LukaTomiˇc Aditivnetehnologije–3D-tiskzobnikovnaosnovitehnologijeekstrudiranjamaterialov

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojniˇstvo

Aditivne tehnologije – 3D-tisk zobnikov na osnovi tehnologije ekstrudiranja materialov

Zakljuˇ cna naloga Univerzitetnega ˇstudijskega programa I. stopnje Strojniˇstvo – Razvojno raziskovalni program

Luka Tomiˇ c

Ljubljana, avgust 2021

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojniˇstvo

Aditivne tehnologije – 3D-tisk zobnikov na osnovi tehnologije ekstrudiranja materialov

Zakljuˇ cna naloga Univerzitetnega ˇstudijskega programa I. stopnje Strojniˇstvo – Razvojno raziskovalni program

Luka Tomiˇ c

Mentor: Izr. prof. dr. Franci PUˇ SAVEC, univ. dipl. inˇ z.

Ljubljana, avgust 2021

VLOGA ZA PREVZEM TEME ZAKLJUCNE NALOGE

Univerzitetni 9tudijski program I. stopnje STROJNITVO ^- Razvojno raziskovalni program

St. zakljuône naloge (izpolni tudentskireferat. '3t4 I. I 4t11

Datum prejema vioge v R: ^{" '}

Podatki o tudentu:

Lme in priimek: L

WA JH ^{I C}

23's ^{(O2t7 3}

Datum, kraj rojsa:

4 LUaP\k

Podatki o zakljuôni nalogi:

Naslov zakljuöne naloge (sIovenski.

vv

+b); 3D

C6~Aov) yk") C'

e'1-S+f&tA

Naslov zakljuône naloge (angIeki):

ac+ve

3D

O1 wicr

I

+c1'

v-.

P(scweL—

Mentor na ES:

Somentor na FS

Ve/javnost naslova temeje 6 mesecev od oddaje Vioge za prevzem.

Pod pis etude Podpis mentorja;

Zahvala

Zahvaljujem se svojemu mentorju prof. dr. Franciju Puˇsavcu za strokovno usmeritev, dajanje nasvetov in pomoˇc pri pisanju zakljuˇcne naloge.

Zahvaljujem se tudi svojima starˇsema, ki sta me podpirala, spodbujala in mi stala ob strani v ˇcasu ˇstudija. Na tej toˇcki bi se rad ˇse posebej zahvalil oˇcetu za vse ideje in pomoˇc pri izvedbi praktiˇcnega dela naloge. Prav tako ne bi v ˇcasu ˇstudija dosegel takˇsnih rezultatov brez podpore in pomoˇci obeh svojih bratov.

Izvleˇ cek

UDK 621.9.04:678.027.3:621.833(043.2) Tek. ˇstev.: UN I/1471

Aditivne tehnologije – 3D-tisk zobnikov na osnovi tehnologije ekstrudiranja materialov

Luka Tomiˇc

Kljuˇcne besede: aditivne tehnologije

tehnologija ekstrudiranja materiala FDM-tiskalnik

zobniki

peristaltiˇcna ˇcrpalka na osnovi planetnega gonila

Aditivna proizvodnja je razmeroma nov pojem, ki ima vedno veˇcji vpliv na podroˇcju strojniˇstva. Delimo jo na vrsto razliˇcnih tehnologij. Izbor posamiˇcne tehnologije je odvisen od zahtev konˇcnega izdelka ter denarnih sredstev posameznika. V nalogi smo obravnavali obstojeˇce tehnologije aditivne proizvodnje, med vsemi obstojeˇcimi pa smo se bolj poglobili v FDM tehnologijo 3D-tiska zobnikov ter njene prednosti/slabosti.

Ugotavljali smo, na kaj moramo biti ˇse posebej pozorni pri konstrukciji zobnikov, namenjenih za 3D-tisk. Na samem koncu pa smo tudi izdelali uporaben izdelek, ki je vseboval natisnjene zobnike, ter predstavili vse vmesne korake, od ideje do konˇcnega izdelka.

Abstract

UDC 621.9.04:678.027.3:621.833(043.2) No.: UN I/1471

Additive technology – 3D gear printing based on material extru- sion technology

Luka Tomiˇc

Key words: additive technologies

material extrusion technology FDM printer

gears

peristaltic pump based on planetary gear

Additive production is a relatively new concept that has an increasing influence in the field of mechanical engineering. We divide it into a number of different technologies.

The choice of individual technology depends on the requirements of the final product and the financial resources of the individual. In this paper, we discussed the existing technologies of additive production among all existing ones, and we went deeper into the FDM technology of 3D gear printing and their advantages/disadvantages. We found out what we need to pay special attention to when constructing gears intended for 3D printing. At the very end, we also made a useful product that contained printed gears and presented all the intermediate steps from the idea to the final product.

Kazalo

Kazalo slik . . . ix

Kazalo preglednic . . . x

Seznam uporabljenih simbolov . . . xi

Seznam uporabljenih okrajˇsav . . . xii

1 Uvod . . . 1

1.1 Ozadje problema . . . 1

1.2 Cilji naloge . . . 1

2 Teoretiˇcne osnove in pregled literature . . . 2

2.1 Aditivna tehnologija . . . 2

2.1.1 Zaˇcetki aditivne tehnologije . . . 3

2.1.2 Proces nastanka izdelka v aditivni proizvodnji . . . 5

2.1.3 Tehnologije aditivne proizvodnje . . . 6

2.1.3.1 Ekstrudiranje materiala (ang. Material Extrusion) . . 7

2.1.3.2 Proces fotopolarizacije . . . 7

2.1.3.3 Uporaba praˇskastega materiala . . . 8

2.1.3.4 Laminacija materiala (ang. Sheet lamination) . . . 9

2.1.4 Prednosti in slabosti 3D-tiska v primerjavi s konvencionalno teh- nologijo . . . 10

2.2 3D-tisk zobnikov na osnovi ekstrudiranja materialov . . . 11

2.2.1 Izzivi pri FDM metodi 3D-tiska . . . 12

2.2.2 Materiali . . . 14

3 Metodologija raziskave . . . 16

3.1 Praktiˇcni del . . . 16

3.2 Zasnova izdelka – peristaltiˇcna ˇcrpalka na osnovi planetnega gonila . . 16

3.3 Izdelava CAD modela peristaltiˇcne ˇcrpalke na osnovi planetnega gonila s pomoˇcjo modelirnika SolidWorks . . . 19

3.3.1 Konstrukcija zobnikov . . . 19

3.3.2 Konstrukcija ostalih komponent peristaltiˇcne ˇcrpalke na osnovi planetnega gonila . . . 22 3.4 Izbira materiala in nastavitev parametrov 3D-tiskalnika . . . 23 3.5 Odstopanje dimenzij natisnjenega zobnika po FDM metodi z dimenzi-

jami CAD modela . . . 25 3.6 Konˇcni izdelek . . . 26 3.6.1 Komponente peristaltiˇcne ˇcrpalke, natisnjene po FDM metodi . 26 3.6.2 Peristaltiˇcna ˇcrpalka na osnovi planetnega gonila s pogonom . . 27 4 Rezultati in diskusija . . . 30 5 Zakljuˇcki . . . 31 Literatura . . . 32

Kazalo slik

Slika 2.1: Uvajanje tehnologij 3D-tiska na posameznih podroˇcjih [6]. . . 3

Slika 2.2: Stratasys-ov prvi delujoˇci 3D tiskalnik na sliki leta 1991 [8]. . . 4

Slika 2.3: Faze AM postopka [11]. . . 5

Slika 2.4: Kategorizacija aditivnih proizvodnih procesov [12]. . . 6

Slika 2.5: Shema delovanja tehnologij na osnovi ekstrudiranja termoplastov [15]. 7 Slika 2.6: Shema delovanja tehnologij na osnovi fotopolimerizacije v kadi [16]. 8 Slika 2.7: Shema delovanja tehnologij na osnovi spajanja slojev praˇskastega materiala [16]. . . 9

Slika 2.8: Shema delovanja tehnologije nalaganja krojenih plasti [18]. . . 10

Slika 2.9: Prikaz razlike med odvzemalno (a) in dodajalno (b) tehnologijo [19]. 11 Slika 2.10: Primer uporabe natisnjenih zobnikov po metodi FDM pri stroju za krivljenje ˇzice [21]. . . 12

Slika 2.11: Prikaz tiskanja zobnika po metodi FDM ter prikaz testiranja obrabe dvojice zobnikov – pride do obrabe zoba in poviˇsanja temperature zobnikov zaradi trenja v toˇcki stika [23]. . . 13

Slika 3.1: Grafiˇcni prikaz razdelilnega, vznoˇznega in temenskega kroga zobnika. 18 Slika 3.2: Ekstrudiranje gabaritne mere zobnika. . . 20

Slika 3.3: Definiranje oblike zoba. . . 20

Slika 3.4: Zrcaljenje po obodu – dobimo sonˇcnik. . . 21

Slika 3.5: Modifikacija obroˇca planetnega gonila. . . 21

Slika 3.6: Komponenti, ki prepreˇcujeta premike zobnikov pri rotaciji. . . 22

Slika 3.7: Trije ˇcepi. . . 22

Slika 3.8: Konˇcni sestav peristaltiˇcne ˇcrpalke na osnovi planetnega gonila. . . 23

Slika 3.9: Temperaturni stolp za doloˇcitev optimalne temperature pri danem filamentu. . . 24

Slika 3.10: Levo prikaz zobnika brez dodatka hrbtne strani ter desno prikaz zob- nika z dodatkom. . . 25

Slika 3.11: Levo prikaz 3D-tiska po FDM metodi ter desno konˇcni izdelek. . . . 27

Slika 3.12: Peristaltiˇcna ˇcrpalka na osnovi planetnega gonila, izdelana po FDM metodi 3D-tiskanja. . . 28

Slika 3.13: Funkcionalni konˇcni izdelek – peristaltiˇcna ˇcrpalka na osnovi plane- tnega gonila s pogonom. . . 29

Kazalo preglednic

Preglednica 2.1: Primerjava ˇstirih polimernih materialov za 3D-tisk po FDM metodi [24]. . . 14 Preglednica 3.1: Izraˇcun razdelilnega, vznoˇznega in temenskega kroga zobni-

kov pri planetnem gonilu. . . 19 Preglednica 3.2: Meritve vznoˇznih krogov sonˇcnikov s kljunastim merilom. . 26

Seznam uporabljenih simbolov

Oznaka Enota Pomen

T ^oC temperatura

z / ˇstevilo zob

n s⁻¹ kotna hitrost

i / prestavno razmerje

m / modul

d mm premer

s mm debelina

U V napetost

Indeksi

e euro

x krat

Seznam uporabljenih okrajˇ sav

Okrajˇsava Pomen

2D dvodimenzionalno

3D tridimenzionalno

CAD raˇcunalniˇsko podprto konstruiranje (ang. Computer Aided Design) AM aditivna proizvodnja (ang. Additive Manufacturing)

FDM model ciljnega nalaganja (ang. Fused Deposition Modeling) RP hitro prototipiranje (ang. Rapid Prototyping)

RM hitro izdelovanje (ang. Rapid Manufacturing) RT hitra izdelava orodij (ang. Rapid Tooling) SLA stereolitografija (ang. Stereolithography) UV ultravijoliˇcno

LOM proizvodnja laminiranih predmetov (ang. Ballistic Particle Manufac- turing)

BPM proizvodnja balistiˇcnih delcev (ang. Laminated Object Manufactu- ring)

3DP tridimenzionalno tiskanje (ang. Three Dimensional Printing)

ISO mednarodna organizacija za standardizacijo (ang. International Or- ganization For Standardization)

STL standardni triangulacijski jezik (ang. Standard Triangulation Langu- age)

AMF aditivna proizvodnja datoteka (ang. Additive Manufacturing File) PLA polimleˇcna kislina (ang. Polylactic Acid)

PVA polivinil alkohol (ang. Polyvinyl Alcohol)

ABS akrilonitril butadien stiren (ang. Acrylonitrile Butadiene Styrene ) PPSF polifenilsulfon (ang. Polyphenylsulfone)

CNC raˇcunalniˇsko numeriˇcno krmiljenje (ang. Computer Numericall Con- troll)

SLS selektivno lasersko sintranje (ang. Selective Laser Sintering)

PETG polietilen tereftalat glikol modificiran (ang. Polyethylene Terephtha- late Glycol-Modified)

ASTM Ameriˇsko zdruˇzenje za tetiranje in materiale (ang. American Society for Testing and Materials)

1 Uvod

1.1 Ozadje problema

Dandanes bi verjetno teˇzko naˇsli kakˇsno inˇzenirsko panogo, ki se ˇse ni sreˇcala s tehno- logijo 3D-tiskanja ˇceprav njeni zaˇcetki segajo ˇsele v pozna 80. leta 20. stoletja. Adi- tivna proizvodnja pomeni ustvarjanje izdelkov z natanˇcnimi geometrijskimi oblikami s pomoˇcjo 3D-skeniranja predmetov oz. z uporabo programskega orodja, ki je namenjen izdelavi CAD modelov. Z razvojem tehnologije 3D-tiskanja je na prelomu tisoˇcletja vedno veˇc ljudem postajalo jasno, da bo le-ta pripomogla k velikemu delu trajnostnega razvoja na inˇzenirskem in tudi na drugih razliˇcnih podroˇcjih raziskav, prototipiranja, medicine, arhitekture, gradbeniˇstva, ˇzivilske industrije, avtomobilske industrije, letal- ske in vesoljske industrije in ohranjanja kulturne dediˇsˇcine, saj omogoˇca hitro, cenejˇso in natanˇcno pretvorbo 3D (CAD) modela v fiziˇcno obliko. Prednost dane tehnike je tudi v tem, da lahko tiskamo z razliˇcnimi materiali (plastike, biorazgradljivih materia- lov, gume, kovin ...). Navkljub vsem prej omenjenim prednostim ima, kot vsaka stvar, tudi 3D-tiskanje svoje slabosti [1].

Pri diplomskem delu bi se radi osredotoˇcili predvsem na prednosti ter uporabo 3D- tiskanja zobnikov. Dane ugotovitve bi aplicirali na optimalno izbiro materiala ter nastavitev pri tiskanju konˇcnega izdelka.

1.2 Cilji naloge

Pri tehnologiji 3D-tiskanja na kakovost konˇcnega izdelka vpliva zelo veliko razliˇcnih parametrov. Pri zakljuˇcnem delu se bomo poglobili v preuˇcevanje aditivne tehnologije, ki bo temeljila predvsem na podroˇcju 3D-tiskanja zobnikov. Radi bi se spoznali z obstojeˇcimi materiali, ki se uporabljajo pri dani tehnologiji, ter njihovo aplikacijo pri zobnikih. Pregledali bomo, kje se 3D-tiskanje zobnikov najveˇc uporablja ter kakˇsne so njegove prednosti (kako je s tolerancami, vzdrˇzljivostjo ...). Obenem pa se bomo seznanili s potencialom, ki jo prinaˇsa ta tehnologija. Ko se bomo teoretiˇcno dodobra seznanili s prej omenjeno tehnologijo, bomo preˇsli na praktiˇcni del. S pomoˇcjo 3D- tiskalnika bomo naredili izdelek po modelu ciljnega nalaganja (FDM), ki bo vseboval natisnjene zobnike. Pri izdelavi zobnikov bomo uporabili predhodno pridobljeno znanje (pravilna izbira materiala, parametrov tiskanja, temperature ...). Priˇcakujemo, da bomo na koncu diplomske naloge izdelali funkcionalen ter uporaben izdelek.

2 Teoretiˇ cne osnove in pregled lite- rature

2.1 Aditivna tehnologija

Ze na samem zaˇˇ cetku je pomembno omeniti, da aditivna proizvodnja (AM) oz. 3D-tisk ne predstavlja enotne proizvodnje, ampak se deli na veˇc dodajalnih proizvodnih pro- cesov oz. generiˇcnih skupin (glej poglavje 2.1.3). Po definiciji spada AM med novejˇse tehnologije, ki ustvarjajo 3D-predmete iz digitalno zapisane oblike od spodaj navzgor, tako da dodajajo posamezne plasti po slojih (slednje je znaˇcilno za vse generiˇcne sku- pine AM) [2, 3].

Aditivni postopki ne zahtevajo planiranja toka procesa, izdelave kalupa, specifiˇcne opreme za delo z materialom, transporta iz delovnih mest itd. Glavna prednost AM je ta, da je konˇcni izdelek narejen v enem samem koraku. Primeri podroˇcij, na katerih aditivne tehnologije prinaˇsajo izboljˇsave, so:

– izboljˇsave dizajna izdelkov,

– sprememba tradicionalne proizvodnje, – neposredno digitalno izdelovanje,

– mnoˇziˇcno prilagajanje in proizvodnja nizkih naklad, – prenos 3D-modelov v shrambi oblaka,

– prosto dostopen dizajn,

– sprememba trgovinskega poslovanja, – 3D-tisk v protetiki in medicini, – vpliv na trajnostni razvoj.

Trenutna glavna slabost dane tehnologije je v omejenosti izbire materialov ter ˇcas proizvodnje izdelka. Izdelava 38mm³ velike kocke traja pri AM okoli eno uro, medtem ko bi pri tradicionalni proizvodnji (npr. stroj za brizganje plastike) potrebovali le nekaj deset sekund za enak izdelek. Pa vendarle se razvoj na podroˇcju 3D-tiska iz leta v leto nadgrajuje. Na samem zaˇcetku so se uporabljali konˇcni produkti samo za prototipe, danes pa ˇze kot funkcionalni konˇcni izdelki. Tudi izbira materialov in naˇcini 3D-tiska se ˇsirijo, npr. tiskanje ˇzivil s tehnologijo ekstrudiranja materiala [4].

Na zaˇcetku nastajanja prvih tehnologij 3D-tiska se je uveljavilo poimenovanje hitro prototipiranje (RP), ko so se tiskani 3D-predmeti uporabljali zgolj kot prototipi. Hiter

Teoretiˇcne osnove in pregled literature razvoj na podroˇcju materialov in dane tehnologije je privedel do tega, da s 3D-tiskanjem ne izdelujemo zgolj prototipov, ampak kar konˇcne izdelke. V tem primeru govorimo o hitrem izdelovanju (RM). Prehodna stopnja med prototipno (RP) in serijsko proizvo- dnjo (RM) pa se imenuje hitra izdelava orodij (RT). Njena znaˇcilnost je, da za izdelavo orodja uporabimo kar prototip, po katerem oblikujemo kalup oz. orodje. Hiter razvoj 3D-tiska je privedel tudi do mnoˇziˇcne uporabe namiznih 3D-tiskalnikov za domaˇco rabo, ki jih posamezniki uporabljajo za svoj hobi in za tisk uporabnih izdelkov (tu najpogo- steje govorimo o ekstrudiranju termoplastiˇcnih materialov). Zato to opredeljujemo kot osebna izdelava. Pregled ˇcasovnega razvoja in uvajanje posameznih navedenih podroˇcij uporabe 3D-tiska od preteklosti do predvidene prihodnosti prikazuje slika 2.1 [5].

hitro prototipiranje

izdelava kalupov in orodij

neposredno digitalno izdelovanje osebna izdelava Uvajanje tehnologij 3D tiska (%)

Leto

Slika 2.1: Uvajanje tehnologij 3D-tiska na posameznih podroˇcjih [6].

2.1.1 Zaˇ cetki aditivne tehnologije

Za zaˇcetek 3D-tiskanja in razvoj tehnike hitrega prototipiranja (RP), ki sega v leto 1981, je zasluˇzen dr. Hideu Kadomi [7]. Dve leti pozneje je Charles Hull eksperimen- tiral z materiali, ki se utrjujejo ob prisotnosti UV-sevanja. Z utrjevanjem zaporednih slojev fotopolimernega materiala je priˇsel do tretje dimenzije in tako patentiral stereo- litografijo (SLA), katero uvrˇsˇcamo v skupino tehnologij na osnovi fotopolimerizacije v kadi in je ena najbolj razˇsirjenih tehnologij 3D-tiska [5].

Tehnologijo, katero v veˇcini uporabljajo namizni 3D-tiskalniki (za domaˇco uporabo), je leta 1989 razvil in patentiral Scott Crump ter jo poimenoval s kratico FDM. Leta 1991 je zaˇzivel njegov prvi delujoˇci 3D-tiskalnik (slika 2.2), leto dni kasneje pa je njegovo podjetje poslalo na trg prvi komercialni industrijski tiskalnik, imenovan 3D-Modeler.

Dano tehnologijo so nato prilagajala, nadgrajevala in razvijala tudi druga podjetja, zaradi ˇcesar je priˇslo do razliˇcnih poimenovanj tehnologije FDM [5].

Teoretiˇcne osnove in pregled literature

Slika 2.2: Stratasys-ov prvi delujoˇci 3D tiskalnik na sliki leta 1991 [8].

V teh letih so se razvijale tudi ostale tehnologije in metode 3D-tiska, in sicer pro- izvodnja laminiranih predmetov (LOM), ki jo je razvil Michael Feygin, proizvodnja balistiˇcnih delcev (BPM), iznajdena s strani Williama Mastersa, in tridimenzionalno tiskanje (3DP), katerega snovalec je Emanuel Sachs [9].

Nadalje, v letih 1990 in 2000, je bilo predstavljenih mnogo inovativnih tehnologij na po- droˇcju AM. Veˇcina jih je bila usmerjena v industrijsko rabo ter poslediˇcno za izdelovanje prototipnih izdelkov. Ker je bilo ponudnikom tehnologije za prilagojena orodja, litje in neposredno proizvodnjo v interesu razvoj 3D-tiska, jim gre zahvala za pojav nove terminologije, in sicer hitra izdelava orodij (RT), hitro litje in hitra izdelava (RM).

Prihajalo je do vse veˇcjega napredka in zanimanja za AM, zato je leta 2005 Ameriˇsko zdruˇzenje za testiranje in materiale (ASTM) priznalo AM kot standardni izraz za vse te procese (standard: ISO / ASTM 52900:2015 doloˇca in opredeljuje izraze, uporabljene v tehnologiji aditivne proizvodnje (AM), ki uporablja princip oblikovanja dodatkov in s tem gradi fiziˇcne 3D geometrije z zaporednim dodajanjem materiala) [10].

Industrija je zelo dobro sprejela to novo tehnologijo, saj prinaˇsa sposobnost uporabe veliko razliˇcnih materialov, svobodo dizajniranja in oblikovanja kompleksnih struktur.

Pomembno pa je tudi poudariti, da je za 3D-tisk potreben samo CAD model, ki pa je tako ali tako produkt procesa ustvarjanja proizvoda.

Teoretiˇcne osnove in pregled literature

2.1.2 Proces nastanka izdelka v aditivni proizvodnji

Naˇcelo nastajanja izdelkov v AM temelji na generiˇcnem naˇcelu gradnje izdelkov – sloj po sloj. Vse faze proizvodnje pri AM so enake, ne glede na vrsto dodajalnega proizvodnega procesa. Sestavljene so (glej sliko 2.3) iz:

– izdelave CAD modela,

– pretvarjanja CAD modela v STL datoteko, – prenosa STL datoteke na AM stroj,

– izdelave prototipov,

– odstranitvije dokonˇcanega izdelka, – naknadne obdelave,

– uporabe izdelka.

1. CAD model

2. Pretvorba v STL datoteko 3. Pretvorba datoteke na AM stroj 4. Nastavitev parametrov AM stroja 5. Ustvarjanje izdelka

6. Odstranitev končnega izdelka 7. Naknadna obdelava 8. Uporaba

Slika 2.3: Faze AM postopka [11].

Prvi korak vseh AM postopkov se zaˇcne s pridobitvijo virtualne oblike predmeta. To lahko izdelamo v obliki trodimenzionalnega modela v CAD programu ali pa s pomoˇcjo 3D-optiˇcnega bralnika (naredi nam digitalno kopijo predmeta). Virtualni model nato pretvorimo v razliˇcne formate. Od leta 1987 se je najpogosteje pretvarjalo v STL datoteko, katera predmet spremeni v veliko mreˇzo povezanih trikotnikov. Z letom 2009 je bila uvedena AMF datoteka (predstavlja enega ali veˇc predmetov, razporejenih v vektorje), ki je poleg STL datoteke postala standard za postopke aditivne proizvodnje in je osnova za rezanje po slojih, na kateri temeljijo AM postopki [4].

Po nastavitvi vseh parametrov stroja (temperatura, debelina sloja, hitrost . . . ) sledi izdelava izdelka, po konˇcanem zadnjem sloju pa odstranitev le-tega. Pri nekaterih postopkih, npr. stereolitografiji, 3DP, je potrebno naknadno zamreˇzenje, da se lahko

Teoretiˇcne osnove in pregled literature konˇca proces polimerizacije in se izboljˇsajo mehanske lastnosti izdelka, saj obstaja verjetnost, da se notranji deli slojev niso popolnoma strdili. Na samem koncu procesa pa sledi ˇse naknadna obdelava, kot je ˇciˇsˇcenje viˇska materiala, odstranjevanje podpor, bruˇsenje, barvanje idr. [4].

2.1.3 Tehnologije aditivne proizvodnje

Klasificiranje tehnologij aditivne proizvodnje je zelo kompleksno in se razlikuje od av- torja do avtorja. V sploˇsnem jih lahko razdelimo glede na osnovno tehnologijo izdelave (podroben prikaz kategorizacije AM prikazuje slika 2.4), in sicer na ekstrudiranje ma- terialov, laserske tehnologije, tisk itd.

Druge klasifikacije upoˇstevajo postopek utrjevanja osnovnega materiala, uporabljenega pri gradnji predmeta, ki se deli na toˇckovno utrjevanje (toˇcka za toˇcko) in soˇcasno utrjevanje celotne povrˇsine posameznega sloja. Pogoste so tudi razvrstitve tehnologij glede na zaˇcetno stanje osnovnega materiala (predmete lahko natisnemo s tekoˇcim, trdnim in praˇskastim materialom).

Pomembno vlogo pri poenotenju terminologije in delitve tehnologij je naredila orga- nizacija ASTM International, ki je razdelila tehnologije 3D-tiska v sedem dodajalnih proizvodnih procesov oz. generiˇcnih skupin: ekstrudiranje materiala (kateri je po- drobneje opisan v poglavju 2.1.3.1), fotopolimerizacija (poglavje: 2.1.3.2), brizganje materiala, brizganje veziva, spajanje slojev praˇskastega materiala (poglavje: 2.1.3.3), lasersko navarjenje ter laminavcija pol (poglavje: 2.1.3.4) [5].

Slika 2.4: Kategorizacija aditivnih proizvodnih procesov [12].

Teoretiˇcne osnove in pregled literature 2.1.3.1 Ekstrudiranje materiala (ang. Material Extrusion)

FDM tiskalniki (shematski prikaz na sliki 2.5) spadajo na trgu med najbolj upora- bljene, preproste in razˇsirjene tiskalnike za tisk polimerov. Dani tiskalniki uporabljajo metodo ekstrudiranja filamenta, kjer ekstrudirna glava osnovni material segreje do te mere, da se pretvori iz trdne v poltekoˇco obliko. Nato se po prehodu skozi ekstru- dirno glavo nadzorovano nanaˇsa v slojih in tako gradi oz. tiska predmet [5]. Pogosto uporabljeni filamenti na podroˇcju ekstrudiranja materialov so predvsem termoplasti (PLA, PVA, ABS, nylon, PPSF . . . ) [13]. Pri ekstrudiranju termoplastov se uporablja material v obliki t. i. termoplastiˇcnega navitja (filamenta), ki se dovede v ekstrudirno glavo. Pri tisku kompleksnih oblik se mora uporabiti tudi tisk podpornega materiala oz. podpornih struktur [5]. Zmotno je misliti, da lahko s to metodo ekstrudiramo samo termoplaste. Napredek omenjene tehnologije je priˇsel ˇze tako daleˇc, da nam niso veˇc tuji izrazi, kot so ekstrudiranje kovin, keramike, betona in ˇzivil [14].

Filament

Ekstrudirna glava

Šoba Nedokončan izdelek

Tiskalna miza

Slika 2.5: Shema delovanja tehnologij na osnovi ekstrudiranja termoplastov [15].

2.1.3.2 Proces fotopolarizacije

Pri tehnologijah, ki za osnovni material uporabljajo fotopolimere, poteka postopek slojevite gradnje 3D-predmeta na osnovi fotopolimerizacije. Tekoˇci fotopolimerni sloj se selektivno utrjuje le na mestih, kjer so stene delovnega predmeta. Za utrjevanje fotopolimernih materialov se najpogosteje uporabljajo UV-laserji. Prva 3D-tehnologija, ki temelji na fotopolimerizaciji, je bila stereolitografija. Pri le-tej je tekoˇci

Teoretiˇcne osnove in pregled literature fotopolimer navadno v kadi, zato se dodajalni proizvodni proces imenuje fotopolimeri- zacija v kadi (ang. vat photopolymerization), ki je prikazan na sliki 2.6 [5].

Laserski vir z laserskim snopom

Y os Kad

Delovni predmet Tekoči fotopolimer

Slika 2.6: Shema delovanja tehnologij na osnovi fotopolimerizacije v kadi [16].

2.1.3.3 Uporaba praˇskastega materiala

V tehnologijah, pri katerih je osnovni material v praˇskasti obliki, lahko pri izdelovanju objektov uporabimo zelo razliˇcne materiale. Ti materiali so: mavec, keramika, kovina, steklo, polimeri itd. Spajanje praˇskastega materiala v celoto lahko poteka na razliˇcne naˇcine, ki so odvisni predvsem od vrste osnovnega materiala in jih delimo v tri skupine:

– v prvo skupino uvrˇsˇcamo tehnologije, ki z uporabo tiskalne glave s kapljiˇcnim nanaˇsanjem ali brizganjem veziva povezujejo v sloje delce praˇskastega materiala,

– druge s pomoˇcjo laserskega vira ali drugega toplotnega vira spajajo zaporedne sloje praˇskastega materiala (za to vrsto je znaˇcilna predvsem tehnologija selektivnega laserskega sintranja – prikazana na sliki 2.7),

– v zadnjo skupino pa uvrˇsˇcamo tehnologije, ki uporabljajo kovinski praˇskasti mate- rial, katerega skozi ˇsobo z veliko moˇcjo neposredno usmerjajo v laserski snop (ta tehnologija se imenuje lasersko navarjanje).

Teoretiˇcne osnove in pregled literature Za prva dva naˇcina se uporablja tudi izraz posteljne tehnologije 3D-tiska, ker se praˇskasti material nahaja v t. i. postelji (ang. powder-bed) [5].

Laser

Delovna platforma Delovni predmet

Postelja Dovajanje

praškastega materiala Praškasti valjar

Slika 2.7: Shema delovanja tehnologij na osnovi spajanja slojev praˇskastega materiala [16].

2.1.3.4 Laminacija materiala (ang. Sheet lamination)

Ena izmed prvih tehnologij aditivne proizvodnje, ki je delovala na laminaciji mate- riala, je bila tehnologija nalaganja krojenih plasti – LOM (shematski prikaz na sliki 2.8). Dana tehnologija pri gradnji 3D-predmetov material dodaja, na koncu pa se ves preostali material odstrani in se ne more ponovno uporabiti, za razliko od ostalih teh- nologij. Torej bi lahko to tehnologijo umestili med aditivne in hkrati med odvzemalne tehnologije. Izvirna tehnologija LOM se danes le redko uporablja [5, 17].

Teoretiˇcne osnove in pregled literature

Laserski žarek

Ogrevani valj

Osnovni material

Slika 2.8: Shema delovanja tehnologije nalaganja krojenih plasti [18].

2.1.4 Prednosti in slabosti 3D-tiska v primerjavi s konvencio- nalno tehnologijo

V tem poglavju se bomo dotaknili glavnih prednosti dodajalnih tehnologij v primerjavi z odvzemalnimi (slika 2.9). Kot ˇze sama beseda namiguje, pri dodajalnih tehnologijah (AM) material dodajamo – sloj po sloj, pri odvzemalnih tehnologijah (npr. CNC obdelava) pa material odvzemamo – potrebujemo blok materiala (surovec), ki mora biti vsaj tako velik, kot bo konˇcni izdelek [17].

Glavne prednosti AM v primerjavi z nekoliko starejˇso in bolj uveljavljeno odvzemalno tehnologijo so:

– manj ljudi je potrebnih pri poteku proizvodnje,

– moˇznost rekonstrukcije poˇskodovanih delov obstojeˇcih predmetov, – ni potrebe po dodatnih posebnih orodjih,

– manj korakov med modelom CAD in izdelavo proizvoda, – izdelati je mogoˇce veliko ˇstevilo geometrijskih oblik, – manj materialnih odpadkov [2].

Teoretiˇcne osnove in pregled literature

Material

Material

Odvzemalna tehnologija

Dodajalna tehnologija

3D izdelek

3D izdelek

Odpadni material

Odpadni material (a)

(b)

Slika 2.9: Prikaz razlike med odvzemalno (a) in dodajalno (b) tehnologijo [19].

2.2 3D-tisk zobnikov na osnovi ekstrudiranja ma- terialov

Torej, zakaj bi se, iz nabora toliko razliˇcnih vrst tehnologij proizvodnje, sploh odloˇcili prav za 3D-tisk zobnikov po FDM metodi?

Natisnjeni plastiˇcni zobniki po FDM metodi so narejeni hitro, po meri in poceni, glede na alternativne postopke. Kot primer lahko navedem metodi SLA in SLS, pri katerih bi dosegali bistveno boljˇse konˇcne rezultate, ampak moramo zaradi tega vzeti v zakup bistveno viˇsjo ceno strojev in materiala – po grobi oceni za 100x viˇsja cena kot pri metodi FDM. Velika prednost dane tehnologije je tudi v tem, da so 3D-tiskalniki zelo pogosto uporabljeni. Soliden 3D-tiskalnik za domaˇco uporabo lahko kupimo ˇze za slabih 200 e, kar privede do tega, da lahko na specifiˇcnih internetnih straneh dobimo velik nabor STL datotek, katere pa lahko delimo z drugimi. Seveda moramo vzeti v zakup, da je tiskanje po FDM metodi s sploˇsno dostopnimi materiali bistveno slabˇse glede povrˇsinske obdelave in vzdrˇzljivosti izdelka kot pri brizganih ali mehansko obdelanih plastiˇcnih deli. Navkljub vsemu, ˇce imamo dobro zasnovan izdelek (v naˇsem primeru zobnik – pri CAD modelu je pomembna pravilna izbira oblike in ˇstevila zob ter tiskalnih

Teoretiˇcne osnove in pregled literature parametrov), lahko natisnjeni zobniki zagotavljajo uˇcinkovit in razmeroma visok prenos obremenitve, zato so idealna reˇsitev za nekatere aplikacije (veˇcinoma jih uporabljamo pri reduktorjih, ki jih poganjajo manjˇsi elektromotorji 2.10) [20].

Slika 2.10: Primer uporabe natisnjenih zobnikov po metodi FDM pri stroju za krivljenje ˇzice [21].

Preden se odloˇcimo za aplikacijo plastiˇcnih zobnikov, se moramo zavedati tudi dejstva, da imajo ti, v primerjavi s kovinskimi, veˇc omejitev (maksimalna nosilnost je manjˇsa, delovna temperatura je omejena v veˇcini primerov pod 120 ^oC, ni jih moˇc oblikovati z enako visoko natanˇcnostjo kot pri kovinskih zobnikih ...).

2.2.1 Izzivi pri FDM metodi 3D-tiska

Najprej je pomembno izpostaviti dejstvo, da potrebuje konˇcni izdelek, skoraj pri vsa- kem tiskanju, naknadno obdelavo. Pri zobnikih se to najpogosteje kaˇze kot potreba po oˇciˇsˇcenju odveˇcnega materiala z robu zob z rezilom. V nekaterih primerih je potrebna ˇze pri nezahtevnih tolerancah ujemanja med luknjo in pestom dodatna obdelava luknje.

Pri sredinski luknji se sreˇcujemo z zelo pogosto teˇzavo, ki se imenuje krˇcenje sredinske luknje in se pojavlja tudi pri dragih tiskalnikih [22]. Do danega pojava pride zaradi termiˇcnega krˇcenja plastike pri hlajenju, lahko pa se kaˇze tudi kot posledica uvoza STL datotek s prenizko stopnjo ˇstetja segmentov. Prav tako lahko pride do neskladja med dejansko in predvideno ˇsirino iztiskanja kot tudi do neskladja med plastmi [20]. V ob- zir, predvsem pri manjˇsih izdelkih, moramo vzeti tudi nenatanˇcnosti konˇcnega izdelka zaradi ˇsobe ter ohlajanja plastike.

Zaradi prej naˇstetih dejavnikov pride do odstopanja natanˇcnosti tiska, zato je pri- poroˇcljivo medosno razdaljo med posameznimi pari zobnikov poveˇcati za okoli 0,4mm (odvisno od kakovosti 3D-tiskalnika) ter zagotoviti vsaj 0,2mmzraˇcnosti med posame- znimi pari zob zobnikov (to pomeni, da vsako stran zoba zmanjˇsamo za 0,1mm), saj s

Teoretiˇcne osnove in pregled literature tem zagotovimo funkcionalnost konˇcnega izdelka. Druga pogosta teˇzava, pa se pojavi pri manjˇsih zobnikih, pri katerih prihaja do teˇzav pri zapolnitvi – tudi ˇce je pri pro- gramski opremi nastavljeno 100-odstotno polnjenje, nastanejo vrzeli znotraj drobnih zob [20].

Pri tem se pojavljajo ˇse druge teˇzave, saj v veˇcini primerov uporabljamo nizkocenovno plastiko (vsaj pri tiskalnikih za domaˇco uporabo), le-te pa so: tankostenski izdelki so ˇsibki in izpostavljeni ˇzilavemu lomu, ˇce tiskamo zobnik v leˇzeˇcem poloˇzaju, se izkaˇze v pravokotnem tridimenzionalnem koordinatnem sistemu, da je trdnost v smeri tiska (Z-os) bistveno manjˇsa od drugih dveh osi. Zgoraj omenjene teˇzave pa lahko privedejo tudi do uniˇcenja zobnika, ki se kaˇze kot:

– zlom zoba (pri preobremenjenosti),

– obraba zoba do zdrsa (zaradi slabega mazanja), – povezava z okvaro gredi,

– zlom pesta (gre za redek naˇcin okvare, ki se pojavi le, ˇce je orodje slabo natisnjeno) [20].

3D-tisk po metodi FDM

Testiranje obrabe

Zobnik se segreva Obraba zobu

Slika 2.11: Prikaz tiskanja zobnika po metodi FDM ter prikaz testiranja obrabe dvojice zobnikov – pride do obrabe zoba in poviˇsanja temperature zobnikov zaradi

trenja v toˇcki stika [23].

Teoretiˇcne osnove in pregled literature

2.2.2 Materiali

Pri FDM tehnologiji smo veˇcinoma omejeni na tiskanje s polimernimi materiali za razliko od ˇsirokega nabora uporabe razliˇcnih vrst materialov pri ostalih tehnologijah AM.

Za potrebe diplomske naloge smo primerjali 4 najbolj uporabljene polimerne materi- ale, ki se uporabljajo pri FDM metodi 3D-tiska, to so: nylon, ABS, PETG ter PLA.

Primerjali smo, kako se razlikujejo po nabavnih cenah, teˇzavnosti tiskanja in njihovih lastnostih (upoˇstevati moramo tudi dejstvo, da se lahko lastnosti enakih materialov ne- koliko razlikujejo glede na vrsto proizvajalca). Dane ugotovitve so ˇstevilˇcno prikazane v tabeli 2.1 in v nadaljevanju tega poglavja.

Preglednica 2.1: Primerjava ˇstirih polimernih materialov za 3D-tisk po FDM metodi [24].

Lastnosti materiala PETG PLA ABS Nylon Temperatura

taliˇsˇca [^oC]

230–

250

190–

220

220–

250

220–

270 Temperatura

postelje [^oC]

75–

90

45–

60

95–

110

70–

90 Gostota [g/cm³] 1,23 1,24 1,04 1,10 Natezna

trdnost [MPa] 53 65 40 40–85

Togost [/] 5/10 7,5/10 5/10 5/10

Obstojnost [/] 8/10 4/10 8/10 10/10

Maksimalna delovna

temperatura [^oC] 73 52 98 80–95

Cena [$/kg] 20–60 10–40 10–40 25–65

PLA ima med primerjanimi filamenti najveˇcjo togost in natezno trdnost. Ker sta to- gost in ˇzilavost obratno sorazmerni, lahko sklepamo, da njegova slaba ˇzilavost omeji uporabo predvsem na aplikacijah, kjer je potrebna plastiˇcna deformacija pri viˇsjih sto- pnjah napetosti. Da bi poviˇsali njegovo ˇzilavost, se je v zadnjih letih poviˇsalo zanimanje za kaljenje PLA [25]. V primerjavi z ostalimi ˇstirimi materiali je najmanj obstojen, obenem pa se slabˇse obnese pri viˇsjih delovnih temperaturah, njegova prednost pa je v cenovni dostopnosti ˇsirˇsi mnoˇzici uporabnikom.

Najpomembnejˇse mehanske lastnosti ABS polimernih materialov so odpornost na udarce in s tem povezana ˇzilavost. V primerjavi z ostalimi primerjanimi materiali ga uvrˇsˇcamo med najcenejˇse ter med temperaturno najobstojnejˇse materiale.

Nylonje zelo moˇcan, trpeˇzen in obstojen filament, ki se uporablja pri mnogo razliˇcnih aplikacijah 3D-tiskanja. Njemu v korist govorijo nizek koeficient trenja, visok medslojni oprijem ter zelo visoka delovna temperatura, ki sega celo do 95 ^oC. Njegove pomanj- kljivosti pa so: vpijanje vode, teˇzavnost tiskanja ter cena (med primerjanimi filamenti je najdraˇzji) [20].

Teoretiˇcne osnove in pregled literature PETGje duktilen material, a zato tudi mehkejˇsi in bolj fleksibilen.

Pri vrednotenju filamentov glede na aplikacijo tiskanja zobnikov moramo upoˇstevati, da ima material ˇcim veˇcjo natezno trdnost, togost ter obstojnost. Ne smemo pa pozabiti tudi na maksimalno delovno temperaturo in ceno filamenta. Po vseh naˇstetih pogojih smo uvrstili Nylon kot najboljˇso ter ABS za najslabˇso izbiro pri tiskanju zobnikov.

Na drugo mesto, po ustreznosti, se uvrˇsˇca PLA, saj ima najviˇsjo natezno trdnost ter togost, a slabˇso obstojnost in maksimalno delovno temperaturo kot Nylon. PETG pa spada po ustreznosti takoj za PLA.

3 Metodologija raziskave

3.1 Praktiˇ cni del

Za praktiˇcni del diplomske naloge smo se odloˇcili, da bomo natisnili peristaltiˇcno ˇcrpalko na osnovi plantenega gonila, pri kateri bomo uporabili znanje iz pred- hodnega poglavja 2 o tisku zobnikov. Peristaltiˇcne ˇcrpalke se uporabljajo za ˇcrpanje razliˇcnih tekoˇcin, posebej pridejo do izraza pri bolj viskoznih ter striˇzno obˇcutljivih fluidih. Dane lastnosti so omogoˇcene zaradi njenega principa ˇcrpanja, ki temelji na izmeniˇcni kompresiji ter popuˇsˇcanju gibke cevi, pri tem se tekoˇcina izmeniˇcno ˇcrpa v ˇcrpalko in hkrati iz nje.

Peristaltiˇcno ˇcrpalko na osnovi planetnega gonila bomo zasnovali tako, da bo koraˇcni motor poganjal osrednji zobnik –sonˇcnik– ta pa bo prenaˇsal gibanje naprej na stran- ske tri zobnike – planetnike – po zunanjem obroˇcu planetnega gonila. Za potrebe peristaltiˇcne ˇcrpalke smo modificirali obroˇc tako, da lahko po njegovi sredini nape- ljemo cev, po kateri se bo kasneje zaradi gibanja planetov, ki bodo ustvarjali izmeniˇcno kompresijo in popuˇsˇcanje na cevi, pretakala tekoˇcina.

3.2 Zasnova izdelka – peristaltiˇ cna ˇ crpalka na osnovi planetnega gonila

Za zasnovo ˇcrpalke je najprej potrebno doloˇciti potrebne mere in obliko zob zobnikov.

Pri konstrukciji izdelka moramo imeti v mislih, da ne prekoraˇcimo mer delovne povrˇsine tiskalnika (vsak tiskalnik ima omejeno delovno obmoˇcje). Naˇs 3D-tiskalnik ima pro- stornino gradnje (delovno povrˇsino) 220 x 220 x 250 mm, kar pomeni, da ima lahko zunanji obroˇc peristaltiˇcne ˇcrpalke maksimalen premer 220 mm. Dani izdelek bomo uporabili kot ˇcrpalko za pretakanje razliˇcnih fluidov. V sklopu naloge bomo izdelali peristaltiˇcno ˇcrpalko na osnovi planetnega gonila. Za delovanje le-te bomo namestili koraˇcni motor na sonˇcnik, ki ga bomo upravljali z odprtokodno elektronsko platformo – Arduino.

V strojniˇstvu poznamo veliko razliˇcnih vrst zobnikov. Za izdelavo naˇsega izdelka bodo zadostovali valjasti zobniki z ravnimi zobmi. Pri konstruiranju zobnikov smo upoˇstevali geometrijske lastnosti dane vrste zobnikov ter se odloˇcili za nagibni kot zob 20^o. Pred

Metodologija raziskave zaˇcetkom je potrebno doloˇciti tudi ˇstevilo zob sonˇcnika. Za sonˇcnik smo izbrali 19 zob (z_s = 19). Po navadi je zaradi enakomernejˇse obrabe zob njihovo ˇstevilo liho, najbolje pa je, ˇce je hkrati tudi praˇstevilo. Ostale veliˇcine smo doloˇcili oz. izraˇcunali v nadaljevanju poglavja.

Za izraˇcun ˇstevila zob planetnikov si bomo pomagali z enaˇcbo 3.1.

n_r·z_r =n_c·(z_r+z_s)−z_s·n_s (3.1)

Planetarno gonilo bo sluˇzilo kot peristaltiˇcna ˇcrpalka, zato mora biti zunanji obroˇc fiksen. Premikajo se samo sonce ter njegovi planeti. Iz tega sledi, da je hitrost obroˇca enaka 0 (nr = 0).

Po upoˇstevanju n_r = 0 dobimo enaˇcbo za prestavno razmerje obroˇca.

0 =n_c·(z_r+z_s)−z_s·n_s (3.2)

n_s

n_c =i_r = z_r+z_s

z_s (3.3)

i_r = 1 + z_r

z_s 2< i_r <∞ (3.4)

Iz enaˇcbe 3.4 smo dobili rezultat za prestavno razmerje obroˇca. Dano razmerje mora biti veˇcje kot dve. ˇStevilo zob obroˇca mora biti veˇcje kot ˇstevilo zob sonˇcnika.

V sploˇsnem je prestavno razmerje definirano kot razmerje med ˇsteviloma zob gonilnega ter gnanega zobnika. Veˇcje kot je prestavno razmerje, manj moˇci potrebujemo za vrtenje, vendar pa se poslediˇcno gnani zobnik pri enaki hitrosti gonilnega zobnika vrti poˇcasneje. Pri peristaltiˇcni ˇcrpalki, izdelani na osnovi planetnega gonila, je zelo pomembna hitrost planetnikov, saj je s tem pogojena pretoˇcnost fluida (veˇcja kot je hitrost planetnikov, veˇcji je pretok fluida).

Za pogon naˇse peristaltiˇcne ˇcrpalke smo uporabili koraˇcni motor Nema 24, ki zdrˇzi maksimalno 1,9 Nm navora. Prav zaradi tega moramo izbrati ustrezno prestavno razmerje, da ne pride do preobremenitve koraˇcnega motorja. Izbrali smo prestavno razmerje med sonˇcnikom in obroˇcem planetnega gonila 1:6 (i_r = 6). Iz tega sledi, da je prestavno razmerje med sonˇcnikom in planetnikom 1:2. Sonˇcnik naredi dva polna obrata za en polni obrat planetnika okoli svoje osi. Na podlagi enaˇcbe 3.4 ter iz doloˇcenih i_r= 6 in z_s = 19 smo dobili ˇstevilo zob obroˇca, ki znaˇsa z_r = 95.

Seveda potrebujemo tudi ˇstevilo zob planetnikov. To smo izraˇcunali s pomoˇcjo enaˇcbe 3.5.

z_p = z_r−z_s

2 (3.5)

Metodologija raziskave Po izraˇcunu za planetnik potrebujemo 38 zob (z_p = 38).

Da bi izraˇcunali ˇse premere razdelilnega 3.6, vznoˇznega 3.7 ter temenskega 3.8 kroga zob, moramo doloˇciti modul zobnikov (potrebne mere so grafiˇcno prikazane na sliki 3.1). Po navadi se gibljejo moduli za plastiˇcne zobnike med 1 ter 3, odvisno od konˇcne aplikacije. Veˇcji kot je modul, veˇcja je nosilnost zob, poslediˇcno pa so tudi sami zobniki veˇcji. V primeru manjˇse peristaltiˇcne ˇcrpalke pa zobje ne bodo prenaˇsali prevelikih obremenitev. Zaradi tega smo se odloˇcili za modul m = 1,5. Enaˇcba za izraˇcun vznoˇznega 3.9 in temenskega 3.10 kroga obroˇca planetnega gonila pa je drugaˇcna kot za zunanje zobnike.

d_f d da

Slika 3.1: Grafiˇcni prikaz razdelilnega, vznoˇznega in temenskega kroga zobnika.

d_i =m·z_i (3.6)

d_a,i=d_i+ 2·m (3.7)

d_f,i=d_i−2,5·m (3.8)

d_a,r =d_i−2·m (3.9)

d_f,r =d_i+ 2,5·m (3.10)

Metodologija raziskave Rezultati izraˇcunov za posamezni zobnik so prikazani v tabeli 3.1

Preglednica 3.1: Izraˇcun razdelilnega, vznoˇznega in temenskega kroga zobnikov pri planetnem gonilu.

z_s[/] z_p[/] z_r[/]

d_i[mm] 28,5 57 142,5 d_a,i[mm] 31,5 60 139,5 df,i[mm] 24,75 53,25 146,25

Preden pristopimo k modeliranju peristaltiˇcne ˇcrpalke na osnovi planetnega gonila, moramo doloˇciti tudi debelino zobnikov. Pri tem si lahko pomagamo z enaˇcbo 3.11, ki je poenostavljena formula za zobnike, katerih profil je trapezne oblike. Za naˇse planetno gonilo dobimo debelino zobnikov s ≈ 2,4 mm. Gonilo bomo spremenili in prilagodili, da bo predstavljalo modificirano peristaltiˇcno ˇcrpalko. V obroˇcu peristaltiˇcne ˇcrpalke moramo izdelati utor za cev, ki ima zunanji premer 6 mm. Zato moramo poveˇcati debelino zob za 9x. Nova debelina zobnika tako znaˇsa s_nova ≈21,6 mm.

s= π·m

2 (3.11)

3.3 Izdelava CAD modela peristaltiˇ cne ˇ crpalke na osnovi planetnega gonila s pomoˇ cjo modelirnika SolidWorks

3.3.1 Konstrukcija zobnikov

Opisali bomo samo primer konstrukcije sonˇcnika s programsko opremo SolidWorks, saj je postopek za vsak drugi zobnik enak. Modeliranje notranjega ozobja se za nekoliko razlikuje od modeliranja zunanjega zobnika. Ena izmed moˇznosti je, da zmodeliramo zunanji zobnik in nato le-tega vtisnemo v valj, ki ima gabaritne mere obroˇca.

Pri modeliranju v skici definiramo mere razdelilnega, vznoˇznega in temenskega kroga ter nato vznoˇzni krog ekstrudiramo, za kolikor znaˇsa debelina naˇsega zobnika (prika- zano na sliki 3.2).

Metodologija raziskave

Slika 3.2: Ekstrudiranje gabaritne mere zobnika.

Ko imamo zmodeliran polni valj z gabaritnimi merami zobnika, naredimo na ˇcelni ploskvi valja novo skico. V dani skici nariˇsemo profil, ki ponazarja prazen prostor med zobmi, tako da definiramo nagibni kot zoba (v naˇsem primeru ta znaˇsa 20^o), ˇstevilo zob in upoˇstevamo vse lastnosti, ki so znaˇcilne za valjaste zobnike z ravnimi zobmi (prikazano je na sliki 3.3).

Slika 3.3: Definiranje oblike zoba.

Dani profil odreˇzemo vzdolˇzno po valju ter ga nato 19-krat zrcalimo po obodu valja s funkcijo – kroˇzni vzorec (prikazano na sliki 3.4). Po konˇcanem postopku dobimo

Metodologija raziskave zobnik – sonˇcnik – ki mu po navadi zaradi zahtev konˇcnega izdelka dodamo luknjo ali izhodno gred.

Slika 3.4: Zrcaljenje po obodu – dobimo sonˇcnik.

Pri modifikaciji planetnega gonila v peristaltiˇcno ˇcrpalko moramo v obroˇcu, po sredini, narediti ˇse dodatni utor, ki je prikazan na sliki 3.5. V ta utor bomo kasneje napeljali cev, ki bo sluˇzila za pretok fluidov z enega konca na drugega.

Slika 3.5: Modifikacija obroˇca planetnega gonila.

Metodologija raziskave

3.3.2 Konstrukcija ostalih komponent peristaltiˇ cne ˇ crpalke na osnovi planetnega gonila

Po izdelavi sonˇcnika, planetnika in obroˇca moramo zobnike fiksirati tako, da pri rotaciji ne padejo ven iz obroˇca. To zagotovimo s planetarnim nosilcem ter s pokrovom obroˇca planetnega gonila na eni strani. Na drugi strani pa je pokrov ˇze integriran v sam obroˇc.

Slika 3.6 prikazuje ti dve komponenti.

(a) Planetarni nosilec. (b) Pokrov obroˇca.

Slika 3.6: Komponenti, ki prepreˇcujeta premike zobnikov pri rotaciji.

Slika 3.7 prikazuje ˇcepe, ki jih pritrdimo na spodnji del planetarnega nosilca.

Slika 3.7: Trije ˇcepi.

Ko imamo vse komponente skonstruirane, jih v modelirniku sestavimo skupaj v konˇcni izdelek – slika 3.8. Po sestavi vseh elementov preverimo funkcionalnost gonila.

Metodologija raziskave

Slika 3.8: Konˇcni sestav peristaltiˇcne ˇcrpalke na osnovi planetnega gonila.

3.4 Izbira materiala in nastavitev parametrov 3D- tiskalnika

Preden se odloˇcimo za izbiro materiala, moramo vedeti, kakˇsen bo namen/uporaba konˇcnega izdelka. Na izbiro smo imeli materiala PLA ter PETG. Naˇso peristaltiˇcno ˇcrpalko bi uporabili za zamenjavo motornega olja pri avtomobilu oz. kosilnici. ˇCrpalka pa se lahko uporablja tudi za druge namene za pretakanje fluidov. Biti mora odporna na vremenske vplive, obstojna ter z vidika zobnikov toga. Zaradi tega smo uporabili material PETG. To pa ne pomeni, da bi bil ta meterial tudi pri drugih aplikacijah boljˇsa izbira. Poglavje 2.2.2 navaja, da je za izdelavo posameznih zobnikov boljˇsa izbira PLA.

Dani parametri so seveda odvisni od razliˇcnih filamentov, proizvajalcev in nenazadnje tudi od 3D tiskalnika. Zato je potrebno, ˇse preden se lotimo 3D-tiska, natisniti tempe- raturni stolp (slika 3.9), da doloˇcimo optimalno temperaturo za posamezni filament.

Metodologija raziskave

Slika 3.9: Temperaturni stolp za doloˇcitev optimalne temperature pri danem filamentu.

Pri tiskanju zobnikov smo ugotovili, da kljub prilagoditvi temperature postelje in ˇsobe prihaja med zobmi zobnikov ter posteljo, na katero tiskamo, do slabe adhezije. Do danega pojava prihaja zaradi majhne povrˇsine zob, kateri se zelo hitro ohlajajo, kar privede do deformacije spodnje plasti zob in s tem odlepitev od postelje. Da zagotovimo boljˇso adhezijo med prvimi plastmi tiskanega izdelka ter posteljo tiskalnika, izberemo v programski opremi za razrez datotek moˇznost za dodatek hrbtne strani, kot je prikazano na sliki 3.10.

Metodologija raziskave

Slika 3.10: Levo prikaz zobnika brez dodatka hrbtne strani ter desno prikaz zobnika z dodatkom.

Ce bi ˇˇ zeleli veˇcjo natanˇcnost tiska, kar bi bilo smotrno uporabiti v primeru 3D-tiska manjˇsih zobnikov, lahko zamenjamo ˇsobo tiskalnika za manjˇso. Uporabljali smo ˇsobo premera 0,4 mm. Kvaliteta tiska je odvisna tudi od tiskalnika. Cene tiskalnikov se gibljejo od 200epa vse do nekaj tisoˇce. Naˇs tiskalnik spada v najcenejˇsi rang, zaradi ˇcesar prihaja do slabˇsih izdelkov, ki zahtevajo visoko toleranˇcno stopnjo.

Pri postavitvi izdelka ne smemo zanemariti dejstva, da ima konˇcni izdelek v ’z’ smeri (smer nalaganja plasti) bistveno slabˇso trdnost kot v ’x’ ter ’y’ smeri. Biti moramo pozorni na to, v kateri smeri bo predmet prenaˇsal najveˇcje obremenitve, in ga skladno s tem tudi orientirati v programski opremi.

3.5 Odstopanje dimenzij natisnjenega zobnika po FDM metodi z dimenzijami CAD modela

Ko nimamo podanih specifikacij za tiskalnik, je natanˇcnost tiskanja najlaˇzje ugotoviti tako, da natisnemo 5 enakih izdelkov in jih premerimo s kljunastim merilom. Za vsak posamiˇcen zobnik naredimo vsaj 3 meritve ter dobljene mere primerjamo z merami, ki smo jih podali v CAD modelirniku.

Slednje smo naredili tudi sami. Natisnili smo pet enakih sonˇcnikov z vznoˇznim krogom mered_a = 31,5mm. Meritve posameznih zobnikov s kljunastim merilom so vnesene v preglednico 3.2.

Iz tabele je razvidno, da je najveˇcje odstopanje od referenˇcne vrednosti za +0,07mm.

Seveda ne smemo zanemariti subjektivnih napak pri meritvah s kljunastim merilom.

Metodologija raziskave Preglednica 3.2: Meritve vznoˇznih krogov sonˇcnikov s kljunastim merilom.

d_a1[mm] d_a2[mm] d_a3[mm] d_a4[mm] d_a5[mm]

Meritev 1 31,55 31,50 31,50 31,60 31,55 Meritev 2 31,55 31,55 31,50 31,55 31,60 Meritev 3 31,60 31,55 31,55 31,55 31,55 Povpreˇcna

vrednost 31,57 31,53 31,52 31,57 31,57

To pomeni, da gre zgolj za oceno meritve, a kljub temu nam ta ˇstevilka pomeni okviren vpogled na to, kakˇsne tolerance moramo imeti in jih upoˇstevati pri konstrukciji izdelka, da bo funkcionalen.

3.6 Konˇ cni izdelek

3.6.1 Komponente peristaltiˇ cne ˇ crpalke, natisnjene po FDM metodi

Slika 3.11 prikazuje proces nastajanja izdelka po FDM metodi 3D-tiskanja kot tudi sam konˇcni izdelek. 3D-tisk ni najhitrejˇsi postopek za izdelavo mnoˇziˇcne serije izdelkov. Na primer, ˇze za tisk samega obroˇca peristaltiˇcne ˇcrpalke potrebujemo pribliˇzno 20 ur, je pa zato uporaben predvsem pri prototipih in izdelkih pred mnoˇziˇcno izdelavo.

Metodologija raziskave

(a) Sonˇcnik. (b) Planetniki.

(c) Obroˇc. (d) Zgornji pokrov obroˇca.

(e) Drˇzalo s ˇcepi.

Slika 3.11: Levo prikaz 3D-tiska po FDM metodi ter desno konˇcni izdelek.

3.6.2 Peristaltiˇ cna ˇ crpalka na osnovi planetnega gonila s po- gonom

Planetnike pripravimo tako, da jih namestimo na tri osi drˇzala, ker pa so vsi enaki, ni pomembno, na katero os jih namestimo. Zatem jih fiksiramo z vstavitvijo ˇcepov na spodnje osi drˇzala. Nato nadaljujemo s sonˇcnikom, ki ga vstavimo na sredino, v vodilo drˇzala. S tem poveˇzemo sonˇcnik z ostalimi planetnimi zobniki. Sonˇcnik fiksiramo na gred koraˇcnega motorja tako, da vstavimo v utor sonˇcnika matico ter skozi stransko luknjo privijemo vijak.

Metodologija raziskave Ce smo pri konstruiranju upoˇstevali tolerance zobnikov, nam vstavitev sonˇˇ cnika in pla- netnikov z drˇzalom v obroˇc peristaltiˇcne ˇcrpalke ne sme predstavljati teˇzav. V kolikor bi zanemarili tolerance, vstavitev v obroˇc ne bi bila mogoˇca. V notranjosti sredine obroˇca vstavimo v utor mehko cev, ki sluˇzi za pretok fluidov. Po vseh izpolnjenih korakih dobimo peristaltiˇcno ˇcrpalko na osnovi planetnega gonila, prikazano na sliki 3.12.

Slika 3.12: Peristaltiˇcna ˇcrpalka na osnovi planetnega gonila, izdelana po FDM metodi 3D-tiskanja.

Da bi peristaltiˇcna ˇcrpalka delovala, je potrebno prikljuˇciti ˇse koraˇcni motor, katerega bomo krmilili in upravljali s pomoˇcjo gonilnika koraˇcnega motorja (ang. Stepper Motor Driver) ter z odprtokodno elektronsko platformo – Arduinom.

Najprej je potrebno napisati program za Arduino. Ko opravimo ta korak, sledi povezava krmilnika in gonilnika s koraˇcnim motorjem preko pravilno povezanih ˇzic, le-tega pa vstavimo v utor za gred na sonˇcniku. Obroˇc peristaltiˇcne ˇcrpalke prej pritrdimo na poljubno povrˇsino, da ga zavarujemo proti zasuku. Preostane nam samo ˇse prikljuˇcitev gonilnika na 12 V ter Arduina na 5 V napetosti. Crpanje fluidov se lahko priˇˇ cne.

Dobimo funkcionalni izdelek, ki je prikazan na sliki 3.13.

Metodologija raziskave

Slika 3.13: Funkcionalni konˇcni izdelek – peristaltiˇcna ˇcrpalka na osnovi planetnega gonila s pogonom.

4 Rezultati in diskusija

Diplomska naloga je sestavljena iz dveh delov. V prvem, bolj teoretiˇcnem, so predsta- vljene aditivne tehnologije na sploˇsno ter 3D-tisk zobnikov po FDM metodi. Ugotovili smo, da je pojem AM zelo ˇsirok in se deli na veˇc razliˇcnih procesov, in sicer na: lasersko taljenje, lasersko polimerizacijo, ekstrudiranje, brizganje, adhezijo materiala, elektron- ski ˇzarek. Dani procesi se ˇse naprej razvejajo v razliˇcne tehnologije. Seveda ima vsaka tehnologija svoje prednosti in slabosti, zato je pomembno, da jih poznamo in se na podlagi karakteristik konˇcnega produkta ter proraˇcuna, ki nam je na voljo, odloˇcimo za neko tehnologijo.

V nadaljevanju, v drugem delu diplomske naloge, je predstavljen proces konstruiranja zobnikov, ki so del peristaltiˇcne ˇcrpalke, katera deluje na osnovi planetnega gonila. Pri tisku samega izdelka smo se odloˇcili za metodo FDM, saj je cenovno dostopna ˇsirˇsi mnoˇzici. Izmed vseh procesov AM je najbolj razˇsirjena pri domaˇci uporabi prav ta tehnologija. Ne smemo zanemariti dejstva, da je izdelava izdelkov po tej metodi zelo poˇcasna, a je kljub temu primerna za maloserijske izdelke oz. izdelke po meri, prototipe itd. Pri snovanju izdelka, v naˇsem primeru zobnikov, je zelo pomembno upoˇstevati tolerance. Tiskalnik, katerega smo uporabljali, ima razpon natanˇcnosti ±0,1mm. To pomeni, da je lahko vsak zobnik veˇcji ali manjˇsi za 0,1mm. Pri neupoˇstevanju le-tega vodi do nefunkcionalnosti izdelka.

Ugotovili smo, da pri FDM metodi tiskanja za domaˇco uporabo, ob obseˇznem naboru razliˇcnih filamentov (za razliˇcne aplikacije), lahko ustvarimo mnogo razliˇcnih uporabnih izdelkov. Na tej toˇcki pa je pomembno omeniti, da smo s to metodo omejeni na volumen delavne povrˇsine (predstavlja maksimalne gabarite naˇsega izdelka).

5 Zakljuˇ cki

1. Zasnovali smo prototip peristaltiˇcne ˇcrpalke na osnovi planetnega gonila.

2. Predstavili smo, da je pri nekaterih aplikacijah smotrno, predvsem zaradi nizkih stroˇskov ter neomejenih moˇznosti zasnove izdelkov, uporabiti natisnjene zobnike po FDM metodi.

3. Ugotovili smo, da lahko z malo spretnosti in idejami poustvarimo ter nadgradimo ˇ

ze obstojeˇci izdelek, za povrh vsega tega pa je ta ˇse cenovno ugoden.

V tem delu smo se osredotoˇcili na aditivne tehnologije in na njihovo uporabnost pri tisku zobnikov. Priˇsli smo do zakljuˇcka, da lahko pri enostavnejˇsih aplikacijah zobniˇske sklope natisnemo kar sami doma s pomoˇcjo FDM tiskalnika.

Predlogi za nadaljnje delo

Za najbolj optimalno izbiro materiala pri 3D-tisku posameznega izdelka bi bilo po- trebno izvesti ˇse dodatne analize. ˇCe bi ˇzeleli imeti veˇcji pretok fluida pri peristaltiˇcni ˇcrpalki, bi bilo potrebno opraviti ˇse dodatne raˇcunalniˇske simulacije in na podlagi tega izdelati optimalno gonilo.

Literatura

[1] Gospodarska zbornica Dolenjske in Bele krajine – Aditivne tehnologije ali 3D tiska- nje. Dostopno na: https://www.gzdbk.si/si/koledar/?id=2494&m=5&l=2016, Ogled: 12. 1. 2021.

[2] ERASMUS3D+: TEHNI ˇCNI PRIRO ˇCNIK ZA 3D TISKANJE -POVZETEK- . Dostopno na: https://www.e3dplusvet.eu/wp-content/docs/O1A1-SL-RES.

pdf, Ogled: 14. 1. 2021.

[3] O. I. Thomas Campbell, Christopher B. Williams, B. Garrett: Could 3D Printing Change the World? Technologies, Potential, and Implications of Additive Manu- facturing. ResearchGate (2011) str. 2–4.

[4] A. Pilipovi´c: Aditivna proizvodnja, Polimeri 33. Polimeri : ˇcasopis za plastiku i gumu 3–4(2012) str. 135–136.

[5] I. K. Tadeja Muck: 3D-TISK. Zaloˇzba Pasadena, d.o.o., Ljubljana, 2015.

[6] C. Barnatt: 3D printing third edition. CreateSpace Independent Publishing Plat- form, 2016.

[7] P. Wu, J. Wang, X. Wang: A critical review of the use of 3-D printing in the construction industry. Automation in Construction 68(2016) str. 21–31.

[8] S. Davies: Exclusive interview: Retiring Stratasys founder Scott Crump on his 3D printing legacy. Dostopno na: https://www.

tctmagazine.com/additive-manufacturing-3d-printing-news/

exclusive-stratasys-scott-crump-3d-printing-legacy/, Ogled: 26. 2.

2021.

[9] M. A. Alzarrad, S. Elhouar: 3D Printing Applications in Construction from the Past and into the Future. V: Creative Construction Conference 2019. Budapest University of Technology and Economics, 2019, str. 754–760.

[10] R. A. Buswell, R. C. Soar, A. G. Gibb, A. Thorpe: Freeform construction:

mega-scale rapid manufacturing for construction. Automation in construction16:2 (2007) str. 224–231.

Literatura [11] M. ˇSercer: Oporaba plastiˇcnih materijala i ekstrudiranje. Dostopno na: https:

//replast3d.com/files/materials/oporaba/Replast_3pred.pdf, Ogled: 18.

3. 2021.

[12] H. Bikas, P. Stavropoulos, G. Chryssolouris: Additive manufacturing methods and modelling approaches: a critical review. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 83:1-4 (2016) str. 389–405.

[13] S. Saleh Alghamdi, S. John, N. Roy Choudhury, N. K. Dutta: Additive Manufac- turing of Polymer Materials: Progress, Promise and Challenges. Polymers 13:5 (2021) str. 753.

[14] S. D. Nath, S. Nilufar: An Overview of Additive Manufacturing of Polymers and Associated Composites. Polymers 12:11 (2020) str. 2719.

[15] Metal 3D Printing Processes – Metal Extrusion FFF/FDM - 3DEO - Me- tal Additive Manufacturing. Dostopno na: https://www.3deo.co/featured/

metal-3d-printing-processes-metal-extrusion-fff-fdm/ 2020, Ogled: 27.

3. 2021.

[16] Photopolymerization - VAT, SLA, DLP, CDLP. Dostopno na: https://make.

3dexperience.3ds.com/processes/photopolymerization, Ogled: 27. 3. 2021.

[17] I. Gibson, D. Rosen, B. Stucker: Additive manufacturing technologies. zvezek 20 Springer, 2010.

[18] Types of 3D printers or 3D printing technologies overview.

Dostopno na: http://3dprintingfromscratch.com/common/

types-of-3d-printers-or-3d-printing-technologies-overview/ 2016, Ogled: 30. 3. 2021.

[19] 3D Printing vs CNC Machining: Which is best for prototyping? Dostopno na: https://www.3dnatives.com/en/3d-printing-vs-cnc-160320184/ 2019, Ogled: 23. 4. 2021.

[20] MechEngineerMike: A Practical Guide to FDM 3D Prin- ting Gears. Dostopno na: https://www.instructables.com/

A-Practical-Guide-to-FDM-3D-Printing-Gears/ 2017, Ogled: 17. 5. 2021.

[21] DIY Wire Bender Gets Wires All Bent Into Shape.

Dostopno na: https://hackaday.com/2018/10/14/

diy-wire-bender-gets-wires-all-bent-into-shape/ 2018, Ogled: 17.

5. 2021.

[22] F. Gear: Is 3D Printing Effective for Prototyping Ge-

ars? Dostopno na: https://www.federalgear.com/blog/

is-3d-printing-effective-for-prototyping-gears 2017, Ogled: 17. 5.

2021.

[23] Y. Zhang, C. Purssell, K. Mao, S. Leigh: A physical investigation of wear and thermal characteristics of 3D printed nylon spur gears. Tribology International (2020).

Literatura [24] Properties Table. 2019.

[25] T. Swetham, K. M. M. Reddy, A. Huggi, M. Kumar: A Critical Review on of 3D Printing Materials and Details of Materials used in FDM. Int J Sci Res Sci Eng 3:2 (2017) str. 353–361.