Ugrás a tartalomhoz

A polimertechnika alapjai

Czvikovszky Tibor, Nagy Péter, Gaál János (2007)

Kempelen Farkas Hallgatói Információs Központ

15.2 Prototípus gyártási technológiák

15.2 Prototípus gyártási technológiák

15.2.1 Számítógéppel vezérelt forgácsolás

A fémalkatrészek CAD/CAM gyártási módszerei lehetőséget nyujtanak a prototípus megvalósítására is a korszerű számjegyvezérelt (NC) forgácsoló automatákon. A prototípus készítés e módszere természetesen a polimer alkatrész forgácsolással történő kialakítását is lehetővé teszi a végső műszaki polimert megközelítő tulajdonságú műanyag-tömbből. A poliamidok, a poliolefinek közül a HDPE és a PP, a fluorpolimerek, a poliakrilátok és poliacetálok mind alkalmasak a forgácsolásra. Ez a prototipus gyártás természetesen csak akkor valósítható meg, ha a konstrukciót magát a forgácsolás legáltalánosabb módszeréhez, a maráshoz alkalmassá tették. A CAD módszerekkel felvázolt alkatrész felületi- vagy felületekre bontott térbeli modelljében a görbületeket úgynevezett bázis-spline-okkal (B-splines) vagy Non Uniform Rational B-Spline-(NURBS)-görbékkel érdemes közelíteni. Ezek műszaki, technológiai logikáját sajátos geometriai törvényszerűségük indokolja. (Ilyen görbületeket vesz fel pl. a szabálytalanul, rendszertelenül bevert szeg-„erdő” közé beillesztett acélvonalzó). Bezárt üregek kialakitása forgácsolással természetesen (geometriai) akadályokba ütközhet.

A számítógéppel vezérelt prototípus gyártás forgácsoló módszerének folyamatát a 15.4 séma szemlélteti. Fontos lépés (a 3. lépés) ebben a folyamatban a megmunkálási adatoknak az adott megmunkáló géptől független formába vitele. Ezeknek a CL DATA adatoknak (Cutter Location Data, a vágószerszám elhelyezkedésének, lokalizációjának adatsora) feldolgozását ma már szabványok rögzítik, ugyanúgy, ahogyan a megmunkálási folyamat meghatározását, a kódolt vezérlési adatoknak az adott gépbe történő bevitelét is.

A komplex geometriájú alkatrészek megmunkálásánál a jövőben célszerű a CAD-CNC rendszert CAD/CAM munkaállomással integrálni. A jövő a közvetlen számjegy-vezérlésű (Direct Numerical Control, DNC) gépek felé mutat.

A forgácsolással készülő prototipus gyártás sémája

15.4 ábra:A forgácsolással készülő prototipus gyártás sémája [15.5]

15.2.2 Lézer sztereolitográfia (SLA)

A polimerizációhoz kapcsolódó prototípus előállítási technikák a fémből készült forgácsolásnál sokkal hatékonyabb, gyorsabb eljárásokat kínálnak. A polimer alapanyagából kiinduló, illetve polimer szerkezeti anyagot felépitő rapid prototyping eljárásnak az előnye nyilvánvaló a polimer alkatrészek prototípusainak elkészítésénél.

Először tekintsük át a forgácsolással ellentétes anyagfelhordással felépített prototípus előállítási módszerek általános sémáját.

A gyors prototípusgyártás elve: a rétegekre bontás és felépítés

15.5 ábra:A gyors prototípusgyártás elve: a rétegekre bontás és felépítés [15.11]

A prototípus alapja tehát egy számítógépen megtervezett termék vagy alkatrész-terv: CAD-modell, amely az alkatrész minden geometriai adatát réteges bontásban is tartalmazza. A lézer sztereolitográfia technikája, amelyet az USA-ban fejlesztettek ki, és amely az 1990-es évek óta terjedőben van, a sugárzással iniciált polimerizációt alkalmazza.

Az oligomerek sugárzással iniciált térhálós polimerizációja sok más polimertechnikai eljárásban is elterjedt. Az UV-fény, a gamma-foton, az elektron-nyaláb (Electron Beam, EB), vagy a lézersugár ugyanolyan hatású a polimerizációs láncreakcióra képes monomerekre vagy oligomerekre, mint a kémiai iniciátor: a kétfunkciós monomer (oligomer)-rendszereket láncpolimerré alakítja, a (legalább) háromfunkciós monomereket és oligomereket pedig térhálósitja. A lézer és a többi sugárzás nagy hatékonysága, igen kis energiabefektetéssel is megvalósuló magas hatásfoka a térhálósitásban azon alapszik, hogy a nagy energiájú foton csak az első lépést: az iniciálást kell, hogy megtegye. A láncnövekedés, a propagáció már az így elindított láncreakció eredménye (lásd: 2.2.3 fejezet, 26. oldal), ehhez nincs szükség további energiabefektetésre. A vékony rétegek sugárzásos polimerizációján illetve térhálósításán alapszik a mikroelektronikai alkatrészgyártásban, a számitógépünk ”agyát” képező integrált áramkörök előállításánál nélkülözhetetlen negatív rezisztlakkok működése, vagy pl. az öntapadó cimkéket hordozó és hasonló funkciójú release-filmek bevonása, és sok más bevonatkészítési, lakkozási eljárás. Sugárzásos polimerizációt alkalmaznak akkor is, amikor a korszerű fogászati tömőanyagot, ill. fogpótló anyagot miniatür UV-sugárforrással a szájüregben a fogorvos kikeményíti, térhálósítja.

A lézer-sztereolitográfiában a számítógéppel vezérelt lézersugár a nagy pontossággal kirajzolt rétegben sugárzással iniciált térhálós polimerizációval építi fel a 3D alkatrészt. Az alkatrész rétegekre bontott számítógépi képe vezérli a lézersugarat, tipikusan a 325 nm hullámhosszú He-Cd lézert (lásd 15.6 ábra), vagy a 364 nm hullámhosszú Ar-Ion lézert.

He-Cd lézer sugárforrás a sztereolitográfiához

15.6 ábra:He-Cd lézer sugárforrás a sztereolitográfiához [15.11] a)szigetelés, b)He-nyomásérzékelő, c) fűtés, d) hőmérsékletfüggő membrán e) kivezetés a He palack felé, f) nagy visszaverőképességű tükör, g) retesz (blende) h) katód i)kisülési cső, j) a kadmiumtároló fűtése, k) kadmiumtároló, l) Cd, m) anód, n) részben áteresztő tükör

A lézer sugárforrások tipikus teljesítménye a sztereolitográfiában 10 és 500 mW közötti, a nyaláb fókuszáltsága akár 0,1 mm-nél is pontosabb lehet, behatolási mélysége az alkalmazott oligomer-alapanyagban tipikusan 0,1–0,3 mm.

A felépítendő polimer alapanyaga: folyékony oligomer, tipikusan epoxi-akrilát, vagy uretán-akrilát, térhálósodásra alkalmas kettős kötésekkel.

Tipikus epoxi-(di)akrilát:

Tipikus epoxi-(di)akrilát

Egy tipikus uretán (di)akrilát:

Tipikus uretán (di)akrilát

A lézer-sztereolitográfia elvi vázlatát a 15.7 ábrán láthatjuk.

A lézer sztereolitográfiás berendezés (SLA) vázlata

15.7 ábra:A lézer sztereolitográfiás berendezés (SLA) vázlata 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)

Az eljárás lényegében két lépésből áll. Az első lépés a folyadékfürdőben a szilárd alkatrész felépítése az oligomer térhálósítása útján. A második lépésben ezt a megszilárdult polimer prototípust kiemeljük és még utókezelésnek vetjük alá.

Az alaplemez, amelyre a prototípus felépül, bemerül a reaktív oligomer (pl. epoxiakrilát) folyadékfürdőjébe, úgy, hogy induláskor csak 0,1 – 0,3 mm vastag folyadékréteg lepi el. A lézersugár mintegy 500 mm/s sebességgel rajzolva felépíti az 0,1–0,3 mm vastag első réteget. Ezután az alaplemez egy lépcsővel (újabb 0,1 – 0,3 mm-el) lejjebb merül, és a lézersugár újabb réteget térhálósítva felépíti a prototipus újabb rétegét. Ebben a folyamatban pl. az Electro Optical Systems (ZEISS) GmbH STEREOS Desktop S modell-je amely 250x250x250 mm maximális méretű prototípus alkatrészt készíthet, (325 nm-en működő, 40 mW teljesítményű He-Cd lézer-rel) egy réteg felépítéséhez kb. 20–120 s időt használ, így egy tipikus 65 g-os (65 cm3-es) polimer alkatrész prototípust kb. 1 óra alatt épít fel.

A berendezés fő részei:

  • megvilágító (a LASER egység),

  • folyadékfürdő a mozgatható alaplemezzel és újra-bevonó berendezéssel (re-coating unit),

  • a folyamatirányító computer (a CAD munkaállomással együtt)

  • utókezelő berendezés: hőkezelő, UV-kezelő, tisztító, (ultrahangos), üvegpor-szóró felületkezelő stb.

A Desktop berendezés tehát egy laborasztalon elhelyezhető (mérete kb. 1200x550x1000 mm3) kb. 200 kg súlyú, ára az 1990-es évek végén kb. 400 000 DM. Jelentős költségtényező az oligomer ára, ami 300 DM/kg feletti is lehet, így a működtetés önköltsége kb. 200 DM/óra.

A sztereolitográfiával előállított polimer alkatrész prototípus tehát térhálósított epoxiakrilát gyanta, vagy hasonló, nagy szilárdságú darab, amely megfelelő felületkezelés után nemcsak a „design” a formatervezés megjelenítését, hanem bizonyos funkcionális vizsgálatokat is szolgálhat. A natúr állapotban csontszínű, áttetsző műanyag darab jól megjeleníti az alkatrész belső szerkezetét is, és üreges alkatrészek előállításának sincs akadálya. A leképezett, megvalósított prototípus mérettűrési pontossága tipikusan 0,1 mm-es, ami egyrészt a lézernyaláb fókuszáltságából adódik. Az alkalmazott oligomerek egyelőre igen magas költsége a „közönséges” epoxigyantákhoz, poliuretánokhoz képest (6–10 DM/kg) tartalmazhatja az eljárás újdonság-értékét is. Az 1990-es évek végén ilyen sztereolitográfiás gyors prototípus gyártó berendezésből már több mint 200 működött Ny-Európában és É-Amerikában. Figyelembe véve az alapberendezés magas amortizációját, a lézerforrás korlátozott élettartamát (2000 óra) és a monomer árát, egy tipikus 100 g-os prototípus darab ára könnyen eléri az 1000 DM-os nagyságrendet, de korszerű gyártmánytervezésben ez a költség bőven megtérül.

15.2.3 Szelektív lézer-szinterezés (SLS)

A polimerek szelektív lézer szinterezésével előállítható prototípus gyártási technikája a lézer sztereolitográfiához hasonlít: mozgó asztalra lézersugár építi fel rétegenként a műanyagdarabot azzal a lényeges különbséggel, hogy

  • nem folyadékot polimerizál, hanem kész (hőre lágyuló) polimer por-szemcséket olvaszt össze, s ehhez

  • nem 40 - 400 mW teljesítményű, hanem jóval nagyobb, tipikusan 50 W teljesítményű CO2 lézert használ.

Szelektív lézer szinterező (SLS) berendezés vázlata

15.8 ábra:Szelektív lézer szinterező (SLS) berendezés vázlata 1) CO2 lézer, 2) fókuszáló lencsék, 3) tükör, 4) szinterezetlen por, 5) modell, 6) terítőhenger, 7) alaplemez, 8) adagoló tartályok

Az eljárásban felhasznált hőre lágyuló polimer por lehet PA, PC, ABS , PVC, de alkalmazhatunk fémport is, vagy kötőanyaggal bevonatolt kerámia porokat is. A polimer-porok lézer-szinterezésénél nincs szükség utókezelésre, hiszen itt nincs szó térhálósításról. A kb. 0,5 mm-méretűre fókuszált lézersugár nyaláb (a CO2 laser hullámhossza 10,64 µm) 0,05 mm–0,25 mm közötti méretpontosságú prototípus gyártást tesz lehetővé. A lézersugár 1000 mm/s sebességgel pásztáz, így tipikusan néhányszor tiz másodperc alatt épít fel egy 0,15 mm-nél vastagabb réteget, és egy 25 mm magas bonyolult alkatrészt prototípusa kevesebb, mint 1 óra alatt elkészül.

Az eljárásban tehát minden réteg „összeolvasztása” után a félkész alkatrészt újabb porréteggel borítunk be, majd a pásztázott lézersugárral ráolvasztjuk a következő réteget. A rárétegezés tipikusan egy hengerrel történik. Az eljárás előnye a sztereolitográfiával szemben az is, hogy itt nem kell a készülő alkatrészt a folytonosan süllyedő alaplemezhez kötni: a félkész prototípus megül a nem-összeolvasztott, tömörített polimer-por ágyazatban.

Egy szelektív lézer szinterező gép felépítése

15.9 ábra: Egy szelektív lézer szinterező gép felépítése (SINTERSTATION 2000 DTM) [15.11]

15.2.4 Térbeli nyomtatás (3D printing)

A térbeli nyomtatás (3D PRINTING) eljárás elve

15.10 ábra:A térbeli nyomtatás (3D PRINTING) eljárás elve 1) porfelvitel az előző rétegekre, 2) kötőanyag elhelyezése a modell metszetén, 3) porfürdő süllyesztése

Mint az SLS szinterezésnél, a térbeli nyomtatásnál is poralakú alapanyagot kötünk meg, de a lézersugár egység helyett a „tintasugaras” nyomtató egységhez hasonló – abból kifejlesztett – számítógép-vezérelt nyomtatófej működik. Ez apró cseppenként kötőanyagot (ragasztóanyagot) lövell a poralakú alapanyagra, így készítve el, megint csak rétegenként a prototípust.

Az új eljárást eddig leginkább kerámiára alkalmazták: kerámiaformákra és kerámiamagokra a fémöntészethez. Az alkalmazott por: Al2O3, Al-SiO2, a kötőanyag is SiO2 tartalmú, a rétegvastagság: 0,18 mm, a tintasugaras „ágyú” sebessége 0,1 - 20 m/sec. Tipikus „felépítési” sebesség: diszkrét minta esetén 20 mm/h, folytonos minta esetén 270 mm/h.

15.2.5 Ömledékrétegezés (Fused Deposition Modelling, FDM)

Az előbbi eljárásokban közös az, hogy az előre adott mennyiségű alapanyag egy részét szilárdítottuk meg, a hátrahagyott részből leválasztva. (A visszamaradt anyag rendszerint újra felhasználható).

Az ömledékrétegezés (FDM) módszernél a prototípust úgy készítik el, hogy a megömlesztett anyagot célzottan elhelyezve építjük fel a pontos méretű prototípust. Ez az eljárás elvileg közvetlen 3D megformálásra is alkalmas, de működtethető 2D üzemmódban is.

Az ömledékrétegezés (FDM) elve

15.11 ábra:Az ömledékrétegezés (FDM) elve 1) ömledék állapotba hozott anyag, 2) megszilárdulás kezdete, 3) megszilárdult állapot, 4) hevített FDM fej, 5) modell, 6) anyagadagolás, 7) mozgó asztal

A kulcs-berendezés a fűtött, mini-extruder funkciójú FDM fej, amelynek nagysebességű 3D mozgatását CAD/CAM program vezérli. A fűtés éppen csak a Tm fölé viszi az ömledéket, hűtésre általában nincs szükség. Az új eljárás bevezetés alatt van. 1,25 mm átmérőjű hőrelágyuló polimer szállal 0,025 – 1,25 mm rétegvastagság valósítható meg. A 380 mm/s sebességgel mozgó ömledék-sugárral a berendezés 0,125 mm pontosságot (tűrést) biztosit. A max. 300x300x300 mm prototípus előállítására alkalmas berendezés ára 170 000 USD körüli.

15.2.6 Réteges fotopolimerizáció (Instant Slice Curing, ISC)

Ez a rétegező prototípus-gyártási eljárás nem vezérelt, pásztázó lézersugárral polimerizál, hanem a mikroelektronikából ismert maszk segítségével építi fel a rétegeket, UV-iniciált fotopolimerizáció útján. A maszkokat – minden egyes rétegnek megfelelőt – természetesen itt is számítógép készíti, amely szeletekre (slice) bontja a prototípusban elkészítendő alkatrészt. A rajzot, a „maszkot” elektrosztatikus töltés formájában üveglemezre viszik fel, majd a lézer-nyomtatás alapelvét alkalmazva a „toner”-rel előhívják. A megvilágítás után az üveglemezt megtisztítva ugyanaz a lemez kész a következő réteg felvitelére.

Instant Slice Curing ISC prototípus gyártási eljárás

15.12 ábra:Instant Slice Curing ISC prototípus gyártási eljárás 1) UV lámpa, 2) polimer bevezetés, 3) polimer elvezetés, 4) viasz elvezetés, 5) hűtőlap a viasz megszilárdításához, 6) marófej a viaszréteg marásához, 7) asztal, 8) viasztömb belsejében a modellel, 9) maszk, 10) elektrosztatikus feltöltés, maszk létrehozás, maszk törlés, 11) maszkhordozó

A réteges fotopolimerizáció „holt” tereit viasszal töltik ki, amelyet a folyamat legvégén forró oldószerrel távolítanak el. Ez a viaszba – ágyazás teszi lehetővé, hogy nincs szükség egyéb megtámasztásra.

A „fotopolimer” itt is akrilát oligomer, az UV lámpa nagyteljesítményű (2500 W), a rétegvastagság 0,05–0,15 mm, kb. 100 réteg rakható fel 1 óra alatt (15 mm). Ez a berendezés is igen drága, kb 500 000 USD egy max. 500x500x300 mm-es prototipushoz.

15.2.7 Réteges kivágás és felépítés (Laminated Object Manufacturing, LOM)

Az alapelvet a 15.13 ábra mutatja.

Ebben az eljárásban is a rétegekre bontott CAD „tervrajz” játssza a fő szerepet. Ezeket a rétegeket a lézer – most vágóélként – papírból, műanyagfilmből, vagy akár fémlemezből kivágja és megfelelő kötőanyaggal egymásra halmozza. A kieső réteg-részeket is ugyanígy felhalmozza, azzal a különbséggel, hogy előtte azokat „kockára vágja”: felaprózza, hogy a kész 3D prototípusról könnyen leválaszthatók legyenek.

Réteges kivágás és felépítés ( LOM)

15.13 ábra:Réteges kivágás és felépítés ( LOM) 1) CO2 lézer, 2) optika, 3) x-y pozícionálás, 4) vasalóhenger, 5) papír, 6) munkaasztal

A LOM berendezés a vágáshoz CO2 lézert használ (25–50 W), a rétegvastagság min. 0,05 mm, a prototípus mérettartása minden irányban 0,12 mm-nél jobb, az „építés” sebessége tipikusan 100 réteg/h, vagy ~10 mm vastagság óránként. Ez a berendezés viszonylag olcsó: kb. 100 000 USD, – az eljárás azonban a rétegek kötésétől (ragasztásától) függően tekinthető – akárcsak közelítőleg is, –funkcionális prototípusnak, vagy inkább csak a formatervezést megjelenítő mintának.

A rapid prototyping eljárásokat ezekután a 15.14 ábra sémájában rendszerezhetjük.

A gyors prototipusgyártás eljárásai a közeljövőben valószínűleg számos újabb megoldást kínálnak. Már a jelen fázisban is „alfajok” jelennek meg az ismertetett eljárások árnyékában, vélhetőleg az egyenlőre szabadalmakkal jól lefedett terület megkerülése érdekében. Így pl. a térbeli nyomtatás egyik változatát „ballisztikus” eljárásnak nevezték, amelyben a nyomtató – felépítő anyag apró cseppek „lövedékének” formájában rakódik egymásra.

A gyors prototipusgyártás egyik legnagyobb hozama: a gyors szerszámgyártás (rapid tooling) felé vezető út megnyitása.

A gyors prototipuskészités elvi áttekintése

15.14 ábra:A gyors prototipuskészités elvi áttekintése [15.13]