Jak drukować addytywnie detale o skomplikowanej geometrii i jednocześnie zapewniać wysoką jakość ich powierzchni? Czy możliwa jest szybka produkcja jednostkowych elementów przy zachowaniu dużej dokładności wymiarów i kształtów? Przedstawiamy ProtoPlastMaker 4.0 – innowacyjne centrum addytywno-skrawającej obróbki tworzyw sztucznych.

Firma PPHU POLIGRAF Wiesław Kasprowiak, producent jednej z najbardziej rozpoznawalnych marek filamentów do druku 3D (PRINT-ME) w 2020 roku rozpoczął prace nad projektem badawczo-rozwojowym „ProtoPlastMaker 4.0. Innowacyjne centrum addytywno-skrawającej obróbki tworzyw sztucznych odpowiadające na potrzeby prototypowania w Przemyśle 4.0”.

Wyzwania produkcji addytywnej

Projekt ProtoPlastMaker 4.0 łączy w sobie zalety technologii druku 3D, takie jak: szybka produkcja części o złożonej geometrii, łatwość wprowadzania zmian oraz efektywność kosztowa. Rozwiązuje też wiele niegodności związanych z tą technologią, takich jak:

  1. Długi czas drukowania;
  2. Niska wytrzymałość mechaniczna części;
  3. Stosunkowo niska dokładność i wykończenie powierzchni;
  4. Ograniczenia dla niektórych typów geometrii części (oczywiście istnieją metody na pokonanie niektórych z tych ograniczeń – wszelkiego rodzaju podpory, które musimy usunąć, jednak w niektórych przypadkach to nie pomoże).
Przykładowa geometria detalu, sprawiająca problem w trakcie druku 3D w technologii FFF/FDM

Dofinansowany ze środków Unii Europejskiej projekt realizuje także proces frezowania pięcio-osiowego, dając użytkownikowi takie możliwości jak:

  1. Produkcja części o skomplikowanych geometriach;
  2. Wysoka jakość powierzchni oraz dokładność wymiarów i kształtów;
  3. Wysoka wydajność
  4. Niskie zużycie narzędzi (do polimerów termoplastycznych).

System rozwiązuje też problemy związane z typową obróbką ubytkową, takie jak: wysoki koszt obrabiarki, oprogramowania i materiału oraz wysoka wydajność usuwania materiału (w zależności od geometrii).

Czym jest ProtoPlastMaker 4.0?

ProtoPlastMaker 4.0 jest projektem realizującym założenia konkursu ogłoszonego w ramach Osi Priorytetowej 1 – Gospodarka i innowacje, Działania 1.1 Badania i Innowacje – I typu projektu – Projekty B+R przedsiębiorstw w województwie Lubuskim. Opracowany prototyp jest hybrydą dwóch technologii – łączy szybki druk 3D oraz proces frezowania detali w pięciu osiach – gwarantuje rozwiązanie wielu problemów związanych z drukowaniem, zmniejszając koszty i łącząc w sobie kilka kroków technologicznych w jednym w pełni zautomatyzowanym procesie.

W trakcie badań nad prototypem należało odpowiedzieć na wiele pytań, rozwiać wiele wątpliwości oraz przede wszystkim połączyć ze sobą mnóstwo rozwiązań, problemów technologiczno-konstrukcyjnych. Podstawowym problemem była struktura kinematyczna prototypu: klasyczna/kartezjańska czy oparta na robocie? Które powszechnie stosowane polimerowe materiały do drukowania 3D nadają się do obróbki skrawaniem? Czy wymagany jest dodatkowy uchwyt do obróbki skrawaniem? Na te i na wiele innych pytań, należało znaleźć odpowiedzi.

W trakcie prac badawczych dokonano między innymi pomiary siły skrawania i chropowatości powierzchni, analizowano struktury geometryczno-ruchowe, dokonano wnikliwej analizy rodzaju narzędzia, parametrów technologicznych zarówno druku jak i frezowania, chłodzenia materiału polimerowego w procesie szybkiego druku, adhezji między warstwami, itp.

Problematyka prowadzonego przez PPHU POLIGRAF projektu jest stosunkowo nowa, dlatego też, nie było powszechnych materiałów, które można było wykorzystać lub traktować jako bazę. Wiele rozwiązań musiała zostać opracowana od podstaw. ProtoPlastMaker 4.0 jest szczególnie dedykowany do zastosowań w profesjonalnych firmach produkujących duże i wielkogabarytowe detale z tworzyw sztucznych oraz kompozytów zarówno dla produkcji seryjnej, jednostkowej jak i w działach R&D. Techniki przyrostowe jako jedne z niewielu pozwalają na wytwarzanie wydruków o skomplikowanych geometriach często bardzo trudnych lub niemożliwych do uzyskania tradycyjnymi metodami ubytkowymi.

Połączenie dwóch technologii produkcji

Jak już wspomniano, dzięki zastosowaniu dwóch technologii, addytywnej (ekstruder drukujący) i ubytkowej (wrzeciono frezujące), prototyp łączy zalety obu technologii. Takie rozwiązanie umożliwia szybko i precyzyjne wyprodukowanie/wytworzenie detali architektonicznych, elementów konstrukcyjnych czy części karoserii. Szczególnie ciekawym zastosowaniem jest wytwarzanie małoseryjnych form wtryskowych lub do odlewów z żywic epoksydowych, drukowanych ze specjalnie dobranych granulatów.

Wybrana forma jest najpierw drukowana z użyciem ekstrudera, a następnie wykańczana z użyciem wysokoobrotowego wrzeciona. Zastosowanie druku 3D pozwala na wydruk już wstępnie ukształtowanej formy, bez konieczności stosowania naddatków materiału (co pozwala zaoszczędzić czas, energię oraz sam materiał. Ponadto powstałe w wyniku obróbki skrawaniem wióry mogą zostać ponownie wykorzystane w procesie druku 3D jako recyklat!). Następnie z zastosowaniem wrzeciona forma jest wykańczana zgrubnie i wykańczająco, wykonywane są także otwory konstrukcyjne i technologiczne. ProtoPlastMaker 4.0 jako jedno z niewielu rozwiązań pozwala na druk ze 100% wypełnieniem.

Programy druku jak i obróbki generowane są na podstawie autorskiego oprogramowania bazującego na SolidWorks oraz SolidCam. Bezprzewodowo wysyłając plik do maszyny użytkownik po zakończonym procesie otrzymuje wydrukowany detal z idealnie gładką powierzchnią sięgającą nawet Ra=0,72 𝜇𝑚. Ponadto oprogramowanie poza standardowymi opcjami, które znamy z podstawowych „slicerów” pozwala przygotować wydruk w postaci tzw. przygotówki – czyli bierze pod uwagę naddatki do obróbki skrawaniem, istnieje także możliwość zwiększenia zagęszczenia ścieżki drukowanego detalu w miejscach, gdzie przewidziana jest obróbka skrawaniem (np. pod otwory montażowe lub technologiczne).

Wykorzystanie robota przemysłowego

Sercem ProtoPlastMaker 4.0 jest robot przemysłowy FANUC wraz z podgrzewanym stołem obrotowym. Takie rozwiązanie zapewnia w podstawowej wersji aż 7 stopni swobody, co pozwala na używanie dowolnych strategii druku i obróbki. Całość maszyny zamknięta jest w szczelnej komorze pozwalającej osiągnąć nawet 80°C, ponadto unikalne rozwiązanie zapewniające przyczepność do stołu pozwalają na bezproblemowy wydruk nawet wymagających i podatnych na skurcz materiałów z materiałów takich jak ABS czy ASA.

Pomiar chropowatości, za pomocą chropowatościomierza; próbka została wydrukowana z materiału Swift PET-G Green Bottle od PRINT-ME

ProtoPlastMaker 4.0 jest idealnym rozwiązaniem dla rozwiązań niestandardowych, dopasowanych do konkretnego zastosowania. Do bezpośredniego sterowania robotem, dodatkowymi osiami i wrzecionami zastosowany został system sterownia CNC FANUC. Umożliwia to bardzo precyzyjne działanie robota, zwłaszcza w zakresie dokładności pozycji podczas poruszania się po ścieżce. System sterowania może sterować większą ilością osi, dlatego zależnie od aplikacji łatwo rozbudowany o dodatkowe funkcje, takie jak stół uchylno-obrotowy, dodatkowe osie liniowe lub inne procesy produkcyjne, takie jak napawanie czy skanowanie 3D.

ProtoPlastMaker 4.0 w standardzie oferuje dwie głowice wymieniane automatycznie: drukującą oraz frezującą. Głowica drukująca z systemem podawania i osuszania granulatu pozwala na wydruk z wydajnością 10 kg/h. Natomiast głowica frezująca pozwala obróbkę z zakresem obrotów 6000-24000 rpm oraz automatyczną wymianę 6 narzędzi w podstawowej wersji z możliwością rozszerzenia.

Powierzchnia próbki testowej na bazie ABS po obróbce skrawaniem, dla różnych parametrów technologicznych skrawania

ProtoPlastMaker 4.0 to nie tylko zwykła drukarka i frezarka, ale maszyna stanowiąca połączenie najlepszych cech obu tych rozwiązań. Jej unikalną cecha jest pełna obsługa języka G-kod. Nie ma potrzeby znajomości języka programowania robotów czy konwersji G-kodu. Wszystkie operacje wykonywane na maszynie mogą być sterowane za pomocą standardowego G-kodu. G-kod może być napisany ręczenie lub wygenerowany z dowolnego oprogramowania zarówno dla procesu druku jak i frezowania. Powyżej zaprezentowana została jakość obrobionej powierzchni przy różnych parametrach technologicznych skrawania.

Bardzo obiecujące są wyniki badań dotyczących próbek wykonanych z ABS. Odporność termiczna tego materiału jest rzędu 90°C, co jak się okazało jest wystarczające, aby uzyskać bardzo dobrej jakości powierzchnię, ponadto materiał wykazuje bardzo dobre cechy skrawalności dając rezultat Ra=0,72 𝜇𝑚 – co można porównać do powierzchni stali po procesie szlifowania.

Artykuł jest finansowany w ramach projektu numer RPLB.01.01.00-08-0020/19 – Oś Priorytetowa 1 – Gospodarka i innowacje, Działania 1.1 Badania i Innowacje – I typu projektu – Projekty B + R przedsiębiorstw w województwie Lubuskim.