Ansamblul a fost conceput din 3 mașinării: [308926]
Cuprins
Introducere
Imprimarea 3D prin extrudare (FDM) este un proces de fabricație care a crescut în popularitate ca un pasiune dar și în industrie. Posibilitatea printării oricăror geometrii și posibilitatea de realizare foarte rapidă a atras foarte multe companii. Pentru realizarea reperelor folosind această tehnologie de printare cele mai întâlnite mase plastice sunt aciul polilactic (PLA) și acrolonitril butafien stiren (ABS). [anonimizat]. [anonimizat] a-[anonimizat]-le ușor de reciclat.
O mulțime de materiale sunt irosite în procesul de printare 3D, precum suporții de construcție a pieselor sau reperele ce prezintă defecte. [anonimizat] 3D [anonimizat].
Scopul licenței este acela de a realiza un ansamblu de dispozitive pentru crearea unui nou filament produs din materialul pierdut în urma printării 3D.
Ansamblul a fost conceput din 3 mașinării:
Un tocător pentru mărunțirea reperelor printate
Un extruder pentru topirea materialului plastic mărunțit și extrudarea acestuia sub forma unui filament
Un dispozitiv de răcire a filamentului și bobinarea acestuia pe un tambur
Pentru realizarea ansamblului a fost făcută o analiză de piață privind mașinăriile deja existe în procesul de producție al filamentului din material reciclat. [anonimizat], fără a fi nevoie de o tehnologie de fabricație foarte avansată.
Lucrarea a fost împărțită in cinci capitole. În primul capitol sunt prezentate masele plastice și caracteristicile lor. În urma cercetărilor făcute privind acest domeniu a fost ales cel mai potrivit material pentru procesele ce vor fi făcute în vederea realizării filamentului.
În capitolul doi este prezentată o scurtă introducere a tehnologiei de imprimare 3D, [anonimizat].
Capitolul trei conține informații privind reutilizarea maselor plastice și etapele necesare realizării acestui proces și sunt prezentate avantajele și dezavantajele refolosirii materiei prime. De asemenea este prezentată o analiză asupra utilizării materialelor reciclate și nereciclate în procesul de extrudare.
Capitolul patru a [anonimizat]. Folosind acest studiu a [anonimizat].
Capitolul cinci conține informații asupra aspectului de marketing industrial și distribuirea domeniilor industriale în România. Scopul acestui capitol este acela de a implementa conceptul în cât mai multe firme specializate în industria utilizatorilor și producătorilor de mase plastice în vederea diminuării numărului de deșeuri și folosirea lor în producerea de noi obiecte.
Capitolul 1. Materiale Plastice
Materialele plastice au apărut în prima jumătate a [anonimizat], odată cu descoperirea vulcanizări cauciucului. [anonimizat] (celuloidul rezultat din plastifiere). Masele plastice sunt materialele produse pe baza de polimeri, capabile de a căpăta la încălzire o formă și de a o păstra după răcire.
Polimerii reprezintă materiale deosebit de utile, adaptate la diferitele cerințe pentru a satisface o multitudine de nevoi. Sub această denumire generală de polimeri sunt incluși și elastomerii si masele plastice. În momentul de față materialele polimerice joacă un rol forte important datorită proprietăților pe care le au și care le fac apte pentru numeroase aplicații cât și datorită ușurinței fabricației și a prețului de cost scăzut.
Materialele plastice reprezintă nu numai un înlocuitor perfect al metalelor feroase și neferoase, ci și o clasă de materiale ce permite rezolvarea unei serii de probleme tehnice în diferite ramuri industriale. Importanța materialelor plastice a crescut în mare măsură în domeniul construcțiilor, în industria de mașini, în electrotehnică, în industria chimică, la ambalaje, în industria bunurilor de consum, etc. Materialele plastice fac parte din grupa polimerilor organici, clasificarea lor realizându-se pe baza criteriilor comune sau a celor comparabile cu cele folosite în gruparea materialelor bine cunoscute, în special cea a metalelor. Clasificarea materialelor plastice are ca obiect și gruparea acestora după un număr de caracteristici, care sunt semnificative pentru întrebuințarea lor în tehnică sau pentru stabilirea condițiilor de prelucrare.
Masele plastice sunt compuse din:
Materialul de implantare (făina de lemn, azbest, fibra de sticlă), care reduce costul și îmbunătățește rezistența mecanică
Plastifianți (esteri) ce sporesc proprietățile elastice
Stabilizatori (antioxidante, fotostabilizatori), care contribuie la păstrarea proprietăților maselor plastice în timpul proceselor de prelucrare și în timpul utilizării, având în compoziția lor.
Clasificarea materialelor plastice
Un material plastic este un amestec ce conține un produs de bază, susceptibil de a fi modelat, sau care a fost mulat. El este un amestec de macromolecule și polimeri organici sau semiorganici cu caracter rășinos, rezultați în urma unor reacții naturale sau artificiale, de polimerizare, poli adiție și policondensare.
Din punct de vedere al provenienței, materialele plastice pot fi:
naturale: extrase din rezerve naturale și utilizate fără a suferi modificări de compoziție și structură (nu sunt specifice construcțiilor de mașini);
artificiale: obținute din produse naturale și supuse ulterior unor îmbunătățiri în scop aplicativ (materiale celulozice de tipul celofanului, viscozei);
de sinteză: rezultate din diferiți monomeri în urma unor procese tehnologice (reacții chimice de polimerizare, poli adiție, policondensare)
Din punct de vedere al deformațiilor mecanice, materialele util:
elastice: se deformează sub acțiunea unei forțe exterioare și revin la forma inițială după încetarea acțiunii acesteia;
plastice: deformabile, dar nu revin la forma inițială.
Materialele plastice pot fi clasificate în funcție de comportarea lor sub influența căldurii și a presiunii:
Materiale termoplaste: prin încălzire se aduce un aport de energie care duce la plastifierea materialului. În condiții optime fiecare prelucrare duce la o micșorare de aproximativ 5% a caracteristicilor mecanice, crescând indicele de curgere. Acest lucru se datorează ruperii lanțurilor macromoleculare, cu consecințe în scăderea gradului de polimerizare.
Exemple de materiale termoplaste: polietilena, polipropilena, policlorura de vinil, politetrafluoretilena, polistirenul, poliamida, polimetacrilatul de metil, poliesterii, poliacetatul, elastomerii, siliconii;
Materialele termorigide: sunt materialele plastice rigide la temperaturi normale, dar care prin creșterea temperaturii suferă o descompunere ireversibilă, de fenomenul de reticularizare ce împiedică ruperea legăturilor permanente fără a distruge moleculele componente. Aceste materiale nu se mai pot recicla.
Exemple de materiale termorigide: fenolii, poliuretanii, poliamidele, materialele epoxidice.
Elastomeri – materiale plastice la care temperatura de vitrifiere este mai mică decât temperatura mediului ambiant. Temperatura de vitrifiere este temperatura la care starea rigid-elastică a unui material se schimbă cu starea înalt-elastică a acestuia. Aceste materiale se vor găsi deci la temperatura ambiantă într-o stare înalt-elastică caracterizată de deformații mari, reversibile.
Din analiza structurii materialelor plastice (fig. 1) se desprind câteva concluzii:
materialele termoplaste au o structură filiforma, liniară sau ramificată, reciclabile, în timp ce termorigidele au structură reticulară, ireversibilă;
elastomerii se împart în funcție de structura internă în două categorii:
elastomeri clasici cu structură asemănătoare cu a termorigidelor;
elastomeri termoplastici, cu structură linară sau ramificată, asemănătoare termoplastelor, legăturile intermoleculare fiind de regulă de natura fizică, putând fi însă și legături chimice (poliuretan termoplastic). Acesta conduce la posibilitatea reprelucrării lor. Cu excepția elastomerului termoplastic poliolefina sunt constituite din blocuri de copolimer continând segmente tari si moi ale căror proprietăți sunt determinate de proporția dintre aceste segmente și de lungimea lor.
Fig. 1.1 Structura materialelor plastice
a-termoplaste; b-termorigide; c-elastomeri clasici; d-elastomeri termoplastici
Materialele folosite în printarea 3D sunt foarte diverse și sunt alese în funcție de rezultatul care este dorit. Procesul de imprimarea 3D este foarte flexibil și permite producătorului să aleagă materialul în funcție de formă, textură și proprietăților mecanice și chimice și scopul ce îl va servi produsul final.
Caracteristicile materialelor plastice
Indiferent de categoria în care se încadrează, masele plastice au câteva caracteristici generale:
Greutate specifică redusă, în general sub 1,8 g/cm3, datorită faptului că elementele componente (in principal H si C) au mase atomice reduse;
Rezistența la încovoiere, întindere și compresiune bune;
Stabilitate chimică remarcabilă fără de majoritatea mediilor agresive;
Coeficient de dilatare specifică mare datorită legăturilor Vand der Walls (legături slabe) dintre catene;
Porozitate reglabilă (structura cu pori închiși sau deschiși);
Prelucrabilitate simplă;
Conductivitate electrică nulă si conductivitate termică mică;
Proprietățile lor sunt afectate de radiațiile din spectrul vizibil, de ultraviolete și de radiațiile ionizante care pot rupe legăturile dintre catene si/sau dintre monomeri modificând astfel structura inițială prin reducerea gradului de polimerizare;
Aspect estetic (produse colorate în masă, translucide sau transparente)
Cost scăzut
Materialele folosite în printarea 3D
Plasticul
În industria printării 3D este cel mai comun material datorită flexibilității, prețului scăzut de prelucrare și a gamei mari de culori de care dispune. Acesta este unul dintre cele mai folosite materiale în industria jucăriilor.
Produsele din plastic sunt în general executate cu ajutorul imprimantelor FDM, al cărui filament din material termoplastic este topit și modelat în forme, strat cu strat.
Tipurile de filamente din plastic sunt fabricate de obicei din următoarele materiale:
Acidul Polilactic (PLA): este o opțiune prietenoasă cu mediul. Acidul polilactic este provenit din produse naturale ca trestia de zahăr și amidonul din porumb, fiind compuși biodegradabili. Disponibil in forme solide si moi, plasticul fabricat. PLA (in stare dură) este un material mai puternic și, prin urmare, este un material mai potrivit pentru o gamă mai largă de produse.
Acrilonitril butadien stiren (ABS): este definit prin trei proprietăți principale: procesabilitate, rezistența la impact si rezistența termică. O referință pentru obiectele produse din ABS sunt cuburile “LEGO”. Materialul constă în filamente asemănătoare firelor, ce conferă ABS-ului fermitate și flexibilitate. ABS este disponibil în diverse culori, acesta fiind motivul pentru care îl fac materialul potrivit pentru autocolante și jucării.
Alcool Polivinilic (PVA): este utilizat pentru imprimantele de uz casnic, PVA este un plastic adecvat folosit ca material temporar datorită proprietăților sale de dizolvare. Deși nu este potrivit pentru produse care necesită rezistență ridicată, PVA poate fi folosit ca opțiune cu costuri reduse pentru articolele cu utilizare temporară.
Policarbonat (PC): este un material rar întâlnit față de tipurile de plastic menționate mai sus, policarbonatul este folosit în printarea 3D doar pentru imprimantele ce folosesc o temperatură foarte ridicată de printare. Acesta este folosit pentru realizarea elementelor de fixare din plastic de cost redus și a tăvilor de turnare.
Comparații între PLA si ABS
Din punct de vedere al proprietăților mecanice și cele fizice:
PLA este mai fragil decât ABS, dar are o duritate mai mare a suprafeței și este mai predispus să se rupă atunci când este îndoit. Obiectele realizate din acest material pot fi tăiate, umplute, șlefuite, vopsite, îmbinate cu ajutorul adezivilor dar nu este posibilă tratarea cu acetonă (pentru îmbunătățirea netezimii suprafeței)
Filamentele ABS prezintă o lipire a straturilor superioara față de cele a PLA. Obiectele 3D imprimate în acest fel vor fi mai puternice și mai rezistente la impact. Prin urmare, este mai potrivit pentru piesele mecanice și pentru obiecte care trebuie să fie rezistente la impact. Mai mult decât atât, piesele din ABS sunt mai flexibile decât cele fabricate din PLA și tind să se îndoaie decât să se crape atunci când sunt sub presiune. De asemenea, ABS este mai maleabil, postprocesarea fiind mai ușoara: obiectul imprimat poate fi tăiat, umplut, șlefuit, vopsit și lipit. Obiectele printate din ABS se pot trata cu acetonă.
Din punct de vedere al reciclabilității PLA este un compus biodegradabil, fiind fabricat din material vegetal, în timp ce ABS nu este un compus biodegradabil, dar procesul de reciclare poate fi unul foarte ușor.
Pulberi
În ziua de astăzi tot mai multe imprimante 3D folosesc pulberile. În interiorul imprimantei, pulberea este topită și distribuită în straturi de diferite grosimi, texturi și tipare.
Poliamide (nylon-ul): Nylonul este un material de printare 3D incredibil de puternic, durabil si versatil. Flexibil când este subțire, dar cu o aderență foarte înaltă între structuri. Acest material este folosit de obicei pentru piesele de îmbinare într-un model 3D.
Alumide: este compus dintr-un amestec de poliamide și pudră de aluminiu. Pudra de aluminiu este folosită pentru obiectele ce necesită o rezistență foarte mare. Este recunoscut prin culoarea sa gri și prin aspectul nisipos, alumide-ul este des întâlnit în printarea industrială și prototipare.
În formă de pudră, materialele precum oțelul, cuprul și alte tipuri de materiale sunt ușor de modelat în forme dorite. Precum numeroasele tipuri de plastice folosite în printarea 3D, pulberile metalice trebuiesc încălzite până la un punct în care se pot forma straturi pentru a crea forma dorită.
Rășinile
Una dintre materialele mai limitate și mai puțin folosite în printarea 3D este rășina. Comparată cu alte materiale folosite, rășina oferă proprietăți mecanice limitate (flexibilitate și rezistență). Fabricată din polimeri în stare lichidă, rășina ajunge într-o formă solidă folosind expunerea la lumina UV. Rășina este de obicei găsită în diferite culori negru, alb, verde, albastru, roșu și chiar transparența). Rășinile sunt folosite pentru crearea obiectelor de dimensiuni mici ce necesită un nivel de detaliu mare (figurine) și în crearea modelelor pentru turnare.
Acest material se împarte în 3 categorii:
Rășina pentru detalii: este folosită în special pentru modelele de dimensiuni mici ce necesită un nivel de detaliu mare. Ca de exemplu, o figurină de 100 mm ce necesită un nivel mai mare de detaliu pentru a expune toate detaliile dorite este de obicei printată folosind acest tip de rășină.
Rășina colorată: este folosită pentru modelele 3D cu suprafețe fine. Rășinile din această clasă sunt folosite pentru estetica și culoarea oferită.
Rășinile transparente: Este cea mai folosită clasă de rășină și caracteristicile sale se prestează pentru o gamă mai largă de produse printate 3D. Este folosită în special pentru modelele ce necesită o textură fină dar să fie transparente.
Metalul
Metalul este al doilea cel mai întâlnit material în industria printării 3D. Procesul prin care metalul este printat este cunoscut ca sintetizarea directă a metalului, folosind laserul sau DMLS/SLM. Aceasta operație este folosită deja de producători în industria aeronautică ce utilizează printarea 3D cu metal pentru a simplifica numărul de operațiuni necesare realizării unei piese, pentru a grăbi procesul de producere și pentru a mări numărul de repere fabricate cu o precizie și caracteristici superioare față de piesele fabricate în mod convențional.
Metalele ce pot fi folosite în printarea 3D sunt:
Oțel inoxidabil: ideal pentru printarea obiectelor ce vin în contact cu apa
Bronz: este folosit în fabricarea vaselor și a altor accesorii
Aur: folosit în special în industria de bijuterii
Nichel: folosit în printarea monedelor
Aluminiu: folosit în diferite industrii
În procesul de printare se utilizează pulberi metalice drept material de construcție, care sunt topite și sudate împreună cu ajutorul unui laser de mare putere. Staturile subțiri de pulbere metalică sunt succesiv topite și solidificate la nivel microscopic în interiorul unei camere închise ce conține gaz inert (argon sau azot) în cantități controlate strict, la un anumit nivel de oxigen.
Fibra de carbon
Compoziții ca fibra de carbon sunt folosiți în printarea 3D ca strat de acoperire peste materialele din plastic. Scopul acestui lucru este acela de a oferi o rezistență mai bună a plasticului. Combinația de fibră de carbon peste plastic este folosită în industria printării 3D ca o alternativă convenabilă a metalului.
Grafitul si grafenul
Grafenul a devenit o opțiune populară în printarea 3D datorită rezistenței și proprietăților sale conductive. Materialul este ideal pentru componentele dispozitivelor ce au nevoie să fie flexibile, de exemplu ecranele tactile. Grafenul este folosit pentru panouri solare si componentele clădirilor.
Carbon-nichel (nitinol)
Este un material comun în implanturile medicinale. Nitinol-ul este folosit în industria printărilor 3D pentru gradul de elasticitate ridicat. În industria medicală este format dintr-un amestec de nichel și titanium, nitinolul poate fi îndoit foarte mult fără a se rupe.
Capitolul 2. Reciclarea maselor plastice și utilizarea lor în fabricarea filamentelor
În urma unor studii efectuate, s-a demonstrat ca fiecare cetățean generează zilnic aproximativ 1,5 – 2 kg de gunoi, din care cel puțin jumătate este reciclabil.
În trecut oamenii obișnuiau să repare și să refolosească tot ce puteau. Populația era mai mică și oamenii trăiau în grupuri mai puțin concentrate. Pe lângă toate acestea, ambalajele folosite erau din materiale care se descompun ușor și în acest fel reîntoarcerea materiilor prime în natura era mai rapidă și mai simplă. Revoluția industrială a permis fabricarea pe scara industrială a ambalajelor ușoare, rezistente, care mențin diverse produse alimentare în condiții adecvate pentru mai mult timp. În acest fel confortul și accesul la produse din ce în ce mai variate este automat mult mai mare. Pentru a împiedica acumularea de deșeuri se utilizează mai multe operațiuni:
Reducerea utilizării resurselor în fabricarea produselor necesare în viața de zi cu zi.
Refolosirea obiectelor, fie pentru același scop pentru care au fost realizate, sau pentru alte întrebuințări.
Reciclarea deșeurilor (prin deșeu se înțelege orice obiect care nu mai este folosit și este aruncat sau risipit).
Efectele reciclării:
Reducerea cantității de energie și de materii prime necesare fabricării de noi produse;
Reducerea circuitului economic și importante cantități de materie primă;
Reduce cantitățile depozitate la rampele de gunoaie sau la incineratoare;
Reduce riscurile asupra sănătății noastre și a mediului, cauzate de deversare improprie a unor deșeuri periculoase;
Reduce poluarea aerului și a apei.
Reciclarea Plasticului
După anul 1950, materialele plastice au devenit de mare interes, în mai puțin de zece ani producția maselor plastice crescând foarte mult. Consumul anual poate fi acum comparabil cu cel al metalelor neferoase.
În prezent, există aproximativ 40 de tipuri de plastic, fiecare cu o compoziție chimica și proprietăți diferite, care le fac potrivite pentru o anumită utilizare.
Plasticul este fabricat din petrol, benzină și cărbune. Cea mai mare parte din materialele folosite pentru fabricarea plasticului provin din reziduurile rafinării petrolului, care altfel ar fi arse și irosite.
Reciclarea materialelor plastice s-a dezvoltat constant și se realizează într-o gamă largă în multe țări. În loc să polueze apa râurilor sau suprafețe mari de sol prin acumulare, PET-urile pot fi foarte ușor colectate și reciclate, acest lucru se poate face foarte ușor cu ajutorul containerelor specializate.
Recuperarea ambalajelor din plastic reprezintă o mare provocare, datorită ,în primul rând, numărului mare de PET-uri (plietilen teroftalat) utilizat cu mare eficiență ca recipiente pentru băuturi.
Tabel 1
Avantajele și dezavantajele utilizării plasticului
Tabel 2
IDENTIFICAREA DIFERITELOR MATERII PLASTICE
Procedura de printare a obiectelor 3D
Pe baza selecției proprietăților și a proceselor de reciclare ale PLA simulate a fost adoptată o schemă de reciclare așa cum este ilustrată în fig. 3.1. Granule de PLA nereciclate sau extrudate în filament și apoi supuse imprimării 3D FDM, iar produsele tipărite 3D au fost tăiate și re-extrudate în filament; proprietățile materialelor au fost caracterizate în timpul fiecărui ciclu, deoarece mostrele au fost prelevate din filamente, în timp ce numai testele mecanice utilizează eșantioane tipărite 3D. Schema experimentală permite compararea materialelor cu diferite cicluri și proprietăți, după cum se specifică
Fig. 2.1 Procesul de reciclare al maselor plastice
Sortarea
Sistemul de sortare este un element crucial pentru toate activitățile de reciclare. Un proces de sortare detaliată și precisă garantează mai ușor procesele de fabricare, produse mai bune și o mai bună întreținere a echipamentului și a produselor. Un sistem eficient de sortare permite echipei să știe exact ce tip de plastic este folosit, ceea ce este foarte esențial pentru o determinare a temperaturii de topire.
Procesul de sortare poate fi efectuat și manual. Odată ce plasticul ajunge în unități de sortare, plasticul trebuie să fie sortat și depozitat în recipiente corespunzătoare. Sortarea se va face urmând codul SPI aflat pe ambalaje sau aflat deja pe plastic.
Uneori produsele nu au codul SPI din nenumărate motive (erodare, lipsa ambalajelor, etc.) Ca urmare pentru rezolvarea acestei probleme se pot efectua următoarele tehnici care sunt mai puțin precise dar care pot oferi informații valoroase.
Plutire, această tehnică profita de densitățile diferite ale tipurilor de plastic. Fiecare tip de plastic are o densitate specifică, care o face să plutească diferit în lichid. Lichidul plutitor poate fi apa sărata, alcool, uleiuri. Această tehnică este utilizată intens de industrie. Cu toate acestea, poate fi dificil, în special din cauza aditivilor amestecate cu plastic, care pot schimba densitatea făcându-l inaccesibil.
Focul, această tehnică este una distrugătoare, dar poate funcționa în anumite situații. Materialele plastice au proprietăți diferite atunci când sunt încălzite. Pentru această tehnică, se folosește o mostră din materialul de plastic care este aprinsă și se fac observații privind culoarea flăcării și mirosul.
Zdrobirea, această tehnică presupune lovirea violentă cu un ciocan în care se observă modul în care se rup diferitele tuburi de plastic. Unele materiale din plastic se vor zdrobi în bucăți mai mari sau nu se pot rupe.
Zgârierea/tăierea este o tehnică pentru a se identifica materialele termoplastice de către cele termorigide. În urma tăierii unui material termoplast, suprafața prezintă o tăietura curată în timp ce materialele termoplaste creează un praf în jurul suprafeței tăiate.
Mărunțirea
Odată ce plasticul a fost sortat trebuie sa fie mărunțit. În acest stadiu, obiectele de plastic sunt tăiate în granule mai mici pentru a reduce dimensiunile lor, pentru a permite spălarea, pentru a se depozita mai eficient și a fi utilizate împreună cu celelalte mașini. Este recomandat ca în această etapă să separe culoarea plasticului.
Spălarea
Plasticul trebuie să fie curat (fără alte impurități care pot afecta în viitor proprietățile mecanice, temperatura de curgere, structura chimică) înainte de a fi supuse altor procese privind reciclarea. Praful, murdăria și impuritățile pot cauza probleme mașinilor de extrudare dar și a produselor care pot fi de calitate inferioară sau pot apărea probleme în procesul de producție. Spălarea plasticului se realizează în vase speciale.
Uscarea si extrudarea
Înainte de prelucrare, materialul trebuie uscat la o temperatura de 80° C timp de 4 ore pentru a îndepărta conținutul de umiditate. In cazul filamentelor din PLA a fost setata o temperatură cuprinsa intre 180° C si 220 ° C cu o viteza de rotație a șurubului de 50 rpm.
Diferențele dintre materialele plastice nereciclate și cele reciclate
În ultimii ani, producția de aditivi a crescut rapid. Această tehnologie permite o producție rapidă și ieftină de dispozitive fără prelucrări ulterioare. În plus, rolul important al proiectării asistată de calculator (CAD), al ingineriei inverse și al analizelor teoretice/ experimentale a fost intens studiată deoarece utilizarea unor astfel de metodologii a condus la proiectarea unor dispozitive avansate pentru aplicații diferite. Datorită îmbunătățirii tehnologiilor de fabricare a aditivilor și a vitezei de producție cantitatea de polimeri tipăriți 3D va continua să crească. Având în vedere abilitățile de producție în masă , este bine cunoscut faptul că imprimarea 3D este caracterizată printr-un volum care nu se va apropia niciodată de cel al unui proces de turnare prin injecție. În prezent tipărirea 3D permite producerea unui număr mare de piese cu forme specific și la costuri competitive, chiar dacă procedeul de printare utilizând tehnologia FDM este în general utilizat în obținerea de prototipuri care nu sunt părți sau dispozitive funcționale.
Cu toate acestea, o cantitate semnificativă de deșeuri este însă create folosind tehnologia FDM, cum ar fi obiecte eșuate și structuri de suporți, prototipuri de unică folosință, etc. În acest context, sunt utilizate ca materiale de printare PLA (acidul polilactic) și ABS (acrilonitril butadiene stirenul). PLA este un polimer biodegradabil provenit din materiale vegetale (amidon din porumb și trestie de zahăr. Resturile din PLA pot fi gestionate utilizând diferite metode precum reciclarea, arderea, compostarea și depozitarea în spații de stocare ale deșeurilor. În ceea ce privește impactul asupra mediului, reciclarea este pe departe cea mai bună metodă de a gestiona deșeurile din PLA, în timp ce compostarea nu este considerată o soluție realistă ca o consecință a timpului de degradare total și a condițiilor specifice ale procesului. Pe de altă parte, din punct de vedere al eficienței mediului, producția de dioxid de carbon limitează în mod clar metoda de combustie. În urma efectuării a unor studii preliminare, în ceea ce privește impactul asupra mediului, rezultatele reciclării PLA, s-a constatat că procesul de reciclare este cea mai bună metodă.
În comparație cu materialele plastice pe bază de petrol, PLA are un effect mai puțin aspru asupra mediului. Din acest motiv, multe tipuri de filamente reciclate care sunt obținute prin folosirea sistemelor de extrudare cu filamente, sunt în prezent pe piață. Chiar dacă au fost efectuate multe progrese și caracteristici tehnice în acest domeniu, se cunosc puține informații despre proprietățile mecanice ale polimerilor tipăriți 3D și reciclati. A fost efectuat un studiu privind amestecurile de polipropilenă reciclată în procedeul de turnare prin injecții a fost evaluat un raport adecvat de amestecare dintre polimeri reciclați și nereciclați care arată că scăderea proprietăților mecanice ale obiectelor fabricate din polimeri reciclați pot fi îmbunătățiți optimizând parametrii procesului de formare prin injecție.
Un studiu axat pe metodele de optimizare legate de fabricarea aditivului și a filamentelor care au fost reciclați de cinci ori apoi folosiți pentru fabricarea unei componente tipărite 3D nu a demonstrate o scădere a proprietăților mecanice decât cu o reducere de 10%.
O cercetare anterioară a fost efectuată asupra performanțelor mecanice (proprietăți de tracțiune, forfecare și duritate) ale eșantioanelor 3D tipărite utilizând atâta PLA nereciclat cât și PLA reciclat. Obiectele din PLA au fost tipărite și re-extrudate în filamente. Eșantioane suplimentare au fost printate cu filamente reciclate din PLA și apoi testate mecanic. Rezultatele obținute au arătat că tipărirea 3D din PLA reciclat poate fi luată în considerare ca o opțiune valabilă deoarece procesul de reciclare nu modifică dramatic proprietățile mecanice și modul de elasticitate la tracțiune.
Fig. 2.2 Proprietățile filamentului nereciclat de PLA
Diferitele caracteristici (fenomenul de degradare potențial al filamentelor, comportamentul de curgere și proprietățile reologice) ar putea fi evitate în mod corespunzător prin optimizarea procesului de printare și de reciclare.
Reciclarea cu închiderea ciclului de viață a unui plastic poate fi o măsură promisă în abordarea acestei probleme din cele patru motive. În primul rând, în ciuda eforturilor intense de dezvăluire a materialelor noi pentru tipărirea 3D, doar un număr limitat de materiale sunt viabile din punct de vedere comercial. În al doilea rând, producția globală de materiale tipografice 3D, cum ar fi acidul polilactic (PLA), este însă limitată, deși producția de PLA sa bucurat de o creștere substanțială în ultima decadă. În al treilea rând, reciclarea mecanică a deșeurilor din materiale plastice devine o practică obișnuită și prietenoasă cu mediul în atenuarea problemelor cu deșeuri din material plastic solid. Plasticul reciclat are o performanță comparativă cu cel nereciclat și au fost aplicate și pentru fabricarea produselor cu valoare ridicată cum ar fi componentele automobilelor. In al patrulea rând, reciclarea cu închiderea ciclului de viată al plasticului este cea mai buna varianta din punct de vedere economic si a efectului asupra mediului.
Modificarea proprietăților mecanice
Pentru realizarea acestor cercetări s-au folosit 3 tipuri de filamente din PLA pentru a observa modificarea aduse în imprimarea 3D utilizând materiale plastice reciclate. Primul filament numit și PLA (O) este reprezentat de PLA nereciclat, al doilea filament este de PLA (1) obținută dintr-o singură reciclare a unui material și cel de-al treilea este reprezentat de PLA (2) obținut din două reciclări.
În procesul de imprimare 3D repetat doar pentru două cicluri, deoarece filamentul (PLA 2) nu a putut fi imprimat în eșantioane în timpul celui de-al treilea ciclu. Acest lucru ar putea fi atribuit procesului de imprimare 3D, care introduce în mod semnificativ mai semnificativ în material. De aceea, proprietățile mecanice ale PLA (0) și PLA (1) au fost măsurate datorită disponibilității limitate a unui eșantion, așa cum este prezent în FIG. 2. După cum arată și fig. 2, proprietățile au fost determinate după un singur ciclu de prelucrare în care au avut loc două procese de extrudare și un proces de imprimare 3D. Se observă o reducere minoră între cele două cicluri, proprietățile mecanice neavând fluctuații foarte mari. Rezultatul demonstrează că filamentul de PLA supus la mai multe cicluri de reciclare va deveni mai rigid și fragil.
Fig.2.3 Diferențele proprietăților mecanice la PLA
Modificarea proprietăților reologice
Este cunoscut faptul ca PLA se degradează termo-mecanic și hidrolitic în timpul procesului de topire. Reducerea vâscozității PLA reciclat este minoră fără spălarea materialului, adică degradarea hidrolitică este mai semnificativă decât impacturile termo-mecanice.
Figura 3 indică nivelul de degradare termo-mecanic în imprimarea 3D. Declinarea rapidă a vâscozității demonstrează că materialul PLA nu poate fi supus unor cicluri suplimentare.
Fig. 2.4 Reprezentarea grafică- vâscozitatea în funcție de temperatură pentru materialul PLA
Modificarea proprietăților termice
În figura 4 se observă că cele 3 probe prezintă o temperatură de tranziție sticloasă (Tg) în jurul valorii de 60° C. Reducerea temperaturii de cristalizare (Tc) poate fi atribuită unei mobilități mai ridicate a lanțurilor de polimeri, ca o consecință a greutății moleculare reduse în timpul ciclurilor de reciclare. Reducerea masei moleculare a fost demonstrate prin rezultate testelor de vâscozitate și greutate moleculară. Figura 4 nu arată diferențe majore în temperatura de topire (Tm) ale celor trei probe. Deținând o greutate moleculară mai mare, mobilitatea lanțurilor de polimeri în filamentul de PLA (0) este limitată, ceea ce îl împiedică să se rearanjeze în timpul procesului de topire, prin urmă ce filamentul de PLA (0) are cea mai mică temperatură de topire (Tm).
Fig. 2.5 Proprietățile termice ale filamentelor de PLA
Privind extrudarea repetată sau printarea prin injecție, degradarea în timpul imprimări 3D este mult mai semnificativă în mai puține cicluri, așa cum se sugerează prin creșterea cristalinității (x), a entalpiei de topire (DHm) și scăderea entalpiei de cristalizare la rece (DHcc). Deoarece un singur ciclu de reciclare pe baza de extrudare nu ar afecta semnificativ proprietățile termice, această degradare poate fi atribuită procesului de printare 3D. Imprimarea 3D a dus la apariția unei lanțuri de polimeri mai scurte, care sunt capabili să cristalizeze mai ușor și să formeze mai multe cristale în timpul procesării termice.
Datele prezente în fig. 2.5 legate de pierderea de greutate în funcție de temperatură în intervale de 10/50/90 % din greutatea totală. Aceste rezultate indică faptul că neprelucrarea scade stabilitatea termică a materialului, care este atribuit și reducerii greutății moleculare, datorată lanțurilor mai scurte de polimeri.
Modificări în morfologia suprafeței
În fig. 3.6 se observă modificări ale morfologiei suprafeței. Formarea unor gropi mici pot fi observate pe suprafețele filamentelor reprocesate, iar numărul și dimensiunea medie a găurilor în PLA (2) par mai mari decât cele ale PLA (1).
Fig. 2.6- Modificările structurii morfologice
În fig. (a) este reprezentată structura morfologică a PLA extrudat o singură dată. În fig. (b) este reprezentat filamentul reciclat si extrudat a doua oară și în fig. 3 este reprezentată structura morfologică a filamentul reciclat a doua oară.
Pentru obținerea unui ciclul cât mai repetitive în utilizarea filamentelor fără reducerea semnificativă a proprietăților mecanice, reologice, termice și morfologice în procedeul de printare 3D este recomandat combinarea de material plastic nereciclat cu cel reciclat.
Capitolul 3. Studiul de piață si realizarea modelelor 3D
Exista o piață foarte mică pentru reciclarea filamentelor printate 3D. Majoritatea aparatelor de extrudare a filamentelor pentru printarea 3D se găsesc pe site-uri specializate având un preț foarte mare sau sunt improvizate de anumite persoane. Astfel, designul s-a axat pe producerea unui extruder de filament fabricat din obiecte uzuale, ce nu necesita o tehnologie de producție foarte avansata. Cele mai multe dintre modelele existente nu includ toate cele trei operațiuni (tocarea obiectelor printate 3D, extrudarea filamentului, răcirea filamentului și punerea lui înapoi pe tambur).
Principalele componente în realizarea filamentelor din material plastic reciclat sunt:
Un tocător care poate mărunți obiectele printate 3D la dimensiuni necesare
Un extruder pentru topirea materialului mărunțit si extrudat sub forma unui filament, la care poate fi ajustată temperatura in funcție de materialele plastice utilizate.
Un ansamblu de dispozitive ce poate răci și bobina filamentul, care iese din extruder.
Tocătorul
Un tocător este un echipament foarte comun în diferite industrii, folosit pentru reducerea mărimii diferitelor tipuri de materiale.
Tocătoarele industriale vin in mai multe variante și dimensiuni diferite in funcție de materialele utilizate pentru mărunțire (anvelope, metale, lemn, plastic, hârtie etc. ). Cu toate acestea, de departe, utilizarea cea mai comună a unui tocător industrial este de a tăia volume mari de plastic. Este folosit in mod obișnuit pentru a reduce costurile de reciclare prin mărunțirea metalelor și a materialelor plastice.
Tocătoarele industriale pot fi echipate cu diferite sisteme de tăiere: sisteme de tăiere cu un singur arbore, cu doi arbori, cu trei arbori și cu patru arbori. Aceste utilaje de tocare sunt sisteme cu viteze reduse.
Caracteristicile structurale ale unui tocător vor varia în funcție de industria în care este folosit. În industriile materialelor plastice, de exemplu, este posibil să se găsescă mașini de tocat cu axă de lame rotative combinate cu un set de lame fixe sau mașini de mărunțit cu două rânduri de lame mobile. În ambele configurații, construcția unui tocător presupune rotirea lamelor. Rotirea lamelor poate fi asigurată de un arbore, care este un element rotativ, de obicei din secțiune transversală circulară care este utilizat pentru a transmite putere și mișcarea unghiulară în mașini și echipamente mecanice.
Tipuri de tocătoare
Tocător cu un singur arbore: este folosit în operațiuni ce necesită un control riguros al dimensiunii. Tocătoarele cu un singur rotor oferă avantajul unui control mai bun al dimensiunii particulelor prin utilizarea unui site.
Această tehnologie funcționează în mod obișnuit la viteze de rotație cuprinsă în intervalul de 90 până șa 110 de rpm (rotați pe minut). Este folosit în special pentru mărunțirea materialelor ”curate”, cum ar fi: plasticul, spuma, hârtia, cauciucul și chiar unele metale, cum ar fi aluminiul.
Cu ajutorul sitei, materialul supradimensionat este recirculat și prelucrat din nou de către lame pentru a ajunge la dimensiunea dorită.
Fig. 3.1 Tocător cu un singur arbore
Tocător cu doi arbori: este folosit pentru a procesa materiale într-o gama largă de aplicații. Tocătorul cu doi arbori este foarte potrivit pentru aplicațiile de compostare a deșeurilor solide municipale, pneurilor, metalelor, deșeurilor industriale, resturi electronice, materiale plastice si hârtie. Avantajele tocătorului cu doi arbori sunt multe, dar cea mai notabilă este capacitatea sa de a procesa deșeuri contaminate (deșeuri ce conțin mai multe tipuri de materiale). Datorită discurilor mari de tăiere, cu viteză redusă si a capacității de a inversa sensul de rotație, șansele de deteriorare a echipamentului sunt minime atunci când întâlnește materiale greu de tocat.
Un tocător cu doi arbori de dimensiuni si design adecvat poate fi o alegere fiabila, având costuri de întreținere și utilizare scăzute, procesează un volum mare de material în condiții de funcționare optime.
Fig. 3.2 Tocător cu doi arbori
Tocător cu patru arbori: este un utilaj ce are o viteza de rotație mică. Această tehnologie combină fiabilitatea tocătoarelor cu doi arbori prin folosirea unei site de dimensionare pentru controlul dimensiunii materialului mărunțit. Este alimentată prin partea superioară, setul superior de lame se rotesc in sens opus setului inferior, pentru a împiedica blocarea întregului ansamblu. Setul de lame inferior se rotește bidirecțional pentru a împiedica orice blocaj. Toate lamele se afla in contact cu sita pentru a oferi dimensiunea dorită a particulelor.
Fig.3.3 Tocător cu patru arbori
Design-uri deja existente pe piața
Tocătorul Filabot
Tocătorul Filabot, este unul dintre produsele companiei Filabot, construit pentru a completa sistemul de extrudare. Tocătorul este o unitate de procesare a plasticului de calitate comercială care mărunțește materialele plastice până la o dimensiune a particulelor încadrată in specificația tehnică a extruderului produs de aceeași firma. Este suficient de puternic pentru a recicla fără efort imprimările 3D nereușite, precum și alte materiale din plastic, permițând astfel recuperarea acestor resurse pentru transformarea lor în filamente 3D. Unitatea procesează materialul cu rată de până la 77 de kg pe oră și operează la turații reduce, împiedicând degradarea termica.
Fig.3.4 Tocătorul Filabot
Tocătorul Protocycler
Spre deosebire de tocătorul produs de firma Filabot, tocătorul Protocycler este încorporat cu extruderul. Toate cele trei componente principale sunt incluse în acest dispozitiv ce beneficiază de un flux continuu de fabricație. Dispozitivul nu utilizează un motor pentru a alimenta mașina de tocat, ci folosește o pârghie de mână. Mărunțirea materialului este realizată de cuțitele aflate pe cei doi arbori.
Fig.3.5 Tocătorul Protocycler
Realizarea modelului 3D
Pentru realizarea 3D a întregului sistem, cât și pentru realizarea desenelor de execuție și de asamblare, am folosit programul Autodesk Inventor. Designul tocătorului este bazat pe utilizarea unui singur arbore pe care se vor găsi doua tipuri de cuțite: cuțitele ce se vor mișca odată cu arborele și cuțite fixe care îndeplinesc două roluri, de distanțare si de mărunțire.
Fig.3.6 Tocător modelat in Autodesk Inventor
Componentele tocătorului:
Cadrul
Cadrul a fost realizat din țevi cu profil pătrat DIN 30x30x3. Designul cadrului a fost realizat cu scopul realizării unei fixări și a unui aliniament cât mai bun al pieselor ce vor fi amplasate pe el. Pentru realizarea cadrului au fost folosite profile DIN 30x30x3 debitate la diferite dimensiuni ca mai apoi să fie sudate. În partea inferioară a cadrului, pentru a se putea amplasa un coș de colectare a materialului plastic mărunțit s-a optat pentru folosirea unor profile L30x30x3.
Diferențele de înălțimi în cazul celor doi suporți este datorată alinierii arborelui față de carcasa tocătorului și reductorului. O scurtă deviație de aliniament poate produce anumite forțe și deplasări ce pot cauza probleme în funcționarea corectă a utilajului sau deteriorarea/ruperea anumitor componente.
Fig. 3.7 Cadru tocător
Carcasă tocător
Carcasa tocătorului a fost modelată astfel încât asamblarea ei să nu necesite sudură pentru a putea fi refolosită în cazul schimbării la o noua configurație. Asamblarea bucăților a fost realizată cu ajutorul îmbinării sub forma de puzzle (mama/tata) și prinderea lor cu ajutorul organelor de asamblare (șuruburi, șaibe, piulițe). Pentru realizarea pereților carcasei se utilizează bucăți de metal simetrice. Datorită formatului de puzzle pentru realizarea fiecărui decupaj se recomandă utilizarea unui aparat de tăiere cu plasmă sau cu laser pentru o precizie cât mai mare. Utilizarea tăierii cu plasmă necesită operațiuni ulterioare de finisare pentru înlăturarea materialului în surplus datorat degradării termice a materialului. În schimb decuparea cu laser are o precizie mult mai mare față de cea cu plasmă și nu necesită operațiuni ulterioare.
Pentru fixarea întregului ansamblu s-a optat spre utilizarea flanșelor. Flanșele superioare sunt utilizate pentru fixarea pâlniei de alimentare cu material iar flanșele inferioare pentru fixarea carcasei pe cadru.
Pentru împiedicarea posibilelor jocuri dintre carcasă si arbore au fost utilizați doi rulmenți, ISO 104 (Single Direction). Rulmenții au fost adăugați în carcasă prin presare
Fig.3.8 Carcasă tocător
Arbore
Arborele este format dintr-o bara de oțel S235JR, are două secțiuni. O secțiune circulara pentru introducerea rulmenților și prinderea în cele 2 lagăre, și cea dea doua secțiune este hexagonală pentru prinderea lamelor mobile. S-a realizat secțiunea hexagonală pentru blocarea oricărei mișcări a lamelor mobile.
Angrenarea arborelui se va face cu ajutorul unei pane ce va fi conectată la reductor.
Fig.3.9 Prinderea arborelui
Cuțitele
Alegerea cuțitelor depinde în mare parte de aplicația pentru care vor fi folosite. Tocătoarele industriale, folosite în mărunțirea mașinilor și a altor obiecte din metal cu dimensiuni de gabarit mari necesită utilizarea unor cuțite groase și mici, cuplate la un arbore cu viteza de rotație mică pentru a mări cuplul.
Numărul de dinți afectează de asemenea performanțele utilajului. Mai mulți dinți înseamnă o tăiere mai rapidă, dar, de asemenea crește riscul ca obiectul ce urmează să fie mărunțit sa se deplaseze deasupra cuțitelor, precum si riscul de blocare al mașini, necesitând astfel o inversare a sensului de rotație. In cazul in care cuțitele au prea mulți dinți, este posibil ca aparatul sa nu fie capabila sa taie obiectele mai dure.
Multe aparate de mărunțire de generație nouă folosesc margini de taiere ușor de înlocuit pentru a îmbunătății întreținerea si longevitatea. Exista alte câteva alte variante adaptate in mod obișnuit la o sarcina specifica de îndeplinit. Un exemplu este tocătorul de hârtie. Deoarece scopul principal al tocătorului de hârei nu este numai acela de a-l reduce la bucăți mai mici, ci si de a distruge informația pe care o continue, astfel hârtia trebuie adusa la dimensiuni mici astfel încât textul sa nu se mai poate citi. Deoarece hârtia nu provoacă multa rezistenta, aceste mașini pot fi proiectate cu un număr mare de lame care sunt mult mai subțiri.
Pentru realizarea cuțitelor s-a ales o forma generala de cârlig unde muchiile tăietoare sunt pătrate. Cârligul este realizat cu o muchie tăietoare dreapta cu un spătar de sprijin drept. Pentru împiedicarea alunecării cuțitului de pe arbore s-a ales ca forma arboretului sa fie hexagonala.
Fig.3.10 Tipuri de cuțite folosite la tocarea materialelor plastice
In figura 5 se poate observa amplasarea cuțitelor in interiorul carcasei. Cuțitele mobile sunt evidențiate in poza cu ajutorul culorii albastre. Pentru a împiedica alunecarea lamelor mobile pe axa x am optat pentru adăugarea unor cuțite fixe evidențiate de culoarea roșie. Acestea sunt folosite nu numai pentru mărunțirea reperelor dar și pentru împiedicarea mișcării lamelor mobile dea lungul arborelui.
Pentru fixarea întregului ansamblu de cuțite s-au utilizat distanțiere pentru lamele fixe si tije filetate pentru fixarea întregului ansamblu.
Fig.3.11 Amplasarea cutitelor în interiorul carcasei
Sita de dimensionare
Sita este menita să mențină plasticul în interiorul carcasei până când bucățile sunt suficient de mici pentru a trece prin găurile sitei. În cazul unor particule mai mari, în procesul de extrudare ar putea apărea probleme in vederea omogenizării si topirii masei plastice. Astfel, pentru obținerea unui filament de o calitate cât mai dimensiunea materialului tocat trebuie să fie cât mai asemănătoare. Forma de cârlig a dinților mobili permite prinderea de pe fundul sitei si continuarea mărunțirii până la dimensiunea dorită.
Fig.3.12 Sita de dimensionare a tocătorului
Pâlnia de alimentare
Pâlnia a fost realizată din patru bucăți de tablă îndoită si apoi sudate între ele. Are rolul de a împiedica sărirea bucăților de material in urma ruperi și de a introduce o cantitate de material cat mai mare, fără a depinde de supraveghere continuă. Prindere de carcasă se realizează cu ajutorul flanșelor și a organelor de asamblare (șuruburi, șaibe si piulițe).
–
Fig.3.13 Pâlnia de alimentare a tocătorului.
Extruder
Dezvoltarea progresului tehnologic a dus la apariția diverselor tehnologii care permit producerea de produse caracterizate de caracteristici de performanță îmbunătățite Unul dintre cele mai populare în prezent este extrudarea. În sine, ea reprezintă procesul tehnologic de prelucrare a materialelor plastice, din care se fabric diferite părți, și produce, de asemenea, diferite produse de profil.
Tehnologia însăși constă în pregătirea unui aliaj de materiale polimetrice, urmată de extrudarea sa prin duze specific, care îi conferă o formă precisă. Elementul principal al liniei pentru fabricarea produselor din plastic este un extruder.
Principiul de funcționare și design:
Trebuie spus că extrudarea nu este o tehnologie noua. Istoria sa are mai mult de șase decenii. În acest timp, au fost create numeroase modele de mașini, cu ajutorul cărora sunt implementate. Principul funcționarii acestui dispozitiv se bazează pe esența procesului tehnologic în sine.
Procesul de extrudare este un proces fizic si chimic complex care este efectuat de forțele mecanice în caniții de temperatură ridicată si umiditate. Încălzirea produselor prelucrate se datorează faptului că energia mecanică rezultată în timpul frecărilor interne, precum și în timpul deformării plastice, este transformată în căldură.
Fig.3.14 Schema de principiu de extrudare a materialelor plastice
Granulele de material plastic sunt alimentate în mod continuu din pâlnia de alimentare a sistemului. Materialul ajunge în cilindrul extruderului și avansează înspre partea lui frontal, fiind transportat prin mișcarea de rotație a melcului extruderului. Cilindrul este încălzit prin rezistente electrice plasate pe exteriorul său, temperatura materialului plastic crescând pe măsura avansului spre partea frontala. Astfel, granulele sunt plastifiate și materialul, în această stare, este împins prin matrița de extrudare. Va lua forma orificiului acesteia, procesul are loc in mod continuu, astfel rezultând la ieșirea din matrița produsul extrudat. Acesta este preluat în continuu, astfel rezultând la ieșirea din matriță produsul extrudat. Acesta este preluat în dispozitivele de răcire, apoi este fie tăiat la lungime dorită (bare, profile, tuburi).
În compoziția sa, dispozitivul general al unui extruder pentru plastic cuprinde următoarele componente:
Corpul sistemului de îmcălzire a materialelor polimerice. Ca sursă principal de energie termică în implementarea acestui proces tehnologic, sistemele convenționale de rezistență sau inductive pot acționa. Atunci când se folosește acesta din urmă, apariția temperaturilor ridicate apare datorită direcționării curenților de inducție Foucault ca înaltă frecvență către carcasă;
Nodul de încărcare. Prin acest element, materia prima intră în cavitatea carcasei în diferite forme.
Organismul de lucru. Creează presiunea necesară în echipament, care asigură mișcarea materiilor prime direct de la unitatea de încălzire la duzele care formează produsele finite din materiale polimerice. Atunci când se utilizează un extruder, se utilizează o varietate de principii fizice, deoarce acest dispozitiv poate avea versiuni diferite – burghiu, disc, piston. În prezent, cel mai adesea se utilizează extrudere cu șurub
Cap de extrudare. Într-un alt mod, experții îl numesc spinneret. Oferă forma de produse, obținută după finalizarea procesului tehnologic.
Mecanică. În acest echipament, este reprezentat de un motor și un sistem de angrenaje. Datorită lui, este asigurată transferul efortului necesar către organismul de lucru.
Control si management. Datorită acestui fapt, se menține regimul tehnologic necesar.
Materia prim este de obicei granule, pulbere sau mase plastice tocate. Ele sunt încălzite în echipament, iar apoi sub acțiunea organului de lucru, acestea sunt mutate în zona de lucru a carcasei. Acolo, sub influența presiunii, a forței de frecare și a temperaturii, materia primă furnizată din exterior este încălzita si in timpul topirii ei apare o stare care este cerută de condițiile procesului tehnologic.
În timpul mișcării materiei prime din cavitatea corpului, se amestecă bine cu masa omogenă omogenizată. În condiții de presiune înaltă, topitura este extrudată utilizând capete de turnare și filtre c ochiuri. Ca rezultat, se obține o omogenizare finală și materialul are profil predominant. După acesta, materialul este răcit in mod natural sau se folosește o metodă forțată, urmată de polimerizare. În cele din urmă, se obține produse care au configurația necesară și posedă proprietăți mecanice și fizice specificate.
Tipuri de extruder
Extruder cu șurub unic.
Printre toate tipurile de echipamente de extrudare, cea mai comuna este șnecul. Astfel de mașini îndeplinesc toate cerințele procesului de extrudare. În aceste unități, un șurub este utilizat ca corp principal de lucru, specialiști in numesc șurubul Archimedes.
În funcție de caracteristicile diagramei de flux, pe care o are echipamentul și tipul utilizat pentru producerea de produse de materii prime, șurubul melcat poate avea diferite forme conice sau cilindrice.
Fig.3.15 Șurubul extruderului.
Se pot folosi și șuruburi, care se îngustează până la ieșire. Pentru acest echipament, experții consideră ca fiind principalul parametru dintre diametrul de lucru al șurubului și lungimea acestuia. Șuruburile diferă, de asemenea, în treptele de întoarcere și în profunzimea lor.
Extruder cu două șuruburi
Particularitatea acestui echipament este că în el șuruburile sunt interconectate. Prin urmare, atunci când se utilizează astfel de extruder, este posibil ca șuruburile să efectueze mișcări paralele și contra-rotative. Aceste părți de lucru ale echipamentului pot fi drepte sau conice.
Utilizarea unor astfel de mașini conduce la faptul că în timpul încălzirii materiei prime, amestecarea și omogenizarea acestuia se efectuează mai bine. În final, o masa uniform și degazată este alimentată în capul de formare a produsului.
Fig.3.16 Extruder cu două șuruburi melcate
Trebuie remarcat următorul punct: în procese separate extrudărele pot fi utilizate având un număr mai mare de șuruburi, pana la 4. Necesitatea utilizării unui astfel de echipament apare atunci când se utilizează ca materii prime anumite tipuri de materiale plastice care, în condiții de temperatură ridicată, au tendința de a se rupe. Astfel, utilizarea unor astfel de extrudere asigură încălzirea materiilor prime datorită forței de frecări și a presiunii înalte.
Extruder pentu filamente din plastic
Tipărirea 3D este un proces de fabricație care crescut în popularitate în rândul pasionaților și la nivel industrial. Imprimantele 3D au capacitatea de a crea aproape orice geometrie, a devenit un proces utilizat pe scară largă în procesul de fabricare rapida. Cele mai populare materiile folosite în printarea 3D sunt PLA ( acidul polilactic) și ABS (acrilonitril butadiene stiren). În timp ce are materiale pot fi tipărite, aceste două materiale sunt foarte utilizate deoarece sunt termoplastice. Materialele termoplaste sunt capabile de încălzire, modelare și răcire în mod repetat, fără a-și pierde structura chimică, făcându-le ușor reciclabile.
O mulțime de materiile sunt irosite în imprimare, ca suport al piesei sau ca defecte. De obicei, plasticul este aruncat si reciclat, dar niciodată refolosit. Deșeurile care sunt produse de la aceste imprimante 3D constau în suporți, imprimări nereușite sau obiecte ce nu mai au nici o utilizare.
În această etapa se va modela 3D o mașina pentru reciclarea materialului și re-extrudarea în filament. Obiectivul acestei etape este realizarea unui extruder de filament folosind materiale ușor accesibile, fără utilizarea unei tehnologii de fabricare accesibila.
Design-uri deja existente pe piața
Extruder Industrial Filabot: este un sistem tipic de reciclare și extrudare a maselor plastice sub forma de filament. Acest produs este utilizat la nivel industrial, putând toca si extruda o cantitate de 100kg pe oră. Utilajul are incorporate în aceeași carcasa tocătorul si extruderul, dar se poate comanda separate si echipamentul de bobinare. Dimensiunile de gabarit ale acestui utilaj sunt 610x610x1300 mm.
Filbot este o companie de cercetare și dezvoltare axată pe printarea 3D. Compania dezvolta 4 dispozitive: Tocătorul Filabot, Extruder Filabot, Extruder Industrial Filabot și echipamentul de bobinat Filabot.
Fig.3.17 Extruder Industrial Filabot
Extuder Filabot: este un extruder folosit pentru aplicați la nivel redus, având o capacitate de extrudare mica. Echipamentul are capacitatea de a prelucra materialele plastice, cum ar fi PET, ABS și PLA. Procesul de reciclare începe prin tocarea obiectelor printate 3D cu defecțiuni.
Materialul tocat este adăugate prin pâlnia de alimentare, apoi împinse cu ajutorul șurubului melcat prin zona de încălzire pentru a fi topit și extrudate prin duza. Se poate alege temperatura de lucru a extruderului în funcție de materialul folosit și de dimensiunea materialului mărunțit. Odată ce materialul este încălzit, acesta iese prin duza ce oferă forma cilindrică a filamentului. Filamentul extrudate este apoi răcit si bobinat pe tambur.
Prețul dispozitivului pe piața din Statele Unite ale Americii fără alte atașamente este de 2,500$. Pentru întreaga linie de producție a filamentului se mai pot utiliza si alte dispozitive fabricate de accesași companie. Dispozitivul de tocat având un preț de 1500$ și dispozitivul de răcire și bobinare la un pre de 1200$.
Fig.3.18 Extrudereu Filabot
Extruder Protocycler: extruderul Protocycler este un produs nou care vă permite să reciclați deșeurile de plastic în filamentul de imprimare 3D valoroase. Utilizatorul își poate face filamentul fără probleme, deoarece conține un dispozitiv de șlefuit integrat, un control inteligent al computerului și un feedback în timp real al diametrului. Se transformă deșeurile reciclate sau peletele brute în filament cu doar împingerea unui buton. ProtoCycler creează automat filament la o viteză de până la 304 cm pe minut, la toleranțe de conducere din industrie, în orice culoare. Acest filament poate fi utilizat cu orice imprimantă 3D de birou. [bibilografie= https://redetec.com/pages/protocycler].
Fig. 3.19 Extruder Protocycler
Realizarea modelului 3D
Pentru realizarea 3D a întregului sistem, cât și pentru realizarea desenelor de execuție și de asamblare, am folosit programul Autodesk Inventor. Am ales acest design pentru a putea fi construit din materiale ușor de găsit și la un preț accesibil. Tehnologia de fabricare este de asemenea una comună. Pentru fabricarea părților componente, ca tehnologii de fabricare s-au folosit strunjirea, găurirea, sudura, îndoirea și debitarea. În mare parte asamblarea reperelor s-a făcut cu ajutorul organelor de asamblare.
Fig. 3.20 Modelul 3D al extruderului
Componentele extruderului:
Corpul extruderului
Corpul extruderului este format dintr-o țeava de otel goala de lungime de 500mm având un diametru exterior Ø55 cu o grosime de 1.5mm, de care a fost sudată o bucata de metal pentru a împiedica mișcare arborelui și pierderea materialului. Pentru atașarea pâlniei de alimentare cu material a fost nevoie de efectuarea unui decupaj.
In funcție de materialul ales temperatura de extrudare a masei plastice trebuie să fie cuprinsă între 190 si 230° C, astfel pentru fabricarea corpului exterior a fost ales un cilindru de o grosime de 1,5 mm.
Fig.3.21 Corpul extruderului
Șurubul melcat
Pentru eliminarea timpului de lucru pentru fabricarea șurubului cea mai buna varianta este cumpărarea lui. Pentru angrenarea șurubului a fost nevoie de realizarea unui canal de ghidaj in interiorul arborelui pentru a evita orice fel de decalaj. Fixarea celor două repere a fost realizată prin sudură.
Fig.3.22 Prinderea dintre arbore și șurubul melcat
Suportul pentru corpul extrudererului
Suportul este fabricat din mai multe profile debitate la dimensiuni specifice. Pentru realizarea lui au fost necesare multiple operațiuni de debitare, găurire si sudare. Plăcută galbena și pâlnia de alimentare au fost realizate cu scopul de a imobiliza corpul extruderului. Tot pentru a imobiliza corpul extruderului a fost folosit un lagăr prins de suport.
Fig.3.23 Suport Corp Extruder
Cleme de cupru pentru încălzirea topirea masei plastice
Ca material pentru realizarea clemelor termoconductoare a fost ales cuprul datorită proprietăți materialului de a transfera termic căldura fără pierderi semnificative. În urma testelor si a calculelor se vor construi cleme de diferite dimensiuni si poziționate la anumite distante pe corpul extruderului pentru a produce și păstra o temperatura constantă de topire a materialul termoplastic folosit până la ieșirea prin duză.
Fig.3.24 Cleme de cupru
Duza extruderului
Pentru a realiza corpul duzei au fost 3 cilindri. Un cilindru folosit pentru a se atașa de corpul extruderului. În interiorul primului cilindru se sudează o sită de dimensiunea diametrului interior a cilindrului. Sita este folosită pentru a împiedica trecerea materialului netopit.
Cel de-al doilea cilindru a fost folosit pentru prinderea cilindrului sudat de corpul extruderului, de cilindrul folosit la prinderea duzei. Diferențele de diametre au fost gândite pentru executarea unei suduri de colț cât mai ușor de realizat.
Duza este realizată dintr-un șurub M12x25 care a fost găurit cu un șpiral de 1,75 pentru a dimensiona filamentul. Pentru prinderea șurubului a fost folosit cel de-al treilea cilindru care a fost găurit, urmând ca interiorul găurii să se facă un filet exterior. A fost folosit șurubul pe post de duza deoarece este ușor de schimbat în cazul în care trebuie extrudat un filament cu alte dimensiuni.
Pentru încălzirea la temperatura de lucru a clemelor de cupru și în prealabil a corpului extruderului necesită o perioadă de timp. Pentru a împiedica ieșirea prin duză a resturilor de masă plastică ramase in extruder din procesele precedente a fost utilizat un al doilea șurub cu rol de blocaj. Acesta permite clemelor de cupru să topească masa plastica, șurubul melcat va împinge materialul spre duză creând astfel un flux continuu de material. În cazul în care acest șurub de blocare nu se utilizează, până la realizarea unui flux continuu de masa plastica, filamentul ce va fi extrudat din resturile rămase în corpul extruderului vor fi discontinue sau nu vor avea un diametru corespunzător.
Fig.3.25 Duza extruderului
Panou electric
În interiorul panoului electric se afla următoarele aparate: întrerupătorul genera, siguranțe de protecție diferențială, sursă de tensiune, convertizoare de frecvență, reglete, buton de urgență, control de temperatură, led pentru tensiune și selector cu două poziții.
Fig.3.26 Panou electric
Întrerupătorul general: este un întrerupător ce permite alimentarea cu, curent al sistemului. Acesta are doua poziții ON/OFF. Întrerupătorul general se află în partea din stânga sus al panoului electric și este evidențiat de culoarea galben.
Siguranța de protecție diferențială: asigură un înalt nivel de securitate în exploatarea instalațiilor electrice, evitând eventualele accidente ce pot fi provocate prin electrocutare în special în cazul întrebuințării de aparataj sau utilaje ce funcționează în medii umede.
Siguranțele diferențiale sunt echipate cu o bobina, care sesizează în permanent echilibrul dintre curentul de pe fază și cel ce întoarce în nul. În cazul apariției unui consumator între fază și împământare ( de exemplu, prin atingerea cu mâna a fazei și a unui obiect metalic aflat în legătură cu pământul) sau prin punerea directa a fazei la pământ. În interiorul panoului siguranța de protecție diferențială se identifică în interiorul panoului ca un obiect de culoare bleumarin.
Sursă de tensiune: transformă tensiunea din 2.20 în 24 de V curent continuu. Se identifică în panou ca un obiect de culoare portocalie.
Convertizoare de putere: sunt dispozitivele din partea dreaptă a panoului, de culoare verde închis. Acestea au rolul de a controla viteza de rotație a motoarelor. Sunt în număr de doua datorită posibilității conectări mai multor aparate simultan. În cazul de față acestea controlează simultan, având parametrii diferiți motorul extruderului si al tocătorului.
Reglete: se utilizează pentru conexiunea între fire. Se identifică in panou ca un dispozitiv de culoare albastra.
Buton de urgență: este folosit în cazul unor defecțiuni sau nefuncționare corectă a dispozitivului.
Control de temperatură: este utilizat pentru setarea temperaturii clemelor de cupru. Temperatura trebuie ajustată în funcție de tipul de material folosit, numărul de cleme și dispunerea lor pe suprafața corpului extruderului. Determinarea temperaturii se face în urma unor calcule și teste. În determinarea temperaturii prin calcul se țin cont de diferite constante: temperatura de topire a materialului folosit, numărul de cleme, grosimea corpului extruderului, dispunerea clemelor, avansul șurubului melcat și suprafața disponibilă. Pentru determinare corectă și în timp real a temperaturi se pot poziționa si senzori de temperatură în locuri specifice cum ar fi capatul șurubului melcat sau în interiorul corpului duzei.
Led pentru tensiune: acesta indică dacă dispozitivul se afla sub tensiune. Prezența ledului aprins arată faptul că dispozitivul se află sub tensiune.
Selector de poziție: permite pornirea sau oprirea aparatului.
Rezumatul schemei electrice
Sistemul este alimentat de la un motor monofazat cu tensiunea de 220V. Materialul este încălzit si este împins cu ajutorul șurubului melcat spre duză. Viteza de rotație este controlată de convertizorul de frecvență în funcție de temperaturile măsurate în interiorul corpului extruderului și a duzei.
Modificarea temperaturii se realizează prin intermediul releelor SSR, în funcție de tensiunea măsurată de controller, la bornele 9 și 10, preluate din termocuplele (cleme de cupru) poziționate pe corpul extruderului și a duzei.
Alimentarea se realizează de la un motor monofazat la o tensiune de 220V
Întrerupătorul 1 este întrerupătorul montat pe sursa de alimentare a convertizorului de frecventă pentru motor.
Întrerupătorul 2 este întrerupătorul montat pe cele doua controllere de temperatura ( pe corpul extruderului și duză)
Controllere de temperatură:
Bornele 1 și 2 – tensiunea de alimentare
Bornele 4 și 5 – tensiunea de control pentru relee
Bornele 9 și 10 – tensiunea la nivelul termocuplelor
Relee SSR – sunt relee care comută ON/OFF rezistențelor cu circuitul termocuplelor
Introduce 2-32V : tensiunea de comandă, de la controllere de temperatură
Ieșire 24-380V : contacte de ieșire pentru tensiunea de alimentare ale rezistențelor de încălzire.
Termocuplele ( cleme de cupru) – rezistența de încălzire este de 190W
Fig.3.27 Schema electrică
Ansamblul de răcire și bobinare a filamentului
Mecanismul de bobinare a filamentului reciclat joacă un rol foarte important în procesul de producție al filamentului reciclat. Sistemul este folosit pentru colectarea firului extrudate pe tambur. Pe lângă sistemul de strângere a firului pe tambur este necesară și răcirea lui pentru a nu risca lipirea lui pe tambur. Pentru răcirea filamentului se utilizează aerul sau apa.
Design-uri deja existente pe piață
Derulatorul Filabot: este unul dintre produsele fabricate de compania Filabot pentru a completa sistemul de extrudare. Derulatorul permite utilizatorului să regleze viteza roții de tragere, astfel încât tamburul sa tragă filamentul extrudat cu aceeași viteza cu care acesta iese din duza extruderului. Sistemul de derulare nu permite filamentului să se încurce sau să se rupă. Utilizatorii pot personaliza suportul pentru bobina de dimensiuni variate. Înfășurarea pe tambur este făcută consecvent pentru a împiedica încurcarea pe tambur. Acesta asigură, de asemenea, că bobina este înfășurată cât mai compact posibil. Butoanele de comandă sunt etichetate fizic pe mașină, deci ajustările sunt mai dificile decât prin utilizarea unui ecran digital. Poate fi alimentat de la o sursă de 220V.[bibilografie]
Deși derulatorul este o componentă importantă pentru reciclarea filamentului 3D acesta trebuie cumpărat separat.
Fig.3.28 Derulator Filabot
Derulator ProtoCycler:
Spre deosebire de derulatorul de la Filabot, derulatorul ProtoCycler este atașat de întregul sistem de producție al filamentului (tocător + extruder + derulator). Beneficiul de a avea toate cele trei componente principale într-o singură mașină este că prelucrarea filamentului este în mod normal mai fină în cazul în care distribuția aparatelor și aliniamentul este realizat. Acesta poate bobina cu șanse minime de încurcare a filamentului.
Derulatorul ProtoCycler este atașat la sfârșitul procesului de producție al filamentului. Distanța dintre duza extruderului și rola tamburului este minimă, deoarece realizarea întregului proces se desfășoară în carcasa unui singur aparat.
Derulatorul este atașat de un braț care iese din corpul principal al utilajului. Modulul de distribuție este ghidat de un servomotor care este un dispozitiv mic care are un arbore de ieșire și se mișcă înainte și înapoi pentru a așeza filamentul pe tambur.
Fig. 3.29 Derulator ProtoCycler
Realizarea modelului 3D
Conceptul modelului a fost realizat pentru răcirea filamentului cu aer. Fiind un proces greoi de răcire, pentru a ajunge la o temperatură necesară pentru punerea pe tambur , suportul trebuie să aibă o lungime destul de mare. Pentru răcirea cu aer sau folosit ventilatoare folosite pentru răcirea componentelor PC. Atât controlul rotațiilor ventilatoarelor cât și cel al motoarelor pas cu pas sa realizat cu ARDUINO.
În momentul ieșirii filamentului din duza este nevoie de o persoană care trebuie să treacă filamentul pe șina de ghidaj apoi prin fiecare rola și în cele din urma, filamentul trebuie prins de tambur. Această activitate pe care trebuie să o facă o persoana este un mare dezavantaj. Pentru înlocuirea prezentei umane este nevoie de folosirea unei tehnologii mai avansate ceea ce rezultă un cost mai mare de fabricație si o întreținere și mentenanța mai costisitoare a dispozitivului.
Fig.3.30 Modelul 3D al ansamblului de răcire si de bobinare a filamentului
Componentele ansamblului de răcire și bobinare a filamentului.
Suport
Suportul este făcut din țeavă de diametru Ø40. Dimensionarea suportului se va face în funcție de calculele și testele efectuate asupra filamentului pentru obținerea temperaturii necesare înainte de a fi înfășurat pe tambur. În cazul de față lungimea țevi este relativ mare datorită numărului de ventilatoare folosit.
Ansamblul picioare a fost realizat dintr-un colier de metal si țeava de Ø40. Pentru poziționarea la nivelul solului , țeava a fost debitată astfel încât aceasta să fie paralelă cu solul. Prinderea de clema a fost realizată prin sudură. A fost aleasă clema ca modalitate de prindere deoarece se poate ajusta în funcție de utilitate sau nevoi.
Fig.3.31 Suport ansamblu
Ansamblul de răcire
Ansamblul de răcire este realizat cu ajutorul unor profile L si a unei tije filetate. Ca modalitate de prindere a ansamblului de suport a fost utilizată o clemă de care a fost sudată o plăcută pentru prinderea tijelor filetate. Rolul tijelor filetate este acela de a regla înălțimea la care ventilatoarele să sufle aer spre filamentul ieșit din duza.
Controlul ventilatoarelor se va face folosind modulul de comanda de la ARDUINO. Cu ajutorul acestuia se pot modifica rotațiile ventilatorului pentru a avea o răcire cât mai rapidă și eficientă a filamentului înainte de a ajunge pe tambur pentru a preveni lipirea lui.
Fig.3.32 Ansamblul de răcire
O altă modalitate de a asigura răcirea filamentului este acela de a folosi lichide. Cel mai uzual și la îndemâna lichid este apa. Pentru a realiză o răcire corecta apa trebuie să aibă o temperatură de 60°C. Lichidul este vărsat peste filament cu ajutorul unei pompițe ce menține un flux continuu de apă. Suportul care conține apa și pompița a fost realizat din plexiglass. Acest suport prevede două canale de grijă pentru trecerea corectă a filamentului pe sub jetul de apă.
Un dezavantaj al acestei metode de răcire al filamentului este schimbarea lichidului cu care se face răcirea. Diferența dintre temperatura lichidului si cea a filamentului proaspăt extrudat nu trebuie să fie prea mare. În caz contrar, în care temperatura lichidului este mult prea mică față de cea a filamentului, în urm procesului de răcire se pot produce anumite modificări de structură asupra filamentului.
La o anumită perioadă de utilizare temperatura lichidului de răcire trebuie verificată. Mărirea temperaturii lichidului de răcire este datorată transferului termic dintre acesta si filament. În cazul în care temperatura lichidului de răcire este mai mare se pot produce anumite defecte de fabricare, cum ar fi lipirea filamentului.
Fig.3.33 Sistem de răcire ce folosește lichid
Suport rolă aliniament
Acest suport are rolul de a desprinde filamentul de pe tava de transport și de a o alinia pentru prinderea pe tambur. Aceasta are rolul de a micșora raza de curbură a filamentului care încă nu este solidificat. Fără utilizarea acestui suport exista riscul de rupere sau de deformare a filamentului, cauzat de raza de curbură mare și de unghiul la care intra între rolele de formare
Fig.3.34 Suport rolă de aliniere
Ansamblul de tragere a filamentului
Acest ansamblu este construit din doua role prinse pe un suport. Se utilizează distanțiere in capetele celor 2 role pentru a elimina orice mișcare nedorită a rolelor. Tragerea filamentului se realizează cu ajutorul a două role și a unui motor pas cu pas. Rola conducătoare este rotită cu ajutorul motorului pas cu pas și cea condusă este rotită cu ajutorul forței de frecare dintre filament si rolă. Forța de frecare nu trebuie să fie prea mare deoarece poate modifica forma filamentului. Motorul trebuie sincronizat cu extradurul, pentru a tensiona destul de mult firul fără al rupe. În cazul în care sistemele nu sunt sincronizate și motorul trage prea tare filamentul se poate produce subțierea lui sau chiar ruperea.
Fig.3.34 Ansamblul de tragere al filamentului
Tamburul
Tamburul este folosit pentru bobinarea filamentului extrudat. Pentru bobinarea filamentului pe tambur este nevoie de un motor pas cu pas care trebuie sincronizat cu restul sistemului pentru a nu permite filamentului să se încurce.
Fig. 3.35 Tamburul pe care se bobinează firul
Capitolul 4. Procesul de printare 3D
Imprimarea 3D este în proces folosit de câteva decenii în industrie, ce mai poartă și numele de “prototipare rapidă”. Această tehnologie a apărut în anii 1980, fiind folosită inițial de companiile cu bugete masive, precum cele din industria aerospațială sau de echipele de Formula 1.
Acestea funcționează într-un mod similar imprimantelor obișnuite, folosind în loc de cerneală diferite materiale (plastic, metale, rășini) care sunt imprimante în straturi succesive pentru a construi forma dorită.
Imprimantele 3D permit designerilor să producă într-un timp foarte scurt un prototip. Astfel, acesta poate fi testat și remodelat rapid, fiind redus astfel timpul dintre etapa de prototipare și produsul trimis în producție.
De exemplu, constructorii de mașini de Formula 1 poate crea cu ajutorul aparatelor de prototipare rapidă a componentelor cu forme extrem de precise și complexe. Prin folosirea metodelor clasice durata fabricării unor piese poate dura câteva săptămâni, însă folosind printarea 3D poate reduce perioada la 48 de ore. Diferența de timp poate fi folosită în îmbunătățirea și testarea pieselor, ajutând la producerea unei versiuni finale cât mai precise.
Un alt avantaj al imprimării 3D este capacitatea lor de a produce forme complexe. Prin folosirea metodelor convenționale, durata producerii unei piese de forme complexe poate dura foarte mult și costurile fabricării sunt foarte mari fața de metoda printării 3D.
Avansul tehnologiei a adus tehnologia de imprimare 3D într-un stadiu foarte avansat. În prezent această tehnologie se poate găsi în toate laboratoarele de cercetare, în medicina și diferite domenii.
Un mare aport al imprimantelor 3D a fost observat în industria medicale, unde la început a fost folosită pentru realizarea protezelor, putând fi create modele personalizate într-un timp foarte scurt și fără prea multe eforturi. În prezent tehnologia de imprimare 3D a evoluat și a ajuns în stadiul în care este permis recreerea de țesuturi umane și chiar de organe.
Domeniile în care printarea 3D este cea mai întâlnită sunt:
Industria automobilistica
Prototiparea rapidă permite proiectanților să reducă tipul de fabricație a prototipurilor. Acest lucru nu numai că scurtează timpul de dezvoltare a produsului dar și va îmbunătăți și produsul final.
Producătorul de automobile Koenigseg folosește printare cu fibră de carbon pentru modelele sale unicate. Mulțumită acestei tehnologii de imprimare 3D, compania reușește să reducă costul de producere cu aproximativ 40% și componentele sunt produse și testate cu 30% mai rapid față de metodele tradiționale. Similar, Audi utilizează printarea 3D folosind metal pentru producerea pieselor de rezervă.
Industria aeronautica
Industria aeronautică în prezent folosește printarea 3D în diferite modele. Modelul Boeing
folosește această tehnologie și potențialul de a printa piese pentru aeronave de foarte mult timp. În prezent în producerea unui model Boeing sunt folosite aproximativ 70.000 de componente printate 3D. Pentru producerea unui model Boeing 787 s-a folosit o mulțime de componente printate folosind ca materie titaniul, reducând costul de producere cu 2-3 milioane de $ pentru producerea unui model.
Medicina
Un mare aport al imprimantelor 3D a fost observat în industria medicală, unde la început a fost folosită pentru realizarea protezelor, putând fi create modele personalizate într-un timp foarte scurt și fără prea multe eforturi. În prezent tehnologia de printare 3D a evoluat și a ajuns în stadiul în care este permisă recreerea de țesuturi umane și chiar de organe.
Industria electronică
Se pot realiza foarte rapid modele concept de turbine și mecanisme în vederea verificării funcționalității, se poate testa curgerea fluidelor pe diverse forme sau realizarea pieselor finite cu profile adecvate de curgere a fluidelor, fără limitări geometrice.
Fig. 4.1 – Domenii de utilizare al tehnologiei de printare 3D
Tehnologii de printare 3D
FDM- Fused Deposition Modeling- Modelare prin extrudare
Tehnologia de prototipare rapidă FDM, în traducere Modelare prin Extrudare Termoplastica este cea mai utilizată tehnologie de fabricare aditivată datorită simplității și accesibilității acesteia. Este utilizată în modelare, prototipare dar și în aplicații de producție. Alte denumiri utilizate sunt : MEM (Melting Extrusion Modeling), extrudare termoplastica TRE (Thermoplastic Extrusion), FFF (Fused Filament Fabrication).
Cu ajutorul unei aplicații software dedicate, modelul 3D dorit este inițial în secțiuni transversal numite straturi (Layere). Tehnologia de printare constă în trecerea unui filament din material plastic printr-un extrudere ce îl încălzește până la punctul de topire, aplicându-l apoi uniform strat după strat, cu mare acuratețe.
Capul (extrudorului) este încălzit pentru a topi filamentul de plastic, deplasându-se atât pe orizontală cât și pe verticală sub coordonarea unui mecanism de comandă numerică, controlat direct de aplicația CAM a imprimantei. În deplasare, capul depune un șir subtire de plastic extrudate care la răcire se întărește imediat, lipindu-se de stratul precedent pentru a forma modelul 3D dorit.
Pentru a preveni deformarea pieselor cauzate de răcirea bruscă a plasticului, unele modele profesionale de printare 3D include o cameră închisă de construcție, încălzită la o temperatură ridicată. Pentru geometrii complexe sau modele în consolă, tehnologia FDM necesită prinderea cu material suport care va trebui ulterior îndepărtat manual.
Fig. 4.2 – Tehnologia de printare FDM
Detalii tehnice ale imprimantelor de tip FDM:
Acuratețea pieselor printate: medie
Finisarea suprafețelor printate: medie spre slabă
Viteza de printare: scăzută
Materiale utilizate: ABS, PLA, PVA. PC. Polipropilena, elastomeri, poliamida
Avantajele tehnologiei FDM/MEM:
Este o tehnologie prietenoasă cu noi utilizatori, fără a necesita un nivel de echipare și experiență prea mare. Materialul folosit la printare este prezent într-o gamă largă de opțiuni, alegerea materialului se face in funcție de scopul și proprietățile obiectului fabricat. Are un preț destul de accesibil al imprimantei cât și cel al consumabilelor (role cu filament din plastic)
Dezavantajele tehnologiei FDM/MEM:
Viteză scăzută de printare în cazul unor forme mai complexe, cu posibilitatea unor zone neuniform printate, având rezoluția și acuratețea slabă pentru piesele de dimensiuni mici și cu un nivel de detaliere mare.
Aplicații ale printării FDM/MEM
Se folosește în special pentru realizarea unor obiecte supuse la teste funcționale, pentru realizarea unui design de concept/prezentare și în aplicații de testare/cercetare la temperaturi înalte. Se folosesc și pentru realizarea unor forme de turnare.
SLA – Stereolithography – Stereolitografie
Stereolitografia este o tehnologie de prototipare rapidă utilizată la scară largă în mediul industrial pentru realizarea matrițelor, modelelor și chiar a componentelor funcționale. Cunoscută și sub numele de foto-solidificare sau fabricare optică, stereolitografia implică utilizarea unui fascicul de laser cu lumină ultravioletă pentru solidificarea unei rășini fotopolimerice lichide aflată în cuva de construcție a imprimantei. Sub acțiunea luminii laser ultraviolet această rășină curabilă (sensibilă la lumină ultravioletă) se solidifică în straturi succesive obțindându-se astfel modelul solid 3D.
Modelul 3D dorit este feliat în secțiuni transversale pe care fasciculul laser o trasează pe suprafața rășinii lichide. Expunerea la lumina laser ultravioletă solidifică modelul trasat pe rășina lichida rezultând un strat solid construit care se adaugă la stratul precedent.
După finalizarea construcției, modelul 3D obținut este scufundat într-o baie chimică separate, pentru îndepărtarea excesului de rășină după care este trată într-un cuptor cu radiații ultraviolete pentru întărirea finală.
Pentru printarea de geometrii complexe stereolitografia necesită crearea unor structuri de sprijin pentru susținerea geometriei. Aceste structuri sunt generate automat în timpul printării 3D pe calculator de aplicația software a printerului 3D. Ulterior finalizării construcției, suporturile vor trebui îndepărtate manual. Rășina rămasă în cuva de construcție poate fi reutilizată la imprimările ulterioare.
Fig. 4.3 – Tehnologia de printare SLA
Detalii tehnice ale imprimantelor de tip SLA:
Acuratețea părților printate: foarte bună
Finisarea suprafețelor printate: foarte bună
Viteza de printare: bun spre foarte bun
Materiale utilizate: rășini lichide foto-sensibile, materiale ceramice
Avantajele tehnologiei SLA:
Este folosită în special în prototiparea de piese ce au o geometrie complexă și un nivel de detaliere foarte mare. Suprafețele printate sunt foarte fine și precise, modelul printat putând avea dimensiuni mari. Piesele printate pot fi folosite ca matriță master pentru industriile de turnare prin injecție, termoformare, turnare metale.
Dezavantaje tehnologie SLA:
Obiectul obținut are o rezistență medie la prelucrările mecanice, nedurabil în timp și sub expunerea îndelungată la soare piesele devin fragile și casante, necesită operațiuni de post-prelucrare (îndepărtarea “piciorușelor” de susținere și a impurităților, obiectele fiind scufundate în bazine cu ultra-sunete).
Alte dezavantaje ale acestei tehnologii este prețul și condițiile de funcționare. Prețul de achiziție este mare, iar pentru funcționarea dispozitivului în siguranța este necesară o ventilație optimă din cauza nivelului de toxicitate al unor rășini.
Aplicații ale utilizării tehnologiei SLA:
Este folosit pentru crearea modelelor cu un nivel extrem de bun al expunerii detaliilor. Obiectele obținute folosind această tehnologie sunt adesea folosite pentru prezentări sau în teste și optimizare ale geometriei obiectului.
DLP – Digital-Light Processing – Expunerea digitală a luminii
Tehnologia de printare DLP (Digital Light Processing) reprezintă un proces de fabricare aditivă bazat pe utilizarea luminii UV pentru solidificarea unor rășini polimerice lichide. Dezvoltata de Texas Instruments, tehnologia DLP are ca element principal cipul DMD (Digital Micromirror Device) – o matrice de micro-oglinzi folosite pentru modularea spațială rapidă a luminii.
Inițial, modelul 3D CAD este convertit de aplicația software a printerului 3D în secțiuni transversale (felii) ale obiectului, apoi informațiile sunt trimise către imprimantă și cipul DMD.
Pentru fiecare secțiune transversală a modelului 3D CAD, lumina UV emisă de un proiector este modulată și proiectată prin intermediul cipului pe suprafața rășinii polimerice aflată în cuva de construcție. Fiecare micro-oglindă individuală a cipului DMD proiectează pixeli din secțiunea transversală a modelului 3D. Sub acțiunea luminii UV, rășina lichidă fotoreactivă (sensibilă la lumina ultravioletă) se solidifică în structuri succesive.
Obiectele 3D de geometrii mai complexe sunt printate cu ajutorul materialelor suport care sunt ulterior îndepărtate. Rășina rămasă în cuva de construcție poate fi reutilizată la printările ulterioare. Anumite materiale de printare pot necesita procese ulterioare de întărire în cuptoare UV.
Detalii tehnice ale imprimantelor de tip DLP:
Acuratețea părților printate: foarte bună
Finisarea suprafețelor printate: foarte bună
Viteza de printare: bună (pentru obiecte multiple și geometrii complexe)
Materiale utilizate: rășini, fotopolimeri, rășini transparente, polimeri pe bază de ceară
Avantajele tehnologiei DLP:
Suprafețe printate fine și precise (utilizare în industria bijuteriilor, tehnică dentară, electronică), prototipuri destul de rezistente pentru prelucrare, gamă diversă de rășini inclusiv materiale bio-medicale (certificate pentru utilizare in domeniul medical) și rășini transparente (prototipuri în industria ambalajelor), printere stabile cu puține părți în mișcare. Tehnologia permite prototipare piese de geometrii complexe și detaliate, viteză mare de printare pentru geometrii complexe și printare simultană a mai multor piese (productivitate mare). Piesele printate pot fi utilizate ca matrițe master pentru industriile de turnare prin injecție (injection molding), termoformare, turnare metale/
Dezavantaje tehnologie DLP:
Materiale de construcție mai scumpe, preț printare mai mare (pentru volume mari), necesită operații de post-procesare (întărire UV, îndepărtare material suport), necesită manipularea rășinilor (deranj în mediul de birou).
Aplicații ale utilizării tehnologiei DLP:
Prototipuri rezistente pentru testare funcțională, prototipuri și modele fine, precise (bijuterii, modele dentare, modele electronice), prototipuri cu geometrii complexe; fabricare serii mici de modele în medicina (proteze auditive, restaurări dentare, implanturi medicale), prototipuri și modele în media (animație, cinema, etc) modele de turnare bijuterii, scule și unelte, piese și componente în industria auto și aerospațială.
Fig. 4.4 – Tehnologia de printare DLP
Aplicații ale utilizării tehnologiei DLP:
Prototipuri rezistente pentru testare funcțională, prototipuri și modele fine, precise (bijuterii, modele dentare, modele electronice), prototipuri cu geometrii complexe; fabricare serii mici de modele în medicina (proteze auditive, restaurări dentare, implanturi medicale), prototipuri și modele în media (animație, cinema, etc) modele de turnare bijuterii, scule și unelte, piese și componente în industria auto și aerospațială.
SLS – Selective Laser Sintering – Sinterizare Laser Selectivă
Tehnologia de prototipare rapidă SLS (Selective Laser Sintering), tradusă prin Sinterizare Laser Selectivă, a fost patentată la sfârșitul anilor 1980 și este apropiată de SLA. Pe lângă denumirea SLS se folosește pe scara largă și denumirea generică LS (Laser Sintering), sau Sinterizare Laser.
Tehnologia SLS implică folosirea unui fascicul laser de mare putere (ex. un laser CO2) pentru topirea (sinterizarea) unor pulberi în straturi succesive obținându-se astfel modelul 3D dorit.
Modelul 3D dorit este convertit inițial în secțiuni transversale (felii) ale obiectului și trimise apoi printerului. Pe baza informațiilor primite, fasciculul mobil al laserului topește (sinterizeaza) selectiv stratul de pulbere aflat pe platforma de construcție din interiorul cuvei, conform fiecarei secțiuni transversale.
După finalizarea secțiunii, platforma pe care sunt construite modelele 3D este coborâtă inăuntrul cuvei cât să poată fi realizată următoarea secțiune transversală. Se aplică un nou strat de pulbere care este apoi uniformizată, după care procesul se repetă până la finalizarea întregului model 3D conform fișierului CAD.
În timpul printării, modelul 3D este în permanență încadrat în pulberea de construcție, ceea ce permite printarea unor geometrii extrem de complexe fără material suport. Pulberea rămasă în cuva de construcție poate fi reutilizată la printările ulterioare.
Obiectele 3D obținute prin sinterizarea laser sunt poroase și nu necesita finisare ulterioară decât dacă se dorește întărirea acestora prin infiltrare.
Fig. 4.5 – Tehnologia de printare SLS
Detalii tehnice ale imprimantelor de tip SLS/LS:
Acuratețea părților printate: bună
Finisarea suprafețelor printate: bună spre foarte bună
Viteza de printare: medie spre superioară
Materiale utilizate: pulberi (termo)plastice (nylon, polyamida, polystyren; elastomeri; compoziți), pulberi metalice (oțel, titan, aliaje), pulberi ceramice, pulberi din sticlă
Avantajele tehnologiei SLS/LS:
Acuratețe bună a modelului 3D, paletă largă de materiale, piese fabricate rezistente, posibilitatea construcției unor geometrii extrem de complexe fără material suport, flexibilitate a modelelor printate (pot fi utilizate ca modele finale sau modele de testare), (unele materiale) nu necesita post-procesare, piese fabricate rezistente la temperaturi înalte. Nu necesită operațiuni de post procesare (întărire, îndepărtare suport, etc) dacă nu se dorește întărirea mecanică.
Dezavantaje tehnologie SLS/LS:
Tehnologie scumpă care se traduce în cost mare și dimensiuni mai mari ale printerului, materiale de printare scumpe, suprafața mediu finisată (în comparație cu SLA), detalii medii ca finețe (în comparație cu SLA), prototipuri poroase care pot necesita operațiuni adiționale de întărire. Timp de răcire mare după printare pentru obiecte mari.
Aplicații ale utilizării tehnologiei SLS/LS:
Piese rezistente pentru testare funcțională, testare la temperaturi înalte, piese cu balamale și subansamble de încastrare, producții de serie mică, modele de turnare.
SLM (DMLS) – Selective Laser Melting – Sintetizare directă cu laser a metalelor
Tehnologia SLM sau Sintetizarea cu Laser a Metalelor, este o sub-ramură a tehnologiei SLS cu un procedeu de fabricație aditivă similar. Tehnologia mai poartă numele de DMS sau LaserCusing.
Spre deosebire de Sinterizarea Laser Selectiva, tehnologia SLM utilizează pulberi metalice drept material de construcție care sunt topite și sudate împreună cu ajutorul unui laser de mare putere. Straturile subțiri de pulbere metalice atomizată sunt succesiv topite și solidificate la nivel microscopic în interiorul unei camere de construcție închisă ce conține caz inert (argon sau corgon) în cantitate controlată strict, la un nivel de oxigen. După terminare, piesa 3D este scoasă din camera de construcție și supusă unui tratament termic și de finisare în funcție de aplicație.
Fig. 4.6 – Tehnologia de printare SLM
Detalii tehnice ale imprimantelor de tip SLM/DMLS:
Acuratețea părților printate: bună
Finisarea suprafețelor printate: bună spre foarte bună
Viteza de printare: medie spre superioară
Materiale utilizate: pulberi metalice din oțel inoxidabil, oțel de scule, cobalt crom, titan și aluminiu.
Avantajele tehnologiei SLM/DLMS:
Are o acuratețe bună a modelului 3D, paleta de materiale speciale metalice, piese fabricate rezistente, posibilitatea construcției unor geometrii organice sau extrem de complexe, piese ușoare (industria aerospațială, medicina), flexibilitate a modelelor printate (pot fi utilizate ca modele finale sau modele de testare).
Dezavantaje tehnologie SLM/DMLS:
Tehnologie scumpă care se traduce în cost mare si dimensiuni mai mari ale printerului, materiale de printare speciale și scumpe, prototipuri care pot necesita operațiuni adiționale de întărire. Timp de răcire mare după printare pentru obiecte mari.
Aplicații ale utilizării tehnologiei SLM/DMLS:
Prototipuri rezistente pentru testare funcțională, piese de geometrii organice, complexe și structuri cu pereți subțiri și goluri sau canale ascunse; piese metalice complexe din materiale speciale produse în serie mică. Forme hibride în care geometrii solide/ parțiale/ tip zabrele pot fi realizate împreună pentru crearea unui singur obiect (ex. Implanturi ortopedice în care integrarea osoasa este sporită de geometria suprafeței).
3DP/ 3D inkjet printing – Printare inkjet tridimensională
Tehnologia de printare tridimensional 3DP (Three-Dimensional Printing) mai poartă și numele de 3D inkjet printing sau Plaster-Based 3D Printing (PP). Printarea tridimensională a fost printre primele tehnologii 3D pătrunse în România și reprezintă încă tehnologia favorită I domenii precum arhitectura și designul. Până la apariția tehnologiei LOM cu hârtie, 3DP era singura tehnologie care permite printarea 3D color.
Printarea tridimensională 3DP implică utilizarea tehnologiei de printare injket pentru solidificarea unei pulbere introdusă camera de construcție (fabricare) a imprimantei prin lipire particulelor au ajutorul unui material liant.
Inițial, modelul 3D CAD este convertit în secțiuni transversal (felii) ale obiectului și trimise apoi imprimantei. Un strat subțire de pulbere este introdus în platforma de construcție după care este întins, distribuit și compresat uniform cu ajutorul unei role speciale. Capul de printare aplică apoi jetul de material liant urmând structura (felia) proiectată a modelului 3D și rezultând astfel un strat al obiectului 3D din pulbere solidificată cu liant. Odată ce un strat este finalizat, platforma de construcție coboară cu exact grosimea unui strat, dupa care procesul de printare este reluat.
Prin repetarea operațiunii se vor construi straturi succesive, unul deasupra celuilalt, până la realizarea piesei finale. Pe măsură ce procesul avansează, piesa este cufundată in pulbere, ceea ce constituie un suport natural pentru geometriile mai complexe.
După finalizarea și scoaterea din camera de construcție, piesa finală se introduce într-o cuva pentru îndepărtarea prin suflare a pulberii rămase în diversele cavități și goluri, în cursul printării liantului pot fi adăugate și culori, rezultând obiecte 3D color cu aplicabilitate în mai multe domenii.
În cazul pulberilor de amidon sau ipsos, piesele 3D printate sunt de obicei infiltrate cu material de etanșare sau un întăritori pentru îmbunătățirea durității și calității suprafeței. Pulberea rămasă în camera de construcție poate fi reutilizată la printările ulterioare.
O altă tehnologie nouă, numită 3D paper printing, îmbină printarea inkjet cu tehnologia LOM. Straturi succesive de hârtie sunt decupate în forma secțiunii transversale formând straturile modelului 3D, iar acestea sunt lipite unul peste altul cu ajutorul unui cap de printare care aplică un jet de material adeziv. Tehnologia permite de asemena printarea color a modelului 3D dorit utilizând cerneala inkjet obișnuită.
Fig. 4.7 – Tehnologia de printare 3DP
Detalii tehnice ale imprimantelor de tip 3DP / 3D inkjet printing:
Acuratețea părților printate: medie spre bună
Finisarea suprafețelor printate: medie spre bună
Viteza de printare: foarte bună
Materiale utilizate: pulberi (amidon, ipsos, pulberi plastice PMMA, alte tipuri)
Avantajele tehnologiei 3DP / 3D inkjet printing:
Viteză mare de printare, materiale nu foarte scumpe; prototipuri 3D printate color cu impact vizual. Funcționare silențioasă a printerelor 3D, echipamente potrivite pentru mediul de birou.
Dezavantaje tehnologie 3DP / 3D inkjet printing:
Modelele 3D destul de fragile, necesită întărire prin infiltrare pentru îmbunătățirea rezistenței mecanice. Rezoluție și suprafață medie cu nivel de finisare. Gama de materiale limitată. Manipularea pulberilor, curățarea piesei și infiltrarea pentru întărire pot genera praf și deranj în mediul de birou.
Aplicații ale utilizării tehnologiei 3DP / 3D inkjet printing:
Printarea color are aplicabilitate în multe domenii unde aspectul vizual are importanță maximă: arhitectură, design conceptual, modele marketing, vizualizare științifică, educație.
LOM – Laminated Object Manufacturing – Fabricarea Stratificata prin Laminare
Tehnologia LOM sau Fabricarea Stratificată prin Laminare este o tehnologie mai puțin cunoscută, cu toate că primul sistem de fabricare LOM a fost dezvoltat încă din 1991 de compania Helisys Inc.
Tehnologia LOM permite fabricarea stratificată a obiectului 3D din straturi de hartie sau plastic care sunt lipite împreună, unul peste altul și decupate cu ajutorul unui cuțit sau al unui laser. Materialul de printare folosit poate fi furnizat atât în rolă (plastic) cât și în foi sau coli (hârtie).
Inițial, modelul 3D CAD este convertit în secțiuni transversale ale obiectului și trimise apoi imprimantei. Cu ajutorul unei surse laser sau unui cuțit, printerul decupează din foaia de material solid straturile care vor compune piesa 3D. Restul de material nefolosit în urma decupării este caroiat mărunt de cuțit sau laser pentru că la sfârșitul procesului să poată fi îndepărtat manual. Stratul finalizat este lipit de stratul anterior cu ajutorul unui adeziv aplicat pe partea inferioară a foii.
Tot timpul constucției, piesa 3D este încadrată în materialul de construcție ceea ce permite printarea unor geometrii complicate fără material suport. La finalul procesului, piesa 3D apare împachetată în materialul în exces care va fi îndepărtat manual. Restul de material este aruncat neputând fi utilizat la printari ulterioare.
O tehnologie nouă denumită 3D ”paper printing”, îmbină printarea ”inkjet” cu tehnologia LOM. Secțiunile transversale din hârtie sau întâi printate color utilizând tehnologia ”inkjet” obișnuită și apoi decupate în straturi, rezultând un model 3D cu rezoluție full-color.
Fig. 4.8 – Tehnologia de printare LOM
Detalii tehnice ale imprimantelor de tip LOM:
Acuratețea părților printate: medie spre bună
Finisarea suprafețelor printate: medie spre bună
Viteza de printare: medie
Materiale utilizate: hârtie (foi obișnuite), plastic (role)
Avantajele ale tehnologiei LOM:
Materialele de printare sunt foarte ieftine; acuratețe și precizie destul de bună, permite printarea modelelor mai mari care nu au detalii complicate. Prototipuri 3D printate color cu impact vizual.
Dezavantaje ale tehnologie LOM:
Gama limitată de materiale, proprietăți slabe ale materialelor, materialul nefolosit trebuie îndepărtat manual, pierderi de material destul de mari (resturi neutilizat ai colii se aruncă)
Aplicații ale utilizarii tehnologiei LOM:
Testare fizică a formei, modele 3D voluminoase (al căror cost de producție trebuie să fie mic), piese nu extrem de detaliate. Printarea color are aplicabilitate în multe domenii unde aspectul vizual are importanță maximă: arhitectura, design conceptual, modele marketing, educație.
PJP- PolyJet Printing – Printarea PolyJet cu Fotopolimer
Tehnologia de printare 3D PJP, întâlnită și sub numele de ”Jetted Photopolymer”, sau sub denumirea de ”Multijet Printing” este o altă tehnologie de fabricare aditivă, similară oarecum cu stereolitografia (SLA) deoarece utilizează tot foto-solidificarea unui fotopolimer lichid. ”Tehnoloia Polyjet” este însă similară și cu tehnologia de printare ”inkjet” obișnuită. Spre deosebire de imprimantele de birou care utilizează un jet de cerneală, printerele ”3D Polyjet” emit un jet de fotopolimeir lichizi care sunt ulteriori întăriți cu lumina UV.
Modelul 3D CAD este inițial convertit în secțiuni transversal ale obiectului și transmise apoi imprimantei. Capul de printare sprayază un jet de fotopolimeri lichizi cu care proiectează o secțiune transversală extrem de subțire pe platforma de construcție. Această secțiune este apoi întărită cu ajutorul luminii UV, după care procesul se repetă strat după strat creând modelul 3D final. Modelele complet întărite pot fi manipulate și utilizate imediat, fără operații suplimentare de post-procesare.
În cazul geometrilor complicate sau al consolelor, imprimanta utilizează un material suport de consistență similară unui gel, ca susținere a geometriei. Acesta poate fi ulterior îndepărtat manual cu ajutorul unui jet de apă.
Printerele pot avea două sau mai multe capete de printare, unul pentru fotopolimeri de constructive și celălalt pentru materialul solubil (gel). Utilizând capete multiple, tehnologia ”Polyjet” permite inclusiv printarea cu 2 materiale diferite în cadrul aceluiași proces de construcție. Se pot astfel obține prototipuri din diverse materiale cu proprietăți fizice diferite.
Detalii tehnice ale imprimantelor de tip PJP:
Acuratețea părților printate: foarte bună
Finisarea suprafețelor printate: foarte bună
Viteza de printare: medie spre bună
Materiale utilizate: fotopolimeri de diverse tipuri (rigizi, maleabili, transpareți, opaci, elastomeri)
Avantajele ale tehnologiei PJP:
Acuratețe și precizie extrem de bună, suprafețe printate fine și precise ce nu mai necesită prelucrări ulterioare, modele 3D cu detalii complexe, prototipuri 3D printate din materiale multiple cu proprietăți fizico-mecanice multiple. Gama variată de materiale de printare cu proprietăți mecanice diferite. Echipamentele pretabile în mediul de birou (fără praf, substanțe chimice). Tehnologia este eficientă din punct de vedere al costurilor pentru piese mici.
Dezavantaje ale tehnologie PJP:
Piesele nu rezistă bine la temperaturi; cost destul de mare al materialului de constructive. Pentru obiecte cu forme complexe pentru care s-a format o structură suport necesită efectuarea de operațiuni post-procesare, de eliminare a materialului suport.
Aplicații ale utilizării tehnologiei PJP:
Piese și subansamble rezistente la testarea funcțională, design conceptual, piese de detaliu pentru diverse aplicații, producție de serie foarte mică. Forme de turnare, prototipare rapidă a pieselor și sculelor de mici dimensiuni cu caracteristici complexe. Matrițe master pentru piese turnate din uretan.
Fig. 4.9 – Tehnologia de printare LOM
Etapele printării
Modelele printate 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. Procesul începe de la forme simple la care se vor adaugă multiple operațiuni pentru a crea modelul dorit. Scanarea 3D este un proces de analiză și colectare de date digitalizate spre forma și aspectul unui obiect real. Pe baza acestor date, modele tridimensionale ale obiectelor scanate prin programe specializate pot fi reproduce.
Programele dedicate pe lângă modulul de modelare conțin și module de calcul structural în care se pot introduce variabile (materiale, forte, deformări, etc.) în vederea verificării structurii obiectului obținut. Se pot efectua și simulări virtuale în care se pot verifica eforturile și deformările obiectului, putând îmbunătăți structura și forma piesei pentru a împiedica anumite probleme ce se pot întâmpla.
O a doua etapă este convertirea modelului CAD într-un format STL, trebuie în prealabil să fie procesat de un software, denumit în mod uzual “slicer”, ce convertește modelul într-o succesiune de straturi și produce o serie de comenzi de deplasare pe cele trei axe de deplasare și informații în legatura cu depunerea de material. STL este un acronim pentru standard ”tessellation language”, este un format al fișierului dezvoltat pentru sistemele 3D in 1987 și a fost utilizat pentru stereolitografie.
A treia etapă este cea de verificare și reparare a modelului STL, în care se verifică și se repară potențialele erori ale fișierului STL. Erorile tipice sunt cele: lipsa triunghiurilor, margini, neconectare, inversări ale fetelor.
Există software-uri pentru manevrarea modelelor STl cum ar fi Meshlab, 3DPrintCloud, Netfabb etc. În cazul în care formatul STL nu prezintă nici o eroare, se pot face alte corecții: dimensionale, densitate, modificări de geometriei.
Odată ce un fișier STL a fost general, acesta este important într-un program (slicer) care îl convertește în cod G. Codul G este un limbaj de programare folosit în fabricarea asistată de calculator pentru controlul mașinilor unelte automate. Imprimanta 3D utilizează 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.
A patra etapă este cea de pregătire a mașinii ce va produce modelul 3D. Pentru fiecare mașină trebuie făcute anumite operațiuni preliminare pentru a fi pregătită pentru printarea corectă a modelului. Aceste operațiuni preliminare pot fi prin: realimentarea cu materialul de printare, încălzirea plăcii de baza pentru o suprafață de prindere mai bună; pentru imprimantele ce folosesc radiații UV trebuie verificată sau calibrate lupa pentru o reproducere cât mai corectă a modelului 3D.
A cincea etapă este cea de printare. Acest proces este de cele mai multe ori automat. Fiecare strat are o grosime de 0.1 mm. Perioada de printare este data de specificațiile tehnice ale imprimantei și de dimensiunile și formele modelului printat.
A șasea etapă este cea de extragere a modelului. În unele situații această operațiune necesită obiecte de protecție (ochelari, mănuși de protective). Se verifică dacă obiectul are dimensiunile corecte, nu prezintă erori( crăpături, suprafețe întrerupte, etc.). Scopul verificării este acela de a îmbunătății formatul prin îmbunătățirea etapei numarul 4.
Ultima etapă constă în operațiunile post-procesare. Aceste operațiuni pot include eliminarea pulberilor rămase pe model și a suportului, tratamente termice etc.
Fig. 4.10 – Etapele printări 3D
Capitolul 5. Marketing Industrial
Marketingul industrial cuprinde toate activitățile implicate în comercializarea produselor și serviciilor către organizații care pot i instituții comerciale, de profil sau non-profi, agenții guvernamentale sau ”resellări” care utilizează produse sau servicii în producția de bunuri și servicii pentru consum sau industrie și pentru a facilita operațiunile întreprinderii.
Marketingul industrial este un concept care se mai regăsește în cadrul literaturii de specialitate și cu numele de marketing ”business to bussines” (B2B), reprezentând sfera în care au loc activitățile de creare de produse și servicii pentru alte firme/organizații, fiind utilizate de cele din urmă în procesul de producție. Companiile își derulează astfel activitatea pe piața bunurilor productive, fiind alcătuită din ansamblul organizațiilor care achiziționează bunuri și servicii în vederea producerii altor bunuri și servicii care pot fi vândute, închiriate sau furnizate altora.
Piețele industriale sunt piețele în cadrul cărora întreprinderile cumpără produse/ servicii fie pentru a le revinde, fie pentru a le utiliza în fabricarea altor produse, fie pentru a le utiliza în activitățile zilnice.
Piața bunurilor productive reprezintă mulțimea tuturor persoanelor și organizațiilor care achiziționeză produse și servicii care intră în procesul de producție al altor produse și servicii, acestea fiind apoi vândute.
Activitățile care alcătuiesc piața industrială sunt: agricultura, silvicultura , industria minieră, industria prelucrătoare, sectorul de construcții și de transporturi, sectorul comunicațiilor și de utilități publice, sectorul serviciilor.
Segmentele practicate în marketingul industrial sunt:
Segmentarea pe ramuri industriale ( electrică, constructoare de mașini)
Segmentarea după mărimea clienților
Segmentarea după localizarea geografică
Segmentare după complexitatea tehnologică
Segmentarea după frecvența achizițiilor
Aceasta este o chestiune de strategie (deoarece presupune combinarea oportunităților oferite de piață cu resursele, aptitudinile și capacitatea firmei. Pe de altă parte segmentele diferă din punct de vedere al mărimii și ratei de creștere a pieței precum și al intensității concurenței
Nu se poate face performanță în marketingul Industrial numai cu date despre piață chiar dacă sunt obținute printr-o creștere serioasă asupra structurii și potențialului fiecărui segment. Mai este nevoie de o evaluare obiectivă a punctelor forte și slabe deținute de firmă în comparație cu concurenții săi.
Firmele mari și puternice preferă să aleagă oportunități de piață care le permite să-și exploateze la cel mai înalt grad aptitudinile de care dispun. [1]
Categorii de produse:
Echipamentele ”grele” sau bunurile investițiilor, care sunt bunuri materiale utilizate în procesul de producție: roboți industriali, echipamente electrice, mijloace de transport, utilaje și mașinării
Echipamente ”ușoare” sau ”auxiliare”, sunt bunuri cu valoare mai redusă: scule, dispozitive, verificatoare, calculatoare, cu ajutorul cărora se asigură buna desfășurare a activității firmei
Materii prime: produse care sunt obținute fără o prelucrare suplimentară: mase plastice, minereuri, petrol, cereale, etc.
Subansambluri: componente care intră în structura unui alt produs finit
Consumabilele: combustibil, lubrifianți utilizate în activitățile firmei în mod curent pentru a se putea realiza obiectivul de activitate, dar nu intră în componența produsul finit, ci doar contribuie la realizarea acestuia.
Există patru tipuri de schimburi în marketingul industrial:
Schimbul de produse:
Furnizarea de materii prime organizației pentru procesarea produselor finite pentru utilizatorul final sau pentru consumator. Pentru industria printării 3D trebuie să existe furnizori de granule de masă plastică pentru a produce filamentele necesare printării.
De exemplu compania PLAST ECO POLIMERI SRL, este o companie specializată în furnizarea materiei plastice pentru procesele de injecție, extrudare mase plastice și este absolut necesară unei companii ce se ocupă cu producerea filamentelor utilizate in printarea 3D.
Schimbul de informații:
Atunci când o organizație oferă informații tehnice, consultanță economică sau răspunde la întrebări organizatorice unei alte organizații, acesta se numește schimb de informații.
Schimbul financiar:
Acordarea de facilități de credit unei organizații este schimbul financiar. De exemplu Banca de Dezvoltare Industrială, acordă împrumuturi pentru aplicații în domeniul industrial.
Schimbul social:
Schimbul social este important în zonele de reducere a incertitudinii dintre cumpărător și vânzător, evitând dificultățile pe termen scurt și menținând astfel o relație mai bună pe o perioadă mai lungă de timp.
Producătorii de bunuri industriale nu se adresează direct utilizatorilor finali, ci altor întreprinderi, pentru consumul productiv, iar produsele vândute sunt destinate pentru a fi încorporate în alte produse și servicii.
La nivel mondial există organizații care se ocupă cu studiul problemelor din sfera marketingului industrial, precum: Institutul de Studii de Piața și Industrie (Rusia), Asociația de Marketing pentru Afaceri (SUA), Centrul pentru Studii Industriale (Italia), Institutul Coreean de Marketing Industrial (Coreea de Sud), Grupul de Marketing Industrial și de Achiziții ( o rețea de cercetători care acționează la nivel mondial).
Între marketingul industrial și marketingul de bunuri de consum există anumite deosebiri, acestea fiind subliniate de aspecte referitoare la piața bunurilor productive, comportamentul de cumpărare al firmelor, rolul componentelor mixului de marketing. Marketingul industrial s-a dezvoltat după anul 1960 și are în vedere activitățile de marketing desfășurate de întreprinderi care își vând produsele altor organizații.
5.1 Conceptul de marketing industrial
Conceptul de marketing pentru întreprinderile de afaceri ale cumpărătorului industrial este de a defini nevoile unei piețe țintă sau a unei organizației pentru a satisface acestor nevoi cu mai mult succes decât concurenții săi. Conceptul de marketing este aplicabil și important atât în industrie, cât și în industrie. Este evident că marketingul consumatorilor a îmbrățișat mai mult conceptul de marketing de deplin decât omologii lor din domeniul industrial, deoarece clienții industriali cum ar fi organizații-întreprinderi, instituții și agenții guvernamentale având unicitate în funcție de nevoi. Conceptul de marketing industrial implică mai mult decât facilitarea de schimb cu acești clienți, deoarece se bazează pe stabilirea unui parteneriat între cumpărători și vânzători în scopul realizării obiectivelor organizatorice ale ambelor parți.
În general, organizațiile industriale tind să fie orientate tehnic spre anumite produse și de dezvoltarea tehnică a acestuia. Pentru eficacitatea comercializării, produsul ar trebui să fie întotdeauna considerat o variabilă și ar trebui să fie văzut de la perspectiva clientului. Beneficiile clienților și nevoia de satisfacție, mai degrabă decât produsul fizic, ar trebui să fie în centrul atenției.
În plus, înțelegerea conceptului de marketing industrial este obligatorie pentru managerul de marketing industrial: să asigure îndrumarea și stimularea cercetării și dezvoltării de noi produse; să exploateze și să dezvoltarea piețelor pentru produse noi; pentru a defini metodele de promovare a produselor pentru clienții care au în vedere majorarea costurilor de publicitate media și vânzarea personală; să inoveze în distribuție și alte domenii pentru a ține pasul cu cerințele în schimbare ale clienților industriali care desfășoară afaceri pe o rețea multinațională; pentru a face față concurenței rigide prin intermediul businessului modernizat; pentru a rafina și să modifice poziționarea produsului; și abordarea problemelor în moduri moderne.
Fig. 5.1 Succesiunea etapelor de raționament privind stabilirea strategiei globale de marketing
Ținând seama de conținutul conceptului de marketing și de natura problemelor pe care le ridică piața bunurilor de utilizare productivă a funcțiilor marketingului industrial sunt:
Studierea cerințelor utilizatorilor productivi și adaptarea proiectelor de realizare a produselor la cerințele acestei piețe
Stabilirea unei politici de preșuri bune fundamentate, menită să contribuie la o stimulare cât mai corespunzătoare atât a producție cât si a proceselor de utilizare
Desemnarea circuitelor care urmăresc să fie parcurse de fiecare produs de a producător la utilizator
Stabilirea serviciilor care vor însoți produsele din momentul lansării lor pe piață, cât și a facilităților ce vor fi acordate utilizatorilor la achiziționarea fiecăruia dintre produsele oferite pieței
La nivelul conceptual, rolul al MK este acela de a face în așa fel încât întreaga activitate a firmei să fie privită din perspectiva clienților, iar procesul decizional din cadrul firmei să aibă ca punct de plecare nevoile clienților
Marketingul trebuie privit nu doar ca o funcție a unui departament din cadrul firmei, ci ca o filozofie a firmei în întregul sau [2]
5.2 Marketingul industrial și deciziile adoptate de către firme
În cadrul literaturii de specialitate sunt analizate diverse aspecte referitoare la comportamentul de achiziție al firmelor, segmentarea piețelor industriale, importanța rețelelor în marketingul industrial etc., precum și aspecte privitoare la situația subcontractorilor ca noduri în rețele de aprovizionare și roluri de coordonare ale subcontractorilor, structura și procesul decizional în cadrul rețelei de achiziție pentru cazul unei proiecte de dezvoltare.
Cercetările realizate în sfera marketingului industrial au o importanța și o valoare deosebită. Rezultatele studiilor pot fi de un real folos pentru managerii de marketing, pentru planificatori, directori de firma etc. In general, probleme ridicate în cadrul lucrărilor se referă la evaluarea strategiilor adoptate în această sferă, la încercarea de dezvoltare. Cercetările din acest domeniu încearcă să ofere, prin intermediul rezultatelor obținute, soluții pentru dezvoltare de măsuri strategice.
Tipuri de strategii folosite în marketingul industrial:
Strategia liderului: prin costuri implică faptul că firma are anumite avantaje și se presupune că acesta va încerca să profite de avantaje pe piețe mai mari, adoptând o poziție agresivă.
Strategii focalizate (de nișă) implică faptul că firma s-a concentrat pe un segment îngust pe piață, dorind să servească acest segment mai bine decât concurenții săi, acest lucru putând fi făcut fie cu un avantaj legat de produs/serviciu oferit, fie cu accent pus pe costuri.
Strategia urmăritorului permite firmelor să nu investească masiv în produse inovative și în dezvoltarea pieței. Pe baza resurselor și pozițiilor pe care firma le ocupă din punctul de vedere al costului, firmele imită liderul de piață, evitând costurile inovării și riscurile.
Creșterea concurenței datorită globalizării, a determinat firmele să își diferențieze ofertele prin dezvoltarea și vânzarea de soluții, ce reprezintă o modalitate a orientării de la marketingul centrat pe produs, la o abordare a marketingului centrat pe client, în încercarea da integra serviciile
Fig. 5.2: Relația dintre strategiile de marketing internațional și performanță
5.3 Politici industriale în România
După aderarea la UE, în România se au în vedere prevederile politicilor comune europene. Există însă și anumite documente care fundamentează politica referitoare la întreprinderi, precum Planul Național de Dezvoltare, Politica Industrială a României.
Politica industrială din România se bazează pe anumite documente care o fundamentează. Astfel, conform Planului Național de Dezvoltare, un obiectiv este creșterea competivității prin îmbunătățirea accesului pe piață al întreprinderii.
Printre documentele de politică industrială se mai numără:
Hotărârea nr. 55 din 13 ianuarie 2005 privind aprobarea Strategiei de restructurare a industriei siderurgice din România și a planurilor individuale de viabilitate a companiilor siderurgice, reactualizate pentru perioada 2003 – 2008;
Strategia de dezvoltare a industriei mașinilor și aparatelor de uz casnic pe termen mediu și lung 2001-2010 (conf. HG 1297/20.12.2001);
Strategia de dezvoltare a industriei de aparatură și instrumente medicale din România pe perioada 2001- 2010;
Hotărâre nr. 1172 din 29 septembrie 2005 privind aprobarea Politicii industriale a României pentru perioada 2005-2008 și a Planului de acțiune pentru implementarea politicii industriale a României în perioada 2005-2006 etc.
s
Fig. 5.3 Specializarea sectorială a industriei prelucrătoare în România (2009) %
România este specializată în industrii intensive în muncă (pregătirea fibrelor și filarea fibrelor textile, prelucrarea lemnului, articole de îmbrăcăminte și accesorii), precum și în industriile intensive în capital (ciment). Există specializare în ramuri cu nivel mediu (prelucrarea metalelor).
Industria are o importanță decisivă în cadrul relațiilor dintre tari, iar prin intermediul acesteia se pot antrena efecte pozitive și asupra celorlalte sectoare de activitate. De aceea, elementele legate de inovare din cadrul politicii industriale sunt la fel de importante, prin inovare industria asigurându-și sustenabilitatea și facilitând dezvoltarea durabilă a economiei. [3]
Concluzie
Scopul proiectului a fost acela de a concepe un ansamblu de dispozitive pentru realizarea filamentului. Pentru conceperea acestui proiect a fost nevoie de aprofundarea unor informații privind modul de funcționare a fiecărui utilaj în parte, a principiului de funcționare și a fenomenelor ce se întâmpla în timpul producerii produsului finit.
Pentru realizarea conceptului sa încercat folosirea a cât mai multor componente ușor accesibile și prelucrarea lor cât mai ușoară. Pe parcursul modelării sa încercat prevenirea problemelor din timpul producției prin folosirea diferitelor componente cu scopul de a micșora aportul fizic în timpul producției.
La tocător, pentru a diminua timpului de mărunțire si evitarea fixării cuțitelor mobile de arbore prin sudură a fost implementat un al doilea set de cuțite fixe pentru rezolvarea acestor probleme. De asemenea o mai buna rigidizare a carcasei a fost folosit sistemul puzzle pentru prinderea parților componente
La extruder, pentru începerea procesului de producție al filamentului sunt necesare anumite operațiuni pregătitoare. Corpul extruderului trebuie încălzit timp de aproximativ 20 de minute pentru a ajunge la temperatura necesară topirii materialului plastic. Pentru evitarea pierderii masei plastice reziduale până în momentul începerii extrudării a fost conceput un sistem ce previne scurgerea rezidiului compus din resturi de material plastic din extrudarile precedente. Constrângerea privind folosirea materialelor uzuale a determinat folosirea unui șurub pentru blocarea canalului de alimentarea pentru duză.
Avantajele utilizării acestuia ansamblu de dispozitive este acela în crearea propriului filament și reducerea costurilor de printare prin utilizarea acestuia. De asemenea avem si dezavantaje privind dimensiunilor de gabarit destul de mari, fiind conceput să producă o cantitate destul de mare. Un alt dezavantaj este legat de dispozitivul de răcire și bobinare al filamentului, privind dimensiunii foarte mare datorat alegerii răciri progresive a filamentului folosind aerul.
Privind în ansamblu aceste dispozitive pot avea un impact destul de mare asupra printării dar și asupra reciclării maselor plastice, putând fi utilizate atât obiecte printate 3D dar și deșeuri fabricate din materiale termoplaste.
Bibliografie
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Ansamblul a fost conceput din 3 mașinării: [308926] (ID: 308926)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.