Mechatronika - TU Chemnitz

Mechatronika
Modul 9: Rychlé vytváření
prototypů
Učebnice
(koncept)
Dr. Ing. Bogdan Dybała,
Dr. Ing. Tomasz Boratyński
Dr. Ing. Jacek Czajka
Dr. Ing. Tomasz Będza
Dr. Ing. Mariusz Frankiewicz
Ing. Tomasz Kurzynowski
University of Wroclaw, Poland
Evropský koncept pro doplňkovou kvalifikaci mechatronik odborných
procovníků v globalizované průmyslové výorbě.
EU – Projekt č. DE/08/LLP-LdV/TOI/147110
„MINOS++“, platnost od 2008 do 2010
Tento projekt byl realizován za finanční
podpory Evropské unie.
Za obsah publikací (sdělení ) odpovídá
výlučně autor. Publikace (sdělení)
nereprezentují názory Evropské komise a
Evropská komise neodpovídá za použití
informací, jež jsou jejich obsahem.
www.minos-mechatronic.eu
Partneři pro provádění, hodnocení a šíření výsledků projektů MINOS a MINOS**.
-
Chemnitz University of Technology, Institute for Machine Tools and Production
Processes, Germany
np – neugebauer und partner OhG, Germany
Henschke Consulting, Germany
Corvinus University of Budapest, Hungary
Wroclaw University of Technology, Poland
IMH, Machine Tool Institute, Spain
Brno University of Technology, Czech Republic
CICmargune, Spain
University of Naples Federico II, Italy
Unis a.s. company, Czech Republic
Blumenbecker Prag s.r.o., Czech Republic
Tower Automotive Sud S.r.l., Italy
Bildungs-Werkstatt Chemnitz gGmbH, Germany
Verbundinitiative Maschinenbau Sachsen VEMAS, Germany
Euroregionala IHK, Poland
Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen
Euroregionale Industrie- und Handelskammer Jelenia Gora, Poland
Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Hungary
Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Hungary
Nationales Institut für berufliche Bildung Budapest, Hungary
Christian Stöhr Unternehmensberatung, Germany
Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Sweden
Obsah studijních podkladů
Minos: moduly 1 – 8 (učebnice, cvičebnice a klíč ke cvičením) zahrnující: základy /
interkulturní kompetence, projektový management / fluidní techniku / elektrické pohony a
řízení/ mechatronické komponenty / mechatronické systémy a funkce / uvedení do provozu,
bezpečnost, vzdálený servis / dálková údržbu a diagnostiku.
Minos **: moduly 9 – 12 (učebnice, cvičebnice a klíč ke cvičením) zahrnující: rychlé
vytváření prototypů / robotiku / migraci / rozhraní.
Všechny moduly jsou dostupné v následujících jazycích:
němčina, angličtina, španělština, italština, polština, čeština a maďarština.
Pro více informací prosím kontaktujte:
Technical University Chemnitz
Dr. Ing. Andreas Hirsch
Reichenhainer Straße 70, 09107 Chemnitz
Tel.: + 49(0)0371 531-23500
Fax.: + 49(0)0371 531-23509
Email: [email protected]
Internet: www.tu-chemnitz.de/mb/WerkzMasch www.minos-mechatronic.eu
Rychlé vytváření prototypů - Učebnice
Obsah
1 ÚVOD ..............................................................................................................3 2 CAD .................................................................................................................5 3 CAD – RP KOMUNIKACE ............................................................................10 3.1 4 FORMÁT STL ............................................................................................... 10 3.1.1 Struktura a vytváření souborů STL ................................................. 10 3.1.2 Orientace trojúhelníků ................................................................... 11 3.1.3 Souřadnicový systém a jednotky ve formátu STL ........................... 12 3.1.4 Vytváření souborů STL .................................................................... 13 3.1.5 Nejčastější chyby a defekty STL formátu ........................................ 13 3.1.6 Pravidla vytváření STL souborů ...................................................... 17 3.1.7 Generování *.stl souborů v různých programech ........................... 18 PŘÍPRAVNÉ ČINNOSTI V RÁMCI RP METOD ...........................................24 4.1 EDITOVÁNÍ STL SOUBORŮ .............................................................................. 28 4.2 OPRAVOVÁNÍ STL SOUBORŮ .......................................................................... 31 4.3 GENEROVÁNÍ PODPĚR ................................................................................... 32 5 RYCHLÉ VYTVÁŘENÍ PROTOTYPŮ – RP .................................................35 5.1 STEREOLITOGRAFIE (SLA, SL) ......................................................................... 42 5.2 SELEKTIVNÍ LASEROVÉ SPÉKÁNÍ/TAVENÍ – SLS/SLM ........................................... 44 5.2.1 MCP Realizer II – zařízení od společnosti MCP – HEK ..................... 46 5.2.2 EOSINT M 270 – RP zařízení od společnosti EOS ............................ 47 5.2.3 M3 Linear – zařízení od společnosti Concept Laser ........................ 48 5.2.4 TrumaForm LF 250 – zařízení od společnosti TRUMPF .................. 49 5.2.5 EBM S12 – zařízení od společnosti ARCAM .................................... 50 5.2.6 Sinterisation HiQ System – zařízení od společnosti 3D SYSTEMS ... 51 5.3 LAMINÁTOVÁ VÝROBA OBJEKTŮ (LOM)............................................................ 52 5.4 TVORBA MODELU POSTUPNÝM NANÁŠENÍM ROZTAVENÉHO MATERIÁLU – FDM ..... 54 5.5 LASEROVÉ TECHNOLOGIE FORMOVÁNÍ POMOCÍ PRÁŠKU ...................................... 55 5.6 TRYSKOVÉ TIŠTĚNÍ ......................................................................................... 56 5.7 3DP TROJROZMĚRNÉ TIŠTĚNÍ .......................................................................... 58 5.8 SGC – METODA VYTVRZOVÁNÍ FOTOCITLIVÉHO POLYMERU .................................. 60 6 ZPĚTNÉ INŽENÝRSTVÍ ...............................................................................62 6.1 ÚVOD ......................................................................................................... 62 6.2 OBLASTI VYUŽITÍ ZPĚTNÉHO INŽENÝRSTVÍ .......................................................... 63 6.3 METODY DIGITALIZACE .................................................................................. 66 6.3.1 Kontaktní metody digitalizace ........................................................ 68 6.3.2 Metody založené na optických bodech .......................................... 70 1
Minos++
Rychlé vytváření prototypů - Učebnice
7 6.3.3 Lineární optické metody ................................................................. 73 6.3.4 Optické metody založené na pásmu .............................................. 74 6.3.5 Destruktivní skenování ................................................................... 76 6.4 VYBAVENÍ A SOFTWARE ................................................................................. 77 6.5 DIGITALIZACE GEOMETRIE .............................................................................. 79 6.5.1 Fáze digitalizace ............................................................................. 79 6.5.2 Plánování digitalizačního procesu .................................................. 80 6.5.3 Získávání dat .................................................................................. 82 6.5.4 Zpracování dat a konstrukce CAD modelu ..................................... 83 POUŽITÁ LITERATURA...............................................................................89 2
Minos++
Rychlé vytváření prototypů - Učebnice
1 Úvod
V současném vysoce industrializovaném světě neutuchající potřeba
redukovat dobu plánování a projektování výrobků a potřeba zajistit nejvyšší
možnou kvalitu produktu v okamžiku jeho zprovoznění vedou k vývoji
nových technologií, jejichž cílem je redukce výrobní doby před uvedením
produktu na trh.
Nové technologie poskytují nástroje umožňující rozšíření záruky kvality,
od výrobní oblasti po celou životnost produktu. Skládají se z technik a
metod, které umožňují snížení doby vývoje produktu, a to od fáze
formulování požadavků až po fázi uvedení konečného produktu na trh.
Jedním ze základních cílů je minimalizace doby prostoje spolu se
souběžným vylepšením kvality produktu.
Matematický model objektu (CAD 3D) se považuje za základní součást
všech těchto technik. Takový model je sadou dat, která umožňují přesný
popis geometrického tvaru jakéhokoli trojrozměrného objektu. Základní
pravidla a potenciální nástroje jsou známé již léta, ale v důsledku určitých
problémů, zejména spojených s náklady, jsou vyhrazené nástroje, kultura a
aplikace obvykle nasměrovány pouze na velice bohaté nebo strategické
zákazníky.
Matematický model lze získat dvěma různými způsoby:
• Přímo, s použitím počítačových nástrojů pro trojrozměrné
projektování (CAD – počítačem podporované projektování)
• Kopírováním prvku s použitím nástrojů, jako jsou videokamery,
systémy zpětného inženýrství, CAT (počítačová axiální tomografie),
které se zvolí podle typu prvku, oblasti aplikace, požadované
přesnosti, atd.
Jakmile se model získá, může se používat k různým účelům, od archivace
po možnost provádění testů, vylepšování geometrie, používání
v multimediálních aplikacích, stejně jako v analýzách a FEM testech
skutečných výrobních procesů, v přípravě prototypů a forem s použitím
technik rychlého vytváření prototypů a rychlého vytváření nástrojů [19].
Techniky rychlého vytváření prototypů a rychlého vytváření nástrojů jsou
takovými technologiemi. Tyto systémy, instalované na moderních
zařízeních a využívající různé technologie a materiály, dokážou připravit
v cílovém materiálu prototyp nebo sérii prototypů objektu na základě jeho
numerického modelu získaného z CAD 3D systému nebo procesu
zpětného inženýrství. Při způsobu konstruování prototypu, který se vytváří
s použitím bezodpadového procesu, se jednotlivé vrstvy přidávají podle
údajů obsažených v STL souboru.
3
Minos++
Rychlé vytváření prototypů - Učebnice
RP, což je vizuální nástroj, pomáhá společnostem snížit pravděpodobnost
uvedení druhořadého nebo nekvalitního produktu na trh. Takové modely
mají mnohá využití. Poskytují dokonalou vizuální pomůcku při výměně
nápadů se spolupracovníky nebo klienty. Kromě toho se dají využít
v testovacích fázích. Například letecký inženýr může použít model letadla a
změřit na něm brzdu aerodynamického tlaku (odporové síly). Kromě
přípravy prototypů se RP techniky mohou použít k výrobě nástrojů
(takzvané rychlé vytváření nástrojů) nebo dokonce i vysoce kvalitních
produktů (rychlá výroba).
Rychlé vytváření prototypů pochopitelně není dokonalé. Objem vytvářených
součástek je omezený, jejich velikost závisí na typu zařízení. V případě
hromadných výrobních sérií nebo jednoduchých objektů jsou obvykle
ekonomičtější tradiční výrobní techniky. Pokud však tato omezení
ignorujeme, rychlé vytváření prototypů je technologie stojící za povšimnutí,
která výrazně napomáhá výrobnímu procesu.
Časem výzkum a vývoj umožní další vývoj těchto systémů, pokud jde o
účinnost (kratší doba konstrukce, menší odchylky, lepší kvalita povrchu,
zvýšená odolnost RP modelů vůči počasí, stejně jako vůči mechanickým,
teplotním a chemickým podmínkám). Jednoznačné přijetí na trhu a budoucí
úspěch těchto technologií jsou potvrzeny, což je důsledkem přirozené
tendence redukovat dobu vývoje nových produktů. To je také hlavním
faktorem úspěchu.
4
Minos++
Rychlé vytváření prototypů - Učebnice
Minos++
2 CAD
CAD je zkratka pro “Computer Aided Design”. Tento typ softwaru umožňuje
konstrukci prvků s mnoha detaily, nebo inženýrem navrženého zařízení.
CAD systémy podporují proces konstrukce a navrhování, používají se pro
skicování a geometrické modelování. Geometrické modelování slouží k 3D
znázornění modelovaných dílů a sestavených celků. Zobrazení celků
zahrnuje také popis struktury celků, nazývané struktura výrobku. 3D
znázornění dílů a celků slouží ke tvorbě technické dokumentace, např.
kreseb, výčtu dílů, seznamu materiálů.
První vyvinuté CAD systémy poskytovaly funkčnost, které umožňovala
vytváření ploché dokumentace. V průběhu času byly přidány funkce pro
vytváření 3D modelů. Byla zpřístupněna knihovna základních tvarů (kužel,
válec, koule, atd.), které bylo možné použít při vytváření 3D modelů.
Předpokládalo se, že bude nejprve vytvořena 2D dokumentace, na jejímž
základě se budou stavět 3D modely. Tento přístup se však časem změnil
kvůli dynamickému vývoji 3D modulů. Nakonec se nástroje pro 3D
modelování staly natolik výkonnými a jednoduchými, že se z nich stal
základní modul CAD systému, zatímco 2D kresby se začaly používat pouze
pro doplnění. Poté bylo konstatováno, že 2D kresby nejsou nic jiného, než
prezentace 3D modelu, což umožňuje vytvořit 2D dokumentaci téměř
automaticky.
CAD systémy obsahují knihovny předem připravených objektů (šrouby,
ložiska, klíny, atd.), které lze použít při projekční práci. Konstruktér tedy
nemusí používat různé druhy katalogů, když hledá určitý prvek. Může ho
najít v základní galerii, nebo pro svůj návrh dodatečně stáhnout jeho 3D
model. Knihovny dílů jsou obvykle otevřené a uživatelé je mohou doplňovat
díly, které sami vytvořili. Ty jsou pak zpřístupněny pro ostatní uživatele ve
společnosti, kteří pracují s CAD systémem a mají přístup ke knihovnám
dílů. Knihovny tohoto typu zefektivňují proces navrhování.
Geometrické modelování je technika, která se používá pro rýsování tvarů
určitého předmětu. CAD systémy umožňují jak vylepšit proces navrhování,
tak zkrátit dobu potřebnou k vývoji výrobku.
Používání počítačů a grafických programů usnadňuje či vylepšuje činnosti
spojené s navrhováním výrobku – od představy po archivaci. Práce s CAD
systémem je interaktivní práce na počítači, které vede k modelování dílů.
Na sestaveném modelu pak lze provádět řadu operací.
5
Definice
Rychlé vytváření prototypů - Učebnice
Současné CAD systémy umožňují parametrické modelování, založené na
obousměrném vztahu mezi dimenzemi, které mohou být zobrazeny v
režimu náčrtu, v 3D režimu, v režimu 2D kreslení a 3D geometrie a naopak.
Znamená to, že v jakékoli fázi projektování dílů můžeme změnit každý již
dříve zadaný rozměr. Příklady takových programů jsou SolidWorks a
CATIA. Tyto systémy zaznamenávají každý krok projektování a veškerá
historie vytváření modelu je znázorněna ve formě stromu. Změna
parametrů modelu nastává prostřednictvím nalezení operace ve stromě a
editování jejích parametrů. Náčrty, na jejichž základě operace vznikla, se
rovněž dají modifikovat. Po uložení změn se aktualizuje celý model.
Aktualizace modelu může být neúspěšná, protože následující operace
mohou být založeny na geometrii modifikované operace. V takovém
případě systém určí, které operace jsou problematické a vyžadují zásah
uživatele.
V současné době všechny uznávané CAD systémy umožňují:
• vytváření trojrozměrných projektů,
• vytváření kreseb konstrukce z několika samostatných prvků,
přezkoušení, zda do sebe zapadají
• spolupráci mnoha lidí na velkých projektech,
• automatické aktualizace všech kreseb konstrukce při každé změně
jakéhokoliv detailu,
• automatické vytvoření seznamu detailů, odhadu nákladů,
spolupráce se skladištěm, atd.,
• vizualizace,
Hlavními rysy CAD systému jsou:
• geometrické modelování objektu,
• vytváření a upravování konstrukční dokumentace
• ukládání a uchovávání dokumentace v elektronické podobě – jako
soubory i jako databáze,
• výměna dat s jinými systémy,
• vytváření trojdimenzionálních projektů vytvořených prvků,
• vytváření kreseb konstrukce z několika samostatných prvků,
• spolupráce mnoha lidí na jediném projektu,
• automatické aktualizace všech kreseb konstrukce při změně
jedné z nich,
• automatický odhad nákladů, spolupráce se skladištěm, atd.
6
Minos++
Rychlé vytváření prototypů - Učebnice
Počítačem podporované navrhování tvoří tři úrovně:
• koncepce, kdy je provedena analýza, shromaždování možností
řešení a posudek řešení z pohledu jejich správnosti,
• vývoj koncepce, kdy se specifikuje koncept řešením, stanoví se
rozsah projektu a přistoupí se ke konstrukci modelu a posouzení
řešení,
• detail, kdy dojde na reprezentaci jednotlivých dílů a posouzení
řešení.
CAD proces se skládá z 6 fází [7]:
• rozpoznání potřeb,
• definování problému,
• syntéza,
• analýza a optimalizace,
• evaluace,
• prezentace.
Obr. 2.1 Proces navrhování za použití CAD
7
Minos++
Rychlé vytváření prototypů - Učebnice
Výhody používání CAD systémů:
• možnost určit optimální řešení,
• zlepšení kvality získaného řešení (precizní matematické modely
(CAD 3D)),
• projektant je zbaven časově náročné a většinou nudné práce
(skicování, výpočty),
• více možností zužitkování existujících návrhářských řešení díky
počítačovým databázím stávajících norem a katalogů
• možnost simulovat chování navrženého předmětu za různých
podmínek již ve fázi navrhování.
Výhody vyplývající ze zavedení CAD systému jsou nesporné a společnost
může tímto způsobem vylepšit svou konkurenční pozici. Nosná pozice
představujícího technologickou úroveň celé továrny je pouze jedním okem
v řetězu činností pro přípravu technické výroby. Není-li vhodně a
interaktivně spojena se všemi ostatními oblastmi, které spadají know-how
továrny, pak ani instalace těch nejlepších CAD systémů nepřinese
společnosti jako celku velké výhody (kromě zvýšení pohodlí, vzdělanosti a
efektivity práce v konstrukčním oddělení).
Obr. 2.2 Modely předmětů v CAD systému
8
Minos++
Rychlé vytváření prototypů - Učebnice
U CAD se používají dva druhy geometrických modelů:
1. plochý – využívá obrysů
• grafický 2D model, kde některá uspořádání čar spojují skupinu
bodů, při tvorbě modelu se používají prvky jako např.: rovné čáry,
oblouky, kruhy, paraboly, atd.
• grafické 2,5D modely, tj. modelování spektrálních či rotačních
předmětů,
charakterizované
používáním
plochých
prvků
(translačním či rotačním pohybem plochých povrchových prvků
okolo osy otáčení se vytvoří objemový model předmětu).
2. prostorový – využívá trojrozměrných prvků
• objemové modelování spočívající v sestavení trojdimenzionální
kresby ze základních matematických těles, jako je válec nebo torus;
• plošné modelování, používané pro vytváření plošných objektů, které
se skládají z hran, spojených plochami, tzv. fazetami (objeví se
polygonální síť, jejíž povrch je hladký);
• drátěné modelování, používané pro vytváření předmětů – koster
tvarů, za použití lineárních a obloukových prvků.
CAD softwary se v podstatě používají pro navrhování konstrukcí, tudíž jsou
spojeny hlavně s mechanikou. Mezi nejpopulárnější CAD systémy patří:
CATIA, Solid Works, Pro/Engineer, SolidEdge, Unigraphics, Inventor,
AutoCAD.
Dodatečné informace ohledně jednotlivých systémů lze nalézt na
internetových stránkách výrobce.
CAD systémy se používají kvůli následujícím rysům:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
přesnost kresby,
méně práce,
možnost analyzovat modely,
prostorové zobrazení,
automatizace kreslení,
rychlé provádění změn,
jednoduché ovládání projektu,
možnost integrace s ostatními systémy,
jiné.
9
Minos++
Rychlé vytváření prototypů - Učebnice
3 CAD – RP komunikace
3.1 Formát STL
S nápadem vytvořit formát STL (Standard Triangulation Language, tedy
“Standardní triangulační jazyk”) přišla společnost 3D Systems, která je
pionýrem v oblasti stereolitografie. Na její podnět společnost Albert
Consulting Group v roce 1987 vytvořila první verzi STL. Tento formát se
stal brzy základním formátem užívaným pro výměnu dat u procesů
rychlého vytváření prototypů. STL za tento úspěch vděčí své
jednoduchosti, originalitě a dostatečně preciznímu vyjádření (mapování)
navrženého modelu. Hlavním úkolem zmíněného formátu je přenos CAD
3D modelů do přístrojů pro rychlé vytváření prototypů. V současné době
nabízí většina CAD/CAM programů možnost uložit model ve formátu STL,
který mohou přečíst téměř všechny systémy Rychlého vytváření prototypů
[8].
3.1.1 Struktura a vytváření souborů STL
STL je tvořen rejstříky trojúhelníkových ploch, kterým se také říká
trojúhelníková mřížka. Můžeme ji definovat jako soubor vrcholů, hran a
trojúhelníků, navzájem spojených tak, že každá hrana a každý vrchol jsou
sdíleny minimálně dvěma přiléhajícími trojúhelníky (pravidlo “vrchol k
vrcholu”). Jinými slovy, trojúhelníková síť aproximací přibližně vyjadřuje
plochy 3D modelu, uloženého ve formátu STL. Toto vyjádření ovšem
vynechává prvky, jako jsou body, přímky, křivky, vrstvy a barvy.
Obr. 3.1 Aproximační model využívající trojúhelníky BRAK FOTO
Soubory STL se ukládají s příponou *.stl, část programů však umožňuje
použít i jiné přípony. Velikost souboru závisí na počtu trojúhelníků, na
jejichž plochy byl model rozdělen, a v důsledku toho na přesnosti, s jakou
trojúhelníky odráží geometrii modelu.
10
Minos++