Figura 1.1 Prototip al imprimante 3D realizat de către CHUCK HULL 5 Figura 1.2 Role din plastic ABS 11 Figura 1.3 Obiect printat din plastic acril 12… [305911]

LISTA FIGURILOR

Figura 1.1 Prototip al imprimante 3D realizat de către CHUCK HULL 5

Figura 1.2 Role din plastic ABS 11

Figura 1.3 Obiect printat din plastic acril 12

Figura 1.4 Procesul de imprimare a betonului 13

Figura 1.5 Hidrogel pentru imprimarea 3D 14

Figura 1.6 Hârtia ca materie primă 14

Figura 1.7 Obiecte realizate din gips 15

Figura 1.8 Obiect realizat din fibră lemnoasă 15

Figura 1.9 Utilizarea gheții în imprimarea 3D 16

Figura 1.10 Obiecte din pulberi de metal 16

Figura 1.11 Obiect imprimat din nailon 17

Figura 1.12 Obiect realizat din poliprolactonă 17

Figura 1.13 Detalii din aluminiu obținute prin extrudare 22

Figura 1.14 Extruder folosit în industria alimentară 22

Figura 1.15 Extrudarea în cadrul imprimantei 3 23

Figura 1.16 Structura celui mai simplu extruder 24

Figura 1.17 Extruderul cu cap încălzit integrat 25

Figura 1.18 Modelul “Ultimaker” al imprimantei 3D cu capul încălzit separat de corpul extruderului 25

Figura 1.19 Capul încălzit PTFE 27

Figura 1.20 Extruderul de tip Lulzbot Hexagon 28

Figura 1.21 Extruderul V6 E3D 29

Figura 2.1 Utilizarea RepRap la nivel global în comparație cu celelalte modele 30

Figura 2.2 Schemă bloc hardware 32

Figura 2.3 Motorul pas cu pas 33

Figura 2.4 Motorul reactiv cu 2 poli în momentul de coincidență al axei motorului cu cea a polilor 34

Figura 2.5 Motorul reactiv cu 2 poli în momentul în care coincide axa acestuia cu axa de simetrie 34

Figura 2.6 Motorul reactiv cu 4 poli 34

Figura 2.7 Motorul unipolar. Conexiunile 35

Figura 2.8 Placa electronica Ramps 1.4 36

Figura 2.9 Conectarea tuturor componentelor pe placa Ramps 1.4 37

Figura 2.10 Sursa de alimentare 37

Figura 2.11 Arduino Mega 2560 39

Figura 2.12 Extruderul cu cap încălzit J-head E3D V6 40

Figura 2.13 Driverul A4988 41

Figura 2.14 Limitator mechanic de cursă 42

Figura 2.15 Suporuri axe sus 42

Figura 2.16 Suporturi axe jos 43

Figura 2.17 Suport curea 43

Figura 2.18 Susținere în colțuri 43

Figura 2.19 Suport cadru extruder 43

Figura 2.20 Suport roată dințată 44

Figura 2.21 Roată dințată 44

Figura 2.22 Carcasa motorului Nema 17 44

Figura 2.23 Carcasa ventilatorului 45

Figura 2.24 Carcasa rulmenți 45

Figura 2.25 Curea transmisie 45

Figura 2.26 Rulmenți lineari LM8UU 46

Figura 2.27 Rulmenți circulari 46

Figura 2.28 Cuplaj mecanic 46

Figura 2.29 Roți dințate motor 46

Figura 3.1 Schema bloc a lanțului Software 50

Figura 3.2 Fereastra de deschidere a unui fișier .cad existent 51

Figura 3.3 Selectarea opțiunilor pentru o planșă nouă de desen 51

Figura 3.4 Adăugarea unui PartBody 51

Figura 3.5 Sistemul de axe pentru vizualizarea piesei 52

Figura 3.6 Funcții de prelucrare a piesei 52

Figura 3.7 Fereastra principal de lucru Catia V5 52

Figura 3.8 Fereastra de start a programului Slic3r 53

Figura 3.9 Moduri de vizualizare 53

Figura 3.10 Setările de printare accesibile 54

Figura 3.11 Setările filamentului 54

Figura 3.12 Prezentarea setărilor imprimantei 55

Figura 3.13 Fereastra principală Pronterface 56

Figura 3.14 Sistemul de axe pentru comanda manuală 56

Figura 3.15 Fereastra de afișare a piesei 57

Figura 3.16 Setările extruderului 57

Figura 4.1 Poziția 1 în program 58

Figura 4.2 Poziția 1 pe suprafața de printat 59

Figura 4.3 Poziția 2 în program 59

Figura 4.4 Poziția 2 pe suprafața de lucru 60

Figura 4.5 Poziția 3 în programul de comandă 60

Figura 4.6 Poziția 3 pe suprafața de lucru 61

Figura 4.7 Poziția 4 în programul de comandă 61

Figura 4.8 Poziția 4 pe suprafața de printare 62

Figura 4.9 Filament PLA 62

Figura 4.10 Suprafață gata de printare 63

Figura 4.11 Model priza simplă 64

Figura 4.12 Model priză dublă 64

Figura 4.13 Model priză dublă cu împământare 65

Figura 4.14 Model priză mobilă 65

Figura 4.15 Imaginea 3D a prizei în programul Catia V5 66

Figura 4.16 Vizualizare 3D a prizei în Slic3r 67

Figura 4.17 Vizualizare layere 67

Figura 4.18 Vizualizarea fișierului încărcat în program 68

Figura 4.19 Printarea primelor straturi 69

Figura 4.20 Așezarea stratului de protecție 69

Figura 4.21 Rularea codului G într-o fază medie a printării 70

Figura 4.22 Depunerea straturilor de mijloc 70

Figura 4.23 Sfîrșitul rulării codului G 71

Figura 4.24 Priza printată complet 71

Figura 4.25 Priza finalizată 72

Figura 5.1 Depunerea straturilor de bază la componenta “priză dublă” realizată în cadrul experimentelor 73

Figura 5.2 Depunerea straturilor de “material suport” 73

Figura 5.3 Deformarea obiectului din cauza lipsei de aderență 74

Figura 5.4 Piese rebut obținute din cauza lipsei de aderență la suprafața de lucru 74

Figura 5.5 Printarea în condiții optime după prelucrarea suprafeței de lucru 75

LISTĂ ACRONIME

LOM – Laminated Object Modelling – modelare de obiecte prin laminare

FDM – Fuded Deposition Modelling – modelare prin depunerea fuzionată

STL – Standard Template Library – librarii de formate standard

SLA – Stereolitography – stereolitografie

CAD – Computering Aided Design – proiectare asistată de calculator

DLP – Digital Light Processing – procesare digitală a fasciculului de lumină

FFF – Fused Filament Fabrication – fabricare de filament prin fuzionare

CERMO – Uniunea asociațiilor constructorilor de mașini-unelte din Europa

VDW – Asociația constructorilor germani de mașini și unelte

ABS – Acrylonitrile butadiene styrene – plastic ABS

USB – Universal Serial Bus – conector serial universal

PTFE – Polytetrafluoroethylene – polimer sintetic

DC – Direct Current – curent continuu

GND – Ground – împământare

COM – Component Object Model – model al componentei obiectului

TTL – Transistor-Transistor Logic – tranzistor logic

FTDI – Future Technology Devices International – dispozitive bazate pe tehnologii ale viitorului

LED – Light-Emitting Diode – diodă semiconductoare

PWM – Pulse-width Modulation – mărimea de undă a pulsației

CAM – Computering Aided Manufacturing – producție asistată de calculator

CNC – Computering Numeric Control – control numeric computerizat

ROM – Read-only Memory – memorie specifică pentru firmware

INTRODUCERE

Într-un secol al vitezei, performanței și noilor tehnologii, fiecare individ tinde să se dezvolte pe baza a ceea ce îl înconjoară și ceea ce îl pasionează. A te dezvolta atât personal cât și într-un domeniu anume depinde de contactul și cunoașterea a tot ceea ce e nou, tot ceea ce are legătură cu viitorul. Astfel fiecare persoană își deschide orizonturile prin multitudinea de lucruri noi studiate din plăcere sau impuse de mediul ce îl înconjoară.

La rândul meu, pasiunea pentru tot ceea ce se cheamă “nou” în domeniile tehnice, dar și facultatea la care am ales să îmi fac studiile mi-au conturat dorința de a însuși aspecte ale tehnologiilor 3D, ale modelelor de imprimante 3D și a influienței acestora asupra vieții noastre. Astfel am luat decizia ca studiul asupra tehnologiilor 3D și asupra imprimantei 3D ca și nouă tehnologie să fie legate de proiectul meu de diplomă.

Imprimarea 3D sau producerea aditivă este un proces de realizare a unor obiecte tridimensionale solide de diferite forme pe baza unui model numeric generat anterior de către utilizator. Dispozitivele de printare sunt acele sisteme care prin construcția lor oferă posibilitatea utilizatorului de a aduce o idee prin intermediul unui desen, la faza de obiect gata de utilizare.

Structurată pe 5 capitole lucrarea prezintă la general toate aspectele legate de tehnologia 3D, de punerea acesteia în practică și printarea unui obiect exepmlu astfel:

În capitolul I este prezentată istoria imprimării 3D, stadiul la zi al acesteia și noțiuni teoretice bazate pe această temă. Totodată capitolul face o introducere teoretică referitor la modelele de imprimante 3D utilizate pe scară largă în prezent și la tehnologiile de printare aferente acestora.

Capitolul II cuprinde structura hardware a imprimantei utilizate în proiect și partea mecanică de susținere a subansamblelor. Aici sunt prezentate schițe de proiect, componente fizice ale imprimantei Prusa i3 și echipamente ce pun în mișcare întreg sistemul. Capitolul II mai prezintă și importanța motoarelor pas cu pas ce fac imprimanta să funcționeze.

În capitolul III sunt aduse în discuție programele din lanțul software răspunzător de comanda părții electronice și implicit a motoarelor. Componenta software este prezentată prin prisma celor 2 tipuri de programe utilizate în proiect: CAD și CAM și prin legătura dintre acestea în momentul printării 3D.

În capitolul IV este prezentată contribuția personală: proiectarea unor componente ale instalațiilor electrice utilizând imprimanta 3D Prusa i3. Se prezintă proiectarea unei prize electrice utilizând programe de tip CAD și CAM. De asemenea este prezentată executarea pieselor folosind imprimanta Prusa i3, descriindu-se modul de operare specific componentelor executate.

În cele din urmă capitolul V încheie studiul asupra procesului de imprimare 3D prin experimentele, rezultatele și concluziile obținute.

1. STADIUL LA ZI AL TEHNOLOGIEI 3D

1.1 Scurt istoric

Din cele mai vechi timpuri și pînă în prezent, omul și-a dorit pe lîngă o viață mai bună și activități

ușoare în domeniul în care e implicat, să se autodepășească, să creeze și inoveze. Un exemplu evident în legătură cu acest subiect este și apariția imprimantei 3D. Astfel de la sfârșitul secolului XX, conceptul de ”3D” devine unul ferm stabilit în viața noastră. La început tehnologia este asociată cu cinematografia, fotografia sau animația, însă cu trecerea timpului lumea tinde a percepe tehnologia 3D ca fiind una de imprimare.

Răsfoind filele istoriei putem afirma că în anul 1984 Chuk Hull a dezvoltat o tehnologie de imprimare tridimensională cu scopul de a reproduce obiecte utilizînd date digitale, iar în următorii ani brevetează în acest domeniu tehnica numită stereolitografie. În anii 80 , de asemenea au început să se dezvolte în jurul tehnicii de imprimare 3D diferite tehnologii de perfecționare a acesteia. În anul 1985, Michael Feige venit cu ideea ca la formarea modelului 3D să se utilizeze o tehnologie prin care materialul utilizat să fie așezat în straturi (layere), iar lipirea să fie făcută cu o rolă încălzită. Acest procedeu s-a numit tehnologia LOM (laminated object modelling).

Figura . Prototip al imprimante 3D realizat de către CHUCK HULL

În anul 1986 Carl Descartes a introdus principiul de strat sinterizat, procesul de aplicare a straturilor bazându-se pe fasciculul laserului de sinterizare. Mai târziu în 1987 compania israeliană CUBITAL a dezvoltat o tehnologie de compresie a fiecărui strat. Totuși aceasta necesită utilizarea de polimeri scumpi, destul de rar găsiți și toxici. În cele din urmă, în 89’ Scott Crump a descris o metodă de aplicare a materialului topit prin extrudare (FDM-fuded deposition modelling). Astfel imprimantele care utilizează această tehnologie funcționează cu un filament din materialul de prelucrat care este topit și așezat în straturi conform modelului tridimensional proiectat anterior. Mai târziu, Crump a fondat Compania Stratasys care în cele din urmă lansează prima unitate FDM de imprimare 3D. De atunci, piața dezvoltării tehnologiei a început să crească rapid și să fie la curent cu noile modele de echipamente din acest domeniu.

În prezent astfel de unelte au devenit foarte accesibile atât din punct de vedere al prețului cât și din punct de vedere al materialelor folosite sau al tehnologiilor de proiectare și software.

1.2 Specificul de bază al tehnologiei.

Producerea 3D sau producerea aditivă este un proces de creare a unor obiecte tridimensionale solide de diferite forme pe baza unui model numeric. Acest model este salvat intr-un fișier (de obicei STL) care ulterior oferă posibilitatea să fie convertit intr-un G-code, iar în final prin rularea codurilor G de către un program special să aibă loc imprimarea propriu-zisă. Imprimarea 3D este un proces aditiv de adăugare strat cu strat a materialului utilizat pe suprafața specială a imprimantei, fiind un proces ”invers” prelucrării tradiționale prin așchiere, găurire sau șlefuire. Deoarece în ultima vreme procesul de producție 3D a devenit accesibil, fiind nevoie de un calculator și o unitate de imprimare, noul tip de activitate se poate numi productie distributivă și este potrivit pentru realizarea de obiecte unicat și de serie mică.

Procesul de depunere a materialului încălzit se numește extrudare și se execută prin adaugarea de mici particule de material topit care se întarește în urmatoarele secunde de dupa depunere pentru a forma straturile din care e compus întreg obiectul. Filamentul (materie primă) este înfășuat pe o bobină de la care este derulat spre capul duzei de extrudare (extruder). Capul de duză încălzește materialul, iar mișcarea acestuia este efectuată de către motoare pas cu pas sau servomotoare până în momentul finalizării piesei [Dia15].

Tehnologia prelucrării aditive nu doar se dezvoltă, dar și devine din ce în ce mai simplă decât alte tehnologii de prelucrare. În primul rând se importă de la sistemul de calcul desenul piesei de imprimat,se verifică forma și culoarea piesei de prelucrat(printat), pentru o verificare anticipată și se pregătesc în același timp straturile/secțiunile ce descriu piesa. În final se dă start rulării programului, iar ca urmare se pune în funcție a întregului ansamblu care construiește treptat obiectul. Aceasta se face, prin mai multe tehnologii: fie depozitând materialul cu ajutorul unei duze, fie solidificând în mod selectiv straturi subțiri de material plastic sau metalic, fie prin pulverizarea unui praf metalic.

Cele mai importante tehnologii de imprimare:

Stereolitografia (SLA) este o metodă de imprimare 3D, care poat fi folosită pentru a pune în aplicare proiectele care implică imprimare de obiecte 3D. Chiar dacă această tehnologie este una dintre cele mai vechi din istoria imprimării 3D, aceasta este utilizată cu succes până în prezent. Ideea și aplicarea acestei metode sunt destul de interesnte. Fie că este utilizată de un inginer specializat în acest domeniu sau de către un simplu pasionat, stereolitografia este un mod sigur de a transforma modelul 3D într-un obiect imprimat real. Această metodă a fost dezvoltată în 1986 de către Charles Hull, co-fondator al 3D Systems Inc. Procesul de imprimare este relizat de un aparat numit Stereograf care are rolul de a transforma materia primă (plasticul) lichidă în obiecte solide tri-dimensionale. Ca și majoritatea tehnologiilor 3D, stereolitografia funcționează pe baza unui fișier de tip CAD. Acest fișier conține informații despre reprezentarea tridimensională a obiectului de printat. Ca fișierul să poată fi prelucrat de către mașina de lucru acesta trebuie convertit într-un format în care imprimanta este proiectată să funcționeze. Unul din tipurile de fișiere utlizate frecvent pentru sereolitografie este STL-ul (Standard Teselare Language). Fișierul STL conține informații pentru fiecare strat în parte astfel fiind creat modelul numeric al obiectului supus printării. Timpul necesar procesului de imprimare a unui obiect prin metoda sereolitografiei depinde direct, atât de dimensiunea imprimantei 3D folosite, cât și de dimensiunea modelului 3D. Astfel obiectele de mici dimensiuni pot fi imprimate în termen de 6-8 ore cu o mașină de lucru ce are dimensiuni mici ( imprimantă de domiciliu sau laborator).

Digital Light Processing (DLP) este o altă tehnologie de imprimare 3D similară cu stereolitografia. Tehnologia DLP își are puse bazele în 1987 de către Larry Hornbeck la Texas Instruments și a devenit foarte populară în producția de proiectoare video. Acesta folosește micro oglinzi digitale așezate pe un cip electronic semiconductor. În present DLP se aplică la construcția proiectoarelor video , a telefoanelor mobile și în imprimarea 3D. În imprimarea 3D, atât tehnologia DLP cât și SLA funcționează cu fotopolimeri. Ceea ce diferențiază însă cele două metode este utilizarea unui alt tip de fascicul de lumină pe lângo fotopolimeri. Pentru DLP, cei ce abia fac cunoștința cu imprimarea 3D folosesc în general surse convenționale de lumină precum lămpile cu arc. În alte condiții se folosește un panou de afișare cu un tip de cristale lichide care acționează asupra materialului pe întreg procesul de rulare al programului și implicit a printării. Materialul utilizat pentru imprimare este un plastic lichid, care este plasat într-un container transparent de rășină. Rășina se solidifică rapid atunci când este supusă la o lumină puternică, iar straturile create astfel pot fi printate în doar câteva secunde. Atunci când stratul este finisat, punctul de lucru este mutat pe vertical în sus cu o unitate ce definește distanța de la un strat la altul, pentru a fi construite următoarele straturi.

Modelarea prin depunerea fuzionată (FDM) este tehnologia de depunere condensată ce a fost dezvoltată și implementată în 1980 de către Scott Crump. Alte companii de imprimare 3D au adoptat tehnologii similare, dar sub nume diferite. De curând, cunoscuta companie MakerBot a dezvoltat o tehnologie aproape identică cu depunerea fuzionată, cunoscută sub denumirea de Fused Filament Fabrication (FFF).

În general, cu ajutorul tehnologiei FDM se poate printa nu doar prototipuri sau modele experimentale, dar și produse finale până în faza de funcționare. Cel mai mare avantaj al acestei tehnologii este că piesele produse cu ajutorul FDM au performanțe de structură și rezistență destul de mari, iar acestea pot fi utilizate ușor în alte procese de producție cât și ca subansambluri în cadrul unor sisteme complexe.

În ultimii ani tehnologia de prelucrare aditivă a fost adoptată și documentată cu drepturi depline în familia asociațiilor constructorilor de mașini și unelte din SUA și Germania cât și de CERMO (Uniunea asociațiilor constructorilor de mașini-unelte din Europa). De asemenea, la una dintre cele mai mari expoziții internaționale a constructorilor de mașini și unelte EMO 2011 din Hanovra, VDW ( Asociația constructorilor germani de mașini și unelte), a prevăzut o promovare amplă și diversă a imprimării 3D și a tehnologiilor aferente acesteia, VDW fiind gazda acestei expozitii. În 2010 la expoziția internațională IMTS de la Chicago prelucrarea aditivă a fost parte a Centrului de promovare a tehnologiilor inovative.

Pe plan local, în România, dezvoltarea acestei tehnologii de prelucrare aditivă poate însemna o șansă de dezvoltare atât pe plan științific cât și economic. Instituțiile ce se acupă cu cercetare în domeniu, în colaborare cu universități sau producători de utilaje din străinătate dar și din țară, pot servi ca puncte de plecare al tehnologiei spre pasionați sau mici întreprinzători ce au nevoie de prelucrarea aditivă ca și proces sau obiect de studiu. Un rezultat al acestui proces ar putea fi o eventuală implementare a unor “minifabrici de birou” sau „fabrici de laborator” în orașe și în centre universitare.

Odată puse la punct aceste moduri de prelucrare devin din ce în ce mai comune și mai accesibile. Astfel în prezent unele din echipamentele utilizate în prelucrarea aditivă au costuri aproximative de 500-20000 dolari, diferența fiind facută în principal de dimensiuni, materialul de lucru și calitatea produsului final. Acest preț încă este un impediment pentru a putea achiziționa sistemul și a-l instala acasă.

În ciuda faptului că 3D-imprimantele au început să fie folosite pe scară mai largă doar recent, s-au regăsit rapid practic în mai toate sferele vieții umane. După cum se știe, aceste dispozitive sunt proiectate pentru diferite aplicații industriale însă acestea sunt utilizate cu succes și în domenii mai puțin comune pentru noi. Ele sunt folosite pentru modele de prototipuri rapide pentru a le testa înainte de a rula principalele produse, precum și pentru a crea piese finite din producția de loturi mici. Tot cu ajutorul tiparului imprimantei 3D se produc matrite pentru industria metalurgică. În 2010, oamenii de știință de la “Massachusetts Institute of Technology”, imprimă pentru prima dată produse comestibile. Modelul imprimantei 3D care a fost capabil de a imprima un model tridimensional al produsului alimentar s-a numit “Cornucopia”(cornul abundenței). Mai târziu, urmatoarele modele ale acestei imprimante încearcă a se baza pe produse comestibile bio. În 2011, cu ajutorul imprimantei 3D oamenii de știință au reușit să reproducă primul organ intern uman din celule stem. De-a lungul următorilor 4 ani 3D imprimantele au fost dezvoltate să creeze organele externe ale corpului uman (nas, urechi), ale fragmentelor de cartilaj ale scheletului sau chiar a craniului. În 2013 organizația “Defense Distributed” a reușit să imprime un pistol în întregime funcțional cu scopul de a fi comercializat pentru autoapărare. Ulterior în multe țări ale lumii au fost instituite legi care interzic fabricarea și utilizarea armelor care a create cu ajutorul imprimantelor 3D. În plus, cu ajutorul unei imprimante 3D gigante , din noroi și fibre naturale (lână, paie) se pot construi case pentru a rezolva problema cu locuințe în cele mai îndepărtate și mai sărace părți ale lumii. Un prototip de lucru al al acestu tip de dispozitiv a fost prezentat de WASP,o companie italiană. De asemenea au apărut tipuri de imprimante care utilizează ca și material nisipul. Artistul plastic Markus Kaiser a dezvoltat un astfel de dispozitiv care utilizează energia solară pentru a crea obiecte de sticlă asamblate personal din nisip. O altă imprimantă denumită D-Shape, care folosește nisip de imprimare și un compus anorganic,a fost dezvoltat de către inginerul italian Enrico Dini. Rezistența materialelor rezultate este comparată de experți cu a betonului armat. Pe lângă acestea, pictori sau sculptori pot folosi 3D-stilouri speciale pentru a crea capodoperele lor. Între timp, oamenii de știință sugerează utilizarea imprimantelor 3D în diferite programe spațiale. Un astfel de dispozitiv a fost livrat cu succes la ISS pentru imprimarea unei varietăți de piese, instrumente și alte lucruri care pot fi necesare pentru astronauți. În utilizarea viitoare a tehnologiei de imprimare tri-dimensională pentru construirea de baze lunare și explorare a planetei Marte.

În aceste condiții se poate pune întrebarea ce se va întâmpla cu vechile tehnologii de tipul celor substractive ? Dar cu echipamentele aferente acestora? Defapt, analizînd situația se poate observă că aceste tehnologii nu dispar ci doar se dezvoltă și cunosc alte forme de utilizare și aplicare. Se consideră că în scurt timp aceste tipuri de tehnologii vor fi utilizate în paralel. Se vor aplica atât cele ce se bazează pe extragerea materialului din materialul brut, prelucrându-l până la o formă și niște mărimi programate din timp, cât și pe cea aditivă prin care se vor adăuga straturi sau chiar părți componente ale piesei proiectate inițial.

1.3 Avantaje și dezavantaje. Avantaje față de tehnologiile substractive.

Prelucrarea aditivă posedă o mulțime de avantaje importante în comparație cu metoda bine cunoscută a prelucrării substractive. Avantajul principal în cazul prelucrării aditive este că la aceasta nu are o importanță majoră complexitatea, forma sau dimensiunile obiectului de prelucrat. La fel, spre deosebire de prelucrarea substractivă, cea aditivă nu are nevoie de scule și dispozitive special adiționale pentru a construi obiectul dorit. În general în cazul imprimării, datorită tehnologiei nu rămân reziduri și nu se utilizează material mai mult decât este indicat în programul prestabilit. Ca și cheltuieli energetice prelucrarea aditivă necesită considerabil mai puțină energie electrică decât ceea ce se consumă la substracția de material. Însumând toate aceste avantaje, reiese un cost de producție mult mai mic.

Un alt avantaj major este capacitatea de a modifica desenul piesei de prelucrat sau chiar schimbarea în diferite variante constructive al acestuia în condiții de timpi reduși și fără costuri adăugate la producerea obiectului.

Există și unele dezavantaje ale tehnologiei și anume iefinirea mîinii de lucru acolo unde are loc implimentarea acesteia. Ca urmare are loc scăderea de preț a produsului și implicit apare posibilitatea de a scădea cererea acestui produs. Acest pericol însă este unul real doar în cazul țărilor în curs de dezvoltare.

1.4 Dezvoltarea tipurilor de material

Imprimarea 3D de obiecte se bazează pe tehnologia multistrat de creare a unor identități geometrice dure din diferite tipuri de material. Acestea pot fi de exemplu ciment, plastic ABS, pulberi metalice și produse comestibile. Utilizarea materialelor la imprimare 3D depinde direct de aplicațiile în care vor fi încadrate obiectele de construit. Astfel unele obiecte, în dependență de factorii chimici, de rezistență, sau termici la care supuse în utilizarea ulterioară vor fi construiți din materiale ce corespund anumitor standarte date de aceste condiții de întrebuințare. Odată cu progresul tehnologiei 3D s-a lărgit considerabil și gama tipurilor de materii prime folosite în domeniu. Mai jos voi prezenta cele mai comune materiale utilizate la imprimarea 3D:

Plasticul ABS – una dintre cele mai bune și cele mai frecvent utilizate materiale. ABS-ul este primul material din care au început să se producă fire de plastic pentru imprimantele folosite acasă. Principalele sale avantaje: non-toxic, inodor, elasticitate și rezistență la solicitări mecanice. Un astfel de plastic se topește în intervalul de temperatură de 240-248 grade Celsius. Aceasta poate fi sub formă de pulbere sau fire speciale. Obiectele realizate din material plastic ABS sunt durabile și rezistente. Materialul este capabil să reziste la temperaturi ridicate, de aceea este recomandat pentru utilizare la fabricarea componentelor durabile care sunt expuse în mod regulat la uzura fizică. Dezavantajul este că are intoleranță față de lumina directă a soarelui. În cele din urmă acest material plastic permite de a face doar modele 3D care nu sunt transparente. Un alt dezavantaj este mirosul eliberat în timpul imprimării. Piesele finite devin de multe ori un pic neclare rezoluție fiind un punct slab al materialului, iar din cauza aceasta e nevoie de ajustare și în unele cazuri chiar de reconstrucție.

Figura . Role din plastic ABS

Plasticul PLA este considerat în prezent ca o alternativă al ABS-ului. Polilactida este fabricată din materii prime naturale, astfel încât formează un mic grup de polimeri biodegradabili. În timpul imprimării, compoziția aproape nu emite vapori toxici, iar din această cauză multi utilizatori preferă acest material în defavoarea altor tipuri. În plus, compoziția este relativ de ușor de utilizat. De obicei materia primă este sub formă de fir sau granule.

Acrilul este de asemenea un plastic care e indicat în cazul în care aveți nevoie pentru a crea un obiect transparent. În timpul imprimării, folosind acrilul este important să ne amintim că punctul său de topire este mai mare decât la plasticul ABS. De asemenea, a nu se uita despre capacitatea materialului de a se răci și a se întări rapid. O caracteristică a materialului este că atunci când se utilizează încălzit apar niște bule ce distorsionează produsul final.

Figura . Obiect printat din plastic acril

Betonul. În prezent există doar prototipuri de imprimante 3D ce pot imprima structuri tridimensionale realizate din beton. Ele sunt niște dispozitive masive, ce așează strat peste strat betonul pentru ridicarea unei case din temelii până la acoperiș. În mai puțin de o zi imprimanta 3D poate construi/produce o casa de 230 de metri pătrați. Această metodă, în primul rând este una rapidă și inovativă, iar în al doilea rând este mult mai ieftină decât tehnologiile convenționale. Tipul betonului folosit la imprimare este practic identic cu cel folosit la construcția manuală a unei case.

Figura . Procesul de imprimare a betonului

Hidrogelul. Este un material mai neconvențional. Câțiva oameni de știință din Statele Unite au produs cu ajutorul unor dispozitive 3D și a acestui gel special să creeze bioroboți microscopici. Celule vii au fost plasate pe suprafața produsului finit, iar în rezultatul interacțiunii cu hidrogelul acest biorobot este pus în mișcare. Oamenii de știință cred că acești roboți își vor găsi cu siguranță aplicații în medicină.

Figura . Hidrogel pentru imprimarea 3D

Hârtia. Hârtia A4 este utilizat nu numai în imprimantele convenționale. Din cauza prețului dar și a disponibilității lucrării sale este, de asemenea, utilizată pentru crearea de produse volumetrice. În acest caz, obiectul 3D se face în etape, fiecare strat este lipit unul de altul. Principalele avantaje – viteza de imprimare și costuri reduse. Dezavantajul este calitatea slabă a produselor finite și fragilitate. Aceasta este o opțiune bună pentru crearea de prototipuri de proiecte informatice.

Figura . Hârtia ca materie primă

Gipsul este găsit pe scară largă în imprimarea 3D. În ciuda lipsei de durabilitate a structurii de gips imprimate aceasta se compară favorabil cu alte materiale la preț scăzut. Cu ajutorul acestuia se poate afișa cu acuratețe calitatea unui eșantion. Gipsul are de asemenea un nivel ridicat de rezistență la căldură.

Figura . Obiecte realizate din gips

Fibra lemnoasă. Fibra din lemn a fost inventată de către Kay Parti, un specialist în crearea de materiale pentru imprimarea tridimensională. Obiectele fabricate din astfel de fibre sunt durabile, la exterior arată ca fiind realizate din lemn și au un miros natural, specific lemnului. Deocamdată fibra lemnoasă este utilizată numai în imprimantele de tip RepRap.

Figura . Obiect realizat din fibră lemnoasă

Gheața. Încă în urmă cu 10 de ani oamenii de știință din Canada a reușit să obțină primele obiecte 3D din gheață. În prezent această tehnologie permite producerea de de obiecte din bucăți de gheață de dimensiuni mici. Compozitia gheții este destul de simplă: apă și metil eter încălzite până la 20 de grade.

Figura . Utilizarea gheții în imprimarea 3D

. Pulberea de metal. Strălucirea și rezistența incredibilă sunt calități ale metalului pe care nici un tip de plastic nu le posedă. Pulberile metalice sunt de asemenea utilizate la imprimarea obiectelor voluminoase. Pentru a mări performanța de rezistență chimică și de scădere a conductivității termice în aceste pulberi sunt adăugate și particule de sticlă și ceramică.

Figura . Obiecte din pulberi de metal

Nailonul. În cazul acestui material, caracteristica cea mai importantă este temperatura de topire de 320 de grade Celsius. Aceste caracteristici pot include, de asemenea, o capacitate mare de a absorbi umezeala și necesitatea de a elimina aerul din extruder . Obiectele 3D din nailon sunt mai puțin capricioase decât cele din plasticul ABS.

Figura . Obiect imprimat din nailon

Policaprolactona. Ea are multe avantaje: un prag de joasă temperatură de topire și de întărire rapidă, performanțe mecanice ridicate, precum și lipsa absolută de risc pentru oameni. În plus, acest material poate fi folosit pentru diferite tehnologii de imprimare.

Figura . Obiect realizat din poliprolactonă

1.5 Echipamente de imprimare. Variante constructive

În ultimii ani pe piața imprimantelor 3D au apărut o mulțime de noi modele, începând de la cele de masă (de mici dimensiuni), până la unele gigante utilizate în domenii ca și construcțiile de mașini sau chiar cele industriale și civile. Un factor important de care depinde dezvoltarea imprimantelor 3D este materialul de lucru. Odată cu dezvoltarea matrialelor, echipamentele de imprimare au devenit mai rapide, mai mici în dimensiuni, mai fiabile și implicit mai calitative. Cele mai cunoscute imprimante le voi enumera mai jos, în dependență de câteva criterii:

1.5.1 Echipamente de domiciliu (low cost)

Imprimanta 3D LeapFrog face parte din categoria instrumentelor de printat accesibile majorității oamenilor și este potrivită pentru a aduce prototipuri si modele 3D de la stadiul de proiect la cel de produs funcțional. În trecut procesul de printare era unul destul de complicat și de lungă durată. Ultimele modele ale imprimantei posedă 2 extrudere, care fac printarea un proces accesibil, rapid și calitativ. LeapFrog este utilizată la scară largă de către profesioniști în sectoare cum ar fi arhitectura, ingineria, educație, știință sau în medicină. Marele avantajul a unei imprimante LeapFrog este extruderul dublu care permite de imprimat în diferite culori sau materiale în cadrul unui singur proces de printare. Faptul că se poate utiliza în același timp două culori de lucru aduce un mare plus produsului final, capacitatea dea utiliza și material solubil contribuie esențial la imprimarea de modele complexe. Tehnologia de lucru utilizată este cea de fuziune a filamentului (FFF).

Cube este o imprimantă plug and play ( conectează și utilizează), care este preasamblată complet și este foarte ușor de utilizat. Ca și materie primă Cube utilizează cartușe de imprimare plug-in și are suport WiFi pentru printarea de la distanță. CubePro, modelul mai nou ieșit pe piață, are cea mai mare platformă de lucru din clasa aceasta de imprimante și printează în condiții de ultra rezoluție. de a construi cu ultra înaltă rezoluție. Astfel se obțin straturi de material mult mai subțiri și totodată calitate înaltă a obiectului final. Tehnologia folosită de Cube este cea a filamentului fuzionat (Fused filament fabrication-FFF).

MakerBot Replicator 2 este o imprimantă 3D complet asamblată, ce lucrează cu un singur extruder și utilizează plastic PLA ca și materie primă. Rezoluția de printare este cel mai mare avantaj al acestui echipament, fiind una din cele mai mari de la imprimantele din clasa din care face parte MakerBot. Tehnologia de printare la fel ca în cazul majorității imprimantelor de aceste dimensiuni este FFF .

UP plus! Este imprimanta al cărei proiect de execuție este realizat pentru a fi cât mai portabilă și cît mai simplă. Datorită software-ului și construcției acesteia se pot imprima modele mari și calitative chiar și de către personal necalificat în domeniu. Sistemul este dotat cu un singur extruder, dar care este capabil să scoată piese de o calitate foarte bună. Aceeași tehnologie FFF de printare stă și la baza lui UP plus.

1.5.2 Echipamente 3D comerciale

Objet30 Pro este o imprimantă profesională capabilă să imprime modele folosind 7 materiale diferite, care se diferențiază prin: temperatura și viteza de lucru sau transparență. Unele din aceste materiale sunt asemănătoare polipropilenei. Aceasta este o imprimantă extrem de precisă, fiabilă, rapidă și ușor de utilizat. Tehnologia de lucru este bazată pe pulverizarea cu polimeri și se numește PolyJet.

Projet1500 este echipamentul 3D care permite fabricarea de modele din materiale fotopolimeri într-o varietate mare de culori: crem, roșu, gri, albastru, negru și zoom – o culoare specială care permite imprimare mai rapidă decât în celelalte cazuri. Projet1500 are o rezoluție înaltă de lucru, este o imprimanta precisă și rapidă și produce obiecte de înaltă calitate.  Film transfer imaging (FTI) este tehnologia de imprimare și se bazează pe transferal de imagine de la fișierul CAD la imprimanta propriu-zisă.

Pico Freeform este o imprimantă relativ mică, ce produce obiecte de dimensiuni mici dar care cîștigă la capitolul rezoluție și viteză de lucru. Folosește ca materii prime fotopolimeri. Sliding separation este tehnologia de printare cu care lucrează Pico Freeform.

1.5.3 Echipamente Open Source ( asamblate de utilizator)

PrintrBot Plus se comercializează sub formă de kit. Acest tip de echipament este dotat cu un singur extruder și ca material de lucru folosește plastic ABS. Similar cu majoritatea imprimantelor din această categorie PrintrBot Plus produce piese de dimensiuni mici. Dat fiind faptul că este produs sub formă de kit echipamentul nu etalează la capitolul rezoluție de printare sau viteză de lucru. Cu toate acestea sunt foarte binevenite în cazul celor ce sunt la începutul studiului tehnologiilor 3D și al printării 3D în ansamblu. Tehnologia utilizată de această imprimantă este FFF.

RepRap Prusa Mendel. Proiectele de tip RepRap au revoluționat piața imprimantelor 3D, iar RepRap Prusa Mendel este a 2-a generație a imprimantei originale RepRap Mendel. Avantajul principal al construirii propriei RepRap Prusa este costul redus, chiar dacă nu este cel mai ușor lucru asamblarea acesteia, fiind necesar mult timp și răbdare, împreună cu anumite cunoștințe și aptitudini mecanice, electronice și de software. Tehnologia de printare este FFF, iar materialele de printare pot fi atît plasticul ABS, cît și PLA.

Rapman este echipamentul 3D care odată asamblat este gata de a imprima obiecte fără conexiune la un PC, avind capacitatea de a citi fișiere prin USB. Un dezavantaj binecunoscut al Rapman ca și la celelalte imprimante Open Source este procesul de asamblare, care este de lungă durată și destul de complicat mai ales pentru începători. Tehnologia de imprimare este FFF.

Ultimaker DIY Kit este o imprimantă 3D ce devine din ce în ce mai populară. Aceasta se întâmplă din cauza ca este relativ rapidă și are o funcționare silențioasă. Totodată, volumul de imprimare este destul de mare, iar capacitatea de a personaliza imprimanta cântărește foarte mult într-o lume în continuă dezvoltare. Materialele de lucru sunt plasticul PLA și ABS, dar și alte materiale similare celor două. Costul relativ redus face această imprimantă destul de accesibilă, iar simplitatea construcției o face ușor de utilizat. Tehnologia de printare este FFF.

Notă: Datorită multitudinii de echipamente 3D din comerț, a tipurilor constructive al acestora dar și al modului de lucru cu acestea, la achiziționarea unui astfel de sistem apar o mare de întrebări ce au nevoie de răspunsuri. Aceste răspunsuri vor veni sub formă de sfaturi pe care le voi enumera în cele ce urmează:

Tehnologia de imprimare utilizată de imprimantă, întrucât de acesta depinde fapt calitatea obiectelor produse.

Viteza de imprimare, care de asemenea determină calitatea produsului final.

Dimensiunea imprimantei.

Prețul echipamentului, în general cele mai scumpe fiind și mai calitative, atât când vine vorba de întrebuințare cât și de calitatea obiectelor printate.

Rezoluția specifică obiectului printat.

1.6 Extruderele și procesul de extrudare

1.6.1 Procesul tehnologic de extrudare

Extrudarea constă în aducerea materialului (mase plastice, metale) printr-un efort termo-mecanic la starea de curgere după care, acesta, este obligat să treacă printr-o filieră cu profil corespunzător produselor de realizat. Prin acest procedeu se obțin într-un ritm rapid profile a căror lungime este condiționată numai de posibilitățile de depozitare și transport. Pe lângă materialele convenționale utilizate, există și categorii ale acestora mai rar întâlnite și anume: produse alimentare( ciocolată, produse din carne), materiale de construcție (betonul), țesuturi vii. Ca exemple de produse executate prin extrudare sunt: țevi, izolații pentru cabluri electrice, tuburi sau produse matrițate.

Calitatea produselor realizate prin extrudare este influențată direct de următoarele elemente:

Calitatea suprafețelor filierei

Dimensiunile duzei

Materialul utilizat

Extrudarea este o tehnologie utilizată amplu în foarte multe domenii. Datorită acestui fapt s-au dezvoltat pe parcursul anilor o mulțime de tehnici specifice acestui proces. Extrudare depinde direct de câteva elemente antrenate în acest proces și anume: materialul folosit, capul sau duza de extrudare și temperatura la care este supus materialul.

În dependență de temperatura de lucru putem deosebi 3 tehnici de extrudare:

a) Extrudare la rece – este procesul în care forma finală a produsului depinde doar de modificările mecanice ale materialului suspus deplasării sub presiune prin capul de extrudare.

b) Extrudare la cald – materialul este supus influenței mecanice și termice pe parcursul procesului, iar produsul final poate avea o densitate mai bună decât în cazul extrudării la rece. Produsul este încălzit din exterior, iar în unele cazuri acesta necesită uscare.

c) Extrudare prin topire – procesul are loc la viteze si presiuni mari, cu o tranziție semnificativă de energie mecanică în căldură, ceea ce duce la diverse modificări în structura indicatorilor de calitate a materialului. De asemenea, poate exista o furnizare reglementată de căldură direct la produs și extruder prin peretele exterior, aceasta fiind controlată prin racire. Temperatura materialului poate ajunge până la câteva sute de grade, ceea ce face să fie nevoie de solidificare,uscare și racire a produsului final.

1.6.2 Domenii de utilizare al acestei tehnologii:

1) Industria chimică

În industria chimică metoda de extrudare este folosită pentru încălzire, plastifiere, omogenizarea și imprimare a materialului. Compoziția chimică a produsului final în acest caz este identică cu compoziția chimică a materiei prime, ceea ce înseamnă că calitatea produsului nu are de suferit. Acest lucru se datorează simplității relative a mașinilor care lucrează în industria chimică. Prin extrudare în industria chimică se produc diferite produse cum ar fi: țevi, folii, pelicule, mantale de cablu, elemente de sisteme optice, corpuri de iluminat.

Figura . Detalii din aluminiu obținute prin extrudare

2) Industria alimentară

În industria alimentară metoda de extrudare este folosită destul de amplu. În timpul procesului, sub acțiunea vitezelor considerabile de forfecare și a presiunilor, are loc trecerea energiei mecanice în energie termică, ceea ce duce la diverse schimbări ai indicatorilor de calitate ale materiei prime, cum ar fi denaturarea proteinei, gelatinizarea amidonului și gelificare și alte modificări biochimice. Cel mai simplu extruder utilizat în casă este aparatul de cafea, sau un alt extruder mecanic – mașina de tocat carne.

Exemple de produse alimentare obținute cu ajutorul extruderii:

Guma de mestecat

rulouri cu diferite umpluturi

mâncare pentru copii

făină, panificație

fulgi de porumb

cereale

Figura . Extruder folosit în industria alimentară

3) Industria de furaje

Procesul are loc în cilindrul extruderului, în care există se realizează o măcinare mecanică a materiei prime datorită frecării, efectelor temperaturii ridicate și al presiunii (110 până la 160 de grade de temperatură și presiune de 20 până la 30 atmosfere). În timpul unui astfel de proces se descompune materia primă în carbohidrati și in zaharuri simple, care oferă o îmbunătățire semnificativă a caracteristicilor organoleptice ale furajelor și crește digestibilitatea și hrana pentru animale (45% în tipuri convenționale de procesare de până la 95%).

Exemple de furaje obținute cu ajutorul procesului de extrudare:

furaj din soia

cereale extrudate

hrană pentru pești de acvariu

hrană pentru câini și pisici

4) Producția de biocombustibili solizi

Una dintre cele mai populare metode pentru producerea de brichete este utilizarea de extrudere speciale. Procesul de compactare a deșeurilor furajere (coji de floarea-soarelui, hrișcă) și a deșeurilor lemnoase fiind supuse la presiune ridicată și încălzit de la 250 până la 350 ° C. Brichetele rezultate nu includ nici un liant, cu excepția unuia natural – lignina conținută în celulele vegetale . Temperatura din timpul presării formează pe suprafața bricheteșui o regiune de topire, care devine mai puternică, care este importantă pentru transportul acestuia.

5) Producerea prin extrudare de obiecte și subansambluri cu ajutorul imprimantei 3D

Extruderul din componența imprimantei 3D reprezintă cea mai nouă aplicabilitate al acestui dispozitiv. Acest proces este unul destul de utilizat în ultima vreme și folosește o arie mare de tipuri de materiale. Producerea de obiecte prin extrudare cu ajutorul imprimantei 3D poate fi încadrată nemijlocit în categoria industriei chimice. Acest fapt se datorează materialelor comune din care se execută obiectele.

Figura . Extrudarea în cadrul imprimantei 3

1.7 Descrierea unui extruder

Extruderul este aparatul corespunzător procesului de extrudare care execută o trecere forțată a materialului printr-o matriță sau duză, acesta fiind supus presiunii și temperaturii. Extruderul este compus din: corpul cu elementele de încălzire, corp de lucru (melcul), pistonul de antrenare găzduit în carcasă, unitatea de încărcare a materialului care urmează să fie prelucrat, dispozitiv de acționare, dispozitiv de control al temperaturii și de măsurare. În funcție de tipul corpului principal de lucru extruderele sunt împărțite în single, duble sau multi-șurub (vierme), cu disc sau cu piston. În funcție de configurația șuruburilor pot fi paralele sau conice. Acest tip de extruder se referă strict la procesul de extrudare din industriile alimentare și nicidecum la extrudarea din cadrul imprimantei 3D.

În present, cele mai utilizate tipuri de imprimante 3D o reprezintă cele ce depun materialul de imprimat prin extrudare. Ca materiale prime se utilizează compuși polimerici de diferite tipuri ca PLA-ul, ABS-ul sau alți derivați ale acestora care capată un comportament fluid la încălzire.
După depunerea fiecărui strat polimerul se răcește ca rezultat al micșorării temperaturii în contact cu aerul rece. Astfel stratul curent reprezintă fundația pentru stratul urmator. Extruderul reprezintă componenta care diferă de la imprimantă la imprimantă. Este elementul care o sa fie dezvoltat și modifcat masiv în viitorul apropiat.

Figura . Structura celui mai simplu extruder

Extruderul unei imprimante 3D este partea acesteia care execută printarea efectivă. Acesta poate fi comparat cu capul de imprimare al unei imprimante cu jet de cerneală tipic în care se mișcă înainte și înapoi pentru depozitarea materialului. Extruderul este format din două părți principale: corpul extruder și capătul fierbinte. După construcția acestora deosebim 2 tipuri de extrudere: cele compacte ce au în componență atât capul încălzit cât și corpul acestuia și cele ce au aceste 2 structuri separate una față de cealaltă. Extruderul si capul cald integrate intr-o singura unitate este tipul de construcție specific modelului “Printrbot Simple 3D”. Prin urmare ansamblul obținut este destul de compact și mic în dimensiuni. La polul opus modelul “Ultimaker” prezintă un extruder separat de capul cald.

Fiecare dintre aceste 2 soluții constructive au atât avantaje cât și dezavantaje.  În cazul soluției integrate alimentarea cu filament e mai simplă, iar drumul parcurs fiind mai scurt exclude probleme de alimentare legate de indoirea tubulaturii, și frecării cu acesta. Ca dezavantaj observăm că masa ansamblului este mai mare și prin urmare are o viteză scăzută de printare. Un alt avantaj al utilizarii separate este retragerea filamentului, prin inversarea direcției, cu scopul de a mări calitatea procesului de imprimare și implicit al produsului obținut. Corpul extruderului poate arăta foarte diferit în funcție de modelul imprimantei. Cele mai multe imprimante folosesc un sistem de antrenare directă în care motorul pas cu pas conduce direct filamentul către capul cald al acestuia. Aceste modele de extrudere folosesc de obicei filament de 1,75 mm sau mai mic. Un alt sistem de extrudare comun utilizează angrenaje pentru a conduce filamentului în capătul cald. Acestea sunt de obicei găsite pe imprimante DIY care utilizează filament de până la 3 mm.

Ambele extrudere prezentate mai sus sunt de tip “hot end” datorită principiului de topire al materialului prin aducerea la o temperatură de câteva sute de grade al capului încălzit. Modelul “hot end” este format din trei componente principale: duza, a cărei dimensiune dictează calitatea și viteza de imprimare, cartușul încălzitor, care produce căldura necesară și țeava de încălzire, care tupe;te efectiv filamentul din plastic.

Figura . Modelul “Ultimaker” al imprimantei 3D cu capul încălzit separat de corpul extruderului

Un alt tip de extruder ce există pe piață este modelul numit Bowden. În acest model este separat corpul extruderului de capătul fierbinte,iar conectarea acestora se face printr-un tub de PTFE prin care trece filamentul. Extruderele Bowden permit corpului de extrudare relativ greu și al motorului de a fi montate pe cadrul imprimantei în loc să fie așezate pe căruciorul în mișcare. Acest lucru permite ca mișcarea capului încălzit să fie mai ușoară și mai rapidă, permițând imprimări mai rapide. Cu toate acestea pentru împingerea filamentului, în acest caz, este nevoie de mai multă putere din partea motorului pas cu pas ceea ce poate deteriora uneori filamentul. Ultimaker este un bun exemplu de sistem de extrudare Bowden.

Trecând peste aspectele de construcție și asamblare, cea mai importantă component a extruderului o reprezintă capul încălzit. Fără îndoială, capul încălzit este componenta fără de care imprimarea 3D nu s-ar produce. Pentru a găsi cea mai bună variant de cap încălzit trebuie de luat în considerare paramentri de lucru ca: temperatura, duza, diametrul maxim al filamentului și tensiunea.

A alege cel mai mai bun extruder este mai întîi de toate o alegere bună a întregii mașini 3D. Cel mai bun mod de a decide asupra unui model este prin prisma capacităților pe care doriți ca imprimanta să le aibă și să se aleagă un capăt la cald sau unul la rece în funcție de cerințele dumneavoastră. Astfel vă decideți și asupra modului de alimentare a extruderului și a tipului de motor de acționar. Atunci când alegeți o imprimantă de obicei extruderele sunt elementele ce pot sta la baza elegerii, acestea fiind dispozitivele care setează viteza de printare și calitatea obiectului creat.

În cele ce urmează vom vorbi de alegerea unui extruder ca și cum am dori să construim propria noastră imprimantă 3D. După ce vă decideți referitor la capul cald al extruderului, următorul pas este de a-l monta pe imprimantă. Cel mai frecvent tip de montare este J-cap, un model cilindric cu o fantă de aproximativ 4 mm din partea de sus care permite extruderul să fie montat cu ușurință. Slotul se potrivește într-un extruder de montare, de obicei, realizate din lemn sau metal (plastic, se va topi!), în timp ce cilindrul se potrivește, de obicei, într-o gaură în corpul extruderului.De obicei alegerea corpului extruderului rămâne la discreția celui ce construiește imprimanta. Acesta poate fi acționat direct sau cum am menționat mai sus prin intermediul unor angrenaje speciale. În cazul acționării directe este favorizată utilizarea unui extruder de construcție cât mai simplă. Pentru a utiliza filament de 3 mm sau mai mare în diamentru este indicat sistemul de acționare cu angrenaje, datorită necesității de mai multă putere. Deasemenea corpul extruderului poate fi ușor personalizat, mai ales în cazul celora cu angrenaje.

Un alt aspect de luat în considerare este numarul de extrudere care se dorește a fi instalat pe o imprimantă. Cele mai multe imprimante au doar un extruder, dar odată cu trecerea timpului și a necesității de obiecte mai complexe apare tendința de creștere a numărului de imprimante cu două sau mai multe extrudere. Extruderele duble oferă posibilitatea de a imprima în două culori sau chiar diferite materiale plastice, în condiții de timp redus și volum mai mare de imprimare. Dacă vă decideți în vederea unui sistem dual extruder asigurați-vă că placa de control poate manipula cu două extrudere, și că ambele capete la cald sunt la nivel atunci când mergeți să imprimați.

1.8 Modele constructive și funcționale de extrudere

a) PTFE Hot Ends Review

Capul încălzit cu bariera de căldură PTFE este un model de extruder mult prea diferit în comparație cu modelele fabricate din metal, în mare parte diferența fiind făcută de restricțiile de temperatură. PTFE tinde să fie mai ieftin din cauza faptului că cele din metal sunt supuse unei prelucrări intense și speciale, acestea având și un miniradiator de răcire.

Figura . Capul încălzit PTFE

Avantaje:

mai ieftin

silențios ( fără ventilator)

mai rapid datorită zonei de topire mai mare

ușurință în a schimba duza

Dezavantaje:

greu de găsit, rar pe piață

limitat doar lucrul cu PLA și ABS

model învechit

Acest tip de extruder este asamblat în mod frecvent în imprimantele de model DIY

b) Extruderul Lulzbot Hexagon cu cap încălzit

Extruderul Lulzbot TAZ este unul cu cap întru totul metalic găsit pe imprimantele Taz și Lulzbot mini. Datorită acestui fapt capul extruderului este capabil să ajungă la 300 ° C, temperatură care este suficientă pentru a imprima cu orice filament pe piață din prezent (Lulzbot recomandă a nu se utiliza filamente cu fibre de carbon, deoarece acestea deteriorează duza). Deasemenea Lulzbot creează design open-source, care este accesibil tuturor. Acest lucru înseamnă că, de obicei, documentația este ușor de găsit pe piesele lor și face mai ușoară utilizarea.

Figura . Extruderul de tip Lulzbot Hexagon

Avantaje:

temperatura înaltă ce permite printarea cu aproape orice tip de material

construcția din metal

capul încălzit Hexagon este compatibil și cu alte imprimante, exemplu DIY

sunt mai scurte decât celellalte modele ceea ce permite imprimarea de obiecte mai mari în dimensiuni

ușurință în schimbarea duzei

Dezavantaje:

necesită ventilatoare de răcire pentru a preveni o topire mai intensă decât cea prevăzută și blocarea duzei

c) Extruderul E3D V6

V6 E3D este cea mai recentă versiune a popularului E3D, având capul încălzit exclusiv din metal. În cazul acestor extrudere, este un pic greșit a spune că au capul încălzit doar din metal, deoarece ele vin cu un tub PTFE care este introdus în capătul fierbinte pentru lucrul cu filament mai subțiri în diametru (1,75 mm). Atunci când nu este folosit tubul de PTFE, E3D poate ajunge la 300 grade Celsius cu ușurință, iar imprimarea devine accesibilă implicit cu filament mai mari în diametru, ca în cazul modelului Hexagon.

Figura . Extruderul V6 E3D

Avantaje:

rezistență la temperaturi înalte și imprimarea aproape a oricărui tip de material

construcție metalică

ușurință în schimbarea duzei

Dezavantaje:

tubul liniar PTFE îmbunătățește performanțele în cazul printării cu filament mai mic în diametru, dar limitează temperatura maximă

Are nevoie de ventilator de răcire activ, pentru a preveni topirea corpului de extrudare și blocajul imprimantei.

2. DESCRIEREA HARDWARE A IMPRIMANTEI UTILIZATE ÎN PROIECT

2.1 Caracteristici și performanțe ale modelului RepRap PRUSA I3

Modelul Prusa I3 este o mașină 3D ce face parte din categoria imprimantelor RepRap. Din categoria RepRap fac parte de obicei imprimantele 3D “open source” ce au capacitatea de a imprima obiecte din diferiți compuși polimerici. Din moment ce multe parti ale imprimantelor RepRap sunt realizate din plastic, acele piese, sunt auto-reproduse facând un kit identic cu imprimanta-producător. Acest kit poate fi asamblat de oricine. De asemenea, aceasta înseamnă că dacă ai o RepRap – aveți posibilitatea de a imprima o mulțime de lucruri utile și sunteți capabili de a imprima un alt RepRap .

RepRap reprezintă procedeul prin care se pot auto-replica modelele imprimantelor din această familie, făcându-le disponibile spre beneficiul tuturor. Pe lângă RepRap mai există și alte tehnologii dezvoltate despre metoda de auto-replicare. RepRap.org este comunitatea care se ocupă cu studiul, dezvoltarea și producerea de imprimante de acest tip. Această comunitate oferă sprijin atât amatorilor cât și celor ce au experiență în printarea 3D. Din aceste considerente RepRap a devenit prima imprimantă 3D low-cost, iar proiectul RepRap a început revoluția imprimantei 3D open-source. Ea a devenit imprimanta 3D cea mai utilizată pe o scară destul de largă de aproape toți utilizatorii de mașini de imprimare 3D.

Figura . Utilizarea RepRap la nivel global în comparație cu celelalte modele

Prusa I3 (i3 de la a treia generație a modelului) este cel mai nou design al acestui tip de imprimantă. Există nenumărate variante ale designului de imprimare 3D și numărul acestora crește cu zeci, sau chiar sute de mii anual.

Specificații tehnice ale modelului Prusa I3:

volum de printare: 19x20x20 cm

duză :0,4 mm

filament: 1,75 mm

electronică: Arduino Mega 2560

placă electronică suport: Ramps 1.4

drivere: 4 x A4988 cu radiatoare

extruder cap încălzit : J-Head E3D V6

motoare pas cu pas : Nema 17

rulmenti liniari : LM8UU

bare de inox de precizie : 8mm în diametru

sursă de alimentare : 12V, 5 A

cadru Prusa I3 Single Frame

curele GT2 cu fulii de aluminiu

limitatoare de cursă mecanice

Componentele hardware care compun imprimanta Prusa I3:

Motorul pas cu pas Nema 17

Placa electronică Ramps 1.4

Placa Arduino Mega 2560

Extruderul cu cap încălzit J-head E3D V6

Sursa de alimentare 12V, 5A

Limitatoare mecanice de cursă

În marea lor majoritate componentele hardware pot fi înlocuite cu alte componente mai performante (upgrade) cu scopul de a crește calitatea obiectelor printate și viteza de printare. Pe lângă aceste avantaje imprimanta devine mai ușor de utilizat.

2.2 Componente hardware

Figura . Schemă bloc hardware

2.2.1 Motoarele pas cu pas

Definiție: Motoarele pas cu pas, denumite și motoare sincrone cu impulsuri, sunt mașini electrice care transformă impulsurile electrice de tensiune în mișcări unghiulare discrete. La primirea unui impuls rotorul își schimbă poziția cu un unghi bine stabilit, în funcție de impulsul primit. Unghiul de deplasare minim pentru rotor se numește pasul motorului. Aceste motoare au g o largă aplicabilitate în sistemele de comandă automată în baza unui program a acționărilor mașinilor electrice, a unor mecanisme și dispozitive. Motoarele pas cu pas realizează unor sisteme automate de tip discret care nu au nevoie de legături inverse (reacții), deoarece stabilesc o corespondență directă riguros univocă între informația primită și deplasarea unghiulară realizată. Ele îndeplinesc deci funcția unor elemente decodificatoare, transformând informația primită sub forma unor impulsuri electrice în pași unghiulari de poziție.

Figura . Motorul pas cu pas

Caracteristici funcționale: Ca și construcție motoarele pas cu pas prezintă mai multe variante: motoare cu poli aparenți (motoare reactive), motoare cu unul sau mai multe statoare, cu înfășurări concentrate sau de comandă ori motoare cu magneți permanenți.

Motorul reactiv, este utilizat deseori în acționarea mașinilor-unelte. Acesta are statorul cu poli aparenți și 6 înfășurări concentrate. Rotorul acestui motor are 2 poli aparenți (fără înfășurare. Bobinele se conectează în serie și cele trei circuite astfel realizate pentru cei șase poli se alimentează de la o sursă de curent continuu, comutația fiind realizată prin intemediul unui commutator electronic. La aplicara unui impuls de curent în bobinele polilor 1-1’, rotorul este supus unui cuplu reactiv, sub acțiunea căruia rotorul se deplasează până axa sa coincide cu axa polilor 1-1’ca în figura 2.1 a). Dacă ulterior bobinele polilor 2-2’ sunt alimentate, atunci rotorul se deplasează spre polii 2-2’ ocupând în cele din urmă o poziție în care axa sa coincide cu axa de simetrie 2-2’, pasul făcut fiind de ca în figura 2.1 b). Astfel motorul prezentat execute 6 pași la o rotație completă.

Dacă rotorul are patru proeminențe polare, atunci sub acțiunea a două impulsuri succesive de excitație, pasul realizat este de figura 2.2 . În acest fel motorul realizează la o rotație un număr dublu de pași adică 12.

O mărire a numărului de pași la o rotație completă se poate obține în continuare prin mărirea numărului de poli pe rotor și pe stator sau apelându-se la soluția schematizată din figura 2.3 (motor pas cu pas reactiv reductor). Statorul posedă opt proeminențe polare cu bobine de excitație realizând patru circuite statorice de comandă a poziției rotorului. Rotorul posedă 18 dinți și 18 crestături repartizate uniform. O proeminență polară statorică este formată din doi dinți și o crestătură intermediară cu deschideri unghiulare exact egale cu cele ale dinților și crestăturilor rotorice.

Figura . Motorul reactiv cu 2 poli în momentul în care coincide axa acestuia cu axa de simetrie

Figura . Motorul reactiv cu 4 poli

Principalii parametri ai motoarelor pas cu pas sunt:

pasul, exprimat în grade, exprimă valoarea unghiului de rotație realizat la primirea unui impuls de comandă;

cuplul critic reprezintă cuplul maxim rezistent la care rotorul nu se pune în mișcare, o înfășurare de comandă fiind alimentată;

cuplul limită se definește pentru o frecvență dată a pulsurilor de comandă ca fiind cuplul rezistent maxim la care motorul răspunde fără a ieși din sincronismul cu pulsurile de comandă, fără a pierde pași;

frecvența maximă de pornire reprezintă frecvența pulsurilor de comandă la pornire, pentru care motorul nu pierde pași;

frecvența maximă de oprire se definește analog din condiția ca motorul să nu piardă pași la oprire.

Motorul pas cu pas Nema 17: NEMA 17 este un motor electric pas cu pas cu o placă frontală de 43,2 x 43,2 mm în dimensiuni. Nema 17 este predecesorul lui Nema, 14 acesta din urmă fiind un model mai mic și mai redus în greutate. Cu toate acestea, dimensiunea modelului Nema 17 nu este o indicație a puterii sale.

În cadrul ansamblului hardware din componența imprimantei 3D Prusa I3 se utilizează motorul electric pas cu pas de tip Nema 17. Parametrii acestui motor se combină foarte bine cu necesitățile de acționare a celor 3 axe și a filamentului prin extruder. Comanda motoarelor este făcută prin intermediul unor drivere electronice conectate la o placă de bază de tip Arduino. În total, în ansamblul imprimantei sunt utilizate 5 motoare, 4 dintre ele fiind responsabile de acționarea axelor X, Y, Z , iar unul de a deplasa filamentul din rolă în capul încălzit.

Figura . Motorul unipolar. Conexiunile

2.2.2 Placa electronică Ramps 1.4

Ramps 1.4 este o placă electronică ce face parte din lanțul de comandă a motoarelor Pas cu Pas din cadrul imprimantelor 3D RepRap. Acest model este unul dintre cele mai utilizate componentele electronice pentru mașini . Se compune dintr-un scut RAMPS 1.4, un Arduino Mega 2560 bord (sau o clonă) și un număr maxim de 5 drivere. Acesta poate controla până la 5 motoare pas cu pas de precizie a pasului de 1/16 și interfața cu capul încălzit, patul încălzit (pentru modelele ce au pat încălzit), un ventilator (sau un al doilea cap încălzit), un controller pentru LCD, o sursă de tensiune de 12V (sau 24V, cu modificarea corespunzătoare), până la trei termistori și până la 6 limitatoare de cursă.

Figura . Placa electronica Ramps 1.4

Pe placa electronică se instalează următoarele componente electronice:

a) Jumperele care controlează precizia mișcării motoarelor

b) Placa Arduino Mega 2560 ce au rol de comandă a driverurilor

c) Sursa de putere care alimentează întreg sistemul

d) Motoarele, capul încalzit și ventilatorul (display și pat încălzit dacă e nevoie)

Figura . Conectarea tuturor componentelor pe placa Ramps 1.4

2.2.3 Sursa de alimentare

Sursele, în general au rolul de a transforma curentul alternativ de 110V sau 230V în diverse măsuri de curent continuu, de regulă 3,3V, 5V și 12V. Sursa din componența imprimantei 3D Prusa I3 este o sursă de alimentare de joasă tensiune (12 V, 5A ) ce are rolul să alimenteze întregul sistem electronic al imprimantei. Sursa de alimentare sau blocul de alimentare este o componentă vitală a imprimantei care alimentează cu energie electrică toate celelalte componente cu cantitatea exactă de curent de care au nevoie și astfel asigură funcționarea lor.

Figura . Sursa de alimentare

2.2.4 Arduino Mega 2560

Arduino Mega 2560 este un microcontroler cu placa de bază ATmega1280 (datasheet). Acesta are 54 de pini digitali de intrare / ieșire (dintre care 14 pot fi utilizate ca ieșiri PWM), 16 intrări analogice, 4 UARTs (porturi seriale hardware), un oscilator cu cristal de 16 MHz, o conexiune USB, un jack de putere, un antet ICSP, și un buton de resetare. Acesta conține tot ce este necesar pentru a sprijini un microcontroler prin simpla conexiune la un calculator prin intermediul unui cablu USB sau de alimentare cu un adaptor sau baterie AC-DC pentru a începe. Deasemenea Arduino Mega este compatibil cu cele mai multe scuturi concepute pentru Arduino Duemilanove sau Diecimila.

a) Parametri de bază:

placă de bază: AT1280

tensiunea de lucru nominală: 5V

tensiunea de intrare: 7-12 V (recomandată)

intrări/ieșiri digitale: 54 (14 pot fi utlizate ca ieșiri PWM)

intrări analogice: 16

curentul pe pinii de intrare/ieșire: 40 mA

curentul pentru intrarea de 3.3 V: 50mA

memorie: 128 kb

b) Alimentarea:

Arduino Mega poate fi alimentat prin intermediul conexiunii USB sau cu o sursă de alimentare externă. Sursa de alimentare este selectată automat. Cele externe (non-USB) pot veni fie de la un adaptor DC (perete-veruci), fie de la o baterie. Adaptorul poate fi conectat prin conectarea unui ștecher 2.1mm în fișa de alimentare a placii. Alimentarea de la o baterie poate fi realizată prin introducerea în Gnd și Vin a anteturilor PIN al conectorului de putere. Placa poate funcționa pe o sursă externă de 6 până la 20 de volți. În cazul în care este furnizat cu mai puțin de 7V, placa funcționează dar poate fi instabilă. În cazul în care se aplică mai mult decât 12V, regulatorul de tensiune se poate supraîncălzi și deteriora placa. Intervalul recomandat este de 7 până la 12 volți.

Pinii de alimentare:

– Vin tensiunea de intrare la placa Arduino când folosește o sursă de alimentare externă (față de 5 volți de la conexiunea USB sau a altei surse de alimentare reglementate). Vă poate furniza tensiune prin acest pin sau în cazul în care tensiunea de alimentare este aplicată prin mufa de alimentare.

– 5V. Alimentarea cu energie reglementată utilizat pentru a alimenta microcontroler și alte componente de pe placa. Acest lucru poate veni fie de la VIN prin intermediul unui regulator de la bord, sau să fie furnizate prin USB sau o altă sursă de 5V reglementate.

– 3V3. O sursă de 3,3 volți generată de cipul FTDI de pe placă. În acest caz consumul maxim de curent este de 50 mA.

– GND. Pinii de împământare

c) Conectivitate:

Arduino Mega are o serie de facilități pentru a comunica cu un computer, un alt Arduino, sau alte microcontrolere. ATmega1280 oferă patru UARTs hardware pentru TTL (5V) de comunicație serială. Un FT232RL FTDI de pe placa de canale, una dintre acestea prin USB și driverele FTDI (inclus cu software-ul Arduino) care furnizează un port COM virtual pentru software-ul de pe computer. RX și TX, LED-urile de pe placă vor da semnale luminoase atunci când datele sunt transmise prin intermediul cipului și USB-ului FTDI la calculator (dar nu și pentru comunicația serială pe pinii 0 și 1).

În cadrul sistemului electronic al imprimantei Prusa i3 Arduino Mega 2560 are rolul de a comanda driverele pentru motoare prin rularea programului de pe acesta. Ulterior motoarele primesc semnale de la drivere și sunt puse în funcțiune.

Figura . Arduino Mega 2560

2.2.5 Extruderul cu cap încălzit J-head E3D V6

Extruderul este dispozitivul care efectiv execută tipărirea 3D. Acesta poate fi comparat cu capul de imprimare al unei imprimante cu jet de cerneală clasic în care se mișcă înainte și înapoi pentru așezarea cernelii pe hârtie. Ca și construcție, extruderul este format din două părți principale: corpul extruder și capătul încălzit. În construcția imprimantei Prusa I3, extruderul folosit este de model J-head E3D V6. Acest extruder este un model cu cap încălzit construit exclusiv din metal. Faptul că e în întregime din metal îi conferă o serie de avantaje. Filamentul de lucru este de 1,75 mm în diametrul, iar duza extruderului este de 0,4mm.

Parametri de bază:

Duza: 0,4 mm

Filament utilizat: 1,75 mm

Tipul capului extruder: cap încălzit

Motorul de acționare: Nema 17

Figura . Extruderul cu cap încălzit J-head E3D V6

2.2.6 Drivere A4988 pentru motoarele pas cu pas

Driverul este interfața care stă între software-ul mașinii de calcul și motoarele pas cu pas în cazul de față. Driverele se impart în 2 categorii după bobinele motorului pe care se aplică impulsurile: polare și unipolare. Aceste motoare au o particularitate și anume faptul că în funcționare este necesară menținerea unui curent constant indiferent de turația de lucru. În asemenea condiții însă apare o limitare de curent. Limitarea de curent este problema principală a driverelor de comandă. Problema în cauză se poate rezolva fie prin adăugarea de rezistențe, fie prin control PWM, obținându-se în final o reglare liniară a curentului. de balast , se optine astfel o reglare liniara a curentului . Controlul PWM este realizat de catre microcontolere sau circuite specializate și oferă o eficientă mult mai bună în special din punct de vedere al disipatiei termice. Majoritatea driverelor oferă un control static al curentului dar există și drivere care controlează dinamic curentul în funcție de turație, motorul crescând curentul la turații mari pentru a evita pierderile de cuplu.

Tensiunea de alimentare a driverelor este la fel un parametru foarte important în funcționarea ulterioară a motoarelor. Astfel la turații mari unde frecvența este foarte ridicată, în momentul comutării electronice motorul nu primește un current destul de mare. Pentru a compensa aceasta lipsă este nevoie ca motoarele să fie alimentate cu o tensiune de 10 ori mai mare decât tensiunea nominală de funcționare. Acest lucru este realizat de către driver, dar nu toate modelele de driver sunt proiectate să faca așa ceva.

În ansamblul imprimantei 3D, driverul A4988 are rolul de a trimite impulsuri către motoarele pas cu pas Nema 17, care ulterior mișcă cele 3 axe.

Figura . Driverul A4988

2.2.7 Limitatoare mecanice de cursă

Limitatoarele mecanice sunt dispositive ce întrerup alimentarea motoarelor pas cu pas atunci cînd axa pusă în mișcare de acesta ajunge în capătul acesteia. Limitatoarele mecanice sunt mai puțin complicate de pus în aplicare și mai ieftine decât limitatoarele optice, deoarece acestea nu necesită o (magnetice) . Comutatoarele magnetice mai sunt numite și întrerupătoare stuf. Ele sunt comutatoare de proximitate, care comută în cazul în care un magnet vine destul de aproape (de obicei, 1mm sau mai puțin) și deschide în cazul în care magnetul se îndepărtează. Aceste limitatoare sunt folosite ca senzori în sistemele de alarmă în acasă pentru a detecta ferestrele și ușile deschise.

Figura . Limitator mechanic de cursă

2.3 Componente mecanice și de structură a modelului Prusa I3

Prusa I3 are o construcție relative simplă,( specific unei imprimante RepRap), în 3 axe. Acest model de structurare a imprimantei se numește cartesian-XZ-head . Realizarea structurii de susținere a modelului se bazează pe simplitate și eficiență. Totodată această construcție permite asamblarea și dezasamblarea imprimantei într-un timp foarte scurt, ceea ce o face ușor de transportat.

Componentele mecanice a unei imprimante 3D se impart în 2 categorii:

Componente de susținere a celor 3 axe ( a imprimantei în intregime)

Componente de susținere a fiecărei părți hardware

Componente mecanice

2.3.1 Componentele de susținere ale celor 3 axe

Acestea au rolul de a susține cele 3 axe și de a oferi formă ansamblului.

Figura . Suporuri axe sus

Figura . Suporturi axe jos

Figura . Suport curea

Figura . Susținere în colțuri

Figura . Suport cadru extruder

Figura . Suport roată dințată

2.3.2 Componente de susținere hardware

Aceste componente fac parte din categoria carcaselor și a cutiilor pentru componentele electronice.

Figura . Carcasa motorului Nema 17

Figura . Carcasa ventilatorului

Figura . Carcasa rulmenți

2.3.3 Compomnente mecanice

Componentele mecanice au rol în transmiterea mișcării în cadrul ansamblului axe – motor. Ca exemple servesc curelele de transmisie, cuplajele mecanice sau roțile dințate.

Figura . Curea transmisie

Figura . Rulmenți lineari LM8UU

Figura . Rulmenți circulari

Figura . Cuplaj mecanic

Figura . Roți dințate motor

Imaginea următoare este cea a imprimantei asamblate complet. Prusa i3 urmează a fi gata de printare după calibrare și alimentarea cu materie primă.

Fig. 2.30 Imprimanta Prusa i3 asamblată complet

3. DESCRIEREA LANȚULUI SOFWARE UTILIZAT

3.1 Noțiuni introductive

3.1.1 Software-ul

Software-ul reprezintă un sistem de programe pentru diferite mașini de calcul, incluzând procedurile lor de aplicare și sistemul furnizat odată cu mașina respectivă sau creat ulterior de către utilizator sau achiziționat. Prin contrast, cuvântul hardware desemnează o partea fizică a calculatorului sau a sistemului informatic respectiv. În general, pentru a funcționa, un sistem informatic are nevoie de ambele componente, în plus și de datele care trebuiesc prelucrate. Uneori și aceste date sunt considerat a face parte din software.

Componenta software poate include toată gama de produse de programare, uzual formată din sistemul de operare, drivere și programe de aplicație. În anumite cazuri speciale părți din software se înglobează din construcție în hardware – prin folosirea de circuite integrate preprogramate.

În unele domenii, prin software se înțeleg în primul rând datele cu care lucrează aparatele sau calculatoarele, cum ar fi imaginile digitalizate, sunete și piese muzicale, jocurile pentru calculator, filme digitalizate, clipuri video și multe alte date asemănătoare. În caz extrem, până și purtătorii fizici de date sau "mediile" sunt considerate a fi "software", ca de exemplu discurile optice de tip CD și DVD, casetele video VHS și casetele audio.

Lațul de instrumente software se împarte în 3 categorii:

a) Instrumente CAD

b) Instrumente CAM

c) Firmware pentru electronică

3.1.2 Instrumente CAD (Computer Aided Design)

CAD reprezintă un pachet de programe, aplicații sau instrumente de proiectare (2D sau 3D) care în cazul imprimantelor 3D sunt utilizate pentru proiectarea de piese 3D ca ulterior acestea să fie printate.

Instrumentele CAD, de asemenea sunt proiectate pentru a permite de a schimba cu ușurință și de a manipula piese pe baza unor parametri. Uneori fișierele CAD sunt denumite fișiere parametrice. Ele reprezintă, de obicei, piese sau ansambluri în termeni de geometrie constructivă.

Domenii de utilizare ale instrumentelor CAD:

Inginerie mechanică

Construcții civile și industriale

Design industrial

Arhitectură

Inginerie electrică

Industria constructoare de mașini

Industria aeronautică și spațială

Ca exemple de instrumente CAD pot servi programele de proiectare:

AutoCAD

CATIA

Qcad

Blender

A9CAD

SolidEdge

Tekla Structures

Inventor

Solid Works

GoogleSketchup

NX Cad

3.1.3 Instrumente CAM (Computer Aided Manufacturing)

CAM reprezintă un lanț intermediar de programe software dintre mașina de lucru și instrumentele CAD, pentru controlul mașinii și al aspectelor legate de procesul de fabicație al pieselor. Instrumentele CAM sunt capabile, prin utilizarea unui calculator, să asiste la unele operațiuni dintr-o instalație sau process, la producția, planificarea și chiar transportul în cazul în care e necesar. Scopul său principal este de a crea un proces de producție mai rapid și a componentelor și sculelor cu dimensiuni mai precise și consistență materială a acestora.

Pentru a întreține cu succes fiecare dintre procesele dintr-un sistem atribuite programelor CAM, acestea lucrează pe bază de fișiere de tip G-code.

G-code este limbajul comun de comandă numerică utilizată cel mai des ca limbaj de programare. Acesta este utilizat în principal în fabricarea asistată de calculator pentru a controla masini-unelte automate.G-code este un limbaj prin care oamenii “spun” mașini-unelte automatizate cum să realizeze o acțiune sau un proces. "Cum" este definit de instrucțiuni cu privire la cazul în care pentru a muta, cât de repede să se miște, și pe ce cale să se mute. Cea mai frecventă situație este acea în care într-o mașină unealtă, un dispozitiv de prelucrare trebuie deplasat în conformitate cu aceste instrucțiuni printr-o traiectorie și prelucrând materialul până la realizarea piesei finite. Acelasi concept se extinde și la alte tipul de instrumente, cum ar fi de găurire, șlefuire, photoplotting, metode aditive cum ar fi imprimarea 3D sau instrumente de măsură de diferite tipuri.

Ca exemple de programe CAM putem identifica:

Mastercam

Delcam

Vero Software

CNC Software

Solidcam

Cimatron

Tebis

PTC

3.1.4 Firmware pentru electronică

În cazul sistemelor electronice și de calcul, firmware-ul este un tip de software care oferă control, monitorizare și manipulare a datelor a produselor și a sistemelor de inginerie. Exemple tipice de dispozitive care conțin firmware sunt sisteme integrate (cum ar fi semafoare, aparatele de consum, de control la distanță și ceasuri digitale), calculatoare, periferice pentru computere, telefoane mobile, camere digitale. Firmware-ul conținut în aceste dispozitive oferă programul de control de nivel scăzut pentru dispozitiv. Firmware-ul este deținut în dispozitivele de memorie non-volatile, cum ar fi ROM, EPROM, sau memorie flash. Schimbarea firmware-ului unui dispozitiv se face foarte rar. Unele dispozitive de memorie firmware-ului sunt instalate în mod permanent și nu pot fi schimbate după fabricație.

Ca exemple de firmware sunt:

EPROM

Sisteme de control si temporizare

BIOS ( preinstalate pe calculatoare)

ARCS

RTAS (utilizat de către IMB în cadrul calculatorului )

3.2 Lanțul software utilizat

Lanțul software din cadrul imprimantei Prusa I3 include, după cum este de așteptat, atât instrumente CAD cât și instrumente CAM. Funcționarea imprimantei, în cazul nostru se bazează pe schimbul de fișiere dintre aceste 2 instrumente: CAD și CAM. Piesa de imprimat ajunge din faza de schiță, începând cu programele CAD în faza de G-code, pe care programele CAM îl rulează controlând întreg sistemul și printând piesa. Pentru a se înțelege mai bine procesul se va studia schema bloc de mai jos. [Sto11]

Figura . Schema bloc a lanțului Software

Fiecare dintre cele 3 componente Software de bază sunt reprezentate în cadrul activității de imprimare cu Prusa I3 de către programele:

CAD : CATIA V5 ( în mod normal se pot folosi și alte programe )

CAM : Slic3r și Pronterface (generator și cititor de G-code)

Firmware : software-ul din cadrul driverelor sau a ecranului imprimantei

3.2.1 Catia V5

Catia V5 reprezintă un program de tip CAD care oferă posibilitatea de proiectare, desenare, construcție și modelare a unor entități geometrice 3D. În cazul imprimantelor 3D, Catia V5 este prima parte a lanțului software din cadrul listei cu programe necesare printării unei piese.

a) Deschiderea unui fișier .cad în Catia V5

Figura . Fereastra de deschidere a unui fișier .cad existent

b) Deschiderea unei planșe noi de lucru

Figura . Selectarea opțiunilor pentru o planșă nouă de desen

c) Modul de adăugare a unei piese

Figura . Adăugarea unui PartBody

d) Alte componente ale ferestrei de lucru

Figura . Sistemul de axe pentru vizualizarea piesei

Figura . Funcții de prelucrare a piesei

Figura . Fereastra principal de lucru Catia V5

3.2.2 Slic3r

Slic3r este programul de tip CAM ce are rolul de a genera codurile G pentru programul ce pune în funcțiune motoarele pas cu pas. Practic, acest program este unul intermediar între Catia V5 și Proterface care este un receptor de cod G. În plus Slic3r este programul care oferă posibilitatea de a modifica anumiți parametri ai piesei desenate anterior în Catia V5 ( scară, dimensiuni, forme). Principiul de lucru de bază al acestui program este împărțirea piesei în layere ( straturi), ceea ce facilitează procesul de presetare a parametrilor printării.

Slic3r are 4 ferestre de lucru de bază:

a) Fereastra de lucru principală

Figura . Fereastra de start a programului Slic3r

Figura . Moduri de vizualizare

b) Fereastra cu setările de printare

Figura . Setările de printare accesibile

c) Fereastra ce prezintă setările filamentului

Figura . Setările filamentului

d) Fereastra cu setările imprimantei

Figura . Prezentarea setărilor imprimantei

3.2.3 Pronterface

Pronterface este un program CAM ce are rolul de a primi fișierele de tip G-code și în cele din urmă de a comanda motoarele în procesul de printare. Totodată acest program permite acționarea motoarelor direct din fereastra de lucru, acestă funcție putând fi utilizată în momentele în care apar erori de printare.

Prezentare Pronterface:

Figura . Fereastra principală Pronterface

Figura . Sistemul de axe pentru comanda manuală

Figura . Fereastra de afișare a piesei

Figura . Setările extruderului

3.2.4 Firmware Arduino 2560

În cazul motorului pas cu pas unipolar placa Arduino se va conecta la o grupare de 2 tranzistori (Darlington) cu scopul de a amplifica semnalul transmis de către acesta. Semnalul va fi produs cu ajutorul programului încărcat în software-ul utilizat de placa Arduino.

Fig. 3.17 Fereastra principală de lucru al software-ul Arduino

Fig. 3.18 Codul sursă pentru funcționarea motorului pas cu pas

4. PROIECTAREA ȘI PRINTAREA UNEI PRIZE ELECTRICE CU IMPRIMANTA PRUSA I3

4.1 Presetarea și pregătirea imprimantei

Punera în funcțiune a imprimantei Prusa i3 necesită o serie de pregătiri și setări ale sistemului, indiferent de tipul piesei de printat, de marimi sau alte aspecte ale ei.

Cele mai importante etape pregătitoare sunt:

Calibrarea imprimantei

Alegerea tipului de filament ( materialul)

Pregătirea suprafeței de printat

4.1.1 Calibrarea imprimantei Prusa i3

Calibrarea imprimantei reprezintă setările pozițiilor axelor (patul) în comparație cu poziția duzei extruderului astfel încât piesa să nu fie deteriorată la printare. În faza de transport, sau a oricărei acțiuni asupra imprimantei, axele și în genere componenta mecanică are de suferit prin schimbarea pozițiilor corecte a axelor față de duză. Odată schimbate din poziția corectă axele tind să modifice și suprafața patului pe care se așează piesa. De aceea în faza de pregătire oricare astfel de sistem necesită calibrare. Pentru acest proces este necesar a se lua o mărime standard foarte aproape de distanța presetată dintre pat și duză. Un exemplu în acest sens poate fi o coală care are grosimea aproximativ egală cu distanța necesară dintre cele două componente. Calibrarea constă din câțiva pași :

a) Poziția 1

Figura . Poziția 1 în program

Figura . Poziția 1 pe suprafața de printat

b) Poziția 2

Figura . Poziția 2 în program

Figura . Poziția 2 pe suprafața de lucru

c) Poziția 3

Figura . Poziția 3 în programul de comandă

Figura . Poziția 3 pe suprafața de lucru

d) Poziția 4

Figura . Poziția 4 în programul de comandă

Figura . Poziția 4 pe suprafața de printare

4.1.2 Alegerea tipului de filament

Filamentul (materialul) se alege în dependență de diamentrul dezei extruderului și tipul obiectului printat. Odată stabilit diametrul filamentului se poate alege și materialul din care acesta să fie produs. Prusa i3 utilizează doar filament de 1,75 mm în diametru, iar în acest caz alegem ori plastic ABS ori plastic PLC. În cazul de față vom alege plastic PLC, acesta fiind mai ușor de printat și mai calitativ ca rezultat. PLC este dezavatajat față de ABS doar prin duritatea obiectelor printate.

Figura . Filament PLA

4.1.3 Pregătirea suprafeței de printat

Suprafața de printat este un aspect foarte important în printarea 3D. Deseori de suprafață depinde rezultatul final al procesului de imprimare. După suprafața pe care se printează obiectele imprimantele 3D se împart în : imprimante cu pat încălzit și imprimante cu pat neâncălzit.

În cazul versiunii prezentate (Prusa i3) patul este neîncălzit. Din această cauză este necesar ca acesta să fie pregătită în prealabil:

Curățarea de impurități

Aplicarea unui strat dintr-o soluție special pentru aderență

Uscarea suprafeței

Figura . Suprafață gata de printare

4.2 Proiectarea și realizarea prin imprimare 3D a unei prize electrice

Priza electrică este un obiect arhicunoscut și foarte des utilizat de fiecare dintre noi. Este la fel cunoscut faptul că prizele se găsesc sub diferite modele și întrebuințări. La construcția unei prize întotdeauna este necesar a se lua în considerare câțiva factori: măsuri de siguranță și protecție, fiabilitatea acesteia și designul. Prizele sunt necesare pentru conectarea oricarui aparat electric, la reteaua electrica. Cele mai importante caracteristici electrice ale prizelor sunt tensiunea de alimentare (230Vac in sistemul monofazat) si curentul suportat (uzual in Romania 6A sau 16A) Pe piața de componente electrice sunt câteva modele de prize de bază și anume:

a) Priza simplă

Figura . Model priza simplă

b) Priza dublă

Figura . Model priză dublă

c) Priză dublă cu împământare

Figura . Model priză dublă cu împământare

d) Priză mobilă

Figura . Model priză mobilă

Din considerente de economie de material și timp de printare vom printa o priză simplă. Procesul de imprimare 3D impune parcurgerea a 3 etape de lucru:

Proiectare 3D în programul Catia V5

Prelucrarea desenului și generarea G-codului în programul Slic3r

Printarea propriu-zisă prin rularea codului G în Pronterface

4.2.1 Proiectarea prizei cu ajutorul programului Catia V5

În această etapă priza va căpăta formă, dimensiuni și design propriu. Totodată fișierul din Catia urmează a fi salvat in format .stl și trimis către generatorul de G-code Slic3r.

Figura . Imaginea 3D a prizei în programul Catia V5

4.2.2 Prelucrarea și generearea G-codului în Slic3r

Slic3r este un program intermediar între faza de început de construcție a prizei și în general al pieselor imprimate 3D, care oferă opțiuni în plus de prelucrare a desenului realizat in programul de proiectare ( Catia V5). În Slic3r se pot modifica dimensiunile, scara sau poziționarea piesei pe suprafața de printare. În cele din urmă în acest program se fac setările pentru suportul de material în cazul pieselor care au nevoie de acest lucru și pentru tipul de structură internă al obiectului.

Slic3r este un program care se bazează pe lucrul cu layere ( straturi), astfel în acest program putându-se modifica structura obiectului anume cu ajutorul layerelor. Odată terminată faza de prelucrare, Slic3r generează un fișier de tip G-code care este gata să fie rulat în următoarea etapă de către programul răspunzător.

Figura . Vizualizare 3D a prizei în Slic3r

Figura . Vizualizare layere

4.2.2 Printarea propriu-zisă prin rularea codului G în Pronterface

Pronterface este ultimul program din lanțul software prin care trece piesa din faza de idee până la printarea acesteia. Rolul principal al programului este de a rula codul G primit anterior. Prin rularea codului G imprimanta este pusă în funcțiune iar piesa prinde o formă reală 3D dintr-un model digital sub formă de fișier. Astfel în imaginea de mai jos se observă modelul 3D încărcat în program dar care încă nu este rulat. În această fază de pregătire are loc încălzirea capului extruder până la temperatura presetată pentru tipul de plastic utilizat.

După ajungerea la temperatura indicată de către program, acesta începe rularea codului G și implicit construcția prizei. În timpul printării Pronterface oferă posibilitatea de a opri printarea în cazul în care apare o problemă.

Figura . Vizualizarea fișierului încărcat în program

În imaginile de mai jos este reprezentată printarea primelor layere și a stratului de susținere cu rol în aderența piesei cu suprafața pe care se așează aceasta.

Figura . Printarea primelor straturi

Figura . Așezarea stratului de protecție

În următoarele imagini este prezentată o parte din codul G rulat și implicit aceeași parte din piesă printată.

Figura . Rularea codului G într-o fază medie a printării

Figura . Depunerea straturilor de mijloc

Următoarele imagini prezintă rularea completă a codului G și finalizarea printării prizei.

Figura . Sfîrșitul rulării codului G

Figura . Priza printată complet

În cele din urmă piesa se lasă câteva minute pentru răcire și întărire a materialui, iar mai apoi se înlătură de pe suprafața de lucru. Înainte de utilizare piesa se verifică de imperfecțiuni și în cazul în care e nevoie aceasta se supune altor moduri de prelucrare (șlefuire) până la forma dorită.

Figura . Priza finalizată

5. EXPERIMENTE ȘI REZULTATE

5.1 Rezultate obținute prin utilizarea modelul Prusa i3

Prusa i3, ca și majoritatea imprimantelor 3D oferă posibilități mari în ceea ce privește ideea pusă în practică prin imprimare 3D. În unelele cazuri imprimantele 3D au o aplicare atât de largă încât un impediment ar putea fi doar lipsa de imaginație al utilizatorului. Datorită acestui fapt imprimarea 3D a devenit foarte întrebuințată în ultima perioadă.

Figura . Depunerea straturilor de bază la componenta “priză dublă” realizată în cadrul experimentelor

Figura . Depunerea straturilor de “material suport”

În procesul de printare pot apărea deseori situații în care au loc erori de proces datorate nerespectării anumitor setări sau parametri de lucru ai imprimantei. Un exemplu concret poate fi lipsa aderenței dintre suprafața de lucru și straturile de bază așezate pe aceasta. În imaginea de mai jos se observă o astfel de eroare care cauzează o deformație a obiectului printat.

Figura . Deformarea obiectului din cauza lipsei de aderență

Rezolvarea acestei probleme se poate face în 2 moduri: prin upgradarea imprimantei și instalarea unei suprafețe încălzite(pat încălzit) sau prin prelucrarea suprafeței cu o soluție specială ce conferă acesteia calități superioare. În cazul de mai jos se observă printarea la parametri normali a piesei după prelucrarea suprafeței.

Figura . Piese rebut obținute din cauza lipsei de aderență la suprafața de lucru

Figura . Printarea în condiții optime după prelucrarea suprafeței de lucru

Pe lângă erorile ce țin de lipsa aderenței dintre suprafețe, mai apar erori ce se bazează pe necalibrarea imprimantei sau a temperaturii excesive presetate. În cazul temperaturii prea mari ne referim la o temperatură ce depășește niște norme de topire a materialului care nu mai este așezat în straturi ci este împrăștiat pe suprafața de printare.

Aceste erori pot fi preîntâmpinate doar din faza de pregătire a echipamentului și impun cunoștințe asupra procesului și a elementelor ce țin de erorile în cauză.

6. CONCLUZII

În prezent, imprimanta 3D este echipamentul care pune în mișcare fonduri financiare de investiții importante și agită cercetătorii în multe domenii de activitate. Impactul acestei tehnologii asupra dezvoltării anumitor ramuri ale industriei este unul foarte important datorită unor avantaje importante prin înlocuirea de către aceasta a numeroase procese de producție în prezent costisitoare. S-au făcut remarcate în mod spectaculos aplicații în domenii ca medicina (reconstrucție organe), sau prin utilizarea acesteia pentru producerea de obiecte 3D în serie mică, altădată produse în condiții speciale de fabrică uneori ineficiente economic.

Avantajele imprimării 3D în cazul realizării de componente pentru ingineria electrică sunt următoarele:

a) Posibilitatea realizării unor piese de schimb unicat; acesta permite întreținerea și repararea rapidă a unor echipamente și instalații defecte pentru care nu mai este nevoie de timp de așteptare pentru aprovizionarea cu piesele necesare.

Exemplu: printarea unei carcase-izolator pentru un echipament ce ar evita pericolul de electrocutare.

b) Este posibilă realizarea unor componente electrice nestandard cu parametri altfel inexistenți sau care se pot îmbunătăți pentru realizarea unor funcționalități noi sau superioare ale echipamentelor și instalațiilor.

Exemplu: printarea unei elice de instalație eoliană acționate de un motor de dimensiuni speciale cu un anumit unghi de inclinare.

c) Este posibilă realizarea unor componente electrice neoptenabile prin alte tehnologii, de exemplu cea substractivă.

Exemplu: O mufă de dimensiuni speciale inexistentă pe piața de componente electrice.

d) Există posibilitatea fabricației de serie mică sau unicat de componente care altfel ar implica costuri mari și ineficiență economică dacă ar fi produse prin alte tehnologii

Exemplu: Printarea unei roți dințate ca piesă de schimb.

BIBLIOGRAFIE

1 [Dia15] – Diaconescu Eugen “Automatizarea sistemelor de fabricație aditivă” Revista Automatizări și instrum2015

2.[Sto11] – “Desenul digital în arhitectură” , Bucuresti 2011 – CAD

3. Richard Cozzens – „CATIA V5 Workbook Release 19” 2009

4. Alan G. Smith – „Introduction to Arduino” 2011

5. Scient Direct Articol „From rapid prototyping to home fabrication: How 3D printing is changing business model innovation” – Technological Forecasting and Social Change , Volume 102 Ianuaie 2016

6. Scient Direc Articol „Design and 3D Printing of Scaffolds and Tissues” – 2015

7. http://www.3dprinterhelp.co.uk/what-3d-printers-are-available/ -accesat 12 mai 2016

8. http://www.3dprinterhelp.co.uk/what-materials-do-3d-printers-use/ -accesat 12 mai 2016

9. http://www.3dhub.ro/blog/extruderul-o-componenta-cheie-in-imprimarea-3d/ -accesat pe 12 mai 2016

10. http://www.3dhub.ro/blog/imprimare-3d-ce-presupune-si-la-ce-foloseste/#comment-4 – accesat 12 mai 2016

11. http://www.lpfrg.com/en/3d-printers/ -accesat pe 20 mai 2016

12. http://www.3dsystems.com/shop/cubepro -accesat pe 20 mai 2016

13. http://store.makerbot.com/replicator -accesat pe 20 mai 2016

14. http://up3d-dev.github.io/downloads/docs/4-150H41GS5.pdf -accesat pe 20 mai 2016

15. https://printrbot.com/shop/assembled-simple-metal-with-heated-bed/ -accesat pe 20 mai 2016

16. http://reprap.org/ -accesat pe 21 mai 2016

17. http://www.3dsystems.com/shop/support/legacy/manuals?redirectFrom=cubify –accesat pe 25 mai 2016

18. https://ultimaker.com/en/products/ultimaker-2-plus – accesat pe 25 mai 2016

19. http://www.stratasys.com/3d-printers/design-series/objet24 -accesat pe 25 mai 2016

20. http://www.stratasys.com/3d-printers/design-series/objet30 -accesat pe 25 mai 2016

21. http://3dprintingindustry.com/3d-printing-basics-free-beginners-guide/history/ -accesat pe 2 mai 2016

22. http://www.3dprinterprices.net/best-3d-printer-extruder/ – accesat 1 iunie 2016

23. http://www.zspotmedia.ro/blog/printare-3d/ -accesat pe 5 mai 2016

24. http://reprap.org/wiki/Resources#Software_Toolchain

25. http://www.prusa3d.com/prusa-i3-kit/ – accesat pe 1 iunie 2016

26. http://reprap.org/wiki/Prusa_i3_Rework_Bill_of_materials – accesat pe 10 iunie 2016

27. http://www.reprap.org/mediawiki/images/0/06/RAMPS_dossier.pdf -accesat pe 10 iunie 2016

28. https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardMega2560 – accesat pe 16 iunie 2016

29. http://reprap.org/mediawiki/images/3/3f/RepRap_Component_Structure.svg – accesat 20 iunie 2016

30. http://www.referat.ro/referate/Motoare_pas_cu_pas_29915.html -accesat pe 20 iunie 2016

31. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212017313006439 – accesat pe 20 iunie 2016

32. http://cncro.ro/lang/ro-ro/electronica-electronics/cnc-drivere/ – accesat la 21 iunie 2016

33. https://www.lulzbot.com/store/parts/mechanical-endstop-switch – accesat pe 21 iunie 2016

34. https://ro.wikipedia.org/wiki/Software -accesat pe 3 iulie 2016

35. http://reprap.org/wiki/RepRapPro_Mendel_power_supply -accesat pe 3 iulie 2016

36. http://educatiepentruviata.ro/fabricatia-aditiva.html -accesat pe 6 mai 2016

37. http://www.3dprinterhelp.co.uk/technologies-being-used-in-3d-printing/ – accesat 10 mai 2016

Similar Posts