1

Materiały dydaktyczne do

Materiały dydaktyczne do

wykładów

wykładów

Część 2

Część 2

Szybkie prototypowanie

Szybkie prototypowanie

Stefan Dzionk

Politechnika Gdańska

Wydział Mechaniczny

Katedra Technologii Maszyn i Automatyzacji Produkcji

2

RP/RT techniki szybkiego tworzenia

RP/RT techniki szybkiego tworzenia

prototypu i szybkiego wytwarzania

prototypu i szybkiego wytwarzania

narzędzi

narzędzi

Są to techniki szybkiego wytwarzania fizycznych

modeli produktów lub ich części składowych oraz

prototypów funkcjonalnych, technicznych,

wizualnych z pominięciem tradycyjnych

technologii mechanicznych (odlewniczych,

ubytkowych i elektroerozyjnych)

3

Zmiany projektowe

Zmiany projektowe

W proces rozwoju produktu są wpisane zmiany

projektowe, wprowadzane często w przyjętych i
zatwierdzonych projektach.

Najbardziej kosztowne i niewskazane są zmiany

w realizacyjnych fazach produkcji.

4

Niezbędnym warunkiem pełnego

wykorzystania możliwości RP jest ich
integracja z całym procesem rozwoju
produktu. I tak metody można skutecznie
stosować we wczesnych fazach procesu
rozwoju, np.. W fazie wstępnego rozwoju
produktu po to aby odpowiednio wcześnie
wytworzyć trójwymiarowy model lub pierwszy
prototyp geometryczny. Podobnie w dalszych
fazach takich jak: faza wzorca funkcjonalnego,
faza prototypu,faza serii próbnej powstają
wymagane wzorce funkcjonalne i prototypy
techniczne.

5

Metody tworzenia prototypów

Metody tworzenia prototypów

• Warstwowy przyrost tworzywa konstrukcyjnego

(metody SLA,SGC, SLS i inne)

• Warstwowy ubytek tworzywa konstrukcyjnego

(techniki obróbki szybkościowej HSM (High
Speed Machining) HSC (High Speed Cutting) RM
(Rapid Manufacturing)

6

Model koncepcyjny

Model koncepcyjny

• Opisuje główne proporcje geometryczno-

wymiarowe w sposób uproszczony,
umożliwiający jasno i przekonująco
zaprezentować koncepcję rozwiązania
konstrukcyjnego szerszemu gronu projektantów
lub decydentów. Bazuje na prostych elementach
3D, oraz powinien być tani i szybko dostępny.

• Stopień uszczegółowienia - niski

7

Model ergonomiczny

Model ergonomiczny

• Wyznacza warunki brzegowe rozwiązania z

uwagi na bezpieczeństwo i komfort obsługi

produktu przez przyszłego użytkownika (

szczególnie istotny np. w projektowaniu

samochodów). Zawiera najistotniejsze kryteria

i najostrzejsze ograniczenia projektowe, które

znacząco wpływają na inne funkcje i cechy

rozwiązania.

•

Stopień uszczegółowienia - średni.

8

Model geometryczny

Model geometryczny

• Odzwierciedla w pełni geometryczne cechy

modelu CAD-3D. Nazywany jest często
prototypem (modelem) wizualnym. Stosowany w
pierwszej fazie projektowania i poszukiwania
postaci konstrukcyjnej ( zwłaszcza estetycznej
tzw. design lub styling), mającej istotne
znaczenie w odbiorze produktu.

• Wysoki stopień uszczegółowienia rozwiązania.

9

Model konstrukcyjny

Model konstrukcyjny

• Jest syntezą trzech wymienionych modeli:

koncepcyjnego, ergonomicznego i

geometrycznego (chociaż ten może być

uproszczony). Umożliwia pełną ocenę

rozwiązania konstrukcyjnego, wstępną ocenę

technologiczności i funkcjonalności

rozwiązania przez osoby trzecie: klienta

kooperanta, dystrybutora, prasę, itp.

• Stopień uszczegółowienia wysoki.

10

Model funkcjonalny

Model funkcjonalny

• Ma cechy modelu konstrukcyjnego

rozszerzone o możliwość realizacji i oceny

podstawowych funkcji wyrobu. Jest końcową

fazą projektowania wyrobu, w której dokonuje

się całościowej oceny rozwiązania z

możliwością wprowadzania korekt i zmian

podnoszących zalety produktu lub

eliminujących wady. Umożliwia ocenę

technologiczną (odnośnie do stosowanych

technologii obróbki i montażu) oraz częściową

ocenę cech funkcjonalnych.

• Stopień uszczegółowienia wysoki

11

Prototyp funkcjonalny

Prototyp funkcjonalny

• Umożliwia ocenę głównych funkcji rozwiązania w

warunkach przybliżonych do rzeczywistych, z
ograniczonymi parametrami eksploatacyjnymi.
Zazwyczaj nie jest jeszcze zbudowany z
materiałów przewidzianych w produkcji seryjnej.

12

Prototyp techniczny

Prototyp techniczny

• Ma wszelkie cechy funkcjonalne a częściowo

też estetyczne produktu seryjnego,
umożliwiające poddanie go badaniom i ocenie
w całym zakresie parametrów
eksploatacyjnych. Zbudowany z materiałów
stosowanych w produkcji seryjnej. Umożliwia
pełny dobór technologii obróbki montażu oraz
środków produkcji i ewentualnych
kooperantów. Służy badaniom i wyznaczeniu
parametrów eksploatacyjnych. Zazwyczaj
wykonywany jako seria próbna.

13

Rys. 9.6. Techniki RP/RT w komputerowo zintegrowanym wytwarzaniu CIM[1]

14

Metody tworzenia prototypów

Metody tworzenia prototypów

• Warstwowy przyrost tworzywa konstrukcyjnego

(metody SLA, SLM, SLS i inne)

• Warstwowy ubytek tworzywa konstrukcyjnego

(techniki obróbki szybkościowej HSM (High
Speed Machining) HSC (High Speed Cutting)
RM (Rapid Manufacturing), Punktowa Obróbka
Elektroerozyjna

15

Metody i techniki

Metody i techniki

Rapid

Rapid

Prototyping

Prototyping

• Metody najczęściej stosowane: SLA (Stereolithography),

SGC (Sold Ground Curing), SLS (Selective Laser

Singering)SLM (Selective Laser Melting), FDM (Fused

Deposition Modeling), LOM (Laminated Object

Manufacturing), DSPC (Direct Shell Production Casting),

3D Printing, SHAP (Selective Adhesive Hot Press), HIS

(Holographic Interference Solidification), MM3DP

(Model-Maker3D Plotting), MJM (Multi Jet Modelling),

BMP (Ballistic Particle Manufacturing)

• Zasada przyrostowej (warstwowej) budowy przedmiotu
• Na rynku dominuje SLA ok. 65%, ponadto LOM -12%,

FDM -9%, SLS- 6%, 3-D Printing - b.d.

dane z 2000r wg [25]

.

16

Metoda 3D

Metoda 3D

Printing

Printing

Jest prostą i tanią wykonywania modeli

koncepcyjnych.

Zasada wytwarzania tą metodą opiera się na

warstwowym spajaniu materiału w postaci
proszku za pomocą spoiwa nanoszonego przez
głowicę drukującą.

17

Schemat działania

drukarki w metodzie 3D

Printing

[2]

18

Urządzenie do wykonywania modeli metodą

3D Printing

19

Model korpusu silnika wykonanego techniką

3D Printing

[2]

20

Model formy wykonany z proszku

ceramicznego

[2]

21

Metoda SLS, SLM (

Metoda SLS, SLM (

Selective

Selective

Laser

Laser

Sintering

Sintering

,

,

Selective

Selective

Laser

Laser

Melting

Melting

)

)

Metoda miejscowego spiekania

(przetapiania)laserem.

W tej metodzie na platformie roboczej urządzenia, za

pomocą specjalnego wałka rozprowadzana jest

warstwa proszku, która jest następnie miejscowo

spiekana wiązką lasera o mocy od kilkuset watów do

kilku kilowatów. Strumień lasera powoduje spiekanie

określonych obszarów warstwy proszku, przy czym

następuje także topienie poprzednio ułożonej

warstwy co powoduje powstanie jednolitej bryły

tworzonego modelu.

22

Schemat wykonywania modelu

metodą SLS

[1]

23

Rys. 5. Wymiennik ciepła wykonany w systemie SLM

[7]

24

Wymiennik ciepła wykonany ze stali nierdzewnej [7]

Kanały narożne
(2.5 x 1 mm)
element po obróbce
wykańczającej

25

Materiały używane w metodzie SLS:
• Tworzywa sztuczne,
• Wosk, parafina,
• Proszki metali ( Fe, Cu, i inne),
• Mieszaniny proszków metali i proszków

ceramicznych.

Metodą tą można wytwarzać modele

wszystkich rodzajów, m.in. Pełnowartościowe

narzędzia do produkcji seryjnej, np. matryce

tłoczniki, formy wtryskowe, jak i gotowe

wyroby w produkcji jednostkowej.

26

Metoda

Metoda

SLA

SLA

(

(

stereolitography

stereolitography

)

)

Najstarsza najbardziej rozpowszechniona i najbardziej

poznana metoda RP. Stworzona przezChuck W. Hull

w 1986r.

Założyciel firmy 3D Systems Stereolitography

System.

Posiadająca zakłady produkcyjne w Grand

Juction/Colorado- siedziba główna w

Valencia/Colorado

Polega na utwardzaniu promieniem lasera kolejnych

warstw żywicy. Po wykonaniu modelu jest on

dodatkowo wygrzewany w piecu w celu całkowitego

utwardzenia

27

Schemat tworzenia

modeli metodą

stereolitografii

[6]

28

Rys. 9.9. Schemat wyrównywania warstwy w procesie [6]

29

Główne fazy tworzenia modelu:

Główne fazy tworzenia modelu:

(1)

(1)

• Budowa modelu w systemie CAD-3D
• Zapisanie modelu w formacie *.stl -Stereolithography

Language

• Zdefiniowanie platformy (zadanie parametrów

budowy modelu w urządzeniu SLA to jest między

innymi: rozdzielczość, rodzaj żywicy, typ zgarniacza,

minimalna wielkość podpór.

• Umieszczenie modelu lub modeli na platformie (np.:

określenie położenia w przestrzeni, okreśkenie

położenie w stosunku do ruchów zgarniacza)

• Weryfikacja poprawności plików *.stl modelu(li), w

przypadku występowania błędów naprawa plików,

30

Główne fazy tworzenia modelu:

Główne fazy tworzenia modelu:

(2)

(2)

• Projektowanie położenia i geometrii elementów

wspierających model (nowy model 3D)

• Weryfikacja geometrii elementów wspierających
• Podział modelu 3D na warstwy zgodnie z zadanymi

parametrami tworzenia modelu fizycznego

• Sprawdzenie poprawności plików *.bff
• Przesłanie pliku *.bff do urządzenia

31

Główne fazy tworzenia modelu:

Główne fazy tworzenia modelu:

(3)

(3)

• Budowa fizycznego modelu w procesie fotopolimeryzacji
• Umycie utworzonego modelu z resztek nieutwardzonej

żywicy

• Zakończenie procesu fotopolimeryzacji w urządzeniu

PCA

• Obróbka wykańczająca modelu (polerowanie,

kulkowanie, itp.)

32

Prototyp wykonany metodą SLA

33

Model fizyczny wykonany metodą SLA

34

Rys. 21. Model

fizyczny wykonany

metodą SLA ze

wspornikami

35

Mikrostereolitografia

Mikrostereolitografia

• Podczas, gdy budowane obiekty o rozmiarach sięgających kilku

milimetrów, powszechnie używane techniki Rapid Prototyping nie są

w stanie wykonać tak małych modeli ze względu na ich ograniczenia.

Przy udoskonalonej konwencjonalnej maszynie stereolitograficznej

możliwe jest osiągniecie rozdzielczości około 75 µm podczas

wytwarzania małych obiektów.

• Integralny proces mikrostereolitograficzny pozwala tworzyć

komponenty posiadające w rzeczywistości skomplikowana geometrie

w niewielkim czasie produkcji. Skala modelu, który zbudowany został

z 673 warstw o grubości warstwy 5 µm każda w około 3 godziny

36

Schemat prototypowej aparatury mikrostereolitograficznej [30]

37

Rys. 47. Model wykonany:

a- metodą konwencjonalną

stereolitografii (SLA 250),

b- w technologii “small spot”

c- metoda mikrostereolitografii

[30]

a)

b)

c)

38

Kierunki rozwoju metod SLA

Kierunki rozwoju metod SLA

• Zwielokrotnionych układów laserowych

budujących niezależnie ten sam obiekt,

• Laserów o większej mocy, umożliwiających

nawet podwojenie grubości warstwy
przyrostu modelu,

• Szybszych napędów sterowania wiązką

lasera oświetlającego powierzchnię ciekłego
fotopolimeru.

• Obraz tworzony przez rzutnik komputerowy

39

Metoda LOM (

Metoda LOM (

Laminated

Laminated

Object

Object

Manufacturing)

Manufacturing)

Obiekt sklejany z kolejnych warstw folii, które są

wycinane laserem i sklejane ze sobą.

Materiały folii:
• Papier
• Tworzywo sztuczne (Polyester)
• Ceramika
• Metal

40

Rys. 9.16. Schemat tworzenia modelu metodą LOM [1]

41

Przykładowy model fizyczny wykonany metodą LOM [8]

42

Metoda FDM (

Metoda FDM (

Fused

Fused

Deposition

Deposition

Modelling

Modelling

Metoda osadzania stopionego materiału.
Model budowany jest warstwa po warstwie za

pomocą sterowanej dyszy topiącej

43

Rys. 9.21. Schemat wykonywania modelu metodą FDM [1]

44

Przykładowe urządzenie do wykonywania modeli
metodą FDM

[9]

45

Metoda „

Metoda „

PolyJet

PolyJet

”

”

• Metoda polegająca na natryskiwaniu kropli

materiału akrylowego na powierzchnie, która
utwardzana jest następnie światłem UV.

• Wykonywane są modele koncepcyjne i

konstrukcyjne a nawet prototypy

46

Źródło [8]

47

Przykłady modeli technicznych
wykonywanych metodą
„Polyjet”

[8]

48

Podsumowanie metod RP

Podsumowanie metod RP

Metody przyrostowe w zależności od sposobu

wytwarzania kolejnych warstw.

49

Rys. 9.27. Klasyfikacja metod RP z uwagi na stosowane procesy i materiały [1]

50

Typowe obszary zastosowania

Typowe obszary zastosowania

technik RP/RT

technik RP/RT

• Studia projektowe i ergonomiczne
• Badania i ocena rozwiązań konstrukcyjnych na bazie modeli

fizycznych oraz metod badawczych z zakresu elastooptyki,

termowizji, rengenografii, modelowania przepływów, itp.

• Analiza i ocena procesów wytwarzania a zwłaszcza montażu,
• Badanie i modelowanie przepływów formowania tworzyw,
• Badanie i ocena marketingowa nowych produktów
• Wielofunkcyjne modele stosowane w odlewnictwie i obróbce

plastycznej

• Modelowanie i wytwarzanie implantów kostnych oraz miękkich w

medycynie

51

Rys. 9.34. Ważniejsze obszary zastosowań technik RP/RT [1]

52

Eliminacja problemów tradycyjnych

Eliminacja problemów tradycyjnych

metod wytwarzania

metod wytwarzania

• Konieczność konstruowania przedmiotu na podstawie

jego indywidualnych cech, gdyż wystarczający jest jego

model bryłowy lub powierzchniowy,

• Potrzebę przechodzenia od cech konstrukcyjnych do

technologicznych, gdyż konstrukcja przedmiotu zawiera

wszystkie informacje geometrycznie niezbędne do

wytwarzania

• Konieczność określania geometrii półfabrykatu
• Planowanie skomplikowanego procesu technologicznego,

gdyż przedmiot jest wykonywany w jednej operacji i

jednym ustawieniu

53

W procesach RP problemem jest jakość

wytwarzanych przedmiotów. Oprócz
schodkowego wyglądu nachylonych
powierzchni, który wynika z warstwowego
tworzenia przedmiotu, występują problemy
związane z kurczeniem się materiałów ( np. w
stereolitografii) a także z porowatością (SLS)

54

Techniki RP są szczególnie przydatne w tych gałęziach

Techniki RP są szczególnie przydatne w tych gałęziach

przemysłu w których istnieje potrzeba tworzenia

przemysłu w których istnieje potrzeba tworzenia

modeli fizycznych:

modeli fizycznych:

Budowie prototypów w celu:

•

Weryfikacji rozwiązań konstrukcyjnych

•

Analizy i oceny rozwiązań konstrukcyjnych

•

Badania przepływów

•

Prowadzenia badań w tunelach aerodynamicznych

•

Doboru materiałów konstrukcyjnych

Budowie modeli fizycznych do:

•

Poszukiwania koncepcji rozwiązań projektowych

•

Projektowania budowli i wzornictwa przemysłowego

•

Prezentacji marketingowych oraz zleceniodawcy (klientowi)

•

Rozwiązywanie problemów techniką case study

55

Wytwarzaniu części i wyrobów do:

• Produkcji narzędzi i oprzyrządowania
• Produkcji pomocniczych środków produkcji
• Rozpoznania marketingowego w postaci serii próbnej

Projektowania i wytwarzania narzędzi do:

• Planowania procesów wytwarzania zwłaszcza montażu
• Projektowania i wytwarzania narzędzi prototypowych, zwłaszcza

dla przetwórstwa cienkich blach

Projektowania i wytwarzania wzorców modeli do:

• Technologii odlewniczych, w tym odlewania w formach

piaskowych i metodą traconego wosku

• Formowania próżniowego
• Hydro- i termoformowania
• Formowania przez napylanie wzorca warstwą metalu
• Stosowania technik i materiałów epoksydowych

56

Ocena i porównanie podstawowych

Ocena i porównanie podstawowych

metod RP/RT

metod RP/RT

Istotne czynniki przy wyborze techniki szybkiego

wytwarzania modeli:

• Czas
• Koszt wykonania,
• Funkcjonalność uzyskanego wyrobu.

57

Ograniczenia poszczególnych metod RP/RT:
• Koszty
• Dokładność wykonania modelu
• Używane materiały
• Dopuszczalną geometrią wyrobu
• Wielkość wyrobu (jego max. Wymiary)

58

Format *.

Format *.

stl

stl

59

Element napisu na modelu w formacie *.stl

(teselacja)

60

A (x

1

, y

1

, z

1

)

N (x

n1

, y

n1

, z

n1

)

B (x

2

, y

2

, z

2

)

¾

Wektor skierowany jest na zewnątrz

¾

Numerowanie wierzchołków przeciwne do ruchu
wskazówek zegara patrząc na obiekt od
zewnątrz (reguła śruby prawoskrętnej)

C (x

3

, y

3

, z

3

)

61

Modele w formacie *.stl: a- mała rozdzielczość, b średnia rozdzielczość pliku, c –

wysoka rozdzielczość pliku [5]

62

Walec

Walec

63

Objętość

Średnica

Powierzchnia

Walec

64

Okno konwersji programu SolidEdge

65

T

A

v

1

3

2

2

2

Parametry konwersji pliku *.stl: 1- powierzchnia obiektu rzeczywistego, 2
- powierzchnia obiektu po konwersji, 3 - trójkąt ( faseta stl), T – tolerancja
cięciwy, A- kąt między płaszczyznami trójkątów

66

• Plik ASCII można modyfikować za pomocą edytora

tekstu

• Zajmuje dużo miejsca pamięci ponieważ przechowuje

się w nim powtarzające się słowa kluczowe takie jak:

„facet”, „ outer loop”, „normal”, „endloop”, „endfacet”, itd..

• Pierwsza linia jest linią opisu i rozpoczyna się od słowa

„solid”, zawiera zazwyczaj: nazwę pliku, autor, data, itd..

• Ostatnia linia powinna zawierać słowo „endsolid”

67

solid czworościan

facet normal 0.000000e+000 -8.660254e-001 -5.000000e-001

outer loop

vertex -2.007591e+001 0.000000e+000 0.000000e+000
vertex -1.724513e+000 9.247273e+000 -1.601675e+001
vertex 1.292847e+001 0.000000e+000 0.000000e+000

endloop

endfacet
facet normal -6.960443e-001 5.152886e-001 -5.000000e-001

outer loop

vertex 7.287453e-015 2.711825e+001 -7.511573e-016
vertex -1.724513e+000 9.247273e+000 -1.601675e+001
vertex -2.007591e+001 0.000000e+000 0.000000e+000

endloop

endfacet
facet normal 7.817320e-001 3.726862e-001 -5.000000e-001

outer loop

vertex 1.292847e+001 0.000000e+000 0.000000e+000
vertex -1.724513e+000 9.247273e+000 -1.601675e+001
vertex 7.287453e-015 2.711825e+001 -7.511573e-016

endloop

endfacet
facet normal 0.000000e+000 2.769933e-017 1.000000e+000

outer loop

vertex 1.292847e+001 0.000000e+000 0.000000e+000
vertex 7.287453e-015 2.711825e+001 -7.511573e-016
vertex -2.007591e+001 0.000000e+000 0.000000e+000

endloop

endfacet

endsolid

68

• Struktura pliku binarnego *.stl: pierwsze osiemdziesiąt bajtów użyte

jest do opisu i zawiera takie informacje jak: nazwa pliku autor, data,

itp.. W kolejnych czterech bajtach zawarta jest informacja dotycząca

całkowitej ilości faset. W następnych liniach zawarte są współrzędne

składowej normalnej, oraz wszystkich wierzchołków trójkąta

numerowane w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara

ostatnie dwa bajty w każdej z faset są puste by informacja o każdej

fasetce zawierała się w pięćdziesięciu bajtach (dwunastu dla

wektora składowego, trzydzieści sześć dla trzech wierzchołków

trójkąta i dwóch wypełniających pustą przestrzeń).

69

70

Najczęściej występujące błędy podczas transformacji na

format *.stl to:

• przypisanie krawędzi więcej niż jednego trójkąta
• błędy aproksymacji
• błędy na granicy wypukłości
• szczeliny i luki pomiędzy powierzchniami modelu
• błąd definicji wektora normalnego- odwrócenie wektora.

71

72

Wzór

Wzór

Eulera

Eulera

)

(

2

P

B

H

V

E

F

−

=

−

+

−

gdzie : F - liczba falset trójkątów, E - liczba krawędzi, V - liczba

wierzchołków, H - liczba „dziur” powierzchni, B - liczba nie

połączonych powierzchni, P - liczba przejść otworów w bryłę

73

• W modelu *.stl nie może być „dziur”, a więc H =

0,

• Ponadto każdy trójkąt posiada wspólne

krawędzie z trzema innymi trójkątami, a wynika z
tego, że na każdą fasetkę przypada 3/2
krawędzi czyli E = 3/2F.

74

)

(

2

2

1

P

B

F

V

−

=

−

gdzie : F - liczba falset trójkątów, V - liczba wierzchołków, B - liczba nie
połączonych powierzchni, P - liczba przejść otworów w bryłę

75

1

5

a)

4

3

"w"

5

b)

4

3

"w"

5

c)

4

3

"w"

2

1

2

1

2

Sposób ustawienia modelu na platformie w stosunku do kierunku przyrostu warstw: a-

ustawienie w poziomie, b - ustawienie w pionie, c - ustawienie ukośne, 1 - platforma, 2 -

materiał podbierający model, 3 - kierunek przyrostu warstw, 4 - granice warstw, 5 -

wykonywany model

76

a)

b)

1

3

2

5

6

7

8

1

3

2

"w"

"w"

c)

4

5

1

3

2

"w"

d)

9

7

1

3

2

"w"

4

6

6

4

Schemat zmian w siatce trójkątów podczas podziału modelu na warstwy

77

Schemat deformacji napisów na powierzchni podczas wytwarzania modelu

78

a)

b)

2

3

1

1

2

4

Zmiany elementów konstrukcyjnych modelu w procesie podziału elementów na warstwy: a - widok
elementu modelu przed procesem podziału na warstwy, b - widok elementu modelu po procesie
podziału na warstwy, 1 - podpory, 2 - wykonywany element, 3 - element konstrukcyjny modelu
przed podziałem na warstwy, 4 - element konstrukcyjny modelu po podziale na warstwy

79

W

1mm

b)

W

1mm

a)

Fotografie szczegółów konstrukcyjnych modeli wykonanych tymi samymi parametrami

technologicznymi w różnych położeniach modelu w stosunku do kierunku przyrostu

warstw: a - model w ustawieniu równoległym, b - model w ustawieniu prostopadłym, w -

kierunek przyrostu warstw

80

Tworząc modele technikami przyrostowymi należy przewidywać, że:

Tworząc modele technikami przyrostowymi należy przewidywać, że:

•

Wykonując elementy, w których szczegóły są porównywalne z grubością

warstw należy spodziewać się, iż ulegną one deformacjom.

•

Stopień deformacji szczegółów jest trudny do przewidzenia, gdyż w dużym

stopniu zależy od położenia siatki trójkątów tworzącą strukturę powierzchni

w formacie *.stl w stosunku do warstw budowanego modelu.

•

Odpowiednie ustawienie przedmiotu podczas jego wytwarzania można

wpływać na dokładność wykonania szczegółów modelu.

81

Inżynieria Odwrotna

Inżynieria Odwrotna

(

(

Reverse

Reverse

Engineering

Engineering

)

)

82

Techniki

Techniki

Reverse

Reverse

Engineering

Engineering

(RE)

(RE)

• Wykonanie wirtualnego modelu 3-D z

istniejącego fizycznego modelu (pierwowzoru).

• Digitalizacja czyli dyskretyzacja numeryczna - cyfrowy

zapis przestrzeni i geometrycznej formy modelu w postaci
współrzędnych punktów które tworzą powierzchnię w
pełni odwzorowującą powierzchnię pierwowzoru.

83

Cele

Cele

• Wzór opracowany przez plastyka-stylistę jako

niekonwencjonalne rozwiązanie ma być
następnie wdrożony do produkcji

• Weryfikacja jakościowa wyrobu. (Porównanie

pierwotnego modelu CAD z utworzonym na
podstawie danych ze RE wykonanego
elementu)

84

Metody digitalizacji

Metody digitalizacji

• Pomiar maszyną pomiarową
• Pomiar systemem laserowym
• Pomiar za pomocą przekroju świetlnego
• Pomiar z oświetleniem światłem prążkowanym

85

Pomiar obiektu

Pomiar obiektu

• W większości Skanerów3D (zarówno laserowych jak i

operujących światłem białym) pomiar opiera się na
analizie odgięcia prążków na powierzchni obiektu. W tym
przypadku w charakterze prążków występuje strukturalne
światło białe. Pomiar należy do kategorii
powierzchniowych pomiarów bezdotykowych, co
oznacza, że mierzone są powierzchnie, które są
oświetlone światłem białym i jednocześnie widziane przez
moduł detektora.

86

1. Na obiekt umieszczony w przestrzeni pomiarowej projektowane są

sekwencje obrazów prążkowych: pięć obrazów prążków sinusoidalnych

oraz dziewięć obrazów binarnych o zmieniającej się częstości.

2. Moduł detektora pobiera obrazy prążków zniekształconych na

powierzchni obiektu, w których zakodowana jest informacja o kształcie

obiektu

3. W wyniku analizy pobranych obrazów prążkowych, wyznaczona zostaje

chmura punktów położonych na powierzchni obiektu (x,y,z) i tekstura

(R,G,B), tworząc zbiór (x,y,z,R,G,B). W wyniku pomiaru z jednego kierunku

uzyskuje się informację o kształcie obiektu w 2.5 wymiarach.

4. Dla uzyskania w pełni trójwymiarowej (3D) reprezentacji obiektu

łączonych jest n-chmur punktów pobranych z n kierunków. Ilość kierunków

zależy od stopnia skomplikowania obiektów. W zależności od dodatkowego

wyposażenia systemu pomiarowego łączenie chmur punktów realizowane

jest na drodze doświadczalnej (z obrotowym stolikiem) lub numerycznej

87

Edycja surowych danych pomiarowych

Edycja surowych danych pomiarowych

• Przed połączeniem chmur punktów z różnych kierunków chmurę

otrzymaną w procesie skanowania (akwizycji danych) należy

poddać czyszczeniu, usuwaniu szumów pomiarowych oraz

nieciągłości. Szumy pomiarowe stanowią pewną część danych,

są to pojedyncze punkty losowo rozrzucone wokół chmury

właściwej. Po odpowiednim ustawieniu parametrów filtracji

punkty te są zaznaczane, a następnie kasowane. Natomiast

nieciągłości powstają zazwyczaj na krawędziach mierzonego

obiektu lub gdy mierzona powierzchnia jest równoległa do

kierunku emitowanego przez moduł projekcyjny światła

88

Łą

Łą

czenie chmur punktów

czenie chmur punktów

•

Pierwszym etapem jest wstępne dosunięcie

łączonych chmur, które wykonuje się

manualnie bądź poprzez zastosowanie

metody 6 punktów polegającej na wskazaniu

trzech par odpowiadających sobie punktów

na dwóch łączonych chmurach.

•

Nieprecyzyjności można zmniejszyć

używając funkcji minimalizacji błędu RMS.

•

Za pomocą pomiaru na zintegrowanym ze

skanerem dokładnym stoliku obrotowy.

Umożliwia tworzenie „chmury przestrzennej.

Następnie łączymy te „chmury” aby

wyeliminować „białe plamy”

89

Edycja połączonych chmur punktów

Edycja połączonych chmur punktów

Końcowym etapem pracy z chmurą punktów jest jej obróbka po

złożeniu. Po złożeniu chmurę w zależności od zastosowania można:

1. Upraszczać zmniejszając liczbę punktów – złożona bryła może

zawierać nawet kilkanaście milionów punktów, co dla większości

systemów może stanowić duże obciążenie.

2. Wygładzać dociągając punkty do przewidywanego kształtu –

należy pamiętać, że niewłaściwe wygładzenie „chmury punktów”

może wprowadzić do geometrii obiektu mierzonego nieprecyzyjności

,szczególnie przy pomiarach bardzo dokładnych.

90

Określanie powierzchni

Określanie powierzchni

Tak otrzymaną „chmurę punktów” należy zamienić na

powierzchnię. Najczęściej stosuje się zamiany na

powierzchnię opisaną przez „siatkę trójkątów” o

ustalonych przez nas parametrach ( istnieją programy

wspomagające tę procedurę np.: Mesh3D. Na tym

etapie istotne jest właściwe przygotowanie „chmury”,

np. przez filtrację adaptacyjną.

Na krzywiznach powinno być większe zagęszczenie

punktów, natomiast w rejonach, gdzie występują

płaszczyzny powinno się eliminować większość

punktów. Taki rozłożenie punktów w „chmurze

umożliwia tworzenie dokładnych modeli przy

jednoczesnej minimalizacji wielkości plików.

Tak powstałe siatki możemy eksportować do

dowolnych programów CAD/CAM lub grafiki

komputerowej w formatach: TXT,DXF, VRML +

tekstura i IGES

91

Teksturowanie siatki trójkątów

Teksturowanie siatki trójkątów

• Barwa obiektu pobierana jest podczas pomiaru,

dzięki czemu każdemu punktowi chmury punktów

nadawana jest odpowiednia wartość barwy RGB.

Tekstura ta następnie nakładana jest na siatkę

trójkątów.

Ze względu na zastosowania archiwizacyjne

niezbędne jest dokładne oddanie kolorów, co

może być zapewnione jedynie przy odpowiednim

bezcieniowym oświetleniu.

92

Zastosowania medyczne

Zastosowania medyczne

Na podstawie wyników uzyskanych z

tomografii komputerowej lub rezonansu
magnetycznego możliwe staje się
tworzenie modeli CAD-3D.

Istotne zastosowania w medycynie

zwłaszcza do projektowania i doborze
implantów (twardych kostnych jak i
miękkich chirurgii plastycznej) w
zależności od indywidualnych cech
fizycznych danej osoby.

93

LITERATURA (materiały żródłowe)
•

E. Chlebus: Techniki komputerowe CAx w inżynierii produkcji, Warszawa, WNT 2000.

•

A. Hamrol, W. Mantura: Zarządzanie jakością z przykładami, PWN 2005.

•

K. E. Oczoœ: Rapid-technologie w produkcji jednostkowej i seryjnej, Mechanik, 77(2004)4,181-188.

•

W. Bauer, R. Knitter: Development of a rapid prototyping process chain for the production of ceramic microcomponents, Journal of materials science 37

(2002), 3127 – 3140.

•

[F. Bianconi: Bridging the gap between CAD and CAE using STL files, Journal of CAD/CAM Vol. 2, No. 1(2002), 55-67.

•

Materiały firmy 3D Systems, California USA

•

Materiały firmy HEC

•

Materiały firmy Objet

•

Materiały firmy Strays

•

Hong S.B., Kwan H.L: Determination of optimal build direction in rapid prototyping wuth variable slicing, International Journal Advanced Manufacturing

Technology (2006) 28, pp.307-313.

•

Jae H., Hong S.: High-quality isosurface generation using an oversampling method, International Journal Advanced Manufacturing Technology (2006) 28,

pp.1161-116.

•

Dong-Gyu A., Sang-Ho L.: Influence of process parameters on the surface roughness in hotwire cutting of EPS foam sheet for VLM-S rapid prototyping

process, Journal of materials science, (2005) 40, pp.5699-5702.

•

Byun H., Lee K.: A decision support system for the selection of rapid prototyping process using the modified TOPSIS method, International Journal Advanced

Manufacturing Technology (2005) 26, pp.1338-1347.

•

Qingbin L., Ming L. and others: Dimensional accurancy and surface roughness of rapid freeze prototyping ice patterns and investment casting metal parts,

International Journal Advanced Manufacturing Technology (2004) 24, pp.485-495.

•

Hua M., Lau C. and others: Limit analysis on surface roughness and dimensional accuracy of spray metalic crust for rapid tooling production by metal arc

spraying process, International Journal Advanced Manufacturing Technology (2004) 23, pp.720-731.

•

Shan Z., Yan Y., and others: Rapid Manufacture of Metal Tooling by Rapid Prototyping, International Journal Advanced Manufacturing Technology (2003)

21, pp.469-475.

•

Fang-Jung Shiou, Jung-Shiang G.: Effect of slice on the profile accurancy of model maker rapid prototyping measured by circular triangulation laser probe,

International Journal Advanced Manufacturing Technology (2003) 22, pp.769-804.

•

R.I.Campbell, M. Marotelli, H.S Lee: Surface roughness for rapid prototyping models. Computer Aided Design, No 34, 2002, 717-725.

•

Rejman E.: Dokładność modeli w procesie stereolitografii, Przegląd Mechaniczny, Zeszyt 6/2002, s. 29-32.

•

KulkarnI P., Marsan A., and others: A review of process planning techniques In Layered Manufacturing, Rapid Prototyping Journal, Vol.6 No.1 2000, 18-35.

•

Pham D., Dimov D. and others: Part orientation in stereolitography, International Journal Advanced Manufacturing Technology (1999) 15, pp.674-682.

•

Xu F., Loth H. and others: Considerations and selection of optimal orientation for different rapid prototyping systems, Rapid PrototypingJournal, No.5 1999,

pp.54-60.

•

Leong K., Chua C. and others: Microblasting Characteristics of Jewellery Models Built Using Stereolithography Apparatus (SLA), International Journal

Advanced Manufacturing Technology (1998) 14, pp.450-458.