Tehnica de printare 3D este o latură relativ nouă a tehnologiei ce a cunoscut o evoluție importantă în ultimii ani. Până nu de mult părea imposibil… [303190]

Capitolul1

Introducere

Tehnica de printare 3D este o latură relativ nouă a tehnologiei ce a cunoscut o evoluție importantă în ultimii ani. [anonimizat] a devenit din ce în ce mai ușor. Creșterea interesului pentru domeniul printării 3D [anonimizat]. Ca urmare a acestui interes și a creșterii cererii de piață, a devenit din ce în ce mai simplu realizarea unei imprimante 3D cu preț redus.

Începutul printării 3D a avut loc în anul 1976, când imprimanta cu tuș a fost inventată. În 1984 au avut loc adaptări și progrese a conceptului de printare ce a evoluat de la printarea cu cerneală la printarea cu o gamă diversă de materiale.

Cele mai vechi tehnologii 3D de imprimare au devenit pentru prima dată vizibile la sfârșitul anilor 1980, când au fost numite tehnologii Rapid Prototyping (RP). Acest lucru se datorează faptului că procesele au fost inițial concepute ca o metodă rapidă și mai rentabilă pentru crearea prototipurilor de dezvoltare a produselor în cadrul industriei. Ca o [anonimizat] a fost depusa de dr. Kodama, [anonimizat] 1980. [anonimizat] a brevetului a fost ulterior inregistrata inainte de termenul de un an de la depunerea cererii . Considerând că a [anonimizat].[anonimizat], originea tipăririi 3D poate fi trasată în 1986, când a fost emis primul brevet pentru aparatul stereolitografic (SLA). Acest brevet aparținea unui Charles (Chuck) Hull, care a inventat pentru prima dată mașina sa SLA în 1983. Hull a continuat să coexiste impreună cu 3D [anonimizat] 3D.

SLA-1 a fost introdus în 1987 și după testarea riguroasă primul dintre aceste sisteme a fost vândut în 1988. [anonimizat] a fi primul care a [anonimizat] a [anonimizat], in 1987, [anonimizat], a depus un brevet in SUA pentru procesul de sinterizare laser selectiv (SLS) RP. Acest brevet a fost emis în 1989, iar SLS a [anonimizat] a fost ulterior achiziționată de către 3D Systems. 1989 a fost, [anonimizat], co-fondator al companiei Stratasys Inc., a depus un brevet pentru modelarea depunerii fuzionate (FDM) – [anonimizat], [anonimizat].

Brevetul FDM a fost eliberat companiei Stratasys în 1992. [anonimizat] 1989, a [anonimizat]. Dupa o [anonimizat] R & D al EOS a fost pus in mare masura pe procesul de sinterizare cu laser (LS), care a continuat sa treaca de la putere la forta. [anonimizat] 3D. EOS a vândut primul său sistem "Stereos" în 1990. Procesul de sinterizare directă a metalului cu laser (DMLS) a companiei a rezultat dintr-un proiect inițial cu o divizie a Electrolux Finland, care a fost ulterior achiziționată de EOS.

Alte tehnologii și procese de imprimare 3D au apărut și în cursul acestor ani, și anume Balistic Particle Manufacturing (BPM), patentat inițial de William Masters, Laminated Object Manufacturing (LOM), patentat inițial de Michael Feygin, Solid Ground Curing (SGC), patentat inițial de Itzchak Pomerantz et Al și "tipărirea tridimensională" (3DP) brevetată inițial de Emanuel Sachs și colab. Astfel, la începutul anilor nouăzeci au fost prezenți un număr din ce în ce mai mare de companii concurente pe piața RP, dar numai trei dintre originale rămân astăzi – 3D Systems, EOS și Stratasys.

De-a lungul anilor 1990 și începutul anului 2000 au continuat să fie introduse o serie de noi tehnologii, care s-au concentrat totuși în întregime asupra aplicațiilor industriale și, în timp ce acestea erau în mare parte procese pentru aplicații prototipice, cercetarea și dezvoltarea au fost, de asemenea, conduse de furnizorii tehnologici mai avansați pentru unele aplicații specifice directe de fabricație. Aceasta a reprezentat apariția unei noi terminologii, și anume Rapid Tooling (RT), Casting Rapid și Rapid Manufacturing (RM), respectiv.

În ceea ce privește operațiunile comerciale, Sanders Prototype (mai târziu Solidscape) și ZCorporation au fost înființate în 1996, Arcam a fost înființată în 1997, Objet Geometries a lansat în 1998, MCP Technologies a introdus tehnologia SLM în 2000, EnvisionTec Infiintata in 2002, ExOne a fost infiintata in 2005 ca o extindere a Extrude Hone Corporation, iar Sciaky Inc a inceput propriul proces de aditiv bazat pe tehnologia sa de sudare cu fascicul de electroni. Aceste companii au servit pentru a umfla rândurile companiilor occidentale care operează pe o piață globală. Terminologia a evoluat, de asemenea, ca o dezvoltare a aplicațiilor de fabricație, iar termenul de baza acceptat pentru toate procesele a fost Additive Manufacturing (AM). În special, au avut loc multe evoluții paralele în emisfera estică. Cu toate acestea, aceste tehnologii, deși semnificative în sine și se bucură de un anumit succes local, nu au influențat cu adevărat piața mondială la acel moment.

În anul 2008 a apărut prima imprimantă 3D cu capabilitate de a-și printa o mare majoritate a părților sale componente. Dispozitivul a fost lansat ca parte din proiectul RepRap sub denumirea de Darwin și a condus industria spre domeniul creării unor imprimante ce se pot auto-replica. Începand cu anul 2009 au fost disponibile pe piață o varietate de kit-uri ce au permis construirea unei imprimante 3D la cost redus și într-un timp relativ scurt.

Anul 2011 a reprezentat pentru industria printării 3D un pas important în evoluția imprimantelor 3D în domeniul medicinei. O echipă de cercetători impreună cu medicii unui spital din Statele Unite ale Americii au prezentat un prototip de rinichi funcțional ce a fost printat 3D în totalitate și care poate rezolva problema transplantului pentru peste 92 000 de persoane înscrise pe listele de așteptare. Chiar și în prezent se lucrează intens la perfecționarea sistemului de printare astfel încât tehnologia să fie sigură pentru pacienți, dar și accesibilă ca preț astfel încât un mare număr de oameni să poată beneficia de această soluție. În capitoul ce urmează vom analiza în detaliu mai multe categorii de imprimante 3D, ce diferă prin tehnica de printare utilizată în procesul de fabricație.

Peste noapte, sectorul a început să arate semne de diversificare distinctă cu două domenii specifice de accent, care sunt mult mai clar definite astăzi. În primul rând, a existat vârful înalt al tipăririi 3D, sisteme încă foarte scumpe, care au fost orientate către producția de piese pentru componente de mare valoare, de inginerie și complexitate.

Toate imprimantele 3D aparțin clasei de aparaturi de fabricare aditivă, dar se pot împărți în mai multe categorii în funcție de procesul de realizare al obiectului tridimensional final. În următorul capitol vor fi prezentate mai multe tipuri de imprimante 3D și detalii în legătură cu producerea pieselor proiectate digital.

Printarea 3D sau depunerea strat cu strat este un proces de realizarea a unui obiect tridimensional de orice formă proiectat digital. Obiectul 3D este efectuat printr-un proces aditiv în care straturi succesive de material sunt depuse în diferite forme. Diferența dintre tehnica de printare 3D și metoda tradițională de fabricare a obiectelor este ca în loc să se elimine materialul în exces, materialul este depus în formă dorită încă de la început, fără a mai fi nevoie de prelucrări ulterioare.

Instrumentul agil este un termen folosit pentru a descrie procesul de utilizare a mijloacelor modulare pentru a proiecta unelte care este produs prin fabricarea de aditivi sau prin metode de imprimare 3D pentru a permite prototiparea rapidă și răspunsurile la necesitățile de scule și dispozitive. Uneltele Agile utilizează o metodă rentabilă și de înaltă calitate pentru a răspunde rapid nevoilor clienților și ale pieței. Poate fi utilizată în procedeele de formare hidraulică, ștanțare, injecție și alte procedee de fabricație.

Termenul de imprimare 3D se referea inițial la un proces cu pat de pulbere care utilizează capete de imprimare standard și personalizate cu jet de cerneală, dezvoltat la MIT în 1993 și comercializat de către Z Corporation.

Noile principii privind dezvoltarea și fabricarea produselor, tind să accentueze importanța laturilor sociale și de mediu. În ultimii ani, o abordare care se remarcă puternic în rândul tehnologiilor militante pentru protecția mediului și liberă exprimare prin forma și conținutul produselor (Wohlers T. 2011), se manifestă sub forma tehnologiilor de Fabricare Aditivă (Additive Manufacturing – AM).

Aplicațiile AM tind să ia amploare prin rezultatele remarcabile ale cercetărilor, care includ materiale biocompatibile și biodegradabile, îmbunătățirea caracteristicilor mecanice ale produselor finale și îmbunătățirea performanțelor utilajelor folosite (Wohlers T. 2011). Tehnologiile AM sunt folosite pe scară largă, cu succes în ultimii 15 ani, ca metode de fabricare a prototipurilor. În prezent, se remarcă o creștere a aplicațiilor AM pentru produse finite (Wohlers T. 2010, 2011). Astfel, AM este folosită în industria medicală pentru fabricarea de serie mijlocie, mică și unicat a implanturilor dentare, aparatelor auditive, implanturi maxilofaciale, implanturi ale articulațiilor de șold, implanturi osoase, materiale didactice folosite în sala de operații sau pentru expuneri . Marile companii producătoare din industria automobilelor, precum Rolls Royce, BMW, Jaguar și Mercedes, folosesc tehnologii AM pentru fabricarea produselor finite pieselor unicat pentru fiecare automobil în parte. Airbus compania ce produce avioane la scara mare folosește AM pentru fabricarea produselor finite ce intră în componența avioanelor de linie (Wohlers T. 2010, 2011).

Alte industrii care beneficiază de avantajele aduse de produse finite fabricate cu tehnologii AM, sunt: industria electronică și a produselor de consum, industria constructoare de mașini, industria militară, instituții academic. 1 Fabricarea Aditivă (Additive Manufacturing – AM) este definită de Asociația Americană pentru Testarea Materialelor (ASTM – American Society for Testing and Materials, ) ca “procesul de îmbinare a materialelor, de obicei stratificat, în scopul de a realiza obiecte pornind de la modele de date 3D, spre deosebire de metodologiile de fabricare substractive”.

Istoria AM începe pe la mijlocul anilor 1980. Fabricarea aditivă a fost cunoscută inițial sub denumirea de prototipare rapidă (RP – rapid prototyping), deoarece tehnologiile erau utilizate la obținerea prototipurilor. Pe măsură ce procesele și cerințele de calitate au evoluat, piața pentru AM s-a extins până la includerea tehnicilor sale în producția de produse finite.

În prezent, există aproximativ 25 de tehnologii de imprimare 3D. Cea mai veche este LOM (Layered Object Manufacturing), următoarea fiind SLA (stereolitography). Tehnologiile mai recente includ sinterizare selectivă cu laser (SLS), sinterizare directă cu laser (Direct Metal Laser Sintering – LMD), tehnologii inkjet, FDM (Fused Deposition Modeling), matricele Polyjet și multe altele.

Începând cu anul 2010, anumite echipamente de AM au devenit competitive cu cele tradiționale, din punct de vedere al prețului, al vitezei, al fiabilității și al costurilor de utilizare. Aceasta a condus la extinderea folosirii AM în industrie. A avut loc o explozie în vânzarea și distribuția pachetelor hardware care permit aplicarea tehnologiilor. A apărut o nouă industrie de creare a softurilor ce permit utilizarea tehnologiilor mult mai eficient, una din aplicațiile majore fiind personalizarea produselor pentru consumatori. Tipul și numărul materialelor folosite în această industie s-au diversificat foarte mult în ultima perioadă. Mașinile moderne pot utiliza o gamă largă de materiale plastice, precum și metale și aliaje ale acestora. Aproape orice aliaje metalice pot fi utilizate în acest proces o dată ce sunt pe deplin dezvoltate și validate. Varietatea materialelor nemetalice utilizate includ o gamă largă de fotopolimeri bazați pe acrili, deasemena o multitudine de substanțe cu proprietăți asemanătoare cu ceara, și chiar materiale plastice ca ABS si PLA.

Pe măsură ce viteza, fiabilitatea și precizia sistemelor hardware se îmbunătățesc, tehnologiile AM ar putea să înlocuiască sau sa fie complementare metodelor tradiționale de fabricare. Unul dintre avantajele cel mai des citate este acela ca tehnologiile AM elimină o mare parte din efortul depus de forța de muncă asociat cu fabricarea tradițională. Eficiența din punct de vedere al energiei este un alt avantaj important al acestor tehnologii.

2011-până in prezent era tehnogiilor 3D este in continua evolutie de curând au fost imprimate jetpack-uri, nave aerospatiale si pe zi ce trece tineri proiecteaza nenumarate tehnologii cu ajutorul printării 3D.

În timp ce prețul imprimantelor 3D a scăzut rapid și acuratețea tipăririi 3D sa îmbunătățit, inovatorii împing tehnologia în moduri pe care Charles Hull nu le-ar putea face decât să viseze. Designerii nu se mai limitează la imprimarea cu plastic. Acum puteți imprima inelul de logodnă al viselor dumneavoastră folosind aur sau argint. Inginerii de la Universitatea din Southampton au zburat prima aeronavă fără pilot din lume, imprimată 3D, iar KOR Ecologic a creat prototipul Urbee, o mașină cu un corp imprimat 3D construit pentru a obține 200 mile pe ora pe autostradă.

În scenariul actual, imprimarea 3D sau AM au fost utilizate în sectoarele de producție, medicale, industriale și socio-culturale, care facilitează imprimarea 3D sau AM pentru a deveni o tehnologie comercială de succes. Prima aplicație de fabricare a aditivilor se afla la sfârșitul spectrului de fabricație. De exemplu, prototiparea rapidă a fost una dintre primele variante de aditivi, iar misiunea sa a fost de a reduce timpul și costul de dezvoltare a prototipurilor de piese și dispozitive noi, ceea ce a fost făcut anterior numai cu metode subtitive de scule, cum ar fi frezarea CNC, precizie de măcinare. În anii 2010, producția de aditivi a intrat în producție într-o măsură mult mai mare.

Fabricarea aditivului de alimente se dezvoltă prin stoarcerea hranei, strat cu strat, în obiecte tridimensionale. O mare varietate de alimente sunt candidați potriviți, cum ar fi ciocolată și bomboane, precum și alimente plate, cum ar fi biscuiți, paste și pizza.

Figura 1.5

Imprimarea 3D a intrat în lumea îmbrăcămintei, designerii de modă experimentând bikini, pantofi și rochii imprimate 3D.În producția comercială, Nike utilizează tipărirea 3D pentru prototipuri și fabricarea pantofului de fotbal Vapor Laser Talon pentru jucătorii din fotbalul american, iar noul Balance este un pantof de fabricație 3D pentru atleți. Imprimarea 3D a ajuns la punctul în care companiile imprimă ochelari de protecție pentru consumatori, cu o formă și stil de comandă la comandă (deși nu pot imprima lentilele). Personalizarea la comandă a ochelarilor este posibilă prin prototipuri rapide.

În domeniul mașinilor, camioanelor și aeronavelor, AM începe să transforme atât proiectarea și producția ,,unibody’’ și a fuselajului cât și proiectarea și producția de motoare. De exemplu:

La începutul lui 2014, producătorul suedez de super-automobile Koenigsegg a anunțat modelul One: 1, un supercar care utilizează multe componente imprimate 3D. Urbee este numele primei mașini din lume pe care sunt montate piese folosind tehnologia de imprimare 3D (caroseria și geamurile mașinii au fost "tipărite").

Figura 1.1

În 2014, Local Motors a debutat cu un vehicul funcțional care a fost în întregime imprimat 3D folosind ABS din plastic și fibră de carbon, cu excepția motorului.

În mai 2015, Airbus a anunțat că noul său Airbus A350 XWB include peste 1000 de componente fabricate prin tipărirea 3D. În 2015, un avion de vânătoare Eurofighter Typhoon Royal Air Force a zburat cu piese imprimate. Forțele Aeriene ale Statelor Unite au început să lucreze cu imprimante 3D, iar forțele aeriene israeliene au cumpărat de asemenea o imprimantă 3D pentru a imprima piese de schimb.

Figura 1.2

Imprimare 3D, o tehnologie bine cunoscută pentru prototipuri rapide

Robotica este, fără îndoială, una dintre tehnologiile principale cu care se confruntă provocările semnificative de integrare a electronicii într-o structură mecanică complexă. Imprimarea 3D a devenit o soluție foarte utilă pentru a rezolva aceste probleme. Atunci când este proiectat un prototip, sunt adesea necesare mai multe iterații pentru a găsi un design adecvat. În cazul în care prototipul conține și piese electronice, devine aproape imposibil să se proiecteze o versiune de lucru prima dată, iar metoda iterativă "încercare și eroare" ajută la rezolvarea problemelor unul câte unul. Imprimarea 3D are un beneficiu major în faptul că puteți face modificări direct pe fișierul 3D și comandați partea care necesită o reprelucrare minimă și este mult mai rapidă decât alte metode.

Procedeul de prelucrare, de exemplu, ar necesita reprogramarea tuturor echipamentelor de prelucrare. De exemplu, echipa Mac a vrut să-și dea seama unghiul ideal pentru tibia robotului și a reușit să efectueze o serie de experimente pe partea în cauză prin tipărirea a două tipuri de părți: tibii perfect drepți și tibii care erau la un moment dat Unghi 6 ° față de verticală. Prin modificarea pur și simplu a fișierului CAD, au reușit să îmbunătățească stabilitatea robotului cu 30%.Figura 1.6

Una dintre provocările majore în robotică, și mai precis în robotica umanoidă, este greutatea pieselor. Luați în considerare faptul că un schelet mai ușor necesită motoare mai puțin puternice, ușor, care necesită apoi baterii mai compacte.

Multe materiale sunt atât ușoare, cât și puternice, dar majoritatea, ca fibrele de carbon, sunt costisitoare. Poppy a ales o soluție simplă, elegantă, folosind un cadru din plastic alb (poliamidă) imprimat prin sinterizare cu laser (SLS). Structura macaralei robotului ar fi extrem de complexă pentru a crea cu un alt proces și nu ar replica avantajul uriaș al tipăririi 3D de a putea tipări "în bucăți". Dacă această parte a fost fabricată în două bucăți, de exemplu, punctele de legătură ar fi fragile.

]În 2017, GE Aviation a dezvăluit că a utilizat proiectarea pentru fabricarea aditivului pentru a creea un motor de elicopter cu 16 părți în loc de 900, cu un mare impact potențial asupra reducerii complexității lanțurilor de aprovizionare .

Impactul AM asupra armelor de foc implică două dimensiuni: noi metode de fabricare a companiilor stabilite și noi posibilități de realizare a armelor de foc. În 2012, grupul american de apărare ,,Distributed’’ a dezvăluit planurile de a proiecta o armă de lucru tipărită din plastic 3D, "care ar putea fi descărcată și reprodusă de oricine cu o imprimantă 3D". După ce Defender Distributed și-a lansat planurile ridicată în ceea ce privește efectele pe care le poate avea imprimarea 3D și prelucrarea pe scară largă a consumatorului la nivel CNC asupra eficienței controlului armei.

Acest lucru ne duce până în ziua de astăzi -deși în momentul scrierii acestui proiect de licenta vor fi cu siguranță nenumărate alte descoperiri de fabricare a aditivilor care se întâmplă undeva în lume. Este aproape imposibil să ții pasul. În viitor, copiii noștri vor construi la scoala proiecte de artă cu imprimanta 3D a, iar dentistul nostru va putea să solicite o rețetă pentru un set de proteze dentare imprimate la comandă.

Figura 1.3

Teoretic nu exista componetă pe care sa nu o poți printa 3D.Dacă ai imaginație si voința poți realiza orice proiect iți trece prin cap.

Capitolul 2

Metode de proiectare

Apariția și dezvoltarea controlului numeric în anii 50, marchează începutul procesului de automatizare a mașinilor-unelte. Este un fapt recunoscut că introducerea comenzii numerice a însemnat debutul unui proces de inovare în activitățile de proiectare și producție a bunurilor.

Părintele CAD-CAM este considerat a fi Hanratty, care a dezvoltat primul sistem de programare CNC în 1957. Sistemele comerciale CAD au avut loc în industria auto și industria aerospațială și apoi s-au extins în alte industrii. În 1983, a fost lansat Autocad, primul program CAD major, care la început a fost un program 2D. În anii 1990, CAD era deja capabil să facă calcule 3D.

Astăzi există fabrici aproape complet automatizate care sunt capabile să manufactureze o diversitate de produse. In proiectarea și fabricarea asistata de calculator sunt două domenii care s-au dezvoltat simultan, fiind tratate într-o viziune comună pe baza legăturilor naturale care există între activitățile de proiectare și manufacturare: – CAD respectiv CAM. CAD/CAM este un acronim care înseamnă proiectare și fabricare cu ajutorul calculatorului. Proiectarea asistată de calculator – “Computer-aided design” – CAD – este definită ca o activitate de utilizare a unui sistem de calcul în proiectarea, modificarea, analiza și optimizarea proiectării. Sistemul de calcul este format din echipamente și programe care asigură funcțiile necesare în proiectare. Fabricarea asistată de calculator (în limba engleză, “Computeraided manufacturing” – CAM), se definește ca utilizare unui sistem de calcul în activitatea de planificare, conducere și control al operațiilor unei fabrici, prin orice interfață directă sau indirectă dintre calculator și resursele de producție.

Apariția și dezvoltarea proiectării și fabricației asistate de calculator își are originea în introducerea sistemelor automate de monitorizare și control al proceselor de producție.Din punct de vedere istoric, câteva evenimente remarcabile sunt citate de unii autori cu referire la apariția primelor tehnologii automate

Figura 2.1

-prima linie de ansamblare automata (uzinele Ford, SUA- 1913);

–

Figura2.2

-moara mecanică pentru făină, – Oliver Evans din Philadelphia în 1795, – prima fabrică automată din lume;

Figura2.3

– In anul 1923 apare primul echipament de transfer, cu rol de indexare a pieselor de-a

lungul liniei de fabricație – Moris Engines Ltd. Anglia;

Figura 2.4

– primul robot industrial denumit UNIMATE – bazat pe principiile controlului numeric, a fost introdus în anul 1960 la uzina General Motors – SUA.

– în 1962-1963, apare sistemul SKETCHPAD (Ivan Sutherland la Massachusetts Institute of Technology (MIT). Evenimentul evidentiat prin trecerea de la utilizarea calculatoarului pentru realizarea calculelor ingineresti la utilizarea calculatorului in grafica, a marcat inceputul erei CAD. Versiunea perfectionata a lui SKETCHPAD permite desenarea obiectelor în trei dimensi-uni, ceea ce făcea posibilă obținerea celor trei proiecții.

Software-ul CAD CAM pentru designul mecanic utilizează grafică bazată pe vectori pentru a descrie obiecte de design tradiționale sau poate produce și grafică raster care arată aspectul general al obiectelor proiectate. Cu toate acestea, aceasta implică mai mult decât formele. Ca și în cazul desenelor manuale și tehnice, producția CAD trebuie să transmită informații cum ar fi materiale, procese, dimensiuni, toleranțe în funcție de aplicație.

CAD este o artă industrială importantă utilizată pe scară largă în multe aplicații, inclusiv automobile, industria construcțiilor navale și aerospațiale, design industrial și arhitectural, proteze și altele. CAD este, de asemenea, utilizat pe scară largă pentru a produce animație pe calculator pentru efecte speciale în filme, publicitate și manuale tehnice, denumită adesea Digital Content Creation (DCC). Datorită importanței sale enorme, CAD a reprezentat o forță motrice importantă pentru cercetarea geometriei computerizate, a graficii pe calculator (hardware și software) și a geometriei diferențiale discrete.

Instrumentele CAD actuale au obiecte deja create în baza de date(dispozitive mecanice, electrice, hidraulice, etc) și este suficientă o simplă selectare din meniu și amplasarea lor pe pagină. Conexiunile între componente (conducte, fire electrice, etc) se fac tot prin obiecte create deja în meniu, ceea ce face ca viteza de proiectare să fie cu mult mai mare și posibilitatea erorii umane mult mai mică (modelare tridimensională – 3D).

Firmele furnizoare de sisteme CAD pun la dispoziție librării software adecvate pentru sistemele de operare, care sunt cele mai utilizate pe piață. Performanțele sistemului sunt dictate de complexitatea și diversitatea acestor librării, fiind criteriul de bază în stabilirea prețului. Toate sistemele au facilități de desenare, fiind cea mai importantă utilitate.

2.1Tipuri de sisteme CAD

Sisteme CAD se pot clasifica în următoarele categorii de aplicații informatice:

Aplicații pentru modelare geometrică și desenare asistate de calculator (dintre care menționăm AutoCAD, Turbocad, KeyCAD, Design CAD, Solid Works, etc.);

Aplicații pentru rezolvarea unor probleme generale de calcul matematic, utile mai ales în ingineria asistatăCAE (dintre care menționăm Matlab, Mathematica, MathCAD, Maple, etc.) sau simularea unor sisteme particulare descrise de ecuații diferențiale ordinare (cum sunt Spice – pentru analiza circuitelor electronice, EMTP – pentru analiza rețelelor electroenergetice);

Aplicații destinate modelării numerice, cu element finit sau cu funcții similare dedicate rezolvării ecuațiilor cu derivate parțiale, utilizate în proiectarea integrată (cele mai răspândite sunt cele de calcul structural ca ANSYS, COSMOS, NASTRAN, dar se utilizează și altele specializate în modelarea curgerii, încălzirii, câmpului electromagnetic, difuziei purtătorilor de sarcină, etc);

Aplicații orientate spre un domeniu particular ( PipeCAD – proiectarea instalațiilor; AeroCAD – proiectarea construcțiilor aeronautice; ArhiCAD – proiectare arhitectonică; GIS CAD – realizarea hărților sau a altor documente bazate pe "Geograpfic Integrated System" – GIS; Cadence, Mentor, Microcad, Orcad- pentru proiectare electronică, cu diferite nivele de integrare (PCB sau IC), care alcătuiesc un subdomeniu distinct numit "Electronic Design Automation" – EDA; ChemCAD – pentru proiectarea moleculelor și multe altele);

Sisteme integrate de aplicații, cu un grad de integrare a componentelor CAE/CAD/CAM mai mare sau mai mic (dintre care menționăm I-DEAS, CATIA, EUCLID, ProEngineer și SAAP).

2.2Integrarea sistemelor CAE-CAD-CAM

În prezent, se urmărește integrarea sistemelor CAD cu alte tipuri din aceeași familie, cum sunt:

CAE (Computed Aided Engineering) – destinate simulării asistată de calculator a sistemelor continue sau discrete (caracterizate de sisteme de ecuații diferențiale ordinare su cu diferențe finite) și la modelarea corpurilor și câmpurilor utilizate în rezolvarea ecuațiilor cu derivate parțiale, întâlnite în mecanică, rezistență, mecanica fluidelor, termotehnică sau alte domenii inginerești.

CAM (Computer Aided Manufacturing) – destinate proiectării de prototipuri și produse de serie. In urma unui intens efort de standardizare (drawing exchange and interoperability), atât sistemele complexe, cât și părțile lor componente tind să fie descrise într-un limbaj informatic unic, indiferent de etapa de viață a obiectului respectiv, ceea ce determină tendința ca cele trei abordări CAE/CAD/CAM să se integreze în una singură : CIM (Computer Integrated Manufacturing).

Trebuie menționat că în acest context trebuie incluse și preocupările moderne de grafică pe calculator (Computer graphics, 3D Computer vision, Geometric modeling, Solid modeling, Virtual reality, etc.).

Domenii de utilizare a sistemelor CAD

Arhitectură

Construcții civile și industriale

Industria aeronautică

Industria de automobile

Industria chimică

Electronică și electrotehnică

Design Industrial

Inginerie Mecanică

2.3Companii furnizoare de sisteme CAD

Autodesk – [http://www.autodesk.com/] Veteranul și liderul pe această piață. Este producătorul popularului program AutoCAD, dar și a altor 37 produse, ca de exemplu AutoCAD LT (O versiune de preț redus, utilă în educație), Quick CAD (o versiune simplă, ușor de învățat), 3D Studio, Autodesk Inventor, AutoCAD Mechanical, etc.

SolidWorks – [http://www.solidworks.com/] Sistem de proiectare mecanică și de modelare a solidelor sub MS Windows. Este o generație mai nouă de AutoCAD și oferă o bibliotecă puternică de funcții. Există și o licență pentru studenți, care nu poate fi achiziționată de instituții și care este valabilă 18 luni.

CATIA- [ http://www.catia.com] este un mediu software integrat, de instrumente inginerești CAD/CAM produs de Dassault Systemes și distribuit de IBM, popular mai ales în industriile automobilistice, navale și aviatice, dar este folosit și de proiectanții de bunuri de larg consum și electronice.

DesignCAD 3000 – [http://www.designcad.com/products/dc3000.htm] Are următoarele caracteristici: modelare 2D/3D integrată, modelarea solidelor (suprafețe complexe, operații Booleene), formate grafice de ieșire compatibile Internet (JPG, TIF, VRML), animații și prezentări (animații 3D "walk-through" în format AVI), mapări de texturi, limbaj de programare de tip Basic, customizare cu MS Visual C++/Basic, biblioteci de simboluri și texturi, instruire on-line.

I-DEAS – [http://www.sdrc.com/ideas]. ( Integrated Design Engineering Analysis Software), este o suită de instrumente software CAD/CAM/CAE integrate, produse de SDRC și destinate automătizarii proiectării mecanice. Pachetul rulează pe stații grafice Unix și este folosit de Nokia, Xerox și alte mii de firme din lume.

Parametric Technology – [http://www.ptc.com/] Producătorul pachetulor CADDS si Pro/ENGINEER. CADDS este dedicat automatizării proiectării mecanice, fiind utilizat în proiectele mari de aeronave, nave, automobile, la care lucrează simultan mai mulți proiectanți (ordinul sutelor). Programul folosește atât tehnici explicite cât și parametrice pentru a crea modele 3D de solide, suprafețe sau wire-frame pentru piese turnate, așchiate, forjate sau sudate.

Capitolul 3

Metode de printare 3D

Există un număr mare de procese adiționale. Principalele diferențe între procese sunt în modul în care straturile sunt depuse pentru a creea părți în materialele folosite. Fiecare metodă are propriile sale avantaje și dezavantaje, motiv pentru care unele companii oferă o gamă de pulberi și polimeri pentru materialul folosit pentru a construi obiectul . Alții folosesc, uneori, hârtie standard pentru a produce un prototip durabil. Principalele considerente în alegerea unei mașini sunt, în general: viteza, costurile imprimantei 3D, prototipul imprimat, alegerea și costul materialelor și capacitățile de culoare. Imprimantele care lucrează direct cu metalele sunt, în general, costisitoare. Cu toate acestea, imprimantele mai puțin costisitoare pot fi utilizate pentru a face o matriță, care este apoi utilizată pentru a produce părți metalice.

Unele metode topesc sau înmoaie materialul pentru a produce straturile. În fabricarea filamentelor topite, cunoscută și sub denumirea de modelare a depunerilor topite (FDM), modelul sau piesa este produsă prin extrudarea unor mici granule sau a unor fluxuri de material care se întăresc imediat pentru a forma straturi. Un filament de tip termoplastic, o sârmă de metal sau alt material este introdus într-un cap de extracție a duzelor (extruder de imprimantă 3D), care încălzește materialul și transformă fluxul pe și în afara. FDM este oarecum restricționat în variația formelor care pot fi fabricate. O altă tehnică asociază părțile stratului și apoi se deplasează în sus în zona de lucru, adăugând un alt strat de granule și repetând procesul până când piesa sa clădit. Acest proces folosește suporturile nealterate pentru a susține consolele și pereții subțiri din piesa produsă, ceea ce reduce necesitatea suporturilor auxiliare temporare pentru piesă. Tehnicile de sinterizare laser includ sinterizarea selectivă cu laser, cu metale și polimeri, și sinterizarea directă cu laser a metalului.

Tăierea selectivă a laserului nu utilizează sinterizarea pentru fuziunea granulelor pulverulente, ci va topi complet pulberea cu ajutorul unui laser cu energie înaltă pentru a crea materiale cu densitate totală într-o metodă cu straturi care are proprietăți mecanice similare cu cele ale metalelor fabricate convențional. Cuplul cu fascicul de electroni este un tip similar de tehnologie de fabricare a aditivilor pentru piese metalice (de exemplu, aliaje de titan). EBM produce piese prin topirea stratului de pulberi metalice cu strat cu un fascicul de electroni într-un vid înalt.O altă metodă constă într-un sistem de imprimare 3D cu jet de cerneală, care creează simultan un strat de model, prin împrăștierea unui strat de pulbere (ipsos sau rășini) și imprimarea unui liant în secțiunea transversală a piesei, folosind un proces asemănător cu jet de cerneală. În cazul fabricării obiectului laminat, straturile subțiri sunt tăiate în formă și îmbinate.

3.1 STEREOLITOGRAFIA

Stereolitografia este o tehnică ce permite crearea de obiecte unidimensionale pornind direct de la datele digitale prelucrate de un software CAD / CAM .

Aplicarea ei principal este crearea rapidă de prototipuri , care permite de a avea obiecte fizice să fie testate înainte de producția industrială pregătesc modele pentru a realiza forme de turnare sau turnarea propriu-zisă. Acesta poate fi de asemenea folosit pentru a produce rapid piese de schimb, prin obținerea de fișiere prin intermediul internetului . Utilizarea în producția de serie este prioritară în cazul în care alte tehnici se dovedesc a fi dificile și costisitoare (de exemplu, cu mașini cu comandă numerică) și în general pentru producții foarte limitate numeric , în cazul în care costurile fixe ale echipamentelor îi afectează de asemenea. O aplicație importantă este în imagistica medicală în cazul în care, de la imagini tomografice sau RMN – ul poate fi realizat într – un timp scurt modele de proteze, părți de oase , tumori , vase și alte părți ale corpului pe care chirurgul poate pregăti intervenția.

Stereolitografia necesită utilizarea structurilor de susținere care se atașează la platforma liftului pentru a preveni deformarea datorată gravitației și pentru a ține secțiunile transversale în poziție pentru a rezista la presiunea laterală din lama încărcată cu rășină sau pentru a reține secțiunile nou create în timpul imprimarii de jos în sus. Suporturile sunt create automat în timpul pregătirii modelelor 3D de proiectare asistată de calculator și pot fi realizate manual. În cazul modelelor stereolitografice mai scumpe, aceste suporturi trebuie eliminate manual din produsul finit.

Folosind proprietățile rășinii lichide de a fi solidificată la o anumită lungime de undă, o imprimantă 3D de tip SLA funcționează prin concentrarea unui fascicul de lumină UV pe suprafața unui recipient umplut cu rășină lichidă. Un strat subțire este tras cu fasciculul UV la un moment dat și un obiect va fi construit strat cu strat, straturi ce vor fi în final lipite împreună prin tehnologia cu laser. După aceea, un model plin, cu rezoluție foarte ridicată va fi ridicat din recipientul de suport. Rășina lichidă nefolosită poate fi recolectată pentru un alt proiect de printare ulterior. Această metodă a fost folosită la prima imprimantă 3D disponibilă comercial, inventată de Charles Hull în 1986. La vremea aceea nu era vândută sub denumirea de imprimantă 3D și era folosită pentru a demonstra idei și a testa diverse modele. Prin această metodă putem realiza prototipuri funcționale și ansambluri, modele de turnare, tipare, piese optimizate pentru mașinării și multe alte modele. Cu toate acestea, materialul folosit poate fi doar polimer epoxi flexibil sau rigid, ceea ce rezultă un domeniu limitat de materiale ce pot fi utilizate. În figura 3.1 este prezentată tehnica SLA de printare 3D, folosind un laser UV, un sistem de scanare, rășină lichidă, platformă și un piston. După introducerea unui model în imprimantă, pe fiecare strat, fasciculul laser urmărește un tipar în secțiune transversală pe suprafața rășinii Imprimantă 3D în sistem cartezian 16 lichide. Pistonul controlează platforma ce se deplasează în sus și în jos pentru a asigura construcția straturilor până ce obiectul este finalizat. Obiectul astfel rezultat trebuie curățat, eliminând straturile de suport și orice alt material în plus, după care obiectul trebuie întărit prin punerea acestuia într-un cuptor UV. În final, obiectul brut este terminat și gata pentru finisare și montaj. Un avantaj al folosirii tehnici SLA este că se pot realiza obiecte cu modele geometrice complexe și mai ales cu suprafețe de printare fără imperfecțiuni, chiar și la obiecte de dimensiuni reduse. Aceste avantaje sunt contracarate de un dezavantaj major, și anume, costul foarte mare de realizare a unei astfel de imprimante.

Figura 3.1

Unul dintre avantajele stereolitografiei este viteza. Piesele funcționale pot fi fabricate într-o zi. Durata de timp necesară pentru a produce o singură parte depinde de complexitatea designului și a mărimii. Timpul de imprimare poate dura de la ore la mai mult de o zi. Multe imprimante 3D pot produce părți cu o dimensiune maximă de aproximativ 50 × 50 × 60 cm (20 × 20 × 24 inc) și unele imprimante, cum ar fi mașina de stereolitografie Mammoth (care are o platformă de construcție de 210 × 70 × 80 cm), sunt capabile să producă părți individuale cu lungimea mai mare de 2 metri. Prototipurile și desenele tipărite 3D sunt suficient de puternice pentru a fi prelucrate și pot fi de asemenea folosite pentru a face modele principale pentru turnarea prin injecție, turnare prin suflare și diverse procese de turnare metalică.

Deși stereolitografia poate fi utilizată pentru a produce practic orice proiect sintetic, este adesea costisitor. Fotopolimerii obișnuiți pot costa aproximativ 800 de dolari pe galon, iar mașinile SLA pot costa 250.000 de dolari. În ultimul timp, interesul public în imprimarea 3D a inspirat proiectarea mai multor mașini SLA de consum care pot costa 3.500 $ sau mai puțin, cum ar fi Ilios Photon 2 de Ilios 3D, Forma 2 de Formlabs sau Nobel 1.0 de XYZPrinting .De asemenea, a existat o reducere a costului rășinilor fotopolimerice.

3.2 SINTERIZAREA SELECTIVĂ CU LASER

Procedeul de fabricare rapida a prototipurilor prin SLS se bazeaza pe materializarea unui produs CAD prin adaugare de straturi successive.Fața de procedeul LOM unde laserul focalizează in planul de lucru conturul interior/exterior al fiecarei secțiuni, laserul acopera punct cu punct intreaga arie a secțiunii, sintetizând stratul fin de material depus pe platforma de lucru.Nu necesită construirea de suporturi deoarece stratul de material anterior constituie support pt stratul curent de material.

Diferența principală dintre sistemul de sinterizare cu laser a metalelor fața de a polimerilor, este sistemul optic si laserul, deoarece o temperatură de sinterizare de aproximativ 900 grade necesită o densitate de putere a radiației laser mare.Pentru aceasta, diametrul focarului laser este redus la aproximativ 350 μm si puterea laserului marita la 200 W.Densitatea de putere trebuie marita de la 25 W/mm2 la pulberile din mase plastice, la 700 W/mm2 la pulberile metalice.

Sinterizarea selectivă cu laser (SLS) este o combinație între printarea 3D tradițională și printarea 3D cu laser. Întregul proces este similar cu SLA cu excepția faptului că fasciculul UV este înolcuit de un laser și recipientul cu rășină este înlocuit de o bază sub formă de pudră, formată din : polistiren, ceramică, sticlă, nailon, dar chiar și metale precum : titan, aluminiu, argint și oțel. Acesta este un mare avantaj al SLS deoarce oferă posibilitatea de a produce obiecte într-o varietate mare de materiale. Această metodă folosește fasciculul laser pentru a încălzi pudra de material, iar pulberea este topită la un anumit punct (sinterizată). Pudra ce nu a fost sinterizată devine structură de suport pentru piesă. Nu există pierderi de material atunci când obiectul este finalizat, deoarece surplusul de material poate fi folosit la următorul proces de printare. SLS a fost inventat de Carl Deckard și colegii săi de la Universitatea din Texas, Austin în anul 1980 Figura 3.2 ilustrează construcția unei impimante 3D de tip SLS. În afară de laser, sistemul de scanare, platformă și piston, datorită proprietăților de material a pulberii folosite, se va mai adăuga încă un sistem pentru fixarea materialului. Configurația constă într-o platformă de pulbere, un piston și un cilindru de presare, după cum se poate observa în figura 3.2. Pistonul este împins în jos în timpul procesului în timp ce pulberea este împinsă în partea opusă.

Cilindru conduce pudra în secțiunea de fabricație pentru a livra materialul până ce obiectul este realizat complet. În interiorul unei mașinării SLS se afla cuptorul necesar pentru încălzirea materialului Imprimantă 3D în sistem cartezian la o temperatură aproximativă temperaturii de topire.Acest material, aproape topit, va fi încălzit selectiv de către fasciculul laser înainte de a fi lipit. Când obiectul este finalizat, este necesar un timp de așteptare până când materialul se răcește și se poate îndepărta, împreună cu stratul de sacrificiu ce se află la contactul cu suprafața de printare. După acest pas, obiectul este finalizat și pregătit pentru utilizare. Printre dezavantajele alegerii acestui tip de metodă de printare 3D, putem enumera în principal dimensiunea mare a sistemului de printare final, ceea ce presupune și costuri mai mari privind componentele mecanice conținute dar și imposibilitatea realizării unei astfel de imprimante de către un amator din pricina costului mare al materialelor consumabile

Figura 3.2

Piesele create prin SLS pot fi prelucrate in continuare prin frezare,găurire,rectificare,etc.,întocmai ca orice alta piesa din aluminiu.Toate caracteristicile mecanice ale pieselor pot fi imbunatațite semnificativ prin impregnarea piesei cu o răsina epoxidica rezistenta la temperaturi înalte.Rezultatul impregnării conduce la imbunatațirea rezistenței la incovoiere pana la aproximativ 400 N/mm2 si o netezire a suprafețelor prin inchiderea porilor.Duritatea suprafeței dupa impregnare este de aproximativ 108 HB.

Pulberile metalice folosite in cadrul procesului SLS pe masini fabricate de firma DTM folosesc drept liant o rasina epoxidica.Dupa realizarea pe masina a modelului,rezultatul este așa numita piesa-verde.Granulele metalice sunt legate intre ele prin intermediul rașinii epoxidice polimerizate in decursul procesului SLS.Pentru ca piesa sa fie in intregime metalică,dupa prelucrarea pe masina piesa trebuie introdusa intr-un cuptor unde se continua sinterizarea efectiva a piesei.În cadrul acestei etape,la temperaturi de sintetizare,liantul organic este ars, iar particulele metalice din componenta piesei vor difuza unele in altele rezultând astfel piesa metalică efectiva.Această postsintetizare poate conduce la deformații termice ale modelului cu implicații asupra preciziei acestuia.

In prezent se studiază si posibilitatea impregnării pieselor cu aliaje usor fuzibile.Desi proprietațile mecanice sunt simțitor imbunătățite, costul mare al echipamentelor necesare si pierderea de precizie datorita contractiilor mai mari de 2 % sunt un dezavantaj major.Grosimea unui strat depus pe platforma de lucru este deaproximatv 50 μ.Rugozitatea unei piese infiltrate este Ra= 3,5 μm.Printr-o finisare manuala obișnuită, rugozitatea poate fi adusa la o valoare de Ra<1 μm.

3.3 MODELAREA CU FILAMENT TOPIT

Tehnologia rapidă de modelare FDM (Fused Deposition Modeling), în traducere modelarea prin extrudare termoplastică este cea mai utilizată tehnologie de fabricație pentru simplitatea și accesibilitatea acesteia. Este utilizată în modelarea, prototiparea și, de asemenea, în aplicațiile de producție. Alte denumiri folosite sunt: ​​Modelarea extrudării topire, Extruziunea termoplastică (TPE), FFF (Fabrication Filament Fused).

Cu o aplicație software dedicată, modelul 3D dorit este inițial tăiat în secțiuni transversale numite straturi. Tehnologia de imprimare constă în trecerea unui filament de plastic printr-un extruder care îl încălzește la punctul de topire, apoi aplicarea stratului de acoperire uniform (extrudare) cu o precizie ridicată pentru a imprima fizic modelul 3D în conformitate cu fișierul CAD.

Dintre toate tipurile de imprimante 3D, această metodă are marele avantaj al prețului redus, atât al materialelor folosite pentru printarea propriu-zisă a componentelor imprimantei 3D, cât și a consumabilelor. De asemenea, este metoda folosită cel mai des pentru realizarea imprimantelor 3D de către persoanele pasionate în cadrul locuinței proprii, cu materiale ușor de procurat și la preț relativ redus. Cu ajutorul acestei metode, un filament dintr-un material termoplastic topit este extrudat prin duza aflată la capătul sistemului de scoatere a filamentului, pe suprafața de printrare în straturi pentru a realiza obiectele proiectate. Fiecare nou strat va fi depus deasupra unui alt strat și alipit acestuia deoarece materialul extrudat se întărește aproape imediat după ce a fost scos prin duză. În mod uzual, imprimantele FDM folosesc plastic ABS, PLA, polimeri biodegradabili, iar unele mai “excentrice” folosesc chiar beton, ciocolată, zahăr sau alte alimente neobișnuite. Tehnica FDM a fost inventată în anii 1980 de către cercetătorul Scott Crump, fondatorul companiei Stratasys, companie ce se află în topul companiilor industriei de printare 3D. FDM este un termen provenit de la Fused Filament Modelling ( Modelare cu filament topit ), iar FFF reprezintă Fused Filament Fabrication (Fabricare cu filament topit ). În cazul tehnicii FFF, un întreg tub, față de o duză, este folosit în procesul de alimentare cu material. Figura 3.3 descrie procesul de printare cu tehnica FDM/FFF. Straturile sunt suprapuse unul câte unul prin scoaterea materialului topit prin vârful extruderului. Filamenetul de ABS este introdus de un mecanism ce are in componența role dințate și este topit în timp ce se află în sistemul de Imprimantă 3D în sistem cartezian 18 extrudare, mai precis în cavitatea termică.

Principalul dezavantaj al tehnicii FDM este că în cazul unor modele cu o complexitate ridicată din punct de vedere geometric, viteza de realizare a obiectului real crește semnificativ dar poate duce și la crearea unor mici imperfecțiuni de suprafață din cauza lipirii imperfecte a unor straturi. De asemenea, în cazul pieselor de dimensiuni reduse, rezoluția nu este la fel de bună ca în cazul pieselor de dimensiuni realitiv mari. Aplicațiile principale ale modelarii de tip FDM sunt : realizarea prototipurilor în diverse domenii cu scopul testării, realizarea de ansamble și subansamble rezistente, proiectare conceptuală, producerea obiectelor de uz casnic și multe altele.

Figura 3.3

3.4 DLP – Expunere digitală la lumină

Tehnologia de imprimare Dlp (Digital Light Processing) este un proces de fabricare a aditivilor bazat pe folosirea luminii UV pentru solidificarea rășinilor polimerice lichide. Dezvoltat de Texas Instruments, tehnologia DLP are ca element principal chipul DMD (Digital Micromirror Device) – o matrice de micro-oglinzi utilizată pentru modularea spațială rapidă a luminii.

Inițial, modelul 3D CAD este convertit de aplicația software a imprimantei 3D în secțiunile transversale (feliile) obiectului, apoi informațiile sunt trimise la imprimantă și la cipul DMD.

Pentru fiecare secțiune transversală a modelului 3D CAD, luminile UV emise de un proiector sunt modulate și proiectate cu ajutorul cipului de pe suprafața rășinii polimerice din galeata de construcție. Fiecare micro-oglindă individuală a chipului DMD proiectează pixeli din secțiunea transversală a modelului 3D. Sub acțiunea luminii UV, lichidul fotoreactiv (sensibil la lumina ultravioletă) se solidifică în straturi succesive.

Întrucât întreaga secțiune transversală este proiectată într-o singură expunere, viteza de construcție a unui strat este constantă indiferent de complexitatea geometriei. Dacă este imprimată o piesă simplă sau simultan 10 bucăți, viteza de imprimare rămâne constantă.

Obiectele 3D ale unor geometrii mai complexe sunt imprimate folosind materiale de suport care sunt eliminate ulterior. Rășina rămasă în rezervorul de construcție poate fi reutilizată pentru imprimarea ulterioară. Anumite materiale de imprimare pot necesita procese suplimentare de întărire în cuptoarele UV.

3.5 PULVERIZAREA CU FOTOPOLIMER

Această metodă este cea mai apropiată metodei de printare tradițională cu cerneală. Lichidul polimer este pulverizat afară în mod precis și întărit cu ajutorul luminii UV. Straturile sunt depuse succesiv până ce obiectul este finalizat. Această metodă are diverse avantaje : poate crea obiecte de constituție elastică și permite folosirea mai multor materiale și culori pentru a putea fi încorporate într-un singur obiect de o rezoluție înaltă. Această tehnologie a fost dezvoltată de Objet, companie ce acum face parte din Stratasys.

Figura 3.4

3.6 ALTE METODE DE PRINTARE 3D

LOM (Laminated Object Manufacturing) sau fabricarea laminată este o tehnologie mai puțin cunoscută, deși primul sistem de fabricație LOM a fost dezvoltat începând cu 1991 de către Helisys Inc.

Tehnologia LOM permite fabricarea stratificată a obiectului 3D din straturi de hârtie sau plastic care sunt lipite una peste alta și tăiate cu un cuțit sau laser. Materialul de imprimare utilizat poate fi furnizat atât în ​​role (plastic), cât și în foi sau foi (hârtie).

Inițial, modelul 3D CAD este transformat în secțiuni transversale (secțiuni) ale obiectului și apoi trimis la imprimantă. Folosind o sursă laser sau un cuțit, imprimanta taie straturile piesei 3D din tabla solidă. Restul materialului neutilizat după tăiere este legat cu un cuțit (sau o sursă laser), astfel încât acesta poate fi îndepărtat manual la sfârșitul procesului. Stratul final este lipit pe stratul anterior cu ajutorul unui adeziv aplicat pe fundul foii.

În timpul construcției, piesa 3D este înfășurată în materialul de construcție, ceea ce permite imprimarea geometrică complicată fără material de suport. La sfârșitul procesului, piesa 3D apare învelită în exces de material care va fi îndepărtat manual. Restul materialului este aruncat și nu poate fi utilizat pentru imprimarea ulterioară.

Există o varietate de metode de printare 3D în afara celor patru metode menționante anterior. De exemplu, extrudarea prin seringă poate fi folosită pentru printarea 3D, folosind aproape orice material ce poate fi încălzit. Astfel, ciocolata, brânza, argila, cimentul pot fi utilizate prin această tehnică neobișnuită. SLM ( Selective Laser Melting) – topirea selectivă cu laser este o metodă similară cu SLS ce topește complet pulberea de material înloc să o încălzească la temperatură apropiată temperaturii de topire. Este similară cu EBM, ce folosește fascicule de electroni în locul fasciculelor UV în timpul procesului de fabricație. Încă o metodă, numită LOM ( Laminated Object Manufacturing ) – fabricarea de obiecte laminate, metodă în care mii de straturi de material fabricate din hârtie adezivă pe ambele părți, plastic sau metal laminat, sunt lipite împreună în mod succesiv și tăiate în forma dorită cu ajutorul unei lame de cuțit sau a unui laser. Obiectul poate căpăta aspect precum lemnul, simulând inelele din interiorul tulpinei unui copac. În figura 2.5 avem o reprezentare a unui obiect produs prin tehnica LOM. Principalul dezavantaj al tehnicii LOM este varietatea mică de materiale ce pot fi folosite în fabricație, dar are ca avantaj rezoluția foarte bună și de asemea posibilitea de a printa în culori foarte diverse. Aplicațiile principale în care se poate folosi LOM sunt : testarea formei modelelor fizice, printarea de piese color, realizarea de modele 3D de dimensiuni mari pentru un preț relativ scăzut în comparație cu alte metode de printare.

Figura 3.5

O nouă tehnologie numită imprimare 3D a hârtiei, combină imprimarea cu jet de cerneală cu tehnologia LOM. Secțiunea transversală a hârtiei este imprimată inițial prin tehnologia cu jet de cerneală obișnuită și apoi tăiată în straturi, rezultând un model 3D de culoare plină.

CAPITOLUL 4

PRINCIPIILE GENERALE ALE PRINTĂRII 3D

4.1MODELAREA

Modelele printabile 3D pot fi create cu un software de proiectare 3D sau printr-o scanare 3D. Procesul manual de modelare pentru realizarea datelor geometrice pentru grafica 3D computerizată este similară cu același proces în domeniul artelor plastice, spre exemplu sculptarea. Scanarea 3D este un proces de analiză și colectare de date digitalizate despre forma și aspectul unui obiect real.

Pe baza acestor date, modele tridimensionale ale obiectelor scanate prin programe specializate pot fi reproduse. Ambele procese de realizare de modele 3D, atât cel manual cât și cel automatic este destul de dificil pentru un consumator obișnuit. De aceea există nenumărate piețe de desfacere în acest domeniu, ce au apărut în ultimul deceniu, mai ales în mediul online. Printre cele mai cunoscute astfel de comunități se enumara : Solidworks.Thingverse,Shapeways, MyMiniFactory, Threading, GrabCAD etc.

Pentru modelarea 3D componentelor am folosit ca mediu de proiectare CAD pachetul software de la Solidworks.In continuare am să prezint cum am procedat la proiectarea uneia dintre aplicații deoarece celelalte au setari asemanatoare.

Figura4.1

In figura 4.1 avem prezentată o imagine cu meniul file din Solidworks de unde putem face o mulțime de selecții cum ar fii crearea unui proiect nou ,deschiderea unuia existent ,salvarea unui proiect precum si setari ale paginii pe care lucram.

Figura 4.2

Figura 4.2 conține afisarea meniului ,,Edit’’(editare) unde ni sunt prezentate modalități de editare cum ar fi:revenirea la un pas inapoi ,selecția totala a modelului ,operațiuni de tăiere a modelului 3D, copiere respectiv lipire,reconstruirea unei aplicații precum si setari de proiectare.

Figura4.3

In figura 4.3 avem meniul ,,view’’(vizualizare) unde sunt prezentate setari legate de aspectul vizual si anume: redesenare,captura de ecran, setări legate de ecran si modul de afișare,moduri de a vedea fiecare plan ,coordonatele carteziene ale piesei pe care lucrăm și multe alte detalii legate de vederea in diferite planuri.

Figura 4.4

In figura 4.4 este redat meniul ,,Insert’’(inserare) de unde putem introduce setari cum ar fi:din submeniul ,,boss/base’’ putem extruda piesa creată,din submeniul ,,cut’’ putem taria sau gaurii piesa in funcție de cerințele impuse ,setări legate de punerea in oglindă a piesei precum si alte setări legate de forme geometrice și de suprafețe.

Figura 4.5

In figura 4.5 avem prezent meniul ,,Tools’’(setări) unde sunt prezente setări legate de pachetele solidwords de unde putem calcula dacă introducem material primă si costul acesteia, cat o să coste piesa facută de noi la sfarșitul procesului, posibilități de selecție multiple precum si posibilitatea de a masura piesa de a introduce formule matematice si multe altele.

Figura4.6

In figura 4.6 avem meniul ,,Window’’(fereastră) de unde putem: crea o noua fereastră, vederea uneia sau mai multor ferestre in același timp precum și orientarea acestora pe orizontală sau pe verticală.

Figura 4.7

In figura 4.7 avem meniul ,,Help’’(ajutor) unde prin accesarea accesarea putem cauta sau afla despre lucru pe care nu le ințelegem sau nu știm despre ele.

Figura 4.8

In figura 4.8 este ilustrat modul in care trebuie salvat fisierul pentru a fi trimis mai departe la printare ,formatul fisierului este imperios necesar sa fie salvat cu extensia .STL.

4.2 PRINTAREA

Înainte de a printa un model 3D dintr-un fișier de tip STL, trebuie în prealabil să fie procesat de un software, denumit în mod uzual “slicer”, ce convertește modelul într-o succesiune de straturi subtitiri și produce o serie de comenzi de deplasare pe cele trei axe de deplasare și informații în legătură cu depunerea de material. Aceste comenzi formează G-Code (în cazul imprimantei studiate în această lucrare) dar denumirea poate diferi în funcție de imprimantă sau de softwareul utilizat. Există mai multe astfel de programe de tip “slicer” incluzând Skeinforge, Slic3r, KISSlicer, Cura, etc. Imprimanta 3D urmează instrucțiunile din G-Code pentru a depune straturi succesive de material pentru a forma obiectul final. Aceste straturi, ce corespund cu secțiunile virtuale ale modelului CAD, sunt îmbinate automat și alipite realizându-se astfel forma finală. Principalul avantaj al acestei tehnici este abilitatea de a crea aprope orice formă geometrică dorită. Rezoluția imprimantei descrie grosimea stratului de material depus, rezoluția X-Y în număr de puncte per inch (dpi) sau micrometri (μm). Grosimea unui strat este în mod uzual în jurul valorii de 100 μm, adică 250 dpi, deși există imprimante ce pot realiza straturi de zeci de μm. Din software, putem modifica această grosime conform cu cerințele necesare aplicației. Rezoluția XY este comparabilă cu rezoluția în cazul imprimantelor tradiționale cu laser. Punctele sunt în jur de 50 – 100 μm în diametru. Construcția unui model prin metode contemporane poate lua de la câteva ore până la câteva zile, depinzând de metoda folosită, de mărimea și complexitatea modelului. Sistemele aditive pot reduce acest timp până la câteva ore, deși depinde de mașinăria folosită și de mărimea și numărul de modele produse simultan.

Tehnicile tradiționale precum injecția prototipurilor pot fi mai economice pentru fabricarea produșilor polimerici în cantități mari, dar fabricația aditivă este mai rapidă, mai flexibilă și mai ieftină când vine vorba de producerea unei cantități mici de obiecte. Imprimantele 3D dau proiectanților și echipelor de dezvoltatori conceptuali abilitatea de a produce prototipuri și obiecte de test cu o imprimantă de dimensiuni reduse.

Pentru a exemplifica setările făcute in ,,Slicer’’ in paginile următoare o sa pun capturi de ecran cu setările cele mai bune pentru a printa piesele proiectate la cea mai buna calitate data de rezoluția imprimantei 3D .

Figura 4.9

In figura 4.9 avem o vedere de ansamblu a programului institulat ..Slicer’’,unde sunt prezente toate meniurile principale ale acestuia.

Figura 4.10

In figura 4.10 avem meniul ,,Print setings ’’ cu submeniul ,,Layer and perimeters’’de unde putem selecta Inălțimea straturilor in cazul de fața este 70% din grosimea duzei si anume 0.28mm, pentru primul strat am folosit o grosime a stratului mai mare deoarece distanța fața de pat este una mai mare si astfel rezultă diferența de inălțime .Pe plan vertical putem selecta cate straturi sa faca perimetru sau mai bine zis de cate ori sa incoljoare piesa pe fiecare strat.Pe plan orizontal putem selecta cate straturi pline sa ne facă fie la partea de jos fie la cea de sus.Din acest meniu mai putem selecta și setări de calitate cum ar fi sa inceapă cu printarea perimetrelor exterioare sau punerea unor perimetre in plus daca este nevoie.

Figura 4.11

In figura 4.11 avem submeniul ,,Infil’’ (umplere) unde putem selecta cat la suta sa fie umplerea deoarece nu am printat o piesa plin pentru ca durea mult si nu explica costurile astfel prin teste am ajuns la un procentaj de 15% pentru o piesa solida si rezistentă.Forma umplerii interioare am ales una rectangulara deoarece s-a dovedit prin teste fiind cea mai optimă.Am selectat combinarea dupa fiecare stat a umplerii,unghiul sa fie de 45 de grade iar concentratia de 70 mm pătrați si retragerea când intâlnește un perimetru.

Figura 4.12

In figura 4.12 avem submeniul ,,skirt and brim ’’(fusta si margine ) unde putem face cateva perimetre in plus pentru ca piesa sa se prinda mult mai bine de patul imprimantei si astfel sa avem margini drepte fara surplus de material.

Figura 4.12

In figura 4.12 avem present meniul ,,support material’’(material de suport) din acest meniu putem selecta ca o piesa daca are elemente care trebuiesc printate in aer pentru acestea sa puna un material de suport pentru a putea fii printate.

Figura 4.13

In figura 4.13 avem submeniul ,,speed’’ de unde putem selecta vitezele cu care imprimanta sa printeze piesa ,recomand ca in cazul in care piesele au o dimensiune mai mica de 10 cm patrați vitezele sa fie micșorate cu 25% pentru a nu cauza uzura prematură a imprimantei iar straturile sa aibă timp sa se răcească astfel daca vitezele sunt prea mari pot apărea erori de tiparire .Vitezele din figură sunt cele folosite de mine obținute prin mai multe teste.Recomand pentru primul și ultimul strat o viteza cat mai mica pentru a avea suprafața foarte bine finisata si cu un aspect placut.

Imprimanta avand motoare pas cu pas pe toate cele trei axe ,nu avem nici un ,,feedback’’,si astfel daca avem viteze prea mari mi s-a intamplat în timpul procesului de printare sa sară un pas si astfel coordonatele sa nu mai fie aceleasi si sa opresc proces.

Figura 4.13

In figura 4.13 avem submeniul ,,multiple extruders’’,deoarece imprimanta are un singur extruder este prezent 1 in toate căsuțele.De aici mai putem selecta temperatura extruderului sa nu oscileze mai mult cu un număr de grade celsius.

Figura 4.14

In figura 4.14 avem meniul ,,Advanced’’( avansat) unde putem selecta dacă imprimanta sa extudeze material in plus fața de setările anterioare,iar la suprapunerea straturilor am setat 30% pentru ca umplutura sa fie mai rezistentă,rația este de 1,iar compensația pe axele x și y sunt 0.

Figura 4.15

În figura 4.15 avem setările de ieșire a fișierului si aici putem selecta dacă expediem G-codul separat pentru fiecare piesă din modelul 3d sau pentru toate in același fisier,formatul de scriere al modelului de g-code pe care îl dorim.

Figura 4.16

In figura 4.16 avem submeniu ,,notes’’ aici ne putem nota detalii despre ceea ce dorim sa ne aducem aminte sau sa folosească celui ce va utiliza codul mai departe.

Figura 4.17

În figura 4.17 avem meniul ,,Filament setings’’ de unde putem selecta: culoarea filamentului,diamentrul filamentului, cate extrudere avem ,temperatura extruderului la primul strat si la restul straturilor, temmperatura patului la primul strat si la restul. Prin teste am ajuns la aceste valori,in unele cazuri ori nu s-a lipit primul strat de pat fiind temperatura prea mică ori s-a lipit prea rău si stratul sa contorsionat.

Figura 4.18

În figura 4.18 sunt date legate de racirea imprimantei acestea sunt in funcție de producator.Pentru acest proiect am făcut setările in funcție de mediu exterior si anume in camera in care era amplasată imprimanta aveam o temperatura controlată si astfel temperatura mediului ambiant nu influența foarte mult racirea extruderului sau a patului temperatura acestora nu varia cu mai mult de 1 grad celsius.Pentru a avea primul strat foarte bine lipit de pat am deuzactivat ventilatorul intern pentru primele trei straturi.

Figura 4.19

In figura 4.19 avem meniul,,Pinter setings’’ unde prin apasarea butonului ,, set’’ putem selecta dimensiunile patului imprimantei si forma acestuia.Mai jos avem ,,Z offset’’ de unde putem ridica sau coborâ axa Z pentru a apropia sau ridica punctul de printare a duzei extruderului.

Figura 4.20

În figura 4.20 avem un gcode de inceput si de final creat de mine pentru a facilita printarea.

În Start g-code comenzile sunt:oprirea tuturor comenzilor ,de setare a temperaturii patului respectiv a extruderului, de pozitionare in origini a axelor ,asteaptă ca temperaturile sa ajunga la valoarea nominală, resetează extruderul ridică axa z iar apoi scoate 20 mm de material pentru a începe printarea cu duza plină.

În Eng G-code setul de instrucțiuni opresc programul ,opresc temperaturile ,duc pe rand axele in origini și la sfârșit opresc toate motoarele.

Figura 4.21

În figura 4.21 avem submeniul extruder unde avem date legate de diametrul duzei,viteza cu care se extrudeaza material si se retrage.

După ce am efectuat toate setările exportăm fiserul ca G-code pentru ca acesta sa fie înțeles de către pachetul software al imprimantei și anume Pronterface.Pronterface este un program software care transmite comenzi imprimantei 3D printr-o interfața serială usb.

Figura 4.22

În figura 4.22 este redată interfața software-lui Pronterface.În acestă interfața putem incărca G-code exportat din Slicer ,aceasta interfață transmițând codul linie cu line comandând cele 3 motoare temperaturile extruderului si ale patului precum si viteza de deplasare.

Din această interfață putem duce in orice poziție dorim axele imprimantei manual ,putem selecta o temperatură, putem selecta portul de comunicație, rata de transfer a datelor,incărca un fișier.

În cazul in care din diverse motive imprimanta nu face ceea ce trebuie sau vrem sa inspectăm piesa putem pune pe pauză si apoi reveni la proces de unde acesta s-a oprit.

În parte de sus a interfeței avem meniurile de ,,FILE, TOOLS și ADVANCED’’,acestea sunt prezentate in figura 4.23 sub forma lor detaliată.

Figura 4.23

4.3 Finalizarea

Deși rezoluția realizată prin printare poate fi suficientă pentru o serie largă de aplicații, printarea unei versiuni de o dimensiune superioară a obiectului dorit în rezoluție standard și eliminarea materialului printr-un proces substractiv de rezoluție înaltă poate obține o precizie mai bună, necesară în anumite aplicații specifice. Anumite tehnici de fabricare aditivă sunt capabile să utilizeze mai multe materiale în construirea unui obiect finit. Unele sunt capabile să printeze mai multe culori sau combinații de culori simultan. Unele utilizează o bază de suport în procesul de fabricare. Suportul este ușor de detașat sau, în unele cazuri, dizolvabil la finalizarea componentei.

În cazul in care dorim ca fețele piesei imprimante sa aibă o textură foarte fină putem folosii un material abraziv pentru a slefui pâna la textura dorită.Deoarece există riscul ca filetele sa nu fie printate foarte bine putem folosii o filieră pentru a face filetele de care avem nevoie.Piesele printate pot fii mai apoi vopsite fara a le afecta rezistența sau durabilitatea.

Figura 4.24

La produsul finit se poate continua cu prelucrări ulterioare cum ar fi lipirea, sudarea prin lipire sau placarea.

Capitolul 5

Imprimanta 3D folosita

Imprimanta 3D folosiă este o imprimantă 3d în coordonate carteziene, volumul de lucru fiind variabil.Imprimanta 3D cu sistem cartezian de deplasare este cel mai răspândit tip de model și deasemnea, modelul ales pentru imprimanta din această lucrare. Denumirea sa provine de lasistemul XYZ de coordonate folosit pentru deplasarea pe cele trei axe.

În general, pe axele X și Y se monteaza sistemul pentru extrudarea materialului, iar pe axa Z are loc deplasarea suprafeței de printare în sus sau in jos. Există și alte metode de montare a extrudării astfel încât proiectarea mecanică să fie mai ușoara. Principalul avantaj al alegerii modelului cartezian este simplitatea realizării unui astfel de sistem din punct de vedere mecanic dar, prezintă avantaje și din punct de vedere al utilizării software-ului ceea ce face ca aceast sistem să fie ușor de folosit chiar și de către amatori. Dimensiunea unei astfel de imprimante cu sistem cartezian, se poate configura să fie oricât de mică sau de mare este necesar pentru aplicația în care este utilizată, păstrând aria de printare relativ proporțională cu mărimea imprimantei. Acest avantaj a condus la folosirea imprimantei descrise în această lucrare, ce are o dimensiune cu mult redusă față de alte imprimante 3D disponibile pe piață, dar aria de printare este suficientă pentru realizarea multor obiecte fizice.

Aceasta este recomandată mai ales pentru inițiați ai genului putând, totuși, fi utilizate, tot atât de bine, și de către începători. Precizia de printare precum și flexibilitatea în alegerea materialului și regimurilor de lucru, o face aptă pentru scopuri profesionale.

Materialele utilizabile la printare sunt: PLA (simplu sau compozit), ABS sau chiar NYLON, care necesită temperaturi mai înalte ale capului de extrudare si platoului de printare.

Peformanțe funcționale

1. Volumul de printare variabil, are dimensiunile de 450 x 350 x 800 mm

2. Este dotată cu platoul de printare încălzit ce poate atinge temperatura de 100șC

3. Extruderul este ventilat și poate lucra atât cu filament de 1.75mm, cât și de 3mm

4. Pot fi montate două capete de printare independente; în acest caz, dimensiunea maximă printabilă pe axa X se reduce la 200 mm

5. Capul de printare poate lucra cu duze de extrudare de 0.2-0.5mm

6. Viteza de deplasare pe oricare din axele carteziene ale spatiului printabil este de 120 mm pe secundă

7. Precizia și repetabilitatea poziționarii este de 50 μm

8. Geometria axelor carteziene garantată de 50 μm/100mm

9. Perpendicularitatea suprafeței platoului de lucru pe axa Z este ușor ajustabilă

Imprimanta are o sursă proprie de tensiune, cu o putere de 240 watt .Poate lucra conectată (USB) la un PC, sau independent, în cazul în care G-codul se incarca pe un card micro SD ,această având un slot micro SD.

Imprimanta fiind construită de către un coleg in cadrul lucrării sale de dizertație nu are o garanție ,dar totuși calitatea pieselor cu care este construită promit o rezistența si o fiabilitate in timp, cu excepția unor componentelor considerate piese de uzură care au durată de viață mai mică si sunt foarte accesibile ca preț.

Creierul imprimantei este o placa de dezvoltare ,,Smoothie’’,aceasta este un pe care se pot creea o multitudine de aplicații fie ele si de o complexitate foarte mare .Conceptul ,,Smoothie’’ este unul ,,open-source’’ si nu necesita o licența de utilizare.

Placile Smoothie sunt controale numerice de fabricatie concepute pentru a rula firmware-ul Open-Source Smoothieware, de catre o comunitate de voluntari. Acestea vin într-o serie de versiuni diferite, cu diferite seturi de caracteristici și avantaje. Toate plăcile Smoothie sunt proiectate să funcționeze pe cel mai puternic hardware din gama lor de prețuri în momentul concepției, să fie ușor de extins pentru utilizări noi și aventuroași, să fie ușor de dezvoltat și să fie ușor de utilizat pentru utilizatorii normali.

Această pagină(http://smoothieware.org/smoothieboard) afișează diferitele plăci unde puteți găsi mai multe informații în pagina dedicată a fiecărui Smoothieboard:

Figura5.1 V1 Smoothieboard

V1 a fost primul Smoothieboard lansat și a primit mai multe actualizări. A trecut de la un proiect experimental la un sistem larg utilizat și apreciat. Este dotat :

processor pe 32-biți Cortex-M3 LPC1769 cu coarț de 512kB

memorie RAM de 64kB

3 până la 5 drivere pentru motoare pas cu pas

A5984 cu 1/32 microstepare

termistoare și mosfeturi pentru controlul încălzitoarelor și ventilatoarelor

conexiuni Ethernet și USB

cardul SD pentru a stoca configurația și fișierele Gcode

diferite intrări și ieșiri pentru extensibilitate

După conectare, computerul va recunoaște Placa Smoothieboard ca un dispozitiv USB de stocare în masă (cum ar fi o unitate USB sau un cititor de carduri SD), care vă arată fișierele prezente pe cardul SD. Sunt necesare drivere pentru Windows 7/8, în timp ce Linux și Mac OS X suportă direct dispozitivul.

Aceasta vă permite să adăugați, să copiați, să modificați sau să ștergeți orice fișier doriți. Deja prezent pe cardul SD este un fișier numit "config". Acest fișier conține toate opțiunile de configurare pentru placa dvs. și este citit când porniți sau resetați placa.

Placa vine in 3 versiuni, 3X, 4X si 5X, fiecare cu diferite seturi de periferice. Mai multe informații despre pe pagina Smoothieboard v1.

În figura 5.2 este o imagine cu imprimata pe care am folosit-o pentru realizarea componentelor robotice.Unele dintre componentele acesteia sunt obținute din materiale reciclate de pe alte structuri mai vechi.

Figura 5.2

Figura 5.3

În figura 5.3 avem prezentat sistemul de axe al imprimantei . Pe figură sunt reprezentate si minimele si maximele fiecărei axe, aceste valori sunt deosebit deimportane deoarece fără ele nu am putea realiza o calibrare eficientă a imprimantei.. Pentru deplasarea celor trei axe imprimanta folosește trei motoare pas cu pas ,acestea fiind foarte fiabile dar dezavantajul principal este ca nu poți primii ,,feedback’’(raspus) si astfel daca se pierde un pas, poziționare in spațiu se pierde si de aici rezultă defectele de fabricație ale pieselor printate.

Motoarele sunt probabil cele mai importante componente ale imprimantei deoarece ele determină deplasarea pe cele trei axe și direcționează filamentul prin sistemul de extrudare. Pentru această lucrare au fost alese motoare pas cu pas, din categoria motoarelor fără perii (“brushless”) ce au ca proprietate fundamentală faptul că o rotație completă poate fi imparțită într-un număr exact de pași. Motivele pentru care motorul pas cu pas a ajuns să fie folosit într-o gamă mare de aplicații este acuratețea, dar și repetabilitatea.

Din cauza faptului că aceste motoare nu au un circuit de feedback trebuie ales cu grijă modelul de motor necesar aplicației, altfel încât să obținem pasul dorit. Modelul folosit la această aplicație este motorul NEMA 17 (National Electrical Manufacturers Association), din categoria motoarelor pas cu pas unipolare. Un motor bipolar, are două bobine ce sunt permanent alimentate, cuplul obținut având o valoare optimă față de modelul unipolar unde doar una din cele două bobine este alimentată, astfel rezultă un cuplu redus. Motorul bipolar are patru fire de conectare, iar cel unipolar șase, și este comandat prin inversarea sensului curentului prin cele două bobine, pe rând. În figura 5.4 este prezentat motorul NEMA 17, model 103H5208-10U41 care are următoarele caracteristici principale : pasul de 1.8°, tensiunea recomandată variabilă între valoare de 12 volți și 24 volți, curentul de fază de 2 amperi și cuplul de 59 Newton centimetri. Motoarele efectuează o rotație completă într-un număr de 200 de pași, la care se adaugă nivelul rezoluției dorite, iar înmulțind aceste două valori, vom obține numărul de pași efectivi ai unei rotații complete.

Figura 5.4

În cadrul imprimantei 3D în sistem cartezian din această lucrare există două categorii de senzori importanți utilizați pentru controlul și monitorizarea funcționării corecte a întregului proiect, și anume : senzorii de temperatură și senzorii de proximitate. Acești senzori reprezintă intrările în sistem, deoarece prin citirea termistoarelor (senzori de temperatură) și a limitatoarelor mecanice (senzorii de proximitate) putem lua decizii importante la nivel de ansamblu. Senzorii sunt conectați la driverele de motoare si apoi la placa de dezvoltare Smoothie v1. Limitatoarele sunt esențiale în procesul inițial de calibrare pe cele trei axe de deplasare a imprimantei 3D. Astfel, prima funcție realizată în momentul începerii printării este mișcarea pe cele trei axe până la atingerea limitatoarelor.

Figura 5.5

Limitatoare mecanice sunt senzori de proximitate ce ajută la identificarea atingerii poziției de minim sau maxim pe axele de deplasare ale sistemului de ghidaj. Deși există mai multe tipuri de astfel de limitatoare (optice, magnetice, etc), în această lucrarea senzorii folosiți sunt din categoria mecanică, acestea fiind cei mai simpli, conținând doar două fire ce au comportament de întrerupător.

Putem alege între două moduri de conectare, în funcție de configurarea conexiunii : în primul mod, prin atingerea limitatorului se realizează legătura între cele două fire, iar în al doilea mod legătura între fire este realizată atunci când limitatorul nu este acționat. Al doilea mod de conectare este folosit, astfel unul din fire este conectat la masă iar celălalt la microcontroler. Componenta software face citirea limitatorului, iar când acesta este acționat se va realiza conexiunea cu masa rezultând un nivel logic de 0.

La imprimanta folosită senzorii sunt conectați în primul mod, prin atingerea limitatorului se realizează legătura între cele două fire si intrarea microcontrolerului devine 1 logic.

Senzorul de temperatură este un termistor de tip NTC (Negative Temperature Coefficient) adică, cu coeficient de temperatură negativ, a cărui rezistență scade odată cu creșterea temperaturii măsurate. Senzorul realizează funcția de control al temperaturii cavității de extrudare pentru a nu depăși o temperatură critică ce poate duce la distrugerea unor componente importante. Deși măsurarea temperaturii cu ajutorul unui termistor este mai complicată, presupunând anumite calcule suplimentare și o implementare software mai greoaie, termistorul este de preferat în această aplicație datorită dimensiunilor reduse, modului ușor de montare în sistemul mecanic și preciziei suficient de bune.

Întregul sistem de extrudare de filament este format din mai multe entități diferite, cu roluri bine definite și greu de realizat cu obiecte la îndemâna oricărui utilizator. Entitatea ce se ocupă cu introducerea sau retragerea de filament este formată din două role metalice, una din ele are rolul de a presa filamentul, asigurând faptul că acesta rămâne într-o poziție fixa, dorită, fără riscul de a se îndoi sau rupe, iar cealaltă rolă ajută la deplasarea filamentului de plastic spre capătul de printat. Aceste role sunt acționate de un motor de tip pas cu , pas suficient de mic astfel încât să se sincronizeze cu viteza de printare, adică depunerea efectivă a staturilor de filament topit, retrăgând sau împingând filamentul atunci când este necesar. Pentru a determina numărul de pași necesari pentru extrudarea unui milimetru de filament împărțim numărul de pași pentru o rotație completă la numărul de milimetri de filament de plastic introdus. Desigur, numărul de pași pentru o rotație completă va fi determinat prin înmulțirea rezoluției cu numărul de pași ai unei rotații, adica 200. În urma acestor calcule vom obține un număr teoretic, care nu va reprezenta valoarea exactă, reală. De aceea, este necesară o etapă de calibrarea pentru a determina cât mai precis această valoare. Entitatea sistemului de extrudare ce se ocupă de topirea filamentului reprezintă partea activă a sistemului. Aceasta are în vârf o duză de dimensiuni reduse, pentru a permite doar trecerea firului de plastic topit, cu o deschidere de 0.5milimetri. Cavitatea în care filamentul este propriu-zis topit se numește cameră termică și este componenta ce consumă cel mai mult curent deoarce se încălzește până la temperaturi de aproximativ 250 de grade Celsius prin intermediul cartușului ceramic termic. De asemenea, tot din cauza temperaturii ridicate a componentei, trebuie prevăzut și un sistem de răcire. În acest scop a fost montat un radiator și un ventilator, adiacente la camera termică. Camera termică este prevăzută cu o cavitate de montare a senzorului de temperatură pentru a citi temperatura și a comanda printarea din cadrul componentei software, dar și cu o altă cavitate pentru conectarea elementului de încălzire prezentat în figura 5.6.

Figura 5.6

Radiatorul are dublu rol în sistem. În primul rând, disipă căldura provenită din camera termică, iar în al doilea rând este prevăzut cu locuri speciale pentru montarea barelor de glisare pe axele X și Y ajutând astfel la sistemul de ghidaj.

Figura 5.7

Patul imprimatei este unul incălzit ,iar suprafața de contact este o oglindă,pentru ca filamentul sa adere la suprafața oglizii am folosit fixativ de păr.

Capitolul 6

Aplicații

6.1 Gripere pentru platforma kuka