Potencjał rynku rapid prototyping

Od modelu po w pełni funkcjonalny produkt, czyli ewolucja technologii żywicznych

Rosnące zainteresowanie zarówno usługami tworzenia modeli trójwymiarowych z plików CAD’owskich jak i samymi systemami wydruku 3D przyczynia się do powstawania coraz większej liczby opracowań na ten temat. Coraz częściej też projektanci przestają traktować temat Rapid Prototyping (RP) jedynie jako ciekawostkę, lecz zaczynają widzieć praktyczne zastosowanie tych technik w swojej pracy zawodowej.

W ostatnich wydaniach Design News Polska mieli Państwo okazję zapoznać się z ogólnym opisem najpopularniejszych technologii szybkiego prototypowania wykorzystywanych w Polsce. Każda technologia ma jednak własne cechy, które wyróżniają ją na tle pozostałych i kierunkują jej zastosowanie. W niniejszym opracowaniu chcielibyśmy skupić się na technologii PolyJet oraz PolyJet Matrix, zwanych także technologiami żywicznymi.

Z poprzedniego artykułu dowiedzieli się Państwo, iż pierwszą technologią RP była stereolitografia (SLA lub SL). Wykorzystywała ona ciekłą żywicę epoksydową, która była polimeryzowana punktowo przez laser o mocy 100 W. Wynaleziona w 1986 roku do dzisiaj znajduje zastosowanie nie tylko na uczelniach, ale także w wielu światowych korporacjach. Mimo, iż producent nie inwestuje już w rozwój systemów wykorzystujących stereolitografię, technologia ta nadal ma wielu zwolenników ze względu na szeroki zakres dostępnych materiałów, ich właściwości mechaniczno – fizyczne oraz wysoką dokładność stworzonych przy jej pomocy prototypów.

Technologią będącą kontynuatorką SLA jest PolyJet, której poświęcony jest obecny odcinek cyklu. PolyJet to technologia opatentowana w Izraelu przez firmę Objet Geometries. PolyJet wykorzystuje ciekłą żywicę akrylową utwardzaną światłem UV. Model budowany jest z kropel fotopolimeru, które są wystrzeliwane z dysz sterowanych piezokryształami w konkretne miejsce na platformie roboczej (tzw. tray’u). Po naniesieniu warstwy o grubości 16 lub 32 mikronów zaczyna się proces polimeryzacji za pomocą skanowania lampami UV umieszczonymi po obu stronach bloku dyszowego. Następnie platforma obniża się o grubość naniesionej warstwy i proces rozpoczyna się od początku. Wraz z żywicą akrylową nakładany jest (w ten sam sposób) materiał wspierający. Jest to mieszanka wody i żywicy, która stanowi żelowe podpory dla wszelkiego rodzaju kątów ujemnych, daszków, otworów itp. W przeciwieństwie do innych technologii szybkiego prototypowania, podpory tworzone z żelu nie są trwale połączone z powierzchnią modelu, a co za tym idzie, nie ma ryzyka uszkodzenia modelu podczas czyszczenia. Materiał podporowy wypłukiwany jest wodą pod ciśnieniem, dzięki czemu zachowana jest jakość powierzchni oraz dokładność stworzonego prototypu.

Technologia PolyJet jest skierowana do różnych gałęzi przemysłu – od biżuterii czy elementów medycznych do prototypów stosowanych w motoryzacji czy lotnictwie (które zostaną omówione w dalszej części artykułu). Dlatego też zadbano o wysoką jakość tworzonych modeli oraz o jak najdokładniejsze dostosowanie proponowanych rozwiązań do wymagań rynku. Wspomniana wcześniej grubość warstwy (16 lub 32 mikrony) stanowi o dokładności wymiarowej tworzonych modeli. Według producenta wynosi ona 0,1 – 0,2 mm w tzw. maszynach biurowych oraz 0,1 – 0,3 mm w maszynach profesjonalnych. Jest to dokładność zadowalająca dla ok. 95% tworzonych obecnie projektów. Podział na maszyny biurowe oraz profesjonalne został dokonany głównie na podstawie wielkości modeli możliwych do stworzenia w pojedynczym procesie wydruku oraz zakresu materiałów, z których można przy pomocy danego systemu drukować. Rodzina drukarek 3D Eden obejmuje obecnie pięć modeli o czterech różnych komorach – od Eden250 o komorze budowania 250x250x200 mm do największej Eden500V o komorze 500x400x200 mm. Mniejsze systemy Eden (modele 250 i 260) współpracują z tzw. materiałami twardymi, modele profesjonalne (Eden350, 350V oraz 500V) mają możliwość tworzenia zarówno w materiałach twardych, jak i elastycznych. Taki podział pozwala firmom inwestującym w system szybkiego prototypowania dobrać sprzęt najbardziej odpowiedni dla ich zastosowań bez ryzyka przeinwestowania.

Warto tutaj wspomnieć także o zakresie materiałów, z jakich można korzystać w technologii PolyJet. Jak już wcześniej wspomniano, są to żywice akrylowe polimeryzowane światłem UV. Rodzina FullCure, ponieważ tak nazwano tą grupę żywic, obejmuje obecnie dziesięć materiałów budujących oraz jeden wspólny materiał wspierający. Wśród materiałów budujących użytkownik znajdzie materiały twarde (bursztynowy FullCure720, biały, niebieski oraz czarny Vero) jak i elastyczne (rodzina Tango – materiał bursztynowy, szary oraz czarny). Każdy materiał charakteryzuje się innymi parametrami mechanicznymi, dzięki czemu możliwe jest dobranie materiału do praktycznie każdej aplikacji. Ciekawostką natomiast są materiały służące do produkcji wkładek dousznych do aparatów słuchowych – obecnie dostępne są trzy kolory przezroczysty, różowy oraz cielisty. Należy tutaj zwrócić uwagę na materiał wspierający – wszystkie żywice zostały tak opracowane, aby współpracowały z tym samym materiałem podporowym. Takie rozwiązanie pozwala zaoszczędzić czas niezbędny na wymianę materiału, co skraca proces przygotowania modelu, a przede wszystkim – ogranicza koszty prototypowania.

Mając tak szeroki zakres materiałów, dostępnych komór wydruku oraz zapewnioną wysoką dokładność prototypów, warto zastanowić się nad spektrum zastosowań tej technologii. Jak można się domyślić, wykracza ono poza „zwykłe” sprawdzenie przyszłego wyglądu projektowanego wyrobu czy części. Specjalnie opracowane żywice pozwalają na zastosowanie prototypów w różnych gałęziach przemysłu. Technologię tą można wykorzystać przy wizualizacji projektu, modele można pomalować lub zabarwić na wybrany kolor, galwanizować czy metalizować. Stają się wtedy doskonałym narzędziem komunikacji zarówno pomiędzy poszczególnymi działami w firmie (np. dział projektowania a konstrukcja/produkcja czy marketing), jak i pomiędzy poszczególnymi firmami (zaprezentowanie projektu zleceniodawcy, badania rynku czy badania marketingowe). Przeprowadzenie testów ergonomii, przepływów, spasowania z innymi częściami, prototyp przekazany do uzyskania patentu – to tylko ułamek wykorzystania technologii szybkiego prototypowania. Co ciekawe, szybkie prototypowanie sprawdza się także przy przygotowywaniu krótkich serii produkcyjnych i prototypowych. Wykonany z żywicy model – master może służyć do stworzenia ok. 50 form silikonowych, w które można później wtryskiwać dowolny materiał i tworzyć serie ograniczone ilościowo jedynie żywotnością formy. Warto także wspomnieć, iż żywica akrylowa wypala się w temperaturze ok. 900- 1100º C pozostawiając poniżej 0,01% popiołu, a co za tym idzie model z niej wykonany można wykorzystać przy tworzeniu formy ceramicznej. Ponadto modele te można również wykorzystywać przy termoformowaniu.

Wspomnianą już wcześniej ciekawostką jest wykorzystanie systemów prototypowania do produkcji (systemy Eden260 oraz Eden350). Zastosowanie specjalistycznych, dopuszczonych do kontaktu z człowiekiem żywic, pozwala szybko i dokładnie produkować wkładki douszne, znacznie ograniczając nakłady czasu i pracy człowieka niezbędne do wykonania pojedynczej wkładki. Cały proces można ograniczyć do pięciu kroków: zeskanowanie wycisku z ucha, eksport do pliku STL rozumianego przez systemy Eden, wydruk wkładek dousznych (nawet do 48 sztuk w ciągu 8 godzin) i ich oczyszczenie, założenie elektroniki do gotowej wkładki. Archiwizacja skanów wycisków oraz zastosowanie systemów Eden daje gwarancję powtarzalności wkładki oraz szybkiej realizacji kolejnego zamówienia.

Technologia żywiczna jest jedną z najbardziej innowacyjnych i najszybciej rozwijających się obecnie metod szybkiego prototypowania. Najlepszym przykładem może być technologia PolyJet Matrix oraz system Connex500, będący rewolucją na światowym rynku szybkiego prototypowania. Nowością jest tutaj możliwość dozowania dwóch materiałów budujących jednocześnie, niezależnie od tego, czy będą to dwa materiały twarde, czy też materiał twardy i elastyczny. PolyJet Matrix to nie tylko kolejnych 21 materiałów powstających z połączenia dwóch materiałów bazowych, to także możliwość budowania modelu składającego się z różnych części jednocześnie, czego przykładem może być szczoteczka do zębów (twarda rączka i miękkie włosie). Wcześniej taki model trzeba by było wykonać w dwóch procesach wydruku i skleić, w systemie Connex500 wystarczy podać dwa materiały i zaznaczyć, które części z czego mają zostać wykonane.

Technologia ta otwiera także drogę do szerszego zastosowania metod szybkiego prototypowania w medycynie. Dzięki wykorzystaniu przezroczystego FullCure oraz czarnego lub białego Vero można tworzyć modele połączeń kostnych czy nerwów nie tylko dla wykorzystania w edukacji studentów, ale także zaplanowania operacji lub przybliżenia sposobu leczenia pacjentowi.

Warto także zaznaczyć, iż w technologii PolyJet Matrix zachowano wszystkie najważniejsze cechy wcześniejszych systemów, tj. dokładność 0,1-0,3 mm, grubość warstwy 16 lub 32 mikrony, jeden materiał wspierający oraz możliwość pracy biurowej. Zastosowana komora wydruku o wymiarach 500x400x200 mm pozwala na tworzenie dużych modeli w jednym procesie wydruku bez konieczności klejenia.

Każda technologia ma swoje wady i zalety. Dokładność, jakość powierzchni, prostota i szybkość obsługi, stosowane materiały – te cechy najczęściej stanowią o wyborze danej technologii oraz ewentualnej inwestycji w system szybkiego prototypowania. Mając do wyboru kilka lub kilkanaście technologii warto zapoznać się z podstawowymi cechami każdej z nich oraz z typowymi zastosowaniami. W tym odcinku zaprezentowaliśmy jedną z najdokładniejszych technologii, która zapewnia nam bardzo dobrą jakość powierzchni. A jaką technologię wybrać jeśli potrzebujemy jedynie zwizualizować projekt i nie jest nam potrzebna gładka powierzchnia? O tym w kolejnym odcinku cyklu.

Katarzyna Chojnowska

BIBUS MENOS Sp. z o. o.