PJ/PJM - PolyJet / PolyJet Matrix

Technologia PolyJet (ang. Polymer Jetting) polega na warstwowym budowaniu modeli przy pomocy selektywnie nastrzeliwanej fotoutwardzanej żywicy akrylowej. Proces ten pod względem stosowanych materiałów jest bardzo podobny do stereolitografi (zobacz StereoLithography).

Jedną z głównych różnic jest sposób nanoszenia materiału: w przypadku PolyJet odbywa się to poprzez selektywne nanoszenie materiału i całościowe utwardzania każdej warstwy za pomocą lamp UV (rys. 1). Materiał w formie ciekłej żywicy sieciującej pod wpływem promieniowania ultrafioletowego jest nanoszony przez głowice piezokrystaliczne.

PolyJet
Rys. 1. Schemat przedstawiający działanie technologii PolyJet.

W standardowej technologii PolyJet blok z głowicami zawiera jedną sekcję głowic dla materiału modelowego i drugą dla materiału podporowego. Materiałem podporowym jest specjalna żywica FullCure 705 (FC-705), która po utwardzeniu ma konsystencję miękkiego żelu. Podpory w postaci żelu są usuwane przy pomocy bieżącej wody pod ciśnieniem (60-120 Bar) w stacji WaterJet będącej częścią każdego systemu PolyJet.

Mimo tego że w tej technologii materiał jest nanoszony stosunkowo cienkimi warstwami o grubości 0,014-0,016mm (tryb HQ) lub 0,026–0,030 (tryb HS) sam proces jest znaczenie szybszy od stereolitografi gdyż naniesienie i utrwalenie jednej warstwy zajmuje od paru do kilku sekund a nie kilkanaście do kilkudziesięciu sekund jak w maszynach SLA. Każda warstwa po naniesieniu jest dodatkowo wyrównywana przez rolkę, która gwarantuje utrzymanie stałej grubości warstwy. Ponadto wykonane modele nie wymagają dodatkowego naświetlania (jak w SLA) stąd nazwa materiałów PolyJet - Full Cure oznaczająca pełne utwardzenie. Niewielka grubość warstw materiału gwarantuje bardzo wysoką szczegółowość budowanych detali oraz dużą dokładność wymiarową rzędu 0,05 do 0,2mm.

Rewolucyjnym rozwinięciem technologii PolyJet jest PolyJet Matrix (PJM) (rys. 2). PolyJet Matrix dzięki podzieleniu sekcji głowic modelowych na dwa zespoły, możliwe jest stosowanie dwóch żywic o różnych własnościach mechanicznych i kolorystycznych w jednym procesie wydruku 3d. Dodatkowo możliwe jest tworzenie mieszanin tych materiałów poprzez budowanie trójwymiarowych macierzy (stąd Matrix)z kropli każdego z dwóch materiałów. Innymi słowy materiały są mieszane dopiero na powierzchni nanoszonych warstw. W efekcie takiego mieszania dwóch materiałów otrzymujemy materiał kompozytowe, których własności mechaniczne są czymś pośrednim między dwoma materiałami wyjściowymi. Materiały te zostały nazwane cyfrowymi (ang. Digital Materials – DM) gdyż ich receptura zależy od układu bitmap każdej z warstw, które są wysyłane do elektroniki bloku głowic.W praktyce pozwala to na wykonywanie złożeń części różnomateriałowych w jednym procesie. Pod koniec 2012r. na systemach PolyJet można było korzystać z 14 materiałów o różnych właściwościach mechanicznych i kolorystycznych w jednym procesie. W praktyce można wykonywać całe złożenia zawierające zarówno części sztywne jak i części gumopodobne o różnej twardości i eleastyczności.

PolyJet Matrix
Rys. 2. Idea działania technologii PolyJet Matrix.

Dodatkowym atutem PJ Matrix jest możliwość symulacja elastyczności najbardziej popularnych tworzyw sztucznych takich jak np.: Akryl, PTFE, PET, PP, ABS, PA, PEBA, Gumy i Elastomery.

Jedną z wad materiałów w technologii PolyJet w stosunku do rozwoju materiałów dla SLA jest ich niska wytrzymałość temperaturowa i ograniczona wytrzymałość na rozciąganie. Jest to spowodowane utrzymaniem kompromisu pomiędzy wzrostem wytrzymałości materiałów i jednocześnie utrzymaniem niskiej lepkości żywicy tak aby można ją było nastrzeliwać za pomocą głowic piezokrystalicznych. Z tego powodu w laboratoriach materiałowych producenta technologii PolyJet trwają intensywne prace nad rozwojem materiałów tak żeby ich własności były lepsze i żeby cały czas spełniały surowe wymagania składu i lepkości.

Historia

Technologia PolyJet została wynaleziona przez firmę Objet Geometries (Izrael). Technologia początkowo opierała się na wcześniejszych rozwiązaniach tej firmy stosowanych w wielkoformatowych drukarkach pracujących z tuszami utwardzanymi światłem UV. Z tego powodu wszystkie maszyny Objet bazują na piezokrystalicznych głowicach produkowanych przez Ricoh’a dla drukarek wielkoformatowych UV.

Pierwszy komercyjny system - maszyna Quadra został sprzedany pod koniec 2000r. Po czym bardzo szybko zastąpiono ją przez system Quadra Tempo. Technologia Poly Jet na początku miała za zadanie konkurować z głównymi technologiami 3D Systems takimi jak SLA i ThermoJet (TJ). Bardzo szybko okazało się że PolyJet ze względu na szybkość pracy i czołową jak na tamte czasy dokładność wykonywanych części stała się groźnym konkurentem dla technologii 3D Systems. Kolejne systemy z serii Eden były na tyle udanymi urządzeniami, że dystrybucją ich w Stanach Zjednoczonych przez pewien czas zajęła się nawet firma częściowo konkurujące z Objetem -Stratasys.Prawdziwą rewolucją okazało się jednak rozwinięcie technologii PolyJet o możliwość pracy multimateriałowej – PJ Matrix. Pierwsza na świecie prawdziwie multimateriałowy system rapid prototyping o nazwie Connex 500 bazujący na wcześniejszej platformie kinematycznej Eden 500V został zaprezentowany w 2007 roku na targach Euromold, gdzie zajął pierwszą nagrodę w dziedzinie innowacji. Dzięki możliwości łączenia dwóch materiałów możliwe jest wykorzystanie nawet do 14 różnych materiałów w jednym procesie, w jednym złożeniu wykonywanym w całości. Materiały powstałe z mieszania dwóch różnych komponentów wyjściowych zostały nazwane materiałami cyfrowymi (anf. Digital Materials – DM) ze względu na ich geometryczną strukturę przestrzenną wokseli, które zależą od algorytmów oprogramowania sterującego generowaniem map bitowych poszczególnych warstw. Większość wysiłku badawczo-rozwojowego Objeta jest kierowane w dziedzinie prac nad nowymi materiałami o bardziej wytrzymałymi mechanicznie i temperaturowo, posiadającymi właściwości popularnych tworzyw sztucznych. Dzięki szerokiej gamie materiałów maszyny Objet znalazły zastosowania w prawie wszystkich dziedzinach przemysłu zaczynając od przetwórstwa tworzyw sztucznych a skończywszy na medycynie, stomatologii, odlewnictwie i szeroko pojętej inżynierii. Biorąc pod uwagę materiały cyfrowe pod koniec 2012r technologia PolyJet Matrix dysponowała ponad 100 materiałów o różnych właściwościach mechanicznych i kolorystycznych.
W 2012r właściciel technologii PolyJet – firma Objet połączyła się ze Stratasys przejmując 49% udziałów Stratasys i dołączając tym samym do notowań giełdowych NASDAQ Stratasys, przy jednoczesnym rebrandingu swoich produktów na Stratasys. Obecnie wszystkie maszyny Objet występują pod marką Stratasys i wspólnie stanowią przeciwwagę technologiczną i finansową dla 3D Systems, który czerpie dotacje bezpośrednio z agencji rządowych USA wspierających rozwój technologiczny kraju.
Wraz systemem Objet 1000 przedstawionym na targach Euromold 2012 Objet wszedł do grona producentów maszyn RP oferujących największe przestrzenie robocze niezbędne branży motoryzacyjnej i aeronautycznej. Z kolei biurkowe systemy RP działające w technologii PolyJet Objet 24 i Objet 30 pochodzące w prostej linii od niezbyt rozreklamowanej maszyny Alaris 30 oferują jakość maszyn profesjonalnych za cenę mniejszą niż 30k Euro.

Producenci

  • Stratasys
  • Objet*

* w 2012r Objet połączył się ze Stratasys i obie firmy występują obecnie pod nazwą Stratasys.

Maszyny

Quadra, Quadra Tempo, Eden 330, Eden 250, Eden 260, Eden 260V, Eden 350, Eden 350V, Eden 500V, Connex 260, Connex 350 Connex 500, Alaris 30, Objet 24, Objet 30, Objet 1000.

Model

Quadra

Quadra Tempo

Eden 250

Eden 260

Przestrzeń robocza

270 x 300 x 200 mm

330 x 330 x 200 mm

250 x 250 x 200 mm

250 x 250 x 200 mm

Dokładność

±0,02–0,2 X-Y;
±0,03 Z

±0,02–0,2 X-Y;
±0,03 Z

±0,02–0,2 X-Y;
±0,03 Z

±0,02–0,2 X-Y;
±0,03 Z

Rozdzielczość

X: 600 dpi
Y: 600 dpi
Z: 1200 dpi

X: 600 dpi
Y: 600 dpi
Z: 1200 dpi

X: 600 dpi
Y: 300 dpi
Z: 1600 dpi

X: 600 dpi
Y: 600 dpi
Z: 1600 dpi

Ilość głowic

8

8

4

8

Materiał

M510,
suport rozpuszczalny wosk

M510,

suport rozpuszczalny wosk

FullCure, Vero
support FC705

FullCure, Vero
support FC705

Grubość warstwy

0,020 mm

0,020 mm

0,016 HQ
0,030 HS

0,016 HQ

Software

Objet Studio

Objet Studio

Objet Studio

Objet Studio

Model

Eden 330

Eden 350

Eden 350V

Eden 500V

Przestrzeń robocza

330 x 330 x 200 mm

350 x 350 x 200 mm

350 x 350 x 200 mm

500 x 400 x 200 mm

Dokładność

±0,02–0,2 X-Y;
±0,03 Z

±0,02–0,2 X-Y;
±0,03 Z

±0,02–0,2 X-Y;
±0,03 Z

±0,02–0,2 X-Y;
±0,03 Z

Rozdzielczość

X: 600 dpi
Y: 600 dpi
Z: 1600 dpi

X: 600 dpi
Y: 600 dpi
Z: 1600 dpi

X: 600 dpi
Y: 600 dpi
Z: 1600 dpi

X: 600 dpi
Y: 600 dpi
Z: 1600 dpi

Ilość głowic

8

8

8

8

Materiał

FullCure, Vero
support FC705

FullCure, Vero
support FC705

FullCure, Vero, Tango
support FC705

FullCure, Vero, Tango
support FC705

Grubość warstwy

0,016 mm

0,016 mm HQ
0,030 mm HS

0,016 mm HQ
0,030 mm HS

0,016 mm HQ
0,030 mm HS

Software

Objet Studio

Objet Studio

Objet Studio

Objet Studio

Model

Eden 260V

Connex 260

Connex 350

Connex 500

Przestrzeń robocza

250 x 250 x 200 mm

250 x 250 x 200 mm

350 x 350 x 200 mm

500 x 400 x 200 mm

Dokładność

±0,02–0,2 X-Y;
±0,03 Z

±0,02–0,2 X-Y;
±0,03 Z

±0,02–0,2 X-Y;
±0,03 Z

±0,02–0,2 X-Y;
±0,03 Z

Rozdzielczość

X: 600 dpi
Y: 600 dpi
Z: 1600 dpi

X: 600 dpi
Y: 600 dpi
Z: 1600 dpi

X: 600 dpi
Y: 600 dpi
Z: 1600 dpi

X: 600 dpi
Y: 600 dpi
Z: 1600 dpi

Ilość głowic

8

8

8

8

Materiał

FullCure, Vero, Tango
support FC705

FullCure, Vero, Tango
support FC705

FullCure, Vero, Tango
support FC705

FullCure, Vero, Tango
support FC705

Grubość warstwy

0,016 mm HQ
0,030 mm HS

0,016 mm HQ
0,028 mm DM
0,030 mm HS

0,016 mm HQ
0,028 mm DM
0,030 mm HS

0,016 mm HQ
0,028 mm DM
0,030 mm HS

Software

Objet Studio

Objet Studio

Objet Studio

Objet Studio

Model

Objet 24

Objet 30

Alaris 30

Objet 1000

Przestrzeń robocza

234 × 192 × 150 mm

294 × 192 × 148 mm

294 × 192 × 148 mm

1000 x 800 x 500 mm

Dokładność

±0,02–0,1 X-Y;
±0,03 Z

±0,02–0,1 X-Y;
±0,03 Z

±0,02–0,1 X-Y;
±0,03 Z

±0,02–0,2 X-Y;
±0,03 Z

Rozdzielczość

X: 600 dpi
Y: 600 dpi
Z: 900 dpi

X: 600 dpi
Y: 600 dpi
Z: 900 dpi

X: 600 dpi
Y: 600 dpi
Z: 900 dpi

X: 600 dpi
Y: 600 dpi
Z: 1600 dpi

Ilość głowic

8

8

8

8

Materiał

Vero White (tylko)
support FC705

Vero
support FC705

Vero White (tylko)
support FC705

FullCure, Vero, Tango
support FC705

Grubość warstwy

0,028 mm

0,028 mm

0,028 mm

0,016 mm HQ
0,028 mm DM
0,030 mm HS

Software

Objet Studio

Objet Studio

Objet Studio

Objet Studio

Zalety

  • Wysoka rozdzielczość budowanych elementów.
  • Wysoka dokładność i powtarzalność.
  • Wysoka prędkość budowanych modeli.
  • Najszersze spektrum materiałów symulujących zarówno elementy sztywne jak i gumowe.
  • Możliwość pracy z materiałami transparentnymi i biokompatybilnymi.
  • Czysta i łatwa metoda usuwania materiału podporowego.
  • Ultra cienkie ścianki budowanych elementów nawet do 0,3mm.
  • Wysoka prostota obsługi systemu.
  • Materiały po zakończeniu procesu nie potrzebują dodatkowego utwardzania w komorze UV tak jak ma to miejsce w technologii SLA czy DLP.

Wady

  • Stosunkowo niska wytrzymałość temperaturowa materiałów (45 st. C do 90 st. C).
  • Niejednorodna wytrzymałość materiału dla ścianek o grubości poniżej 1mm wykonywanych w trybie matowym gdzie wszystkie powierzchnie budowanego elementu są pokrywane materiałem podporowym.
  • Niższa niż w przypadku materiałów dostępnych dla SLA wytrzymałość mechaniczna.
  • Sosunkowo wysoki poziom cen żywic fotopolimerowych.

Aplikacje

  • generalne prototypowanie inżynieryjne i mechaniczne
  • prototypowanie części plastikowych i typu „overmold”
  • prototypowanie części gumowych
  • produkcja wkładek do aparatów słuchowych
  • produkcja modeli stomatologicznych i ortodontycznych
  • produkcja zindywidualizowanych narzędzi chirurgicznych
  • prototypowanie modeli do testów aerodynamicznych
  • prototypy do badań elastooptycznych
  • produkcja części do odlewania próżniowego i niskociśnieniowego do form silikonowych
  • jubilerstwo
  • odlewnictwo metali
  • robotyka
  • inżynieria materiałowa
  • prototypowanie opakowań