3D принтери за бързо прототипиране
Комбинацията от ниската цена и лесното използване са движещите фактори за бързото развитие на 3D принтерите.
Конструктори, инженери и педагози са възприели тази технология за рекордно развиваща се, което я прави най-динамичния сегмент в индустрията свързана с бързото прототипиране.
3D принтерите често се използват в най-ранните етапи на конструирането. Моделите, които те произвеждат са инструменти за проверка, оценка, повторение и въпреки, че животът на тези конструкторски инструменти може да се измерва в минути или часове, потребителите все още биха искали постигане на разумна точност, която би удовлетворила техните потребности.
Тази статия представя бенчмарк проучване върху три от основните видове оборудване тази област и предлага на читателите един поглед към резултатите, които могат да бъдат постигнати.
На кратко
Целта на този бенчмaркинг е да анализира и точно да остойности възможностите на Dimension SST [1], InVision SR [2] и ZPrinter 310 [3]. Също така да сравни потребителите на трите системи чрез този тест, на базата на прототипи на едни и същи детайли. Тези прототипи се проверяват от инструменти за качествен контрол. Вместо CMM (coordinate measuring machine), този бенчмаркинг използва лазерно сканиране и CAI (computer-aided inspection) за анализи на качеството на прототипите. CAI (computer-aided inspection) анализите използват 200 000 информационни точки за детайл и богата гама от точни прототипи. Резултатите разкриват изненадваща информация и в някои случаи са в противоречие с основните принципи.
Детайли и процеси
Два двукомпонентни детайла са подбрани за точния бенчмаркинг. Горната и долна част на отделението за батерията са свързани помежду си с шарнири и защипващи механизми. Размерите на компонентите са около 2.5 х 2 х 1 инча. Вторият детайл е закрепен неподвижно към основа, поддържаща изпъкналата и декоративна част, прикачена към основата. Тези компоненти имат диаметри около 1.5 – 2.0 инча (Този тест е провеждан в САЩ и всички размери на детайлите са в инчове).
Производителите на оборудване не са взели участие в този бенчмарк. Крайните потребители са внимателно подбрани на база на техния опит в областта на технологиите и непредубедеността им. Те конструирали четирите детайла с намерението да осигурят възможно най-високата точност. Компаниите, обаче са били ограничени с едно построение за всеки детайл, така че да не се използват итерации за подобряване на резултатите. Детайлите са подложени на последваща обработка на базата на минималните стандарти, които включват премахване на опората, напрашаване и инфилтрация. Не е позволена окончателна обработка.
При получаване на детайлите се поставят етикети на случаен принцип – от S1 до S12. За елиминиране на каквато и да е свързаност, поставянето на етикети осигурява равнопоставеност и прозрачност. Детайлите не се подлагат на обработка от системата, докато не бъдат извършени всички тестови анализи.
Детайлите се проверяват чрез LDI 150 лазерен скенер. При всеки детайл изводите на скенера добавят набор от точки, съдържащ приблизително 237,000 отделни точки. Използвайки софтуера PolyWorks данните за тази съвкупност от точки се сравнява с STL файловете, на базата на които са изградени детайлите. На базата на тези CAI данни се правят цветни карти и точни справки.
Цветните карти (вж. фигура 5 и 6) илюстрират отклонението на детайлите-мостри от STL файловете, използвани за производството им.
Цветният мащаб, който е различен за всеки детайл, показва редица триизмерни грешки. Зелените площи са най-близо до номиналния размер, докато жълто-червените показват пиковете, а цианово сините - спадовете.
Обобщението на тези резултати е представено в Таблица 1 и фигура 7. В Таблица 1 са изброени средното стандартно отклонение и долния и горен праг на грешка. Комбинацията от средните и стандартни отклонения документира набора от грешки
за около 66% от всички информационни точки. Фигура 7 е графично изображение на
данните в таблица 1. Тази графика показва стандартно отклонение (σ) ± 1 при твърдотелни пръти (bar). Вертикалните линии отгоре и отдолу обозначават максималното отклонение при всички информационни точки.
Резултати - по детайли
Отделение за батерията
И за двете - долната и горната част - на батерията измерението SST е най-добро и постига цялостна точност, както се вижда от цветните карти. Грешка в диапазона ± 1 е впечатляваща, като двете части имат диапазон едва по 0,006 инча всяка. Докато максималните грешки са -0,017 и 0,020 инча, 99% от всички данни попадат в диапазона от -0,010 до 0,010 инча.
Вторият най-добър резултат по отношение на точността е от ZPrinter 310. Грешка от порядъка на ± 1 σ е 0,008 инча за
горната е два пъти по-голяма (-0,020до 0,020 инча). В тази част също се наблюдава широк диапазон от грешки около -0,024 до 0,035 инча.
InVision SR демонстрира най-голяма неточност в сравнение с другите две технологии. И за двата детайла нивото на триизмерна неточност е голямо в сравнение с другите системи. Грешката при двата детайла е ± 1 σ и е в границите между 021 и 0,020 инча. 99% от информационните точки попаднат в диапазона между -0,042 и 0,028 инча. Обхватът на тази група грешки е значително по-широк от този на Dimension SST или ZPrinter 310.
Фиксиране
Dimension SST също предлагаха висока точност на фиксиращата основа и капачка. При компонентите за батерии грешката ± 1 σ е само 0,006 инча и за двете части. Също така 99% от стойностите са между -0,009 и 0,009 инча. Dimension SST демонстрира интересна
разлика в минималните/максимални грешки при основата и капачката. Основата има най-голямата максимална грешка (-0,030 до 0,020 инча), а капачката е с най-добри показатели (-0,010 до 0,015 инча).
ZPrinter 310 отново се оказа втори по точност на изпълнение, като закрепващата основа беше най-добрата от всички ZPrinter 310 детайли.
± 1 σ грешката за тези детайли е респективно между 0,009 и 0,010 инча. Базата има стандартно отклонение около -0,003 до 0,006 инча, а капака има диапазон от -0,002 до 0,008 инча. От всички информационни точки на тези детайли 99% попадат в интервала между -0,013 и 0,019 инча. 
Макар, че точността на фиксиращите компоненти при InVision SR е по-висока от тази на
отделението за батерията, резултатите са много лоши и за трите системи.
Резултатите от ± 1 σ грешката са между 0,0013 и 0,015 инча, което надвишава с 50% тази на ZPrinter 310 и повече от два пъти тази на Dimension SST. Въпреки, че точността на фиксиращия капак доближава тази, постигната от ZPrinter 310, 99% от грешките са в много по-широк диапазон (-0,023 и 0,016 инча).
Резултати при системата Dimension SST
Dimension SST надминава и двете - ZPrinter 310 и InVision SR по всички показатели, освен един. Анализът показва, че при Dimension SST диапазонът на отклонение е по-малък и че високите и ниските отклонения са съсредоточени около номиналната стойност. За прототипни части с подобни размери, този анализ показва, че ± 0,003 инча е разумно
очакване за много от измерванията, и че повечето трябва да бъдат между -0,010 и 0,010 инча.
Един фактор, който влияе върху общата точност и качеството е, че Dimension SST може да допусне хлабина между фасетите.
Тези хлабини се получават, когато системата не може да ги запълни, без да добавя материал. Хлабини са включени в информацията за точността на данните и могат да бъдат разглеждани на цветни карти.
Въпреки това, степента на точност на размерите и устойчивостта на резултатите, съперничат на тези при системите за бързо прототипирне, които струват много повече.
ZPrinter 310
Точността на резултатите при ZPrinter 310 изглежда противоречива в сравнение с предходни проучвания за точност и всеобщите принципи. Тази система се представя добре и резултатите са адекватни на тези за система от класа на 3D принтерите с технология за бързо прототипиране. Потребителите на технологията при конструиране на детайли с подобни размери, с основание очакват да видят триизмерните отклонения, които са от
порядъка на ± 0,005 инча. Като цяло, тестовите резултати показват, че повечето размери трябва да попадат в диапазона между -0,015 и 0,015 инча.
Въпреки това, при ZPrinter 310 се наблюдава тенденция към неточности в размерите, които превишават ± 0,015 инчовия диапазон. Контрааргумент тук можа да бъде възможността за последваща обработка. За разлика от другите две технологии, ZPrinter 310 изисква ръчна напрашване и инфилтриране на прототипите.
Когато се разшири, групата от точки показва, че повечето повърхности имат по-високи и по-ниски места, които се отклоняват от равнището на повърхността. Това най-вероятно е резултат от излишък или недостиг на прахова смес и инфилтрат.
Важно е да се отбележи, че долната част на батерията, която е била инфилтрирана с цианоакрилат, е разделена на три части. Приспособлението за закопчаване се отчупва, когато детайлът се отстранява от праховото легло. Това позволява детайлът да се направи втори път. Освен това, при проверката от инспектиращата организация два от ъглите на детайла са били отчупени. Макар че тези липсващи характеристики не са включени в анализа на размерите, те биха могли да са причина за отклонения от общата точност в размерите на детайла, когато се използва като понятие за модел или прототип.
InVision SR
InVision SR e слаб в изучаването на триизмерна точност. Трудно е да се посочи какво
може да се очаква от системата, тъй като при всеки детайл точността варира значително.
Въпреки това, се оказва, че разумен обхват би бил в рамките на 0,010 до 0,005 инча и че повечето размери ще намалеят между -0,020 и 0,020 инча. С изключение на горната част на батерията, характеристиките са с тенденция за намаляване.
Тези резултати показват, че InVision SR може да бъде приемлив като концептуален моделиер, но за „по-взискателните” приложения, технологията може да не успее да отговори на изискванията за точност.
Заключение
В резултат на това проучване на четири детайла, Dimension SST показа, че може да осигури необходимата точност за прототипиране на компоненти. ZPrinter
310 също се „представи” добре, въпреки че границите на толерансите са по-широки от тези на Dimension SST. Изненадващо, InVision SR се справи зле, въпреки високата си резолюция.
Използването на тези резултати заслужава внимание. Както всеки потребител ще заяви, качеството на бързото прототипиране, включително точността, са функции на детайла, на системата, на параметрите, на материала и на оператора. Следователно тези данни се използват само като индикатор за възможна точност при прототипи на малки компоненти.
Благодарности
ZPrinter 310 прототипите бяха доставени от Sherpa Design (www.sherpa-design.com). Dimension SST и InVision SR прототипите бяха предоставени от крайни потребители, пожелали да бъдат анонимни.
Дейностите по измерването и проверката бяха извършени от QC Inspection (www.qcinspect.com).
Референции
1. Dimension SST е произведен от Stratasys Inc.
2. InVision SR е произведен от 3D Systems.
3. ZPrinter 310 е произведен от ZCorporation.
Todd Grimm е президент на T. A. Grimm & Associates,
Inc., независима консултантска фирма, която се фокусира върху бързо прототипиране и инженеринг. Todd работи в областта на бързото прототипиране от 1990 г. насам. Той е автор на "Ръководство за бързо прототипиране”. Todd е член на TCT Европейския Редакционен Консултативен Съвет, членува в Дружеството на инженерите по производството и много други организации.