Razvoj prototipa je bil vedno kritična stopnja pri inovacijah izdelkov. Ne glede na to, ali načrtujejo letalske in vesoljske komponente, medicinske naprave, robotske sisteme, avtomobilske dele ali industrijsko opremo, se inženirji zanašajo na prototipe, da preverijo strukturno celovitost, natančnost sestavljanja, funkcionalno zmogljivost in možnost izdelave, preden se premaknejo v množično proizvodnjo. Čim hitreje in natančneje je mogoče izdelati prototip, tem krajši je razvojni cikel izdelka.

Običajni namizni 3D tiskalniki so v zadnjem desetletju bistveno pospešili izdelavo prototipov. Ker pa geometrije izdelkov postajajo vse bolj zapletene, se tradicionalna tri{2}}osna aditivna proizvodnja sooča z več tehničnimi omejitvami. Velike podporne strukture, slaba površinska obdelava na previsih, omejene orientacije tiskanja in šibka trdnost vmesnega sloja pogosto zahtevajo dodatno obdelavo ali ročno končno obdelavo.

NastanekNamizni 5-osni 3D tiskalnikspreminja to situacijo. Z uvedbo dveh dodatnih rotacijskih osi poleg tradicionalnih linearnih gibanj X, Y in Z ti sistemi omogočajo nanašanje materiala iz več smeri, kar inženirjem omogoča izdelavo zelo kompleksnih delov z večjo učinkovitostjo in natančnostjo.

Čeprav sistemi industrijske pet{0}}aditivne proizvodnje obstajajo že leta, je nedavni razvoj na področju krmiljenja gibanja, kompaktne mehanske zasnove in inteligentne programske opreme za rezanje naredil namizne pet{1}}osne tiskalnike vse bolj dostopne raziskovalnim laboratorijem, univerzam, inženirskim centrom in malim-do-srednjim proizvajalcem.

Ta članek raziskuje, kako namizno pet{0}}osno 3D-tiskanje preoblikuje natančno izdelavo prototipov, zakaj več inženirskih organizacij sprejema tehnologijo in kakšne prednosti ponuja v primerjavi z običajno aditivno proizvodnjo.

 

Evolucija natančne izdelave prototipov

Razvoj izdelkov se je v zadnjih nekaj desetletjih močno razvil.

Tradicionalna proizvodnja prototipov je temeljila na CNC obdelavi, litju, brizganju ali ročni izdelavi. Medtem ko so te metode proizvajale zelo natančne komponente, so pogosto zahtevale drago orodje, dolge dobavne roke in usposobljene operaterje.

Uvedba namiznega 3D-tiskanja je spremenila hitro izdelavo prototipov, saj je inženirjem omogočila izdelavo fizičnih modelov neposredno iz datotek CAD brez orodja.

Vendar je tri{0}}osno tiskanje prineslo svoje izzive:

Velike podporne strukture za previsne geometrije

Dolgi časi-obdelave objave

Omejitve orientacije plasti

Zmanjšana mehanska trdnost vzdolž osi Z-

Težave pri ustvarjanju ukrivljenih ali organskih površin

Ker izdelki postajajo lažji, bolj kompaktni in geometrijsko izpopolnjeni, so te omejitve postale vse pomembnejše.

Pet{0}}osna aditivna proizvodnja obravnava številne od teh težav tako, da omogoča dinamično vrtenje tiskalne glave ali obdelovanca med izdelavo.

Namesto da bi tiskalnik prisilil, da ostane vodoravna, usmeritev nenehno spreminja, kar omogoča nanašanje materiala, ki sledi naravni geometriji komponente.

 

Po čem je namizni 5-osni 3D-tiskalnik drugačen?

Namizni pet{0}}osni tiskalnik združuje:

Tri linearne osi (X, Y, Z)

Dve rotacijski osi (A in B ali enakovredni konfiguraciji)

V nasprotju z običajnimi namiznimi tiskalniki lahko naprava med postopkom tiskanja spremeni položaj bodisi tiskalne glave bodisi gradbene platforme.

Ta dodatna svoboda ustvarja številne proizvodne prednosti.

Na primer, namesto da bi navpično zgradil ukrivljeno cev in se zanašal na obsežne podporne strukture, lahko pet{0}}osni tiskalnik zavrti obdelovanec, tako da je vsak odsek natisnjen v optimalni orientaciji.

Ta pristop zmanjša nepodprte regije, hkrati pa izboljša konsistentnost splošnih dimenzij.

Tehnologija ne doda le več gibanja; temeljito spremeni način odlaganja materiala.

Namesto tiskanja samo v ravnih plasteh pet-osni sistemi omogočajo ne-planarne strategije tiskanja, ki se bolje ujemajo z obliko končne komponente.

 

Zmanjšanje podpornih struktur izboljša kakovost prototipa

Ena največjih neučinkovitosti v tradicionalni aditivni proizvodnji je ustvarjanje podpore.

Kompleksni prototipi pogosto zahtevajo podporo pod:

Previsi

Notranji kanali

Kotne površine

Votle strukture

Organske geometrije

Podporni material ustvarja več pomanjkljivosti.

Prvič, poveča porabo materiala.

Drugič, čas tiskanja postane daljši.

Tretjič, odstranjevanje nosilcev pogosto poškoduje občutljive površine.

Dodatni zaključni postopki povečajo stroške dela.

Namizni pet{0}}osni tiskalniki bistveno zmanjšajo te težave.

Z vrtenjem obdelovanca skozi celoten proces izdelave lahko tiskalnik izdela številne previsne elemente, ne da bi potreboval dodatno podporo.

Za raziskovalne laboratorije, ki proizvajajo kompleksne eksperimentalne dele, to zmanjšanje podpornega materiala pomeni hitrejše preskusne cikle.

Za proizvajalce to pomeni nižje operativne stroške in izboljšano proizvodno učinkovitost.

 

Boljša površinska obdelava za funkcionalne prototipe

Kakovost površine je bistvena za številne inženirske aplikacije.

Groba površina je lahko sprejemljiva za konceptni model, vendar postane problematična pri ocenjevanju:

Pretok tekočine

Aerodinamična zmogljivost

Mehanska montaža

Ergonomija

Vmesniki medicinskih naprav

Tradicionalni tri{0}}osni tiskalniki pogosto pustijo vidne stopničaste-učinke na ukrivljenih površinah, ker je vsaka plast nanesena vodoravno.

Pet{0}}osni sistemi izboljšajo končno obdelavo površine z nenehnim prilagajanjem usmerjenosti tiskanja.

Namesto približevanja krivulj skozi zložene vodoravne plasti lahko material bolj natančno sledi dejanski geometriji.

To proizvaja:

Bolj gladke krivulje

Boljša dimenzijska skladnost

Zmanjšane zahteve za poliranje

Izboljšan videz

Večja funkcionalna natančnost

Za proizvajalce avtomobilskih prototipov to pomeni, da je za komponente karoserije potrebno manj brušenja pred ocenjevanjem.

Za letalske in vesoljske inženirje bolj gladki zračni kanali zagotavljajo bolj reprezentativno testiranje pretoka zraka.

 

Izboljšanje mehanske zmogljivosti z optimizirano orientacijo plasti

Številni inženirji priznavajo, da je mehanska trdnost FDM-natisnjenih delov močno odvisna od orientacije plasti.

Tradicionalni tiskalniki ustvarijo relativno šibko vez med plastmi vzdolž navpične smeri.

Posledično lahko komponente, ki so izpostavljene nateznim ali upogibnim obremenitvam, porušijo vzdolž meja plasti.

Namizno pet{0}}osno tiskanje ponuja rešitev.

Ker se lahko stroj med izdelavo vrti, je mogoče plasti poravnati s pričakovanimi smermi obremenitve, namesto da ostanejo pritrjeni vodoravno.

To izboljša:

Natezna trdnost

Odpornost proti utrujenosti

Odpornost proti širjenju razpok

Strukturna kontinuiteta

Pri robotskih rokah, lahkih nosilcih ali industrijskih vpenjalih lahko optimizirana orientacija plasti bistveno izboljša funkcionalno zmogljivost.

To omogoča inženirjem, da izvedejo bolj smiselno mehansko testiranje, preden se premaknejo v proizvodnjo.

 

Izdelava kompleksnih geometrij, ki so prej veljale za težavne

Sodobno inženirstvo se vedno bolj opira na geometrije, ki jih je bilo skoraj nemogoče izdelati s konvencionalnimi metodami.

Primeri vključujejo:

Mrežaste strukture

Ukrivljeni hladilni kanali

Komponente,-optimizirane za topologijo

Lahki letalski nosilci

Organski biomedicinski vsadki

Arhitekturni modeli proste oblike

Tradicionalni namizni tiskalniki imajo pogosto težave s temi geometrijami zaradi omejitev podpore.

Gibanje po petih{0}}osih omogoča neprekinjeno nanašanje materiala okoli ukrivljenih površin, hkrati pa zmanjša nepodprta področja.

Raziskovalne ustanove, ki raziskujejo optimizacijo topologije ali lahko konstrukcijsko zasnovo, imajo veliko koristi od te zmogljivosti.

Namesto da bi poenostavili modele CAD za izdelavo, lahko inženirji izdelajo prototipe, ki ostanejo veliko bližje svojim prvotnim zasnovam.

 

Pospeševanje raziskav in razvoja izdelkov

Čas-za-trženje je postal eden najpomembnejših konkurenčnih dejavnikov v panogah.

Vsaka dodatna ponovitev dizajna izboljša kakovost izdelka, vendar le, če je prototipe mogoče hitro izdelati.

Namizni pet{0}}osni tiskalniki skrajšajo razvojni čas z odpravo več proizvodnih korakov.

Namesto da sledite delovnemu toku, kot je:

Oblikovanje → Natisni → Odstrani nosilce → Pesek → Stroj → Sestavi

Inženirji lahko pogosto poenostavijo postopek na:

Oblikovanje → Tiskanje → Pregled → Test

To zmanjšanje ročnega dela omogoča raziskovalnim skupinam, da ovrednotijo ​​več različic zasnove znotraj istega urnika projekta.

Univerze, ki izvajajo inženirske raziskave, lahko učinkoviteje dokončajo eksperimentalno validacijo.

Industrijski oddelki za raziskave in razvoj lahko skrajšajo cikle razvoja izdelkov in se hitreje odzovejo na spreminjajoče se zahteve strank.

 

Podpora več{0}}disciplinarnim inženirskim raziskavam

Namizni pet{0}}osni tiskalniki se ne uporabljajo več le v strojniških laboratorijih.

Danes podpirajo raziskave v več disciplinah.

Aerospace Engineering

Raziskovalci razvijajo:

Lahke konstrukcije letalskih okvirjev

Prototipi turbinskih lopatic

Kanali za pretok zraka

Satelitske komponente

Kompleksne aerodinamične površine imajo koristi od strategij ne{0}}ravnega tiskanja.

Robotika

Robotski raziskovalci izdelujejo:

Končni efektorji po meri

Lahki manipulatorji

Ohišja senzorjev

Strukturni okvirji

Pet{0}}osno tiskanje omogoča močnejše komponente z manjšo težo.

Medicinski inženiring

Biomedicinski laboratoriji proizvajajo:

Anatomski modeli

Orodja za kirurško načrtovanje

Protetični prototipi

Ortopedski pripomočki po meri

Izboljšana kakovost površine poveča anatomsko natančnost.

Industrijsko oblikovanje izdelkov

Oblikovalske ekipe hitro ocenijo:

Potrošniški izdelki

Ergonomski ročaji

Mehanski sklopi

Funkcionalna ohišja

Boljša površinska obdelava zmanjša ročno naknadno-obdelavo pred predstavitvami strankam.

 

Širjenje materialnih možnosti

Sodobni namizni pet{0}}osni tiskalniki vse bolj podpirajo inženirske-materiale, ki presegajo standardni PLA.

Primeri vključujejo:

ABS

PETG

Najlon

Polikarbonat

Polimeri, ojačani z ogljikovimi vlakni

Kompoziti, ojačani s steklenimi vlakni

Prilagodljivi TPU materiali

Napredni ekstruzijski sistemi zagotavljajo:

Stabilno hranjenje filamentov

Visoko{0}}temperaturne šobe

Ogrevane gradbene ploščadi

Izboljšan toplotni nadzor

Te zmogljivosti omogočajo prototipom, da natančneje posnemajo proizvodne materiale.

Za proizvajalce to izboljša zaupanje med funkcionalnim testiranjem.

Za raziskovalce razširja možnosti za raziskovanje znanosti o materialih.

 

Integracija digitalne proizvodnje in pametne proizvodnje

Prihodnost proizvodnje sega onkraj samostojnih strojev.

Namizni pet{0}}osni tiskalniki se vedno bolj integrirajo v poteke dela digitalne proizvodnje.

Tipičen potek dela:

Oblikovanje CAD → Simulacija → Pet{0}}Generacija poti orodij → Dodatna proizvodnja → Pregled → Validacija izdelka

Sodobna programska oprema podpira:

Simulacija trčenja

Optimizacija orodne poti

Več{0}}osno rezanje

Oddaljeno spremljanje

Upravljanje-datotek v oblaku

Ta integracija je usklajena s pobudami Industrije 4.0 s povezovanjem oblikovanja, proizvodnje in nadzora kakovosti v enotnem digitalnem okolju.

 

Zmanjšanje ovire za napredno proizvodno izobraževanje

Industrijski pet{0}}osni obdelovalni centri so bili tradicionalno dragi, veliki in jih je bilo težko upravljati.

Namizni pet{0}}osni tiskalniki nudijo izobraževalnim ustanovam praktično alternativo.

Študenti pridobijo izkušnje pri:

Več{0}}osni nadzor gibanja

Napredno CAD modeliranje

Načrtovanje proizvodnega procesa

Optimizacija aditivne proizvodnje

Oblikovanje za izdelljivost

Namesto da bi se učili samo teoretičnih konceptov, lahko študenti inženirstva neposredno opazujejo, kako več{0}}poti orodij vplivajo na kakovost komponent.

Ta praktična izkušnja bolje pripravi diplomante na kariero v napredni proizvodnji.

 

Gospodarske koristi za male in srednje proizvajalce

Številni mali proizvajalci so prej oddali proizvodnjo kompleksnih prototipov zunanjim izvajalcem, ker je industrijska pet{0}}osna oprema zahtevala znatne naložbe.

Namizni pet{0}}osni tiskalniki zagotavljajo bolj dostopno vstopno točko.

Potencialne gospodarske koristi vključujejo:

Zmanjšani stroški zunanjega izvajanja

Hitrejša dostava prototipa

Manjša poraba materiala

Krajši cikli oblikovanja

Večja prilagodljivost oblikovanja

Izboljšana odzivnost strank

Čeprav namizni sistemi ne morejo nadomestiti velikih industrijskih platform za aditivno proizvodnjo za vsako aplikacijo, ponujajo odlično ravnotežje med zmogljivostjo in cenovno dostopnostjo za razvoj prototipov.

 

Prihodnji trendi v namiznem pet{0}}osnem tiskanju

Pričakuje se, da bo več tehnoloških dosežkov pospešilo sprejetje v prihodnjih letih.

Pametnejše načrtovanje gibanja

Umetna inteligenca bo vse bolj samodejno optimizirala orientacijo tiskanja in zmanjšala posredovanje operaterja.

Boljše več{0}}tiskanje materialov

Prihodnji sistemi lahko združujejo toge, fleksibilne in ojačane materiale znotraj enega samega proizvodnega procesa.

Izboljšana avtomatizacija

Samodejno umerjanje, samo-diagnoza in prilagodljivo spremljanje procesa bodo poenostavili delovanje stroja.

Večja natančnost

Izboljšani kodirniki, krmilniki gibanja in mehanske strukture bodo še izboljšali dimenzijsko natančnost.

Širša uporaba v industriji

Ker programska oprema postaja uporabniku-prijaznejša in se stroški opreme še naprej znižujejo, bo namizno pet{1}}osno tiskanje verjetno postalo standardno orodje v inženirskih laboratorijih, oblikovalskih studiih in proizvodnih obratih po vsem svetu.

 

Zaključek

Namizni 5-osni 3D-tiskalniki na novo opredeljujejo, kaj je mogoče pri natančni izdelavi prototipov. S kombinacijo več-smernega gibanja z napredno aditivno proizvodnjo ti sistemi premagajo številne omejitve, povezane s tradicionalnim tri-osnim tiskanjem. Zmanjšajo podporne strukture, izboljšajo kakovost površine, optimizirajo orientacijo plasti in omogočajo proizvodnjo zelo kompleksnih geometrij, ki natančneje predstavljajo končne zasnove izdelkov.

Za raziskovalne laboratorije zagotavljajo prilagodljivo platformo za raziskovanje naprednih proizvodnih tehnik, potrjevanje inovativnih modelov in pospeševanje znanstvenih odkritij. Za proizvajalce skrajšajo razvojne cikle izdelkov, zmanjšajo post{1}}obdelavo in izboljšajo funkcionalnost prototipa, hkrati pa znižajo splošne stroške razvoja.

Ker se sistemi za nadzor gibanja, programska oprema za rezanje in tehnologije materialov še naprej razvijajo, bodo namizni pet{0}}osni tiskalniki igrali vse pomembnejšo vlogo v digitalni proizvodnji. Namesto da bi služili kot enostavna-orodja za izdelavo modelov, postajajo bistvene inženirske platforme, ki premostijo vrzel med konceptualno zasnovo in komponentami,-pripravljenimi za proizvodnjo, s čimer pomagajo organizacijam k hitrejšim inovacijam in zagotavljanju-kakovostnejših izdelkov na trg.