Dezső Gergely1, Kósa Péter2, Százvai Attila3
főiskolai tanár1, műszaki oktató2,3
Nyíregyházi Főiskola, Műszaki Alapozó és Gépgyártástechnológiai Tanszék1,3 postai cím: 4401 Nyíregyháza, Sóstói út 31/B1,2
e-mail: dezsog@nyf.hu1, kosap@nyf.hu2, szazvai@nyf.hu3
Kivonat:Az additív gyártás számos előnyös tulajdonsága mellett kritikus kérdés annak pontossága. Rétegenkénti nyomtatást megvalósító berendezés gyártási pontosságát vizsgáltuk kocka alakú próbatestek segítségével. A méréshez koordináta mérőgépet használtunk. Ebben a dolgozatban a próbatestek oldallapjainak síklapúságára és az egymással bezárt szögeik helyességére vonatkozó vizsgálatokat írjuk le.
Kulcsszavak: additív gyártás, 3D nyomtatás, gyors prototípus gyártás, pontosság
Abstract: Additive manufacturing has numerous advantageous feature, however the accuracy of it is a critical question. Geometrical accuracy of an ink jet like additive manufacturing machine was investigated by means of cubic test pieces. A coordinate measuring, machine was used for measuring the shape. In this paper we demonstrate result on accuracy of plane faces and angles between them.
Keywords: additive manufacturing, 3D printing, rapid prototyping, accuracy
1. BEVEZETÉS
Az additív gyártás napjainkban robbanásszerűen fejlődik. Legnagyobb előnyei közé tartozik a gyártási rugalmasság (átállítás és szerszámváltás nélkül elkészíthető szinte bármilyen térbeli alakzat), a bennszülött gyártás lehetősége, a gyorsaság, és az, hogy tetszőleges alakú testeket képes előállítani a digitális fényképezőgépek pontosságával.
A gyártás pontossága jelenleg még nem közelíti meg a forgácsoló megmunkálásokkal (köszörüléssel) elérhető pontosságot. Az additív gyártás esetén a pontosság függ az alkalmazott technológiától, ezen kívül pl. irányfüggő is lehet.
A Nyíregyházi Főiskola Műszaki és Mezőgazdasági Karán, a Műszaki alapozó és Gépgyártástechnológiai Tanszék Additív Gyártás Laboratóriumában üzemel az OBJET Eden 350V rétegenkénti additív gyártás megvalósító eszköz, közkeletű kifejezéssel 3D nyomtató (1. ábra). A modell felépítéséhez műgyantát használ a berendezés. A technológia két fontos elvi lépésre osztható. Először a vezérlő számítógép segítségével a digitális testmodellt képzeletbeli, 16µm vastagságú rétegekre osztjuk, majd a szeleteket 300 dpi felbontású bitképekké alakítjuk Ebből a gyártó berendezés számítógépe kiszámítja, hogy a munkatérben (2. ábra) hova kell anyagot juttatni. A második lépésben zajlik a gyártás. Meghatározott méretű műgyanta cseppeket juttatunk a munkatér megfelelő helyére a megfelelő időben, majd ezeket erős UV fény által indukált kémiai reakcióval (polimerizáció) késztetjük a gyors megkeményedésre.
A technológiára jellemző, hogy több olyan, sokszor ismétlődő folyamatot, amelyek igen érzékenyek a kezdeti feltételekre, és szabályozásuk komoly kihívást jelent.
Meghatározott anyagmennyiséget tartalmazó műgyanta csepp kilövése igen rövid idő alatt a nyomtatófejből egy 5µm átmérőjű nyíláson keresztül. (3. ábra)
A csepp mozgása a fejtől indulva a modell előre kiszámított pontjába a fej és a munkadarab közötti keskeny résen keresztül, amelyben gyorsan (és minden
bizonnyal turbulensen) áramló, pontosan nem ismert (és változó) hőmérsékletű levegő található.
A csepp becsapódása és megtapadása a modell felületén, érintkezése a többi cseppel.
Az UV fény hatására igen gyorsan meginduló polimerizáció („keményedés”), miközben a rétegvastagságot pontosan beállító simítófej végiggördül a munkadarab aktuális felszínén, minden réteg lerakása után.
Az additív gyártással előállított próbatestek alakja eltér a CAD modellben megadott „ideális”
alaktól. A hibák oka két fő forrásra vezethető vissza:
A műgyanta cseppek bizonyos hibával kerülnek a helyükre.
A megszilárdulás során pozíciójuk vagy alakjuk oly mértékben változik, amely a termék alakhibájához vezet.
A fenti okok miatt indokolt az additív gyártó berendezés pontosságának tanulmányozása. A fellépő hibák mértékét várhatóan befolyásolja a gyártandó munkadarab mérete, határoló felületeinek görbülete, és azok térbeli elhelyezkedése is. Ezért ugyanazon CAD modellel definiált gyártmány pontossága változhat a munkatérben való elhelyezés függvényében is.
1. ábra Az OBJET Eden 350V additív gyártó berendezés
2. ábra Az OBJET Eden 350V munkatere, bal oldalon látható a nyomtató fej
3. ábra A nyomtató fej alulnézetben
2. A PRÓBATESTEK
Mindegyik próbatest 20x20x20 mm élhosszúságú kocka, amelynek egyik lapján a mérőgépen való pontos rögzítést lehetővé tevő füleket alakítottunk ki. A fülek alsó részén egy, kettő, illetve három barázdát képeztünk ki, melyek célja kettős. Egyrészt a próbatestek azonosítását szolgálják, másrészt a testek orientációjának meghatározására is alkalmasak aszimmetrikus elhelyezésüknél fogva.
A gyártáskor a „mate” opciót használtuk, ami azt jelenti, hogy a támaszanyag teljesen körülveszi a készterméket. Ebben az esetben a legyártott alkatrész felülete matt lesz és nem fényes, viszont így várható nagyobb méretpontosság. (4. ábra)
4. ábra A próbatestek
3. MÉRÉSEK
A kocka alakú próbatesteken Mitutoyo MDC-M25 digitális mikrométerrel mértük a szemközti oldallapok távolságát. Mindhárom próbatest esetén, mindhárom oldalpáron
elvégeztük a mérést. Egy oldalpáron öt helyen mértük a távolságot, a lap négy sarkának közelében és a közepén. (5. ábra)
Az I. irány vízszintes, a nyomtatófej mozgására merőleges. A III. irány vízszintes, a nyomtatófej mozgásának irányával megegyezik. A modell építése során lerakott rétegek vízszintes síkban fekszenek, vagyis az I. és a III. irányok a rétegek síkjával párhuzamosak. A II. irány függőleges, a rétegekre merőleges.
5. ábra. Az oldalalpok távolságának mérésekor a lapok azonosítására használt jelölések és a mérési pontok helye
1. próbatest Mérési helyzetek orientáció
1 2 3 4 5 átlag szórás
I 20,02 20,045 19,966 19,959 19,979 19,9938 0,037117 II 19,924 19,931 19,927 19,934 19,945 19,9322 0,008106 III 20,046 20,04 20,022 20,028 20,03 20,0332 0,009654
2. próbatest Mérési helyzetek orientáció
1 2 3 4 5 átlag szórás
I 20,033 20,026 19,981 19,986 19,972 19,9996 0,027862 II 19,937 19,936 19,931 19,929 19,923 19,9312 0,005675 III 20,033 20,048 20,047 20,038 20,049 20,043 0,007106
3. próbatest Mérési helyzetek orientáció
1 2 3 4 5 átlag szórás
I 20,035 20,038 19,977 19,983 19,968 20,0002 0,033581 II 19,931 19,937 19,927 19,939 19,928 19,9324 0,005367 III 20,038 20,036 20,026 20,04 20,035 20,035 0,005385
1. táblázat. A mérési adatok mm egységben, azok átlagai és szórásai
Az 1. táblázat a mért adatokat tartalmazza próbatestenként és irányonként való csoportosításban.
A mért adatokból átlagot és szórást számoltunk. Megállapítható, hogy minden egyes mért adat, és azok átlagai is kevesebb, mint 0,1 mm-rel térnek el a névleges 20 mm értéktől. Ez összhangban van a gyártó által megadott gyártási pontossággal. Ugyanakkor a mért távolságoknak az egyes mérési irányokban tapasztalt eloszlása jellegzetesen eltér egymástól.
Az I. irányban a névleges érték mindkét oldalán találunk mért adatokat, és a szórás lényegesen nagyobb a többi irányhoz viszonyítva. Az átlag ebben az esetben áll legközelebb a névleges értékhez, nyilván az adatoknak erre közel szimmetrikus eloszlása miatt. A II. mérési irányban minden mért adat kisebb, mint 20 mm, a szórás kicsi. A III. irányban minden egyes mérési eredmény nagyobb a névleges értéknél, a szórás kicsi.
A fentiekből az következik, hogy a laptávolságokban jelentkező hiba elsősorban attól függ, hogy mely irányban mértük azt, és nam attól, hogy mely munkadarabon. A mért adatokat átrendeztük a mérési irányok szerint, ezt a 2. táblázat mutatja.
Mintavételi pontok azonosítója
1 2 3 4 5
átlag szórás 1 I 20,020 20,045 19,966 19,959 19,979
2 I 20,035 20,038 19,977 19,983 19,968 3 I 20,033 20,026 19,981 19,986 19,972
19,998 0,030766
Mintavételi pontok azonosítója
1 2 3 4 5 átlag szórás
1 II 19,924 19,931 19,927 19,934 19,945 2 II 19,937 19,936 19,931 19,929 19,923 3 II 19,931 19,937 19,927 19,939 19,928
19,932 0,0060411
Mintavételi pontok azonosítója
1 2 3 4 5 átlag szórás
1 III 20,046 20,040 20,022 20,028 20,030 2 III 20,033 20,048 20,047 20,038 20,049 3 III 20,038 20,036 20,026 20,040 20,035
20,037 0,0082934
2. táblázat. A mérési irányok szerint átrendezett adatok
Megvizsgáltuk, hogy a 20 mm névleges értéktől való eltérés az egyes esetekben statisztikailag szignifikáns-e. Ehhez egymintás t-próbát használtunk, mert a sokaság varianciája nem ismert, azt a minták szórásával közelítettük. Az általunk választott szignifikanciaszint 0,05, a névleges érték m0=20 mm, a minta darabszáma n=15, így a szabadsági fok ν=n-1=14. A próbastatisztika:
s n m
t = x− 0 . (1)
Az (1) képletben az „s” a 2. táblázatból kiolvasható empirikus szórásokat jelenti. Az általunk választott szignifikanciaszinten a t statisztika határértéke tlimit=2,51. Ha |t|< tlimit , akkor az eltérés nem szignifikáns, egyébként igen. A kiszámított értékek a következők:
17,310 t
43,638 t
0,269 t
III II I
=
−
=
−
=
. (2)
Ez alapján azt állíthatjuk, hogy a II. és III. irányokban a gyártott méret statisztikailag szignifikánsan eltér a névleges értéketől 0,05 szignifikanciaszuinten. Az I. irányban nem szignifikáns az eltérés, nyilvánvalóan a nagy szórás miatt.
4. ÉRTÉKELÉS
A mérések eredményei és a statisztikai próbával kimutatott szignifikáns eltérések kapcsolatba hozhatók a technológiával.
Az I. irány vízszintes síkban merőleges a nyomtató fej mozgására. A simító henger által kifejtett nyomóerő az I. irányba is kinyomja a félig megkeményedett műgyantát.
Megfigyelhető, hogy az I. irányban az oldallapok távolságának eltérése a névleges értéktől nem állandó, hanem tendenciát mutat. A munkaasztaltól nagyobb távolságban ez az eltérés nagyobb. Ez megfigyelhető az 5. ábra és a 2. táblázat összevetésével. Az 5. ábra mutatja, hogy az I. irányban az 1. és 2. mintavételi pontok vannak a legtávolabb a munkaasztaltól, a 3. pont közelebb, a 4. és 5. pont pedig a legközelebb. A 2. táblázat első három sorából leolvasható, hogy mindegyik próbatest esetén az I. irányban az 1. és 2. pontok távolsága a legnagyobb, a 3.
pontban mért távolság kisebb, a 4. és 5. pontokban mért távolság pedig a legkisebb. Az I.
irányban mért hiba tehát a magassággal együtt változik úgy, hogy negatív értéktől indulva pozitívvá válik.
A II. irányban minden mért adat kisebb a névleges értéknél. Ez a függőleges irány, azaz ebben az irányban építi fel a modellt a gyártó rendszer, és ebben az irányban lefelé fejt ki nyomást a simító henger, ami egyúttal a felesleges anyag eltávolítását is jelenti. Feltehetően a részben polimerizálódott műgyanta eltávolításakor több anyagot hord el a henger, amint amit szükséges.
A III. irány a nyomtató fej járásának iránya, az erre merőleges oldallapok távolsága minden esetben nagyobbnak adódott az előírtnál. Ennek oka a simítás hatása lehet.
A tér mindhárom irányában képes a berendezés arra a pontosságra, amit a gyártó állít, azaz legfeljebb 0,1-0,3 mm lineáris hibával állítja elő a modellt.
ÖSSZEFOGLALÁS
A mérési adatokból megállapíthatók az alábbiak:
Mindegyik méréssorozat átlagának eltérése a névleges értéktől (20 mm) kevesebb, mint 0,1mm.
A minták szórása kicsi.
Az I. irányban felvett minták szórása lényegesen nagyobb, mint a többi mintáé (minden táblázat első sora).
A II. irányban a gyártott méret szisztematikusan kisebb, mint 20 mm.
A III. irányban a gyártott méret szisztematikusan nagyobb, mint 20 mm.
FELHASZNÁLT IRODALOM
[1] Christof Koplin, Mathias Gurr, R. Mülhaupt, Raimund Jaeger: Shape accuracy in stereolithography: a material model for the curing behavior of photo-initiated resins, Euoro-uRapid 2008 confreence, Berlin, September 23-24. 2008