Fig.II. 1.1. Tehnologii de fabricație și aplicațiile lor adaptare după 2 [308046]

INTRODUCERE

Fabricația aditivă (FA) se bazează pe ideea că orice obiect poate fi format prin suprapunerea unor straturi subțiri de material ([anonimizat]), pornind de la reprezentarea digitală tridimensională (modelul virtual) a obiectului respectiv. Această abordare de fabricație diferă cele asociate procedeelor tradiționale de fabricație care utilizează redistribuirea materialului ([anonimizat], deformare plastică etc.) sau eliminarea materialului (frezare, strunjire, găurire etc.).

În conformitate cu standardul ISO/ASTM 52900:2015 [1], FA reprezintă „procesul de alipire a materialelor pentru a fabrica obiecte pe baza datelor provenite din modelul 3D, de obicei strat peste strat spre deosebire de fabricația prin eliminare de material și cu metodologia fabricării prin redistribuire de material”. [anonimizat] (2½D), fiecare strat de material aderând la cel precedent până la obținerea formei complete a obiectului. [anonimizat].

FA a arătat cum o idee considerată inițial de industrie ca fiind „prea speculativă” [anonimizat]. Astfel, FA a [anonimizat], ca și pentru furnizorii de servicii în domeniu și pentru alți utilizatori [3].

Fig.II. 1.1. [anonimizat] [2]

[anonimizat]-o legătură directă cu faza de proiectare sau ca metodă de fabricare directă a [anonimizat]:

– Reducerea timpului și a costului de producere a pieselor sau a prototipurilor;

– Validarea rapidă a soluțiilor de proiectare pentru produsele noi;

– Mai multă libertate în proiectare;

– Sustenabilitatea mediului;

– Lanț scurt de furnizori;

– Capacitatea de a [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat]-material, obiecte cu structură internă variabilă etc. – dificil sau chiar imposibil de fabricat prin metode tradiționale de fabricație;

– Capacitatea de a produce direct ansambluri (adică fără a fi necesară operația de asamblare între piesele componente);

– Capacitatea de a [anonimizat];

– Capacitatea de a fabrica obiecte color ([anonimizat] 3D Printing sau PolyJet);

– Independența costului produsului de complexitatea sa. Fig.1.2 prezintă o comparație a costurilor produselor fabricate prin procedee de FA vs. [anonimizat] a produsului.

Toate aceste avantaje oferite de tehnologia de FA fac ca aplicațiile sale să fie extrem de diverse: inginerie, [anonimizat], medicină, stomatologie, [anonimizat], arhitectură, [anonimizat], [anonimizat], educație etc. În fiecare zi se fabrică o multitudine de obiecte funcționale, modele de turnare, dispozitive medicale, obiecte pentru vizualizarea conceptelor de proiectare, jucării, obiecte pentru studii de marketing, piese pentru verificare asamblabilității etc. [6-7]. Mai mult decât atât, zilnic sunt prezentate știri, noutăți, studii de caz despre aplicații ale printării 3D (numele alternativ al FA), articole științifice în domeniu, noi dezvoltări tehnologice sau în domeniul materialelor de fabricație, cursuri, webinarii etc. În același timp însă, domeniul FA pune și diferite probleme legate de dreptul de proprietate intelectuală sau copyright [8], probleme etice [9-10] sau de control al fabricării de acasă a obiectelor periculoase [11-12]. De asemenea, trebuie menționat că datorită supra-expunerii media au apărut și s-au extins diferite mituri despre tehnologia FA [13], aceste păreri eronate putând fi corectate printr-o intensificare a educației în domeniu.

2. FABRICAȚIE ADITIVĂ (FA)

2.1. Fluxul de producție FA

În orice procedeu de FA obiectul este fabricat pornind de la modelul său virtual 3D obținut:

(1) prin modelare utilizând un software 3D CAD cum ar fi: SolidWorks, Solid Edge, Siemens NX, CATIA, Creo, Rhino, Google Sketchup, OpenCAD, 123Design etc.;

(2) din nori de puncte generați prin utilizarea echipamentelor de scanare, într-o abordare de tip inginerie inversă/Reverse Engineering (RE), soluții software: Geomagic, Imageware, Digital Shape Editor etc.;

(3) prin utilizarea datelor de scanare medicală de tip tomografie computerizată (Computer Tomography – CT) sau rezonanță magnetică (Magnetic Resonance Imaging – MRI) (soluții software: Mimics, 3Doctor, Amira etc.).

Modelul virtual tridimensional al piesei sau ansamblului, exportat în format STL sau AMF, verificat și corectat pentru eliminarea eventualelor erori, este importat în software-ul mașinii de FA și secționat cu plane paralele între ele și perpendiculare pe direcția de fabricație. Datele de secționare astfel obținute reprezintă traiectoriile urmate de capul de extrudare, capul de depunere a liantului, capul laser etc. pentru formarea fiecărui strat. Formarea fiecărui straturilor și apoi a întregului obiect se face prin solidificarea unei rășini lichide fotosensibile, depunerea de filamente de material, lipirea foilor de hârtie, topirea pulberilor etc., în funcție de tipul de procedeu utilizat și de materialul de fabricație.

O etapă foarte importantă dinainte de secționare o constituie stabilirea orientării de fabricație a obiectului, aceasta influențând o serie de aspecte care vor fi detaliate în continuare în acest capitol. Fig.2.1 ilustrează aceste faze ale procesului pentru construirea unui obiect prin procedeul FDM.

1. Modelul virtual 3D CAD (modelat în CATIA V5, în acest caz)

2. Analiza modelului STL (cu Netfabb Studio Basic 4.9)

3. Stabilirea orientării de fabricație și a parametrilor de proces

4. Generarea structurilor suport și a traiectoriilor de depunere a filamentelor de material

5. Modelul fizic al piesei

Fig.II. 2.1. Fabricarea unui obiect prin procedeul FDM

Soluții software pentru FA

Progresul în domeniul FA nu este limitat doar la apariția și dezvoltarea de noi procedee sau materiale, la îmbunătățirea performanțelor modelelor actuale de mașini sau la implementarea de platforme online de conectare/integrare (cum sunt Spark de la Autodesk sau GrabPrint de la Stratasys, de exemplu), ci presupune și dezvoltarea de noi soluții software pentru pașii de proces prezentați în subcapitolul anterior.

Aceste aplicații software pot fi clasificate în mai multe categorii: (1) software pentru obținerea modelului virtual 3D; (2) aplicații pentru analiza modelului înainte de printare: verificarea și repararea fișierului STL, analiza grosimii pereților, estimarea rugozității, estimarea costului și a timpului de fabricație, optimizarea structurii suport etc.; (3) soluții software dezvoltate de producătorii de mașini de FA, specifice procedeului și mașinilor lor, de exemplu: Catalyst pentru printer-ul Dimension de la Stratasys, PrintWizard pentru printer-ul Mojo de la Stratasys, QuickSlice pentru FDM1650, ReplicatorG pentru mașinile RepRap, Z-Print pentru mașinile Z-Corp de la 3D Systems), Z-Suite pentru mșinile Zortrax etc. Aceste software-uri gestionează orientarea obiectului în spațiu de lucru și scalarea acestuia, secționarea modelului și generarea structurilor suport (dacă este cazul), precum și generarea traiectoriilor “sculelor” pentru formarea stratului. Cu alte cuvinte, soluțiile software din domeniul FA sunt utilizate pentru proiectarea modelelor și optimizarea acestora, precum și pentru pregătirea modelelor pentru printarea 3D. De asemenea, modele 3D pot fi descărcate sub forma fișierelor STL sau a altor formate de fișier din magazine online ca: Thingiverse (www.thingiverse.com ) sau GrabCAD (www.grabcad.com ).

Tablul 2.1 prezintă o comparație sintetică a mai multor soluții software de tip pre-printare. Aceste soluții de tip third party sunt utile în special atunci când modelele de printat sunt disponibile doar în format STL (deci nu în formatul nativ al software-ului de modelare 3D), unele din instrumentele oferite fiind dependente, evident, de tipul de procedeu de FA și de tipul de mașină. În acest sens, software-urile au implementate baze de date cu tipuri de mașini de FA din care utilizatorul alege modelul dorit.

Tabel II. 2.1. Compararea soluțiilor software pre-printare – adaptare după [1]

Aplicația Netfabb Studio Basic (www.netfabb.com ) oferă opțiuni pentru verificarea și corectarea, automată sau manuală, a modelelor STL înainte de trimiterea acestora la printer-ul 3D, ca și comenzi pentru secționarea modelelor de dimensiuni mari și măsurarea manuală a grosimii pereților (Fig.2.2).

Varianta gratuită Netfabb Studio Basic este ușor de utilizat și are o curbă rapidă de învățare, iar opțiunile automate de reparare a modelului STL rezolvă multe dintre problemele uzuale ale acestor fișiere (goluri, triunghiuri dublate, triunghiuri cu normale orientate incorect).

Varietatea fișierelor de import este mare (Fig.2.3). Celelalte două versiuni ale Netfabb (numite Private și Professional) oferă instrumente avansate pentru editarea nodurilor rețelei de triunghiuri, opțiune de extrudare pentru triunghiuri și suprafețe, instrumente de tăiere avansate și de selecție a triunghiurilor etc., ca și o mai mare varietate de formate de fișiere acceptate. Cu toate acestea, pentru majoritatea utilizatorilor, instrumentele oferite de versiunea gratuită sunt tot ceea ce este necesar.

Fig.II. 2.2. Instrumente pentru corectarea fișierelor STL în aplicația Netfabb Studio Basic

O aplicație online interesantă, dezvoltată în cadrul proiectului european Karma (Knowledge Based Process Planning and Design for Additive Layer Manufacturing), poate fi accesată gratuit la http://www.willit3dprint.com/. Aceasta permite:

– Verificarea printabilității obiectelor, cu alte cuvinte aplicația analizează dacă toate elementele geometrice ale piesei pot fi fabricate sau nu pe un anumit model de mașină. La data testării acestei aplicații (decembrie 2015) baza de mașini de FA includea modelele: 3D Systems Cube, 3D Systems Viper, Arcam A2, Concept Laser M3 Linear, EOS SINT P385 și MakerBot Replicator;

– Alegerea unui anumit tip de material de fabricație și a unui mod de construire a piesei (denumit Build Scenario);

– Vizualizarea rugozității piesei și calculul unei valori medii a rugozității;

– Identificarea zonelor care necesită structuri suport;

– Reorientarea, repoziționarea obiectului în zona de lucru a mașinii, precum și scalarea acestuia;

– Estimarea timpului și a costului de fabricație;

– Exportul modificărilor în format STL sau AMF.

Blender (www.blender.org) este o aplicație open-source destinată modelării obiectelor, care conține și instrumente pentru analiza pre-printare a acestora prin add-on-ul 3D Printing Toolbox. Astfel, funcțiile disponibile sunt:

– Statistics – permite calculul volumului modelului și a ariei tuturor fețelor modelului;

– Error Checking – permite verificarea rețelei de triunghiuri a modelului STL, verificarea existenței intersecțiilor între triunghiuri, a triunghiurilor sau a fețelor degenerate, a grosimii pereților (opțiunea Wall Thickness), a zonelor prea subțiri pentru a fi fabricate prin

procedee de FA (opțiunea Sharpness), a zonelor în consolă (opțiunea Overhang) etc.;

– Rescaling – permite scalarea modelului până la obținerea unui anumit volum sau a unei lungimi maxime;

– Cleanup – permite curățirea modelului pentru printarea 3D prin eliminarea vârfurilor, a muchiilor și a fețelor izolate.

MiniMagics (http://software.materialise.com/minimagics) este o aplicație gratuită a firmei belgiene Materialise, care oferă instrumente pentru vizualizarea și comprimarea fișierelor STL, evaluarea calității acestora, identificarea suprafețelor cu normale inversate – și care nu pot fi printate, adnotarea modelului, măsurători de la punct la punct. Aplicația importă și exportă fișiere în format STL și pe cele de tip .magics și .mgx create de alte aplicații ale firmei Materialise. MiniMagics este un software ușor de utilizat care permite o verificare rapidă a erorilor, util în special începătorilor și atunci când este vorba despre obiecte de complexitate geometrică mică și medie. Software-ul este caracterizat de producători drept un instrument de vizualizare și comunicare în FA și, pe lângă versiunea gratuită, există și versiunea

comercială MiniMagics Pro, evident, cu mai multe funcționalități (cum ar fi analiza grosimii pereților).

Aplicația 3D-Tool (http://www.3d-tool.com/), inclusiv varianta gratuită a acesteia, oferă opțiuni pentru verificarea validității fișierelor STL și analiza grosimii pereților modelului 3D. De asemenea, permite realizarea de măsurători în 3D (distanță, unghi, rază, diametru, lungime muchie, joc între piese, grosime perete) și măsurători în 2D (distanță, unghi, lungime, rază și diametru) – Fig.2.8-2.9. Variantele Basic și Premium oferă și instrumente ce permit amplasarea pieselor pe platforma sistemului. Interfața este mai complexă decât cea a MiniMagics, dar și funcționalitățile sunt mai numeroase. Dezavantajul variantei gratuite este că importă și exportă doar fișiere în format STL (data testării septembrie 2015). Analiza rapidă a grosimii pereților (Quick calc) pentru o piesă test relativ simplă a durat 8 minute.

Fig.II.2.8. Calculul dimensiunilor de gabarit pentru verificarea încadrării în spațiul de lucru al mașinii de FA – aplicația 3D-Tool [2]

Versiunea lansată în septembrie 2014 a aplicației gratuite Meshmixer (www.meshmixer.com/) de la Autodesk integrează, alături de instrumentele pentru analiza și editarea fișierelor de tip STL, opțiuni pentru printarea 3D (analiza modelului în funcție de mașina de FA aleasă – Fig.2.10, vizualizarea materialului, analiza grosimii pereților, verificarea stabilității în timpul printării, modificarea modelului, generarea structurilor suport etc.). Interesant de amintit că Meshmixer importă și exportă informație și în formatul AMF (Additive Manufacturing Format), care este formatul standardizat (neutilizat însă în domeniu!) de schimb de date în FA.

Fig. II. 2.10. Alegerea unei mașini de FA și stabilirea opțiunilor pentru material și structura suport – aplicația MeshMixer

Fig.II. 2.11. Analiza grosimii pereților – aplicația MeshMixer [2]

Fig.II. 2.12. Amplasarea piesei în spațiul de lucru al MakerBot Replicator2 – aplicația MeshMixer [2]

Figurile 2.11-2.12 ilustrează o analiză a grosimii pereților unei piese și o analiză a încadrării aceleiași piese în spațiul de lucru al mașinii Replicator 2 de la firma Makerbot. De asemenea, Meshmixer permite optimizarea orientării de fabricație (Fig.2.13) pe baza anumitor criterii stabilite de utilizator prin alocare de ponderi.

Fig.II. 2.13. Optimizarea orientării de fabricație a unei piese în aplicația Meshmixer [2]

Structuri suport

– În timpul procesului de fabricație, în funcție de tipul de procedeu de FA și de material, obiectul de fabricat necesită sau nu susținere prin structuri suport. Aceste structuri suport (Fig.2.14) sprijină părțile în consolă ale obiectului (regula unghiului de 45o) și sunt eliminate la finalul etapei de construcție. Dacă obiectul este construit înconjurat de pulbere – așa cum este cazul procedeului SLS, de exemplu – nu este necesară construirea unei structuri suport, patul de pulbere servind ca suport pentru elementele în consolă.

– Volumul și poziția structurilor suport depind de orientarea piesei în spațiul de lucru al mașinii de FA, precum și de setările parametrilor de proces (Fig.2.15).

– În procedeul FDM, pe platforma mașinii sunt depuse inițial mai multe straturi de structură suport care asigură orizontalitatea necesară depunerii primului strat pentru piesă, totodată permițând și desprinderea acesteia de pe masa mașinii fără a produce deteriorări mașinii sau obiectului. Pentru mașinile FDM profesionale sau de tip desktop, fabricația piesei se face pe un suport din plastic care este fixat pe masa mașinii.

– Structurile suport sunt eliminate de pe piesă prin rupere (break-away), dizolvare într-o soluție apoasă și, în unele cazuri, chiar prin sablare.

Fig.II. 2.14. Exemple de structuri suport în procedeul FDM

Post-procesare

 Scopul acestei etape este acela de a îmbunătăți calitatea suprafețelor pieselor, proprietățile lor mecanice (de exemplu pentru a obține rezistență sau rigiditate mai mare), stabilitatea și rezistența la mediu, funcționalitate etc., și constă în:

– Eliminarea manuală a structurilor suport, a rășinii sau a pulberii în exces;

– Curățirea suprafețelor pieselor în contact cu structurile suport;

– Sablarea, vopsirea, electroplacarea sau vopsirea obiectului;

– Tratarea sau infiltrarea obiectului.

 Metodele de post-procesare depind de tipul de procedeu de FA și de material. De exemplu, în procedeul 3D Printing, post-procesarea presupune infiltrarea modelului „brut” cu un alt mediu (rășină), în timp de obiectele fabricate prin SL sunt tratate cu ultraviolete. În SLS, operațiile de post-procesare ale pieselor metalice pot consta, de exemplu, în acoperiri sau prelucrări mecanice pentru creșterea preciziei lor dimensionale.

Fig.II. 2.15. Exemplu referitor la influența orientării de construcție asupra structurii suport – piesa

(a. model 3D CAD) în două orientări de fabricație: b. nu necesită suport, c. necesită suport)

Strat la nivelul z=26.9240

Strat la nivelul z=27.1780

Strat la nivelul z=27.4320

Strat la nivelul z=27.6860

Fig.II. 2.16. Structură suport “captivă” (verde – material model, albastru – material suport) – software Catalyst (Stratasys, Inc)

Orientarea de fabricație

 Alegerea orientării de fabricație este un aspect extrem de important în FA. Orientarea piesei influențează: poziția și volumul structurii suport (v. și problema suportului “captiv” între straturi și care nu poate fi eliminat, Fig.2.16), timpul și costul de fabricație, calitatea suprafețelor piesei (cunoscut fiind faptul că suprafețele în contact cu suportul sunt mai rugoase), precizia dimensională și de formă (de exemplu, precizia dimensională și de formă este mai bună pentru elementele geometrice construite în plan orizontal sau vertical) sau proprietățile mecanice [3-5].

 Orientarea de fabricație este aleasă în funcție de geometria obiectului, dar depinde și de cerințele specifice ale aplicației căreia obiectul îi este destinat (v. studiul de caz din subcapitolul 4.1).

 În cazul ansamblurilor fabricate direct (adică fără asamblare) prin procedee de FA, orientarea de fabricație a componentelor ansamblului determină anumite valori ale jocurilor dintre acestea. Regula de proiectare pentru astfel de cazuri este ca, pe cât posibil, suprafețele de contact să fie orientate în planul xy care asigură o precizie superioară comparativ cu planul z. Referitor la valorile jocurilor, acestea depind de: tipul de procedeu, mașină și material (v. studiul de caz prezentat în subcapitolul 4.3). Valorile jocurilor dintre componentele ansamblului depind, de asemenea, de orientarea în care acestea sunt fabricate [6-7].

Exemplu: fabricarea directă (fără asamblare) a unui ansamblu de tip suport (Fig.2.17) – discuții asupra orientării de construire.

Figura 2.17 prezintă un ansamblu de tip suport cu joc de 0.3mm între piesele sale componente între care trebuie să existe mișcare. Testul realizat cu această valoare a jocului a arătat că la finalul fabricației, componentele nu pot fi mișcate. Ansamblul a fost construit în trei orientări pe o mașină Mojo cu o grosime de strat de 0.178mm. Ansamblul s-a reproiectat cu valori de 0.5mm ale jocurilor în plan orizontal și 1mm în plan vertical, ceea ce a permis componentelor ansamblului, printat direct asamblat, să se miște.

Fig.II. 2.17. Modelul virtual al unui ansamblu

Figurile 2.18-2.20 prezintă amplasarea structurilor suport pentru trei orientări diferite ale ansamblului. Ca în figura 2.17, sunt prezentate secțiuni prin ansamblu cu piesa de blocare îndepărtată pentru a ilustra mai clar poziția structurilor suport. Tot cu scopul de clarificare (din perspectivă didactică), imaginile prezintă capturi de ecran din software-ul Catalyst, deoarece software-ul PrintWizard al mașinii Mojo nu oferă funcționalitatea de vizualizare a straturilor și a traseelor parcurse de duza de extrudare pentru depunerea rândurilor din fiecare strat.

Așa cum se poate observa analizând aceste orientări de fabricație, se formează structuri suport captive în interiorul ansamblului, iar acestea nu pot fi eliminate dacă nu se reproiectează design-ul ansamblului pentru a include, de exemplu, găuri sau buzunare prin care soluția de dizolvare să ajungă la structura suport (Fig.2.21.a sau Fig.2.21.b).

Fig.II. 2.18. Orientarea de construire 1

Fig.II. 2.19. Orientarea de construire 2

Fig.II. 2.20. Orientarea de construire 3

Fig.II. 2.21. Modificări de design pentru a permite eliminarea structurii suport dintre componentele ansamblului și astfel a permite mișcările relative dintre acestea

Fig.II. 2.22. Analiza ansamblului în Netfabb Basic

Fig.II. 2.23. Tăierea unei părți a modelului STL în Netfabb Basic

Fig.II. 2.24. Ștergerea unei părți a modelului STL în Netfabb Basic

Fig.II. 2.25. Modele fizice ale ansamblului

– Efectul de scară (staircase effect) este un aspect negativ, dar inevitabil care apare pe suprafețele curbe ale tuturor pieselor fabricate prin tehnologia de FA, fiind determinat de însăși abordarea stratificată. Pentru a rezolva sau minimiza efectele acestei probleme se aplică diferite soluții cum ar fi utilizarea unei grosimi mai mici a stratului (ceea ce duce la o calitate mai bună a suprafeței, dar și la creșterea timpului de fabricație și, prin urmare, a costului). O altă soluție vizează aplicarea anumitor operații de post-procesare care aduc suprafețele pieselor FA la calitatea dorită. O a treia opțiune aplicată este aceea de a alege o orientare de fabricație care asigură poziționarea suprafețelor „importante” ale obiectului cât mai aproape posibil de direcțiile orizontală sau verticală.

– Alți factori influențați de orientarea de fabricație sunt timpul și costul. De exemplu, în procedeul FDM, timpul total de fabricație se calculează ca sumă a timpului de depunere a filamentului (atât pentru model, cât și pentru suport), a timpului neproductiv (adică timpul în care duza și/sau platforma sunt în mișcare, dar nu este depus material) și a timpului de post-procesare (îndepărtarea structurii suport, finisare etc). De obicei aceste informații sunt oferite de software-urile mașinii de FA după ce se realizează etapa de secționare și de generare a traseelor de extrudare, și permit și calculul costului unei piese înainte de fabricație.

– Tot pentru procedeul FDM, orientarea de fabricație trebuie să ia în considerare și deformațiile apărute în timpul ciclurilor de încălzire-răcire ale filamentului. Astfel, dacă piesa (v. Fig.2.26) este orientată astfel încât cea mai mare (extinsă) suprafață a sa este amplasată în plan orizontal, există posibilitatea ca filamentele de material să nu adere bine unele la celelalte. Rândurile de material depus au timp să se răcească suficient de mult astfel încât următorul rând să nu mai adere bine la cel anterior, ceea ce determină o interfață slabă între rânduri și apoi între straturi, cu efecte negative asupra rezistenței mecanice a piesei. De aceea poate fi de preferat uneori să se orienteze piesa ca în Fig.2.26.b, decât ca în Fig.2.26.a. Dar dacă piesa trebuie construită astfel încât structura suport să fie minimă, atunci orientarea din Fig.2.26.a reprezintă soluția optimă.

Fig.II. 2.26. Orientări pentru fabricarea unei piese – diferite criterii de selecție a orientării optime

Orientarea de fabricație influențează și proprietățile mecanice ale pieselor fabricate prin procedeul FDM (rezistența la tracțiune și rezistența la compresiune) datorită modului specific de a forma rânduri și straturi prin crearea de legături între filamentele topite de material, aceste piese având un comportament anizotrop. De exemplu, rezistența la compresiune, discutată în [5] pentru un cilindru, este cu 15% mai mică în plan transversal decât în plan axial (adică atunci când axa cilindrului este orizontală). Adeziunea dintre straturile de material este mai slabă decât cea dintre rândurile de material. De aceea, rezistența la tracțiune este mai bună pentru piese orientate la fabricație astfel încât încărcarea lor (în timpul utilizării în aplicație) să se producă de-a lungul direcției stratului și nu perpendicular pe aceasta.

Procedee de FA

Următoarele procedee de FA sunt actualmente standardizate [13]:

– Fotopolimerizare în cuvă – procedeu de FA în care în care un fotopolimer lichid dintr-o cuvă este solidificat selectiv prin polimerizare activată cu ajutorul luminii.

o Tratare cu laser (SL – Stereolithography, producători: 3D Systems, FormLabs)

o Tratare cu proiector (DLP – Digital Light Processing, producători EnvisionTec, B9Creator)

o Tratare cu LED & oxigen (CLIP – Continuous Liquid Interface Production, producător Carbon 3D)

– Depunere cu jet de material – procedeu de FA în care picături de material de fabricație sunt depuse selectiv.

o Tratare cu ultraviolete (MJ – Material Jetting, producător Stratasys)

o Tratare la cald (NPJ – NanoParticle Jetting, producător XJET)

o Frezată în formă (DOD – Drop on Demand, producător: Solidscape)

– Depunere de agent de lipire – procedeu de FA în care un adeziv lichid este depus selectiv pentru a uni materiale sub formă de pulbere. 3D Printing (3DP) de la firma 3D Systems Inc. și Ex One’s Binder Jetting pot fi incluse în această categorie.

– Extrudare de material – procedeu de FA în care materialul este distribuit selectiv printr-un orificiu sau duză. Procedeul FDM (Fused Deposition Modeling) de la firma Stratasys (S.U.A.) și FFF (Fused Filament Fabrication) – numele fără drept de proprietate intelectuală care definește același procedeu, dar se aplică imprimantelor 3D low-cost sau mașinilor din categoria RepRap (v. secțiunea 3) – fac parte din această categorie. În ceea ce privește producătorii de mașini bazate pe procedeul FDM, următorii sunt doar o parte dintre aceștia: Stratasys, Ultimaker, Makerbot, Zortrax, Prusa.

– Fuziunea patului de pulbere – procedeu de FA în care energia termică fuzionează selectiv regiuni ale unui pat de pulbere. SLS (Selective Laser Sintering) și SLM (Selective Laser Melting) sunt procedee din această categorie. Companiile: EOS (Germania), 3D Systems (S.U.A.) sau Arcam (Suedia) sunt unii dintre cei mai importanți producători de mașini care utilizează acest procedeu de FA. Aceste procedee permit obținerea de obiecte din aliaje metalice.

– Fuziune cu agent și energie (MJF – Multi Jet Fusion, producător HP)

– Fuziune cu laser (SLS, SLM, DMLS, producători: 3D Systems, EOS, Sintratec, Sinterit, SLM, Concept Laser, SLM Solutions, Renishaw)

– Fuziune cu fascicol de electroni (EBM, producător Arcam)

– Laminarea foilor – procedeu de FA în care materialul sub formă de foi este lipit pentru a obține un obiect. LOM (Laminated Object Manufacturing) de la firma MCor Technologies (Irlanda) sau UAM (Ultrasonic Additive Manufacturing) de la firma Fabrisonic LLC (S.U.A.) sunt două procedee din această categorie.

– Depunere prin energie direcționată – procedeu de FA în care în care energia termică concentrată este utilizată pentru a fuziona materialele prin topire în timpul depunerii. LENS (Laser Engineered Net Shaping) de la firma Optomec Inc. este un exemplu de astfel de procedeu. Alți producători sunt: BeAM (Franța), DMG Mori (Germania) sau Mazak (Japonia).

o Fuziune cu laser (LENS, producător Optomec)

o Fuziune cu fascicol de electroni (EBAM – Electron Beam Additive Manufacturing, producător Sciaky)

În continuare sunt prezentate informații despre cele mai utilizate procedee de FA, pentru fiecare fiind menționate: metoda specifică de formare a stratului, schema procedeului, caracteristici principale, materiale utilizate, avantaje și dezavantaje, producători, exemple de obiecte fabricate etc. Mai multe detalii despre procedeele de FA pot fi aflate din [9-12].

Clasificarea procedeelor de FA

Procedeele de FA pot fi clasificate în funcție de tipul de material, principiul de formare a stratului, starea materiei prime și principiul de bază de formare a straturilor.

Fig.II. 2.27. Clasificarea procedeelor de FA

Procedeul Fused Deposition Modeling (FDM)

FDM este actualmente cel mai răspândit procedeu de FA datorită „democratizării printării 3D” care a avut loc după expirarea în 2009 a brevetului (v. capitolul 3) lui Scott Crump (co-fondator al firmei Stratasys Inc.) – inventatorul acestui procedeu (brevet numărul US 5121329A, 1989 – Aparat și metodă de creare a obiectelor tridimensionale). Procedeul fabrică obiecte prin depunere de straturi formate din rânduri de filament de material termoplastic extrudat printr-o duză (fig.2.32). Traiectoria duzei de extrudare depinde de secțiunile obținute prin intersecția modelului STL cu planele de secționare. Sunt depuse mai întâi perimetrul exterior și perimetrele interioare, apoi stratul este format prin depunerea de rânduri în zig-zag (raster) la unghiuri

de: +45o/-45o, 0o/90o, 30o/120o etc. sau folosind o strategie circulară de umplere a stratului.

Obiectul este construit pe o platformă care coboară după depunerea fiecărui strat. Filamentul de plastic este topit în interiorul capului de extrudare și astfel rândurile de material extrudate aderă unele la altele, iar apoi și straturile aderă între ele.

Fig.II. 2.32. Principiul de lucru al procedeului FDM

Fig. II.2.33. Exemple de structuri suport în procedeul FDM [14]

În procedeul FDM, structurile suport (Fig.2.33) sunt construite pentru susținerea elementelor în consolă aflate la unghiuri, de obicei, mai mari de 45o față de verticală. În funcție de tipul de mașină FDM, depunerea structurii suport poate fi realizată utilizând aceeași duză de extrudare (pentru mașinile low-cost), dar de obicei se folosesc două duze de extrudare pentru depunerea separată a materialului pentru obiect și a materialului pentru suport. De asemenea, în funcție de modelul de imprimantă, capul de extrudare se poate deplasa în planul xy și platforma pe axa z, dar există și variantele în care capul de extrudare se deplasează pe x și z și platforma se deplasează de-a lungul lui y sau capul de extrudare se deplasează pe z, iar platforma după x și y.

Parametri procesului FDM sunt: orientarea obiectului în spațiul de lucru al mașinii, grosimea stratului, unghiul de umplere (raster), lățimea rândului și golul dintre rânduri (Fig.2.24). Acești parametri afectează precizia obiectului fabricat și proprietățile sale mecanice, precum și timpul și costul de fabricație.

Fig.II. 2.34. Parametri de proces în FDM

Figura 2.35 prezintă exemple de piese fabricate prin FDM.

Materialele utilizate în procedeul FDM sunt: ABS, PLA, Nylon, Ultem, PC, ceară sau materiale ceramice.

Figura 2.36 ilustrează mai multe tipuri de defecte care pot să apară la fabricarea obiectelor prin procedeul FDM (umpleri incomplete ale stratului, ondularea suprafeței, bavuri etc.).

Fig.II. 2.35. Exemple de piese fabricate prin procedeul FDM

Fig.II. 2.36. Exemple de defecte ale unor piese FDM

Recent (august 2016), pentru a răspunde mai bine cerințelor clienților care solicită fabricarea pieselor de dimensiuni mari și foarte mari, Stratasys a propus schimbarea axei z de adăugare a materialului cu axa x, eliminând astfel limitările impuse de construcția pe verticală. Această abordare este implementată în noile sisteme InfiniteBuild 3D Demonstrator și Robotic Composite 3D Demonstrator (dezvoltat împreună cu firma Siemens PLM Software). Materialul pentru procesul „infinit” de fabricație este sub formă de peleți care sunt procesați pentru tragere în filamente. Înlocuirea materialului și a capetelor de extrudare se realizează automat.