Από τη δεκαετία του ’80 που έγινε η εμφάνιση των πρώτων τρισδιάστατων εκτυπωτών, η τεχνολογία της τρισδιάστατης εκτύπωσης (3D printing) και γενικότερα της προσθετικής κατασκευής (additive manufacturing) έχει πραγματοποιήσει αλματώδη ανάπτυξη, φτάνοντας στο σημείο να αναγνωρίζεται σήμερα ως μια αξιόπιστη εναλλακτική παραγωγική μέθοδος από την διεθνή βιομηχανία.
Των κ. Χρ. Καλλίγερου και Κ. Καραγιάννη*
Με τη χρήση τρισδιάστατων εκτυπωτών μπορούν να κατασκευαστούν πολύπλοκα σχήματα με σύνθετες γεωμετρίες, που δεν είναι δυνατόν να παραχθούν με παραδοσιακές μεθόδους χύτευσης ή αφαίρεσης υλικού. Για αυτό και η διάδοση των τρισδιάστατων εκτυπωτών είναι πλέον ευρεία στη βιομηχανία, με κύρια αποστολή προς το παρόν την ταχεία κατασκευή πρωτοτύπων και μεμονωμένων προϊόντων.
Παρ’ όλα τα πλεονεκτήματα των τρισδιάστατων εκτυπωτών, ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα που αντιμετωπίζουν στην καθημερινότητά τους οι χρήστες τους, είναι η συναρμογή δύο ή περισσότερων εξαρτημάτων που έχουν παραχθεί μέσω τρισδιάστατης εκτύπωσης, για τη δημιουργία ενός μεγαλύτερου συναρμολογήματος. Λόγω των διαστασιολογικών και γεωμετρικών σφαλμάτων των εξαρτημάτων που παράγονται μέσω της τρισδιάστατης εκτύπωσης, η συναρμογή αυτή μπορεί στην πράξη να μην μπορεί να πραγματοποιηθεί.
Για παράδειγμα, για να μπορέσει να συναρμοστεί –και μάλιστα με έναν προκαθορισμένο τρόπο, με ελεύθερη / σφιχτή συναρμογή– ένας κυλινδρικός άξονας με μία κυλινδρική οπή, θα πρέπει να γίνουν κάποιες αλλαγές στις διαστάσεις τους στο τρισδιάστατο σχέδιο των εξαρτημάτων (π.χ. αύξηση διαμέτρου οπής ή μείωση διαμέτρου άξονα). Οι αλλαγές που πρέπει όμως να κάνει κανείς, ανάλογα μάλιστα και με τη συναρμογή που επιθυμεί να πετύχει, δεν έχουν ακόμα ποσοτικοποιηθεί και ενταχθεί σε κάποια αλγοριθμική διαδικασία που να μπορεί να την ακολουθήσει για να πετύχει το σκοπό του. Η δυσκολία ανάπτυξης μιας τέτοιας διαδικασίας έγκειται στο γεγονός ότι κάθε εκτυπωτής είναι διαφορετικός και με ξεχωριστά χαρακτηριστικά, ενώ και τα υλικά ή/και οι συνθήκες εκτύπωσης διαφέρουν αρκετά ανά περίπτωση.
Στο Εργαστήριο Ταχείας Κατασκευής Πρωτοτύπων και Εργαλείων του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου (ΕΜΠ) έχει αναπτυχθεί μία πρακτική μέθοδος, την οποία μπορεί να ακολουθήσει ένας χρήστης και να εκτιμήσει τις αλλαγές που πρέπει να κάνει στις «αρσενικές» και στις «θηλυκές» γεωμετρίες των εξαρτημάτων του, έτσι ώστε αυτές μετά την εκτύπωση να μπορούν να συναρμόζουν κατά έναν επιθυμητό τρόπο.
Η μέθοδος αυτή βασίζεται στην εκτύπωση από τον ίδιο το χρήστη ενός δοκιμίου, με βάση το οποίο, για το συγκεκριμένο συνδυασμό εκτυπωτή, υλικού και συνθηκών εκτύπωσης, μπορεί να γίνει μια ποσοτική εκτίμηση των σφαλμάτων της διαδικασίας της τρισδιάστατης εκτύπωσης. Η εκτίμηση δεν περιορίζεται μόνο στα σφάλματα διαστάσεων αλλά αφορά και τα γεωμετρικά σφάλματα, όπως και τα σφάλματα κυλινδρικότητας και θέσης.
Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως, στόχος της διαδικασίας είναι να υπολογιστεί πόσο μεγαλύτερες πρέπει να γίνουν οι ονομαστικές τιμές της διαμέτρου των οπών και πόσο μικρότερες πρέπει να γίνουν οι ονομαστικές τιμές των διαμέτρων των πίρων μέχρις ότου να μπορούν να συναρμοστούν.
Με βάση αυτά, αναπτύσσονται δύο δοκίμια που φαίνονται στην εικόνα 1. Το δοκίμιο στα αριστερά φέρει δύο κυλινδρικούς άξονες 3mm και 9mm. Το δοκίμιο στα δεξιά φέρει 7 ζεύγη οπών, το πρώτο στις ονομαστικές διαμέτρους 3mm και 9mm, και κάθε επόμενο αυξάνεται κατά 0,1mm από την ονομαστική τιμή. Δοκιμάζοντας το αρσενικό δοκίμιο στις διάφορες θέσεις του θηλυκού, μπορεί όχι μόνο να προσδιοριστεί μετά από ποιο σημείο μπορεί να επιτευχθεί συναρμογή, αλλά και να προσδιοριστεί πότε μπορεί να γίνει σφιχτή, ενδιάμεση ή ελεύθερη.
Εικόνα 1:
Επίσης, η χρήση των δοκιμίων αυτών επιτρέπει τον προσδιορισμό των σφαλμάτων τόσο μεμονωμένα σε κάθε ζευγάρι κυλίνδρου – οπής όσο και συνδυαστικά. Όπως φαίνεται στην εικόνα 2, ο χρήστης μπορεί να εκτιμήσει το σφάλμα συναρμογής ενός μεμονωμένου ζεύγους κυλίνδρου – οπής και κατ’ επέκταση να εκτιμήσει τα σφάλματα διαμέτρου, κυλινδρικότητας και καθετότητας της διαδικασίας εκτύπωσης. Επίσης, όταν ο χρήστης επιχειρεί να συναρμόσει και τους δύο κυλίνδρους με τις αντίστοιχες οπές ταυτόχρονα, μπορεί να εκτιμήσει το σφάλμα θέσης.
Εικόνα 2:
Αυτό το χαρακτηριστικό αποδεικνύεται ιδιαίτερα χρήσιμο κατά την εκτύπωση εξαρτημάτων ενός ευρύτερου συναρμολογήματος, όπου σε άλλες θέσεις υπάρχει μία μεμονωμένη συναρμογή, ενώ αλλού μπορεί να υπάρχει ένα σύστημα κυλίνδρων – οπών για την επίτευξη της ένωσης των εξαρτημάτων. Όπως φάνηκε και στην πράξη, ενώ για μια μεμονωμένη συναρμογή χρειάζεται αλλαγή της διαμέτρου της οπής κατά +0,3mm, για την ταυτόχρονη συναρμογή και των δύο κυλίνδρων χρειάζεται αλλαγή της διαμέτρου κατά +0,4mm.
Τα δοκίμια που παρουσιάζονται σε αυτό το άρθρο έχουν κατασκευαστεί με τη μέθοδο Fused Deposition Modeling (FDM) μέσω του τρισδιάστατου εκτυπωτή Creality CR-10S5 που διαθέτει το Εργαστήριο Ταχείας Κατασκευής Πρωτοτύπων και Εργαλείων. Ως υλικά εκτύπωσης χρησιμοποιούνται το PLA και το PΕTG.
Όπως αναμενόταν, στη διαστασιολογική ακρίβεια των εξαρτημάτων που παράγονται μέσω τρισδιάστατης εκτύπωσης, πέρα από τον ίδιο τον τρισδιάστατο εκτυπωτή σημαντικό ρόλο παίζουν το υλικό της εκτύπωσης, οι παράμετροι της εκτύπωσης και γενικά οι συνθήκες στις οποίες λειτουργεί ο εκτυπωτής.
Για παράδειγμα, κατά την εκτύπωση δύο σετ δοκιμίων με PLA διαφορετικών ιδιοτήτων (το ένα φυσικό, το άλλο χρωματισμένο) και με τις ίδιες ακριβώς παραμέτρους εκτύπωσης, στην περίπτωση του φυσικού PLA η συναρμογή μπορούσε να επιτευχθεί για διάμετρο οπής +0,15mm, ενώ για το άλλο η συναρμογή δεν μπορούσε να γίνει πριν τα +0,3mm.
Αλλά και για το ίδιο υλικό, αν επιλεγούν διαφορετικές παράμετροι εκτύπωσης (πάχος στρώσης, infill κλπ.), τα αποτελέσματα μπορεί να διαφέρουν. Για εκτύπωση χρωματισμένου PLA με δύο διαφορετικές ποιότητες (Κανονική και υψηλή, όπως καθορίζονται από το ευρέως χρησιμοποιούμενο λογισμικό Ultimaker CURA), στην περίπτωση της υψηλής ποιότητας η συναρμογή μπορούσε να γίνει στα +0,3mm, ενώ στην κανονική γινόταν στα +0,4mm.
Επειδή συναρμογές δεν γίνονται μόνο μέσω κυλινδρικών εξαρτημάτων, αλλά και μέσω διατομών πιο σύνθετης γεωμετρίας, έχει αναπτυχθεί μία σειρά δοκιμίων ίδιας φιλοσοφίας αλλά με διαφορετικά εξεταζόμενα σχήματα.
Έτσι, στην εικόνα 3 φαίνεται ένα δοκίμιο με έναν κύλινδρο διαμέτρου 9mm (όπως στο πρώτο δοκίμιο) και έναν κύβο με μήκος ακμής 9mm. Για πιο σύνθετες γεωμετρίες μπορούν να εξεταστούν δοκίμια όπως φαίνονται στην εικόνα 4, με διατομή που συνδυάζει έναν κύκλο, ένα τετράγωνο και μία αστεροειδή διατομή. Ενδεικτικά, ενώ στα προηγούμενα δοκίμια η συναρμογή γινόταν στα +0,4mm, για τις δυο τελευταίες γεωμετρίες η συναρμογή δεν μπορούσε να γίνει πριν τα +0,5mm.
Εικόνα 3:
Εικόνα 4:
*Ο Χρίστος Καλλίγερος και ο Κωσταντίνος Καραγιάννης είναι διπλωματούχοι μηχανολόγοι μηχανικοί και επιστημονικοί συνεργάτες του Εργαστηρίου Στοιχείων Μηχανών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου.
