Cercetări Privind Influenta Tehnologiilor de Fabricatie Aditivă Asupra Designului Produselor Industriale

LISTA NOTAȚIILOR

ABS – Acrylonitrile Butadiene Styrene;

AM (Additive Manufacturing) – Fabricație prin adiție/aditivă;

BJ – (Binder Jetting) – Pulverizare de liant;

c-viteza luminii în vid 3×108 [m/s];

CAD – (Computer Aided Design) – proiectare asistată de calculator; (Computer Aided Drawing) – desenare asistată de calculator;

CAM – (Computer Aided Manufacturing) – Fabricație asistată de calculator;

1D chanel – capete de printare multiduze – un singur jet de material;

2D – reprezentare grafică prin două dimensiuni X,Y;

3D – reprezentare grafică prin trei dimensiuni X,Y,Z;

DED – (Direct Energy Deposition) – Depunere cu energie directă;

DFMA – (Design for manufacture and assembly) – Design pentru fabricație și asamblare

3DP – (3D Printing) – printare tridimensională;

DMDs – Dispozitive digitale cu micro-oglinzi

DPS – (Discrete Particle Systems) – Sisteme cu Particule Discrete;

FD – (Direct Manufacturing) – Fabricație Directă;

FDM (Fused Deposition Modeling) – Depunere prin filament extrudat;

FFF – Fused Filament Fabrication – Depunere prin filament extrudat;

h – constanta lui Planck 6,6×10-34[J/s];

k – constanta lui Boltzman 1,4×10-23[J/ oK];

LOM – (Laminated Object Manufacturing) – Fabricația obiectelor laminate;

LM – (Layered Manufacturing) – Proces de fabricație pe straturi;

LPS – (Liquid Polymer Systems) – Sisteme cu polimeri lichizi;

MJ – (Material Jetting) – Pulverizare de material;

MMS – (Molten Material Systems) – Sisteme cu materiale topite;

NURBS – Non-Uniform Rational B-splines;

OBJ – extensie fișier object (.obj);

OPMD – Optimizarea proiectării pe mai multe domenii;

PLA – Acid polilactic;

PBF – (Powder Bed Fusion) – Fuziunea pe pat de pulberi;

RP – (Rapid Prototyping) – Prototipare rapidă;

SD – card de memorie SD;

SLS – (Selective Laser Sintering) – Sinterizarea selectivă cu laser;

SLA – Stereolitografiere;

SSS – (Solid Sheet Systems) – Sistemele cu foi laminate;

STL – extensie fișier stereolithography (.stl);

VP – (Vat Photopolimerization) – Fotopolimerizare în cuvă;

UTS – (Ultimate tensile stress) – Rezistența la rupere;

UV – Radiații ultraviolete;

λ – lungimea de undă în [m].

CAPITOLUL 1

CONSIDERAȚII GENERALE DESPRE TEZA DE DOCTORAT ȘI FUNDAMENTELE FABRICAȚIEI PRIN ADIȚIE

Dezvoltarea tehnologiilor de fabricație prin adiție de la domeniul experimental și producția de prototip la fabricația de piese finite, a accelerat procesul de implementare al acestor tehnologii în industrie.

Astfel, din punct de vedere al avansului tehnologic creat și al deschiderii către o largă varietate de utilizatori, fabricația prin adiție are un impact semnificativ în proiectarea și realizarea de produse inovative cât și în îmbunătățirea celor existente.

În acest sens este necesară o cunoaștere a tipurilor de procese și procedee existente pentru fabricația prin adiție și a caracteristicilor specifice acestora pentru a le folosi eficient în realizarea de produse finite.

În primele două capitole ale tezei se prezintă stadiul actual al tehnologiei și utilizarea acesteia în industrie.

Cercetările actuale în domeniul fabricației prin adiție sunt orientate atât spre îmbunătățirea proceselor de fabricație, a materialelor utilizate, a soluțiilor software de proiectare și de transfer spre mașină cât și pentru dezvoltarea capacității de producție.

Totodată, trebuie abordat sistematic domeniul de proiectare al produselor ce vor fi realizate folosind fabricația prin adiție. În cadrul tezei se studiază diferite metode de modelare CAD și se stabilește o legatură între software-ul folosit și rezultatele din printarea 3D.

Pentru a se determina diferențele de proiectare se vor studia comparativ procedeele clasice de prelucrare și fabricația prin adiție. Astfel se vor determina reguli ce țin de cotare și poziționarea corectă a pieselor proiectate pentru fabricația prin adiție și se propun noi simboluri ce ajută la înscrierea parametrilor caracteristici în desenele de execuție.

Un alt obiectiv al tezei este determinarea capabilității unor echipamente, în cazul de față o imprimantă 3D ce folosește procedeul de extrudare, prin propunerea unor piese etalon. În urma realizării practice a acestor piese se vor cunoaște limitările mașinii sau ale procesului în așa fel încât proiectantul să țină seama de acestea în designul de produs.

Vor fi explicate avantajele oferite de fabricația prin adiție, iar influența acestei tehnologii asupra designului va fi abordată din punct de vedere teoretic. De asemenea se vor verifica, prin teste mecanice, proprietățile diferite ale materialelor în funcție de direcția de construcție a pieselor și a gradului de umplere.

Acest lucru are un impact în proiectarea viitoare a pieselor, folosind structuri tip fagure, grindă cu zăbrele sau modele bionice.

O direcție de studiu o reprezintă și influența temperaturii din interiorul camerei de printare și a temperaturii platformei asupra pieselor rezultate. Pentru aceasta se va realiza o analiză cu camera termografică a procesului de adiție.

Teza studiază procedeul de depunere de material prin extrudare (Fused Deposition Modeling). Datorită largii răspândiri a acestei tehnologii, costurilor reduse ale echipamentelor și materialelor folosite dar și pentru că din punct de vedere al dezvoltării tehnologice viitoare prin folosirea de materiale metalice și a unei mașini cu 5 axe pentru fabricație, reprezintă tehnologia care va avea un impact semnificativ din punct de vedere tehnic si economic.

În privința definirii structurii tezei și procedurilor de cercetare, au fost stabilite ca obiective:

– abordarea unei metodologii de cercetare care să combine studiul teoretic al bibliografiei existente cu elaborarea unor proceduri practice;

– identificarea oportunităților și a principalelor probleme care influențează procesul de fabricație prin adiție;

– dezvoltarea unui model viabil pentru procesul de fabricație prin adiție;

– realizarea unui studiu aplicativ pe o imprimantă 3D;

– identificarea unor caracteristici specifice proiectării formei pieselor obținute prin procedee prin adiție;

– identificarea unor oportunități de îmbunătățire a procesului de fabricație;

– evidențierea și diseminarea rezultatelor.

Având în vedere amploarea și noutatea tematicii de cercetare, precum și domeniile abordate în realizarea tezei, a fost necesar sprijinul mai multor specialiști cărora le mulțumesc pe această cale.

Mulțumirile mele se adresează domnului Prof.Dr.Ing Ionel Simion, conducătorul științific al tezei de doctorat, pentru sprijinul și îndrumarea acordată pe întreaga durată de elaborare a tezei.

De asemenea, mulțumesc D-nei Conf.Dr.Ing. Nicoleta Elisabeta Pascu pentru implicarea în cercetarea practică și teoretică a fabricației prin adiție și pentru ajutorul acordat în concretizarea acestei lucrări.

Domnilor Conf.Dr.Ing. Daniel Dobre și Prof.Dr.Ing. Aurel Sturzu le mulțumesc pentru sugestiile de mare ajutor oferite pentru redactarea și corectarea științifică a tezei.

Mulțumesc domnilor Prof.Dr.Ing. Gabriel Jiga, SL.Dr.Ing. Florin Baciu și SL.Dr.Ing. Daniel Vlăsceanu pentru sprijinul în realizarea practică a testelor de rezistență la compresiune și tracțiune.

Totodată, mulțumesc domnului Ing. Constantin Dumitrașcu pentru suportul tehnic și material în examinarea prin termografiere a procesului de fabricație prin adiție.

1.1. FABRICAȚIA ADITIVĂ

Termenul “Rapid Prototyping” (sau RP) este utilizat în diverse industrii pentru a descrie un procedeu rapid de creare a unui ansamblu sau a unei piese în stadiu de “prototip”. Cu alte cuvinte, accentul se pune pe procesarea rapidă a unui model prototip de la care modelele ulterioare și în cele din urmă produsul final vor fi derivate. În contextul “dezvoltării de produs”, termenul “Rapid Prototyping” a fost utilizat pe scară largă pentru a descrie tehnologiile care au creat prototipuri fizice din modele digitale [22].

Rapid Prototyping – nu descrie în mod eficient toate aplicațiile recente ale fabricației prin adiție. Îmbunătățirea calității produselor finite realizate arată că există o legătură mult mai strânsă între tehnologie și produsul final. În prezent se pot fabrica multe tipologii de piese direct pe mașini ce folosesc această tehnologie. Prin urmare, „prototip” nu este tocmai un termen corect. Termenul Rapid Prototyping descrie principiul de bază al acestor tehnologii în care se realizează piese folosind fabricația aditivă.

Definiții [46]

Fabricația aditivă, pe scurt AM (additive manufacturing), este un proces de realizare a unui obiect solid tridimensional, practic de orice formă, dintr-un model virtual.

AM utilizează un proces de adiție a materialului aplicat în straturi succesive.

AM se diferențiază de tehnicile tradiționale de prelucrare care se bazează pe îndepărtarea materialului de prelucrat (strunjire, frezare sau alte procedee).

AM s-a dezvoltat pornind de la fabricația pieselor din plastic, aceasta având o istorie de peste 26 de ani. Trecerea spre realizarea pieselor metalice relevante pentru produsele de inginerie și industriile de înaltă tehnologie a fost făcută prin jurul anilor ’95, prin urmare, preocupările actuale în acest domeniu se concentrează și spre tehnologii AM pentru metale [46].

Principiul de bază al fabricației prin adiție constă în realizarea unui model (piesă), generat inițial cu ajutorul unui computer – CAD 3D, care poate fi fabricat în mod direct, fără a fi nevoie de o planificare a procesului de fabricație. Deși acest lucru nu este la fel de simplu precum pare, tehnologia AM simplifică în mod semnificativ procesul de producție a obiectelor complexe direct din modele virtuale CAD.

Procesele de fabricație tradiționale necesită o analiză atentă și detaliată a geometriei piesei pentru a stabili ordinea în care diferite caracteristici ale piesei pot fi fabricate, ce scule și ce procese trebuie să fie utilizate pentru a finaliza fabricația.

Fabricația AM necesită detalii referitoare la dimensiuni de bază ale piesei, orientarea in vederea construirii, înțelegerea modului în care funcționează mașina – AM și materialele care sunt utilizate în proces.

Modul în care funcționează fabricația AM constă din faptul că piesele sunt realizate prin stratificarea unui material prin adăugare succesivă (adiție); fiecare strat este practic o secțiune transversală subțire a modelului CAD original.

În realitate fiecare strat trebuie să aibă o grosime finită, astfel secțiunea reală rezultată va fi o aproximare a datelor CAD originale (fig. 1.1. și 1.2.).

Fig. 1.1. Modelul CAD

Fig. 1.2. Piesa obținută prin adiție

folosind diferite aproximări ale grosimii stratului de adiție

Cu cât fiecare strat de adiție este mai subțire, cu atât piesa finită va fi mai aproape ca aspect de modelul virtual original. Toate mașinile utilizate pentru AM, comercializate în prezent, utilizează o abordare a fabricației bazată pe straturi; principalele diferențe între aceste mașini se referă la materialele care pot fi utilizate, la felul cum sunt create straturile și la modul în care straturile sunt legate între ele. Astfel de diferențe vor determina factori cum ar fi: precizia de execuție finală, proprietățile materiale și mecanice ale piesei finite. Tot aceste diferențe vor influența viteza de realizare a piesei, mărimea mașinii utilizate și costul total al fabricației.

1.2. PROCESUL AM

Fabricația prin adiție implică, în general, un număr de opt etape pentru a trece de la modelul virtual CAD la piesa finită. De la caz la caz, în funcție de diferitele produse ce vor fi realizate, fabricația AM implică moduri diferite de aplicare a celor opt etape.

Produsele mici, relativ simple, pot face uz doar de etapa „modelelor de vizualizare” din fabricația AM, în timp ce, produsele complexe cu mai multe detalii pot implica aplicarea tuturor etapelor fabricației AM pe tot parcursul desfășurării procesului.

Anumite stadii incipiente ale proceselor de dezvoltare a produsului pot necesita realizarea unor piese brute. Astfel, utilizând fabricația AM se reduce viteza cu care acestea pot fi fabricate.

În ulterioarele stadii ale procesului piesele pot necesita curățare și postprocesare (incluzând șlefuire, pregătirea suprafeței și vopsire) înainte de a fi utilizate.

Cele opt etape ale procesului de fabricație prin adiție sunt prezentate în fig. 1.3.

Etapa 1: CAD

Fabricația AM pornește de la un model 3D care definește complet geometria piesei. Acest lucru se realizează prin utilizarea unui program CAD profesional de modelare geometrică. Modelul 3D final trebuie să fie o reprezentare a unui solid sau a unei suprafețe 3D. Echipamentele utilizate în ingineria inversă (de exemplu, scanare laser) pot fi de asemenea folosite pentru a crea modelele 3D.

Fig. 1.3. Procesul generic de la CAD la piesa finită,

arătând toate cele 8 etape [22]

Etapa 2: Conversia formatului CAD la formatul STL sau OBJ

Aproape toate mașinile pentru fabricația AM acceptă fișierul format STL, care a devenit un format standard, și majoritatea programelor CAD pot salva modelul sub un astfel de format. Acest fișier descrie suprafețele exterioare închise ale modelului CAD și constituie baza de calcul a secțiunilor.

Etapa 3: Transferul catre mașina de fabricație AM și gestionarea fișierului STL

Fișierul STL care descrie piesa se transferă către mașina de fabricație AM. În această etapă pot apărea anumite erori referitoare la dimensionarea, poziționarea și orientarea piesei în vederea construcției acesteia. Aceste erori pot fi datorate transferului către mașină și pot fi îndepărtate de operator.

Etapa 4: Setările mașinii

Mașina pentru fabricația AM trebuie să fie configurată corespunzător înainte de procesul de fabricație. Aceste setări se referă la parametrii constructivi cum ar fi: constrângerile legate de materialele utilizate pentru adiție, temperatura procesului, sursa de energie, grosimea straturilor, timpii de realizare etc.

Etapa 5: Fabricația

Construirea piesei este în principal un proces automat, iar mașina poate funcționa în mare măsură fără supraveghere. De obicei se recomandă o monitorizare superficială a mașinii pentru a se evita posibilele probleme (lipsa materialului de adiție, erori de software, întreruperea alimentării cu energie, etc).

Etapa 6: Extragerea

Odată ce mașina a finalizat construcția piesei, aceasta trebuie extrasă din zona de fabricație. Acest lucru poate necesita o interacțiune cu mașina, care ar putea avea restricție de blocare de siguranță (de exemplu: temperatura trebuie să fie suficient de scăzută pentru a permite operatorului să extragă piesa sau părțile în mișcare ale mașinii trebuie să nu fie active).

Etapa 7: Postprocesarea

Odată extrasă piesa din mașină poate necesita o operație de curățare sau finisare înainte de a fi gata pentru utilizare.

Piesele pot fi moi în acest stadiu sau pot avea forme care trebuie eliminate cum ar fi construcțiile suport. Acest lucru necesită un timp suplimentar și o atentă manipulare manuală.

Etapa 8: Finalizarea

În această etapă, piesele ar putea fi gata pentru utilizare. Cu toate acestea, ele pot necesita, un tratament suplimentar înainte ca acestea să fie utilizate.

De exemplu, pot fi grunduite și vopsite pentru a da suprafeței textura dorită. Tratamentele pot fi laborioase și de durată în cazul în care cerințele de finisare sunt foarte exigente. Piesele pot fi, de asemenea, asamblate cu alte componente mecanice sau electronice, pentru a forma un model final sau un produs.

1.3. CLASIFICAREA PROCESELOR DE FABRICAȚIE AM

Există în prezent numeroase moduri de a clasifica tehnologiile AM. O abordare generală este de a clasifica procesele în funcție de tehnologia care stă la baza procesului, cum ar fi: tehnologia cu lasere, tehnologia de printare, tehnologia de extrudare, etc [28,66].

O altă abordare constă în clasificarea proceselor în funcție de tipurile de materii prime utilizate [13].

Aceste metode de clasificare cataloghează unele procese împreună, în ceea ce par a fi combinații fară legatură directă (cum ar fi „Selective Laser Sintering – SLS” – Sinterizarea Selectivă cu Laser fiind grupată împreună cu printarea 3D), sau unele procese care produc rezultate similare sfârșesc prin a fi separate (cum ar fi Stereolitografie -SLA și Obiect).

O metodă cuprinzătoare de clasificare a proceselor de fabricație AM este descrisă de către Pham [44], care folosește o metodă de clasificare bidimensională în funcție de procesul tehnologic și numărul de canale pentru fabricație folosite, așa cum se arată în fig. 1.4.

Fig. 1.4. Procesele de fabricație pe straturi, – „Layered Manufacturing” (LM),

clasificate de către Pham [44]

1.3.1. SISTEME CU POLIMERI LICHIZI (LIQUID POLYMER SYSTEMS)

Materialele din polimeri lichizi sunt materiale des utilizate în fabricația AM (fig. 1.5.).

Fig. 1.5. Utilizarea de straturilor pentru un model arhitectural [101]

Primul sistem de printare 3D inventat de 3DSYS utiliza un proces de stereolitografie bazat pe materiale fotopolimerice lichide.

O mare parte din sistemele utilizate în prezent sunt sisteme bazate pe utilizarea materialelor polimerice și fotopolimerice lichide.

Cu toate acestea, această clasificare nu trebuie să se limiteze la fotopolimeri, în prezent există un număr ridicat de sisteme experimentale ce folosesc materiale pe bază de hidrogeluri. Spre exemplu, sistemul „Fab@home” dezvoltat la Universitatea Cornell din Statele Unite ale Americii și sistemele Rep-Rap provenite de la Universitatea Bath din Marea Britanie folosesc polimeri lichizi cu tehnici diferite de întărire (altele decât lungimi de undă UV sau metode optice) [65, 66].

Depunerea picăturilor de polimeri folosind o matrice „1D canal” poate simplifica procesul de întărire a materialului (pentru fotopolimeri).

Această abordare este utilizată pe mașinile realizate de compania israeliană „Objet”, care folosește tehnologia de printare pentru depunerea picăturilor fine de fotopolimeri [67].

O caracteristică unică a sistemului Objet este abilitatea de a varia proprietățile materialului în cadrul unei singure piese.

Piesele pot avea caracteristici asemănătoare cauciucului sau materialelor combinate din rășini solide obținându-se astfel o rugozitate scăzută a suprafețelor.

Delimitarea zonei în care urmează a fi construită piesa, se poate realiza folosind dispozitive digitale cu micro-oglinzi (DMDs) sau alte tehnologii de printare de înaltă rezoluție, crescând astfel randamentul transferului de material și reducând în același timp numărul de ansambluri în mișcare din cadrul mașinii.

DMDs sunt în general utilizate la fabricația aditivă pentru printări cu rezoluții de scara micronilor (acestea sunt folosite de MICROTEC în Germania) [68].

Pentru sistemele generale și cei de la ENVISIONTEC folosesc printere de înaltă rezoluție DMD pentru a întări rășina fotopolimerică în mașini mai accesibile ca preț. Procesul din „3D Systems V-Flash” utilizează o variație a acestor abordări, expunând foi subțiri polimerice pe suprafața de construcție.

1.3.2. SISTEME CU PARTICULE DISCRETE (DISCRETE PARTICLE SYSTEMS)

Particulele discrete sunt în mod normal sub formă de pulberi, selectate într-o plajă îngustă de valori ale dimensiunii și formei relative. Particulele fine sunt preferate, acestea neperturbând controlul distribuției și dispersiei [22].

Abordarea convențională „1D chanel” utilizează un laser pentru a produce energie termică într-o manieră controlată și pentru a ridica temperatura suficient de mult pentru a topi pulberea. Prin urmare, pulberile din polimeri prezintă un comportament termoplastic, astfel încât să poată fi topite și retopite, pentru a permite lipirea unui strat de altul.

Pe piață există o mare varietate de astfel de sisteme, care diferă în funcție de materialul care poate fi topit. Cele două sisteme principale ce se bazează pe topirea pulberilor din polimeri disponibile în comerț utilizează tehnologia – Selective Laser Sintering (SLS). Un astfel de sistem comercializează și cei de la „3D Systems” [69] și cei de la compania germană EOS [70].

Aplicarea tehnologiei de printare în straturi din pulbere se utilizează în procesul 3D Printing (3DP). Această tehnică a fost dezvoltată inițial de cercetătorii de la MIT în SUA [49]. Tehnologia de printare 3D este utilizată pentru a imprima un liant sau lipici pe un pat de pulbere. Adezivul lipește particulele de pulbere pentru a forma o structură 3D. Această tehnică de bază a fost dezvoltată pentru aplicații diferite în funcție de tipul de combinație dintre pulberi și lianți.

Abordările cele mai de succes folosesc pulberi de amidon și pulberi pe bază de ipsos, cu adezivi ieftini [71]. Un avantaj deosebit al tehnologiei dezvoltate de „ZCorp” din SUA, care utilizează aceste materiale, constă în faptul că lianții pot fi pulverizați prin capete de printare multiduze. Lianții care se pulverizează prin duze pot fi diferiți și, prin urmare, variații subtile pot fi evidențiate în piesa rezultată. Cea mai evidentă dintre aceste variații este culoarea liantului, rezultând piese componente multicolore.

Fig. 1.6. Sistem cu particule discrete [71]

Pulberile ceramice și lianții adecvați sunt folosite în mod similar în procesul de printare – Direct Shell Production Casting (DSPC), utilizate de către Soligen [72] pentru a crea formele (cochiliile) de turnare ale pieselor metalice. În cazul în care liantul conține o cantitate de medicamente, printarea 3D poate fi folosită pentru a crea medicamente. Acest proces este utilizat de compania americană „THERICS”.

1.3.3. SISTEME CU MATERIALE TOPITE (MOLTEN MATERIAL SYSTEMS)

Sistemele cu materiale topite sunt prevăzute cu o cameră de preîncălzire care ridică temperatura materialului până la punctul de topire, astfel încât materialul topit să poată curge printr-un sistem de alimentare. Sistemul cel mai cunoscut este „Fused Deposition Modeling” dezvoltat de compania americană Stratasys [73]. Această abordare utilizează o tehnică de extrudare a materialului printr-o duză într-o manieră controlată. Se pot folosi două capete de extrudare astfel încât structura de susținere să poată fi fabricată în același timp din material diferit, facilitând astfel curățarea și îndepărtarea piesei. Această tehnologie de printare a fost adaptată astfel încât să se poată realiza alimentarea cu materialul necesar printării. O anumită tehnică, dezvoltată inițial sub denumirea “ Rapid Prototyping – Sanders”, care mai târziu a devenit Solidscape- SUA [74], implică un sistem “1D channel”. În acest caz un cap de depunere piezoelectric stabilește un singur jet de material. Un alt cap stabilește un al doilea jet de material tip ceară cu o temperatură de topire mai scăzută, care este folosit pentru suportul de sprijin al piesei. Picăturile de la aceste capete de imprimare sunt foarte mici, astfel încât detaliile pieselor obținute sunt realizate corect.

Fig. 1.7. Sistem cu materiale topite [74]

Pentru a menține precizia de realizare a piesei, un proces de tăiere plană este utilizat la nivelul fiecărui strat. Suporții sunt eliminați prin introducerea piesei complete într-o baie cu temperatură controlată, care topește materialul suport, lăsând partea materială a piesei finale intactă. Precizia mașinilor Solidscape, folosind această tehnică, este ideală pentru aplicații de printare cum ar fi: bijuterii, dispozitive medicale și piese dentare.

Metoda „1D channel”, este foarte lentă în comparație cu alte metode, aplicarea unui element de adiție paralel îmbunătățește în mod semnificativ fluxul de curgere al materialului.

Metoda ThermoJet dezvoltată de cei de la „3D Systems”, depozitează materialul tip ceară în capul de printare a suportului de bază. Utilizarea capetelor de printare paralele ca un grup de metode „1D channel” multiplică în mod eficient rata de depunere.

Metoda ThermoJet, cu toate acestea, nu este utilizată pe scară largă deoarece materialele tip ceară sunt dificil de manipulat fiind fragile.

1.3.4. SISTEMELE CU FOI LAMINATE (SOLID SHEET SYSTEMS)

Una dintre cele mai vechi tehnologii AM a fost fabricația obiectelor laminate – de exemplu sistemul „Laminated Object Manufacturing” (LOM) de la Helisys, SUA. Această tehnologie folosește un laser pentru a tăia profile dintr-o coală (provenită dintr-o rolă de alimentare continuă) (fig. 1.8.), care formează straturile necesare realizării piesei. Straturile sunt legate (unite) folosind o rășină adăugată la cald pe o singură față a colii. După ce toate straturile au fost lipite împreună piesa finală arată ca un bloc cu aspect de lemn stratificat.

Fig. 1.8. Schema sistemului LOM [76]

O abordare similară a fost folosită de către compania japoneză Kira, pentru mașina lor Solid Center [75] și de compania israeliană Solidimension pentru mașina Solido [76]. Diferența majoră este că ambele mașini taie profilul piesei, folosind o lamă asemănătoare cu cele de vinil dintr-o unitate plotter 2D. Mașina Kira utilizează un adeziv activat termic aplicat folosind tehnologia de imprimare cu laser pentru a lega straturile.

CAPITOLUL 2

PROCEDEE DE FABRICAȚIE ADITIVĂ

Diferite companii definesc același proces sub denumiri proprii. De exemplu, ceea ce „Stratasys” numește Fused Deposition Modeling (FDM), cei de la „3D Systems” numesc Plastic Jet Printing, iar cei de la Reprap numesc Fused Filament Fabrication (FFF).

Procesele folosesc un cap de extrudare pentru a crea straturi de material în același mod, astfel încât să se obțină piese 3D.

Din punct de vedere al terminologiei, FDM a fost înregistrată ca marcă de sine stătătoare și a fost adoptată de mai multe comunități.

Însă 3D Systems și membrii comunității RepRap nu consideră că este vorba în esență de aceeași tehnologie cu același nume.

ASTM (American Society for Testing and Materials) este responsabilă pentru noua terminologie standardizată AM. Subcomitetul ce se ocupă de terminologie a restrâns procesele în șapte termeni standardizați.

Termenii sunt după cum urmează [45]:

Photopolymerization – Fotopolimerizare

Powder Bed Fusion – Fuziune pe pat de pulbere

Material Extrusion – Extrudare de material

Material Jetting – Pulverizare de material

Binder Jetting – Pulverizare de liant

Sheet Lamination – Laminare foi

Directed Energy Deposition – Depunere cu energie directă

Până în momentul de față au fost adoptate următoarele standarde [45]:

ISO/ASTM 52915:2013 (Standard specification for additive manufacturing file format (AMF) Version 1.1) – conținând specificații ale formatului de fișier standard pentru fabricația aditivă. Formatul STL a fost standardul de facto pentru transferul de informații dintre programele de proiectare și echipamentul de fabricație aditivă, dar necesitatea fabricării pieselor multi-material, în culori diferite etc., s-a lovit de limitările STL, impunându-se înlocuirea acestuia.

ISO/ASTM 52921:2013 (Standard terminology for additive manufacturing – Coordinate systems and test methodologies) – conține „termeni, definițiile termenilor, descrierile termenilor și acronime asociate cu sistemele de coordonate, ca și metodologiile de testare a tehnologiilor de fabricație aditivă, într-un efort de a standardiza terminologia folosită de utilizatori, producători, cercetători, profesori, presă/media etc. Termenii includ și definiții pentru mașini/sisteme și sistemele lor de coordonate, plus poziția și orientarea pieselor. Se intenționează, acolo unde este posibil, să se asigure conformitatea cu ISO 841 și să se clarifice adaptarea acestor principii la fabricația aditivă”.

Standardul ISO/ASTM 52921, definește fabricația aditivă ca fiind: „procesul de adăugare de material pentru a obține un obiect pe baza modelului său digital 3D, strat cu strat, ca opus tehnologiilor de fabricație prin eliminare de material” [77].

Standardul ISO/ASTM 52921 clasifică procedeele de fabricație aditivă în șapte tipuri principale (Tabelul 2.1.), [77].

Tabelul 2.1. Clasificarea procedeelor de fabricație aditivă

2.1. PROCESUL DE FOTOPOLIMERIZARE –

VAT PHOTOPOLIMERIZATION

Procesul de fotopolimerizare utilizează ca materii prime lichide de tip rășini sau fotopolimeri. Cele mai multe materiale fotopolimerice reacționează la radiațiile din spectrul de lungimi de undă ultraviolete (UV). Pentru realizarea acestor reacții se utilizează sisteme optice. După iradiere, aceste materiale sunt supuse unei reacții chimice pentru a deveni solide. Această reacție se numește fotopolimerizare și este o reacție chimică complexă.

Materialele fotopolimerice au fost dezvoltate la sfârșitul anilor 1960 și destul de repede au devenit folosite pe scară largă în multe domenii comerciale, mai ales în industria cărbunelui și industria de imprimare, printare. Multe dintre acoperirile lucioase de pe hârtie și carton, de exemplu, sunt realizate din fotopolimeri. În plus, rășinile de fotoexpunere sunt utilizate în stomatologie pentru sigilarea suprafețelor dinților sau umplerea șanțurilor adânci sau prevenirea cariilor. În aceste aplicații, acoperirile pot fi tratate cu diferite radiații care acoperă rășina.

La mijlocul anilor 1980, Charles Hull a experimentat materialele tratate cu UV prin expunerea lor cu un laser de scanare, similar sistemului din imprimantele cu laser. El a descoperit că modelele 3D de polimeri solizi pot fi produse în această manieră. Prin întărirea unui strat peste un strat anterior, acesta putea fabrica o piesă solidă 3D. Acestă tehnologie a fost denumită stereolitografie (STL).

a)

b) c)

Fig. 2.1. Cele trei scheme ale proceselor de fotopolimerizare [22]

Compania „Systems 3D” a creat la scurt timp mașina de stereolitografiere – "rapid prototyping" pentru prototiparea rapidă și dezvoltare de produs. O mare varietate de procese și tehnologii legate de STL au fost dezvoltate ulterior.

În prezent se folosesc diferite tipuri de radiații pentru a trata fotopolimeri: radiații gamma, raze X, fascicule de electroni, UV, iar în unele cazuri radiații din spectrul vizibil.

Trei configurații primare au fost dezvoltate pentru procesele fotopolimerizabile într-o cuvă:

a) prin vector de scanare – sau punct așezat;

b) prin mască de proiecție – sau straturi așezate (iradierea straturilor întregi);

c) prin intermediul a doi-fotoni – abordare de înaltă rezoluție punct cu punct secundară.

Aceste trei configurații sunt prezentate schematic în fig. 2.1. De reținut că în abordarea „prin vector de scanare” și „prin intermediul a doi fotoni”, este nevoie de raze laser de scanare, în timp ce abordarea prin „mască de proiecție” utilizează un fascicul de radiație mare care este modelat de un alt dispozitiv, în acest caz un dispozitiv cu micro-oglinzi digitale (DMD). În cazul fotopolimerizării prin „doi-fotoni”, fotopolimerizare apare la intersecția a două fascicule laser de scanare.

O cuvă dotată cu un mecanism care poate urca sau coborî este umplută cu lichid polimeric. În cea mai înaltă poziție a platformei de construcție un strat subțire de fotopolimer se află pe platformă. Un fascicul laser ce generează o rază UV este mișcat in planul XY, producând un strat solid al piesei prin întărirea acestuia. Platforma este apoi coborâtă în așa fel încât un nou strat de fotopolimer să acopere stratul deja fabricat. Procesul este repetat până la finalizarea construcției piesei.

După construcția piesei, aceasta este îndepărtată din mașină, curățată ultrasonic sau cu alcool. De asemenea se îndepărtează structura suport, apoi este introdusă într-un cuptor pentru întărire. Cea mai mică toleranță ce poate fi atinsă este de 12μm și depinde de precizia laserului folosit.

Avantaje: este unul dintre procesele de înaltă rezoluție din cadrul proceselor AM; proces matur, cu parametri de sistem bine definiți; permite realizarea de prototipuri funcționale, majoritatea proiectanților înțeleg rapid constrângerile procesului pentru a da soluții optime în fabricație.

Dezavantaje: lichidul necesită o cameră închisă care are un spațiu de lucru semnificativ mai mic decât alte sisteme de fabricație AM; rășinile cu întărire UV au de obicei cele mai reduse proprietăți mecanice și sunt monocromatice.

Exemple de utilizare: scule, șabloane și tipare; carcase din plastic; produse demonstrative.

2.2. FUZIUNEA PE PAT DE PULBERE – POWDER BED FUSION

Fuziunea patului de pulbere (PBF) este un proces AM dezvoltat la Universitatea din Texas, Austin, S.U.A. iar Selective Laser Sintering (SLS) a fost primul proces de fuziune a unui strat de pulbere. Metoda de funcționare este prezentată schematic în fig. 2.2. Toate celelalte procese de tip PBF modifică această schemă de bază în unul sau mai multe moduri astfel încât să crească productivitatea mașinii și să permită utilizarea diferitelor materiale de prelucrat.

Toate procesele PBF se bazează pe un set de caracteristici primare. Acestea includ una sau mai multe surse termice pentru inducerea fuziunii între particulele de pulbere, o modalitate de control a fuziunii pulberii într-o anumită regiune prescrisă fiecărui strat și mecanisme pentru adăugarea și netezirea straturilor ulterioare de pulbere.

Procesul SLS a fost inițial dezvoltat pentru producerea de prototipuri din plastic folosind o tehnica de scanare cu laser-punctiformă. Acest procedeu a fost extins la materii prime precum metale și pudre ceramice; în aceste cazuri s-au utilizat surse termice suplimentare;

Ca rezultat a acestor extinderi, procedeele PBF sunt utilizate pe scară largă în întreaga lume și cuprind o gamă largă de materiale care pot fi utilizate (inclusiv polimeri, metale, ceramice și compozite) și sunt tot mai utilizate pentru fabricarea directă a pieselor finite.

Pentru a oferi o descriere de bază a proceselor de fuziune a pulberilor, Sinterizarea Selectivă Laser – SLS va fi descris ca paradigmă cu care se vor compara celelalte procese de fuziune pe pat de pulbere. Așa cum se arată în fig. 2.2., SLS fuzionează straturi subțiri de pulbere (de obicei ~ 0,1 mm grosime), care au fost răspândite în întreaga zonă de lucru, folosind o rolă de nivelare rotativă.

Procesul de construcție a piesei are loc în interiorul unei camere închise umplute cu azot pentru a minimiza oxidarea și degradarea materialului sub formă de pulbere. Pulberea în platforma de construcție este menținută la o temperatură ridicată chiar sub punctul de topire și/sau temperatura de solidificare a materialului sub formă de pulbere.

Sisteme de încălzire cu infraroșu sunt plasate deasupra platformei de construcție pentru a menține o temperatură ridicată în jurul piesei ce începe a fi formată; cartușele de alimentare preîncălzesc pulberea înainte de a se întinde pe zona de construcție. În unele cazuri, platforma de construcție este de asemenea încălzită folosind sisteme de încălzire cu rezistențe în jurul platformei de construcție.

Acestă preîncălzire a pulberii și menținerea ei la o temperatură ridicată, uniformă în cadrul platformei de construcție este necesară pentru a minimiza utilizarea excesivă a laserului (când pulberea este preîncălzită este necesară mai puțină energie laser pentru fuziune). Preîncălzirea previne deformarea piesei în timpul construcției din cauza expansiunii sau contracției termice neuniforme.

După ce un strat de pulbere corespunzător a fost constituit și preîncălzit, un fascicul laser focalizat este direcționat pe patul de pulbere și deplasat cu ajutorul unui galvanometru astfel încât să asigure fuzionarea termică a materialului pentru a forma stratul de material al unei secțiuni transversale a piesei.

Pulberea din jurul construcției rămâne liberă și servește ca suport pentru straturile ulterioare, eliminând astfel nevoia de suporturi secundare, necesare pentru unele procese de fotopolimerizare. După formarea unui strat pe platforma de construcție se prevede și se nivelează un nou strat de pulbere.

Fig. 2.2. Schema procesului PBF [22]

Raza laser scanează stratul ulterior formând un nou strat de adiție. Acest proces continuă până când piesa este construită complet. O perioadă de răcire este de obicei necesară pentru a permite pieselor să revină uniform la o temperatură scăzută, suficient încât să poată fi manipulate și păstrate la temperatura ambiantă. Dacă piesele și/sau patul de pulbere sunt prematur expuse la temperatura ambiantă, pulberile se pot degrada în prezența oxigenului și piesele se pot deforma datorită contracției termice inegale. În cele din urmă, piesele sunt îndepărtate din patul de pulbere, pudra rămasă este curățată de pe piesă și piesa poate suferi o operație de finisare dacă este necesară.

Avantaje: camera în care are loc fuziunea oferă un mediu de lucru propice care permite obținerea de proprietăți constante ale materialelor; nivel ridicat de fuzionare a materialului care implică proprietăți mecanice mai bune ale piesei rezultate în comparație cu piesele rezultate prin extrudare sau depunere.

Dezavantaje: volum limitat pentru o singură piesă fabricată; costuri mai mari pentru aplicațiile industriale; unele materiale și procese de fuziune necesită temperaturi foarte ridicate în camera de fuziune cu toleranță scăzută la variațiile de temperatură, ceea ce crește nevoia controlului proceselor; poate necesita tratament termic, în funcție de tehnologia de fuziune și materialele utilizate (în prezent, doar procesul de topire cu fascicul de electroni nu are nevoie de un tratament termic).

Exemple de utilizare: scule; structuri secundare și terțiare; implanturi și înlocuiri medicale și stomatologice; îmbinări mecanice, subcomponente, conducte etc.

2.3. EXTRUDAREA DE MATERIAL – EXTRUSION BASED SYSTEMS

Aceste tehnologii pot fi considerate ca fiind similare cu cele de glazurare din industria alimentară, în care materialul conținut într-un rezervor este forțat să treacă printr-o duză atunci când este aplicată o presiune.

Dacă presiunea rămâne constantă, atunci materialul extrudat rezultat va curge cu o viteză constantă și va rămâne cu diametru constant în secțiune transversală. Diametrul va rămâne constant dacă deplasarea duzei pe o suprafață de stocare este de asemenea menținută la o viteză constantă (debit constant).

Materialul care începe să fie extrudat trebuie să fie într-o stare semi-solidă atunci când trece de duză. Acesta trebuie să se solidifice complet rămânând în același timp în forma finală. Mai mult decât atât, materialul trebuie să adere la materialul care a fost deja extrudat, astfel încât să rezulte o structură solidă.

Deoarece materialul este extrudat pe o platformă, mașina AM trebuie să fie capabilă să parcurgă suprafața de lucru într-un plan orizontal și să realizeze pornirea și oprirea fluxului de material în timpul trecerilor. Odată ce un strat este finalizat, capul de extrudare este ridicat în lungul axei verticale – axa Z sau piesa coboară în lungul axei Z astfel încât un strat suplimentar să poată fi produs.

Există două abordări principale atunci când se utilizează un procedeu de extrudare.

Metoda cea mai frecvent utilizată este aceea de a utiliza temperatura ca modalitate de control a stării materialului. Materialul topit este lichefiat într-un rezervor, astfel încât să poată curge prin duză și să poată adera la materialul adiacent depus deja înainte de solidificare. Această abordare este similară proceselor convenționale de extrudare a polimerilor, cu excepția faptului că extruderul este montat vertical pe un sistem de translație în loc să rămână într-o poziție fixă orizontală.

A doua metodă constă în utilizarea unei modificări chimice a materialului pentru a provoca solidificarea. În astfel de cazuri, un agent de întărire, solvent rezidual care intră în reacție cu aerul, sau pur și simplu o uscare a materialului "umed" permite lipirea materialului.

Echipamentele „Bioplotting” pentru aplicații de inginerie tisulară și schelete folosesc o astfel de tehnologie de extrudare.

Există o serie de caracteristici care sunt comune oricărui sistem bazat pe extrudare:

– Încărcarea materialului;
– Topirea materialului;
– Aplicarea unei presiuni pentru a deplasa materialul prin duză;
– Extrudarea;
– Trasarea după un traseu predefinit și într-o manieră controlată a straturilor;
– Aderarea materialului pentru a se construi piesa sau utilizarea materialelor secundare pentru a forma o structură solidă coerentă;
– Includerea structurilor de sprijin pentru a permite caracteristici geometrice complexe.

Principiul de bază presupune extrudarea produselor puternic vâscoase printr-o duză. În cele mai multe cazuri, materialul curge ca un fluid newtonian [5].

În stadiul actual se relaționează extrudarea materialului topit cu termeni legați de temperatură. Pentru solidificare, acești termeni se raportează relativ la timp și astfel temperatura ar putea fi înlocuită cu alți factori dependenți de timp pentru a descrie întărirea sau uscarea (solidificarea).

Metoda de extrudare funcționează pe următorul principiu – materialul va deveni un lichid care poate fi în cele din urmă împins printr-o matriță sau duză. Acest material poate fi sub formă de soluție, care se va solidifica rapid după extrudare, acest material va fi lichefiat datorită căldurii aplicate camerei de lichefiere.

Căldura, în mod normal, este aplicată de bobine de încălzire înfășurate în jurul camerei. Acestea trebuie să fie aplicate pentru a menține o temperatură constantă în topitură (fig. 2.3.). Într-o cameră de construcție de dimensiuni mari, transferul de căldură este mai dificil de controlat, curenți termici în topitură schimbă starea fizică a materialului topit (controlul se poate face prin localizarea senzorilor de temperatură).

Fig. 2.3. Schema sistemului de extrudare [5]

Materialul din interiorul camerei de lichefiere trebuie păstrat într-o stare topită și menținut la un anumit nivel de temperatură, deoarece unele materiale din polimeri se degradează rapid la temperaturi mai ridicate și ar putea arde, lăsând reziduuri în interiorul camerei de lichefiere, acestea fiind dificil de îndepărtat, și care ar contamina topirea materialului în continuare. O temperatură mai ridicată în interiorul camerei necesită o răcire suplimentară în urma extrudării.

Grosimea straturilor într-un model FDM este dată de diametrul interior al duzei de extrudare care are de obicei între 0,05-0,12 mm. Aceasta este toleranța minimă posibilă de atins în direcția verticală. În planul XY, în funcție de posibilitatea de depunere a filamentului, poate fi atinsă o toleranță dimensională de 0,025 mm.

Avantaje: grad crescut de libertate pentru depunerea de material; nivel ridicat de interoperabilitate și automatizare; materialul extrudat este livrat pe un mosor industrial.

Dezavantaje: proprietăți îmbunătățite ale materialelor în planul XY, părți mai mari din piesă care necesită perioade mai lungi de extrudare pe un strat dat, reduc drastic proprietățile materialului pe axa Z; la extrudare apare o linie de construcție distinctă între straturi (materiale predispuse la oboseală pe linia de legătură, efect de treaptă).

Exemple de utilizare: scule; structuri ușoare / modulare (drone).

2.4. DEPUNEREA CU ENERGIE DIRECTĂ –

DIRECTED ENERGY DEPOSITION

Acest procedeu este utilizat în principal pentru a adăuga caracteristici de formă unei structuri existente (cum ar fi adăugarea unei nervuri de consolidare pe o placă) sau pentru a repara piesele deteriorate sau uzate.

Procesul ține seama de următoarele aspecte:

bazinul de topire este format pe un substrat metalic cu un fascicul laser;

pulberea este alimentată în bazinul de topire;

pulberea se topește pentru a forma straturi prin fuziune.

Cele mai multe sisteme folosesc un mecanism cu 4 sau 5 axe sau un braț robotic pentru a poziționa capul de depunere, astfel încât procesul să nu fie limitat la poziționarea straturilor orizontale succesive. Acest fapt implică o oarecare libertate de proiectare, comparativ cu procesul PBF. În unele cazuri procesul de fabricație poate necesita un tratament termic post-depunere. După realizarea piesei este necesară o prelucrarea finală pentru a realiza toleranțele geometrice. Tehnologiile de depunere cu energie dirijată lucrează cu materiale injectate într-un bazin de topire (specificația AMS 4999A pentru Ti-6Al-4V). Fig. 2.4. prezintă o schemă a tehnologiei DMD (depunere de metal pe bază de laser).

Fig. 2.4. Reprezentarea schematică a procesului DMD

(sursa DM3D Technology) [22]

Pași pentru realizarea procesului de depunere cu energiei directă [22]:

• Un substrat sau o piesă existentă este plasată pe platforma de lucru;

• Similar cu procesul PBF (Powder Bed Fusion), camera din cadrul dispozitivului este închisă și umplută cu gaz inert (pentru prelucrarea cu laser) sau evacuată (pentru prelucrare cu fascicul de electroni), pentru a reduce nivelul de oxigen în cameră până la un nivel dorit (AMS 4999A specifică ~1200 ppm). Procesul DMD oferă ecranare locală și în unele cazuri (în funcție de materialul topit – oțeluri, aliaje de Ni și Co) nu necesită o cameră de gaz inert pentru metale mai puțin reactive decât titanul.

• La începutul ciclului, procesul din duză implică prezența unui laser sau fascicul de electroni concentric pentru a crea un bazin de topitură.

Curgerea materialului duce la trecerea pulberii printr-o duză coaxială (pentru procesul cu laser) sau printr-un fir metalic alimentat lateral (pentru procesul cu fascicul de electroni). Duza se mișcă cu viteză constantă și urmează o traiectorie prestabilită rezultată din datele CAD. Când duza se îndepărtează, materialul se solidifică și formează un strat de metal.

Avantaje: grad crescut de libertate pentru depunerea de material; poate fi aplicat pe piese deja existente sau pentru a crea obiecte 3D noi; nivel ridicat de interoperabilitate cu grad de automatizare ridicat.

Dezavantaje: pentru remanufacturare sau completarea unei piese existente, se crează o linie de legătură care face diferența între materialul existent și materialul nou depus, proprietățile materialului depus sunt diferite de cele ale materialului inițial chiar dacă cele două materiale sunt identice. Poate necesita încă un tratament termic ulterior (pentru metale), chiar dacă piesa fabricată este un obiect construit în totalitate prin această metodă.

Exemple de utilizare: scule, reparația carcaselor, umplere fisuri, structuri de preforme etc.

2.5. LAMINAREA DE FOI – SHEET LAMINATION

Primul sistem de fabricație LOM a fost dezvoltat în anul 1991 de către compania Helisys.

În LOM, obținerea straturilor ce compun piesa se face prin decuparea dintr-o foaie de material solid, folosind o sursa de laser în infraroșu. Materialul care nu formează stratul curent va fi îndepărtat manual la sfârșitul procesului. Odată ce stratul curent este terminat, acesta aderă la cel anterior folosind un adeziv (aflat pe partea inferioara a colii de material) activat de căldură (fig. 2.5).

Există în prezent un singur material folosit pentru LOM (hârtie), deși sunt o mulțime de alte materiale în curs de dezvoltare (plastice și compozite). La finalul procesului, piesa este înconjurată de materialul în exces, care trebuie îndepărtat; datorită acestui lucru, procesul LOM este cel mai potrivit pentru piese mari, care nu au detalii complicate.

Fig. 2.5. Schema de principiu LOM [76]

Avantaje: nu necesită o cameră închisă deși se impun unele condiții de mediu; cele mai multe materiale sunt destul de consistente și accesibile; oferă una dintre cele mai mari plaje de operare a temperaturilor necesare procesului (deoarece utilizează rășini).

Dezavantaje: geometria 3D este limitată comparativ cu alte procese AM; proprietățile mecanice sunt dependente de rășinile de legare utilizate și procesele de întărire ale acestora; procesul de întărire poate fi extrem de sensibil.

Exemple de utilizare: piese cu volum mare; piese model fără caracteristici mecanice.

2.6. PULVERIZAREA DE MATERIAL – MATERIAL JETTING

Capul de pulverizare de material (fig. 2.6) glisează înainte și înapoi de-a lungul axei X, similar mișcărilor unei imprimante liniare, acesta realizează depunerea unui singur strat subțire de fotopolimer pe o platformă de construcție. Imediat după construirea fiecărui strat, surse de radiații UV alăturate capului de pulverizare emit raze UV având loc imediat solidificarea fiecărui strat [74].

Fig. 2.6. Carcasa unui telefon obținută procedeul MJ [102]

Platforma de construcție se deplasează în jos cu precizie extremă în timp ce capul de pulverizare continuă depunerea strat cu strat, până când modelul este complet (fig. 2.7).

Programele software permit sincronizarea tuturor capetelor de pulverizare pentru a elibera cantități identice de materiale pe platforma de construcție.

Acest lucru permite obținerea unor suprafețe perfect netede.

Și în cazul acestor imprimante se utilizează două materiale diferite de fotopolimeri pentru construirea piesei: unul pentru piesă, și un alt material sub formă de gel pentru suportul de sprijin.

Geometria structurii de sprijin poate fi proiectată pentru a face față susținerii unei geometrii complicate a piesei finale.

Când piesa este terminată, un jet de apă îndepărtează materialul suport, lăsând o suprafață netedă pe piesă.

Modelele fabricate pot fi manipulate și utilizate imediat, fără procese suplimentare de întărire sau de finisare.

Fig. 2.7. Schema principiului cu pulverizare de material [102]

Avantaje: crește suprafața de lucru; nu necesită un mediu de lucru controlat; se pot folosi mai multe materiale pentru a construi piesa (de culori diferite).

Dezavantaje: proprietățile mecanice ale piesei fabricate sunt scăzute; astfel de proprietăți mecanice inferioare pot fi date de o combinare a diferitelor materiale.

Exemple de utilizare: piese turnate, piese metalice nestructurale; prototipuri pentru marketing sau de bunuri de larg consum; scule (inclusiv piese turnate); acoperiri auto, tablouri de bord; piese din plastic pentru componente electronice etc.

2.7. PULVERIZAREA DE LIANT – BINDER JETTING

O altă metodă, similară cu procesul de pulverizare de material, implică depunerea de pulberi din metal, plastic sau pulberi ceramice pe platforma de construcție, prin una sau mai multe duze a unui liant adeziv. În fig. 2.8. este prezentată schematic diagrama procesului.

Fig. 2.8. Schema principiului cu pulverizare de liant [5]

2.8. APLICAȚIILE FABRICAȚIEI ADITIVE ÎN DIVERSE INDUSTRII

Fabricația aditivă are un impact major asupra multor industrii și se îndreaptă spre Fabricația Directă. În cele ce urmează sunt enumerate principalele industrii în care AM este din ce în ce mai importantă. Caracteristicile descriu industriile: aerospațială, armamentului, auto, dentară, electronică, mobilieră, medicală – implanturi / proteze, bijuterii, produse alimentare, sportivă, textilă, scule și matrițe, precum și industria de jucării / colecții.

2.8.1. INDUSTRIA AEROSPAȚIALĂ

Vehiculele aeriene au devenit indispensabile. Domeniul cuprinde de la vehicule aeriene fără pilot (UAV), avioane de transport și vehicule pentru turismul aerospațial. Astăzi, activitatea de dezvoltare și cercetare în industria aerospațială urmărește obiective de îmbunătățire continuă a eficienței avioanelor, reducerea poluării aerului și a zgomotului. Aceste obiective necesită componente ușoare, rezistente, puternice și conducătoare de electricitate, în unele cazuri. În plus, cele mai multe produse sunt complexe din punct de vedere geometric și fabricate în număr mic, cu costuri unitare ridicate.

Datorită progreselor majore în intervale scurte de timp AM a contribuit deja la reducerea sau chiar eliminarea utilizării unor scule, cordoane de sudură, eliminarea stocurilor de subansamble sau eliminarea unor întregi linii de asamblare. Tehnologii AM sunt utilizate și pentru repararea și refabricare unor piese (componente) uzate, cum ar fi palete de turbine, etanșări pentru motoare – Rolls Royce.

Având în vedere beneficiile legate de proiectarea pentru fabricația AM, inginerii trebuie să fie instruiți pentru a genera maximum de beneficii încă din procesul de planificare și dezvoltare a componentelor. În plus, fabricarea geometriilor complexe și independente într-un ansamblu permit realizarea ansamblului mult mai ușor și mai rapid.

Pe de altă parte AM sprijină operațiile de reparare a pieselor deteriorate. În acest caz nu sunt necesare stocurile de piese, acestea pot fi produse la momentul corespunzător, în funcție de cerere.

Fig. 2.9. Turbină [82]

2.8.2. INDUSTRIA DE ARMAMENT

Securitatea și cerințele forțelor armate s-au schimbat semnificativ după Războiul Rece. În prezent, performanțele armatei se datorează în principal impactului noilor arme.

Mai mult decât atât, tancurile de luptă și unitățile armate sunt capabile să se deplaseze rapid pe distanțe mari. Aceste cerințe sunt reflectate în dezvoltarea de arme și sisteme militare.

Armele și sistemele militare sunt în mare parte de structură complexă. Ele sunt produse în cantități mici, limitate de obicei la cel mult câteva mii de bucăți. Anumite componente trebuie modernizate. Ca rezultat, costurile de prelucrare și costurile de achiziție pentru actualizarea acestor componente crește semnificativ. În plus, unele părți sunt personalizate și trebuie să fie înlocuite în mod regulat chiar în timpul operațiunilor în locații aflate la distanță.

În acest context, AM capătă o importanță majoră, deoarece acestea sunt capabile să facă față provocărilor descrise mai sus. De exemplu: fabricarea oricărei geometrii, prelucrarea materialelor moi, modificarea și repararea componentelor.

Fig. 2.10. Printarea unei arme [83]

2.8.3. INDUSTRIA AUTO

Mobilitatea individuală joacă un rol important în societate. Astăzi, un număr mare de cerințe referitoare la proiectarea, mediul, dinamica, variabilitatea, confortul, siguranța și costurile au un impact major asupra industriei auto. Pentru a satisface aceste cerințe, sunt necesare noi tehnologii. În comparație cu alte industrii, industria auto este un pionier pentru aplicarea de noi tehnologii în multe cazuri. Începând cu anul 2000, punerea în aplicare a tehnologiilor AM a fost propagată în mod continuu în industria de automobile. Astăzi, industria auto este un utilizator major de echipamente pentru Rapid Prototyping. Tehnologiile AM sunt aplicate pentru fabricarea de prototipuri funcționale și de piese de mici dimensiuni și complexitate ridicată.

Fig. 2.11. Bloc motor realizat prin procedeul “Fused Deposition Modelling” [84]

2.8.4. INDUSTRIA STOMATOLOGICĂ

Industria stomatologică de astăzi este influențată semnificativ de demografie, digitalizare și crearea rețelelor între ramura medicală dentară și medicală generală. În cadrul industriei dentare, evoluțiile variază de la inovații în profilaxie și restaurare la tratamente speciale.

În prezent, industria dentară este într-o continuă schimbare, iar noile tehnologii de fabricație și-au găsit drumul lor în această industrie, mai ales în restaurarea dentară. Restaurările dentare au fost mult timp produse prin utilizarea tehnicilor convenționale de turnare, în prezent acestea sunt generate de procesele de producție digitale dentare automatizate.

Acest lucru se datorează în principal faptului că piesele sunt individualizate și personalizate, pacienții așteptând produse destinate doar lor (cum ar fi coroane și poduri). Folosind procedeele AM, cerințele de producție individuale pot fi îndeplinite.

Fig. 2.12. Proteză dentară construită prin procedeul SLM [85]

2.8.5. INDUSTRIA ELECTRONICĂ

Electronicele sunt prezente în viața de zi cu zi; spectrul de aplicare variază de la telefoane mobile până la calculatoare de bord pentru mașini. Produsele electronice sunt de multe ori de dimensiuni reduse, prin urmare instrumente de mare precizie sunt necesare pentru procesul de fabricație. Avansul tehnologic este rapid, viața produselor electronice este adesea scurtă. Astfel, se impune în acest domeniu utilizarea echipamentelor de producție noi în intervale scurte de timp.

Folosind tehnologii noi și flexibile de fabricație, cum ar fi tehnologiile AM, se accelerează procesele de „dezvoltare de produs” cu costuri mici. Tehnologiile AM permit utilizarea echipamentelor de producție care pot face față provocărilor datorate avansului tehnologic rapid.

Industria electronică este caracterizată de miniaturizarea produselor. Tehnologiile AM sunt potrivite pentru a satisface aceste cerințe de a include electronicele (circuitele) în tot felul de geometrii.

Fig. 2.13. Componente electronice [86]

2.8.6. INDUSTRIA MOBILEI

În industria mobilei și a accesoriilor pentru casă, designul a avut întotdeauna un rol important. Acest lucru este valabil pentru întreaga piață, atât pentru piesele cu preț scăzut cât și pentru segmentele de lux.

Mobilierele de lux se așteaptă să constituie un punct de atracție pe viitor, datorită design-ului și funcțiilor inovatoare cu care sunt dotate. Datorită acestor aspecte, industria mobilei este adecvată pentru aplicarea fabricație AM. Aceste tehnologii permit proiectanților să realizeze creații numeroase.

Fig. 2.14. Scaune [87]

2.8.7. INDUSTRIA IMPLANTURILOR ȘI PROTEZELOR

Industria de realizare a implanturilor sau protezelor este într-o continuă evoluție. Dezvoltarea este caracterizată în mod semnificativ de creșterea perspectivelor de dezvoltare a interacțiunilor dintre sistemele funcționale biologice și cele artificiale. Având în vedere aceste interacțiuni este esențial să se asigure compatibilitatea pieselor artificiale cu organismele biologice. Astfel se impun o serie de cerințe microscopice (de exemplu biocompatibilitate, bioactivitate etc.).

Fabricația AM permite producția de elemente care sunt unice din punct de vedere al adaptabilității la un anumit pacient.

Fig. 2.15. Braț protetic [88]

2.8.8. INDUSTRIA BIJUTERIILOR

Bijuteriile sunt de multe ori definite prin geometriile complexe. Ele pot fi diferențiate de valoare: piese individuale exclusive artizanale realizate din materiale scumpe și piese ieftine produse în loturi mari. Astfel, piața de bijuterii este împărțită în două segmente.

În cadrul primului segment de piață, accentul se pune pe produsele de foarte înaltă calitate. În al doilea segment de piață, timpul de lansare în vânzare și creativitatea sunt factorii de succes, calitatea fiind în acest caz subordonată.

Bijuteriile cu forme complexe pot beneficia în mod semnificativ de fabricația AM. Aceasta este aplicabilă pentru ambele segmente de piață. În plus, tehnologiile AM permit persoanelor creative să conceapă modele proprii, cerințele de individualizare fiind astfel satisfăcute.

Fig. 2.16. Pandantiv, brățară și inel [89]

2.8.9. INDUSTRIA ALIMENTARĂ

Tehnologia alimentară include tot know-how-ul de transformare a materiei prime în produse alimentare semi-finite și finite.

Personalizarea alimentelor este din ce în ce mai importantă apărând astfel ideea ca hrana să fie modelată. De exemplu: sculpturile alimentare sunt prezentate tot mai des la târguri și expoziții; carți de vizită personalizate din ciocolata sau prăjituri "făcute la comandă" sunt extrem de populare.

Individualitatea și formele estetice ale respectivelor produse alimentare sunt impresionante.

În acest context fabricația AM câștigă importanță și procesele de producție artizanale pot fi înlocuite. Alimentele pot fi fabricate mai rapid și în loturi mari, cu singura restricție ca produsul alimentar utilizat să fie extrudabil.

Fig. 2.17. Printarea în industria alimentară [90]

2.8.10. INDUSTRIA ECHIPAMENTELOR SPORTIVE

Accentul general în industria echipamentelor sportive este pus pe îmbunătățirea performanțelor sportivilor, pentru a preveni accidentele și a crește confortul. Fiecare corp uman este individualizat, iar echipamentul trebuie să se adapteze la cerințele respective. Cerințele pentru personalizare sunt des întălnite în industria de echipament sportiv.

Aceste cerințe de piață pot fi îndeplinite prin crearea de produse care pot fi diferite în culoare, formă și funcții personalizate. Produsele individualizate la acest nivel pot contribui la îmbunătățirea performanțelor sportivilor.

Fabricația AM poate permite accesarea nivelului necesar de individualizare pentru echipamentele high-tech pentru care clienții plătesc prețuri ridicate.

Fig. 2.18. Cască [91]

2.8.11. INDUSTRIA TEXTILĂ

Produsele textile sunt prezente în diferite domenii ale vieții; aplicațiile variază de la haine și textile de uz casnic la textile în industria tehnică. În fiecare sezon, noile tendințe de design pătrund pe piață și forțează mulți producători să schimbe portofoliile de produse. Prin urmare, procesul de dezvoltare a produselor este scurt.

În general, se impun restricții ale procesului de fabricație a textilelor proprii, fiind necesare sisteme de producție individuale. Restricțiile rezultă din proiectarea și producerea de îmbrăcăminte care nu pot folosi orice fel de material.

Fig. 2.19. Lenjerie obținută prin sinterizare cu laser [92]

2.8.12 INDUSTRIA DE FABRICARE A SCULELOR ȘI MATRIȚELOR

Industria de fabricație a sculelor include și matrițele. Spectrul de scule variază de la prototipuri aflate in stadiu incipient până la producția pe scară largă.

Aeronautica, industria auto, de electronice, bunuri de uz casnic și micro-dispozitive sunt domenii industriale în care sculele contribuie în procesul de fabricație. Sculele trebuie să asigure competitivitatea, eficiența și robustețea sistemului de producție a produselor finale.

Astăzi, dezvoltarea și fabricația de scule este una dintre etapele cele mai scumpe și consumatoare de timp în orice proces de producție. Acest lucru se datorează, în principal, geometriilor complexe ale pieselor finite care necesită o mai mare precizie și fiabilitate, rugozitate mică, și proprietăți mecanice ridicate. În ultimii ani, tot mai multe companii au identificat fabricația AM ca fiind o tehnologie promițătoare pentru a economisi timp și bani. AM poate contribui în mod diferit în cadrul industriei de scule: poate produce scule sau poate substitui sculele. Un avantaj major al fabricației AM este acela că facilitează procesul de fabricație a canalelor de răcire în dispozitive și scule. Folosind metodele tradiționale, canalele trebuie realizate prin găurire, acesta formează în scule concentratori de tensiuni.

Acest efect negativ poate fi contracarat prin fabricația AM care permite producerea de scule ("Rapid Tooling"), cu canale de răcire integrate într-un singur pas, la costuri mai mici și într-un timp mai scurt.

Fig. 2.25. Matriță obținută prin proceseul FDM [93]

Fabricația AM permite un proces de dezvoltare și producție considerabil mai scurt. Acest lucru reduce costurile de producție semnificativ. Fabricația AM permite o creare rapidă de geometrii și forme complexe.

2.8.13. INDUSTRIA DE JUCĂRII ȘI OBIECTE DE COLECȚIE

Principalul grup țintă al industriei de jucării și de obiecte de colecție este reprezentat de copii. Copiii sunt atrași de creativitate, iar adulții îi sprijină în demersurile lor, deoarece aceasta contribuie la dezvoltarea inteligenței. În trecut creativitatea copiilor era stimulată prin modelarea lutului sau plastilinei, astăzi copiii pot modela 3D digital.

Figurinele de acțiune și păpușile personalizate pot fi ușor fabricate cu o imprimantă 3D. Adulții reprezintă un grup țintă pentru obiectele de colecție. Având în vedere că acest tip de bunuri de larg consum sunt de multe ori de mici dimensiuni și cu cerință de rezistență scăzută, industria jucăriilor și a obiectelor de colecție poate beneficia în mod semnificativ de fabricația AM.

Fig. 2.26. Jucării obținute prin printarea 3D [94]

CAPITOLUL 3

METODE, ECHIPAMENTE ȘI MATERIALE UTILIZATE ÎN REALIZAREA EXPERIMENTELOR

3.1.DESCRIEREA METODEI DE EXTRUDARE FDM

Dintre metodele prezentate în capitolul anterior, a fost aleasă pentru realizarea experimentelor metoda bazată pe depunere de material prin extrudare, (FDM), datorită largii răspândiri a acestei tehnologii și a costurilor reduse ale echipamentelor și materialelor folosite. Din punct de vedere al dezvoltării tehnologice ulterioare, prin posibilitatea de a folosi materiale metalice și dezvoltarea unor mașini cu 5 axe pentru fabricație, reprezintă o variantă care poate avea un impact semnificativ din punct de vedere tehnic si economic.

Aparatura necesară adiției încorporează un cap mobil ce distribuie o cantitate de material care se solidifică la o temperatură predeterminată, și un element de bază pe care-l vom numi în continuare „platformă de construcție”; capul sau duza de depunere și platforma se deplasează una în raport cu cealaltă de-a lungul axelor "X", "Y", și "Z" într-un mod predeterminat pentru a crea obiecte tridimensionale prin depunerea de material eliminat prin capul de dozare pe elementul de bază cu o viteză controlată. Echipamentul este, de preferință, condus într-un proces care utilizează proiectare asistată de calculator (CAD) si software specializat pentru a genera mișcarea controlată a duzei și a platformei (fabricație asistată de calculator – CAM).

Obiectele tridimensionale pot fi produse prin depunerea straturilor repetate de material solidificat până la completarea formei finale.

Orice material, cum ar fi: ceara cu auto-întărire, rășini termoplastice, metale topite, bicomponente epoxidice, materiale plastice spumate sau sticlă, care aderă la stratul anterior cu o legătură adecvată prin solidificare, pot fi utilizate ca materie primă. Fiecare strat de bază este definit de stratul anterior, iar grosimea straturilor este controlată îndeaproape de înălțimea la care vârful capului de depunere este poziționat deasupra stratului precedent. Metoda de extrudare funcționează pe următorul principiu: materialul de extrudat (filamentul de intrare) este adus într-o stare semisolidă și împins printr-o duză formând un filament de diametru mai mic decât diametrul filamentului de intrare care se va solidifica rapid după extrudare. Filamentul de intrare va fi lichefiat într-o camera de lichefiere poziționată înaintea duzei. În camera de lichefiere se ridică temperatura astfel încât filamentul să își modifice starea. Diametrul filamentului rezultat în urma extrudării va rămâne constant dacă deplasarea duzei pe suprafața de depunere este menținută la o viteză constantă. Fig. 3.1. prezintă sistemul de extrudare și componentele acestuia.

Fig. 3.1. Schema sistemului de extrudare FDM

Materialul este topit în interiorul unui rezervor, astfel încât să poată curge prin duza și să se lege cu materialul adiacent înainte de solidificare. Această abordare este similară cu procesele convenționale de extrudare a polimerilor, cu excepția faptului că extruderul este montat vertical pe un sistem, în loc să rămână într-o poziție orizontală fixă [22]. În fig. 3.2. este prezentată o secțiune verticală a unui cap de dozare.

Fig. 3.2. Exemplu de duză [50]

3.2. MODELAREA GEOMETRICĂ

Motto: „Imaginația este mai importantă decât cunoștințele” – Albert Einstein. Modelarea geometrică 3D necesită dezvoltarea de către utilizator a competențelor informatice identice cu cele necesare pentru punerea în fabricație a modelelor fizice [39]. În proiectarea solidelor 3D se poate porni de la un desen realizat în 2D (fig. 3.3.) sau de la o schiță 2D (fig. 3.4.).

Modelarea solidă 3D este tehnica de a crea solide tridimensionale. Una dintre metodele principale constă în utilizarea unor combinații de primitive solide ce suferă transformări succesive.

Există numeroase tehnici de modelare precum și multe formate de modelare. Modelarea prin puncte (vertex modeling), modelarea prin muchii (edge loop modeling) și modelarea prin schițare sau desenare (paint modeling) sunt câteva dintre tehnicile de modelare prin poligoane. Suprafețele de tip NURBS sunt larg utilizate în designul industrial, provenind din industria auto unde au fost folosite pentru determinarea suprafețelor curbe.

O modelare bazată pe primitive de tip NURBS, fig. 3.5., este mai facilă, dar nu cea mai avantajoasă. Curbele NURBS sunt curbe care pot fi create prin manipularea punctelor care alcătuiesc curba și pot da o formă sinuoasă piesei. În general, curbele NURBS sunt utilizate pentru a crea contururi ce vor fi rotite în jurul unei axe pentru a crea o suprafață finală și pentru modelarea fină a suprafeței [40].

O modelare bazată pe primitive tip poligon, fig. 3.6., este cea mai utilizată metodă pentru modelarea caracterelor pentru jocurile pe calculator. În acest caz, suprafețele poligonale sunt limitate astfel încât jocul poate rula în timp real. Suprafețele poligonale dau un aspect de sculptură obiectelor modelate. O modelare bazată pe primitive subdivizate este cea mai bună alegere, fig. 3.7. Aceasta combină tehnicile de modelare NURBS și poligon.

Fig. 3.3. Desenul 2D [40]

Aceste tipuri de suprafețe conțin muchii și fețe similare poligoanelor, forme care dau obiectului o suprafață netedă.

Generarea modelelor prezentate s-a realizat prin diferite tipuri de suprafețe, obiectul fiind gol în interior.

Generarea modelelor solide tip obiect este mult mai facilă pentru proiectant și implică o altă structurare a pașilor de modelare.

Obiectele solide sunt generate pornind fie de la contururi existente (fig. 3.4.) cărora li se aplică o serie de comenzi de generare a solidului (fig. 3.10.), fie de la primitive solide (fig. 3.9.) care vor suferi modificări prin comenzi de unire, scoatere sau intersecție cu alte solide.

Formele geometrice spațiale elementare stau la baza modelării oricărui obiect indiferent de complexitatea lui. Aceste forme geometrice spațiale elementare, numite primitive de modelare 3D, sunt modele geometrice prestabilite pentru aplicațiile CAD respective.

Dacă un proiectant crează o formă complexă (fig. 3.11.) iar programul CAD utilizat permite modelarea sa, forma spațială este totuși limitată de funcția produsului și de tehnologia de fabricație [41, 42].

Fig. 3.10. Modelul solid [40] Fig. 3.11. Forme complexe [41]

3.3. MATERIALE UTILIZATE ÎN CADRUL TESTELOR

Filamentele utilizate în partea experimentală au fost limitate la PLA (acid polilactic) și ABS (copolimer acrilonitril-butadien-stiren, compus al polistirenului). Există însă o serie de materiale diferite pe piață [66].

Pentru prima parte a experimentelor s-a utilizat un filament din PLA (acid polilactic) pentru construcția pieselor. Temperatura de extrudare a fost setată la 235oC, nu s-au utilizat nici un tip de suport, în timp ce viteza de extrudare a fost menținută la 50 mm/s. Aceștia sunt parametrii constanți pe întreaga durată a experimentului. Suprafața de printare: plană.

Compania „Ultimaker” este furnizorul echipamentului folosit pentru printarea pieselor în partea experimentală [1]. Acest echipament a fost achiziționat în vederea realizării tezei de doctorat și se află în Departamentul de Grafică Inginerească și Design din Universitatea Politehnică București.

Primele kituri „Ultimaker” au fost livrate la începutul anului 2011.

Ultimaker a fost singura companie care a creat la vremea aceea o imprimantă 3D cu un extruder de tip Bowden, în care mecanismul de avans al filamentului este separat de duza de extrudare. Ca urmare nu se adaugă greutatea motorului la greutatea capului de printare.

Masa redusă a capului de printare și motoarele fixe pentru deplasarea acestuia crează un sistem stabil ideal pentru printuri rapide.

Piesele componente reproiectate din cadrul imprimantei 3D, inclusiv șuruburile de acționare și capul de printare reproiectat crează o unitate constantă îmbunătățită cu durată de viață extinsă. Părțile electronice au fost reproiectate și reactualizate de mai multe ori [1].

Kiturile includ un controller care permite reglarea vitezei de printare și a temperaturii. Transferul de date se face prin intermediul unui card SD.

Imprimanta 3D Ultimaker poate printa piese din filament ABS sau PLA.

La început tehnologiile AM au fost dezvoltate în funcție de materialele disponibile care la rândul lor au fost dezvoltate ulterior pentru a se potrivi acestor procese.

Polimeri

Filamentele pentru printarea 3D utilizate în teză se limitează la ABS ( acrilonitril-butadien-stiren) și PLA (acid polilacic), fiind materialele cele mai întălnite. În industrie se folosește o gamă largă de materiale. Domeniile de temperatură specifice printării 3D, pentru tipurile de materiale utilizate, sunt prezentate în cele ce urmează.

Temperaturile din duze și temperaturile platformelor de construcție variază în funcție de imprimantele folosite. În plus, atunci când se printează la viteze mari, intervalul de temperatură trebuie să fie ridicat pentru a evita înfundarea duzelor.

Acidul polilactic (PLA)

PLA-ul este disponibil pe piață în variante de culori diferite, dar și opace sau translucide. Materialele de tip PLA sunt derivate din plante (porumb sau cartofi) și sunt biodegradabile.

LayWoo-d3, LayBrick și FlexPLA sunt câteva din tipurile de PLA întâlnite în printarea 3D. Toate aceste tipuri de PLA încălzite la 60°C aderă bine la platforma de kapton sau sticlă, fapt care produce un finisaj neted pe suprafață de bază a piesei printate (tabelul 3.1).

Tabelul 3.1. Caracteristicile de lucru ale materialului PLA

Acidul polilactic moale / flexibil (Soft/Flexible PLA)

Acest tip de PLA are o structură cauciucată și flexibilă atunci când se realizează printarea. Există în culori limitate. Pentru cele mai bune rezultate, printarea trebuie să se realizeze cu o viteză de printare mai mică decât viteza folosită la printarea PLA-ului normal (tabelul 3.2).

Tabelul 3.2. Caracteristicile de lucru ale materialului PLA-Soft

Acrilonitril-Butadien-Stiren (ABS)

ABS-ul este plasticul utilizat în obținerea pieselor LEGO și se fabrică într-o varietate extinsă de culori. ABS-ul este un material plastic pentru printarea 3D utilizat în mod regulat. Pentru construcția pieselor este nevoie de un pat de aderență încălzit (tabelul 3.3).

Tabelul 3.3. Caracteristicile de lucru ale materialului ABS

3.4. EXPORTUL FIȘIERELOR

Transferul modelelor geometrice realizate în cadrul testelor s-a realizat cu ajutorul fișierelor de tip .stl și .obj exportate din programele grafice (fig. 3.12.).

Fig. 3.12. Export și transformare

Fig. 3.13. Formarea straturilor

Prin intermediul programului „Cura” furnizat de Ultimaker formatele .stl sau .obj au fost convertite în format .gcode.

Cel mai simplu mod de a printa un model geometric este de a-l exporta ca (.stl) fișier Stereolithography și a-l converti în .gcode, folosind programele Cura, Skeinforge sau Slic3r (fig. 3.12.).

Formarea straturilor este strâns legată de diametrul filamentului extrudat care se depune în planuri succesive paralele între ele (paralele și cu platforma de construcție) și perpendiculare pe direcția de curgere a materialului extrudat fig. 3.13. Tot în fig. 3.13 se poate observa în stratul curent traseul capului de extrudare.

CAPITOLUL 4

ANALIZA EXPERIMENTALĂ A PRINTĂRII 3D PENTRU DIVERSE TIPURI DE SUPRAFEȚE

Partea experimentală de față înglobează un studiu al suprafețelor geometrice posibile a fi printate pe o imprimantă 3D prin procedeul FDM.

Suprafețele au fost modelate prin intermediul unor programe diferite de modelare, un program dedicat proiectării CAD și un program dedicat animației digitale. Cele cinci tipuri de suprafețe folosite sunt: suprafață tip NURBS, suprafață tip POLY, suprafață tip SUBDIVS, obiect SOLID și suprafață tip MESH. Obiectele au fost printate pe o imprimantă 3D furnizată de Ultimaker.

Pentru analiza tipului de suprafață printată s-au generat diferite tipuri de suprafețe prin diferite metode în diferite programe care au fost transferate către imprimanta 3D în format .stl sau .obj:

Suprafețe tip NURBS fig. 4.1 (NURBS – Non-Uniform Rational B-splines – utilizează o metodă matematică de realizarea curbelor și suprafețelor potrivită aplicațiilor 3D);

Fig. 4.1. Suprafață tip NURBS

Suprafețe poligonale – „POLY surface” fig. 4.2., 4.3., 4.4. cu diferite subdiviziuni de suprafață (suprafețele poligonale pot fi definite ca fiind o rețea de trei sau mai multe suprafețe plane numit fețe „faces” conectate între ele pentru a crea o rețea de poligoane „poly mesh”;

Caracteristicile de printare pentru piesa din fig. 4.2.: timpul de printare – 15 minute; 0,25 m de filament consumat; piesa rezultată are 2 grame; dimensiunile piesei sunt L – l – h: 20 mm -19 mm – 10 mm; raza obiectului din aplicația CAD este 20 mm; numărul subdiviziunilor 10; înălțimea suprafeței subdivizate este 10 mm.

Fig. 4.2. Suprafață – POLY surface cu 10 subdiviziuni ale suprafeței: a – modelul CAD; b – modelul .stl; c – piesa rezultată

Caracteristicile de printare pentru piesa din fig. 4.3.: timpul de printare – 16 minute; 0.26 m de filament consumat; piesa rezultată are 2 grame; dimensiunile piesei sunt L – l – h: 20 mm-20 mm-10 mm; raza obiectului din aplicația CAD este 20 mm; numărul subdiviziunilor 20; înălțimea suprafeței subdivizate este 10 mm.

Fig. 4.3. Suprafață – POLY cu 20 subdiviziuni ale suprafeței: a – modelul CAD; b – modelul .stl; c – piesa rezultată

Caracteristicile de printare pentru piesa din fig. 4.4: timpul de printare – 16 minute; 0.26 m de filament consumat; piesa rezultată are 2 grame; dimensiunile piesei sunt L – l – h: 20 mm -19.9 mm -10 mm; raza obiectului din aplicația CAD este 20 mm; numărul subdiviziunilor 30; înălțimea suprafeței subdivizate este 10 mm.

Fig. 4.4. Suprafață – POLY surface cu 30 subdiviziuni ale suprafeței: a – modelul CAD; b – modelul .stl; c – piesa rezultată

Suprafețe subdivizate SUBDIVS fig.4.5 și 4.6. cu diferite subdiviziuni ale suprafeței (Subdiviziunile suprafeței sunt tipuri de suprafețe hibride care posedă caracteristicile ambelor tipuri NURBS și suprafete poligonale); Caracteristicile de printare pentru piesa din fig. 4.5.: timpul de printare – 16 minute; 0,26 m de filament consumat; piesa rezultată are 2 grame; dimensiunile piesei sunt L – l – h: 20 mm -20 mm -10 mm;

Fig. 4.5. Suprafață SUBDIVS cu 10 subdiviziuni ale suprafeței: a – modelul CAD; b – modelul .stl; c – piesa rezultată

Caracteristicile de printare pentru piesa din fig. 4.6.: timpul de printare – 16 minute; 0.26 m de filament consumat; piesa rezultată are 2 grame; dimensiunile piesei sunt L – l – h: 20 mm -19,9 mm -10 mm;

Fig. 4.6. Suprafețe subdivizate SUBDIVS cu 30 subdiviziuni ale sprafeței: a – modelul CAD; b – modelul .stl; c – piesa rezultată

Obiect – SOLID object (fig. 4.7.);

Caracteristicile de printare pentru piesa din fig. 4.7.: timpul de printare – 17 minute; 0.26 m de filament consumat; piesa rezultată are 2 grame; dimensiunile piesei sunt L – l – h: 20 mm -20 mm -10 mm; raza obiectului din aplicația CAD este 20 mm.

Fig. 4.7. Obiect – SOLID object: a – modelul CAD; b – modelul .obj;

c – piesa rezultată.

Suprafețe tip MESH (fig. 4.8.);

Caracteristicile de printare pentru piesa din fig. 4.8: timpul de printare – 11 minute; 0.15 m de filament consumat; piesa rezultată are 1 gram; dimensiunile piesei sunt L – l – h: 19.9 mm -19.9 mm –9.9 mm; raza obiectului din aplicația CAD este 20 mm.

Fig. 4.8. Suprafată tip MESH: a – modelul CAD; b – modelul .stl;

c – piesa rezultată.

Caracteristicile de printare pentru piesa din fig. 4.9.: timpul de printare – 11 minute; 0.14 m de filament consumat; piesa rezultată are 1 gram; dimensiunile piesei sunt L – l – h: 18.3 mm -18.3 mm – 9.5 mm; raza obiectului din aplicația CAD este 20 mm.

Fig. 4.9. Suprafață MESH cu 10 diviziuni: a – model CAD; b – model.stl; c – piesă finită

Caracteristicile de printare pentru piesa din fig. 4.10.: timpul de printare – 11 minute; 0.14 m de filament consumat; piesa rezultată are 1 gram; dimensiunile piesei sunt L – l – h: 18.6 mm -18.3 mm -9.6 mm; raza obiectului din aplicația CAD este 20 mm.

Fig. 4.10. Suprafață MESH cu 20 de diviziuni: a – model CAD; b – model.stl; c – piesă finită

Caracteristicile de printare pentru piesa din fig. 4.11.: timpul de printare – 11 minute; 0.14 m de filament consumat; piesa rezultată are 1 gram; dimensiunile piesei sunt L – l – h: 18.6 mm -18.3 mm – 9.5 mm; raza obiectului din aplicația CAD este 20 mm.

Fig. 4.11. Suprafață MESH cu 30 de diviziuni: a – model CAD; b – model.stl; c – piesă finită

Fig. 4.12 Suprafață POLY cu 30 de diviziuni: a – piese individuale; b – obiecte asamblate

Pentru convertirea în format .gcode, utilizatorul trebuie să orienteze piesa pe platforma mașinii astfel încât construirea piesei prin adiție să se realizeze într-o manieră în care să se evite necesitatea utilizării structurilor suport fig. 4.13.

Dacă totuși acestea sunt necesare, numărul lor trebuie să fie minim astfel încât îndepărtarea lor să nu afecteze aspectul exterior al piesei. Majoritatea defectelor de suprafață apărute în urma printării diferitelor suprafețe sunt date de erorile de aproximare a suprafețelor curbe cauzate de modul de construire a straturilor. Timpul de realizare al piesei depinde de tipul de suprafață. Cu cât suprafața exterioară a modelului este mai netedă cu atât timpul de realizare a piesei este mai mare deoarece perimetrul straturilor este mai mare (fig. 4.13.).

a) b)

Fig. 4.13. Perimetrul straturilor: a – suprafață poligonală (poly surface); b – suprafață subdivizată – subdivs surface.

Fig. 4.14. Structură suport

Piesele obținute din conversia formatului .stl a suprafețelor mesh necesită operații de postprocesare, piesa din fig. 4.11. fiind cea mai aproape de o suprafață netedă fără defecte majore.

Datele experimentale prezentate anterior sunt sintetizate în Tabelul 4.1. prin caracteristicile procesului de printare 3D.

Table 4.1. Caracteristicile procesului de printare [3]

unde:

t – timpul de printare; l – lungimea filamentului utilizat; M – masa piesei; L – l – h – dimensiunile piesei printate; Rugozitatea suprafeței este indicată prin Ra – abaterea medie aritmetică a profilului stabilită prin SR ISO 4287-1:1993.

Din datele experimentale se pot vedea erorile în volum ale pieselor, acestea depinzând de tipul de suprafață modelată. Rugozitatea suprafeței depinde și de gradul de netezire al suprafeței rezultate în urma modelării geometrice 3D.

Din punct de vedere dimensional, piesele modelate cu suprafețe POLY sunt cele mai apropiate de modelul CAD. Toleranțele dimensionale sunt cele caracteristice mașinii, 0,025mm, respectiv dispuse simetric și egale cu jumătate din diametrul firului depus.

CAPITOLUL 5

CONSIDERAȚII REFERITOARE LA CONSTRĂNGERILE TEHNOLOGICE ALE FDM

În ultimii ani se manifestă pe piață necesitatea dezvoltării tehnologiilor axate pe crearea pieselor personalizate specifice producției de unicate. Tehnologiile de fabricație prin adiție satisfac această necesitate.

În acest capitol sunt prezentate o serie de rezultate experimentale și recomandări pentru printarea 3D prin metoda FDM – Fused Deposition Modeling a maselor plastice de tip ABS (Acrilonitril-Butadien-Stiren). De asemenea, pornind de la aceste recomandări, este propusă o piesă etalon pentru evaluarea capacității tehnologice a echipamentului de printare.

Piesele au fost printate pe o imprimantă 3D "Ultimaker 2". În partea experimentală din acest capitol s-a utilizat un filament din ABS (Acrilonitril-Butadien-Stiren) pentru printarea pieselor.

Procesul de producție utilizând tehnologia de prelucrare prin adiție a unui produs cuprinde doar procesul tehnologic de execuție a pieselor și de montaj a produsului eliminând operațiile auxiliare, cum sunt: transportul între operații, executarea SDV-urilor etc.

Procesul tehnologic de adiție este legat direct de modificarea formei libere, dimensiunilor și proprietăților fizice ale piesei rezultate.

Când forma și dimensiunile unei piese finite se obțin prin adăugare de material, se efectuează un proces tehnologic de prelucrare a materialelor prin adiție.

Procesul tehnologic de prelucrare prin adiție este descris schematic în fig. 5.1.

Fig. 5.1. Procesul tehnologic de prelucrare prin adiție

Fig. 5.2. Modelare 3D în vederea printării

Indiferent de complexitatea pieselor unui ansamblu, acestea pot fi descompuse în forme geometrice simple. Aceste forme geometrice simple definesc complet piesa respectivă (fig. 5.2.).

Procesul tehnologic de prelucrare prin adiție este influențat de următorii factori:

Caracterul producției care este de regulă de unicat;

Construcția pieselor;

Materialul utilizat.

Piesele finite se realizează fără adaosuri de prelucrare. În această situație se obține un consum minim de material, în schimb se scumpește și se complică execuția semifabricatului, timpul de fabricație fiind lung.

Consumul specific este definit ca fiind cantitatea de material necesară realizării unei piese. În cazul procesului tehnologic de prelucrare prin adiție ideal consumul specific este același cu consumul util de material iar pierderile tehnologice de material sunt aproape nule. În aceste condiții coeficientul de folosire a materialului care este definit de raportul dintre masa netă a piesei și masa materialului folosit tinde să fie unitar.

Prin urmare factorii legați de consumul de material sunt înlăturați într-o mare masură atunci când discutăm despre utilizarea acestei tehnologii. Însă din punct de vedere al parametrilor geometrico-constructivi apar o serie de restricții de proiectare care la un moment dat pot conduce la creșterea consumului specific.

Pentru partea experimentală din cadrul acestui capitol s-a urmărit respectarea procesului tehnologic de prelucrare aditivă din fig. 5.1. pe eșantioane independente cu forme geometrice simple. Formele sunt alese astfel încât să se poată determina o serie de parametri geometrico-constructivi ce vor fi impuși în cadrul unor reguli de proiectare. Capitolul se referă în același timp și la constrângerile de proiectare și printare ale obiectelor 3D (design for additive manufacturing) impuse de limitările spațiului de lucru al mașinii și de materialul extrudat.

În prima parte experimentală din acest capitol s-a utilizat un filament din ABS (acrilonitril-butadien-stiren) pentru construcția pieselor.

În vederea printării este necesar ca materialul sa fie uscat. Condițiile generale de printare impun o încălzire a materialului plastic în cilindrul extruderului pe o plajă largă între 215o-260o C și o temperatura a platformei între 90o-115o C [5].

Temperatura de extrudare din cadrul părții experimentale a fost setată la 260o C, nu au fost utilizate structuri suport, iar viteza de extrudare a fost menținută la 50 mm/s. caracteristicile tehnice ale filamentului ce urma a fi printat: diametrul filamentului 2,85 mm și diametru filamentului după extrudare 0,3 mm.

Temperatura platformei a fost setată la 115oC deoarece pentru construcția piesei în această variantă de printare este nevoie de o platformă de aderență încălzită.

Alți parametri pentru partea experimentală sunt trecuți în Tabelul 5.1.

Realizarea prizei de legatură între platforma de construcție și piesă s-a obținut prin utilizarea unei substanțe alcătuită din: acetonă, acetat de butil, alcool, parafină lichidă și acrilonitril-butadien-stiren.

Tabelul 5.1. Parametrii Procesului

Dacă deplasarea duzei pe suprafața de construcție se face cu viteză constantă și presiunea exercitată asupra materialului topit este constantă atunci materialul extrudat va rămâne cu diametru constant în secțiune transversală. Standardele în vigoare aferente acestei tehnologii stabilesc doar terminologia pentru procesele de adiție – additive manufacturing processes [45, 28].

Tipul fișierelor .stl sau .obj au fost convertite în .gcode folosind software-ul Cura furnizat de firma Ultimaker [78, 79, 22].

Modelele geometrice au fost realizate cu un sistem 3D furnizat de Autodesk [80,39,40].

Proiectantul definește o piesă de formă „perfectă” cu forma și dimensiunile care se potrivesc funcțiilor – modelului nominal [51].

Regulile ce se impun pentru obținerea corespunzătoare a preciziilor dimensionale și de formă:

– orientarea piesei de construit pe platforma de construcție să se realizeze asfel încât suprafețele cu rol funcțional să fie poziționate perpendiculare sau paralele cu axa Z;

– utilizarea unei viteze medii de deplasare a capului de depunere (media fiind dată de viteza maximă și viteza minimă cu care se poate depune materialul, în cazul de față ABS);

– proiectarea pieselor obținute prin această metodă trebuie să elimine, încă din faza incipientă a modelării, defectele datorate „efectului de scară”; efectul de scară neaplicandu-se lungimilor liniare perpendiculare sau paralele cu axa Z. De reținut faptul că acest defect apare și în cazul în care se folosesc structuri suport, acestea fiind construite în același mod;

– pentru corpurile de revoluție se întâlnesc două tipuri de suprafețe: suprafețe aflate în vecinătatea generatoarei de contur aparent care formează un unghi în creștere cu orizontala bo și suprafețe aflate în vecinătatea generatoarei de contur aparent care formează un unghi cu valori descrescătoare cu orizontala, unghiul suplimentar unghiului co, lățimea acestei zone este direct proporțională cu raza corpului de revoluție; astfel ținându-se cont de aceste aspecte s-au stabilit: pentru o înclinare a axei ao > 30o piesa este în parametrii corespunzători, pentru o înclinare a axei 15o ≥ ao ≥ 30o piesa poate fi considerată rebut recuperabil acesta necesitănd o operație de finisare și pentru o înclinare a axei ao < 15o piesa poate fi considerată rebut straturile pentru unghiul suplimentar unghiului co nemaiputând fi construite fără structuri suport (fig. 5.3. și 5.4.);

– dacă unghiul este mai mic de 15o se impune utilizarea de structuri suport. De preferat ca structurile suport să fie cât mai puține;

Fig. 5.3. Determinarea unghiului de înclinare a axei de revoluție

Fig. 5.4. Tip de eșantion în funcție de care s-a determinat unghiul de înclinare a axei corpurilor de revoluție

– sprafețele plane se vor înclina respectând următoarele valori 0 < bo ≤ 90o și 0 < co ≤ 150o (fig. 5.5 și 5.6);

Fig. 5.5. Determinarea unghiului de înclinare a suprafețelor plane

Fig. 5.6. Tip de esantion în functie de care s-a determinat unghiul de înclinare al suprafețelor plane

– stabilirea dimensiunii ariei de contact între piesa de construit și platforma de construcție se face în funcție de grosimea stratului depus și viteza de printare, parametrii care influențează formarea zonei de contracție de la baza piesei; în testele efectuate s-a determinat aria minimă de printare ca fiind A = 328mm2 indiferent de forma poligonului de baza al piesei.

În fig. 5.7. sunt prezentate câteva eșantioane rezultate în urma testelor. Pentru suprafețe de bază cu aria A < 328mm2 apare contracția bazei. Dacă aria bazei este A < 16mm2 contracția este totala (în toată masa piesei) (fig 5.8.).

Fig. 5.8. Contracția totală a piesei

– dimensiunea minimă între pereți depinde de grosimea peretelui piesei;

– racordările pentru piesa construită să fie poziționate pentru construcție ca fiind suprafețe concave în raport cu direcția de construcție (fig. 5.9.);

Fig. 5.9. Construcția razelor de racordare

– datorită construcției pieselor strat cu strat, acestea rezistă mai bine la compresiune decât la tracțiune. Pentru folosirea rațională a materialelor, piesele se vor proiecta astfel încât forțele care acționează asupra lor să le solicite pe cât posibil numai la compresiune;

– se pot folosi schimbări bruște de secțiune;

– se vor prevedea forme complexe, cu suprafețe plane și raze de racordare variabile (razele mari de racordare nu scumpesc execuția modelelor), nu se pot impune restricții referitoare la trecerea de la suprafețele plane la suprafețele cilindrice (se vor prevedea tangențial și nu numai);

– se pot construi intrândurile și colțurile neaccesibile însă acestea trebuie să fie poziționate pe platformă astfel încât sa poată fi construite.

Regulile propuse ar trebui să servească drept bază pentru revizuirea și completarea prescrierilor existente date de producători în conformitate cu o abordare unitară și sistematică, pentru a oferi o proiectare geometrică clară și care urmează să fie utilizată și înțeleasă de către persoanele implicate în proiectarea, fabricarea și controlul pieselor realizate prin această tehnologie.

Studiul formelor geometrice simple posibil a fi printate are o importanță majoră pentru definirea unor restricții de proiectare. De exemplu, cunoașterea valorii efectului de scară împiedică obținerea rebutului, prin aplicarea lui într-o fază primară a proiectării. De asemenea cunoașterea posibilităților de realizarea a canalelor circulare ajută la proiectarea canalelor de răcire a matrițelor pentru injecție mase plastice, matrițe obținute prin procedeul de adiție [55].

Pentru a evalua capacitatea tehnologică a echipamentelor FDM se pot realiza piese etalon în care sa fie încorporate elemente geometrice specifice. Prin realizarea acestora se poate determina dacă respectivul echipament poate răspunde cerințelor tehnice necesare în proiectare.

Piesa din fig.5.10. încorporează elemente necesare stabilirii capabilității și preciziei unui echipament FDM. Acestea au fost dispuse atât pe direcțiile X, Y cât si pe Z pentru a fi acoperite toate posibilitățile de construcție. S-au avut în vedere regulile stabilite anterior referitor la poziționarea elementelor față de direcția de construcție astfel încât să nu se prevadă suprafețe suport pentru elementele construite. Pe această piesă se pot determina abaterile de formă și poziție, cât și abaterile dimensionale.

Placa de bază este folosită pentru suportul sau încorporarea celorlalte elemente cât si pentru determinarea planeității, a rectilinității și a preciziei dimensionale.

Pereții ce formează cuburi sunt folosiți pentru a stabili planeitatea, rectilinitatea, parelelismul, precizia liniară cât și capacitatea de repetabilitate a formelor.

Semisferele sunt folosite pentru a determina efectul de treaptă ce apare la construirea strat cu strat, a simetriei, a rugozității și pentru determinarea repetabilității la schimbarea continuă a unghiului de construcție.

Cilindrii și găurile cilindrice oferă indicații privind cilindricitatea, circularitatea, concentricitatea, coaxialitate, respectarea preciziei dimensionale și posibilitatea de construcție fără elemente de suport.

Conurile sunt utilizate pentru stabilirea respectării conicității și pentru a determina posibiltatea de construire a profilelor înclinate.

Pereții folosesc pentru a determina grosimea minimă de perete ce poate fi construită corect, paralelismul, perpendicularitatea și planeitatea.

Fig. 5.10. Model propus pentru testarea capabilității echipamentelor FDM

CAPITOLUL 6

PROCEDEE DE PRELUCRARE CLASICE

VERSUS PROCEDEUL ADITIV – FDM

Caracteristicile pieselor realizate prin imprimare 3D sunt direct legate de modalitatea în care acestea sunt construite. Construcția pieselor pornește de la modelări geometrice simple, poziționate pe platforma de construcție într-o anumită manieră, până la combinații de suprafețe complexe. Necesitatea realizării pieselor cu geometrii complexe este satisfăcută de utilizarea tehnologiilor aditive.

Până nu de mult aceste tehnologii au fost considerate scumpe, lente și uneori inexacte deși materialele cu ajutorul cărora se realizează piesele nu sunt scumpe în comparație cu cele utilizate în tehnologiile clasice (de exemplu: pentru injecția maselor plastice – consumul de material pentru realizarea unei piese prin această tehnologie, din ABS, este similar cu cel pentru realizarea unei piese printate 3D din același material).

Prin urmare modalitățle de obținere a acestor suprafețe complexe pe mașinile de printat 3D sunt restricționate de viteza de construcție, toleranțe, grosimea pereților printați și proprietățile materialului ce urmează a fi printat.

Pentru proiectarea pieselor cu rol funcțional trebuie să se țină seama de modalitatea de construcție a pieselor astfel încât suprafețele de tip raze de racordare, console, nervuri și suprafețe înclinate să poată fi realizate fără restricții majore de proiectare. În acest capitol se încearcă o expunere a parametrilor ce variază pe aceste tipuri de suprafețe geometrice și restricțiile de printare pentru imprimantele FDM.

În ultimii ani se manifestă tendința de a mări productivitatea procesului de printare obținându-se cantități sporite de material depus în unitatea de timp și totodată menținându-se condiții de precizie înaltă în cazul printării.

În acest sens s-a căutat să se mărească viteza de printare ceea ce a permis prelucrarea cu un debit de depunere mult superior. Una din principalele limitări ale procesului de printare cu viteze ridicate este temperatura suprafeței depuse.

Temperaturile ridicate ale suprafețelor depuse, obținute prin stratificare, au ca efect apariția tensiunilor superficiale, modificărilor de structură ale materialului și a reacțiilor chimice. Acest factor s-a considerat ca fiind principala cauză pentru contracția bazei piesei (fig. 5.8.) pe platforma de construcție atunci când nu se respectă condițiile optime de printare.

Conform [81], caracteristici geometrice pot fi regăsite în trei domenii principale [51]:

• domeniul specificațiilor, în care se realizează reprezentări ale piesei;

• domeniul dimensional, al piesei de prelucrat;

• domeniul controlului, cazul în care o reprezentare a unei anumite piesei este folosită prin eșantionare ca mijloc de măsurare.

În proiectare, piesele mecanice sunt descompuse în componente geometrice care descriu diverse caracteristici geometrice ale modelului fig. 6.1 [51].

Fig. 6.1. Caracteristici de fabricație [51].

În acest capitol sunt prezentate modalitățile de proiectare economică și rațională în construcția de mașini în cazul tehnologiilor clasice și al tehnologiilor aditive. Capitolul cuprinde principii generale și exemple practice de tehnologii clasice și tehnologii aditive aplicate în proiectare.

Fiecare exemplu este arătat în doua variante. Varianta de proiectare în vederea fabricării prin adiție poate reprezenta, din punctul de vedere al proiectării pentru utilizarea tehnologiilor clasice, o variantă greșită de proiectare. Piesele se pot executa corect și mai facil prin tehnologia prin adiție, dar execuția este considerată mai scumpă decât în varianta utilizării tehnologiilor clasice.

Exemplele sunt alese pentru procedeele tehnologice curente și sunt prezentate în următoarea succesiune:

-Cotarea desenelor de execuție, ținând seama de tehnologia de fabricare utilizată

-Prelucrări fără așchiere:

-turnare;

-forjare;

-sudare.

-Prelucrări prin așchiere:

-strunjire;

-găurire;

-frezare;

-broșare.

6.1. COTAREA PENTRU PROCEDEE DE PRELUCRARE CLASICE VERSUS PROCEDEUL ADITIV -FDM

Pentru ușurarea prelucrării prin tehnologii convenționale, scurtarea timpului de prelucrare și evitarea rebuturilor, cotarea se face în ordinea tehnologică a operațiilor de așchiere, pe fiecare tip de operație de așchiere în parte și în ordinea prinderii pe diferitele mașini unelte.

Pentru cotarea în cazul tehnologiilor clasice de prelucrare nu se admite folosirea suprafețelor neprelucrate ca suprafețe de referință (cota a din Fig. 6.2. a)), varianta pentru cota b din fig. 6.2. a) este cea corectă; pentru cotarea desenului de piesă, pentru tehnologiile prin adiție, cotarea se poate raporta la maniera în care se realizeză modelarea, de preferat ca suprafața de referință să fie aleasă ca fiind suprafața de printare în planul XY fig. 6.2. b). În fig 6.2. d) sunt prezentate dimensiunile piesei printate. Fig. 6.2. e) și f) prezintă piesa într-o poziție de printare greșită; varianta e) este o reprezentare a modelului STL din programul Cura, în care se poate observa timpul necesar printării, 29 min în acest caz, masa piesei 3g și lungimea firului de filament necesar printării 40m; în varianta f) se pot observa în zonele încercuite defectele piesei rezultate în urma printării piesei într-o poziție necorespunzătoare.

Fig. 6.2. Suprafețe de referință

Cotele importante, ca de exemplu distanța dintre două găuri, fig. 6.3., pot fi indicate direct fig. 6.3. a), dar pot rezulta și din diferența altor cote fig. 6.3. b). Printarea prin adiție nu afectează precizia de poziționare. În fig. 6.3. d) se pot observa cele trei posibile variante de printare ale acestei piese.

În fig 6.3. c) sunt prezentate dimensiunile minime ale piesei printate. Fig. 6.3. e) și f) prezintă piesa într-o poziție de printare corectă sau mai bine spus în poziția cea mai favorabilă de printare; varianta e) este o reprezentare a modelului STL din programul Cura, în care se poate observa timpul necesar de prelucrare, 46 min în acest caz, masa piesei 8 g și lungimea firului de filament necesar printării 103 m; în fig. 6.3. f) se prezintă piesa printată într-o poziție corectă.

Fig. 6.3. Indicarea directă a cotelor importante sau prin diferență de cote

Datorită printării strat cu strat, formele geometrice din care este alcătuită piesa se realizează simultan. Pentru a se realiza simetria găurilor față de o axă sau față de planul de simetrie al piesei, nu mai este necesar ca acestea să se coteze față de axă sau planul de simetrie – fig. 6.4. a), putându-se cota și față de margine – fig. 6.4. b) și c).

Fig. 6.4. Simetria găurilor

Regula cu privire la înscrierea cât mai vizibilă a cotelor, cât mai aproape de suprafețele indicate și cu linii ajutătoare de cotă cât mai scurte (10 mm contur-linia de cotă și între cote) rămâne valabilă și pentru tehnologiile prin adiție. Varianta din fig. 6.5. a) și c) este de preferat în locul variantei greșite de cotare din fig. 6.5. b). În fig 6.5. d) sunt prezentate dimensiunile piesei printate. Fig. 6.5. e) și f) prezintă piesa într-o poziție de printare corectă; varianta e) este o reprezentare a modelului STL din programul Cura iar în varianta f) se poate observa piesa rezultată în urma printării într-o poziție corespunzătoare.

Fig. 6.5. Vizibilitatea cotelor

Ori de câte ori este posibil, se va evita scrierea mai multor cote unele sub altele (fig. 6.6. a)), cu linii ajutătoare lungi, regulă valabilă pentru toate tehnologiile de fabricație.

Fig. 6.6. Cote succesive

Pentru tehnologiile prin adiție nu se va evita cotarea în lanț, deoarece abaterile fiecărei cote nu se vor cumula fig. 6.7. a). Se pot utiliza ambele variante de cotare. În fig 6.7. c) sunt prezentate dimensiunile piesei printate. În fig 6.7 d) sunt prezentate variantele de pozitionare ale modelului 3D. Fig. 6.7. e) și f) prezintă piesa într-o poziție de printare corectă; varianta e) este o reprezentare a modelului STL din programul Cura iar în varianta f) se poate observa piesa rezultată în urma printării într-o poziție corespunzătoare.

Fig. 6.7. Cote succesive

O cotă se înscrie o singură dată pe un desen, dar nu se evită utilizarea lanțurilor de cote (fig. 6.8. a). În fig 6.8. c) sunt prezentate dimensiunile piesei printate, iar în fig. 6.8. d) variantele de amplasare pe platforma de construcție. Fig. 6.8. e) și f) prezintă piesa în varianta optimă de poziționare; varianta e) este o reprezentare a modelului STL din programul Cura iar în varianta f) se poate observa piesa rezultată în urma printării.

Fig. 6.8. Poziționarea cotelor în lanț

Pentru simplificarea cotării pentru procesele de fabricație clasice și ușurința citirii desenelor, pentru piese circulare, se ia ca bază de referință pentru cotare planul uneia din axe fig. 6.9. a)[47]. Canalele circulare se pot reprezenta și asimetric față de axă atunci când pentru fabricație se utilizează tehnologiile prin adiție fig. 6.9. b). În fig 6.9. c) sunt prezentate dimensiunile piesei printate. Fig. 6.9. e) și f) prezintă piesa într-o poziție de printare optimă; varianta e) este reprezentarea modelului STL , iar în varianta f) se prezintă rezultatul printării.

Fig. 6.9. Poziționarea pe desen a canalelor circulare

La strunjirea unui arbore din bară, se strunjește mai întâi pe lungimea „e” apoi pe lungimea „f” și la urmă se taie cu lungimea „d” din bară. De aceea capătul din dreapta al arborelui se ia ca plan de referință, față de care se cotează fig. 6.10. a). Pentru tehnologia prin adiție se va utiliza cotarea din fig. 6.10. b), aceasta fiind cea corectă pentru modelare.

În fig 6.10. c) sunt prezentate dimensiunile minime ale piesei printate. În fig 6.10. d) sunt prezentate cele două opțiuni fezabile pentru orientarea piesei în vederea printării. Fig. 6.10. e) și f) prezintă piesa în poziția de printare favorabilă; varianta e) este o reprezentare a modelului STL din programul Cura; în varianta g) se pot observa în zonele încercuite defectele piesei rezultate în urma printării piesei într-o poziție necorespunzătoare adică în poziție orizontală (axa arborelui paralelă cu platforma de printare) defectele apărute se datorează structurii suport necesară pentru susținerea piesei pe platformă. În fig 6.10. h) se poate observa poziția defavorabilă printării în care axa arborelui este perpendiculară pe platformă dar construcția piesei necesită o structură suport de susținere, arborele fiind construit cu diametrul mic ca suport al piesei. Îndepărtarea structurii suport poate cauza defecte de formă ale piesei. Această poziție este defavorabilă deoarece implică un consum suplimentar de material necesar construcției suportului.

Fig. 6.10. Cotarea arborilor

În tehnologia clasică se execută mai întâi gaura și apoi lamajul, de aceea se indică ca și cotă adâncimea lamajului care se poate fixa și măsura pe gradația mașinii de găurit fig. 6.11. a). Pentru tehnologia prin adiție se acceptă toate variantele din fig. 6.11. d), alegerea uneia dintre variante depinzând de maniera în care se face modelarea. În fig 6.11. c) sunt prezentate dimensiunile minime ale piesei printate.

În fig 6.11. e) sunt prezentate variantele posibile de poziționare ale piesei in vederea prelucrării prin adiție. Varianta optimă de orientare este cea din fig. 6.11. f) cu rezultatul in urma printării din fig. 6.11. g).

Fig. 6.11. Cotarea lungimii găurilor

Porțiunea cu lățimea „e” trebuie să fie simetrică față de planul axial. Dacă se cotează de la margine și lățimea totală nu este respectată, porțiunea cu lățimea „e” devine asimetrică față de planul axial în cazul tehnologiilor clasice. De aceea se cotează față de axă al cărui plan se consideră plan de referință fig. 6.12. a). Pentru printarea 3D se preferă cotarea din fig. 6.12 c) deoarece ușurează modelarea 3D. Varianta din fig. 6.12. b) nu este de dorit a fi utilizată. Variantele printate ale acestei piese sunt prezentate în fig. 6.12. d), e) și f). În fig. 6.12. f) se poate observa piesa poziționată într-o variantă optimă de printare (consum minim de material și fără defecte geometrice. În variantele din fig. 6.12. d) și e) construcția piesei necesită realizarea de structuri suport fapt care implică după îndepărtarea acestora operații suplimentare de finisare.

Fig. 6.12. Cotarea suprafețelor plane

Pentru cotarea suprafețelor conice sunt necesare și suficiente trei elemente. Pentru modelarea 3D în vederea printării se preferă varianta din fig. 6.13. a) datorită indicațiilor explicite. Porțiunile conice se indică pentru tehnologiile clasice de prelucrare prin indicarea diametrului mare a lungimii și a conicității – fig. 6.13. b).

Fig. 6.13. Cotarea conicității

De asemenea, pentru a evita supracotarea, profilele în coadă de rândunică se cotează prin indicarea unei singure lățimi (și anume aceea care se poate măsura mai ușor), a adâncimii și a unghiului fig. 6.14. a). Pentru tehnologiile prin adiție se acceptă și varianta din fig. 6.14. b). În fig. 6.14. c) sunt indicate dimensiunile piesei ce urmează a fi printată în diverse poziții pe platforma de construcție. Posibilele variante de printare sunt prezentate în fig. 6.14. d) iar în fig. 6.14. e) și g) se poate observa piesa în poziția cea mai favorabilă de printare. Deoarece unghiul „f” de înclinare al planului înclinat este > de 30o putem considera și varianta din fig. 6.14. g) ca fiind o variantă optimă pentru printare.

Fig. 6.14. Profile în coadă de rândunică

De asemenea, în cadrul desenelor CAD ce urmează a fi folosite ca sursă pentru prelucrarea prin adiție este necesar a fi mentionațe următoarele simboluri dacă acestea au o implicație asupra funcționalității sau a propietăților mecanice/geometrice ale produsului final:

Orientarea pe mașina de fabricație prin utilizarea ca regulă a faptului că de obicei adiția se realizează în lungul axei Z.

Grosimea maximă a stratului de adiție, pentru mașinile la care aceasta poate fi variată în interiorul aceleiași piese.

Traiectoria ce urmează a fi parcursă de capul de printare în timpul procesului.

În cazul în care aceste trei indicații nu sunt prezente în desenele de execuție, piesa va fi orientată în așa fel încât să nu fie necesară construcția de structuri suport, stratul de adiție va avea valoarea egală cu dublul toleranței dimensionale minime înscrisă pe desen, iar piesa va fi realizată urmând un traseu 45o/135o.

Astfel se propune folosirea următoarelor simboluri pentru indicația axei Z necesară orientării piesei în vederea fabricării prin adiție (fig.6.15.):

Fig. 6.15. Simboluri pentru indicarea direcției de prelucrare prin adiție

Proiecția care este însoțită de simbolul din fig. 6.15. a) reprezintă stratul de bază pentru adiția perpendiculară pe ea. Proiecția însoțită de simbolul din fig. 6.15. b) este ultimul strat ce urmează a fi aplicat în procesul de adiție, piesa fiind construită de jos înspre acesta. În fig. 6.15. c) este reprezentată direcția de construcție a piesei.

Mărirea grosimii stratului de adiție are implicații în reducerea timpului de realizare a piesei dar în același timp crește rugozitatea suprafețelor perpendiculare pe direcția de adiție precum și toleranța dimensională care este egală cu jumătate din diametrul firului depus.

De aceea în anumite situații când suprafețele ce urmează a fi construite au cerințe mai reduse din punct de vedere funcțional, dimensional sau propietăți mecanice diminuate față de restul piesei, acestea pot fi construite într-un mod ce duce la o economie de timp prin depunerea unor straturi mai groase de material.

Pentru indicația grosimii stratului de adiție se propune folosirea simbolului din fig.6.16 a) urmat de valoare grosimii în mm a stratului de adiție (fig.6.16. b)):

Fig. 6.16. Simboluri pentru indicarea grosimii stratului de adiție

În cazul în care se urmăresc diferite proprietăți specifice a fi realizate în urma procesului de adiție, cum ar fi eliminarea efectului de treaptă sau proprietăți mecanice crescute pe o anumită direcție se poate varia traseul de acoperire urmat de mașina. Astfel, capul de printare urmărește un traseu implicit ce variază între două straturi succesive în planul XY, respectiv pentru stratul inițial 45o, pentru stratul ulterior 135o. Acest lucru poate fi modificat de proiectant în diferite variante (30o/120o; 0o/90o), ca regulă între două straturi succesive, exista o diferență de 900.

Astfel se propune ca simbol pentru indicarea traseului urmărit de capul de printare urmat de valorile unghiurilor:

Fig. 6.17. Simbol pentru indicarea direcției urmate de capul de printare

Utilizarea simbolurilor propuse precum și a metodei de cotare pentru piesa ce urmează a fi obținută prin FDM este exemplificată în fig. 6.18.

Fig. 6.18. Exemplu de utilizare a simbolurilor propuse

Astfel în fig.6.18. se regăsesc direcția de construcție propusă de proiectant, direcția urmată de capul de printare pentru straturi succesive (30o, 120o), cât și grosimea straturilor. Când acestea nu sunt indicate pe desen, se subîntelege folosirea valorilor implicite ale mașinii, iar orientarea în vederea fabricării urmează a fi aleasă din procedurile descrise.

6.2 PROIECTAREA PENTRU TEHNOLOGII CLASICE VS FDM

În acest subcapitol vor fi prezentate principalele reguli de proiectare ce sunt utilizate pentru realizarea de produse pornind de la procedeul prin care acestea pot fi obținute. Când se poate alege un procedeu de fabricare prin adiție, regulile clasice de urmat, nu iși mai gasesc în totalitate utilitatea, proiectantul putând să se axeze pe funcționalitatea produsului oricât de complicat ar fi ca formă, comasarea diferitelor componente într-o singură piesă, reducerea materialului care nu este strict necesar pentru îndeplinirea cerințelor de rezistență mecanică.

6.2.1. TURNAREA VS FDM

1. Metalele turnate rezistă mai bine la compresiune decât la tracțiune. Pentru folosirea rațională a materialelor, piesele turnate se vor proiecta astfel, încât forțele care acționează asupra lor să le solicite numai la compresiune. Pentru evitarea formării retasurilor, se vor evita schimbările bruște de secțiune.

2. Se vor evita formele complicate pentru modele și miezuri. Se vor prevedea forme simple, cu suprafețe plane și raze de racordare mici (razele mari de racordare scumpesc și execuția modelelor) trecerea de la suprafețele plane la suprafețele cilindrice se vor prevedea tangențial. Se vor evita intrândurile și colțurile neaccesibile. Aceleași prevederi sunt valabile și pentru cutiile de miez.

3. Ori de câte ori este posibil, se vor evita miezurile deoarece miezurile îngreunează formarea și scumpesc execuția.

Piesele printate 3D, ca și în cazul turnării, au rezistență mai mare la compresiune (fig. 6.19. b), decât la tracțiune (fig. 6.19. a)). Nervurile și întăriturile se dispun astfel încât să fie solicitate la compresiune fig. 6.19. b). În acest scop s-au executat o serie de teste pe epruvete care au fost solicitate la tracțiune (fig. 6.19. c) și d)) și compresiune (fig. 6.19. e)), aceste teste sunt prezentate și analizate în capitolul următor.

Fig. 6.19. Solicitarea nervurilor

În locurile unde există aglomerări de material se produc retasuri la turnare fig. 6.20. a)[47]. Aglomerările de material se produc în special la schimbări de secțiune de aceea în cazul turnării se alege varianta din fig. 6.20. b). În cazul printării 3D acest fenomen nu se produce deci se poate adopta forma geometrică din fig. 6.20. c) utilizând structuri suport pentru printare – fig. 6.20. d)-f). Structurile suport implică și în acest caz defecte rezultate în urma îndepărtării lor. Pentru această piesă nu există o poziție în care construcția sa nu necesite structură suport. Dintre variantele d), e) și f) de poziționare cea mai favorabilă este varianta d) defectele fiind minime în acest caz.

Fig. 6.20. Apariția retasurilor

Razele de racordare fig. 6.21. a) și raportul a/h se aleg din normative, fig. 6.21. b). În funcție de grosimea pereților și de lungimea trecerii de secțiune acest lucru nu este valabil pentru printarea 3D. Piesele ce conțin raze de racordare concave în raport cu poziționarea pe platformă se pot construi indiferent de raza de racordare fig. 6.21. d).

Fig. 6.21. Apariția retasurilor în pereții perpendiculari

Pentru turnare nu se prevăd bosaje pe ambele părți ale unui perete fig. 6.22 a), ci pe o parte bosaj și pe alta lamaj, ca în fig. 6.22 b). Pentru printarea 3D acestea nu mai sunt necesare fig. 6.22 c).

Fig. 6.22. Bosajele și lamajele

Prin prelucrare mecanică se pot realiza găuri înclinate doar cu prevederea unor suprafețe tehnologice ce împiedică ruperea sau alunecarea burghielor pe suprafața piesei. În cazul suprafețelor înclinate, se prevede bosaj pe o parte și lamaj pe cealaltă fig. 6.23. a), lucru care nu este valabil pentru printarea 3D, găurile putând fi construite ca în fig. 6.23. b).

Fig. 6.23. Realizarea găurilor

În figura fig. 6.24. sunt prezentate rezultatele printării unor găuri cilindrice în interiorul unor pereți înclinați. S-a variat poziția de construcție a piesei pe platforma mașinii astfel încât sa se realizeze găuri în toate planurile posibile. Se poate observa că forma acesteia este corespunzătoare când axa cilindrului este perpendiculară pe placa de construcție. În cazul în care se află într-un plan paralel cu axa Z a mașinii, pot apărea defecte de cilindricitate cât și defecte ale suprafeței interioare.

Fig. 6.24. Printarea găurilor

Turnarea se face prin umplerea de jos în sus a formei cu metal în stare lichidă. În spații orizontale întinse, vâna de metal lichid se destramă, pierde coeziunea și piesa devine poroasă. De asemenea, în partea superioară a acestor spații orizontale, se adună bule, care neavând pe unde să iasă, provoacă locuri goale în piesă.

De aceea se vor evita suprafețele orizontale întinse fig. 6.25. a). Pentru printarea 3D se poate utiliza varianta din fig. 6.25. a) dar cu ajutorul unei structuri suport. Pentru turnare se preferă varianta din fig. 6.25. b).

Fig. 6.25. Obținerea suprafețelor orizontale

Dacă răcirea materialului lichid nu se face simultan în toate părțile piesei, se apar tensiuni interne provocate de răcire, deci pentru turnare se alege varianta din fig. 6.26. a). Pentru printarea 3D se pot utiliza ambele variante din fig. 6.26. b).

Fig. 6.26. Grosimea pereților

Se admit muchii sau colțuri ascuțite la piesele printate 3D, ca în fig. 6.27. a). La piesele turnate muchiile sau colțurile se racordează fig. 6.27. b)[47].

Fig. 6.27. Muchiile pieselor

În sensul de scoatere al modelului din formă, diametrele se prevăd crescător. Orice intrând face imposibilă scoaterea modelului fără distrugerea formei, deci la turnare se acceptă varianta din fig. 6.28. a).

Pentru printarea 3D se recomandă varianta din fig. 6.28. b) datorită faptului că facilitează printarea fără suport.

Fig. 6.28. Poziționarea modelului

Ori de câte ori este posibil se evită miezurile și prelucrarea se face din materialul plin fig. 6.29 b). În cazul printării 3D se pot realiza inserții metalice în condiții speciale.

Fig. 6.29. Inserții metalice

6.2.2. FORJAREA VS FDM

1. La determinarea dimensiunilor brute ale semifabricatului, se va ține seama de gradul de coroiaj necesar, în funcție de forma și importanța piesei.

2. Se va ține seama că la variații bruște de secțiune (la crestături, la racordări), eforturile unitare nu se mai distribuie după legile obișnuite ale rezistenței materialelor, ci apar creșteri de eforturi unitare (concentrări de tensiune).

3. Se va tine seama că un oțel se forjează cu atât mai greu și este cu atât mai sensibil la încălzire, cu cât are un conținut mai ridicat de carbon. Ca regulă generală, un oțel se forjează cu atât mai ușor, cu cât are o alungire mai mare.

4. La alegerea felului forjării (liber sau în matriță), se va ține seama că forjarea liberă se folosește în cazul pieselor unicat sau în serie mică, iar forjarea în matriță în cazul seriilor mari sau al pieselor cu forme complicate, care nu pot fi executate prin forjare liberă.

Se vor evita formele rotunde la piesele fragile fig. 6.30. a). Pentru forjare se recomandă varianta din fig. 6.30. b). Pentru tehnologiile prin adiție sunt acceptate ambele variante din fig. 6.30.

Fig. 6.30. Proiectarea formelor rotunde [47]

Racordările în apropierea schimbărilor de secțiune sunt cu atât mai dificil de forjat cu cat raza lor este mai mare fig. 6.31. a). Pentru forjare se recomandă varianta din fig. 6.31. b). Pentru tehnologiile aditive sunt acceptate variantele de poziționare pe platformă din fig. 6.31. c) și d).

Fig. 6.31. Racordările în apropierea schimbărilor de secțiune [47]

Pentru forjare muchiile ascuțite trebuie evitate mai ales la găuri și canale. Golurile executate prin forjare se prelucrează prin batere cu mare greutate producându-se crăpături în colțuri fig. 6.32. a). Pentru forjare se recomandă varianta din fig. 6.32. b). Pentru tehnologiile prin adiție sunt acceptate ambele variante din fig. 6.32.

Fig. 6.32. Muchiile ascuțite [47]

Pentru ușurarea scoaterii din matriță se prevăd înclinații ale suprafețelor exterioare de 1:10 (α=6o) și ale suprafețelor interioare de 1:5 (β=11o) fig. 6.33. a). Pentru forjare se recomandă varianta din fig. 6.33. a). Pentru tehnologiile prin adiție sunt acceptate ambele variante din fig. 6.33. b) și c).

Fig. 6.33. Înclinațiile suprefețelor exterioare

Pentru a ușura forjarea în matriță toate trecerile și colțurile se prevăd rotunjite. Varianta din fig. 6.34. a) nu este acceptată pentru forjare. Pentru forjare se recomandă varianta din fig. 6.34. b). Pentru tehnologiile prin adiție sunt acceptate variantele de poziționare pe platformă din fig. 6.34. c) și d).

Fig. 6.34. Prevederea trecerilor și colțurilor

6.2.3. SUDAREA VS FDM

1. Se va ține seama că fiecare metal sau aliaj se comportă diferit la sudare și că unele materiale se pot suda doar în condiții speciale. De asemenea, că anumite materiale trebuie obligatoriu supuse unui tratament termic după sudare.

2. Toate piesele se deformează prin sudare, din cauza încălzirii și a contracției, în funcție de poziția și mărimea sudurii aplicate; de aceea prelucrările și în special acelea care comportă precizie, se vor prevedea numai după sudare.

3. Pentru a reduce deformarea, se va căuta, ori de câte ori este posibil, să se îmbine prin sudare numai piese de aceeași grosime;

4. Nu se pot realiza suduri prin suprapunere tot atât de rezistente cum sunt sudurile prin contact.

5. La stabilirea dimensiunilor brute (înainte de sudare), se va lua în considerare felul de pregătire al muchiilor.

6. Piesele cu grosimea până la 6mm se pot tăia cu foarfeca mecanică; peste această grosime, tăierea la foarfecă produce ecruisarea materialului în zona de tăiere, ceea ce are ca urmare apariția de crăpături după sudare în acea zonă a piesei.

7. Muchiile pieselor cu grosimea mai mare de 6 mm, se pregătesc prin tăiere cu flacăra oxi-acetilenică, sau prin rabotare.

8. La proiectarea pieselor îmbinate prin sudare, se va prevedea loc suficient, ca la fiecare cordon de sudură, zgura să poată fi ușor și complet îndepărtată prin ciocănire sau răzuire, spre a se putea depune cordoanele și straturile următoare.

9. Se va respecta regula că orice cordon de sudură să fie accesibil mâinii și ochiului.

Sudarea nervurilor se execută ușor fiind limitată doar de spațiu și accesibilitatea la locul de sudare fig. 6.35 a). Pentru tehnologiile prin adiție varianta din fig. 6.35 b) este posibil de a fi realizată fară a mai fi nevoie de sudare.

Fig. 6.35. Realizarea nervurilor

Este mult mai ușor de sudat o coroană pe un disc fig. 6.36. a), decât un disc pe un butuc subțire fig. 6.36. b). Pentru tehnologiile prin adiție este acceptată varianta din fig. 6.36. c) celelalte nefiind justificate.

Fig. 6.36. Variante de proiectare pentru roțile dințate

6.2.4. STRUNJIRE VS FDM

1. Prelucrările prin așchiere reprezintă pierderi de material prin așchiile care se îndepărtează, acestea se vor limita la strictul necesar.

2. Se va proiecta astfel încât sa existe posibilitatea prelucrării pe mai multe tipuri de mașini unelte.

3. Se vor evita locurile greu accesibile pentru scula așchietoare.

4. Piesele se vor proiecta astfel încât să poată fi sigur și ușor prinse în mașinile unelte. Se va ține seama că prinderea și centrarea reprezintă timpi neproductivi, care scumpesc prelucrarea și că prinderile și centrările repetate reduc precizia în execuție.

5. Pentru reducerea costului prelucrărilor prin așchiere, se vor evita formele complicate și dispozitivele speciale. Acestea se vor prevedea numai în cazul pieselor executate în serie și în urma unui calcul de rentabilitate.

6. Se va prevedea întotdeauna loc pentru intrarea și ieșirea sculelor din așchiere.

7. Se va ține seama de comportarea fiecărui fel de material față de procedeele tehnologice de așchiere.

8. Niciunul din procedeele tehnologice de prelucrare prin așchiere nu dă o suprafață ideală. Pe suprafața prelucrată, rămân urmele sculei așchietoare, sau urmele altor prelucrări.

9. După prelucrare, o asemenea suprafață prezintă adâncituri și proeminențe, de forme, dimensiuni și direcții diferite, care alternează. Aceste asperități se vad cu ochiul liber sau se observă numai la mărire.

Execuția arborilor cu guler fig. 6.37. a) este scumpă, deoarece este necesară multă manoperă, iar materialul îndepărtat prin strunjire este material pierdut. Pentru a înlocui gulerele se prevăd inele de fixare cu șurub sau inele cu prag de fixare fig. 6.37. b). În cazul tehnologiilor prin adiție se poate realiza varianta din fig. 6.37. a) dar poziționată pe platforma de printare astfel încât generatoarele cilindrului să fie perpendiculare pe aceasta fig. 6.37. c).

Fig. 6.37. Execuția arborilor cu guler

Pe același ax, nu se pot executa în continuare porțiuni cu același diametru, cu toleranțe diferite fig. 6.38. a). La trecerea de la o toleranță la alta pe același diametru, se prevede obligatoriu degajare fig. 6.38. b). În cazul tehnologiilor prin adiție se pot executa succesiv segmente de piesă cu toleranțe diferite, doar prin variația grosimii stratului depus, la mașinile ce au această posibilitate. Toleranța este legată direct de grosimea firului depus.

Fig. 6.38. Realizarea axului prevăzut cu diametre cu toleranțe diferite

Pentru piesele executate din bare cu diametrul d, care rămâne neprelucrat, pentru reducerea manoperei și a timpului de prelucrare, d1 se prevede cât mai mare și l1 cât mai mic fig. 6.39. a).

Pentru tehnologiile prin adiție sunt acceptate ambele variante din fig. 6.39. b) și c), varianta de poziționare corectă pe platforma de construcție fiind cea din fig. 6.39. c), astfel încât generatoarele cilindrului să fie perpendiculare pe aceasta.

Fig. 6.39. Raportarea diametrelor

Prelucrarea degajărilor interioare de lungime mare, în strunjire, este scumpă de aceea lungimea degajărilor interioare se prevăd numai atât cât este necesar pentru a asigura ieșirea cuțitului fig. 6.40. a).

Se poate prevedea și gaură cu un singur diametru și bucșe presată fig. 6.40. b). Pentru tehnologiile prin adiție sunt acceptate ambele variante din fig. 6.40. c), poziționate pe platforma de printare astfel încât generatoarele cilindrului să fie perpendiculare pe aceasta.

Fig. 6.40. Executarea degajărilor interioare

La prelucrarea în serie lățimile „a”, „b” și „c” se strunjesc simultan, deoarece timpul de lucru este stabilit de lățimea cea mai mare fig. 6.41. b), pentru scurtarea timpului de prelucrare, lățimile „a”, „b” și „c” se prevăd, pe cât posibil, egale fig. 6.41. a).

Pentru tehnologiile prin adiție sunt acceptate toate variantele din fig. 6.41, varianta corectă de printare fiind cea din fig. 6.41. c).

Fig. 6.41. Prelucrarea în serie

La prelucrările din bară se prevăd diametrele astfel încât să se poată prelucra într-un singur sens. Diametrele în trepte crescânde de la capăt spre mijloc fac posibilă strunjirea într-un singur sens și găurirea simultană, ceea ce scurtează timpul total de prelucrare fig. 6.42. a).

Pentru tehnologiile prin adiție sunt acceptate ambele variante din fig. 6.42. c) și d), poziționate pe platforma de printare astfel încât generatoarele cilindrului să fie perpendiculare pe aceasta.

Fig. 6.42. Prevederea trecerilor de la un diametru la altul

Găurile în capetele axelor îngreunează prinderea între vârfurile strungului fără ajutorul mașinii de centrare fig. 6.43. a). Dacă în loc de gaură (fig. 6.43. a)) se prevede filet exterior piesa se poate strunji între vârfuri dintr-o singură prindere fig. 6.43. b).

Pentru tehnologiile prin adiție sunt acceptate ambele variante din fig. 6.43. c) și d), poziționate pe platforma de printare astfel încât generatoarele cilindrului să fie perpendiculare pe aceasta.

Fig. 6.43. Găurile în capetele axelor

Piesele cu părți înguste ”a” fig. 6.44. a) nu se pot fixa sigur în bacurile universalului strungului. În asemenea cazuri, părțile care servesc la fixarea în bacuri se prevăd suficient de late, spre a asigura prinderea fig. 6.44. b).

Pentru tehnologiile prin adiție sunt acceptate ambele variante din fig. 6.44. c) și d), poziționate pe platforma de printare astfel încât generatoarele cilindrului să fie perpendiculare pe aceasta.

Fig. 6.44. Proiectarea păților înguste de prindere

Se prevăd de preferință forme simple și suprafețe drepte, care pot fi prelucrate cu scule normale fig. 6.45. a), nu suprafețe ce se pot prelucra doar cu eforturi suplimentare fig. 6.45. b).

Pentru tehnologiile prin adiție sunt acceptate ambele variante din fig. 6.45. c) și d), figurile reflectă și poziția corectă de printare.

Fig. 6.45. Proiectarea formelor simple

Ori de câte ori este posibil se prevăd teșituri în locul unde se face trecerea de la un diametru mai mare la un diametru mai mic în locul razelor (fig. 6.46. a)), deoarece execuția lor este mai simplă și mai ieftină fig. 6.46. b).

Pentru tehnologiile prin adiție sunt acceptate ambele variante din fig. 6.42. c) și d), figurile reflectă și poziția corectă de printare.

Fig. 6.46. Trecerile de la un diametru mare la un diametru mic

La salturi de diametru pentru filet exterior se prevede degajare fig. 6.47. b) varianta din fig. 6.47. a) este considerată greșită. Pentru tehnologiile prin adiție sunt acceptate ambele variante din fig. 6.47. c) și d), figurile reflectă și poziția corectă de printare.

Fig. 6.47. Realizarea filetelor exterioare

Pentru a se asigura ieșirea cuțitului la executarea filetului interior se prevede obligatoriu degajare fig. 6.48. b). Varianta din fig. 6.48. a) este considerată greșită. Pentru tehnologiile prin adiție sunt acceptate ambele variante din fig. 6.48. c) și d), figurile reflectă și poziția corectă de printare.

Fig. 6.48. Executarea filetului interior

Strunjirea porțiunilor conice de ax se execută mult mai ușor dacă cuțitul are ieșirea liberă fig. 6.49. b). Această variantă este preferată în proiectare în detrimentul variantei din fig. 6.49. a).

Pentru tehnologiile prin adiție sunt acceptate ambele variante din fig. 6.49. c) și d), figurile reflectă și poziția corectă de printare.

Fig. 6.49. Proiectarea porțiunilor conice de ax

6.2.5. GĂURIREA VS FDM

Executarea găurilor cu fundul drept este foarte dificilă și necesită utilizarea unor scule speciale fig. 6.50 a). Execuțiile „a” cu burghiul special; „b” cu burghiu spiral și lamaj și „c” cu burghiul spiral cu un diametru mai mic și lamaj la diametrul cerut sunt curente fig. 6.50 b).

Pentru tehnologiile prin adiție este acceptată varianta din fig. 6.50 a), poziționată pe platforma de printare astfel încât generatoarele cilindrului să fie perpendiculare pe aceasta, variantele din fig. 6.50. b) nefiind justificate funcțional.

Fig. 6.50. Executarea găurilor

Burghiul spiral alunecă și se poate rupe dacă axa găurii nu este perpendiculară pe suprafața pe care se găurește fig. 6.51. a). În aceste cazuri se lamează suprafața perpendicular pe axa burghiului, sau se execută gaura perpendicular pe axa piesei fig. 6.51. b).

Pentru tehnologiile prin adiție sunt acceptate ambele variante din fig. 6.51. c) și d), poziționate pe platforma de printare astfel încât generatoarele cilindrului să fie perpendiculare pe aceasta.

Fig. 6.51. Pozițiile axelor găurilor

Din același motiv, găurile laterale pe suprafețe rotunde se execută după lamaj sau coaxilal cu piesa, fig. 6.52. a). Varianta din fig. 6.52. b) este mai dificil de realizat.

Pentru tehnologiile prin adiție sunt acceptate variantele din fig. 6.52. c).

Fig. 6.52. Găurile excentrice pe suprafețe rotunde

Alezoarele conice trebuie să aibă ieșirea liberă de aceea, porțiunea conică se racordează fără praguri la porțiunea cilindrică fig. 6.53. a).

Pentru tehnologiile prin adiție această regulă poate să nu fie respectată, deci sunt acceptate ambele variante din fig. 6.53 c).

Fig. 6.53. Alezaje conice

6.2.6. FREZAREA VS FDM

Pentru frezare se va prefera proiectarea canalelor cu fundul drept, execuția lor fiind mai necostisitoare, deoarece se frezează cu freze disc fig. 6.54. a). Pentru tehnologiile prin adiție sunt acceptate ambele variante din fig. 6.54.

Fig. 6.54. Proiectarea canalelor

Este de preferat ca suprafețele de frezat să fie în același plan, deoarece atât prinderea cât și frezarea se execută mai ușor și mai rapid fig. 6.55. Pentru tehnologiile prin adiție suprafețele pot fi in plane diferite.

Ambele variante din fig. 6.55 se pot realiza prin tehnologii prin adiție fără utilizarea unei structuri suport.

Fig. 6.55. Suprafețele de frezat

Ieșirea canalelor de pană se prevede în afara racordărilor (fig. 6.56. b) și c)) deoarece porțiunea care intră în racordare se frezează mai greu (fig. 6.56. a)) și constituie amorsă de ruptură. Se vor prefera canalele de pană cu ieșirea racordată, cu o rază egală cu raza frezei disc fig. 6.56. b).

Prelucrarea canalelor de pană cu freza deget este mai dificilă și mai scumpă. Pentru tehnologiile pin adiție sunt acceptate toate cele trei variante din fig. 6.56. d), e) și f), poziționate pe platforma de printare astfel încât generatoarele cilindrului să fie perpendiculare pe aceasta.

Fig. 6.56. Executarea canalelor de pană

Rotunjirile exterioare executate prin frezare se vor prevedea de preferință cu r>b/2 – fig. 6.57. a), deoarece este foarte greu de obținut rotunjiri cu r=b/2 – fig. 6.57. a). Pentru tehnologiile prin adiție sunt acceptate ambele variante din fig. 6.57.

Fig. 6.57. Rotunjirile exterioare

Canalul de pană paralel cu axa conului din fig. 6.58. a) se execută mult mai ușor decât canalele paralele cu generatoarea conului din fig. 6.58. b).

Pentru tehnologiile prin adiție sunt acceptate ambele variante din fig. 6. 58., poziționate pe platforma de printare astfel încât generatoarele cilindrului să fie perpendiculare pe aceasta.

Fig. 6.58. Canalul de pană

La capetele pătrate de arbore, executate prin frezare, se prevede o porțiune circulară de trecere, cu diametrul egal cu diagonala pătratului fig. 6.59. a).

Prin aceasta se reduce cantitatea de material de îndepărtat prin frezare.

Pentru tehnologiile prin adiție sunt acceptate ambele variante din fig. 6.59., poziționate pe platforma de printare astfel încât generatoarele cilindrului și muchiile prismei să fie perpendiculare pe aceasta.

Fig. 6.59. Capetele pătrate de ax

6.2.7. BROȘARE VS FDM

Se va evita să se prevadă canale prelucrate prin broșare în găuri lungi în trepte fig. 6.60. a). În asemenea cazuri, canalele se prelucrează în bucșe introduse presat în gaură fig. 6.60. b). Pentru tehnologiile prin adiție varianta corectă este prezentată în fig. 6.60. c), poziționată pe platforma de printare astfel încât generatoarele cilindrului să fie perpendiculare pe aceasta.

Fig. 6.60. Pelucrarea canalelor [47]

La broșare este necesară o suprafață perpendiculară pe axa găurii în direcția de tăiere fig. 6.61. a). În lipsa acestei suprafețe (fig. 6.61. b)) sunt necesare dispozitive speciale. Totodată, o suprafață înclinată încarcă nesimetric broșa și o deviază de la ax. Pentru tehnologiile prin adiție se preferă varianta din fig. 6.61. c) în care piesa este poziționată cu baza de așezare plană pe platforma de printat.

Fig. 6.61. Executarea canalelor profilate

Pentru broșarea canalelor de lățimi diferite fig. 6.62. a), este nevoie de broșe diferite; în schimb canalele cu adâncimi diferite, dar cu aceiași lățime, se pot prelucra cu aceleași broșe fig. 6.62. Această condiționare nu este valabilă pentru tehnologiile prin adiție ambele variante fiind posibile de printat.

Fig. 6.62. Executarea canalelor de dimensiuni diferite

Dacă broșa lucrează pe o singură parte apar abateri de la coaxialitate din cauza încărcării nesimetrice fig. 6.63. b). De aceea se preferă pentru broșare varianta din fig. 6.63. a). Această condiționare nu este valabilă pentru tehnologiile prin adiție ambele variante fiind posibile de printat fig 6.63. c).

Fig. 6.63. Executarea canalelor

6.2.8 INJECȚIA MASELOR PLASTICE VS FDM

Principalele diferențe între recomandările de proiectare folosite în injecția de mase plastice și tehnologia de fabricație prin adiție sunt prezentate în tabelul 6.1[10].

Tabelul 6.1. Injecția de mase plastice și fabricația prin adiție

CAPITOLUL 7

ANALIZA EXPERIMENTALĂ A CARACTERISTICILOR DE REZISTENȚĂ MECANICĂ ALE PIESELOR PRINTATE PRIN TEHNOLOGIA DE ADIȚIE FDM

O producție de serie mică reprezintă o posibilitate de a crea prototipuri prin aceleași procese și din aceleași materiale, pentru cei care folosesc produsul final, și dă posibilitatea utilizatorului să aducă pe piață produse noi în loc să aștepte livrarea lor de la furnizori (ex: componentele uzate). Tehnologia aditivă FDM satisface această necesitate. Având în vedere că literatura de specialitate oferă puține informații cu privire la proprietățile acestor piese printate din materiale plastice tip ABS (Acrilonitril-Butadien-Stiren), în aceast capitol sunt prezentate unele procedee experimentale cu scopul de a evalua proprietățile elastice și mecanice ale unui astfel de material plastic printat. Piesele test au fost printate pe o imprimantă 3D "ULTIMAKER -2" în cadrul Departamentului de Grafică Inginerească și Design din Universitatea Politehnică București.

Standardele actuale pentru această tehnologie definesc numai terminologia proceselor de fabricație prin adiție [13,44]. Tipurile de fișiere .stl sau .obj au fost convertite în .gcode folosind software-ul furnizat de Cura Ultimaker [1]. Formele geometrice au fost create folosind software 3D furnizate de Autodesk [31]. În plus, modelele 3D ar putea fi obținute prin scanare 3D, folosind tehnologia low-cost în curs de dezvoltare (de exemplu Kinect) sau alte produse. Fișierul .stl ar putea fi furnizat de un PLM (Product Lifecycle Management) sau software de modelare 3D, sau descărcate din „store 3D model” (fig. 7.1.).

Fig. 7.1. Scanare 3D și imprimare integrate – software de fabricație „home manufacturing”

În partea experimentală din acest capitol s-a utilizat pentru construcția epruvetelor de testare, un filament din ABS (acrilonitril-butadien-stiren). Înainte de printare, este vital ca materialul să fie uscat. Condițiile generale de printare necesită încălzirea materialului plastic în extruder la o temperatură cuprinsă în intervalul de temperatură (215-260) oC și placa de bază (platforma de construcție) încălzită la o temperatură cuprinsă în intervalul de temperatură (90 -115) oC [46].

Temperatura de extrudare din camera de lichefiere, a fost setată la 260oC. Epruvetele fiind simple din punct de vedere geometric, nu au necesitat structuri suport de susținere. Caracteristicile tehnice ale filamentului de printat sunt: diametrul filamentului 2,85 mm, diametrul filamentului după extrudare 0,3 mm. Parametrii procesului de printare care au fost variați pe parcursul experimentelor au fost: viteza de extrudare, modalitatea de construcție a epruvetelor și densitatea de umplere a epruvetelor. Deoarece acest tip de tehnologie aditivă implică încălzirea platformei, s-a setat temperatura de încălzire a platformei la 115°C.

Materialul de tip ABS poate fi folosit pentru modele complet funcționale. Materialul este rezistent la UV și se apropie cel mai bine de materialele pieselor din producția de mase plastice.

Epruvetele au fost testate la tracțiune și compresiune, cu o mașină universală de încercări – Instron 8800 (fig. 7.2.). Testele au fost efectuate în Universitatea Politehnică București, în cadrul Departamentului de Rezistența Materialelor. Viteza de testare a fost de 1mm / min. Această mașină are o capacitate de până la 100 kN, fiind echipată cu mânere hidraulice (de la temperatura ambiantă a mediului până la maxim 1000oC). Această mașină este echipată cu dispozitive avansate cu controler numeric digital, Software Console și celulele Instron de sarcină unice Dynacell.

Fig. 7.2. INSTRON 8800 – mașină universală de încercări

Cu scopul de a determina caracteristicile mecanice (tracțiune și compresiune) și de elasticitate (modulul Young) a epruvetelor din ABS fabricate pe mașina de printat „ULTIMAKER 2”, au fost efectuate mai multe teste experimentale de tracțiune și compresiune.

Aceste teste au fost realizate deoarece s-a constatat o lipsă de informație despre valorile acestor parametri în literatura de specialitate. De fapt se găsesc informații de acest tip doar pentru sistemele scumpe, pentru imprimantele „low cost”, așa cum este cea utilizată în cadrul acestor teste, informațiile fiind inexistente (a se vedea www.matweb.com).

În scopul de a efectua testele de tracțiune, conform standardului ASTM D 638, s-a executat un set de epruvete tip os (fig. 7.3.), cu o lungime de 25 mm în zona de calibrare și o grosime de 8 mm.

Fig. 7.3. Dimensiunile epruvetei tip os

Din graficul prezentat în fig. 7.5. se poate concluziona că direcția de printare nu are o influență mare asupra rezistenței la rupere (tensile stress), aceasta variind între 67 MPa (în cazul direcției de printare orizontală) la 70 MPa (în cazul direcției de printare verticală).

Fig. 7.4. Direcția de printare: a) orizontală și b) verticală

În același timp, aceleași concluzii ar putea fi trase pentru viteza de printare: rezistența la rupere variază de la 73 MPa – în cazul unei viteze de printare scăzute (50 mm/s) la 65 MPa – în cazul unei viteze de printare mare (140 mm/s).

În zona deformațiilor mici apare o întindere de până la 5%, toate cele patru cazuri prezintă aproape aceiași alura. Au o comportare liniară până la o deformație de 5% continuând cu o înclinație lină până la rupere, care corespunde unei valori de aproximativ 30-35%.

Fig. 7.5. Curbele dependenței tensiune – deformatie specifică la întindere

În fig. 7.5 sunt prezentate curbele aferente vitezelor și direcțiilor:

1) v = 140 [mm/s], pe direcția orizontală de printare;

2) v = 140 [mm/s], pe direcția verticală de printare;

3) v = 50 [mm/s], pe direcția orizontală de printare;

4) v = 50 [mm/s], pe direcția verticală de printare;

Pentru a consolida comentariile anterioare rezultate din fig. 7.5. (a se vedea și ANEXA 1), au fost efectuate și alte teste suplimentare de încercare la tracțiune pe alte epruvete tip os, cu aceleași dimensiuni ale secțiunii transversale ca și cele precedente.

Curbele dependenței tensiune – deformatie specifică la întindere sunt reprezentate grafic în fig. 7.6. iar valorile maxime ale UTS (rezistența la rupere) sunt prezentate în tabelul 7.1.

Fig. 7.6. Curbele dependenței tensiune – deformatie specifică la întindere

Tabelul 7.1. Valorile UTS

Pentru efectuarea testelor mecanice de compresiune au fost elaborate o serie de epruvete cubice cu latura de 20 mm.

Pentru a pune în evidența influența parametrilor de depunere au fost variate atât viteza de depunere cât și gradul de umplere (cantitatea de material depusă raportată la volum total al piesei).

În acest sens au fost realizate 5 seturi de epruvete cu densitățile în valoare de 100, 80, 60, 40 și 20 procent de umplere.

Pentru fiecare eșantion de densitate constantă a fost variată viteza de depunere 149 mm/s, 100 mm/s respectiv 50 mm/s rezultând în final 15 epruvete care au fost testate la compresiune folosind aceeași mașină universala de încercări INSTRON, sarcina maxima 100kN. Viteza de încercare a fost de 1mm/min.

Fig. 7.7. Variația tensiunii în funcție de deformația specifică la compresiune

Fig. 7.8. Variația tensiunii de compresiune în funcție de procentul de umplere

Deoarece testele nu au fost concludente, nerespectăndu-se o legatură clară între viteza de printat și rezistență, (fig. 7.7. și fig. 7.8.) ( rezultatele complete sunt afișate în ANEXA 1) s-a efectuat o a doua serie de teste.

De data aceasta s-a înlăturat cazul cel mai defavorabil (adică epruvetele cu densitatea de umplere de 20%). În ceea ce privește aceste noi teste de compresiune, conform standardului D 695, s-au executat un set de epruvete cubice cu latura de 20mm.

Pentru a pune în evidența influenta parametrilor de depunere au fost variate atat viteza de depunere cât și gradul de umplere (densitatea).

În acest sens au fost realizate câte 3 piese pentru 4 seturi de epruvete cu densitățile în valoare de 100, 80, 60 și 40 procent de umplere.

Pentru fiecare eșantion de densitate constantă a fost variata viteza de depunere 149 mm/s, 100 mm/s respectiv 50 mm/s rezultând în final 36 epruvete care au fost testate la compresiune folosind aceeași mașină universala de încercări INSTRON, sarcina maxima 100kN. Viteza de încercare a fost de 1mm/min.

a)

b)

Fig. 7.9. Variația tensiunii în funcție de deformația specifică la compresiune

În fig.7.9. a) și b) sunt reprezentate, cumulat, curbele de variație a tensiunii de compresiune (σ) funcție de deformația specifică (ε) rezultate în urma testelor de compresiune efectuate.

Fig. 7.10. Variația tensiunii de compresiune funcție de procentul de umplere

Analizând graficele prezentate în fig. 7.9 și 7.10, se poate concluziona că epruvetele având o densitate de umplere egală cu 100% sunt semnificativ mai bune în ceea ce privește comportarea mecanică în comparație cu cele care au o densitate de umplere mai mică 40%.

Analizând graficele din figurile fig. 7.11. – 7.14. se constată că la o viteză mai mică de depunere (50 mm/s) se obțin caracteristici mecanice mai bune comparativ cu variantele în care viteza de depunere este mai ridicată.

Din analiza aspectului fizic al epruvetelor testate se pot trage următoarele concluzii:

– odată cu scăderea densității de umplere a epruvetelor se constată o scădere a tensiunii specifice la compresiune (fig. 7.9).

– pentru densitatea de 100% și 80% se constată o umflare uniform distribuită în volumul epruvetei(fig. 7.15.).

– se constată că o dată cu scăderea procentului de umplere, umflarea epruvetei devine din ce în ce mai proeminentă spre zona de la baza epruvetei adică spre baza de construcție a piesei pe platforma de printare (fig. 7.16.).

Concluzionând, cu o gamă largă de materiale disponibile, orice aplicație FDM poate fi abordabilă. Modificări semnificative pot fi făcute rapid și ușor cu costuri reduse de întreținere pentru a face o reorientare a producției.

FDM – Fused Deposition Modeling reprezintă o formă elocventă de obținere rapidă a prototipurilo, dar și de obținere a pieselor finite.

Componentele termoplastice sunt stabile și nu au o deformare apreciabilă, contracție, sau absorbție de umiditate, cum ar fi rășinile (sau pulberile) în procesele competitive. Produsele termoplastice sunt stabile din punct de vedere ecologic, precizia geometrică (sau toleranțele) nu se schimbă cu condiții de mediu sau în timp. Acest lucru permite ca piesele realizate prin tehnologiile FDM din ABS să fie printre cele mai precise din punct de vedere dimensional.

O concluzie importantă, rezultată din aceast capitol, este faptul că depunerea FDM pentru construcția verticală sau orizontală nu afectează semnificativ proprietățile pieselor. În schimb, variația densității de umplere și a vitezei de depunere modifică în mod direct caracteristicile elastice și mecanice. Având în vedere că viteza redusă de depunere este mai potrivită pentru realizarea unui produs final, această metodă este de preferat în cazul realizării produselor cu forme geometrice complicate.

CAPITOLUL 8

EXAMINAREA PRIN TERMOGRAFIERE A PROCESULUI DE FABRICAȚIE PRIN ADIȚIE – FDM

Acest set de teste are drept scop stabilirea câmpului termic prin termografiere și identificarea surselor termice în zona de printare și anume câmpul termic pe platforma de printare (pe durata fazei de încălzire), câmpul termic pe duza de depunere și respectiv, piesă.

Se realizează studiul comportării termice a elementelor enumerate mai sus, explorând câmpul termic prin termografiere în infraroșu. S-a utilizat aparatura de termografiere în infraroșu Camera IR (tip) ThermaCAM SC 640.

Imaginile ce vor fi prezentate în cele ce urmează sunt preluate înaintea și în timpul fazei de încălzire precum și în timpul printării. Aceste experimente au fost efectuate în cadrul Departamentului de Grafică Inginerească și Design din Universitatea Politehnică București.

Imaginile prelucrate în format TIFF vor fi prezentate și explicate în ordinea preluării din timpul printării.

8.1. PRINCIPIUL DE FUNCȚIONARE ȘI CARACTERISTICILE SISTEMULUI

Principiul metodei pasive constă în captarea radiației termice emise de obiectul examinat, înregistrarea imaginii termice și apoi decodificarea și interpretarea imaginii termice a obiectului de examinat.

Fig 8.1. Schema de principiu a a examinări prin termografiere în infraroșu – pasivă

Camera ThermaCam SC 640 este un radiometru cu detector cu ajutorul căruia se obțin imagini punct cu punct, fără o descompunere mecanică a imaginii obiectului (fără dispozitiv de scanare). Caracteristicile camerei sunt listate în Tabelul 8.1.

Informațiile pot fi înregistrate pe cartele magnetice SRAM PCMCIA sau vizualizate direct pe un ecran TV sau un display asociat cu o placă video VRC, pentru o analiză în timp real.

Detectorul este răcit cu un microsistem integrat, care funcționează pe principiul Stirling (pompă de heliu). Camera poate măsura temperaturi între -10 și +4500C, fără filtru, și cu filtru, între 450 și 15000C.

Camera este capabilă sa capteze ținte în mișcare în timp real. Spre deosebire de vizualizarea cu autorul unei camere normale care reformează imaginea în domeniul lungimii de undă 0.4-0,7m, în tab.8.1 se vede posibilitatea extinderii vizualizării pentru o bandă spectrală 3.4-5m.

Trebuie reținut faptul că măsurătorile precise ale temperaturilor sunt împiedicate uneori de diferite emisivități sau reflectări de la alte suprafețe din jurul obiectului examinat.

Tabelul 8.1. Caracteristicile camerei ThermaCam SC 640

8.2. METODA INTERPRETĂRII TERMOGRAMELOR

Înregistrarea termogramelor izotermice precum și a tuturor parametrilor de mediu care le caracterizează necesită o serie de cunoștințe de specialitate precum și o experiență suficient de bogată în utilizarea aparaturii de termografiere.

Energia radiației electromagnetice eliberate de aceasta precum și spectrul de frecvență al acesteia sunt date de legea lui Planck.

[W/srm3]; (8.1)

Unde:

-este emisivitatea unui corp negru radiat în intervalul spectrului de 1µm a lungimii de undă;

c-viteza luminii în vid 3×108 [m/s];

h-constanta lui Planck 6,6×10-34[J/s];

k-constanta lui Boltzman 1,4×10-23[J/ oK];

T-temperatura absolută a corpului negru în [oK];

λ-lungimea de undă în [m].

Factorul 10-6 se folosește pentru a putea reprezenta grafic bidimensional emisivitatea spectrală. Prin diferențierea în funcție de λ a formulei lui Planck găsim valoarea λmax, corespunzătoare maximului acestor curbe, denumită Legea lui Wien și exprimată prin:

(8.2)

Prin integrarea formulei lui Planck de la λ=0 la λ=∞ vom obține emitanța totală de radiație a unui corp negru:

(8.3)

Unde:

-emitanța totală a radiației;

-constanta lui Stefan Boltzman 5,7×10-8[W/m2K4];

T- temperatura absolută a corpului negru în [oK].

Formula cunoscută sub denumirea de formula lui Stefan Boltzman, afirmă că puterea totală de emisie a unui corp negru este proporțională cu valoarea temperaturii absolute la puterea a patra. În reprezentarea grafică , reprezintă aria suprafeței de sub curba lui Planck la o anumită temperatură.

Corpurile din natură însă nu posedă caracteristicile corpului negru, ceea ce poate introduce erori mari la interpretarea termogramelor obținute prin sistemul de termoviziune.

Din acest motiv în cazul unui corp gri legea lui Stefan Boltzman devine:

(8.4)

ceea ce înseamnă că energia totală de emisie a unui corp gri este redusă proporțional cu față de cea a corpului negru, unde reprezintă emisivitatea corpului studiat.

Cunoscând faptul că radiația în infraroșu a unui obiect este generată de trei componente de radiație: cea emisă de obiect , cea reflectată de obiect și cea transmisă de obiect , putem spune că semnalul generat de detectorul camerei IR este o funcție de forma:

S=f(To)+f(Ta)+f(Tb) (8.5)

Curba de calibrare a camerei IR față de radiația corpului negru, are alura prezentată în fig. 8.2.

Fig. 8.2.Curba de calibrare a camerei

8.3. REZULTATELE EXAMINĂRII

Condițiile în care s-au realizat examinările prin termografierea cu camera în infraroșu a procesului de adiție FDM au fost constante pe toată durata examinărilor.

S-au executat eșantioane asemănătoare din punct de vedere geometric de formă cubică ce au variat în dimensiuni. Cuburile au fost create cu laturile de: 10 mm, 20 mm și 30 mm. Pentru cubul de latura 10 mm experimentele s-au repetat deoarece baza cubului a suferit o contracție neuniformă a bazei, în acest caz s-a modificat viteza de printare pentru a observa dacă există o variație comparativă de temperatură.

Experimentul 1

Cubul cu latura de 10 mm, viteza de printare 149mm/s densitatea de umplere 100%.

Fig. 8.3. Încălzirea plăcii de depunere pentru cubul cu latura de 10mm

Fig. 8.4. Imagine preluată în timpul printării cubului cu latura de 10mm

Fig. 8.5. Histograma (variația temperaturii în timp pentru zona selectată în fig.8.4.)

Fig. 8.6. Imagine preluată în timpul printării cubului cu latura de 10mm

Experimentul 2

Cubul cu latura de 10 mm, viteza de printare 20mm/s densitatea de umplere 100%.

Fig. 8.7. Imagine preluată în timpul printării cubului cu latura de 10mm

Fig. 8.8. Imagine preluată după printarea cubului cu latura de 10mm, în timpul răcirii

Experimentul 3

Cubul cu latura de 20 mm, viteza de printare 149 mm/s densitatea de umplere 100%.

Fig. 8.9. Încălzirea plăcii de depunere pentru cubul cu latura de 20mm

Fig. 8.10. Imagine preluată în timpul printării cubului cu latura de 20mm

Fig. 8.11. Histograma (variația temperaturii în timp pentru zona selectată în fig.8.10.)

Fig. 8.12. Imagine preluată după printarea cubului cu latura de 20mm, în timpul răcirii

Experimentul 4

Cubul cu latura de 30 mm, viteza de printare 140mm/s densitatea de umplere 100%.

Fig. 8.13. Încălzirea plăcii de depunere pentru cubul cu latura de 30mm

Fig. 8.14. Histograma (variația temperaturii în timp pentru zona selectată)

Fig. 8.15. Imagine preluată după printarea cubului cu latura de 10mm, în timpul răcirii

8.4. INTERPRETAREA REZULTATELOR

În urma analizei termogramelor se poate remarca cu ușurință că temperatura în zona de printare nu variază foarte mult în timpul procesului de printare de la un strat la altul.

Variația de temperatură se remarcă printr-o valoare semnificativă pe înălțimea straturilor, adică pe înălțimea de construcție a piesei, fenomen considerat normal deoarece placa este încălzită și menținută la o temperatură constantă de 90oC, în timp ce se utilizează o viteză medie de printare.

Defectul de contracție a bazei pentru piese de dimensiuni mici nu depinde de variația de temperatură din timpul procesului de printare. Această variație de temperatură de la un caz la altul are aceeași comportare în timpul procesului de printare.

Temperatura plăcii de construcție este foarte importantă pentru zona de contact, piesa preluând o mare parte din căldură, prin aceasta se împiedică contracția bazei. Temperatura capului de printare influențează cel mai mult temperatura din zona de printare, răcirea realizându-se foarte bine după îndepartarea lui după depunere (a se vedea fig. 8.8., 8.12., 8.15.).

Având în vedere temperatura din zona de printare se poate contura o concluzie foarte importantă referitoare la optimizarea procesului de printare. Deoarece temperatura are valori constante în zona de printare, deformațiile ce pot aparea în construcția piesei sunt inexistente. Pentru a obține piese cu precizie geometrică corespunzătoare, spațiul de lucru trebuie izolat termic, iar analiza termică impusă de procesele fizice implicate în procesul de printare trebuie monitorizate. De asemenea, transferul termic dintre baza de construcție și piesă trebuie menținut pe toată durata procesului tehnologic. Răcirea piesei trebuie să fie controlată și sincronizată cu răcirea bazei de construcție.

CAPITOLUL 9

INFLUENȚA TEHNOLOGIEI DE FABRICAȚIE ADITIVĂ ASUPRA DESIGNULUI DE PRODUS

Cunoașterea posibilităților de fabricație prin adiție permite proiectanților aplicarea de noi idei în dezvoltarea produselor.

Astfel principalul avantaj al fabricației prin adiție față de procedeele clasice este dat de noile posibilități de design. Aceste opțiuni de a proiecta radical diferit conduc la o deschidere spre fabricația aditivă în toate domeniile de proiectare. Avantajul dat de faptul că se pot construi piese finite de orice complexitate fără nevoia de a mai avea prelucrări ulterioare și fără o implicație a geometriei alese asupra costului final, orientează proiectantul doar spre funcția produsului, eliminând restricțiile date de prelucrările clasice asupra formei piesei.

Orientarea din prezent în domeniul proiectării de produs, după stabilirea funcțiilor pe care acesta trebuie să le îndeplinească, se axează în eliminarea dificultăților de prelucrare și reducerea costurilor de producție, asamblare și logistică. Acest concept este denumit „Design for manufacture and assembly” și se implementează încă din faza de dezvoltare a produselor, folosindu-se mai ales pentru metodele de prelucrare clasice. Principiile care ghideaza DFMA, se pot aplica și în tehnologia prin adiție.

Datorită libertăților în proiectarea formelor geometrice și a complexității posibile prin fabricația aditivă, se dezvoltă un nou concept numit „Manufacturing for design”, respectiv fabricație pentru proiectare.

Astfel, un proces de proiectare care dispune și de posibilitatea realizării produsului sau piesei folosind tehnologia aditivă începe prin definirea funcțiilor. Următorul pas este indentificarea potențialului aplicării fabricației prin adiție în realizarea produsului și selectarea procesului de adiție prin care se poate fabrica.

Fig. 9.1. Fluxul în proiectare

Pentru a stabili dacă fabricația prin adiție este o opțiune viabilă de construcție a pieselor proiectate se au în vedere următoarele:

materialele disponibile pentru fabricația prin adiție să respecte cerințele legate de propietățile fizice statice (porozitate, rezistență la tracțiune, ductilitate) și propietățile fizice dinamice (rezistența la oboseală)

volumul pieselor proiectate să se încadreze în capacitatea de construcție a mașinii AM

rugozitatea suprafețelor, precizia dimensională și de formă sunt îndeplinite de capacitățile procesului AM.

În cazul în care cerințele sunt îndeplinite, iar piesele se pot realiza prin AM se impune o comparație a costului de producție față de costul de producție folosind procedeele clasice.

Dacă în specificațiile produsului se identifică cerințe legate de folosirea în piesă a mai multor materiale, suprafețe cu complexitate ridicată, integrarea de senzori, fabricarea unor canale sau structuri interne, reduceri de greutate, un grad mare de unicitate și personalizare, iar importanța acestora este majoră pentru realizarea funcțiilor produsului, fabricația prin adiție devine recomandabilă atât din punct de vedere al posibilității de realizare cât și din punct de vedere al costului.

După selectarea procedeului de fabricație prin adiție propice, procesul de proiectare al produsului continuă prin aplicarea restricțiilor de design caracteristice AM. Optimizarea are loc prin integrarea sau comasarea mai multor subansamble, prin tehnici de reducere a masei produsului cu ajutorul analizei cu element finit și folosirea de structuri tip fagure ori grindă cu zăbrele.

Datorită posibilităților de a construi suprafețe complexe folosind materiale care îndeplinesc cerințele mecanice și un proces de adiție compatibil, se pot modela matematic funcțiile principale ale produsului și acesta se optimizează pentru a îndeplini aceste funcții. Acest lucru conduce spre un design pentru funcție, iar folosind fabricația prin adiție se poate realiza conceptul de fabricație directă, utilizând reprezentarea 3D a modelului rezultat în urma optimizărilor.

În fig. 9.2. a) este prezentat un produs existent format din 4 componente si 12 elemente de asamblare realizate prin tehnologiile clasice și varianta reproiectată și realizată prin fabricație aditivă, care îndeplinește aceleași funcții, dar este o singură piesă. Piesa reproiectată din fig. 9.2. b) poate fi realizată doar prin tehnologia aditivă, avantajele acesteia fiind legate de eliminarea operațiilor de asamblare și a timpilor de logistică între operații, de folosirea unui singur echipament pentru fabricație și reducerea consumului de material.

Fig. 9.2. Element de răcire din interiorul unui avion militar [22]

Posibilitatea oferită de tehnologia prin adiție de construcție a unor canale interioare de răcire, care pot fi de orice formă și înglobate într-o piesă unitară aduce îmbunătățiri în domeniul mecanicii fluidelor.

În fig. 9.3. a) [23] este prezentat comparativ designul unui capac de motor diesel care, prin reproiectare pentru fabricația prin adiție (fig. 9.3.b)) beneficiază de avantajele unei răciri mai bune prin canalele curbe prevăzute. De asemenea se elimină suprafețele tehnologice prevăzute pentru găurirea canalelor.

Fig. 9.3. Capac de motor [23]

Produse specifice pot beneficia de microstructuri 3D suplimentare pentru a îmbunătăți funcția generală, precum adăugarea de nervuri interioare într-un tub pentru a realiza o curgere turbionară [12].

Fig. 9.4. Tub cu nervuri interioare [12]

Aplicând metode de calcul cu element finit se pot reproiecta piese pentru fabricația prin adiție în așa fel încât să rezulte reduceri semnificative ale consumului de material și a greutății produsului final. În fig. 9.5. este ilustrat produsul rezultat în urma reducerii semnificative a materialului în exces. Acest lucru conduce la o masă redusă a piesei, care fiind folosită în aviație, conduce la o economie de combustibil [46].

Fig. 9.5. Cataramă centură de siguranță [46]

and David Bracket

Un astfel de proces de reproiectare este prezentat în fig. 9.6. [2]. Astfel, suprafețele care au rol funcțional sunt lăsate neafectate, restul piesei va urmări reiterații pentru atingerea unei greutăți optime prin eliminarea treptată de material.

Fig. 9.6. Braț metalic în consolă [2]

În fig. 9.7. sunt prezentate 3 posibile structuri rezultate ce respectă condiția de rezistență mecanică din specificații și pot fi realizate prin fabricație aditivă.

Fig. 9.7. Optimizarea structurii [90]

Deoarece complexitatea design-ului nu afectează costul final al produsului în fabricația aditivă, timpul de realizare al piesei fiind legat de cantitatea de material ce urmează a fi depusă, se pot aduce îmbunătățiri ale funcțiilor sau reduceri de cost asociate eliminării prelucrărilor mecanice sau a deșeurilor rezultate în urma prelucrărilor.

Fig. 9.8. [21] prezintă un colector de gaze de eșapament al unei mașini de curse, proiectat pentru tehnologia de fabricația prin adiție.

Fig. 9.8. Ansamblu de evacuare [21]

Aplicații ale dezvoltărilor recente din domeniul structurii materialelor se pot realiza cu ajutorul tehnologiei prin adiție. Structurile de tip tridimensional, matriceal, fagure sau ce copiază elemente din natură vor înlocui treptat materialele de tip spumă , datorită calităților legate de greutate specifică și rezistență mecanică. Așa cum se poate vedea în fig. 9.9., pornind de la o structură de tip octet, prin fabricație aditivă se pot realiza piese care sa beneficieze de un raport optim intre rezistența mecanică și greutate [22].

Fig. 9.9. Unitate structurală tip octet și exemple de materiale rezultate prin AM [22]

Deschiderea către un public mai larg, datorită legăturii între modelul 3D și realizarea directă a piesei are o implicație benefică în dezvoltarea de noi produse. Astfel se pot identifica direcții noi în arhitectură, a produselor textile, industria mobilei și a design-ului de unicate.

Fig. 9.10. Scaune [96]

Fig. 9.10. Design de mobilier – scaun Gaudi [96]

Fig. 9.11. Obiect de artă [34]

Prin mediatizarea datorată internetului, tehnologia de fabricație prin adiție a devenit cunoscută și în mediile care nu aveau directă legatură cu domeniul ingineresc. Astfel, prin intermediul unor servicii de printare 3D, se pot realiza fizic piese proiectate de cei care au acces la un mediu de modelare geometrică. De asemenea, s-au creat baze de date cu produse ce pot fi replicate de cei care dețin astfel de imprimante 3D.

Tehnologia de fabricație prin adiție are un impact semnificativ asupra designului produselor industriale prin redefinirea metodelor de proiectare, posibilităților de realizare a unor piese cu geometrii complexe, prin reducerea consumului de material, prin scăderea greutății produselor și prin folosirea de structuri de materiale inovative.

CAPITOLUL 10

CONCLUZII

10.1. CONCLUZII GENERALE

1. Printarea este o operație foarte importantă în cadrul procesului de obținere a prototipurilor rapide. Defectele survenite în timpul printării pot fi transferate către piesa finită.

2. Datorită grosimii mici a firului depus (comparativ cu grosimea filamentului de intrare) ce se topește la o temperatură predefinită, pierderile prin depunere (arderea materialului topit) sunt mici aproape inexistente.

3. Calitatea pieselor este definită în termeni geometrici de toleranțele în care se înscriu acestea și rugozitatea suprafețelor. Acestea sunt direct legate de orientarea piesei in vederea construcției și de grosimea firului de material depus.

4. Procesul de fabricație prin adiție FDM este privit în ansamblu ca un sistem ce are ca element central mașina de printat.

5. În procesul de fabricație prin adiție FDM sunt implicați mai mulți factori, de exemplu: suportul și modul de construcție al piesei, dimensiunile filamentului de intrare/ieșire din duză, alegerea/tratarea lichidului sau lipiciului de prindere de placă și competența proiectantului de a proiecta și modela forma geometrică.

6. Mașinile de printat 3D trebuie să prezinte o structură foarte rigidă pentru a putea satisface exigențele de precizie.

7. Cerințele de bază ce se impun la proiectarea unei mașini de acest gen, care realizează o producție bazată pe repetabilitate în poziție și toleranțe strânse, includ: toleranțe de două-trei ori mai strânse la încheierea lucrului decât la începutul acestuia; uzură minimă a părților active; vibrațiile mașinii să fie zero; setări și reglări precise.

8. Capul (dispozitivului de printare) trebuie echilibrat dinamic și trebuie să funcționeze perpendicular pe placa de printare.

9. Procesul de fabricație prin adiție FDM poate fi considerat ca fiind un proces de extrudare pe verticală sau de sudare cu cordon lângă cordon.

10. Parametrii mai importanți ce pot fi luați în considerare la optimizarea procesului de fabricație prin adiție FDM: dimensiunile și construcția piesei de printat; viteza de printare; temperatura medie în zona de printare; vibrațiile capului de printare; uzura mecanismelor de poziționare a capului de printare.

11. Au rezultat două concluzii referitoare la caracteristicile mașinilor de fabricație prin adiție FDM. Una dintre acestea este legată de influența structurii și a elementelor componente ale mașinii de fabricație prin adiție FDM asupra caracteristicilor pieselor rezultate. Aceasta depinde de proiectarea mașinii de fabricație prin adiție FDM. Cea de-a doua concluzie este bazată pe influența caracteristicilor mașinii de fabricație prin adiție FDM asupra procesului de fabricație prin adiție FDM, caracteristici cum ar fi: viteza de printare, suprafața rezultată în urma printării, densitatea de umplere a piesei construite.

10.2. ANALIZA SWOT

Descrierea stadiului actual al tehnologiei prin adiție, precum și a posibilităților de dezvoltare ulterioară, este reprezentată în analiza SWOT. Analiza SWOT prezintă avantajele și dezavantajele tehnologiei, enumerate ca puncte tari și slabe ce sunt determinate din prezent. De asemenea, sunt identificate oportunitățile și amenințările ce pot afecta viitorul tehnologiei prin adiție.

Tabelul 10.1. Analiza SWOT

10.3. CONTRIBUȚII ORIGINALE. DISEMINAREA REZULTATELOR

Din punct de vedere experimental s-au adus următoarele contribuții:

1. Analiza procesului de fabricație prin adiție FDM realizată ca un proces de extrudare în faza de inițiere a printării și ca un proces de depunere pe întreg parcursul acesteia.

2. În urma experimentelor efectuate s-a constatat că majoritatea defectelor de suprafață apărute în urma printării diferitelor suprafețe sunt date de erorile de aproximare a suprafețelor curbe cauzate de modul de construire a straturilor si de soluțiile de modelare geometrică folosite. Acestea pot fi minimizate folosind suprafețe tip POLY și o orientare corespunzătoare pentru construcția piesei.

3. Din datele experimentale rezultate, se pot vedea erorile în volum ale pieselor, acestea depinzând de tipul de suprafață modelată. Rugozitatea suprafeței depinde de gradul de netezire a suprafeței rezultate în urma modelării geometrice 3D.

4. Stabilirea unor reguli ce se impun pentru obținerea corespunzătoare a preciziilor dimensionale și de formă:

orientarea piesei de construit pe platforma de construcție să se realizeze asfel încât (pe cat posibil) suprafețele cu rol funcțional să fie poziționate perpendicular sau paralel cu axa Z;

utilizarea unei viteze medii de deplasare a capului de depunere (media fiind dată de viteza maximă și viteza minimă cu care se poate printa materialul, în cazul de față ABS);

proiectarea pieselor obținute prin această metodă trebuie să elimine, încă din faza incipientă a modelării, defectele datorate „efectului de scară”; efectul de scară neaplicăndu-se dimensiunilor liniare perpendiculare sau paralele cu axa Z. De reținut faptul că acest defect apare și în cazul în care se folosesc structuri suport, acestea fiind construite în același mod;

pentru corpurile de revoluție se întâlnesc două tipuri de suprafețe: suprafețe aflate în vecinătatea generatoarei de contur aparent care formează un unghi în creștere cu orizontala bo și suprafețe aflate în vecinătatea generatoarei de contur aparent care formează un unghi cu valori descrescătoare cu orizontala, unghiul suplimentar unghiului co, lățimea acestei zone este direct proporțională cu raza corpului de revoluție; astfel ținându-se cont de aceste aspecte s-au stabilit: pentru o înclinare a axei ao > 30o piesa este în parametrii corespunzători, pentru o înclinare a axei 15o ≥ ao ≥ 30o piesa poate fi considerată rebut recuperabil acesta necesitănd o operație de finisare și pentru o înclinare a axei ao < 15o piesa poate fi considerată rebut straturile pentru unghiul suplimentar unghiului co nemaiputând fi construite fără structuri suport (fig. 5.3. și 5.4.);

dacă unghiul este mai mic de 15o se impune utilizarea de structuri suport. De preferat ca structurile suport să fie cât mai puține;

stabilirea dimensiunii ariei de contact între piesa de construit și platforma de construcție se face în funcție de grosimea stratului depus și viteza de printare, parametrii care influențează formarea zonei de contracție de la baza piesei; în testele efectuate s-a determinat aria minimă de printare ca fiind A = 328mm2 indiferent de forma poligonului de baza al piesei.

5. Prezentarea modalităților de proiectarea economică și rațională în construcția de mașini în cazul tehnologiilor clasice și al tehnologiilor aditive. S-a realizat un studiu comparativ al acestora. Studiul cuprinde principii generale și exemple practice de tehnologii mecanice clasice și tehnologii aditive – FDM aplicate în proiectare.

6. Propunerea unor simboluri specifice pentru înscrierea pe desenele de execuție a grosimii straturilor de adiție, a orientării în vederea construcției pieselor și a direcției de depunere a materialului.

7. Propunerea unei piese etalon pentru determinarea capabilității echipamentelor FDM.

8. Analiza experimentală a caracteristicilor de rezistență mecanică ale pieselor printate prin tehnologia de adiție FDM. O concluzie importantă, rezultată din aceast capitol, este faptul că depunerea FDM pentru construcția verticală sau orizontală nu afectează semnificativ proprietățile pieselor. În schimb, variația densității de umplere și a vitezei de depunere modifică în mod direct caracteristicile elastice și mecanice. Având în vedere că viteza redusă de depunere este mai potrivită pentru realizarea unui produs final, această metodă este de preferat în cazul realizării produselor cu forme geometrice complicate.

9. Stabilirea câmpului termic prin termografiere și identificarea surselor termice în zona de printare și anume câmpul termic pe platforma de printare (pe durata fazei de încălzire), câmpul termic pe duza de depunere și respectiv, piesă.

10. Realizarea unei analize SWOT a tehnologiei prin adiție.

Pe parcursul elaborării tezei de doctorat au fost publicate 4 articole în reviste de specialitate, indexate ISI Thomson sau BDI:

1. Pascu N. E., Arion A.F., Dobrescu T., Căruțașu N.L., Fused Deposition Modeling Design Rules for Plastics, Revista Materiale Plastice, Volume: 52, Issue: 2, Pag. 141 – 143, ISSN: 0025-5289, ISI Thomson, WOS: 000357767900002, 2015;

2. Căruțașu N. L., Simion I., Căruțașu G., Jiga G., Arion A. F., Experimental Test for Elastic and Mechanical Evaluation of ABS Plastic Used in 3D Printing, Revista Materiale Plastice Nr. 52, No. 33, pp. 397 – 401, ISI Thomson, WOS:000362382300028, 2015;

3. Arion A.F., Dobrescu T.G., Pascu N.E., 3D Surface Modelling Aspects for 3D Printing, Proceedings in Manufacturing Systems, Volume 9, Issue 4, pp. 199-204, ISSN 2067-9238, ISSN-L 2067-9238, www.icmas.eu, Editura Academiei Române, București, 2014;

4. Dobrescu T.G., Pascu N.E., Arion A.F., Improving the Slicing Process Characteristic Parameters, Proceedings in Manufacturing Systems, Volume 8, Issue 4, ISSN 2067-9238, Editura Academiei Române, București, pp. 233-238, 2013.

De asemenea, se află în curs de publicare un articol în Buletinul UPB cu titlul “Dimensioning rules for 3D printed parts using additive technologies (FDM)”.

10.4. PERSPECTIVE DE CONTINUARE A CERCETĂRILOR

În urma cercetărilor realizate am ajuns la concluzia că acest "domeniu" nu a fost îndeajuns cercetat, bibliografia fiind destul de săracă în ceea ce privește utilizarea imprimantelor low cost; prin urmare, calea rămâne deschisă spre noi direcții de cercetare. Următoarele cercetări ar putea fi îndreptate către:

1. Se poate realiza o optimizare a procesului de fabricație prin adiție – FDM, realizată asemănător optimizării folosite în mai multe domenii de proiectare. Optimizarea proiectării pe mai multe domenii OPMD a unor sisteme largi se bazează pe cuplarea disciplinelor (domeniilor), existența obiectivelor multiple, un domeniu larg al variabilelor de proiectare și un număr important de restricții de proiectare. Această optimizare a procesului de fabricație prin adiție – FDM ar putea asigura proiectarea pe multidomenii și este eficientă în conducerea procesului tehnologic având în vedere domeniile și rigorile modelării geometrice.

2. Se poate realiza o analiză cu ajutorul unei rețele neuronale a optimizării procesului de printare.

3. Studiul printării polimerilor și prin alte procedee de fabricație prin adiție cum ar fi tehnologiile de fotopolimerizare în cuvă.

4. Realizarea unui sistem de preluare și desprindere de pe platformă a piesei rezultate în urma printării.

5. Realizarea unor mașini inteligente, capabile de a sesiza mărimi fizice ca: viteza de depunere, vibrația, devierea și tensionarea capului de printat și capabile să corecteze aceste mărimi în timp real cu scopul de a optimiza procesul de printare. Verificarea video a calității printării, cu feed back interactiv de reglare a parametrilor de fabricație.

6. Realizarea unei analize a producției de piese cu valoare și complexitate ridicată prin proiectarea unor noi unități de producție care să aplice conceptul de fabricație directă (direct manufacturing).

7. Elaborarea unei strategii în pregătirea specializată CAD a inginerilor pentru AM – FDM;

8. Se poate realiza un studiu de caz pentru o intreprindere nouă, bazată în totalitate pe AM – FDM și avantajele relocării producției în Europa în detrimentul țarilor cu mână de lucru ieftină.

9. Proiectarea unor mașini unelte combinate, AM și un centru de prelucrare prin așchiere integrate, cu scopul de a beneficia de avantajele ambelor tehnologii.

10. Aplicarea cercetărilor efectuate în industria din România.

ANEXA 1

REZULTATUL TESTELOR LA ÎNTINDERE ȘI COMPRESIUNE

Setul 1 de teste la tracțiune

Setul 2 de teste la tracțiune

Setul 1 de teste la compresiune

BIBLIOGRAFIE

1. Abella J., Chu E., Griffin M., Ultimaker, available at: http://ultimaker.com.

2. Aremu A., Ashcroft I., Wildman R., Hague R., Tuck C., Brackett A, The effects of bidirectional evolutionary structural optimization parameters on an industrial designed component for additive manufacture, Jurnal of Engineering Manufacture, 227 (6) pp. 794 – 807, SAGE, 2013.

3. Arion A.F., Dobrescu T.G., Pascu N.E., 3D surface modelling aspects for 3D printing, Proceedings in Manufacturing Systems, Volume 9, Issue 4, pp. 199-204, ISSN 2067-9238, ISSN-L 2067-9238, www.icmas.eu, Editura Academiei Române, București 2014.

4. Bauser M., Sauer G., Siegert K., Extrusion, ASM International_ Materials Park, Ohio 44073-0002, ISBN-13: 978-0-87170-837-3, www.asminternational.org.

5. Bellini A., Guceri S., Bertoldi M., Liquefier dynnamicsin fused deposition, J Manuf Sci Eng. 126:237 – 246, published By ASME, 2012;

6. Boothroyd G., Dewhurst P., Knight W., Product design for manufacture and assembly, Marcel Dekker, Inc., New York, 1994.

7. Bralla J.G., Handbook of product design for manufacturing. McGraw-Hill, New York, 1986.

8. Burns M. Automated fabrication: improving productivity in manufacturing. Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1993.

9. Campbell J., Castings, Elsevier Science Ltd., ISBN 0 7506 4790 6, 1999.

10. Campos S., Munguia J., Lloveras J., Introduction of a design for rapid manufacturing (DFRM) perspective in engineering design education, IC of Enginnering and Product Design, 2007.

11. Căruțașu N. L., Simion I., Căruțașu G., Jiga G., Arion A. F., Experimental Test for Elastic and Mechanical Evaluation of ABS Plastic Used in 3D Printing, Materiale Plastice Nr. 52, No. 33, pp. 397 – 401, 2015.

12. Choi J-W., Yamashita M., Sakakibara J., Kaji Y., Oshika T., Wicker RB., Combined micro and macro additive manufacturing of a swirling flow coaxial phacoemulsifier sleeve with internal micro- vanes. Biomed Microdevices 12(5):875–886, 2010

13. Chua C.K., Leong K.F., Rapid prototyping: principles and applications in manufacturing. Wiley, New York, 1998.

14. Chen X., Modelling of directed energy deposition processes, a Thesis presented to the Faculty of the Graduate School of the Missouri University of Science and Technology In Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree Master of Science in Manufacturing Engineering 2013.

15. Dobrescu T.G., Pascu N.E., Arion A.F., Improving the Slicing Process Characteristic Parameters, Proceedings in Manufacturing Systems, Volume 8, Issue 4, ISSN 2067-9238, Editura Academiei Române, București, pp. 233-238, 2013.

16. Dehoff R., et al., Advanced Materials & Processes, Vol 171, No. 3, 2013.

17. Dutta B., et al., Rapid Manufacturing and Remanufacturing of DoD components Using Direct Metal Deposition, The AMMTIAC Quarterly, Vol 6, No. 2, 2011.

18. Dutta B., Natu H., Mazumder J., Near net shape repair and remanufacturing of high value components using DMD, TMS Proceedings, Vol 1: Fabrication, Materials, Processing and Properties, p 131-138, 2009.

19. Emmelmann C., Sander P., Kranz J., Wycisk E., Laser Additive Manufacturing and Bionics, Redefining Lightweight Design, Physics Procedia 12 pp.364–368, 2011.

20. Froes F.H., Powder Metallurgy of Titanium Alloys, Advances in Powder Metallurgy. Eds. Isaac Chang and Yuyuan Zhao, Woodhead Publishing, Philadelphia, 2013.

21. Gebhardt A., Understanding Additive Manufacturing, Hanser Publishers, Munich Hanser Publications, Cincinnati, ISBN-13: 978-1-56990-507-4, 2011.

22. Gibson I., Rosen D. W., Stucker B., Additive Manufacturing Technologies – Rapid Prototyping to Direct Digital Manufacturing, ISBN 978 – 1 – 4419 – 1119 – 3, Springer, 2010.

23. Hague RJM., Unlocking the design potential of rapid manufacturing. In: Hopkinson N, Hague RJM, Dickens PM (eds) Rapid manufacturing: an industrial revolution for the digital age, Wiley, Chichester, UK, 2006.

24. Hastings B., The transition from rapid prototyping to direct manufacturing, SME RAPID Conference, Detroit, May 20–22 2007.

25. Hopkinson N., Two projects using SLS of nylon 12, 3D Systems North American Stereolithography User Group Conference, Tucson, AZ, April 3–7 2005.

26. Hoskins S., 3D Printing for artists, designers and makers,ISBN: 978-1-4081-7379-4

27. Johnson P.L., ISO 9000: Meeting the new international standards, McGraw-Hill, New York, 2003.

28. Jurens K., Standards for the rapid prototyping industry, Rapid Prototyping Journal, no.4, pp169-173, 1999;

29. Kalpakijan S., Manufacturing engineering and tehnology, Illinios Institute, Seven Edition, Pearson, ISBN 978-0-13-312874-1

30. Kruth JP., Leu MC, Nakagawa T, Progress in additive manufacturing and rapid prototyping. Ann CIRP 47(2):525 – 540, 1998.

31. Kruth JP., Mercelis P, Van Vaerenbergh J., Binding mechanism in selective laser sintering and selective laser melting. Rapid Prototyping J11(1):26-36, 2005

32. Kytannen J., Rapid manufacture for the retail industry. In: Hopkinson N, Hague RJM, Dickens PM (eds) Rapid manufacturing: an industrial revolution for the digital age, Chap. 18. John Wiley & Sons, Chichester, UK, 2006.

33. Lee S.T., Park Chul B., Foam, Extrusion, Principles and Practice, Boca Raton London New York,

Second Edition, International Standard Book Number-13: 978-1-4398-9860-4 (eBook – PDF).

34. Masters M., Direct manufacturing of custom-made hearing instruments, SME rapid prototyping conference and exhibition, Cincinnati, OH 2003.

35. Masters M., Velde T., McBagonluri F., Rapid manufacturing in the hearing industry. In: Hopkinson N, Hague RJM, Dickens PM (eds) Rapid manufacturing: an industrial revolution for the digital age, Wiley, Chichester, UK, 2006.

36. Oxman N., Armor Imaginary Beings, 2012.

37. Patil L., Dutta D., Bhatt A.D., Lyons K., Jurrens K.., Pratt M.J., Sriram R.D., Representation of heterogeneous objects in ISO 10303 (STEP). Proceedings of the ASME international mechanical engineering congress and exposition, Mechanical Engineering Division Orlando, FL, 2000.

38. Pascu N. E., Arion A.F., Dobrescu T., Căruțașu N.L., Fused Deposition Modeling Design Rules for Plastics, MATERIALE PLASTICE, Volume: 52, Issue: 2, Pag. 141 – 143, ISSN: 0025-5289, 2015.

39. Pascu N.E., Dobrescu T., Opran Constantin C., Enciu G., Realistic scenes in cad application, Journal Procedia Engineering, Vol. 69, Published by Elsevier Ltd., ISSN 1877-7058, pp. 304 – 309 , 2014.

40. Pascu N.E., Dobrescu T. G., Modeling, texturing and lighting in cad applications, Advanced Materials Research, Vol. 423, Trans Tech Publications, ISBN 978-3-03785-329-0, pp. 116 – 127, 2012.

41. Pascu N. E., Adir V., Shape and color into cad graphic communication, THE 2nd International conference on engineering graphics and design ICEGD, Galați, 2007.

42. Pascu N. E., Adir V., Arion A.F., Shape, material and color – their use in cad application, International conference on engineering graphics and design (ISBN 973-8143-68-3), pp. 241- 244, Bucharest, 2005.

43. Pham D.T., Wang X., Prediction and reduction of build times for the Selective Laser Sintering process. Proc Inst Mech Eng 214(B):425–430, 2006.

44. Pham D.T., Gault R.S., A comparison of rapid prototyping technologies. Int J Mach Tools Manuf 38(10-11):1257 – 1287, 1998.

45. Popescu D., Fabricația aditivă – apariția primelor standarde în domeniu, T&T online http://www.ttonline.ro/sectiuni/tehnologii.

46. Roland Berger, Additive Manufacturing, Munich, source EOS, November 2013.

47. Rognitz H., Proiectarea formei, Editura tehnică, 1958.

48. Rosen D.W., Computer-aided design for additive manufacturing of cellular structures. Comput Aided Des Appl 4(5), 2007.

49. Sachs E.M., Cima M.J., Williams P., Brancazio D., Cornie J., Three dimensional printing: rapid tooling and prototypes directly from a CAD model. J Eng Ind 114(4):481–488, 1992.

50. Scott Crump S., UnitedStates Patent, Patent Number: 5,121,329 Apparatus and Method for Creating Three-Dimensional Objects, 1992.

51. Simion I., Models for geometric product specification, U.P.B. Sci. Bull., Series D, Vol. 70, No.2, ISSN 1454-2358, 2008.

52. Simion I., Raicu L.,  Arion A.F., Formal Model for Orientation Error Annals of DAAAM for 2008 & Proceedings of the 19th International DAAAM Symposium, pp. 1257-1258, Editor B. Katalinic, Published by DAAAM International, Vienna, Austria, ISSN 1726-6979, ISBN 978-3-901509-68-1, 2008

53. Shah J., Wright P.K., Developing theoretical foundations of DFM. ASME Design for Manufacturing Conference, Baltimore, Maryland, 2000.

54. Susman G.I., Integrating design and manufacturing for competitive advantage. Oxford

University Press, New York, 1992.

55. Teodorescu-Draghicescu F., Opran C. G., Pascu N. E., Temperature adaptive control using the additive manufacturing for injection molding polymeric products, Transilvania University Press of Brașov, Series/Report no.: I;104 – 109, ISBN: 978-606-19-0411-2, 2014.

56. Vayre B., Vignat F., Villeneuve F., Designing for Additive Manufacturing, Procedia CIRP 3 pp. 632 – 637, 45th CIRP Conference on Manufacturing Systems, 2012.

57. Walter M., Extrusion Dies for Plastics and Rubber, Design and Engineering Computations, ISBN 0-19-5209,Oxford University Press, 1992.

58. Wang J., Evans A.G., Dharmasena K., Wadley H.N.G., On the performance of truss panels with Kagome cores. Int J Solids Struct 40:6981–6988, 2003.

59. Wang A.J., McDowell D.L., Optimization of a metal honeycomb sandwich beam-bar subjected to torsion and bending. Int J Solids Struct 40(9):2085–2099, 2003.

60. Wang H., Rosen D.W., Parametric modeling method for truss structures. ASME Computers and Information in Engineering Conference, DETC2002/CIE-34495, Montreal, Sept–2 Oct 2002.

61. Warnier C., Verbruggen D., Printing Things. Visions and Essentials for 3D Printing, Gestalten, Berlin, 2014

62. Whelan A., Dunning D. J., Developments in plastics technology-l, Extrusion, Sole Distributor in the USA and Canada Elsevier Science Publishing co., INC. 52, Vanderbilt Avenue, New York, NY 10017, USA, ISBN-13: 978-94-009-6624-6.

63. Wohlers T., Wohlers Report: State of the Industry, Annual Worldwide Progress Report. Wohlers Associates, Inc., Fort Collins, CO, 2008.

64. *** Titanium Alloy Direct Deposited Products Ti-6Al-4V Annealed. SAE Aerospace Material Specification (AMS) 4999A, Sept. 2009, www.sae.org/technical/standards/ AMS4999A.

65. *** Fab@home. http://www.fabathome.org.

66. *** Reprap. http://www.reprap.org.

67. *** Objet Technologies. http://www.objet.com.

68. *** Microtec. http://www.microtec-d.com.

69. *** 3DSystems. Stereolithography and selective laser sintering machines. http://www.3dsystems.com.

70. *** EOS. http://www.eos.info, 38 2 Development of Additive Manufacturing Technology.

71. *** ZCorp. http://www.zcorp.com.

72. *** Soligen. http://www.soligen.com.

73. *** Stratasys. http://www.stratasys.com.

74. *** Solidscape. http://www.solid-scape.com.

75. *** Kira. Solid Center machine. www.kiracorp.co.jp/EG/pro/rp/top.htm.

76. *** Solidimension. Solido AM machine. http://www.solidimension.com.

77. *** ASTM International Committee F42 on Additive Manufacturing Technologies-Roland Berger;

78. *** Make Ultimate Guide to 3D Printing. http://web.makezine.com.

79. *** http://web.stratasys.com

80. *** http://web.autodesk.com.

81. *** SR EN ISO 14660-1, Geometrical Product Specifications (GPS) – Geometrical features.

82. *** http://www.purpleporcupine.com/industries/aerospace.

83. *** http://www.benzinga.com/general/topics/14/08/4766674/5-ways-the-u-s-army-uses-3d-printing.

84. *** http://tinkerine.com/ford-engine-block

85. *** https://www.printin3d.ro/imprimanta-medicala-all-in-one

86. *** http://www.creativeapplications.net/objects/o-system-the-future-of-personal-electronics-by-peter-krige-rca-ide

87. *** http://www.3dstuffmakers.com/4-axyz-3d-prints-furniture-embedded-electronics

88. *** http://enablingthefuture.org/upper-limb-prosthetics

89. *** http://girlydesignblog.com/2014/05/15/amazing-3d-printed-jewellery

90. *** http://www.npr.org/sections/thesalt/2015/07/21/421499146/a-3-d-food-lab-and-restaurant-wants-to-turn-yuck-into-yum

91. *** http://www.ibtimes.com/3d-print-color-stratasys-reveals-objet500-connex3-worlds-first-multicolor-multi-material-3d-printer

92. *** http://blog.3dprintus.ru/odezhda-i-obuv-iz-3d-printera

93. *** http://staubinc.com/3d-additive-manufacturing/3d-printing-applications

94. *** https://localmotors.com/damien-de-normandie/create-model-3dprint

95. *** http://www.cgtantra.com/forums/showthread.php?p=154773.

96. *** www. freedomofcreation.com, Bram Geenen.

97. *** www.manufacturingthefuture.co.uk/_resources/casestudies/ TSB-AirlineBuckle.pdf.

98. *** www.arcam.com/technology/additive-manufacturing.

99. *** www.dm3dtech.com/index.php/expertise-innovations/experticeandinnovations-dmddtechnology.

100. *** www.morristech.com/Docs/Ti64ELI%20DataSheet.pdf.

101. *** LiD, Architects, http://www.lid-architecture.net

102. *** Polyjet technology – 3-dimensional printing applications. http://2objet.com