Inżynieria odwrotna i technologie rapid prototyping w utrzymaniu ruchu

Technologie szybkiego prototypowania (rapid prototyping)

Jak już częściowo wspomniano we wstępie, szybkie prototypowanie jest to tworzenie, zwykle warstwa po warstwie, trójwymiarowych obiektów fizycznych na podstawie modeli komputerowych wykonanych całościowo przy użyciu oprogramowania klasy CAD lub pochodzących z procesu inżynierii odwrotnej. Proces ten jest również określany jako kształtowanie przyrostowe (generatywne, addytywne) [2, 3]. Nazwa szybkie prototypowanie jest najczęściej spotykana w przemyśle, jednak nie oddaje w pełni istoty technologii, która nie ogranicza się jedynie do tworzenia prototypów czy wręcz modeli fizycznych. Jest ona również wykorzystywana do tworzenia narzędzi (ang. rapid tooling – zwykle za pomocą procesów odlewania niskotemperaturowego), a nawet gotowych produktów (ang. rapid manufacturing). Szybkie prototypowanie jest technologią stosowaną od niedawna i jako taka podlega ciągłemu rozwojowi.

Nie wszystkie technologie rapid prototyping czy rapid tooling w tym samym stopniu nadają się do wytwarzania pełnowartościowych elementów maszyn. Są wśród nich jednak takie, których intensywny rozwój umożliwił takie zastosowania. Niewątpliwie do tej grupy należą technologie spiekania i przetapiania proszków – SLS/DMLS/SLM [10]. Proszki te są materiałami metalicznymi lub tworzywami sztucznymi, najczęściej poliamidami. Inne technologie – jak drukowanie z termoplastów (FDM/FFF) czy drukowanie z żywic światłoutwardzalnych (SLA, DLP) [10] – zwykle stosuje się do wykonywania mniej wytężonych elementów maszyn (osłony, uchwyty, łączniki, zabezpieczenia, pokrętła itp.).

Technologie generatywne często łączy się z technologiami odlewniczymi – rapid tooling – w przypadku których model odlewniczy powstaje drogą inżynierii odwrotnej i druku 3D, a jego kopie powstają poprzez odlewanie tworzyw sztucznych utwardzanych chemicznie.
Poszczególne technologie w różnym stopniu spełniają też warunek dokładności kształtowo-wymiarowej wytwarzania elementów. W określonych przypadkach łączy się więc technologie generatywne z obróbką ubytkową, aby uzyskać pożądane dokładności.

Wykonanie kopii obiektu istniejącego, gdy brakuje zapisu jego konstrukcji

Sytuacja, w której na podstawie istniejącego nieuszkodzonego obiektu technicznego chcemy wykonać egzemplarz geometrycznie podobny (nieidentyczny – ze względu np. na niemożliwość odtworzenia tolerancji wymiarowych czy kształtowych), raczej nie należy do inżynierskich zadań rutynowych. Natomiast potrzeba taka występuje często wtedy, gdy posiadamy tylko jeden unikalny egzemplarz danego obiektu (często są to np. stemple czy matryce, które pozostały na wyposażeniu linii produkcyjnej po zmianie właściciela) i przewidujemy konieczność wykonania egzemplarzy zastępczych.

W przypadku gdy obiekty cyfrowo kopiowane nie muszą przenosić dużych obciążeń albo też ich czas pracy jest bardzo ograniczony, można je wytworzyć z tworzyw syntetycznych, stosując druk 3D lub też technologie rapid tooling. Przykład ostatniego rozwiązania jest widoczny na rys. 3, na którym na podstawie istniejącego koła zębatego (kolor żółty, rys. 3b) wykonano jego kopię z użyciem formy elastycznej (silikon Silastic 3481, rys. 3a), a nowe koło zębate powstało z żywicy PU 365. Zaletą takiego postępowania jest otrzymanie dokładnej kopii postaciowej obiektu bez potrzeby wykonywania jego modelu wirtualnego, co w przypadku odtworzenia geometrii wieńca zębatego jest trudne (szczególnie przy zębach o bardzo małym module).

Wykonanie nowego przyrządu do współdziałania z obiektem istniejącym

W przypadku gdy istnieje pilna potrzeba wykonania przyrządu dopasowanego do istniejącego układu (w tym przyrządu nietypowego), który przez określony czas musi spełniać swoje zadanie, warto wykonać jego model wirtualny (jeśli jest taka konieczność – z zastosowaniem digitalizacji), a na jego podstawie wytworzyć jego egzemplarz z użyciem druku 3D. Przykładem takiego działania jest wykonanie uchwytu mocującego (rys. 4), gdzie główne elementy korpusu oraz nakrętka (rys. 4a) zostały wydrukowane z tworzywa ABS, natomiast jako element dociskowy zostały zaadaptowane śruba z gwintem metrycznym oraz nakrętka wklejona w gniazdo obudowy (rys. 4b).

Wykonanie zamiennika obiektu  częściowo uszkodzonego

Sytuacja, w której dysponujemy częściowo uszkodzonym obiektem, a przy tym nie istnieje zapis jego konstrukcji, występuje w praktyce dosyć często. Wówczas należy dokonać rekonstrukcji istniejącej postaci obiektu oraz – jeśli stanowił on część większego układu – również fragmentów postaci obiektów z nim oddziałujących. Następnie, stosując ekstrapolację istniejących fragmentów postaci, należy uzupełnić fragmenty postaci obiektu drogą modelowania wirtualnego (na co składają się kolejne etapy modelowania: edycja chmury punktów, transformacja do siatki trójkątów, wykonanie modelu powierzchniowego i modelu bryłowego) [5, 6, 12, 15]. Przykładem wyniku takiego postępowania jest przykład działania, którego wyniki są widoczne na rys. 5. Częściowo uszkodzony uchwyt pistoletowy (wyłamane elementy łącznikowe) (rys. 5a) został zamieniony w formę cyfrową i programowo uzupełniony o brakujące fragmenty łącznikowe (rys. 5b). Model wirtualny posłużył do wytworzenia zamiennika z użyciem druku 3D (użyto technologii FDM, tworzywo filamentu to ABS).

Galeria

Zobacz więcej