Innowacyjne technologie mechaniczne

Technologie szybkiego wytwarzania

narzędzi - Rapid Tooling

Mariusz Frankiewicz

Plan wykładu

• Technologie przyrostowe i Rapid Tooling
• Rapid Tooling: definicje, klasyfikacje
• Przegląd technologii RT

– Charakterystyki metod
– Obszary zastosowań, przykłady

• Nowe możliwości optymalizacji

konwencjonalnych procesów wytwarzania za
pomocą narzędzi RT

• Podsumowanie

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

2

Technologie przyrostowe/generatywne

technologie wytwarzania

Generatywne technologie

wytwarzania

Rapid Prototyping

Rapid Manufacturing

Prototypy wizualne

Modele koncepcyjne

Prototypy funkcjonalne

Bezpośrednio

wytwarzane narzędzia

(Direct Tooling)

Gotowe wyroby

Prototypy wytwarzane

pośrednio

Narzędzia wytwarzane

pośrednio

(Indirect Tooling)

T

e

c

h

n

o

lo

g

ia

Z

a

s

to

s

o

w

a

n

ie

P

ro

to

ty

p

o

w

a

n

ie

W

y

tw

a

rz

a

n

ie

go

to

w

yc

h

w

yr

ob

ów

Prototypowe narzędzia

R

a

p

id

T

o

o

lin

g

Wytwarzanie generatywne

Wytwarzanie niegeneratywne

[Source: Gebhardt A.

„Generative Fertigungsverfahren”. Carl Hanser Verlag, 2008 ]

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

3

Czynniki wpływające na powstanie metod

Rapid Tooling

• Zapewnienie wytwarzanym prototypom pełnych

własności wyrobów finalnych, niemożliwych do
odtworzenia za pomocą RP,

• Wytwarzanie serii próbnych, dla których metody RP

nie są optymalne pod względem kosztów, czasu
wytwarzania oraz powtarzalności cech
geometrycznych,

• Redukcja kosztów oprzyrządowania technologicznego

dla wytwarzania krótkich serii próbnych,

• Szybkie wykonanie oprzyrządowania technologicznego

dla pilotażowych serii wyrobów (Bridge Tooling)

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

4

Rapid Tooling

• Szybkie wytwarzanie narzędzi i oprzyrządowania

technologicznego

• Rapid Tooling (RT) – procesy stosujące

(zazwyczaj)

technologie przyrostowe , za pomocą których:

– wytwarzane są modele wzorcowe, służące do formowania

narzędzia

lub
– wytwarzane są bezpośrednio narzędzia

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

5

Rapid Tooling

• „Rapid tooling, n—the use of additive

manufacturing to make tools or tooling quickly,

either directly, by making parts that serve as the

actual tools or tooling components, such as mold

inserts, or indirectly, by producing patterns that

are, in turn, used in a secondary process to

produce the actual tools.

• Rapid tooling, n—in machining processes, the

production of tools or tooling quickly by

subtractive manufacturing methods, such as CNC

milling, etc.”

[źródło: ASTM: F2792 Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies]

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

6

Rapid Tooling

CAD 3D

STL

Triangulacja

Wyrób

jednostkowy /

prototyp

GTW

Narzędzie (forma)

Model wzorcowy

(GTW)

Formowanie narzędzia /

Pośredni proces RT

Narzędzie (forma)

Wytwarzanie

Wytwarzanie

Seria wyrobów/

prototypów

Seria wyrobów/

prototypów

Technologie przyrostowe i Rapid Tooling

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

7

Klasyfikacja metod RT

Kryteria podziału:
• Sposób realizacji procesu RT:

– Metody pośrednie
– Metody bezpośrednie

• Trwałość narzędzi

– Rapid Soft Tools
– Rapid Hard Tools

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

8

Klasyfikacja metod RT

Cechy narzędzi

Metody Rapid Tooling

Zastosowania Trwałość

Materiały

Bezpośrednie

(GTW)

Pośrednie

Rapid

Hard

Tools

Średnie i

duże serie

wyrobów

Wysoka

Stale

narzędziowe

(np.1.2344),

stale

wysokostopowe

(maraging)

(1.2709)

SLM

(LaserCusing),

SLS, DMLS, EBM,

DMD, LENS, 3DP

(Prometal)

Metalizacja

natryskowa (stal),

SprayForm

Rapid

Soft

Tools

Produkcja

jednostkowa,

krótkie serie

wyrobów

Niska

Żywice

epoksydowe,

kompozyty

epoksyd.-Al,

proszki

ceramiczne,

arkusze

papieru, stopy

Zn/Sn i Al.

SL,

3DP (ZCast)

Odlewanie

próżniowe

(VC/RTV),

Metalizacja

natryskowa (Zn-

Sn), Narzędzia z

kompozytów

epoksydowych,

MPC

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

9

Pośrednie technologie szybkiego

wytwarzania oprzyrządowania

technologicznego i narzędzi

(Indirect Rapid Tooling )

Pośrednie procesy RT

• Kształt narzędzia (części formującej) jest

otrzymywany poprzez odformowanie modelu
wzorcowego

• Najczęściej stosowane procesy:

– Odlewanie
– Natryskiwanie cieplne

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

11

Pośrednie metody RT: wybrane procesy

• Odlewanie próżniowe

– Vacuum casting
– MPC (metal part casting)

• CAFE – composite aluminium filed epoxy /

composite tooling / epoxy tooling

• Natryskiwanie cieplne - metalizacja łukowa

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

12

Przegląd RT: odlewanie próżniowe

Odlewanie próżniowe – odformowanie próżniowe gniazd
form z elastomerów (kauczuki silikonowe) na podstawie
modelu wzorcowego (wytwarzanych technikami
przyrostowymi)

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

13

Przegląd RT: odlewanie próżniowe –

materiały

Odlewanie próżniowe umożliwia
przetwarzanie m.in. :
• żywic epoksydowych i poliuretanowych

zbliżonych właściwościami mechanicznymi
do popularnych grup tworzyw
polimerowych stosowanych w
przetwórstwie (ABS, LDPE, HDPE, PVC, PA)

• dedykowanych tworzyw polimerowych (PA)
• wosku
• kompozytów

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

14

Przegląd RT: odlewanie próżniowe - zalety i

wady

Zalety metody:
• Niskie koszty < 10 % kosztów

związanych z formowaniem wtryskowym

• Krótkie cykle wytwarzania < 5% czasu związanego z

wytwarzaniem oprzyrządowania oraz serii wyrobów za
pomocą formowania wtryskowego

Wady:
• Niskie własności wytrzymałościowe form -> krótkie serie

wytwarzanych obiektów < 30 (50, 10 ….)

• Jakość wyrobów zależna od przygotowania modeli

wzorcowych

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

16

Pośrednie metody RT: wybrane procesy

• Odlewanie próżniowe

– Vacuum casting
– MPC (metal part casting)

• CAFE – composite aluminium filed epoxy /

composite tooling / epoxy tooling

• Natryskiwanie cieplne - metalizacja łukowa

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

17

Przegląd RT: Metal Part Casting (MPC)

• Odlewanie próżniowe stopów metodą

traconego modelu

• Modele odlewnicze wytwarzane za

pomocą technologii przyrostowych (SL,
PolyJet …)

• Materiały: stopy Al, Cu, …

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

18

Pośrednie metody RT: wybrane procesy

• Odlewanie próżniowe

– Vacuum casting
– MPC (metal part casting)

• CAFE – composite aluminium filed epoxy /

composite tooling / epoxy tooling

• Natryskiwanie cieplne - metalizacja łukowa

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

19

Przegląd RT: Kompozyty epoksydowe

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

20

• CAFE - composite aluminium filed epoxy
• Wytwarzanie gniazd form wtryskowych oraz tłoczników
• Narzędzia dla wytwarzania krótkich i średnich serii wyrobów
• Materiał: żywica epoksydowa wypełniona Al
• Modele wzorcowe – np. wykonane technikami RP

[

Źródło: MTT]

Pośrednie metody RT: wybrane procesy

• Odlewanie próżniowe

– Vacuum casting
– MPC (metal part casting)

• CAFE – composite aluminium filed epoxy /

composite tooling / epoxy tooling

• Natryskiwanie cieplne - metalizacja łukowa

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

21

• Wytwarzanie gniazd form wtryskowych
• Narzędzia dla wytwarzania krótkich i średnich serii wyrobów
• Skorupowe narzędzie tworzone za pomocą natryskiwania

łukowego

• Materiał: niskotopliwe stopy Zn-Sn (można też stal – modele

ceramiczne)

• Modele wzorcowe – np. wykonane GTW

Przegląd RT: Metalizacja łukowa

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

22

Natryskiwanie łukowe w wytwarzaniu

narzędzi

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

23

Natryskiwanie łukowe w wytwarzaniu

narzędzi: Ford Sprayform

• Sprayform Holdings Ltd
• Kokile dla łopatek wirników

sprężarek sam.
(trwałość 750 000 cykli)

• Natryskiwanie stali na modele

ceramiczne

• Grubość powłoki ≈ 19mm
• Wyroby 760 x 1015 x 250mm

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

24

Natryskiwanie łukowe w wytwarzaniu

narzędzi: Ford Sprayform

• Prototypowe kokile i tłoczniki

(300–400 szt.)

• Tłoczniki dla komponentów

motoryzacyjnych (produkcja
seryjna)

• Trwałość: 70 000 – 1mln cykli

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

25

Bezpośrednie technologie Rapid Tooling

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

26

Model CAD3D

Narzędzie

Bezpośrednie technologie Rapid Tooling

• Stereolitografia
• Drukowanie 3D
• Technologie mikrometalurgii laserowej

– „powder bed”: SLS, DMLS, SLM
– Osadzanie laserowe: LENS, DMD

• Technologie hybrydowe:

– Ultrasonic consolidation
– Procesy laminatowe / Melato / LOM

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

27

Przegląd RT: stereolitografia (SL)

• Wkładki formujące form

wtryskowych, przyrządy montażowe

• Niska wytrzymałość narzędzi (form):

produkcja jednostkowa oraz krótkie
serie wyrobów/prototypów

• Materiał narzędzia: utwardzane

wiązką lasera fotopolimery oraz
kompozyty na osnowie polimerowej
(np. z proszkami ceramiki)

• Dodatkowe procesy podnoszące

właściwości narzędzi – np.
galwaniczne nakładanie powłok Ni

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

28

Przegląd bezpośrednich technologii RT

• Stereolitografia
• Drukowanie 3D
• Technologie mikrometalurgii laserowej

– „powder bed”: SLS, DMLS, SLM
– Osadzanie laserowe: LENS, DMD

• Technologie hybrydowe:

– Ultrasonic consolidation
– Procesy laminatowe / Melato / LOM

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

29

Przegląd RT: 3DPrinting (3DP)

• Zastosowanie:

– Formy odlewnicze do

formowania stopów Al, Zn,
Cu, CoCr. Produkcja
jednostkowa lub krótkie
serie wyrobów (wymagają
większej liczby form)

– Formy wtryskowe – 3D

Metal Printing

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

30

Przegląd bezpośrednich technologii RT

• Stereolitografia
• Drukowanie 3D
• Technologie mikrometalurgii laserowej

– SLS, DMLS, SLM
– Osadzanie laserowe: LENS, DMD

• Technologie hybrydowe:

– Ultrasonic consolidation
– Procesy laminatowe / Melato / LOM

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

31

Technologie mikrometalurgii laserowej

• Główne grupy:

– Technologie laserowe typu „powder

bed”

– Technologie osadzania laserowego

• Przetwarzanie materiałów

narzędziowych (stali, stopów
specjalnych), wysokie właściwości
mechaniczne narzędzi (Rapid Hard
Tooling / Rapid Manufacturing)

• Narzędzia dla produkcji

jednostkowej oraz masowej

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

32

Przegląd RT: Technologie Laserowe

„Powder Bed”

• Procesy:

– Selective Laser Sintering – SLS (Selektywne

spiekanie laserowe)

– Direct Metal Laser Sintering – DMLS (Bezpośrednie

spiekanie laserowe proszków metali)

– Selective Laser Melting SLM (LaserCusing, Direct

Laser Forming DLF) (selektywna laserowa
mikrometalurgia proszków metali)

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

33

Przegląd RT: Selective Laser Melting (SLM)

• Brak spoiwa oraz etapu infiltracji
• Lasery Nd:YAG do 400W
• Gęstość materiału po przetopie 99,9%
• Grubość warstw > 50 µm
• Dokładność: 0.1 - 0.2 mm
• Rm: 1100 MPa
• Twardość < 65HRC
• Prędkość wytwarzania: do 20 cm

3

/h

• Gabaryty narzędzia: 250x250x250 mm

(ReaLizer SLM 250)

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

34

Przegląd RT: Technologie osadzania

laserowego (Laser Cladding)

Procesy:
• Direct Metal Deposition
• Laser Engineered Net Shaping

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

35

Przegląd RT: Direct Metal Deposition

(DMD)

• Laserowe przetapianie proszku metalu

podawanego koncentrycznie za pomocą dyszy

• Materiały: stopy typu Inconel, stopy Al, stal

narzędziowa, stellity, Ti

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

36

Przegląd RT: Electron Beam Melting (EBM)

• Przetapianie materiałów proszkowych za pomocą wiązki

elektronów

• Przetwarzanie materiały: stopy Fe (w tym stale

narzędziowe), stopy Ti, CoCr

• Wkładki formujące form wtryskowych

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

37

Przegląd bezpośrednich technologii RT

• Stereolitografia
• Drukowanie 3D
• Technologie mikrometalurgii laserowej

– „powder bed”: SLS, DMLS, SLM
– Osadzanie laserowe: LENS, DMD

• Technologie hybrydowe

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

38

Przegląd RT: Technologie hybrydowe –

laserowe przetapianie metali + HSM

• Proces hybrydowy:

– Formowanie: laserowe przetapianie
– Wykańczanie: frezowanie HSM

• Wysoka jakość narzędzi
• Redukcja czasu wytwarzania narzędzi
• Zintegrowana obróbka

wykończeniowa

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

39

Nowe możliwości optymalizacji

konwencjonalnych procesów

wytwarzania za pomocą

narzędzi RT

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

40

Nowe możliwości optymalizacji

konwencjonalnych procesów wytwarzania

za pomocą narzędzi RT

• Wtryskiwanie tworzyw sztucznych z zastosowaniem

narzędzi z chłodzeniem konformalnym

• Narzędzia/przyrządy usprawniające procesy montażu

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

41

Chłodzenie konformalne

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

42

• Możliwość tworzenia konfiguracji

chłodzących/podgrzewających
wewnątrz narzędzia dla zapewnienia
optymalnego zarządzania
termodynamiką narzędzia (np.
jednolite lub szybkie chłodzenie)

• Struktury wymienników ciepła:

kanały, powierzchnie

• Redukcja czasu cyklu formowania

wtryskowego do ok 30-40%

• Redukcja kosztów do

kilkudziesięciu tys. €/ rok

Technologie RT: przyrządy dla procesów

montażu

• Uchwyty, prowadnice itp.
• Zalety: złożona struktura geometryczna,

obniżona waga

• Procesy:

– FDM
– SLS
– …

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

43

Podsumowanie

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

44

Rapid Tooling: podsumowanie

• Pośrednie metody RT

– Odlewanie próżniowe - Vacuum casting
– MPC (metal part casting)
– Technologia form kompozytowych (composite

tooling / epoxy tooling)

– Natryskiwanie cieplne - metalizacja łukowa

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

45

[

Źródło: BMW ]

Rapid Tooling: podsumowanie

• Bezpośrednie metody RT

– Stereolitografia
– Drukowanie 3D
– Technologie mikrometalurgii laserowej: SLM
– Technologie hybrydowe:

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

46

[

Źródło: BMW ]

Rapid Tooling: podsumowanie

• Zastosowania:

– Krótkie serie prototypowe (Rapid Soft

Tooling: np. Vacuum Casting)

– Produkcja masowa (Rapid Hard Tooling:

np.SLM)

• Chłodzenie konformalne

– Narzędzia formujące dla procesów

wtryskiwania tw.sztucznych, odlewania
stopów metali, obróbki plastycznej

– Narzędzia dla procesów montażu

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

47

[

Źródło: BMW ]

Rapid Tooling: Literatura

28/11/2012

Innowacyjne technologie mechaniczne

48

• Wohler T.T.: „Wohlers Report 2010”, Wohlers Associates, Inc. 2010
• Gebhardt A.: „Generative Fertigungsverfahren”. Carl Hanser Verlag,

2007

• Gebhardt A.: „Rapid Prototyping”. Hanser Publishers, 2003
• Hopkinson N., Hague R., Dickens P.: „Rapid Manufacturing” John

Wiley & Sons, Ltd.

• Chlebus E.: „Innowacyjne technologie rapid prototyping – rapid

tooling w rozwoju produktu.” Oficyna Wydawnicza PWr, 2003

• Rapid Prototyping Journal – Emerald Publishing

(http://www.emeraldinsight.com/journals.htm?issn=1355-2546)