UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO EKONOMSKO-POSLOVNA FAKULTETA Aljaž ŽUGMAN RAZISKAVA ZMOGLJIVOSTI TISKANJA ZAHTEVNIH INOVATIVNIH 3D MODELOV S TISKALNIKOM CTC BIZER SERIES DUAL NOZZLE 3D PRINTER študijskega programa 2. stopnje Gospodarsko inženirstvo smer Strojništvo Maribor, oktober 2017
RAZISKAVA ZMOGLJIVOSTI TISKANJA ZAHTEVNIH INOVATIVNIH 3D MODELOV S TISKALNIKOM CTC BIZER SERIES DUAL NOZZLE 3D PRINTER Študent: Študijski program: Aljaž ŽUGMAN študijski program 2. stopnje Gospodarsko inženirstvo Smer: Strojništvo Mentor FS: Mentorica EPF: izr. prof. dr. Igor Drstvenšek red. prof. dr. Zdenka Ženko Maribor, oktober 2017
II
I Z J A V A Podpisani, izjavljam, da: je magistrsko delo rezultat lastnega raziskovalnega dela, predloženo delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev kakršnekoli izobrazbe po študijskem programu druge fakultete ali univerze, so rezultati korektno navedeni, nisem kršil-a avtorskih pravic in intelektualne lastnine drugih, soglašam z javno dostopnostjo magistrskega dela v Knjižnici tehniških fakultet ter Digitalni knjižnici Univerze v Mariboru, v skladu z Izjavo o istovetnosti tiskane in elektronske verzije zaključnega dela. Maribor, Podpis: III
ZAHVALA Zahvaljujem se mentorjema prof. dr. Zdenki Ženko in prof. dr. Igorju Drstvenšku za pomoč in vodenje pri opravljanju magistrskega dela. Posebna zahvala staršem, ki so mi omogočili študij. IV
RAZISKAVA ZMOGLJIVOSTI TISKANJA ZAHTEVNIH INOVATIVNIH 3D MODELOV S TISKALNIKOM CTC BIZER SERIES DUAL NOZZLE 3D PRINTER Ključne besede: 3D tisk, PLA, ABS, invencija, inovacija, difuzija inovacij, CTC, 3D tiskalnik UDK: 330.341.1:[004.9:621.04](043.2) POVZETEK V magistrskem delu smo najprej opisali pojme invencija, inovacija ter poudarili pomen družbeno odgovornega inoviranja. Predstavili smo tudi difuzijo inovacij. V nadaljevanju smo predstavili 3D tiskalnik in podrobneje opisali materiala, ki se uporabljata za izdelavo izdelkov s to napravo. V raziskovalnem delu smo natisnili več izdelkov pri različnih nastavitvah naprave. Tako smo preverili, kako vplivata hitrost pomikanja ter temperatura ekstrudorske šobe na kakovost izdelka. Preverili smo tudi kakšne naklone na izdelku je mogoče izdelati glede na debelino sloja. Na stroju smo nato izvedli modifikacije in znova proizvedli nove izdelke, ki smo jih primerjali s tistimi pred modifikacijo. Na koncu smo vse rezultate analizirali in podali dobljene ugotovitve. Skozi diskusijo smo ugotovitve primerjali s hipotezami in jih pojasnili. V
PRINTING CAPABILITIES RESEARCH OF DEMANDING INNOVATIVE 3D MODELS WITH CTC BIZER SERIES DUAL NOZZLE 3D PRINTER Key words: 3D print, PLA, ABS, invention, innovation, diffusion of innovations, 3D printer UDK: 330.341.1:[004.9:621.04](043.2) ABSTRACT At the beginning of this work we defined the terms invention, innovation and described importance of social responsible innovating. We also described the diffusion of innovations. In the following, we introduced the 3D printer with all the details and materials which are used in 3D printing. For the practical part of the master s thesis, we produced several models with different device settings. This way we checked how the speed and the temperature of the extruder nozzle have effect on the quality of the product. We also checked which slopes on the product can be made according to the thickness of the layer. Then we made some modifications on the machine and produced new models, which we compared with previous. Finally, we analyzed all the results and described the findings. Through the discussion, we compared the findings with hypotheses and explained them. VI
KAZALO 1 UVOD... 1 1.1 Opis problema... 1 1.2 Cilji in raziskovalne hipoteze... 1 1.3 Predpostavke in omejitve... 2 1.4 Predvidene metode raziskovanja... 2 2 INOVATIVNOST... 3 2.1 Opredelitev inovativnosti... 4 2.2 Invencija... 5 2.3 Inovacija... 6 2.4 Inoviranje z družbeno odgovornostjo... 7 2.5 Difuzija inovacij... 8 3 3D TISK... 14 3.1 PREDSTAVITEV TISKALNIKA... 14 3.2 Materiali... 18 4 RAZISKAVA 3D TISKANJA MODELOV... 24 4.1 Izdelava pri različnih hitrostih pomikanja ekstrudorske šobe... 24 4.2 Tiskanje pri različnih temperaturah... 28 4.3 Tiskanje naklonov brez podpore... 32 4.4 Natančnost tiskalnika... 41 5 MODIFIKACIJA 3D TISKALNIKA... 45 6 REZULTATI IN UGOTOVITVE... 49 7 SKLEP... 51 8 VIRI... 52 VII
KAZALO SLIK Slika 3.1: Tiskalnik CTC... 14 Slika 3.2: Replicator-G... 15 Slika 3.3: Dodaten ventilator in usmernik zraka... 16 Slika 3.4: Led trak... 17 Slika 3.5: kemijske formule ABS monomerov [11]... 19 Slika 3.6: Kolut ABS filamenta... 20 Slika 3.7: Kolut PLA filamenta... 22 Slika 4.1: Delavniška risba kvadra... 24 Slika 4.2: Diagram časa v odvisnosti od hitrosti tiskanja... 27 Slika 4.3: Diagram meritev modelov 1-6... 28 Slika 4.4: Diagram meritev modelov 7-12... 32 Slika 4.5: Načrt modela s previsi... 33 Slika 4.6 Izdelek na mizi 3D tiskalnika... 34 Slika 4.7 Izdelek s previsi, debelina plasti 0.1mm... 34 Slika 4.8 Izdelek s previsi, debelina plasti 0.2mm... 35 Slika 4.9: Izdelek s previsi, debelina plasti 0.3mm... 36 Slika 4.10 Izdelek s previsi, debelina plasti 0.4mm... 37 Slika 4.11 Izdelava naklona pod kotom 50... 40 Slika 4.12 Izdelava naklona pod kotom 40... 40 Slika 4.13: Delavniška risba kvadra 40x30x20... 41 Slika 4.14: Diagram meritev osi x... 42 Slika 4.15: Diagram meritev v osi y... 43 Slika 4.16: Diagram meritev v osi z... 44 Slika 5.1 Aluminijasti zobnik... 45 Slika 5.2 Plastični zobnik... 45 Slika 5.3: Votel kvader... 47 VIII
KAZALO TABEL Tabela 3.1: Tehnični podatki tiskalnika CTC... 16 Tabela 4.1: Meritev modelov 1-6... 25 Tabela 4.2: Slike in opis natisnjenih modelov 1-6... 26 Tabela 4.3: Meritev modelov 7-12... 29 Tabela 4.4: Slike in opis natisnjenih modelov 7-12... 30 Tabela 4.5 Prikaz zmožnosti izdelave naklona glede na debelino plasti... 38 Tabela 4.6: Meritve in odstopanja natisnjenih modelov... 42 Tabela 5.1 Mere izdelka po modifikaciji... 46 Tabela 5.2 Izmerjene vrednosti votlih modelov... 47 IX
SEZNAM UPORABLJENIH KRATIC PLA ABS 3D MFI polylactic acid (polilaktična kislina) acrylonitrile butadiene styrene (akrilonitril butadien stiren) tridimenzionalno melt flow index (indeks toka taline) X
1 UVOD 1.1 Opis problema V magistrskem delu sem raziskal, kako zahtevne 3D modele je mogoče natisniti s tiskalnikom CTC BIZER SERIES DUAL NOZZLE 3D PRINTER, ki ima dve šobi skozi kateri iztiskuje ogreti material. Raziskoval sem tiskanje pod različnimi temperaturnimi pogoji. 3D tisk se uporablja za tiskanje izdelkov, ki so lahko polizdelki ali končni izdelki, vsekakor ta način proizvodnje ni namenjen velikoserijskim izdelkom. Pri izdelavi prototipov 3D tisk predstavlja odlično rešitev, saj lahko zmanjša čas in stroške izdelave, saj ni potrebnih dodatnih orodij za izdelavo izdelka. Kakovost proizvedenega izdelka je pri tehnologiji dodajanja materiala lahko problematična, saj je težje zagotoviti različne parametre, kot so: kakovost površin in dimenzijska ustreznost ob različnih nastavitvah 3D tiskalnika (hitrost pomikanja ekstrudorske šobe, temperatura iztiskanja materiala). 1.2 Cilji in raziskovalne hipoteze V tej nalogi želim raziskati, kako različne nastavitve izdelovanja izdelka (hitrost pomikanja šobe, temperatura iztiskanja materiala) vplivajo na kakovost izdelka. Cilji so: - ugotoviti kakšna je odvisnost kakovosti natisnjenega modela od hitrosti tiskanja, - ugotoviti kakšna je odvisnost kakovosti natisnjenega modela od temperature ekstrudorske šobe, - ugotoviti kakšne naklone je mogoče natisniti brez podpornega materiala, - izdelati razpredelnico, ki poda optimalne nastavitve tiskalnika (hitrost, temperatura, material), s katerimi lahko natisnemo najkakovostnejše izdelke, - predstaviti inovativnost in uporabnost 3D tiskalnikov pri razvoju zahtevnih izdelkov. 1
Na podlagi pridobljenega znanja iz področja 3D tiskanja predpostavljam naslednje hipoteze: HIPOTEZA 1: Natančnost natisnjenega modela je odvisna od hitrosti tiskanja, kar pomeni, da je pri nizkih hitrostih tiskanja model natančnejši kot pri višjih. HIPOTEZA 2: Natančnost natisnjenega modela ni odvisna od temperature tiskanja. HIPOTEZA 3: Tiskalnik CTC Bizer series Dual Nozzle 3D Printer omogoča tiskanje naklonov, kjer je kot glede na mizo tiskalnika večji od 45. HIPOTEZA 4: Inovativno tiskanje modelov z obravnavanim tiskalnikom je natančno s toleranco 2,0 %. 1.3 Predpostavke in omejitve Pri raziskovanju sem bil omejen na točno določen tip 3D tiskalnika iz česar izhaja, da je omejitev predstavljala: velikost tiskalnika, spreminjanje temperature, nabor materialov, hitrost pomikanja ekstrudorske šobe 1.4 Predvidene metode raziskovanja Pri izdelavi naloge sem uporabil metodo eksperimenta, saj sem praktično preveril delovanje tiskalnika pod različnimi pogoji in z različnimi nastavitvami. Uporabil sem tudi opisno metodo s študijem domače in tuje literature. V raziskavi sem uporabil znanje, ki sem ga pridobil skozi študij, ter raziskal tudi spletne vire in iz njih izluščil uporabne informacije, ki so mi pomagale pri izdelavi magistrske naloge. 2
2 INOVATIVNOST Današnji svet se razvija z nepredstavljivo hitrostjo. Tehnologija se spreminja iz dneva v dan. Vendar ni napredka brez inovacij in ljudi, ki podpirajo razvoj ter omogočajo pogoje za iskanje novih rešitev ali izboljševanje že obstoječih. Za vse nas, ki živimo v tem svetu napredka pa je pomembno, da poskušamo ohranjati stik in odkritja sprejemati in jih uporabljati v svojo in našo korist. Pomembno je, da smo tudi sami inovativni, da v svojem okolju iščemo nove rešitve ter da vzpodbujamo okolje okoli nas v napredek. V tem hitrem ritmu je treba iskati rešitve na različne načine, pogosto je velika ovira pri inoviranju prav finančni zalogaj, ki je povezan z razvojem novih izdelkov. Tako lahko rečem, da 3D tisk predstavlja inovativen način iskanja novih izdelkov in rešitev, saj omogoča hitro preizkušanje idej, ter predstavlja ugodno rešitev pri izdelavi izdelkov in prototipov. 3D tisk omogoča dostopnost raziskovanja z metodo eksperimenta, saj lahko v kratkem času izdelamo več različnih izdelkov jih preizkusimo in analiziramo. Tako je 3D tiskalnik zelo uporaben instrument predvsem v fazi razvoja in proizvodnji posameznih končnih izdelkov, manj pa v fazi proizvodnje velikoserijskih izdelkov. Pot od ideje do inovacije je navadno dolga in naporna. Idej ki jih uspemo najprej preveriti, testirati in nato razviti v inovacije je zelo malo, saj večino idej opustimo. Zato je pomembno uspešno sporočanje o ideji znotraj ustvarjalnih okolij, kar pa je redko. Številni govorijo, da so ob podajanju novih idej zaničevani in pogosto doživijo zasmehovanje, če njihove ideje ne uspejo. To kaže, da je v Sloveniji pomanjkanje poznavanja in upoštevanja teorije ustvarjalnosti in inovacijskega managementa. Neuspele ideje ne smemo sprejeti kot poraz, ampak se je potrebno iz nje kaj naučiti, analizirati ter pridobljene izkušnje uporabiti v prihodnje [1]. Pri problemu, ki ga predstavlja velik delež opuščenih idej, ki se niso nikoli razvile v inovacije lahko pomembno vlogo odigra prav 3D tisk. Saj omogoča hitro ter stroškovno dostopno preverjanje in uresničevanje idej. 3
2.1 Opredelitev inovativnosti Inovativnost za mnoga podjetja pomeni mejo med rastjo in nazadovanjem podjetja. V sedanjem času podjetja vse več vlagajo v razvoj novih izdelkov, saj le tako lahko preživijo na tržišču. Denarna sredstva niso vedno dovolj velika vzpodbuda pri iskanju inovacij, tako mora podjetje poskrbeti za primerno okolje, ki omogoča razvoj še neodkritih potreb, izdelkov, storitev, procesov Inovacijska sposobnost se lahko opredeli kot sposobnost podjetja, da razvija nove izdelke, storitve in procese in jih posreduje na trg, s čimer si prizadeva za doseganje konkurenčne prednosti. V literaturi se nahaja veliko podatkov, ki prikazujejo kateri so vplivni faktorji za doseganje uspeha pri razvoju inovativnih izdelkov, vendar je najvažnejšega pomena vprašanje, kako doseči takšno inovativno raven, ki bo omogočala ekonomsko korist. Metodologija doseganja inovativne ravni ostaja neznana, medtem, ko so znani ključni faktorji doseganja uspeha z razvojem inovativnih izdelkov. Iz stališča obravnave ključnih kompetenc podjetja so le-te tiste, k i omogočajo dolgoročni poslovni uspeh in mednje uvrščamo preplet znanja, veščin, tehnoloških sistemov, načina vodenja ter upravljanja podjetja in kulturo podjetja [2]. Inovativnost je sposobnost ustvarjati iz novih zamisli nove koristi [3]. Sposobnost konkuriranja oziroma konkurenčnost ima v ozadju celovitost in ustvarjalnost in se uporabljata ter izražata kot inovativnost [3]. Podjetja morajo spoznati, da je vlaganje v ustvarjalno okolje, ki omogoča in spodbuja razvoj idej ključno za rast podjetja, vendar se ob neznatnih vložkih in rezultatih pogosto bojijo razvijati to plat podjetja. Zato je pomembno, da je v organizaciji nekdo, ki pozna in vodi ter nadzira to razvojno krilo podjetja in skrbi za primerno vzdušje. Seveda je potrebna stroškovna učinkovitost in vidni rezultati v čim krajšem času. Če to uspe organizaciji vzdrževati in vzpodbujati, lahko doseže veliko konkurenčno prednost. 4
2.2 Invencija V vsakdanjem življenju se pogosto srečujemo z enačenjem pojmov invencija in inovacija. Vendar med njima obstaja jasna razlika.»lnvencija je vsaka nova zamisel, ki kaj obeta [3].«Invencija je vsaka nova ideja ali zamisel, ki lahko koristi avtorjem ter lastnikom [3]. Invencija je vsaka nova obetavna ideja iz katere nastane inovacija, ko je razvita do te mere, da se lahko uporablja in je med uporabniki sprejeta, kupljena, uporabljena ter sprejeta kot koristna. Istočasno pa omogoča ekonomsko korist tistemu, ki jo je ustvaril, izdelal in prodal [3]. Likar je razdelil invencije na dva sistema in sicer na sistem invencij zaprtega tipa ter odprti sistem invencij. V sistemu zaprtega tipa gre za izboljšave, ki jih uvajamo znotraj zaprtega sistema, to pomeni, da poznamo vse parametre sistema, zato lahko natančno predvidimo učinke invencije. Med tem ko je v odprtem sistemu preveč neznank, da bi lahko točno predvideli učinke. Zato je ocena rezultatov nezanesljiva, kajti s stopnjo novosti število neznank raste [4]. Invencije ne zahtevajo velikih stroškov, saj se razvoj dogaja večinoma znotraj organizacije. Veliko je tudi takih, ki nimajo potenciala za uspeh v očeh ostalih in se zato zavržejo. Ampak skupaj s temi invencijami zavržemo tudi kakšne, ki bi lahko uspele in zaživele. Zato je pomembno, da se ljudje, ki se ukvarjajo z razvojem in tudi vsak posameznik, ne bojijo povedati na glas svojih zamisli, idej in načrtov, saj lahko s pomočjo sodelavcev razvija idejo v obetavno invencijo. 5
2.3 Inovacija Med teoretičnimi proučevalci področja inoviranja ni dogovora ali enakega razumevanja pojma inovacija. Zadnja desetletja poudarjamo pomen družbenih inovacij ter inovacij v managementu [1]. Vsekakor pa ni inovacije brez invencije. Da bo iz invencije nastala uspešna inovacija je potrebnih več dejavnikov. Veliko je takšnih, na katere težko vplivamo in jih ovrednotimo. Tako lahko nekatere inovacije v tem trenutku propadejo, čez nekaj časa pa zaživijo in uspejo. Zelo pomemben faktor je razvoj družbe in uporabnikov, ki se lahko obnašajo zelo nepredvidljivo in včasih bolj sledijo marketingu kot uporabnosti invencij. Uspešna sprememba invencije v inovacijo zahteva izvajanje več sovpadajočih aktivnosti, med katere uvrščamo organizacijske spremembe in usposabljanja na ravni podjetja, testiranja, raziskave in razvoj. Pri tem izpostavimo, da so raziskave ter razvoj vitalnega pomena za delovanje inovativne organizacije. Inoviranje je potrebno razumeti kot interaktiven proces sodelovanja znotraj rastoče in raznolike mreže institucij, interesnih skupin in uporabnikov [5]. Mulej in Ženko s sodelavci sta sestavila enačbo, ki predstavlja inovacijo kot produkt različnih faktorjev, ki vplivajo na njen razvoj in uspeh: INOVACI]A = (invencija x podjetnost in podjetništvo x celovitost x upravljanje in vodenje x sodelavci x kultura x dobavitelji x odjemalci x konkurenti x družbeno okolje x naravno okolje x slučajni dogodki /sreča) [3]. Iz enačbe lahko razberemo, da je za uspeh inovacije potrebnih veliko različnih faktorjev, ki morajo kar najugodneje sovpadati. Tako je pomembno, da je inovator podjetno naravnan, da ima ustrezne pogoje dela ter sodelavce. Pri razvoju je potrebno upoštevati konkurenco in 6
delovati po najboljših močeh v korist družbe in narave. Na koncu pa so dodali še faktor, ki je zelo pomemben v življenju in tudi v podjetništvu ter razvoju in to je sreča. 2.4 Inoviranje z družbeno odgovornostjo Iskanje rešitev z namenom lajšanja življenja ljudi je nesebično dejanje. Vendar pa je gospodarstvo in tržna naravnanost podjetij, kjer je pomemben le zaslužek, pripeljalo do tega, da ob doseganju finančnih rezultatov, škodujejo okolju, naravi in ljudem okoli njih. Zato je pomembno, da podjetja skrbijo za svojo rast in razvoj, hkrati pa delujejo na način, ki ne obremenjuje okolja oziroma se vsaj trudijo zmanjšati negativen vpliv. Koncentracija kapitala, monopoli ter profitni motivi vodijo v razslojevanje družbe, konflikte in globalno nestabilnost. Takšna poslovna filozofija vključuje iskanje rešitev za probleme in čim učinkovitejšo izrabo virov za optimalne rezultate, vendar se ustvarjalci te danes prevladujoče poslovne filozofije malo ukvarjajo s celovitim proučevanjem posledic svojih dejanj. Za znižanje stroškov lahko najdejo rešitev v cenejših surovinah, v posameznih sestavnih delih s kratko (prekratko) življenjsko dobo. Tako celo v prehrambni industriji najdemo številne izdelke, ki so cenovno ugodni a imajo z medicinskimi raziskavami potrjene škodljive učinke na človekovo zdravje. Podoben primer neodgovornega ravnanja je zniževanje stroškov izdelka s selitvijo proizvodnje v države z manj zahtevnimi predpisi za podjetja in z nižjo ceno delovne sile [1]. Inoviranje navad, vrednot, kulture in norm posameznikov (posebej odločevalcev), organizacij in družb predstavlja družbeno odgovornost. To je proces, ki zaradi svoje kompleksnosti in kompliciranosti zahteva uporabo dialektično sistemske teorije. Velik razvojni korak v razmišljanju, razumevanju, odločanju in uresničevanju ciljev je potreben, da lahko dosežemo družbeno odgovorno vedenje [1]. Razvoj je nujen, toda za kakšno ceno? Organizacije bi se morale zavzemati za razvoj, kot ga poimenuje Ženko, 2014»vzdržen razvoj«, ki ga najbolje opredelila Brundtlandova komisija: 7
» da je to razvoj, ki zadovoljuje potrebe sedanjih, ne da bi ogrožal zmožnost bodočih generacij za zadovoljevanje njihovih potreb [1].«Dialektično sistemsko razmišljanje, odločanje in delovanje ter upoštevanje družbene odgovornosti je lahko orodje za oblikovanje vrednot, norm, kulture in etike, ki bodo podpirale razvoj posameznikov kot ustvarjalnih članov družbe. V tako urejeni družbi si vsi prizadevajo za skupno dobro in trajnostni razvoj [1]. Biti odgovoren do sebe in do drugih ljudi je v življenju posameznika zelo pomembno. To so vrednote, ki jih pridobimo skozi vzgojo in vzgled, ki nam ga postavlja okolje v katerem živimo. Veliko močnejši vpliv pa ima odgovornost oziroma neodgovornost v poslovnem smislu. Družbena odgovornost podjetij doseže skoraj slehernega, zato je pomembno, da imajo ljudje, ki vodijo organizacije ter vplivajo na družbo posebno razvit čut zanjo in se zavzemajo za ohranjanje ter vzdrževanje okolja tudi vnaprej. Narava in družba nam ogromno dajeta, vendar se pogosto zdi, da družba premalo vrne nazaj. V tem pogledu lahko veliko prispeva tudi čistejša proizvodnja, novi proizvodni procesi, ki manj obremenjujejo okolje. Tak proces, ki zmanjšuje vpliv na okolje je tudi 3D tisk, saj pri tem proizvodnem procesu ni skoraj nič odpadnega materiala, tudi čas in energija, ki se ob tem porabita sta manj obremenilni za okolje kot nekateri drugi procesi. Vsekakor pa 3D tisk podpira razvoj, saj dopušča hitro prilagodljivost in omogoča, da se invencije hitreje razvijajo in napredujejo. Družbeno odgovorno je, da stremimo k napredku, vendar moramo upoštevati okolje v katerem živimo in iskati poti, ki omogočajo razvoj, hkrati pa ne omejujejo in uničujejo okolja v katerem živimo. Poskrbeti moramo, da bodo tudi naši zanamci deležni ugodja, ki ga ponuja okolje v katerem živimo. 2.5 Difuzija inovacij Rogers je raziskoval pojav, zakaj kmetje v Iowi sprejmejo nove ideje, ki jim prinašajo koristi kasneje kot drugod. Raziskoval je, kako so inovacije sprejete in kako se uporabljajo v kmetijstvu in razvil teorijo o difuziji inovacij. Inoviranje je družbeni proces, kjer je bistveno komuniciranje o novostih skozi različne kanale in tako doseči potencialne uporabnike [6]. 8
Razvil je model difuzije inovacij, ki vsebuje štiri elemente: inovacija, komunikacijski kanali, čas in socialni sistem. Pri komunikacijskih kanalih je posebej izpostavil agente spreminjanja ter mnenjske vodje [6]. Haider in Kreps definirata difuzijo inovacij kot poseben tip komuniciranja, ki je sestavljen iz ustvarjanja ter deljenja informacij med potencialnimi odjemalci. Namen te komunikacije je, da se doseže obojestransko razumevanje [7]. Pri difuziji inovacij so bistveni komunikacijski kanali ter mreže po katerih se prenašajo informacije o novostih do potencialnih uporabnikov. Zato je za vsak difuzijski proces najvažnejšega pomena širjenje informacij, ki se nanašajo na novost [8]. Inovacija Rogers definira inovacijo, kot novost, ki je razvita do te stopnje, da imajo uporabniki korist. Nekatere inovacije so hitreje in lažje sprejete kot druge. Dejavniki, ki vplivajo na njihovo različno sprejemanje so: - relativna prednost (zaznava boljša od predhodne prakse) - združljivost (v skladu z obstoječimi vrednotami, izkušnjami, potrebami ) - kompleksnost (težko razumeti in uporabljati) - možnost preizkusa na manjšem vzorcu - rezultati so vidni [6]. 9
Komunikacijski kanali Uporablja se jih za prenos informacij o invenciji med osebami. Narava informacij in potencialnih uporabnikov določa kakšen komunikacijski kanal naj bo kdaj uporabljen, oziroma kako jih bomo kombinirali. Množični komunikacijski kanali delujejo preko radia, televizije, časopisov, interneta in dosežejo mnoge. Medosebni komunikacijski kanali so uporabljeni v izmenjavi podatkov, ki poteka osebno med potencialnimi uporabniki. Specializirani kanali pa predstavljajo specializirane sejme, revije in skupine ljudi [6]. Inovatorji so pogosto tehnično izobraženi ljudje in se razlikujejo od večine potencialnih uporabnikov. To naredi komunikacijo s potencialnimi uporabniki težavno [6]. Agenti spreminjanja imajo več tehničnega znanja o inovacijah kot potencialni uporabniki in so tisti, ki spremembe promovirajo. Največkrat ne spadajo v enak socialni razred kot potencialni uporabniki, saj imajo drugačno mnenje oziroma znanje o inovacijah, izobrazbi, ekonomiji ter drugačen družbeni status [6]. Raziskave kažejo, da se potencialni uporabniki ne odločajo za inovacije iz znanstvenih in tehniških dosežkov oziroma odkritij, ampak zaradi svoje subjektivne ocene. Pomembne del je opazovanje ostalih uporabnikov in izmenjavanje informacij direktno med uporabniki, ki so približno enakega družbenega razreda [6]. Mnenjski vodje so navadno osebe, ki imajo več znanja in bolje sprejemajo novosti. Ostali jih spoštujejo in poslušajo njihove nasvete. Mnenjski vodja lahko tako promovira spremembe [6]. Mulej in Ženko ločujeta komunikacijske kanale na tiste, kjer poteka izmenjava informacij o novostih in običajne komunikacijske kanale. Komunikacijske kanale glede novosti od klasičnih razlikujeta po lastnostih: 10
- Gre za izmenjavo informacij o novosti, ki predstavlja določeno stopnjo tveganja. - V prenos informacij je vključena fizična ali pravna oseba, ki se je z novostjo že poprej seznanila in oblikovala svoje stališče. - Prav tako pri komunikaciji sodeluje druga oseba, ki si stališča o novosti še ni ustvarila. - V procesu izmenjave informacij obstaja komunikacijski kanal za povezovanje med uporabniki nekega družbenega sistema [3]. Čas Čas je pomemben iz treh vidikov, 1. Čas od prve informacije o inovaciji, do sprejetja ali zavrnitve le te. Vsebuje odločitveni proces. 2. Relativna naprednost ali zaostalost posameznika v primerjavi z ostalo družbo. 3. Stopnja sprejemanja inovacij v družbi. Navadno se meri s številom uporabnikov ali tržnim deležem. Tisti ki sprejemajo novosti tvorijo različne skupine z različnimi značilnostmi: - Inovatorji 2,5% - Zgodnji uporabniki 13,5% - Zgodnja večina uporabnikov 34% - Pozna večina 34% - Zamudniki 16% [6]. Socialni sistem Socialni sistem za Rogersa ne pomeni socialni red ampak družbeno skupino, kateri bi naj bile novosti predstavljene. Njena struktura velikokrat vpliva na sprejemanje inovacij. Socialni sistem za difuzijo inovacij je definiran z mejami, normami/vrednotami/kulturo/etiko, skupnimi cilji, ozemljem in hierarhijo. To pomeni socialno strukturo. Obstajajo formalne in neformalne 11
strukture. Obstajajo prevladujoča pravila, norme, vrednote, kultura znotraj danega socialnega sistema. Lahko imajo podskupine glede na starost, izobrazbo, dohodek, spol, poklic, lokacijo, oddelek, itd., ki se ne obnašajo enako. Ker sistem daje stabilnost, je mogoče predvideti z nekaj natančnosti obnašanje enot znotraj socialnega sistema. Njegova struktura lahko podpira sprejetje inovacij ali pa zavira. Inovacije se lahko sprejete ali zavrnjene od: 1. Posameznika 2. Skupine ali skupinske odločitve 3. Vodstvenih organov (vlada) [6]. Inovativni vodstveni organi lahko povzročijo hitrejše sprejemanje inovacij [6]. Informacije se hitreje prenašajo med posamezniki, ki so si na nek način podobni. Podobnost med posamezniki, ki imajo podobna osebna prepričanja, izobrazbo, družbeni položaj in ostale osebnostne karakteristike imenujemo homofilija. Ljudje se lažje in nezavedno bolj povežemo z osebami s katerimi imamo nekaj skupnega. Pri difuziji inovacij se pogosto zgodi, da se agenti spreminjanja in potencialni uporabniki razlikujejo v pogledih, statusu in podobno. V takšnih primerih je izmenjava in sprejemanje informacij zelo težavna, zato je pomembno, da so agenti spreminjanja čim bližje potencialnim uporabnikom glede osebnih in družbenih lastnosti. Tako je prenos informacij hitrejši in učinkovitejši, difuzija inovacij pa uspešnejša [6]. Za sprejem novosti v družbi je potrebna komunikacija. Informacija o novostih mora priti do potencialnih uporabnikov, od teh pa je potem odvisno ali jo sprejmejo ali ne. Za prehod informacij so ključni komunikacijski kanali, ki so lahko različni glede na vrsto novosti ter ciljne uporabnike. Ključno vlogo pa pri sprejemanju invencij igrajo mnenjski vodje in agenti spreminjanja, saj ti močno vplivajo na potencialne uporabnike, še posebej če imajo skupne družbene in osebnostne karakteristike. Ljudje lažje sprejemajo informacije od ljudi, ki imajo podoben družbeni status, prepričanja, izobrazbo, službo in podobno. Podobno lahko opažamo tudi na področju 3D tiska. Informacije o novostih na tem področju prihajajo največkrat skozi ozke komunikacijske kanale, ki so usmerjeni bolj tehnično naravnanim potencialnim 12
uporabnikom. Tako lahko največ informacij o 3D tisku najdemo v tehničnih revijah ter na spletnih straneh, kjer se ukvarjajo s področjem 3D tiska. Tako večina ljudi, ki se ljubiteljsko ukvarja s 3D tiskom prihaja iz tehničnih smeri, kar potrjuje, da ljudje lažje sprejemamo novosti, ki prihajajo od oseb, ki imajo podobno izobrazbo in poglede. Pričakujem, da bodo kmalu informacije iz področja 3D tiska prišle tudi do ostalih potencialnih uporabnikov (ne le tehnično izobraženih), vendar je pomembno kdo in na kak način bo te informacije posredoval in tako to področje razširil med širšo družbo. 13
3 3D TISK 3.1 PREDSTAVITEV TISKALNIKA CTC Bizer series Dual Nozzle 3D Printer je 3D tiskalnik, ki omogoča tiskanje z PLA (polilaktična kislina) in ABS (akrilonitril butadien stiren ) žico. Kot že njegovo ime pove ima 3D tiskalnik dve iztiskovalni šobi, kar je vidno tudi na sliki 3.1 in tako omogoča izdelavo z dvema različnima žicama hkrati. Njegovo delovanje je precej tiho, saj hrup med delovanjem ne preseže 55dB. Ima ogrevano mizico, kar je posebej pomembno pri tiskanju z ABS filamenti, ki se ob ohlajanju zaradi skrčkov radi deformirajo. Z ogrevano mizo se nanešeni material počasneje ohlaja zato, da lahko nad prvi sloj nanese dovolj veliko maso materiala, ki blokira deformacije zaradi skrčkov oziroma jih omeji. Slika 3.1: Tiskalnik CTC 14
Ogrodje naprave je narejeno iz pertinaksa. Pertinaks je laminat izdelan iz kraft papirja in veziva. Kraft papir je izdelan na osnovi sulfatne celuloze, funkcijo veziva pa prevzame fenolna smola. Pertinaks je dober električni izolator in je odporen na vlago [12]. Tiskalnik je z računalnikom povezan preko USB priključka, napajanje pa ima neodvisno od računalnika. Tako lahko tiskanje vodimo preko računalnika na katerem je nameščen ustrezen program za generiranje G-kode in izvajanje procesa tiskanja, kot je prikazano na sliki 3.2. Omogočeno pa je tudi tiskanje neposredno iz SD-kartice na katero namestimo G-kodo za tiskanje modela in preko majhnega ekrana na ohišju nastavimo tiskanje modela. Slika 3.2: Replicator-G 15
Tehnični podatki so predstavljeni v tabeli 3.1: Tabela 3.1: Tehnični podatki tiskalnika CTC Dimenzije tiskalnika (mm) 470x430x380 Največji možen natisnjen objekt (mm) 145x225x150 Št. ekstrudorskih šob 2 Premer šobe (mm) 0,4 Debelina filamenta (mm) 1,75 Vrste filamenta ABS in PLA Višina plasti pri tiskanju 0,1-0,5 mm Ogrevana podlaga(mizica) DA do 120C Lastna nadgradnja tiskalnika Sam sem tiskalnik opremil z nekaj dodatki, z namenom izboljšanja kakovosti izdelanega modela. Namestil sem naslednje izboljšave: -dodaten ventilator sem namestil na usmernik zraka, ki sem ga natisnil sam s svojim tiskalnikom in je viden na sliki 3.3. Usmernik zrak iz ventilatorja usmerja proti šobi, ki iztiskuje material in tako hitreje ohlaja staljeni material, ki tako zavzame želeno obliko. Deformacija zaradi skrčkov je manjša zaradi mase materiala pod to plastjo. Slika 3.3: Dodaten ventilator in usmernik zraka 16
-na ohišje sem dodal trak z led lučmi, ki med tiskanjem osvetli delovno površino in tako omogoča boljši pregled na tiskanje modela in lažje zaznavanje napak pri modelu, viden je na sliki 3.4. Zato lahko sproti ukrepam in izvedem ustrezne spremembe kar med tiskanjem. Slika 3.4: Led trak -pri reži, kjer filament vstopi v šobo, sem dodal natisnjen tulec, ki zmanjša ukrivljanje filamenta in tako prepreči poškodovanje materiala. Hitra izdelava prototipov Hitra izdelava prototipov se nanaša na tehnologije, ki samodejno iz CAD podatkov oblikujejo modele. Začetki te tehnologije sovpadajo s pojavom grafično zmogljivih in cenovno dostopnih računalnikov. Podobno kot grafični tiskalnik natisne besedilo na papir, so si uporabniki programske opreme za konstruiranje zaželeli svoj model otipati. Hitra izdelava prototipov je uporabljena v številnih panogah: aeronavtična, medicinska, industrija širokopotrošnih izdelkov;. Kot že ime pove je uporabna za hitro izdelavo prototipov za komunikacijo in testiranje. Modeli se uporabljajo za poenostavitev kompleksnih izdelkov, to lahko vodi v 17
izdelovanje orodij za proizvodnjo ter zgodnje načrtovanje embaliranja. S tem je mogoče prihraniti precej denarja in časa, saj lahko dodobra načrtujemo proizvodnjo še preden izdelek doseže končno obliko. Velja, da se lahko, zahvaljujoč slojeviti naravi teh tehnologij, izdela zelo zapletene izdelke [10]. STL (standard transformation language) je vmesnik, skozi katerega se podatki iz CAD sistema prenašajo do naprave za hitro izdelavo. Hitra izdelava prototipov je nadpomenka za procese izdelave prototipov iz CAD podatkov. Ti so ponavadi adiativni ali generični postopki, ki se razlikujejo od klasičnih postopkov struženja in rezkanja, kjer material odvzemamo [11]. 3.2 Materiali ABS Akrilonitril butadien stiren (ABS) je amorfen polimer, ki ga pridobivamo z emulzijsko polimerizacijo, ali polimerizacijo v masi, akrilonitrila in stirena s prisotnostjo polibutadiena (slika 3.5). Najpomembnejši lastnosti ABS-a sta žilavost in odpornost na udarce. Glavni proizvajalci ABS-a (akrilonitril butadien stiren) so Trinseo, LG Chem in Styrolution. Večina za proizvodnjo uporablja emulzijsko polimerizacijo [13]. Pri emulzijski polimerizaciji pride do tvorbe polimera v inertnem mediju. Navadno je inertni medij voda, iniciator pa mora biti tak, da je topen v vodi. Pri polimerizaciji HIP emulzij se uporabljajo monomeri z vinilno skupino, ki lahko imajo vezano še kakšno drugo funkcionalno skupino primerno za funkcionalizacijo polimerov. Surfaktant mora poskrbeti, da je v emulziji monomer razpršen enakomerno. Polimer, ki nastane s polimerizacijo emulzije, je v obliki majhnih delcev, ki tvorijo stabilno emulzijo v vodi [14]. 18
Slika 3.5: Kemijske formule ABS monomerov [15] ABS označujejo naslednje tri lastnosti: Pretočnost Odpornost na temperaturo Odpornost na udarce Stiren monomer poskrbi za dobre predelovalne lastnosti ABS-a, akrilonitril za trdnost in temperaturno ter kemijsko odpornost, medtem ko je zaradi butadiena produkt vzdržljivejši in prožnejši tudi pri nižjih temperaturah. S spreminjanjem deleža sestavnih delov ABS-a in dodajanjem posebnih spreminjamo lastnosti materiala. ABS ni odporen na vremenske razmere, zato je primernejši za notranjo uporabo [13]. ABS se uporablja pri temperaturah med -20 C in +80 C. Odporen je na razredčene kisline, baze, koncentrirane klorovodikove in fosforjeve kisline, alkohole olja. Ni pa odporen na koncentrirane žveplove ter dušikove kisline. Topen je v estrih, ketonih, etilen dikloridu in tudi v acetonu [13]. Obdelujemo ga lahko z brizganjem ali iztiskovanjem. Za obdelavo s 3D tiskalnikom se največkrat uporablja žica navita v kolut, kot je prikazano na sliki 3.6 [13]. 19
Slika 3.6: Kolut ABS filamenta ABS se običajno uporablja za: Splošno: igrače, telefoni, varnostne čelade. Avtomobilska industrija: notranje obloge vrat, stebri, sedežne obloge, armaturne plošče, ohišja ogledal. Aparati: ohišja sesalcev in drugih gospodinjskih aparatov, nadzorne plošče aparatov. Ekstruzija: plošče, tuš kadi, strehe traktorjev, notranjost hladilnika, prtljaga [13]. Shranjevanje Tako za ABS kot PLA je najbolje, da so pred uporabo oziroma v fazi skladiščenja vakuumsko ločeni od atmosfere, kar prepreči absorbcijo vlage iz zraka. Vlažna ABS plastika je nagnjena k ustvarjanju mehurčkov pri topljenju in lahko neenakomerno brizga iz ekstrudorske šobe [13]. 20
PLA PLA je alifatski poliester, ki ga pridobivamo s kondenzacijsko polimerizacijo mlečno kislinskih monomerov. Le ti se proizvajajo iz obnovljivih virov ali s polimerizacijo, pri čemer se odpre obroč laktida [15]. Kondenzacijska polimerizacija poteče takrat, ko reagirajo monomerne enote, ki imajo v molekulah dve funkcionalni skupini, ki lahko tvorita nov tip vezi, pri tem se ob združevanju dveh različnih monomerov izloči majhna molekula (voda, vodikov klorid ) [16]. PLA plastika se proizvaja iz različnih rastlin kot je koruza, sladkorna pesa ali krompir in se smatra, kot okolju prijaznejša v primerjavi z na nafti osnovano ABS. Uporablja se predvsem za pakiranje hrane in izdelovanje škatlic. PLA je mogoče kompostirati v zbirnih centrih, sicer pa razen v specifičnih pogojih ni biološko razgradljiva in jo je potrebno ustrezno reciklirati. V osnovi je brezbarven material, zato ga je mogoče obarvati [17]. PLA je močan material in obenem bolj tog kot ABS in lahko povzroči težave pri 3D tiskanju delov, ki se kasneje sestavijo in so v kontaktu drug z drugim med gibanjem, saj se material ob drgnjenju segreje, kar pa pri hitro spremeni njegove lastnosti. Natisnjeni 3D predmeti imajo bolj sijoč (lakiran) videz kot tisti, izdelani z ABS. Zaradi nižjega praga topljenja PLA ni primerna za nadaljnjo obdelavo [17]. PLA sestavlja dekstroza (sladkor), pridobljena iz bioloških materialov. Je najpopularnejša bioplastika oziroma biopolimer. PLA z višjim indeksom MFI (indeks toka taline) se lahko uporablja tudi v postopkih brizganja in je lahko nadomestek za polistiren [17]. 21
Slika 3.7: Kolut PLA filamenta PLA je pogojno biorazgradljiv. Produkti iz PLA so lahko industrijsko kompostirani v prostorih s nadzorovano temperaturo (nad 70 C) in vlago (najmanj 70% RH). Material je higroskopičen in pred predelavo zahteva sušenje. Material se pogosto uporablja v spojinah in zmeseh, ki tako pridobijo nekatere njegove značilnosti. Običajno je PLA prozoren, s sijajem, kar je razvidno iz slike 3.7 [17]. PLA se najpogosteje uporablja v: Iztiskovanju (ekstruziji) vlaken: čajne vrečke in oblačila. Brizganju: škatlice za nakit. Spojinah: z lesom, PMMA. Termoformiranju: pladnji za piškote, skodelice, filter za kavo [17]. V primerjavi z ABS, se deli ki so tiskani s PLA manj deformirajo zaradi manjših skrčkov. Zato je lažje tiskati s tem materialom, če ni ogrevane mizice. Vsekakor pa je ogrevana baza prednost, 22
saj vedno obstaja možnost, da bo zaradi velike razlike v temperaturi med vlaknom in posteljo prišlo do zvijanja vlaken navzgor [17]. Shranjevanje PLA se odziva na vlago nekoliko drugače kot ABS. Pri topljenju se lahko ustvarijo mehurčki in lahko pride do škropljenja iz ogrevane glave, dodatno pa se lahko zaradi vlage pojavi razbarvanje materiala ter drastično zmanjšanje kakovosti tiska, saj ob višjih temperaturah PLA reagira na vodo, kar lahko pripelje do depolimerizacije. Četudi se lahko PLA izsuši z gretjem, to lahko spremeni strukturo materiala in s tem potrebujemo nove nastavitve temperature grelne glave ter drugih nastavitev naprave [17]. 23
4 RAZISKAVA 3D TISKANJA MODELOV 4.1 Izdelava pri različnih hitrostih pomikanja ekstrudorske šobe Za preizkušanje zmogljivosti 3D tiskalnika sem izbral model kvadra z merami 30x40x20mm kot je razvidno iz slike 4.1. Natisnjene modele sem oštevilčil, da bo obdelava podatkov lažja in bolj pregledna. Izdelal sem šest modelov, vsakega z drugačno hitrostjo. Vse modele sem premeril v vseh treh oseh ter opisal kakovost površin kvadra. Izgled modelov sem ocenil tako, da sem natisnjenim kvadrom dodelil ocene od 1 do 6, pri čemer je model z oceno 1 najslabši na pogled, model z oceno 6 pa najboljši. Slika 4.1: Delavniška risba kvadra 24
Nastavitve 3D tiskalnika ki veljajo za vse natisnjene modele: - Premer filamenta 1.7mm - Vrsta filamenta PLA - Premer šobe 0.4mm - Ogrevana mizica: NE - Debelina nanosa 0.3mm - Temperatura tiskanja: 210 C Tabela 4.1: Meritev modelov 1-6 ŠT. HITROST [mm/s] ČAS min Meritev x-os Meritev y-os Meritev z- os 1 20 135 39,2 30,2 20,2 2 30 60 39,2 30,3 19,9 3 40 43 39,1 30 20,1 4 50 38 38,8 29,9 19,9 5 60 35 38,9 30 19,8 6 70 33 39,1 29,9 19,9 25
Tabela 4.2: Slike in opis natisnjenih modelov 1-6 Št. Slika modela Opis Ocena -Stranice so gladke. 1 -Zadnja plast oziroma zgornja stranica kvadra je povsem zapolnjena in gladka. 6 -Na nekaterih mestih stranice niso 2 povsem gladke, pojavljajo se manjše reže. -zadnja plast ni povsem zapolnjena 4 3 -Stranice so gladke, le na začetnem robu se čutijo manjše neravnine. -Zadnja plast je lepo zapolnjena, tu in tam se pojavi kakšna reža. 5 4 5 -Stranice na nekaterih mestih niso povsem gladke, na začetnem robu so opazne nepravilnosti. -Na zadnji plasti so opazne reže oziroma manjkajoči filament. -Stranice na nekaterih mestih niso povsem gladke, na začetnem robu je moč opaziti izbokline in manjkajoč filament. -Zadnja plast je slabo zapolnjena in hrapava na dotik -Med tiskanjem se pojavi tresenje celotnega tiskalnika. 3 2 26
ČAS (min) 6 -Na stranicah se opazijo reže kjer manjka filament. -Zadnja plast je slabo zapolnjena in zelo hrapava, celo ostra. -Tresenje tiskalnika je močnejše kot pri modelu 5. 1 Iz podatkov v tabeli 4.1 je razvidno, da s povečevanjem hitrosti tiskanja zmanjšujemo čas tiskanja modela. Hitrost tiskanja sem višal linearno, med tem ko pa se čas tiskana ni krajšal linearno, kot lahko vidimo na grafu. Zato ni smiselno v nedogled povečevati hitrosti tiskanja, saj pridobimo malo časa, izgubljamo pa kakovost tiskanja. 160 140 Čas v odvisnosti od hitrosti tiskanja 120 100 80 60 40 20 0 20 30 40 50 60 70 HITROST (mm/s) Slika 4.2: Diagram časa v odvisnosti od hitrosti tiskanja Kot je razvidno iz slike 4.3 Meritev modelov ima hitrost tiskanja na mersko ustreznost zanemarljiv vpliv. Saj so odstopanja od mer izvirnega modela skoraj enaka pri nižjih in višjih hitrostih. Kar pomeni, da je za odstopanje kriva nenatančnost tiskalnika in ne nastavitve tiskanja. 27
Čas izdelave se ne skrajša linearno kot se povečuje hitrost, saj so v čas zajete tudi pripravljalnozaključne operacije, ki so enake pri vsakem izdelku neglede na nastavitve izdelave, kar je razvidno iz slike 4.2. V ta čas spada pozicioniranje ekstrudorske šobe oziroma glave naprave, ki se ob vsakem novem procesu najprej postavi v izhodiščno pozicijo. Prav tako ta čas zajema tudi segrevanje iztiskovalne šobe. Zato se pri že zelo visokih hitrostih pomikanja šobe čas izdelave minimalno skrajša. Meritev modelov 1-6 X-os Y-os Z-os 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 1 2 3 4 5 6 Slika 4.3: Diagram meritev modelov 1-6 4.2 Tiskanje pri različnih temperaturah Tudi za preizkušanje tiskanja pri različnih temperaturah ekstrudorske šobe, sem izbral kvader z merami 30x40x20mm kot je razvidno iz slike. Tudi te modele sem oštevilčil za lažjo obdelavo podatkov. Natisnil sem šest kvadrov in vsakega sem tiskal z različno temperaturo ekstrudorske šobe. Označil sem jih s števili od 7 do 12. Vse natisnjene modele sem premeril v vseh treh oseh ter opisal kakovost površin kvadra. Izgled modelov se ocenil tako, da sem natisnjenim kvadrom dodelil ocene od 1 do 6, pri čemer je model s oceno 1 najslabši na pogled, model s oceno 6 pa najboljši. 28
Nastavitve 3D tiskalnika ki veljajo za vse natisnjene modele: - Premer filamenta 1.75mm - Vrsta filamenta PLA - Premer šobe 0.4mm - Ogrevana mizica: NE - Debelina nanosa 0.3mm - Hitrost tiskanja 40mm/s Tabela 4.3: Meritev modelov 7-12 ŠT. Tem. Tiskanja Meritev x- os Meritev y-os Meritev z-os 7 190 39,1 30,2 19,7 8 200 39 30,2 19,8 9 220 39,1 30,3 19,8 10 240 39,3 30,2 19,9 11 260 39,4 30,3 19,8 12 280 39,4 30,4 20 Pri tiskanju pri najnižji temperaturi, se je filament zatikal, kar je bilo slišati kot nekakšno klikanje, kar sklepam, da je posledica zobnika, ki filament potiska v šobo. Ker je bil material premalo stopljen je zobnik preskakoval. Iz tega razloga tudi zadnja plast pri modelu natisnjenem z najnižjo temperaturo ni povsem zapolnjena, kot je razvidno iz tabele 4.4. Pri najvišjih temperaturah tiskanja pa se v materialu pojavijo mehurčki, ki so najverjetneje posledica pregrevanja materiala. 29
Tabela 4.4: Slike in opis natisnjenih modelov 7-12 Št. Slika Opis Ocena -Stranice kvadra niso 7 gladke, ponekod manjka filament. -Zadnja plast ni povsem zapolnjena 1 8 -Stranice so gladke -Na zgornji strani kvadra(zadnja plast) so vidne lise kjer manjka filament 3 -Stranice so gladke -Zadnja plast je 9 povsem zapolnjena in gladka. 6 10 -Stranice so gladke, vendar se pojavljajo manjši mehurčki. -Zadnja plast je povsem zapolnjena in gladka 5 30
11 12 -Stranice so gladke, na njih pa je že več mehurčkov kot pri modelu 10. -Zadnja plast je zapolnjena in gladka -Na stranicah je veliko mehurčkov, ki jih je moč občutiti na dotik. -Zadnja plast je zapolnjena, vendar se na njej prav tako vidijo mehurčki. 4 2 Iz zbranih podatkov je razvidno, da temperatura tiskanja ne vpliva na dimenzijsko ustreznost, kar je razvidno iz slike 4.4, vpliva pa na kakovost natisnjenega modela, saj se pri nizki temperaturi filament zatika. Pri previsoki temperaturi pa se na modelu pojavijo mehurčki, ki vplivajo na izgled izdelka, kar je razvidno iz tabele 4.3. Opazimo tudi, da so kvadri mersko neustrezni enako kot pri preizkusu tiskanja z različno hitrostjo, kar le potrdi, da je ta neustreznost posledica napake na tiskalniku. 31
Meritev modelov 7-12 Meritev x-os Meritev y-os Meritev z-os 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 1 2 3 4 5 6 Slika 4.4: Diagram meritev modelov 7-12 4.3 Tiskanje naklonov brez podpore Za preizkušanje tiskanja naklonov s 3D tiskalnikom CTC sem pripravil model, ki svoj naklon stopnjuje od 60 do 10, kot je prikazano na sliki 4.5. Spodnji del sem ojačal, z namenom večje stične površine z mizico, da se ne bi model med tiskanjem prevrnil pod lastno težo, kar je razvidno iz slike 4.6. Seveda sem velikost modela prilagodil tako, da ga lahko tiskalnik CTC natisne v enem kosu. S 3D tiskalnikom sen izdelal 4 kose in sicer vsakega z drugačno debelino plasti. Vse štiri sem opisal in določil do kakšnega naklona izdelava izdelka ne potrebuje podpornega materiala. 32
Slika 4.5: Načrt modela s previsi Nastavitve 3D tiskalnika, ki veljajo za vse izdelane modele z nakloni: - Premer filamenta 1.75mm - Vrsta filamenta PLA - Premer šobe 0.4mm - Ogrevana mizica: NE - Temperatura tiskanja: 210 C - Hitrost tiskanja 40mm/s 33
Slika 4.6 Izdelek na mizi 3D tiskalnika Model, izdelan z debelino sloja 0,1mm Izdelek ima gladke vse površine do naklona 20. Slika 4.7 Izdelek s previsi, debelina plasti 0.1mm 34
Pri izdelavi modela z debelino nanosa 0.1mm se napake oziroma reže pojavijo pri naklonu 20 in 10, kar se vidi na sliki 4.7. Pri naklonih do 30 so površine povsem gladke, ne vidijo se sloji, prav tako se nanosi ne občutijo na dotik. Model, izdelan z debelino sloja 0,2mm Na sliki 4.8 je vidno da izdelek do konca obdrži svojo obliko, kar pomeni, da se tudi pri naklonu 10 material ne povesi, vendar površina ni gladka. Slika 4.8 Izdelek s previsi, debelina plasti 0.2mm Pri izdelanem modelu je površina povsem gladka tudi pri naklonu 40. Manjše reže se pojavijo pri naklonu 30, ki se občutijo na dotik in še večje pri 20. Vendar pa je površina dokaj gladka, tako da se nepravilnosti bolj opazijo na dotik, saj je površina malce hrapava, kot na pogled. 35
Tudi pri naklonu 10 material zavzema predvideno obliko, vendar so reže večje in že na pogled je površina precej slabša. Model, izdelan z debelino sloja 0,3mm Kot je razvidno iz slike 4.9 pri naklonu 10 model že izgublja obliko, oziroma filament nima zadostne podpore, da bi zavzel obliko modela, ampak se povesi. Slika 4.9: Izdelek s previsi, debelina plasti 0.3mm 3D tiskalnik pri omenjenih nastavitvah izdelave nima nobenih težav doseganja naklonov do 50. Pri naklonu 40 se že pojavi kakšna manjša reža, ki pa je težko opazna. Pri 30 so reže že večje in opazne, prav tako pri 20 vendar še ohranjajo obliko modela. Naklon 10 pa je že preoster za tiskanje pri teh nastavitvah, saj model izgublja obliko material pa brez podpore postane povešen, kot je vidno na sliki. 36
Model, izdelan z debelino sloja 0,4mm Izdelek kot celota je na videz povsem zmaličen, pri naklonu 50 se že pojavljajo velike reže. Slika 4.10 Izdelek s previsi, debelina plasti 0.4mm Pri naklonu 60 je površina stene na določenih mestih že narebrena, pojavijo se precejšne reže, kar je razvidno iz slike 4.10. Reže so večje že zaradi samega načina izdelave, saj je debelina plasti večja. Seveda pa je pri vseh naslednjih naklonih površina slabša, saj material ni imel podpore in kar visi iz izdelka. Pri tej debelini plasti bi bilo potrebno zmanjšati hitrost in znižati temperaturo, če bi želeli dobiti kakovostnejši izdelek. Tako lahko ugotovim, da so za tiskanje previsov takšne debeline plasti pravzaprav nesmiselne, saj je pomik v stran od roba prejšnjega nanosa prevelik in tako material nima podpore in ne zavzame načrtovane oblike. 37
Ugotovitve: Debelina nanosa občutno vpliva na izdelavo izdelkov s 3D tiskalnikom, kjer se pojavijo nakloni z ostrim kotom glede na mizo. Kot dopustno debelino plasti smatram tisto, kjer je površina izdelka pri določenem naklonu brez rež in kakršnih koli drugih napak, ugotovitve sem prikazal v tabeli 4.5. Ugotovil sem, da je: naklone do 50 mogoče izdelati z debelino plasti 0.3mm ali manjšo naklone do 40 mogoče izdelati z debelino plasti 0.2mm ali manjšo z debelino nanosa 0.1mm mogoče natisniti naklone do 30 Tabela 4.5 Prikaz zmožnosti izdelave naklona glede na debelino plasti Debelina plasti Kot naklona glede na mizo 60 50 40 30 20 10 0.4 NE NE NE NE NE NE 0.3 DA DA NE NE NE NE 0.2 DA DA DA NE NE NE 0.1 DA DA DA DA NE NE Naklone ostrejše kot 20 mi s tem 3D tiskalnikom v danih pogojih ni uspelo dovolj kakovostno izdelati. Pri večjih naklonih je prekrivanje sledi prejšnjega sloja manjše, enako velja za debelino plasti, kjer je pri večji debelini manjše prekrivanje. Če poenostavimo in predpostavimo, da sta presek nitke iz ekstrudorske šobe ter presek sledi enaka, potem lahko izračunamo širino sledi, ki jo nanaša naprava. V izračunu sem predpostavljal, da je presek sledi pravokotne oblike. Izračunal sem, da je, pri premeru šobe 0.4mm ter debelini sloja 0.3mm, širina sledi 0.42mm. 38
Izračun: Presek šobe: Pš = π r 2 = 0.1257mm 2 Kjer je: Pš Presek šobe π število Pi r polmer šobe Širina sledi: Presek šobe/debelina nanosa= 0.1257/0.3=0.42mm S = Pš D = 0.1257 0.3 = 0.42mm Kjer je: S širina sledi Pš presek šobe D debelina nanosa 39
Slika 4.11 Izdelava naklona pod kotom 50 Pri izdelavi naklona s kotom 50, kjer je debelina nanosa 0.3mm ter širina sledi 0.42mm znaša podpora nanosa 0.16mm (slika 4.11). Kar je 38% širine nanosa. Z izdelavo modela z nakloni, pri takšnih nastavitvah sem ugotovil, da je tolikšna podpora še zadostna za izdelavo naklonov. Slika 4.12 Izdelava naklona pod kotom 40 V primeru, če kot naklona spremenimo na 40 in ohranimo debelino plasti 0.3mm, se podpora nanosa zmanjša na 0.051mm, kar znaša 12% širine nanosa (slika 4.12). Pri teh nastavitvah in 40
takšnem naklonu se že pojavijo napake, kar pomeni, da tolikšna podpora nanosa ni zadostna za izdelavo naklona. 4.4 Natančnost tiskalnika Iz tiskanja modelov pri različnih hitrostih in pri različnih temperaturah sem ugotovil, da nobeden od teh faktorjev ne vpliva na dimenzijsko ustreznost, zato sem se odločil, da bom za preizkus natančnosti tiskalnika uporabil kar modele natisnjene pri preizkušanju hitrosti. Model ima po načrtu dimenzije 40x30x20mm, kot je vidno na sliki 4.13. Slika 4.13: Delavniška risba kvadra 40x30x20 Že po meritvah, ki so prikazane v tabeli 4.6, sem ugotovil, da je tiskalnik CTC precej nenatančen pri tiskanju v osi x, saj so bila odstopanja od predvidenih mer velika. V oseh y in z pa so bile mere precej bliže tistim po modelu. Ker so bila odstopanja tako velika sem lahko že v začetni fazi ovrgel 4. hipotezo, ki pravi, da je tiskanje natančno na toleranco 2.0%. Zato sem se v nadaljevanju posvetil preverjanju ponovljivosti tiskanja s tiskalnikom CTC. 41
Tabela 4.6: Meritve in odstopanja natisnjenih modelov ŠT. Meritev Meritev Meritev Odstopanje od Odstopanje od Odstopanje od x-os y-os z-os povprečja (x) povprečja (y) povprečja (z) 1 39,2 30,2 20,2 0,15 0,15 0,23 2 39,2 30,3 19,9 0,15 0,25-0,07 3 39,1 30 20,1 0,05-0,05 0,13 4 38,8 29,9 19,9-0,25-0,15-0,07 5 38,9 30 19,8-0,15-0,05-0,17 6 39,1 29,9 19,9 0,05-0,15-0,07 Povprečje: 39,05 30,05 19,97 X-os Pri meritvah modelov v osi x sem ugotovil, da so vsi natisnjeni modeli znotraj okvirjev, ki so dokaj natančni. Tako lahko iz zbranih podatkov razberem, da je izbrani 3D tiskalnik v osi x natančen na ±0.3mm, kar je prikazano na sliki 4.14. 39,3 X-OS 39,2 39,1 39 38,9 38,8 38,7 38,6 1 2 3 4 5 6 Meritev povprečje Slika 4.14: Diagram meritev osi x 42
Y-os Prav tako sem pri meritvah v osi y ugotovil, da je ponovljivost tiskanja zelo podobna kot pri osi x. Tudi za y os lahko rečem, da je 3D tiskalnik CTC natančen na ±0.3mm, kar je prikazano na sliki 4.15. 30,4 30,3 30,2 30,1 30 29,9 29,8 Y-OS 29,7 1 2 3 4 5 6 Meritev Povprečje Slika 4.15: Diagram meritev v osi y Z-os Pri meritvah v osi z sem pričakoval, da bodo modeli nižji za 0.2mm ali višji za 0.1mm, saj je bila v nastavitvah nastavljena debelina plasti 0.3mm. Vendar je tudi tukaj prišlo do odstopanj v obe smeri. Tako kot pri obeh prejšnjih ugotovitvah tudi tukaj odstopanja niso bila večja kot ±0.3mm, kar je prikazano na sliki 4.16. 43
Z-OS 20,3 20,2 20,1 20 19,9 19,8 19,7 19,6 1 2 3 4 5 6 Povprečje Meritev Slika 4.16: Diagram meritev v osi z Kot je razvidno iz grafov in tabele, so izdelki znotraj odstopanj, ki niso prevelika, vendar o ponovljivosti za ta 3D tiskalnik ne moremo govoriti, saj je vzorec izdelkov premajhen. Tudi pri meritvah so nastale določene napake že zaradi človeškega faktorja ter pogojev okolice, ki niso konstantni. Ugotovil sem, da so izdelani modeli v vseh oseh znotraj tolerance 2.0%. 44
5 MODIFIKACIJA 3D TISKALNIKA Zaradi netočnosti izdelkov v eni osi, sem se odločil, da bom poskusil napravo izboljšati z nekaj popravki. Pomiki ekstrudorske šobe so gnani preko elektro motorjev, ki preko zobnikov in zobatih jermenov pomikajo glavo 3D tiskalnika po x in y osi. Za pomike v osi z skrbi miza, ki se premika po vertikalni smeri. Dimenzijska nepravilnost se je pojavljala v osi x. Opazil sem, da so zobniki na motorjih plastični, kar je vidno na sliki 5.2, zato sem se odločil, da jih bom zamenjal z drugimi, ki so narejeni iz kovine (Aluminij), kar prikazuje slika 5.1. Slika 5.2 Plastični zobnik Slika 5.1 Aluminijasti zobnik Zamenjal sem vse zobnike v oseh x in y ter napel jermene. Po tej modifikaciji sem ponovno natisnil kvader dimenzij 40x30x20mm. Enak model sem uporabil tudi pri poglavju 4.1 in 4.2. 45
Nastavitve 3D tiskalnika za tiskanje vseh modelov: - Premer filamenta 1.7mm - Vrsta filamenta PLA - Premer šobe 0.4mm - Ogrevana mizica: NE - Debelina nanosa 0.3mm - Temperatura tiskanja: 210 C -Hitrost pomikanja ekstrudorske šobe 35mm/s Tabela 5.1 Mere izdelka po modifikaciji Izdelek X-os [mm] Y-os [mm] Z-os [mm] 40.1 30.1 19.8 Iz podatkov iz tabele 5.1 lahko ugotovimo, da je bila modifikacija uspešna, saj izdelek v vseh dimenzijah dosega predvidene mere. Posebej je pomembno, da izdelek tudi v osi-x dosega predvideno mero, kar je bila težava pred modifikacijo. Da bi lahko preveril še več različnih dimenzij, sem pripravil nov model enakih zunanjih dimenzij, ki pa je votel, kar je vidno na sliki 5.3. 46
Slika 5.3: Votel kvader Tako sem lahko izmeril tudi notranje mere in debeline sten. Natisnil sem 4 takšne modele in jim izmeril dimenzijske vrednosti, ki so prikazane v tabeli 5.2. Oštevilčil sem jih od 13 do 16 zaradi lažje sledljivosti. Tabela 5.2 Izmerjene vrednosti votlih modelov Izmerjene vrednosti [mm] Št. Izdelek A B C D E F G 13. 40.3 30.0 19.6 35.8 25.5 2.1 2.2 47
14. 40.2 30.1 19.7 35.5 25.5 2.3 2.3 15. 40.2 29.9 19.7 35.7 25.6 2.2 2.1 16. 40.2 30.0 19.6 35.7 25.5 2.3 2.1 Iz tabele je razvidno, da je določena dimenzija vseh izdelkov malce presežena ali pa je manjša od predvidene. Vsa odstopanja so znotraj tolerance ±0.5mm. Izmerjene vrednosti v oseh x in y (A in B) so v desetinkah milimetra nagnjene k nadmeri, kot tudi debeline sten, kar ima za posledico nedoseganje notranjih mer modela (D in E). Ta merska odstopanja bi lahko zmanjšali s korekcijo debeline sledi, ki jo iztiskuje naprava. Pri manjši debelini sledi, bi bila napaka manjša, s tem bi tudi povečali ponovljivost in posredno tudi natančnost 3D tiskalnika. Za izdelavo natančnega modela, bi zadoščala korekcija v nastavitvah tiskanja, kjer bi vnesel izračunano širino sledi. Uporabil bi izračunano širino sledi pri podpoglavju 4.3, kjer sem ugotovil, da je pri debelini sloja 0.3mm in premeru šobe 0.4mm širina sledi 0.42mm. Ob izračunu sem predpostavljal, da je presek šobe in sledi nanosa enak. S spremembo podatka o širini sledi bi program izračunal drugačne poti ekstrudorske šobe in pri tem upošteval dejansko širino sledi. Tako bi bile izmerjene dimenzije izdelka bližje imenskim meram. 48