her bir yeni tabakayı tamamlamak için bir iş kafasından mevcut parça yüzeyi üzerine ekstrüde edilmektedir. workhead İş kafası her bir tabakanın oluşturulması sırasında x-y düzleminde kontrol edilmekte ve sonra z yönünde bir tabakaya eşit bir mesafede (kalınlık) hareket etmektedir. Ekstrüde olmuş filaman (extrudate) yaklaşık 0,1 saniyede soğuk parça yüzeyinde katılaşır ve soğuk kaynaklanır. Parça tabandan yukarı tabaka tabaka bir prosedür kullanılarak üretilmektedir.

28 Fused Deposition Modeling

29 Toz bazlı RP sistemleri Başlangıç malzemesi tozdur. Toz bazlı RP sistemleri aşağıdakileri içerir: Seçimli lazer sinterlemesi (Selective laser sintering) Üç boyutlu baskı (Three dimensional printing)

30 Seçimli lazer sinterlemesi (SLS) Hareketli lazer demeti, katı parçayı inşa etmek üzere, belli bir zaman içinde bir tabaka olacak şekilde CAD geometri modeline uygun alanlarda ısı etkisi ile eriyebilen tozları sinterler Her bir tabaka tamamlandıktan sonra, yeni bir gevşek toz tabakası yüzey üzerine serilir Tabaka tabaka, 3-D geometrisini oluşturan katı bir kitle halinde lazer demeti ile tozlar tedricen bağlanır. Sinterlenmemiş alanlarda, toz gevşektir ve tamamlanmış parçadan dökülebilir.

31 Selective Laser Sintering

32 Üç boyutlu baskı (3DP) Parça başarılı toz tabakaları üzerinde adhezif bağlanma malzemesini dik tutmak için mürekkep püskürtmeli bir printer kullanarak tabaka tabaka inşa edilmektedir Bağlayıcı CAD geometrik modelini tabakalara bölmek suretiyle belirlenmiş olarak, parçanın kesitine uygun alanlarda biriktirilmektedir. Bağlayıcı katı parçayı oluşturmak için tozları bir arada tutar, bağlanmamış tozlar gevşek kalır ve daha sonra uzaklaştırılır. Parçayı daha fazla mukavemetlendirmek için, bir sinterleme adımı tek tek tozları bağlamak için uygulanabilmektedir.

33 Üç boyutlu baskı Three dimensional printing: (1) toz tabakası biriktirilir, (2) parça olacak alanların mürekkep-püskürtme baskısı, ve (3) piston sonraki tabaka için aşağıya hareket ediyor (v = hareket).

34

35 RP Uygulamaları Hızlı prototiplemenin uygulamaları üç kategoride toplanabilir: 1. Tasarım 2. Mühendislik analizi ve planlama 3. Takım yapımı ve üretim

36 Tasarım uygulamaları Tasarımcılar RP kullanarak minimum zamanda bir gerçek fiziksel modeli inşa etmek suretiyle tasarımlarını teyit edebilirler Hızlı prototiplemenin tasarım faydaları: Daha kısa sürede prototip oluşturma Parça geometrisini görünür kılmak için daha iyi bir teknik Tasarım hatalarının erken teşhisi Kütlesel özellikleri hesaplamak için daha fazla imkan

37 Mühendislik Analizi ve Planlama Parçanın varlığı fiziksel varlığın olmaması haline göre belirli mühendislik analiz ve planlama aktivitelerinin başarılmasına izin verir Estetik karar vermek için farklı şekil ve stillerin karşılaştırılması Aerodinamik şekillerin rüzgar tüneli testi Fiziksel modelin gerilme analizi Proses planlama ve takım tasarımı için üretim öncesi fabrikasyon

38 Takım Uygulamaları Hızlı prototipleme takım üretimi için kullanılırsa hızlı takım yapımı (rapid tool making (RTM)) adını alır Takım yapımı için iki yaklaşım var: 1. Indirekt RTM metodu 2. Direkt RTM metodu

39 Indirect RTM Method Pattern RP ile oluşturul ve takım yapımı için kullanılır Örnekler: Kum döküm ve hassas döküm için patternler (şablonlar) EDM için elektrotlar

40 Direct RTM Method RP doğrudan takımın kendini yapmak için kullanılır. Örnek: metal tozlarından bir kalıp oluşturmak için üç boyutlu baskı (3DP) ve takiben kalıbı tamamlamak için sinterleme ve infiltrasyon.

41 Üretim uygulamaları Yüksek kalıp maliyetleri nedeniyle enjeksiyon kalıplama yolu ile ekonomik olmayan küçük miktarda plastik parça üretimi Geleneksel tekniklerle ilave aksesuar olmadan yapılamayn karmaşık iç geometrili parçalar Her bir kullanıcı için tam-doğru boyutta yapılması gereken örneğin kemik replasman parçaları gibi özellikli parçalar

42 Hızlı prototiplemede problemler Parça hassasiyeti: Tabakalı yapı nedeniyle eğimli parça yüzeylerinde merdiven (basamaklı) görünüm Hızlı prototip parçaların büzülme ve distorsiyonu RP malzemelerinin sınırlı çeşitliliği Üretilmiş parçaların mekanik performansı RP prosesinde kullanılan malzemeler ile sınırlıdır

43 Example 0 What is the common approach used in all of the material addition technologies to prepare the control instructions for the RP system? Answer. The text describes the common approach as a three step process: (1) Geometric modeling, which consists of modeling the component on a CAD system to define its enclosed volume; (2) tessellation of the geometric model, in which the CAD model is converted into a format that approximates its surfaces by facets (triangles or polygons); and (3) slicing of the model into layers that approximate the solid geometry.

44 Example 1 A prototype of a tube with a square cross section is to be fabricated using stereolithography. The outside dimension of the square = 100 mm and the inside dimension = 90 mm (wall thickness = 5 mm except at corners). The height of the tube (zdirection) = 80 mm. Layer thickness = 0.10 mm. The diameter of the laser beam ( spot size ) = 0.25 mm, and the beam is moved across the surface of the photopolymer at a velocity of 500 mm/s. Compute an estimate for the time required to build the part, if 10 s are lost each layer to lower the height of the platform that holds the part. Neglect the time for post-curing. Solution: Layer area A i same for all layers. A i = = 1900 mm 2 Time to complete one layer T i same for all layers. T i = (1900 mm 2 )/(0.25 mm)(500 mm/s)+ 10 s = = 25.2 s Number of layers n l = (80 mm)/(0.10 mm/layer) = 800 layers T c = 800(25.2) = 20,160 s = min = 5.6 hr

45 Example 2 The part in Problem 33.1 is to be fabricated using fused deposition modeling instead of stereolithography. Layer thickness is to be 0.20 mm and the width of the extrudate deposited on the surface of the part = 1.25 mm. The extruder workhead moves in the x-y plane at a speed of 150 mm/s. A delay of 10 s is experienced between each layer to reposition the workhead. Compute an estimate for the time required to build the part. Solution: Use same basic approach as in stereolithography. Layer area A i same for all layers. A i = = 1900 mm 2 Time to complete one layer T i same for all layers. T i = (1900 mm 2 )/(1.25 mm)(150 mm/s)+ 10 s = = s Number of layers n l = (80 mm)/(0.20 mm/layer) = 400 layers T c = 400(20.133) = s = min = 2.24 hr