Spolupráce Autodesk Inventoru s 3D tiskárnami

Digitální prototypování poskytuje uživatelům celou řadu zcela nových možností realizace návrhů součástí. Pryč jsou doby, kdy jsme se mohli spoléhat pouze na 2D pohledy a řezy. Modely poskytují nejen zcela názorné zobrazení navrhovaných objektů, ale po doplnění fyzikálních a materiálových vlastností mohou být základem pro výpočty a analýzy. Další ze zcela nových možností je rychlé vytvoření reálného modelu pomocí metod Rapid Prototyping.

Smyslem této technologie je vytvořit během velmi krátkého času reálný model součásti, případně sestavy, který lze pořídit za určitých podmínek za zlomek ceny skutečného výrobku. Tato metoda je ideálním nástrojem především při návrhu prvotního designu výrobku, prověřování chyb, případně operacích spojených s vyhodnocením vyrobitelnosti a nákladů. Technologií Rapid Prototyping je celá řada. My jsme po naši výrobu použili 3D tiskárnu Dimension SST 1200 pracující na principu FDM (tisk ve vrstvách z ABS plastu s možností rozpustitelných podpor), která je k dispozici na VOŠ a SPŠ ve Žďáře nad Sázavou (www.spszr.cz).

  3D tiskárna Dimension SST 1200, princip FDM a výrobek

3D tiskárna Dimension SST (Soluble Support Technology) je určena pro rychlou výrobu pevných a přesných prototypových modelů s technologií rozpustných podpor. Tato technologie umožňuje zhotovit modely velmi komplikovaných tvarů s dutinami a tenkými stěnami nebo vyrobit přímo celé funkční konstrukční sestavy.

Přednosti 3D tiskárny Dimension SST

-Technologie rozpustných podpor

-Pevné a netoxické ABS modely

-Práce v kancelářských podmínkách

-Velikost modelovacího prostoru (X,Y,Z): Max. (254 x 254 x 305) mm

-Modelovací materiál: Kazeta s ABS modelovacím materiálem (922 cm3). ABS plast v barvě bílé, modré, žluté, černé, červené, zelené a kovově šedé. Kazeta s materiálem podpory (922 cm3)

-Tloušťka nanášených vrstev: (0,24 ÷ 0,33) mm

Tiskárna je řízena pomocí software Catalyst. Obslužný software tiskárny Catalyst načítá hotové 3D modely ve formátu STL, orientuje je do polohy pro výrobu, automaticky rozdělímodel na velmi tenké vrstvy. Sám vygeneruje stavební vrstvy a všechny nutné podpory potřebné pro výrobu modelu. Přenese upravená data pro výrobu 3D modelu přes počítačovou síť přímo na 3D tiskárnu. Catalyst dovoluje řídit a sledovat postup výrobu 3D modelu a o procesu výroby informuje uživatele.

  Jeden z prvních modelů ve výkresové dokumentaci

Jako ukázkový model jsme zvolili poměrně tvarově složitý díl vytvořený modelováním v Autodesk Inventoru. Jednalo se o pojistný plastový šroub, který bude vyroben jako funkční součást na 3D tiskárně. Nejedná se tedy o pouhý návrh, ale s určitým omezením může být tato součást dále použita do finální sestavy. Omezení v užitkovém použití vytisknutého dílu jsou dány především strukturou materiálu součásti, která není díky tisku z vláken zcela homogenní. Dalším jistým omezením je přesnost dílu vycházející z tloušťky vrstvy a tím i ovlivnění finálního povrchu.

  Pozor při tvorbě modelu především na operaci projekce geometrie

Provedení modelu součásti v Autodesk Inventoru, pokud má být dále zpracován touto technikou ať do podoby náhledového návrhu, případně testovacího kusu musí tedy s výše uvedenými omezeními počítat. Doporučuji proto před tvorbou modelu pro 3D tisk zvážit, jestli je možné daný konstrukční prvek vytisknout, nebo je-li to vůbec účelné. Zásadním omezením z tohoto pohledu je tloušťka vrstvy, která se je přibližně u našeho stroje 0,3 mm. Pokud jsou stěny štíhlejší budou se tisknout pouze částečně, případně vůbec. Pokud model obsahuje takto drobné konstrukční prvky je nejjednodušší v Autodesk Inventoru vytvořit odvozenou součást a upravit odpovídající konstrukční prvky z hlediska rozměrů (lze je dále upravit broušením), případně je zcela vypustit.

  Export šroubu do formátu STL

Výraznou pozornost doporučuji věnovat vlastní topologii modelu a jeho provedení. Vlastní provedení modelu přímo v Autodesk Inventoru je citlivé především na provázanost objemů a jejich kontinuálnost. U našeho šroubu je označeno jedno z kritických míst konstrukce, kterému je nutné věnovat zvýšenou pozornost.

Závit je generován jako tažený prvek po šroubovici kolem válcového prvku definujícího současně jeho malý průměr. I drobná nepřesnost, případně nevhodně provedená množinová operace může znamenat jeho pozdější odpadnutí. Rozhodující je pro výrobu na 3D tiskárně také tloušťka tisknuté vrstvy a orientace závitu vůči pracovní ploše tiskárny při vlastním tisku.

  Kontrola formátu STL a proveditelnosti modelu

STL formát je poměrně univerzální je díky tomu používán standardně na 3D tiskárnách bez výraznějších alternativ. Autodesk Inventor a další produkty Autodesk tento formát podporují přímo bez nutnosti vlastnit další rozšiřující moduly, případně kompletní překladače formátu. Přes to doporučuji načíst před tiskem STL formát alespoň do analyzačního programu 3D tiskárny, který umožňuje hrubou kontrolu načtených dat a jejich prověření z hlediska proveditelnosti. Existuje samozřejmě celá řada složitějších řešení.

 Oprava problémů importovaných ploch v Autodesk VIZ (obrácené normály)

Rád bych v této fázi článku upozornil na další z chyb, které se mohou obecně při 3D tisku objevit. Jedná se o zpracování modelů z ploch, případně z importovaných dat, u kterých nebyla korektně upravena orientace normál. Takový příklad můžete vidět na výše uvedeném obrázku, kdy byl načten architektonický model do aplikace Autodesk VIZ. Pro tento model byly typické chyby v konverzi orientace normál. V případně ponechání původní orientace při 3D tisku ve formátu STL dochází k „otevření“ povrchu součásti a software 3D tiskárny toto zaznamená jako chybu. Výsledkem je pak samozřejmě neúplný model.

  Finální výtisk po rozpuštění podpor

Vlastní tisk na 3D tiskárně je již velmi prostý. V našem případě byla tisknuta jediná součást. Byla vytisknuta řádově za dvě hodiny. Software tiskárny při tom zcela automaticky zvolí nutnost použití rozpustitelných podpor, které jsou vidět na níže uvedeném obrázku. Jedná se o materiál, který je vyžit v místech, kde tiskárna nedokáže zpracovat geometrii tak, aby nedošlo ke zhroucení geometrie při tisku. Materiál (na obrázku níže hnědý) je rozpuštěn ve speciálním roztoku. Větší kusy lze opatrně odlomit.

Z Autodesk Inventoru a dalších aplikací lze tisknout nejen singl součásti, ale také celé sestavy a to ve finální podobě (sestavené). Jedná se o jistou zajímavost využití 3D tisku. Pro tyto potřeby musí být ovšem model modifikován tak, že je vyroben a sesazen s poměrně vysokou vůlí, odpovídající tloušťce vrstvy.

  Tisk sestavy s vrstvou podpůrného materiálu