HIBRIDNA IZDELAVA Hibridna izdelava s postopkom ciljnega nalaganja taljenega polimera in frezanja: I. del - Optimizacija tehnoloških parametrov hibridne izdelave ob uporabi standardne ekstrudorske šobe Damir GRGURAŠ, Davorin KRAMAR, David HOMAR, Janez KOPAČ Izvleček: Izdelke zelo kompleksnih geometrij je včasih težko izdelati na konvencionalen način z odrezava-njem. Kot veliko lažji in cenovno ugodnejši način izdelave se vse več uporablja aditivna tehnologija oziroma tehnologija dodajanja materiala po plasteh. Pri tehnologiji dodajanja materiala po plasteh je glavna pomanjkljivost slabša kakovost zunanje površine, ki pa jo lahko naknadno izboljšamo z odrezavanjem. V tem primeru govorimo o hibridni izdelavi, ki je predstavljena v tem dvodelnem prispevku. S postopkom ciljnega nalaganja taljenega polimera je izdelan vzorčni izdelek, ki mu je s postopkom obodnega frezanja izboljšana hrapavost zunanje površine. I. del prispevka zajema optimizacijo tehnoloških parametrov omenjene hibridne izdelave ob uporabi standardne ekstrudorske šobe (premer D = 0.4 mm) za ciljno nalaganje taljenega polimera. II. del prispevka (v naslednji številki revije Ventil) pa bo zajemal optimizacijo tehnoloških parametrov iste hibridne izdelave ob uporabi večje, nestandardne, ekstrudorske šobe (premer D = 1.1 mm), ki je bila uporabljena zaradi skrajšanja celotnega časa izdelave. Prikazana bo tudi primerjava pridobljenih rezultatov z obema šobama. Ključne besede: hibridna izdelava, ciljno nalaganje taljenega polimera, obodno frezanje, material PLA, načrtovanje eksperimentov, empirično modeliranje in optimizacija ■ 1 Uvod Poznanih je več različnih tehnologij izdelave polimernih izdelkov s tehnologijo dodajanja materiala po plasteh oziroma s tehnologijo 3D-ti- Damir Grguraš, univ. dipl. inž., doc. dr. Davorin Kramar, univ. dipl. inž., David Homar, univ. dipl. inž., prof. dr. Janez Kopač, univ. dipl. inž., vsi Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo skanja. Ena izmed najbolj razširjenih tehnologij je ciljno nalaganje taljenega polimera (ang. Fused Deposition Modeling - FDM), pri kateri se izdelek gradi z dodajanjem polimera, ki prihaja iz segrete ekstrudorske šobe, plast za plastjo. Shematično je postopek prikazan na sliki 1. Postopek FDM je najbolj razširjen zato, ker je izdelava stroja za to tehnologijo poceni in enostavna. Natančnost, ponovljivost, hrapavost površine in izdelovalni čas pa so pri postopku FDM znatno odvisni od številnih parametrov. Izdelki, narejeni s postopkom FDM, pogosto kljub dobro iz- branim parametrom ne izpolnjujejo zahtev po natančnosti in hrapavosti površine, vendar je to mogoče izboljšati s postopkom odrezovanja. Zato smo na Fakulteti za strojništvo Univerze v Ljubljani razvili stroj za hibridno izdelavo izdelkov. Poimenovanje hibridna izdelava ima več pomenov. V našem primeru pomeni, da je en izdelek narejen z dvema ali več popolnoma različnimi tehnologijami, s čimer so izrabljene prednosti in odstranjene pomanjkljivosti posamezne tehnologije. V našem primeru sta bili uporabljeni 318 Ventil 22 /2016/ 4 325 HIBRIDNA IZDELAVA Slika 1. Shematični prikaz FDM-po-stopka [1] tehnologiji FDM: tehnologija dodajanja materiala in 3-osno freza-nje kot tehnologija odvzemanja materiala. Prednost postopka FDM je v tem, da lahko z njim izdelamo izdelke, ki imajo zelo kompleksno geometrijo, saj tako kot pri drugih tehnologijah dodajanja materiala po plasteh tukaj skoraj ni omejitev glede geometrije izdelka. Največja omejitev pri postopku FDM pa je slaba kakovost površine. Po drugi strani pa je postopek frezanja pravo nasprotje, saj imajo frezani izdelki visoko kakovostno površino. Vendar pa se pri frezanju pojavi nezmožnost izdelave kompleksnih zaprtih oblik, saj v tem primeru rezalno orodje ne more doseči želene površine. Z uporabo obeh tehnologij lahko te pomanjkljivosti eliminiramo. V znanstveni literaturi je mogoče zaslediti le nekaj raziskav na temo hibride izdelave, pri kateri so uporabljali kombinacijo tehnologij dodajanja in odvzemanja. Večina člankov obravnava hibridno izdelavo na osnovi kovinskih materialov. V raziskavah, ki so jih opravili Song in ostali [2, 3], je bil razvit hibridni stroj, katerega osnova je bil 3-osni CNC-frezalni center. Na ohišje vre-tena frezalnega stroja je bila vertikalno pritrjena varilna pištola. Navarjanje je bilo uporabljeno za nalaganje materiala staljene varilne žice plast za plastjo s tehnologijo varjenja kovin v zaščitni atmosferi. Natančnost izdelka, narejenega s tehnologijo dodajanja materiala po plasteh, je bila znatno izboljšana s frezanjem. V raziskavah, ki so bile opravljene v sodelovanju norveških in slovenskih raziskovalcev [4], je bil razvit koncept hibridne izdelovalne celice. Njen cilj je bil združiti komercialni stroj za tehnologijo dodajanja kovinskih materialov po plasteh in stroj za odrezovanje, ki bi se krmilila iz enega skupnega krmilnika. Nekaj operacij, ki se pojavijo pri izdelovalnih procesih, je bilo avtomatiziranih, nekaj pa odstranjenih zaradi kombinacije obeh tehnologij. Glavna prednost izdelovalne celice je, da se obdelovanec prestavlja iz enega v drug stroj na standardni vpenjalni paleti in tako je pozicija obdelovan-ca stalno poznana. Kar nekaj del je bilo narejenih na področju optimiranja tehnoloških parametrov pri procesu FDM zaradi izboljšanja dimenzijske natančnosti. Uporabljenih je bilo več različnih metod optimiranja procesnih parametrov. Mohameda in ostali [5] so uporabili kriterij L-optimalnosti za optimiranje procesnih parametrov postopka FDM, ki reši optimizacijski problem, ki vključuje veliko število procesnih parametrov in nivojev postopka. Poleg tega so razvili matematični model, da bi dokazali nelinearno povezavo med procesnimi parametri in dimenzijsko natančnostjo izdelka. Kaveh in ostali [6] so predstavili eksperimentalno metodo za določitev optimalnih vrednosti posameznih procesnih parametrov pri nanašanju polistirena z visoko gostoto. Rao in Rai [7] pa sta uporabila optimizacijski algoritem, ki bazira na poučevanju in učenju (TLBO), in ne dominanten sortirni algoritem za TLBO (NSTLBO). Algoritem TLBO kaže boljše rezultate v primerjavi z uporabo genetskih algoritmov, medtem ko je algoritem NSTLBO namenjen reševanju ve-čobjektnih problemov. ■ 2 Popis eksperimentalnega sistema V tej raziskavi so bili izbrani glavni tehnološki parametri hibridne izdelave in raziskan njihov vpliv na kakovost izdelane površine, na- tančnost izdelka in čas izdelave. Vpliv tehnoloških parametrov je bil ovrednoten na podlagi empiričnega modeliranja, ki predvideva določanje zveze med vhodnimi in izhodnimi parametri na podlagi rezultatov eksperimentov, izvedenih po predhodno določenem načrtu. Načrt eksperimentov je bil oblikovan s pomočjo metode načrtovanja. Vplivi vhodnih parametrov na izhodne so empirično popisani v obliki matematičnih modelov, pridobljenih z regresijskim modeliranjem. Z analizo variance sta določena zanesljivost regresijskih modelov in vpliv posameznega vhodnega parametra na izhodne parametre. S pomočjo regresijskih modelov so določene optimalne vrednosti tehnoloških parametrov za doseganje minimalne hrapavosti površine ob minimalni porabi materiala in časa za hibridno izdelavo. Rezultati optimizacije pa so preverjeni s potrditvenim eksperimentom. Pri izvedbi eksperimentov se je uporabljala polilaktična kislina (ang. Polylactic acid - PLA), ki je poleg akrilonitril butadien stirena (ang. Acrylonitrile butadiene styrene -ABS) najbolj razširjen material za izdelavo po postopku FDM. Poleg ostalih tehnoloških parametrov, ki bodo opisani v naslednjem poglavju, sta se pri eksperimentih uporabljali dve različni ekstrudorski šobi. V splošnem se pri postopku FDM uporabljajo ekstrudorske šobe s premerom izhodne odprtine med 0.2 in 0.5 mm, največkrat pa je to 0.4 mm. Z večjim premerom izhodne odprtine šobe se manjša kakovost površine izdelka. Prva šoba, ki smo jo uporabili, je imela premer izhodne odprtine 0.4 mm. Ker pa smo želeli skrajšati čas izdelave, smo uporabili tudi večjo, nestandardno, ekstrudorsko šobo s premerom izhodne odprtine 1.1 mm. Pri tej šobi je bilo po postopku FDM pričakovati znatno poslabšanje kakovosti površine. V našem primeru pa smo na hibridnem stroju s postopkom obodnega frezanja opazno izboljšali kakovost površine in tudi natančnost. V tem prispevku so predstavljeni rezultati optimizacije tehnoloških parametrov, ki smo jih Ventil 22 /2016/ 4 325 HIBRIDNA IZDELAVA Slika 2. Stroj za hibridno izdelavo z osebnim računalnikom za krmiljenje dobili s standardno ekstrudorsko šobo s premerom izhodne odprtine 0.4 mm. Rezultati optimizacije tehnoloških parametrov, dobljeni z nestandardno ekstrudorsko šobo premera izhodne odprtine 1.1 mm, pa bodo predstavljeni v II. delu tega prispevka, ki bo objavljen v naslednji številki revije Ventil. V II. delu bo analizirana in opisana tudi primerjava med obema ekstudorskima šobama. V obeh primerih so bili eksperimenti in meritve opravljeni na eksperimentalnem vzorcu v obliki kocke s stranicami 22 mm. Za izdelavo vzorčnih izdelkov je bil uporabljen stroj za hibridno izdelavo, ki je prikazan na sliki 2. Stroj vključuje dva izdelovalna sistema, in sicer sistem za dodajanje materiala po postopku FDM in sistem za 3-osno frezanje. Velika prednost razvitega stroja je, da obe tehnologiji uporabimo pri enem vpetju. Filament - material, ki ga potiska ekstrudor, se v ogrevano glavo, ki je bila prav tako izdelana na Fakulteti za strojništvo, dodaja skozi teflonsko cevko. Za sistem frezanja pa je uporabljeno vreteno z motorjem 800 FME proizvajalca Kress. Nazivna vhodna moč vretena je 800 W, vreteno pa ima možnost nastavljanja izhodnih vrtljajev, in sicer od 10.000 do 29.000 min-1. Pri eksperimentih smo uporabili frezalo premera 8 mm z oznako: Widin Co. Ltd Zamus end mill TX302080. ■ 3 Priprava, načrtovanje in izvedba eksperimentov V fazi priprave eksperimentov smo izbrali vhodne parametre in njihove mejne vrednosti. Vhodni tehnološki parametri hibridne izdelave so bili določeni na podlagi izkušenj in poznavanja hibridne izdelave in so naslednji: vrtilna frekvenca frezala n [min-1], višina plasti nalaganja materiala h [mm], kompenzacijski pretok materiala 0 [%] (potrebna količina materiala za FDM je pomnožena z vrednostjo tega kompenzacijskega pretoka), hitrost nalaganja materiala v [mm/s] (hitrost, s katero se premika ekstrudorska šoba pri nalaganju materiala), podajalna hitrost frezala vf [mm/min] in globina frezanja ap [mm]. Sledilo je določanje mejnih vrednosti vhodnih parametrov, ki smo jih določili na podlagi poskusnih eksperimentov in s pomočjo predlaganih vrednosti iz računalniškega programa CURA, ki služi za pridobitev CNC-kode za postopek FDM. Odločili smo se, da bomo vsak vhodni parameter nastavljali na treh nivojih. Kot nivo -1 smo upoštevali minimalne vrednosti parametrov, kot nivo +1 pa maksimalne vrednosti. Vrednosti na srednjem nivoju 0 smo dobili kot srednjo vrednost med nivojema -1 in +1 (tabela 1). Za načrtovanje eksperimentov s šestimi parametri na treh nivojih smo izbrali Taguchi-jevo ortogonalno matriko L27 (313). Tako smo dobili načrt eksperimentov s 27 eksperimenti, ki je prikazan v tabeli 2 levo od odebeljene črte. Desno od odebeljene črte pa so prikazane povprečne izmerjene vrednosti izhodnih parametrov pri posameznem eksperimentu. Kot izhodne parametre - odzive - smo določili naslednje parametre: hrapavost površine po hibridni izdelavi Ra in Ry [|im] v smeri nalaganja materiala (indeks l) in prečno na to smer (indeks h), poraba materiala pri hibridni izdelavi MD [m] in čas, potreben za hibridno izdelavo t [s]. ■ 4 Rezultati Tabela 2 prikazuje načrt in rezultate izvedbe eksperimentov. Vpliv vhodnih tehnoloških parametrov na izhodne smo popisali tudi z empiričnimi (regresijskimi) modeli, ki smo jih pridobili in ovrednotili s pomočjo računalniškega programa Design-Expert, ki razvije in analizira regresij-ske modele na osnovi ANOVE. Ovrednotenje pridobljenih regresijskih modelov je prikazano v tabeli 3. V nadaljevanju so predstavljeni regresijski modeli in njihova razlaga s pomočjo pripadajočih grafov. Na koncu je izvedena še optimizacija tehnoloških parametrov hibridne izdelave glede na zastavljene kriterije optimizacije. Tabela 1. Vrednosti vhodnih parametrov na posameznih nivojih Vhodni parametri n [min-1] h [mm] 0 [%] v [mm/s] vf [mm/min] a p [mm] Nivo 1 -1 10000 0.1 55.0 15 200 0.1 Nivo 2 0 15500 0.2 67.5 40 400 0.2 Nivo 3 + 1 21000 0.3 80.0 65 600 0.3 320 Ventil 22 /2016/ 4 325 HIBRIDNA IZDELAVA Tabela 2. Načrt in rezultati izvedbe eksperimentov H 4 * t v Rair ,1£1 I -V ¿min [maj EW Imm :1 [mu inin.Ji [■RŽ»] b-1 EN [M ;.„M| w w 1 iraon 01 li X» □ 1 -■s* JI ii. i 2 icittO 0 J □ j -.Ht Ji « t« ue ■ I'M iiJO 40 :WJ 0 j 45.tj iij so: 17 i S f lOMt bi ti □ 1 i Ji Ji LJ 1 Li \t :t =-?■-! ' t 10000 0J boa li M0 02 «5 iO.it i TI 4li7 1 O 4IK T iomo Oi iti ii £00 o: 1 i? Kil 2 19 Ji SR 1 01 H 73 U irtto O.i li :oo 0.} J.« J| 2-11 ^a H4« u* i Fafijo Qi £00 « 400 0] 471 50« 510 I4R It ll*0Q 01 ii-i HO 12 >,43 'B J: J.fiS 'Sla ]] 1*500 01 iT S ¿5 0 J Jii 45 ! 2i i: l^oo 0l JOO li J DO Q] S.3J ^ S 80 41 H 1.4 CTiJ 11 15 »D 02 SSJ0 ii 200 01 ■ W S2 19 ifij diSiEiESJ H iiMHJ o: 6T-. If HKi 0? 4i iS S 4? i} 10 ; 24 U UHO 01 so o 40 Mt Oi G W- ii.il I IB J714 H uroo m f^a IS 400 0i :.: i JI "TO i £2 4: 77 IC1 r-'ii n O.J tr J 40 «00 01 5.29 42. E0 l^.iS m iiis ii I5SW Oi soo 200 □ 2 5'T « i 10 JO RR i.« 13 JIOOO 0.1 a 400 o; S.J? ij^ 171 ■14 «j s o: i ME » ¡Two" 01 ¡F" " «n 01 ■fi."1! 4S.43 i :t ifrij ii Tjoon 01 Joa ID i» oi i SS ,'f. JS ■; t,- FK 14S 12 2JOOO" 02 JS0 is MO u 2 i 20 ' i 76 i 03 t07i a iirto 02 61 i 40 ž» i3 6/ - i - M I u u 21000 02 SO 0 fi-5 400 01 i Li 47.09 lj.44 11 721 1 tB 21000 1 Oi 40 Q] W ■TiV 4ijifl 101 O 2t now oi ST5 400 02 52.71 5..-J ■IS iJ [21 fljL iaSI li «00 !i J7 47 H II i LR 27« Tabela 3. Ovrednotenje regresijskih modelov ■ 4.1 Regresijski model za hrapavost Ra prečno na smer nalaganja materiala (Rah) S slike 3 je razvidno, da minimalno hrapavost Rah dosežemo pri maksimalni višini plasti nalaganja materiala h. Maksimalna vrednost te višine plasti privede do manjšega števila prehodov med plastmi celotnega izdelka, kar posledično pomeni manj vdolbin med plastmi, ki bi jih konica merilne naprave zaznala pri merjenju hrapavosti. Nadalje lahko ugotovimo, da hitrost nalaganja materiala v nima velikega vpliva na hrapavost, podajalna hitrost frezala vf pa vpliva obratno sorazmerno na hrapavost, kajti minimalno hrapavost Rah dosežemo ob maksimalni podajalni hitrosti frezala vf Takrat frezalo potuje hitreje in ima manj časa, da bi toplotno vplivalo na površino materiala ter posledično tudi na hrapavost. Odziv F-vrednost p-vrednost Regresor - vplivni parameter Neznačilni hierarhični parameter R2 Adj-R2 Pred-R2 S/N 9.03 <0.0001 n, n vf , h vf , $ vf , n2, h, 0, vf 0.801 0.712 0.5379 12.48 5.83 0.0011 *** 0.811 0.672 0.164 10.88 Ra, 8.99 <0.0001 ap, n vf, h vf, $ vf,vf2, n, h, 0, vf, nh 0.849 0.755 0.597 12.28 Rvt 12.27 <0.0001 n, vf ap, n h, n vf , h vf , $ vf , v2, h, 0, v, ^•v, h2 0.925 0.849 0.668 15.04 MD 39259.52 <0.0001 t 0.999 0.999 0.999 343.19 t 3121.86 <0.0001 h,v 0.996 0.996 0.995 123.40 *** Opomba: Neuporaben model, ker se Adj-R2 in Pred-R2 razlikujeta za več kot 0.2. Slika 3. Vpliv hitrosti nalaganja materiala v in podajalne hitrosti frezala vf na hrapavost Rah pri različnih višinah plasti nalaganja materiala h Ventil 22 /2016/ 4 325 HIBRIDNA IZDELAVA ffuj, = 12.079G1 + 3.2641- l0"4-n+ 18.3G333-h - 0.15542 0.0(30158 Vf -t HL49242 ■ l(T7-niy -0,042417 it vf -1-3,67 10 J ■

-v + 2,154-72 -