Fördjupningsarbete. Prototyptillverkning. Anders Svanbom. Mälardalens Högskola IDT KPP KPP039

Transkript

1 Fördjupningsarbete Prototyptillverkning Anders Svanbom Mälardalens Högskola IDT KPP KPP039

2 Innehåll Inledning... 3 Historia... 4 Bakgrund... 5 Övergripande om olika typer av prototypframtagningstekniker... 7 Fräsmaskiner... 8 Komponenter i en fräsmaskin... 8 Hur fungerar det? D skrivare Komponenter i en 3d skrivare Hur fungerar det? Material Sammanfattning Tack till Källor... 19

3 Inledning Ett av delmomenten i kursen Produktutveckling 3 (KPP039) var att skriva ett individuellt fördjupningsarbete om valfritt ämne som knöt an till det pågående grupparbetet i kursen. Det arbete som jag och min grupp håller på med är att ta fram en modulbaserad antenninkapsling till spårningssystemet Tooltrackers antenn. Under detta arbete skulle vi bland annat ta fram en prototyp av vårt slutgiltiga förslag på antenninkapslingen, därav valde jag att fördjupa mig i ämnet prototypframtagning. I övrigt tror jag även att det kan vara ett mycket bra ämne att vara väl insatt i inför framtiden, eftersom det kan komma väl till nytta i det framtida examensjobbet (där det är stor chans att en prototyp skall tas fram), men även i det framtida arbetslivet. Eftersom det finns två olika typer av prototypframtagningsmaskiner på skolan så tänkte jag rikta in mig på dessa typer (fräsmaskiner och 3d-skrivare). Anders Svanbom Fördjupningsarbete Prototypframtagning 3

4 Historia Prototyptillverkning av slaget som skall behandlas i detta fördjupningsarbete är vanligtvis känt under den vanligare beteckningen Rapid Prototyping. Denna typ av automatiserad prototyptillverkningsteknik började slå igenom i slutet av 1980-talet. Tekniken används inom vitt skilda områden, vanligtvis till just prototypframtagning hos företag, men det finns även exempel på vissa konstnärer/skulptörer som använder sig av tekniken. Idag har teknikerna som används inom Rapid Prototyping utvecklats otroligt mycket sedan starten och tillverkarna bakom dessa Rapid Prototyping -maskiner tror att framtiden hos dessa maskiner inte enbart ligger hos industrin. Därför har man börjat ta fram mindre och billigare Rapid Prototyping -maskiner som till och med skall kunna användas av duktiga hemmaanvändare. Än så länge så ligger förmodligen priserna utom räckhåll för de flesta hemanvändare, men framtiden får utvisa om dessa typer av maskiner kommer bli vanligare i hemmen.

5 Bakgrund Modern prototypframtagning som jag skall behandla i detta fördjupningsarbete grundar sig på användningen av datorer och närmare bestämt olika typer av CAD (Computer Aided Design) program. Det som man kan framställa med hjälp av dessa program är helt enkelt digitala versioner av den produkten som man har tänkt sig att konstruera. Dessa program öppnar upp otroliga möjligheter i hela produktutvecklingsprocessen och kan, om rätt använda, underlätta en produktutvecklares arbete otroligt mycket. Moderna CAD program har blivit mycket sofistikerade och det finns mycket användbara sidofunktioner så som bildrendering av den digitalt framställda produkten. Vilket innebär att man i ett tidigt stadium i utvecklingsprocessen kan sätta in sina produktidéer i olika situationer och se hur de passar in rent estetiskt. Figur 1: Exempel på renderad bild framtagen med hjälp av Solidworks En annan otroligt användbar funktion som finns är även de olika simuleringsmöjligheterna i form av hållfasthetstester m.m. Dessa gör att man i ett tidigare stadium kan avfärda olämpliga designförslag i ett tidigare skede. Rätt utnyttjat så kan alltså CAD program förenkla och förkorta utvecklingsprocessen. Men ibland i de flesta fallen så räcker det inte enbart med att arbeta med digitala versioner av sin produktidé. Man vill helt enkelt ha något handfast att visa upp för uppdragsgivare eller genomföra riktiga tester på m.m. Och det är då som prototypframtagningen kommer in i bilden. Nästa steg mot att ta fram en riktig prototyp efter att man har färdigställt sin CAD modell är att ta hjälp av ett så kallat CAM (Computer Aided Manufacturing) program. Anders Svanbom Fördjupningsarbete Prototypframtagning 5

6 Detta steg består av att man tar sin CAD fil och översätter den till ett neutralt filformat (vanligtvis.stl) som de flesta typer av CAM program kan arbeta med. Huvudorsaken till att detta behövs är att det finns en mängd olika CAD program (t.ex. Solidworks, CATIA, ProENGINEER och AutoCAD för att nämna några) som arbetar med olika (egna) filformat. Det man gör med denna.stl fil är att man använder den i CAM programmet, där dess information (storlek och utformning m.m. på den digitala produkten) bearbetas efter hur det aktuella koordinatsystemet i programmet/maskinen är uppbyggt. Uppgiften med detta steg är helt enkelt att beräkna fram hur skärverktyget (eller sprutmunstycket) i prototyptillverkningsmaskinen skall arbeta (ta fram skär-/sprutbanor). Eller om man så vill hur själva tillverkningsstegen i maskinen skall genomföras. Exempel på program som används till detta är bl.a. EdgeCAM. CAD CAM Prototyp Andra inställningar som görs i CAM programmet är val av material, hastighet på munstycken och skärdjup för att nämna några. När alla nödvändiga parametrar som programmet behöver är givna av användaren så kan tid för tillverknigen beräknas fram av programmet. Prototypen är nu nästan redo att tillverkas. Det som återstår är att göra klart prototypmaskinen för sitt arbete genom att förse den med råvara till tillverkningen m.m.

7 Övergripande om olika typer av prototypframtagningstekniker Det finns olika typer av tekniker för att ta fram prototyper, jag tänkte ta upp de två olika typer som vi använder oss av på IDT i Eskilstuna, nämligen fräsmaskiner och 3d skrivare. Fräsmaskiner använder sig av ett stycke solitt material (ett block) som maskinen sedan fräser sig ner i och bearbetar fram den önskade formen ur. Figur 2: Här ser man hur ett fräsverktyg bearbetar sig ner i ett block. Pilen indikerar fräsverktyget. 3d skrivare arbetar enligt den omvända principen. De bygger alltså upp produkten med hjälp av ett material som sprutas ut, lager för lager, och bygger upp en prototyp. Istället för att ta bort material som fräsmaskiner gör. Figur 3: 3d skrivare som lägger upp lager efter lager på en prototyp. Pilen indikerar skrivarmunstycket som fördelar ut lagren. Anders Svanbom Fördjupningsarbete Prototypframtagning 7

8 Fräsmaskiner Komponenter i en fräsmaskin Figur 4: 1. Fräshuvudet med monterat fräsverktyg. 2. Arbetstyckets hållare ( Arbetsbord ). 3. Arbetsstycke ( blocket ). 4. Hållare för fräshuvudet. Hur fungerar det? Fräsmaskinerna och deras programvara arbetar enligt ett koordinatsystem, vanligtvis xyzsystem. Principen är egentligen ganska så enkel. Arbetssättet påminner om det som finns hos vanliga skrivare, fast här jobbar man i ytterligare en dimension och istället för att fördela ut bläck över ett pappersark så fräser ett verktyg ut en profil ur ett stycke solitt material. Så fort värden för startblocket (blocket som man maskinen börjar fräsa ur) har matats in i CAM programmet, i form av bred, tjocklek och höjd, så översätts dessa värden till ett koordinatsystem som fräshuvudet sedan skall fräsa ut sina fräsbanor i.

9 Figur 5: Exempel på startblock till prototyp. Det finns en rad olika sätt att för dela ut de så kallade fräsbanorna. De kan gå som i en vanlig skrivare (se figur 5). Figur 6: Eller så kan de gå som i figur 6 i en cirkulär rörelse och sedan gå ut mot kanterna. Fräsmaskiner arbetar som nämndes ovan enligt principen att fräsa fram en prototyp ur ett block av något material. Materialen kan vara av en rad olika material, men det som vi använder oss mest av på IDT är framförallt kemiskt trä. Det är ett material som påminner en hel del (ur hållfasthetssynpunkt m.m.) om, precis som namnet säger, trä. Detta material är mycket användbart, speciellt att tillverka första versionerna av sina prototyper i. Dock så kanske man vill ha ett material som inger ett högre kvalitetsintryck vid första anblick, om man t.ex. skall visa upp prototypen för investerare eller uppdragsgivare. Men det är inga problem att använda dessa fräsmaskiner (de större maskinerna med kraftigare elmotorer) till att fräsa ur prototyper ur t.ex. material som aluminium. Men det kräver självklart andra fräsverktyg än vad som används till t.ex. kemiskt trä. För att få fram så fina ytor som möjligt så måste fräsen använda sig av ett så fint och litet fräsverktyg som möjligt, nackdelen med det är bara att det går åt desto fler fräsbanor med ett verktyg med mindre diameter, vilket resulterar i längre frästid. En nackdel med att använda fräsmaskiner är att de ofta kräver att användaren övervakar dem då och då. Orsaken till det är bl.a. resterna från fräsningen i vissa fall blir kvar i det Anders Svanbom Fördjupningsarbete Prototypframtagning 9

10 urfrästa området, vilket ofta leder till att fräsverktyget får svårare att röra sig i sina skärbanor. Vilket i värsta fall kan leda till att verktyget kör fast i materialet. Resultatet av det kan vara att man måste ta bort materialstycket m.m. vilket kan vara ganska tidskrävande. Ett sätt att komma till rätta med detta problem är bland annat att stanna maskinen och t.ex. dammsuga rent materialstycket man bearbetar, därav nackdelen med övervakning av dessa maskiner. Figur 7: Exempel på situation där man kan få problem med spån som blir kvar i urfräsningsblocket. Mera vana användare av dessa maskiner kan dock anpassa utgångsarbetsstycket på ett bättre sätt efter vad det är för typ av prototyp som skall tillverkas och minimera problem med spån från fräsningen m.m. Modernare fräsmaskiner däremot har tekniker som skall minimera dessa problem (tryckluft och skärvätskor m.m.) genom att per automatik transporterar bort spånrester. Dessa tekniker finns dock ej på några av de äldre fräsmaskiner som används på IDT (t.ex. Roland MDX). Andra moderna tekniker som har tillkommit under årens lopp är t.ex. automatiska byten mellan olika fräsverktyg som maskinen sköter helt själv, istället för att operatören själv ska behöva gå in och manuellt byta fräsverktyg.

11 Figur 8: Här ser vi hur en prototyp av en mobiltelefon går från cad format till fräsmaskinen till färdig prototyp. Problem som kan uppstå i äldre/enklare fräsmaskiner är när man skall fräsa ut profiler så som den som illustreras på figur 9 nedan. Figur 9: Tvärsnitt av profil som leder till onödiga ställtider när man arbetar med fräsmaskiner av äldre/enklare slag. Pilen indikerar fräsverktyget. Anders Svanbom Fördjupningsarbete Prototypframtagning 11

12 Det svåra med denna situation är att äldre/enklare maskiner arbetar med sitt fräsverktyg som kan röra sig i x, y och z -led och en fast hållare för profilen som skall fräsas. Detta medför att fräsverktyget inte kan ta sig förbi profilen som den arbetar i och bearbeta undersidan. Man måste alltså ta bort arbetsstycket och vända på det för att kunna bearbeta undersidan. Detta kan återigen vara ett tidskrävande moment som man helst vill undvika. Det moderna maskiner av det mera avancerade slaget har kommit tillrätta med detta problem genom att använda sig av ett rörlig hållare för arbetsstycket, det finns även maskiner som använder sig av fräshuvudet som är ännu mera flexiblare (liknande industrirobotar, typ ABB:s). Dessa mera avancerade fräsmaskiner kan rejält korta tillverkningstiden för en prototyp, speciellt då prototyper av det större slaget med avancerade former. Figur 10: Här ser vi en mera avancerad fräsmaskin utrustad med ett rörligt arbetsbord. Pilen indikerar det rörliga arbetsbordet.

13 3D skrivare Komponenter i en 3d skrivare Figur 11: Ovan syns en typisk uppbyggnad av en 3d skrivare. Hur fungerar det? De vanligaste 3d skrivarna av typen FDM (Fused Deposition Modeling) arbetar precis som fräsmaskiner i ett koordinatsystem (xyz system). Fast istället för att arbeta sig ner i ett arbetsstycke som en fräsmaskin gör så arbetar en 3d skrivare istället ifrån botten på en prototyp och bygger upp den genom att spruta ut material i olika tunna lager. För att stabilisera prototypen så använder sig 3d skrivaren av stödmaterial som byggs upp runt prototypen samtidigt som densamma byggs. Figur 12: På bilderna ovan syns hur en prototyp byggs upp, det omkringliggande röda materialet har till uppgift att bl.a. stötta upp prototypen. Anders Svanbom Fördjupningsarbete Prototypframtagning 13

14 Sprutmunstycken (skrivhuvudena) rör sig i X- och Y -led och fördelar ut de uppvärmda materialen som (vanligtvis) fördelas upp till spruthuvudet i fast form. I spruthuvudet värms de sedan och kan då fördelas ut på det i höjdled (Z -led) rörliga arbetsbordet. Ett stort antal av mycket små sprutmunstycken (vanligtvis ett antal hundra) fördelar ut materialet som skall mycket snabbt stelnar och bildar stödmaterial åt prototypen. Övriga sprutmunstycken (även här ett antal hundra, vanligtvis) fördelar ut materialet som själva prototypen skall bildas av. Figur 13: Bilden ovan visar en 3d skrivare i arbete. Den röda pilen visar spruthuvudet (skrivhuvudet), som är rörlig i X och Y led. Medans den blåa pilen visar arbetsborden som bara rör sig i höjdled (Z- led) Material För att man på en smidigt och enkelt sätt skall kunna ta bort stödmaterialet från prototypen när 3d skrivaren har arbetat klart så använder sig tillverkare av stödmaterial som är vattenlösliga. Metoden där man använder sig av vattenlösliga stödmaterial brukar betecknas SST (Soluble Support Technology). Den stora fördelen med denna metod är att prototypen inte behöver rensas manuellt på sitt stödmaterial, utan att prototypen helt enkel kan doppas i antigen en ultraljuds- eller cirkulationstvätt. Sedan är det bara att fiska upp sin färdiga prototyp.

15 Figur 14: På bilden ovan till vänster syns den färdiga prototypen med sitt stödmaterial kvar. På bilden till höger syns prototypen efter att den har blivit tvättad och stödmaterialet har lösts upp. Vad man kan använda för typ av stödmaterial beror dock på vad själva prototypen byggs upp av. Nedan skall de olika typerna av material som prototypen kan byggas upp av i en 3d skrivare tas upp: Termoplast 3d skrivaren som används på IDT använder sig av termoplast. Termoplasten levereras i form av en slags toner-kassett (liknande de som används i laserskrivare). Inuti denna kassett finns termoplasten i form av en lång tråd som ligger rullad på en spole. Figur 15: Ovan syns en typisk variant av en 3d skrivares "material-kassett". Tråden matas sedan ut till spruthuvudet där de värms upp så att termoplasten skall kunna fördelas ut via sprutmunstyckena. Via munstyckena fördelas sedan mycket tunna lager (tiondels millimeter i vissa fall) av termoplasten. Dessa lager stelnar sedan mycket snabbt så att nästa lager skall kunna appliceras. Detta gör att användaren kan bygga upp väldigt avancerade former men att det kan vara ganska tidskrävande. Exempelvis så tog prototypen som tog fram i Tooltracker projektet över ett dygn (ren skrivtid ) att arbeta fram. Fördelarna med att använda sig av denna typ av material är framförallt att de är miljö- och användarvänligt. Det finns inga farliga kemikalier eller liknande inblandade i Anders Svanbom Fördjupningsarbete Prototypframtagning 15

16 utskriftsprocessen. Vilket medför att denna typ av 3d skrivare utan problem skulle kunna användas i t.ex. kontorsmiljö om det skulle behövas. Mycket användarvänligt eftersom materialet byts mycket enkelt via sina kassetter. Nackdelarna med att använda 3d skrivare anpassade för termoplaster är framförallt att de oftast ger en grövre ytstruktur än de övriga alternativen. Sedan klara skrivare anpassade för just termoplaster oftast inte av att skriva ut prototyper i något annat material än just enbart termoplast. Pulver med bindemedel Det finns till och med 3d skrivare som använder sig av gips, stärkelse eller kisel som uppbyggnadsmaterial. Även här kommer materialet i en slags toner-kassetter. Som bindemedel för dessa material används ofta vanligt vatten. För att sedan kunna använda prototypen så måste den alltså härdas på något sätt. Detta brukar vanligtvis göras med hjälp av antingen uppvärmning i ugn eller att prototypen helt enkelt doppas i ett fixativ (transparent skyddslack) Fördelen med denna typ av material är att olika färger kan blandas till direkt vid skrivprocessen, man kan alltså få fram flerfärgade prototyper. På grund av sina beståndsdelar så blir även processen miljövänlig. Nackdelarna är att processen är långsammare än när man använder sig av t.ex. termoplast. Och för att prototypen skall tåla någon typ av belastning så måste den härdas, innan dess så måste den oftast också göras rent med hjälp av tryckluft eller liknande på grund av att det bildas överflödigt gipspulver t.ex. som lägger sig runt prototypen Härdplast Det finns även 3d skrivare som använder sig av härdplast som uppbyggnadsmaterial. Härdplasten levereras då i vätskeform i kassetter som appliceras i 3d skrivaren. Den stora fördelen med denna typ av 3d skrivare är att noggrannheten hos dessa generellt sett är högre än hos andra typer. Men råvaruhantering och efterbehandling av prototyper tillverkade av detta material kräver specialiserade lokaler och material som inte särskilt miljövänliga och användarvänliga.

17 Polyjet Den senaste utvecklingen inom 3d skrivartekniken går emot att använda sig av så kallad polyjet teknik. Vilket går ut på att använda sig av en så kallad fotopolymer vätska (akrylbaserat material) som sprutas ut med hjälp av flera olika sprutmunstycken. Men den stora skillnaden jämfört med de övriga teknikerna är att här så härdas varje lager med hjälp av en uv lampa (eller flera i vissa fall). Denna uv lampa sitter monterad i direkt efter sprutmunstyckena. Den stora fördelen med denna teknik är att ytkvalitén blir högre än vad alla de övriga teknikerna kan prestera i dagsläget. Detta utan att behöva offra något av miljö och användarvänligheten jämfört med t.ex. vanlig termoplast. Förutom dessa positiva egenskaper så är teknologin också betydligt snabbare än övriga ovan nämnda tekniker. Metoden använder sig av ett geléliknande stödmaterial som måste tvättas bort med hjälp utav vatten efter utskrift i övrigt behövs ej någon efterbehandling. Figur 16: Översikt över hur Polyjet tekniken fungerar. Anders Svanbom Fördjupningsarbete Prototypframtagning 17

18 Sammanfattning Fördjupningsarbetet har varit givande och har gett mig en större insikt i hur dessa maskiner är uppbyggda och hur de fungerar. Detta tror jag kommer att vara nyttig kunskap att ha i framtiden. Framförallt så har det varit givande att få reda på mera om fördelar och nackdelar mellan de olika huvudtyperna, nämligen fräsmaskiner och 3d skrivarna. Om jag i framtiden skall ta fram någon typ av prototyp i ett icke metalliskt material så skulle jag använda mig direkt av någon typ av 3d skrivare, istället för att förlora tid och arbete på att fräsa ut prototypen. Om jag istället var ute efter en prototyp av riktigt hög finish i ett metallsikt material (vilket kan vara önskvärt i vissa fall) så finns det inte så många alternativ att välja på. Då är det någon typ av fräsmaskin som gäller. I övrigt är det häpnadsväckande vilket hög finish som faktiskt är möjligt är möjlig att uppnå med hjälp av framförallt Polyjet tekniken idag. Men självklart är valet av teknik en fråga om vad projektet (-en) man jobbar med har för budget. Men jag tror personligen inte att inköp av dessa typer av maskiner är slöseri med pengar för ett företag. Rätt använda kan dessa maskiner vara till otroligt stor nytta! För produkter som ska tillverkas i små serier så är det fullt möjligt att tillverka dessa med hjälp av någon prototypmaskin, i vissa fall till också ekonomiskt bra eftersom man på det sättet slipper göra investeringar i dyr tillverkningsutrustning. Dessa prototyptillverknings maskiner borde således vara ett oumbärligt hjälpmedel på många produktutvecklingsföretag i världen!

19 Tack till Bengt Gustafsson (IDT) för hjälp med information m.m. Källor Anders Svanbom Fördjupningsarbete Prototypframtagning 19