H:Aurel CiobanuLICLUCRARE DE LICENTA 26.06.2020 [303803]

UNIVERSITATEA DIN ORADEA

FACULTATEA DE INGINERIE MANAGERIALĂ ȘI TEHNOLOGICĂ

PROGRAMUL DE STUDIU INGINERIE ECONOMICĂ ÎN DOMENIUL MECANIC

FORMA DE ÎNVĂȚĂMÂNT: LA DISTANȚĂ

PROIECT DE DIPLOMĂ

COORDONATOR ȘTIINȚIFIC

PROF.DR.ING. BLAGA FLORIN SANDU

ABSOLVENT: [anonimizat] 2020

UNIVERSITATEA DIN ORADEA

FACULTATEA DE INGINERIE MANAGERIALĂ ȘI TEHNOLOGICĂ

PROGRAMUL DE STUDIU INGINERIE ECONOMICĂ ÎN DOMENIUL MECANIC

FORMA DE ÎNVĂȚĂMÂNT LA DISTANȚĂ

FABRICAȚIA ADITIVĂ A UNUI ROTOR DE TURBINĂ. CALCULE ECONOMICE

COORDONATOR ȘTIINȚIFIC

PROF.DR.ING. BLAGA FLORIN SANDU

ABSOLVENT: [anonimizat] 2020

REZUMAT

În vederea susținerii examenului de diplomă am elaborat proiectul cu titlul Fabricația aditivă a unui rotor de turbină. Calcule economice.

Am ales această tema deoarece consider că tehnologia de obținere a piesei din proiect (fabricația aditivă) reprezintă viitorul în ceea ce înseamnă producția de soluții unice. [anonimizat] a unui model unicat necesită ore întregi de muncă manuală și retușuri până se ajungea la formă dorită. [anonimizat] a fost înlocuită cu proiectarea asistată de calculator. Astăzi se pot obține obiecte unicat pornind de la un model 3D virtual.

Prezenta lucrarea este structurată în 5 capitole.

[anonimizat], prezint scopul și obiectivele proiectului precum și motivația alegerii acestei teme.

[anonimizat], [anonimizat], rolul funcțional al piesei precum și materialul din care se va obține.

[anonimizat] 2016. Capitolul este alcătuit din capturi de ecran sugestive care au condus la obținerea piesei.

[anonimizat]. [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat].

Consider că am atins obiectivele propuse și enunțate în proiect și am tratat o tema adecvată programului de studiu. [anonimizat], putând fi montată și folosită la obținerea energiei electrice sau ca model pentru matrițe.

1. INTRODUCERE

Principala cerință a industriei constructoare de utilaje și mașini constă în dimensionarea și proiectarea rațională a [anonimizat] a proceselor tehnologice de prelucrare. [anonimizat], [anonimizat] a [anonimizat]. În etapa de realizare a [anonimizat], elementele regimurilor de fabricație și normele tehnice de timp să fie just stabilite prin metode de calcul analitic sau adoptate rațional din normele tehnice. Multe din materialele utilizate în construcția de mașini și utilaje sunt materiale metalice  precum fonte, oțeluri, aluminiu, cupru și aliajele lor.

Alături de aceste materiale metalice, au fost adăugate o serie de materiale nemetalice cum ar fi masele plastice, care având bune proprietăți fizico-mecanice și-au găsit numeroase utilizări în numeroase domenii de activitate din industria producătoare.  Masele plastice sunt acele materiale ce sunt produse pe bază de polimeri, și care sunt capabile de a capătă la încălzire forma in care sunt turnate și de a păstra acea formă după răcire. Se caracterizează prin rezistență mecanică bună, densitate mică, stabilitate chimică, au proprietăți electroizolante și termoizolante. În țările dezvoltate și în curs de dezvoltare, necesitatea și posibilitatea de a produce local utilaje este în creștere. De cele mai multe ori, echipamentul, materialul și personalul calificat sunt prezente, ceea ce lipsește fiind informația și know-how-ul. O categorie de utilaje care pot fi produse local sunt turbinele de apă. În unele țări există deja o tradiție în producția, instalarea și rularea acestor mici „mori de apă”.

1.1 Motivarea alegerii

Energia hidroelectrică este o sursă de energie locală ce permite producerea de energie regenerabilă și care oferă statelor  independență energetică, inlăturând într-o mare măsură dependența de resursele energetice ale țărilor vecine.

O turbină hidroelectrică funcționează că o turbină eoliană sub apă – forța curentului dintr-un râu sau dintr-un canal acționează asupra un rotor, imprimandu-i o mișcare de rotație. Acesta, la rândul său, învârte un generator pentru a crea energie electrică.

Râurile sunt surse de energie mai fiabile și mai constante decât soarele sau vântul. O turbină hidroelectrică are un avantaj real față de toate celelalte surse regenerabile de energie pentru că funcționează non-stop.

Acest lucru reduce nevoia de baterii pentru a stoca energia electrică generată, care sunt de obicei o componentă costisitoare a sistemelor bazate pe energie solară sau eoliană.

Investitorii și specialiștii din industria producătoare sunt mereu în căutare de inovații ce pot conduce la îmbunătățirea tehnicilor, scăderea costurilor și a consumului de energie precum și extinderea capacității de producție. Fabricația aditivă a debutat la sfârsitul anilor 60 și de la început a cunoscut o creștere rapidă și continuă, scoțând la lumina noi tehnici de extindere a capabilității de fabricație. Cunsocuta și sub numele de 3D print, această tehnolgie folosește tehnici revoluționare pentru a crea forme complexe, construind obiectul strat cu strat. Abilitatea de a fabrica piese complexe folosind un singur utilaj și într-o singură fază de lucru.

Contrar tehnologiilor clasice, în care materialul fie este îndepărtat prin tăiere, găurire, așchiere, fie este turnat în forme, fabricația aditiva oferă o libertate mai mare în privință design-ului. Cercetarea în domeniul fabricației aditive a făcut ca integrarea acestei tehnologii în cadrul companiilor să cunoască mai multe etape:

Prototipare rapidă

Rapid tooling

Fabricație directă, in viitor

Cu toate acestea, întreprinderile și producătorii au păreri împărțite dacă această tehnologie va fi capabilă să atingă acest obiectiv.

1.2 Scopul lucrării

Scopul lucrării îl reprezintă proiectarea constructivă în SolidWorks a unui rotor Pelton, studiul obținerii unui rotor de turbină Pelton prin fabricație aditivă, proiectarea unui proces tehnologic pentru fabricație aditivă și analizarea costurilor acestuia.

1.3 Obiective

Proiectarea constructivă a rotorului

Descriere proces si obținerea fizică a piesei prin fabricație aditivă

Analiza costurilor și calculul pragului de rentabilitate

2. DESCRIEREA PIESEI

Definiții și clasificări

Mașinile hidraulice transformă energia mecanică in energie hidraulică sau invers, energia hidraulică în energie mecanică. Prima categorie, la care transformarea energetica este (2.1) sunt numite generatoare hidraulice (pompe și ventilatoare).

E.M.E.H. (2.1)

Categoria a doua, cu transformarea (2.2) aparține motoarelor hidraulice (turbine).

E.H.E.M. (2.2)

Generatoarele hidraulice se clasifică funcție de diferite criterii, cele mai importante sunt:

După natura fluidului vehiculat, se disting generatoare hidraulice pentru:

lichide (pompe)

gaze (ventilatoare)

Lichidele circulate in sistem pot fi: apa la diferite temperaturi, lichidele neagresive, corozive, foarte vâscoase, amestecuri neomogene (amestecuri de lichide cu particule solide în suspensie), etc. Gazele vehiculate sunt: aerul, gazele nocive, vaporii de apă, etc.

În clasa mașinilor hidraulice intră toate generatoarele care vehiculează lichide. În ceea ce privește gazele, în mod obișnuit, de clasa menționată aparțin doar generatoarele la care procesul transformării energetice se poate considera constantă densitatea gazelor. Este cazul ventilatoarelor a căror presiune nu depășește 1000 mm col. H2O. Suflantele și compresoarele care realizează sarcini superioare sunt fac parte din clasa de mașini termice deoarece densitatea gazelor variază în decursul transformării energetice și procesele termodinamice nu mai pot fi neglijate.

Principalele tipuri de generatoare hidraulice, după principiul de funcționare:

generatoare hidrodinamice (turbogeneratoare), energia transmițându-se la fluidul prin intermediul rotorului aflat in mișcare de rotație (pompe centrifuge, ventilatoare, pompe axiale)

generatoare volumice, la care este specifică deplasarea a unor volume de fluid incepând de la aspiratie către refulare (pompe alternative, rotative, etc.)

generatoare cu fluid motor, la care fluidul este purtătorul de energie (ejectoare, pompe cu gaz comprimat)

După poziția axului de rotație la turbogeneratoare, se întâlnesc:

generatoare hidraulice cu ax vertical

generatoare hidraulice cu ax orizontal

2.1 Turbine hidraulice. Clasificare

O turbină hidraulică este o mașină de forță care transformă energia potențială hidraulică a apei în energie mecanică prin acționarea unui rotor prevăzut cu palete.

Clasificarea turbinelor hidraulice după tipul constructiv are in vedere direcția traiectoriei particulelor de lichid din zona rotorului, ele luandu-si numele inventatorului. Această clasificare este redată in tabelul 2.1 .

Tabel 2.1 Clasificarea turbinelor [3]

Turbina Pelton utilizată la hidrocentrale de mare cădere.

Turbina Francis utilizată la hidrocentrale de mare și medie și cădere.

Turbina Michell-Banki utilizată la aplicații mici și de mică cădere.

Turbina Kaplan utilizată la amenajări de hidrocentrale de mică cădere.

Turbina Bulb utilizată la amenajări de hidrocentrale de foarte mică cădere.

2.1.1 Turbina Pelton

Turbina Pelton (Fig 2.1) este o turbină hidraulică cu rotație axială, rotorul este prevăzut cu pale fixe, este utilizată la hidrocentralele de cădere mare a apei..

Turbina Pelton face parte din categoria turbinelor cu impuls. Geometria palelor rotorului este concepută ca apa să părăsească turbina cu viteză redusă față de viteza de intrare a jetului, energia potențială fiind convertită aproape în totalitate în energie cinetică, ceea ce conduce la un bun randament al acestei de turbine.

Turbina Pelton (Fig 2.2) a fost brevetată în anul 1880 de Lester Allan Pelton (1829-1908), este printre cele mai eficiente tipuri de turbină hidraulică. Este recomandată pentru debite relativ mici și căderile mari de apă. O turbină Pelton funcționează la căderi de minim 10 m, dar poate fi utilizată la căderi ce pot ajunge până la 1800 m, la un debit de apă cuprins între 0,01 m³/s și 100m³/s.

Energia este extrasă din impulsul generat de căderea apei. De-a lungul timpului au existat mai multe variații ale acestui tip de turbină, dar au fost mai puțin eficiente decât design-ul lui Pelton. Apa ce părăsea rotorul avea viteza mare și deci energie care se risipea.

2.1.2 Elemente constructive

Elementele ce intră in componența unei turbine Pelton sunt descrise in (Fig 2.2).

2.2 Material

Materialul ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) este un compus al polistirenului, piesele realizate din acest material având comportamentul foarte bun la termoformare, rezistență sporită la impact și rigiditate ridicată.

ABS este un polimer alcătuit din 3 monomeri: acrilonitril, butadiena si stiren (Fig. 2.3)

ABS-ul are următoarele proprietăți principale:

Rezistență la impact

Rezistență termică

Procesabilitate

Monomerul de stiren oferă ABS-ului procesabilitate, butadiena crește duritatea si reziliența produsului chiar si la temperaturi scăzute, în timp ce acrilonitrilul oferă rigiditate, rezistență termică si chimică. Modificarea ponderii componentelor ABS-ului și adăugarea unor aditivi speciali duce la crearea unor mai multor tipuri, cu proprietăți diferite. ABS-ul are rezistență scăzută la influența factorilor de mediu și de aceea este în general recomandat pentru aplicații de interior.

ABS-ul poate fi folosit, în general, în intervalul de temperaturi: -20°C la +80°C, este rezistent la acizi slabi, alcali, acizi hidroclorici și fosforici concentrați, alcooli și uleiuri animale, vegetale și minerale, dar este atacat de acizi sulfurici și azotici concentrați. Acrilonitril butadien stiren (ABS) este solubil în esteri, cetone, diclorură de etilenă sau acetonă.

Aplicații uzuale ale materialului ABS (Acrilonitril butadien stiren):

Extrudare: plăci, cabine de duș, acoperișuri de tractor, piese mobilă, interioare de frigider, bagaje

General: jucării, bunuri de uz general, telefoane, căști de protecție

Electrocasnice: carcase ale aparatelor de bucătărie, carcase de aspirator, panouri de control ale aparatelor

Auto: panouri interioare ale ușilor, stâlpi, ornamente pentru scaune, grilaje, panouri de instrumente, carcase oglinzi retrovizoare

2.3 Rol funcțional in cadrul turbinei

Vechile roți de apă sunt precursoarele turbinelor Pelton moderne. Acestea au fost folosite de mii de ani pentru a converti energia apelor curgătoare in lucru mecanic. De cele mai multe ori, aceste roți intrau in componența morilor de apă (Fig 2.4). Prin intermediul unui reductor, miscarea de rotație se transfera la piatra de moară. Orificiul din centrul pietrei se numea ochi și prin el se introduceau grânele. Pe măsură ce piatra se rotea, grânele erau mărunțite și zdrobite.

In prezent, roțile de apă au fost inlocuite de turbinele Pelton din mai multe motive:

randament mai bun datorită desing-ului ingenios

energia rotațională este transmisă unui generator care converteșste energia mecanică in energie electrică

cupele au la mijloc un perete despărțitor care divide jetul de apă in două părți egale, iar geometria lor face ca jetul de apă să iși schimbe direcția cu aproape 180o

Turbina Pelton funcționează in modul următor:

apa este transportată din rezervor printr-un sistem de vane

aranjamentul duzelor la capătul vanelor accelereaza apa si o face sa curgă sub forma unui jet de apă cu viteză mare la presiune atmosferică

jetul lovește divizorul palelor care va distribui jetul in două și roata incepe să se rotească

energia cinetică a jetului este redusă atunci când lovește palele rotorului și datorită formei sferice a cupelor, jetul direcționat iși va schimba direcția și se va intoarce în U (Fig. 2.5)

in general, unghiul de intrare al jetului este de 1o pana la 3o, iar după contactul cu palele rotorului, unghiul de deviere al jetului este cuprins intre 165-170o

pentru a genera mai multă putere, două rotoare pot fi aranjate pe un singur ax, sau două jeturi de apă pot fi direcționate către un singur rotor

3. PROIECTARE CONSTRUCTIVĂ CAD

3.1. Dimensionare rotor

Să se obțină un rotor Pelton pentru o cădere de apă cu H= 15m, cu o rotație axială de N= 200 rot/min care dezvoltă o putere P de 16 kW. Viteza de rotație a turbinei, u=45% din viteza jetului de apă, randamentul global η=85%, coeficientul de viteză, CV=0.98. Să se afle viteza și diametrul jetului de apă care acționează rotorul, viteza de rotație a turbinei, diametrul rotorului și debitul de apă necesar.

Date inițiale

H= 15m

N= 200 rot/min

P = 16 kW

u= 45%*V

η0=85%

CV= 0.98.

g= 9,81 m/s2

1000kg/m3

3.1.1 Viteza jetului de apă (V)

se determină cu formula (3.1).

V= CV [m/s] ( 3.1)

unde:

CV- coeficient de viteză

g – accelerația gravitațională in m/s2

H – căderea de apă în metri

Înlocuind cu valorile inițiale ale parametrilor, rezultă:

V = 0,98* = 16.81 m/s

3.1.2. Viteza de rotație a turbinei (u)

se determină cu formula (3.2).

u = 0,45* V [m/s] (3.2)

u = 0,45*16,81 = 7,56 m/s

3.1.3. Diametrul rotorului (D)

se calculează din formula vitezei unghiulare (3.3)

u = [m/s] (3.3)

rezultă:

D = [m] (3.4)

D = = 0,18 m

3.1.4. Debitul turbinei (Q)

Debitul turbinei se definește drept cantitatea de apă măsurată volumic ce intră în turbină în unitatea de timp.

Se află din formula randamentului (3.4)

η0= (3.4)

unde:

– densitatea apei in m3/s

Din 3.4 rezultă

Q = [m3/s] (3.5)

Q= = 0,127 m3/s

3.1.5. Diametrul jetului de apă (d)

se calculează din expresiile ariei (3.6) și a debitului (3.7)

A = , (3.6)

Q = A*V [m3/s] (3.7)

unde:

A – aria secțiunii jetului în metri pătrați

d – diametrul jetului de apă in metri

0,127 = ;

= = 0,09843 m

3.2 Proiectarea reperului in SolidWorks

Proiectarea se va face în SolidWorks 2016 și se vor prezenta cele mai importante etape în realizarea reperului.

Deoarece se modelează un singur part, se alege New – Part, modulul Sketch și se setează dimensiunile în milimetri (Fig. 3.1). Se alege un plan – planul transversal in care desenăm linii ajutătoare.

Se proiectează linii simple și se adaugă dimensiunile ca in Figura 3.2.

Se trasează o linie curbă care să conecteze capetele superioare ale liniilor deja desenate folosind funcția Spline (Fig.3.3)

Se șterg liniile ajutătoare folosind funcția Trim și astel se obține profilul cupei (Fig. 3.4.)

Se alege din meniul Features funcția Revolve (Fig.3.5)

Se selectează axa în jurul căreia se dorește rotirea liniei curbe, în cazul de față 180 grade (Fig.3.6)

O vom răsturna, folosind butonul Flip (Fig.3.7)

Se va copia această formă într-un plan paralel selectând: Refference geometry – Plane –in fereastra din stânga se introduc dimensiunile dintre planuri. (Fig.3.8)

Odată planul paralel creat, se copiază forma în noul plan, folosind Linear Pattern – Mirror – se selectează suprafața care se dorește a fi copiată (Fig.3.9)

Mai departe se dorește excavarea structurii, pereții având o grosime de 5 mm.Se selectează Shell, iar în meniul din stânga se intoduce grosimea peretelui. Apoi se alege suprafața care va fi excavată. (Fig. 3.10)

În continuare se va selecta planul frontal pentru proiectare. Reference geometry – meniul din stânga : Front Plane (Fig. 3.11)

Se creează un plan frontal paralel și se continuă proiectarea in acesta. Se modifică unghiul din care se privește piesa: View – Frontal view. (Fig. 3.12)

Se repetă pașii de creare a unei linii curbe cu ajutorul liniilor drepte și se schimba din nou unghiul de vizualizare. (Fig. 3.13)

Folosind meniul Features – Extrude Cut, se va realiza o tăietură în peretele cupei. Se reselectează planul 1 – transversal și se schimbă unghiul de privire în lateral stânga (Fig. 3.14)

Se creează brațul cupei cu Offset Entities – Reverse. Se desenează liniile drepte și curbe și se unesc cele două drepte. (Fig. 3.15)

Folosind Features – Extruded Boss – Mid Plane – Choose dimensions. In fereastra din stânga se selectează : Direction 1 – Mid Plane și se introduce (offset-ul față de mid plane). Se teșesc toate muschiile folosind butonul Fillet. (Fig. 3.16)

Se va crea și brațul cupei de pe partea cealaltă folosind funcția Mirror. (Fig. 3.17)

Se va crea discul central al turbinei alegând altă perspectivă (Left View) și se desenează cercul, se stabilesc dimensiunile (diametrul și distanța de la centrul cercului la marginea cupei). (Fig. 3.18)

Folosind functia Features – Extruded Boss/Base se creează discul. (Fig. 3.19)

Se vor copia cupele pe toata lungimea discului central. Cu Features – Circular Pattern din fereastra din stânga se selectează formele care se doresc a fi copiate, pe arcul de cerc pe care se dorește copierea și numărul de cupe. Se bifează Geometry pattern. (Fig. 3.20)

Se va extruda discul central pentru a forma suprafețele laterale. Se schimba perspectiva (Front Plane), se desenează un cerc, cu dimensiunile aferente și se apasă butonul Extrude Cut. (Fig. 3.21)

Se va repeta procesul pentru a crea toate fațetele discului. (Fig. 3.22)

Se vor desena cercurile care reprezintă filetele șuruburilor din discul central.

Extruded cut – Features – Cut – Extrude. În meniul din stânga: From: Sketch Plane , Direction 1 – Through All. (Fig. 3.23)

Utilizând Circular Pattern se copiază găurile pe toata circumferința discului. (Fig. 3.24)

Se desenează cercul pentru axul central al rotorului si folosind funcția Extrude se obține orificiul (Fig. 3.25)

În Figura 3.26 este prezentat modelul 3D al piesei.

4. STUDIUL OBȚINERII PROTOTIPULUI PRIN FABRICAȚIE ADITIVĂ. RAPID PROTOTYPING

Fabricarea prin procedee de Rapid Prototyping (RP – fabricație pe straturi) a unei piese (sau a unui ansamblu) are ca punct de început modelul tridimensional al acesteia, obținut prin modelare într-un sistem 3D CAD. Acest model este apoi transferat în format .stl și transmis software-ului mașinii pentru a fi secționat în straturi paralele între ele și perpendiculare pe suprafața de fabricație. Fiecare secțiune astfel obținută este materializată printr-o anumită metodă (solidificarea unei rășini sau a unui material termofuzibil, aglomerarea pulberilor, lipirea materialelor sub formă de foi etc.), fiind mai întâi trasate contururile exterioare și interioare ale secțiunii și apoi „umplut” întregul strat. După depunerea unui strat de material, platforma pe care se construiește obiectul se deplasează pe direcția de construire cu o valoare egală cu grosimea stratului, iar următorul strat este depus peste cel anterior în mod identic.

Clasificarea tehnologiilor de fabricare rapidă a prototipurilor se poate face pe baza mai multor criterii :

In funcție de procedeele de solidificare sau prelucrare a materiei prime :

Procedee ce folosesc polimeri lichizi ca materie primă, solidificarea realizeazând-se la impactul cu o sursă laser (laser de mică putere -stereolitografia ori prin încălzire -polimerizare termală);

Procedee bazate pe topire, depunere și resolidificare a materialului. Aceste procedee permit folosirea de metale precum și a materialelor plastice sau a unor lichide.

In funcție de modul de obținere a formei:

      Piesa rezultă direct din 3D. Acest procedeu asigura flexibilitate în realizarea modelului. Are dezavantajul că apar dificultăți la programarea și comandă sistemelor de prelucrare

Piesa se construiește prin secțiuni succesive 2D. Modelul CAD al piesei este secționat într-un număr mare de secțiuni orizontale, distantate între ele la câteva zecimi de milimetru. La prelucrare, secțiunile de jos sunt create primele, iar peste ele se adaugă succesiv următoarele, până la ultima secțiune. Secțiunile vor fi create strat cu strat sau punct cu punct. Cele mai multe sisteme folosesc solidificare punct cu punct a materialului și fabricarea de straturi solide prin scanare continuă sau discontinuă.

4.1 Tehnologii de fabricare rapidă a prototipurilor

4.1.1 Stereolitografia

Prototipurile fabricate prin stereolitografiere (Fig 4.1) sunt construite dintr-un fotopolimer lichid (rășini epoxidice, acrilice), care este solidificat utilizând un fascicol laser. Procesul are loc pe baza unui fișier CAD care conține modelul 3D al piesei, acest model este împărțit in secțiuni 2D.

4.1.2 (LOM – Laminated Object Manufacturing)

Având consistența unei piese din lemn, piesa prelucrată prin acest proces se poate finisa cu hârtie abrazivă. Asupra piesei rezultate se pot efectua și operații de așchiere. După finisare, piesa poate fi vopsită și apoi lăcuită. Lăcuirea este importantă la piesele din hârtie, deoarece hârtia este higroscopică și absoarbe umezeală, modelul putându-se deforma sau decalibra.

4.1.3 Fabricarea prin depunere de material topit (FDM – Fused Deposition Modeling)

În cazul fabricării prin depunere de material topit, modelele (Fig. 4.3) sunt realizate din material termoplastic (ABS), materialul fiind livrat de firmele producătoare sub formă de fir înfășurat pe role. Firul de plastic intră în capul de încălzit unde ajunge până în apropierea temperaturii de topire (1oC  sub temperatura de topire). Materialul topit este extrudat și depus în straturi subțiri. Metoda de fabricare a suportilor (pentru susținerea pieselor complexe) se bazează pe principiul de depunere strat cu strat de material topit, similar cu metoda de obținere a piesei propriu-zise).

4.2 Avantaje tehnice si economice

Compararea tehnologiei clasice și tehnologiei neconvenționale utilizate din anumite puncte de vedere (timp de fabricație, economicitate și aplicabilitate). Se constată faptul că tehnologiile de Rapid Prototyping (RP) au avut și au o dezvoltare exponențială datorită reducerii timpilor și costurilor de fabricație a unui prototip și domeniilor în care aceste prototipuri își găsesc aplicabilitatea. Modelele realizare prin aceste tehnologii pot fi utilizate în orice domeniu : de la aplicațiile industriale și arhitectură până la chirugia plastică și repararatorie.

Cerințele industriale actuale impun uneori folosirea unor materiale speciale sau metale dure, a căror prelucrare este dificilă utilizând metodele clasice de prelucrare prin așchiere.

Deși inițial tehnologiile neconvenționale au fost concepute și experimentate pentru a rezolva probleme deosebite și uneori singulare din diferite sectoare economice, în prezent marea lor majoritate se utilizează cu succes în aproape toate ramurile industriale.

4.2.1 Timpul de fabricație

Timpul de fabricație este, poate, cel mai important criteriu după care am putea face departajarea acestor două tehnologii. Dacă este să privim itinerariile tehnologice ale acestor două tehnologii vom putea obervă cu ușurință faptul că Tehnologia Convențională (TC) are un itinerar mult mai complex și format din numeroși pași care asigura obținerea în final a mătriței pentru turnarea produsului. Tehnologia Neconvențională (TN) în schimb are mai puțini pași  care conduc la final la obținerea produsului finit.

În cazul TC timpul de fabricăție a matriței este foarte îndelungat necesitând prelucrarea pe mai multe mașini și deci transferul semifabricatului prin mai multe ateliere. Timpul necesar pentru obținerea unei matrițe prin TC este situat undeva între 12 -24 de  ore . De asemenea în cazul TC este necesar un control metrologic riguros după fiecare faza a procesului pentru a vedea dacă s-au respectat întocmai toleranțele prescrise de producător.

În cazul TN matrița se fabrică în aproximativ 3 ore necesitând un minim de efort și nefiind necesar un control metrologic, deoarece matriță este copia fidelă a modelului „părinte”.

Dacă ar fi să judecăm  timpul de fabricăție al piesei am putea spune că aici cele două tehnologii prevăd un timp de fabricație aproximativ egal, cu puțîn dezavantaj pentru TC deoarece va necesită un timp mai lung de răcire decât în cazul TN.

4.2.2 Costuri

Din punctul de vedere al costurilor celor două tehnologii, am putea spune că TN are marele dezavantaj al costului ridicat, datorat materialelor necesare care se găsesc destul de greu pe piață, al faptului că mașinile speciale necesare proceslor de FDM  și turnare sub vid sunt foarte rare și au cost ridicat de achiziționare. Ar mai trebui menționat că manipularea acestor mașini și însușirea tehnologiilor de fabricație necesită o instruire specială pentru personalul de producție.

TC în schimb presupune costuri în momentul realizării matritei, fiind necesare o serie de mașini și scule așchietoare pentru materilaizarea ei. Și aici am putea invocă necesitatea unei instruiri pentru turnarea produsului.Controlul metrologic riguros este un alt factor care duce la creșterea costurilor TC.

Observăm că deși TN este poate mai scumpă decât TC, faptul că are un timp scurt de fabricație și nu implică atât de mult personal de producție o avantajează pe aceasta.

4.2.3 Calitate (precizie dimensională și de formă, rugozitate)

Calitatea reprezintă, în actualul context, criteriul primordial în fabricația oricărui produs. TN oferă proprietăți calitative mult mai bune decât TC. Precizia geometrică a pieselor fabricate cu ajutorul TN este influențată de mărimea media a granulelor pulberii metalice. Rugozitatea unei piese este de aproximativ 3-5. Printr-o finisare manuală obișnuită rugozitatea poate fi adusă la o valoare de aproximativ 1 micrometru (μm). De asemenea, faptul că se toarnă în modele care reproduc exact formă modelului „părinte” duce la obținerea unei precizii extrem de ridicate și a unei forme geometrice corespunzătoare.

TC nu oferă precizii dimensionale la fel de bune ca și TN, în majoritatea cazurilor fiind necesare prelucrări ulterioare de finisare și rectificare. De asemenea, folosirea unor compuși necorespunzători duce la obținerea unor suprafețe de o calitate extrem de scăzută.

Costul și aprovizonarea cu materiale, mașini și tehnologie fac ca TN să nu fie folosite la o scară atât de largă și fac că aceste tehnologii să nu fie rantabile, decât în cazul producției de serie mare pe o scară destul de largă.

4.3 Etape necesare în fabricația cu depunere de material (FDM )

Etapele necesare pentru fabricarea unei piese prin procesul FDM (Fig 4.5) sunt:

Realizarea unui model tridimensional al obiec tului de fabricat, salvarea acestuia în format STL;

Deschiderea fișierului STL al modelului în software-ul imprimantei;

Alegerea orientării obiectului STL în spațiul de lucru al mașinii (rotire, translatare);

Setarea parametrilor de proces pentru tehnologia FDM;

Secționarea modelului, în plane perpendiculare pe direcția de construire și paralele între ele;

Generarea structurilor suport (fișier format .SSL – Stratasys Sections Language);

Generarea codului G a rândurilor și traseelor de depunere a filamentelor

Tranferul codului G către mașină;

Construirea obiectului prin suprapunerea succesivă în straturi a materialului;

Post-procesarea obiectului prin eliminarea structurii suport, tratare chimică, prelucrarea suprafețelor, etc).

4.3.1 Structuri suport

După obținerea obiectului, structurile suport utilizate (Fig 4.6) pot fi eliminate în două moduri, corespunzătoare fiecare celor două variante de structuri ce pot fi construite: pentru structurile solubile în apă, prin dizolvare într-un bazin cu soluție pe bază de apă și prin ruperea legăturii dintre piesă și structura suport, în cazul structurilor de tip break away (Grimm, 2003).

În FDM se construiesc structuri suport de bază pentru a evita depunerea primului strat de material al piesei direct pe platformă și pentru a asigura că primul strat de material piesă depus este orizontal, pentru părțile în consolă ale pieselor sau pentru pereții înclinați ai acestora sau pentru construirea cavităților.

Structurile suport sunt fabricate ca niște coloane cu pereți subțiri (Figura 4.6), putând fi eliminate ușor, fără deteriorarea piesei. În cazul în care atât materialul, cât și structura suport se construiesc cu aceeași duză (situație întâlnită frecvent la mașinile, pe care generic le denumim, RepRap), modelul depus pentru suport este mai rar, având o interfață slabă cu materialul pentru piesă (Fig 4.7).

4.3.2 Cauze ale defectelor în fabricația FDM

Obiectele fabricate prin FDM pot prezenta tipuri de defecte de suprafață sau defecte interioare, cauzate de proces (limitări hardware, software și de strategia de construcție a straturilor), caracteristici ale materialului de construcție (neuniformitatea filamentului, proprietățile sale mecanice și/sau reologice etc.) sau de combinația primelor două. Aceste posibile defecte trebuie luate în calcul la proiectarea obiectului, la stabilirea tipului de operații de postprocesare și la alegerea parametrilor de proces pentru FDM.

Cele mai frecvente defecte de suprafață, caracteristice FDM-ului, sunt determinate de efectul de scară (specific stilului de construire prin suprapunere de straturi de material), respectiv de erorile de aproximare a suprafețelor curbe cauzate de formatul STL.

De asemenea, în cazul procedeului FDM, ultimul strat de material depus este striat, din cauza formei filamentului de material, în scopul îmbunătățirii aspectului suprafeței fiind necesare diferite operații de post-procesare.

În categoria defectelor de suprafață ale obiectele obținute prin FDM intră și bavurile cauzate de structurile suport. În funcție de tipul mașinii, materialul pentru structura suport și materialul prototipului pot fi depuse cu aceeași duză de extrudare utilizând același material. În acest caz, prin eliminarea structurilor suport aparând uneori bavuri fine sau orificii mici în suprafețele obiectului.

Punctele de pe fiecare strat în care se începe, respectiv se încheie depunerea filamentului de material pentru perimetrul exterior, pot fi vizibile pe suprafața exterioară a obiectului dacă mișcarea capului de extrudare nu se coordonată cu cea a rolelor, apărând curgeri excesive, respectiv, în minus. În alte cuvinte, dacă rolele care aduc materialul în capul de extrudare se opresc din mișcare prea devreme, există riscul formării unui gol la sfârșitul depunerii perimetrului, iar dacă rolele alimentează duza mai mult timp, va apărea un exces de material ca o aglomerare de material sau o suprafață.

În ceea ce privește defectele interne ale obiectelor fabricate prin FDM, acestea apar sub forma unor goluri sub-perimetrice cauzate de umplerea incompletă a stratului la schimbarea direcției capului de extrudare, în zonele unde segmentele raster se întorc în interiorul perimetrului. Atât diametrul duzei de extrudare, cât și unghiul dintre rând și curba perimetru determină mărimea acestor goluri, fiind necesare ajustări ale traiectoriei, în sensul depășirii perimetrului de capul de extrudare sau prin lărgirea segmentelor de întoarcere pentru a le aduce cât mai aproape de perimetru.

Golurile din interiorul pieselor mai pot apărea și din cauza legăturilor slabe între rândurile de material, cauzată de un diametru neuniform al filamentului sau de o lungime mare a rândului, acesta având timp să se răcească până când următorul rând este depus. Totodată, piesele fabricate prin FDM pot prezenta și contracții și deformări cauzate de tensiunile reziduale cauzate de ciclurile de încălzire- răcire. Pentru a evita apariția acestor fenomene, mașinile FDM profesionale folosesc o temperatură controlată în interiorul incintei de lucru, iar mașinile low-cost folosesc doar o platformă încălzită.

Alegerea orientării optime de construire reprezintă una dintre problemele fundamentale în FDM, influențând în mod semnificativ diferite aspecte cum ar fi: timpul și costul de construire, calitatea suprafețelor, precizia dimensională și de formă, caracteristicile mecanice, dar și volumul structurilor suport și poziția acestora față de obiect. Decizia referitoare la orientarea de construire se ia în funcție de geometria și de dimensiunile obiectului, ca și de alte caracteristici dictate de aplicația pentru care acesta este fabricat, experiența operatorului având un rol foarte important în această etapă de planificare a procesului. Din acest motiv, de o bună perioadă de timp, se desfășoară cercetări cu scopul de a automatiza selecția orientării optime pe baza anumitor criterii, acest lucru presupunând coroborarea informațiilor legate de specificul procedeului și parametrii de proces, de geometria obiectului și de modul în care caracteristicile obiectelor fabricate sunt influențate de orientarea de construire, aplicându-se, apoi, diferite tehnici de optimizare multi-criterială.

4.3.3 Parametri care influențează procesul tehnologic

În cazul procedeului FDM, construirea se face folosind structuri suport. Volumul și poziția acestora depinde de forma geometrică a obiectului de fabricat și de orientarea acestuia pe platforma mașinii (Figura 4.8).

Un volum mare al structurii suport necesistă mai mult timp pentru eliminarea acestuia. În plus, suprafețele de contact dintre obiect și structura de suport pot fi mai mari, având efect negativ asupra calității acestora, știut fiind faptul că suprafețele obiectului care intră în contact cu structura suport au o rugozitate mai mare. Astfel, orientarea piesei trebuie să ia în considerație și aspecte legate de structura suport, orinetarea piesei trebuie să fie astfel încât structura suport să poată fi eliminată (să nu fie blocată în interiorul piesei și să se asigure accesul pentru desprinderea structurii de pe piesă), pentru anumite aplicații poate fi necesar ca suprafața de contact dintre obiectul și structura suport să fie cât mai mica din rațiuni legate de calitatea suprafețelor.

Alți factori care sunt influențați de orientarea de construire în FDM sunt timpul și costul de fabricație a obiectului. Timpul total de fabricare constă din timpul de depunere a materialului pentru piesă și pentru structura suport, timpul de deplasare al duzei și/sau platformei atunci când nu se depune material și timpul de post-procesare,necesar pentru eliminarea structurilor suport, fiind evidentă legătura dintre orientarea obiectului și timpul total de construire. De asemenea, numărul de straturi necesare pentru construirea obiectului este dependent de orientarea acestuia, la rândul său influențând timpul total de construire.

Costul de fabricație al unui prototip FDM se calculează, de obicei, în funcție de timpul de fabricare și un coeficient care ține seama de costul de amortizare a mașinii, salariul operatorului și costul materialelor de construcție. Astfel, orientarea prototipului influențează și costul de fabricație a acestuia.

4.3.4 Precizia piesei în funcție de parametrii tehnologici

Precizia dimensională și precizia de formă depind de orientarea de construire. Figura 4.9 prezintă o piesă de tip carcasă, construită în două orientări diferite, pentru care s-au măsurat și comparat preciziile dimensionale pentru găurile de pe suprafețele din planele orizontal și vertical, abaterea de la circularitate a acestora, ca și planitatea acelor suprafețele, toate acestea pentru ambele plane și pentru ambele orientări de construire. Rezultatele au arătat că cea mai bună precizie dimensională se obține pentru entitățile geometrice (găuri) construite în plan vertical, explicația fiind aceea că, în plan vertical straturile de material au o grosime de 0,254 mm, iar în plan orizontal valoarea lățimii rândurilor de material este de 0,308 mm. De asemenea, cele mai mici abateri de la circularitate se obțin pentru găurile construite în plan orizontal. Măsurările nu au putut pune însă în evidență în mod clar dacă planitatea suprafețelor este sau nu mai bună decât a celor construite în plan orizontal.

Revenind la problema optimizării, în contextul dependențelor multiple prezentate mai sus dintre diferite caracteristici ale obiectelor FDM și orientarea de construire a acestora, cercetările în domeniu iau în considerare aplicarea mai multor criterii. De exemplu, se încearcă găsirea orientării optime din punct de vedere al timpului și costului de construire, propunându-se un model de cost. De asemenea, se fac cercetări și pentru o aplicație software care să calculeaze cea mai bună orientare de construire astfel încât, în această ordine, să se minimizeze înălțimea, să se maximizeze stabilitatea obiectului și să se minimizeze volumul structurilor suport. Costul de construire este ales drept criteriu principal de optimizare, iar timpul de construire și calitatea suprafeței sunt considerate obiective secundare.

Alți autori determină orientarea optimă de construire considerând precizia ca fiind criteriul principal, iar stabilitatea piesei și timpul de construire drept criterii secundare. Se concentrează asupra minimizării erorii de volum, relevantă în special pentru FDM, datorită specificității procedeului. Thrimurthulu (2004) utilizează optimizarea bazată pe algoritmi genetici pentru a identifica orientarea de construire a pieselor fabricate prin FDM care maximizează calitatea suprafeței și minimizează timpul de construire.

Aceleași criterii sunt luate in calcul și de Byun (2006), care aplică optimizarea multi-criterială considerând valoarea medie a rugozității suprafețelor (se cuantifică în acest mod efectul de scară), costul și timpul de construire a obiectului. Li (2013) prezintă o metodă de îmbunătățire bazată pe algoritmi genetici pentru două aspecte: înălțimea piesei și eroarea de volum. Direcția optimă de construire este căutată în spațiul direcțional global folosind conceptul de sferă unitate. Chen (2013) studiază optimizarea calității suprafețelor pieselor fabricate pe o imprimantă Objet, analizând astfel impactul orientării de construcție, precum și ce al grosimii straturilor de material. Rezultatele arată că rugozitatea suprafeței este mai bună pe direcție transversală, decât axială. De asemenea, studiul arată că, atunci când straturile de material sunt suficient de mici, curbura sau panta suprafețelor de-a lungul orientării de construire nu mai afectează calitatea suprafeței piesei.

Cu toate acestea, niciuna dintre soluțiile de optimizare propuse ca suport al deciziei, nu este inclusă actualmente în aplicațiile software ale producătorilor de mașini FDM, orientarea de construire fiind aleasă tot de operator.

Mai mult decât atât, unele studii sunt bazate pe piese cu geometrie simplă, iar concluziile lor nu pot fi generalizate pentru elemente geometrice mai complexe. În facilitarea selectării orientării de construire sunt folosite mai degrabă rezultatele acestor studii exprimate sub formă de reguli cum ar fi, de exemplu, aceea că de-a lungul direcției de construcție (axa Z) piesa are cea mai scăzută rezistență la întindere și la forfecare.

Astfel, pe baza experienței practice și a studiilor teoretice, sunt elaborate reguli de proiectare a pieselor de fabricat prin procedeul FDM.

În funcție de aplicație, precizia dimensională și de formă, timpul și costul de construire, rezistența mecanică sau calitatea suprafețelor, constituie aspecte la fel de importante.

Cu alte cuvinte, proiectarea unei piese ce urmează să fie fabricată prin FDM trebuie să aibă în vedere optimizarea geometriei prin considerarea simultană a aspectelor legate de specificul aplicației și de specificul procedeului.

4.3.5 Reguli de respectat la proiectarea pieselor realizate prin fabricație FDM

Regulile prezentate în continuare se bazează pe experiența a utilizatorilor și proiectanților, pe recomandările producătorilor, precum și pe teste și studii teoretice care au în vedere determinarea influenței valorilor parametrilor de proces specifici procedeului FDM (diametrul filamentului, grosimea secțiunilor, distanța dintre rândurile de material, stilurile de umplere a stratului), a orientării de construire sau a structurii suport, asupra posibilității de a construi obiecte cu forme geometrice și dimensiuni care sunt capabile să satisfacă una sau mai multe dintre cerințele enumerate mai sus.

De asemenea, nu trebuie omis faptul că obiectele fabricate au caracteristici care depind și de modelul de mașină utilizat și de material, în acest sens fiind realizate și publicate studii de tip benchmarking. Pentru piesele fabricate pe mașina Ultimaker și din materialul PLA, există constrângeri geometrice generale, care ar trebui luate în considerare la faza de proiectare, cum ar fi aceea că proprietățile mecanice sunt mai bune în planul x-y sau că grosimea pereților orizontali nu poate fi mai mică de 1 mm.

Procesul FDM are următoarele reguli pentru operatori și proiectanți:

Alegerea unei orientări de construire, care să asigure preluarea încărcării la tracțiune de-a lungul stratului. De asemenea, trebuie amintit faptul că rezistența la compresiune a pieselor FDM este aproape dublă în comparație cu rezistența la tracțiune;

să se acorde atenție proiectării muchiilor racordate ale pieselor, deoarece în aceste zone apar concentratori de tensiune, din cauza umplerii incomplete produse de discontinuitatea filamentului;

creșterea rezistenței mecanice și a rigidității se poate obține dând o valoare negativă parametrului care stabilește distanța dintre rândurile de material;

luând în considerație faptul că rezistența la forfecare dintre straturi este mai mare decât cea dintre rânduri, dacă piesa finală va fi supusă unei astfel de solicitări, orientarea ei în timpul fabricării trebuie să se facă în consecință.

4.3.6 Recomandări privind alegerea parametrilor pieselor

Pe lângă regulile care vizează rezistența mecanică a pieselor fabricate prin FDM și care se referă mai mult la procesul de fabricație, în continuare se prezintă și recomandări generale pentru diferite aspecte legate de geometrie, dimensiuni, precizii și calitate a suprafețelor. Totodată, se face precizarea că modificarea valorilor parametrilor de proces poate permite, de exemplu, evitarea formării anumitor tipuri de goluri sau modificarea anumitor trasee.

4.3.6.1 Pereți subțiri

Grosimea minimă a pereților verticali ai pieselor FDM depinde de grosimea stratului de material. Se recomandă evitarea construirii de pereți verticali formați din straturi care au doar contur și care determină obținerea unei piese fragile. Astfel, în tabelul 4.1 sunt oferite următoarele sugestii generale de corelare a grosimii stratului cu grosimea minimă pentru pereții verticali:

Tabelul 4.1 Corelarea grosimii stratului cu grosimea minimă a pereților verticali

O grosime de perete vertical sub 0,2 mm nu poate fi deloc obținută prin procedeul FDM. Mai mult, Stratasys recomandă ca valoarea grosimii să nu fie sub 1,52 mm. De asemenea, grosimea prescrisă a pereților ar trebui să fie un multiplu exact al grosimii filamentului care este depus, evitându-se astfel formarea golurilor interioare;

Recomandarea este ca grosimea perețilot orizontali să nu fie mai mică de 1 mm;

Pereții subțiri ar trebui să fie proiectați fără înclinare evitându-se formarea golurilor între straturi. Filamentul de material care se depune are o lățime constantă pentru fiecare rând, iar dacă grosimea peretelui variază în planul x-y, modificarea valorii ariei stratului face ca straturile să nu fie umplute complet. Iar în acest caz, efectul de scară pe suprafețele înclinate este și mai pronunțat.

4.4.6.2 Găuri

Din cauza formatului STL și a modului specific de fabricare prin procedeului FDM, găurile circulare nu pot fi obținute cu o precizie bună. Dacă sunt necesare găuri cu precizie ridicată, se recomandă obținerea acestora după fabricarea piesei, în etapa de prelucrare secundară;

În FDM, diametrele găurilor fabricate au, în general, valori sub valoarea nominală;

Cele mai mici abateri de la circularitate le au găurile construite în planul x-y.

4.3.6.3 Dimensiuni

Specialiștii afirmă că FDM este procedeul optim pentru fabricarea pieselor de dimensiuni mici spre medii (între 25mmx25mmx25mm și 405mmx355mmx405mm), mașinile permițând obținerea unor toleranțe de minim 0,13 mm (făcând abstracție de operațiile secundare de post-procesare). Valoarea minimă a grosimii stratului de material este de 0,13 mm pentru mașinile Maxum și Titan;

Se recomandă evitarea orientării piesei încât suprafețele de dimensiuni mari să fie construite orizontal, deoarece, din cauza modului caracteristic de depunere a filamentelor și a ciclurilor de încălzire-răcire ce conduc la apariția deformațiilor ale acestor suprafețe;

Recomandarea este ca dimensiunile minime să fie peste 2 mm pentru toate elementele geometrice în planul x-y;

Precizia de formă și dimensională a elementelor geometrice este mai bună în plan vertical decât în plan orizontal, recomandându-se orientarea piesei în consecință.

4.3.6.4 Structuri suport

Pentru piesele fabricate pe mașini FDM, suprafețele înclinate ale pieselor nu necesită structuri suport pentru unghiuri mai mari de 40-45o („regula lui 45o”) față de planul x-y. Dacă este posibil, recomandarea este modificarea geometriei piesei astfel încât să nu mai fie nevoie a se construi structuri suport, deoarece acestea au efect negativ asupra timpului, costului de construire a piesei și calității suprafețelor;

Se recomandă acordarea unei atenții speciale la proiectarea pieselor FDM astfel încât structura suport construită pentru anumite elemente geometrice să se poată elimina, adică să nu rămână blocată în interiorul piesei. Acesta fiind un aspect important, mai ales în cazul utilizării suportului de tip break-away, este necesar a se asigura spațiu suficient pentru accesul sculelor necesare desprinderii structurii suport de pe piesă.

4.3.6.5 Filete

Filetele create prin FDM nu au o precizie ridicată, recomandându-se realizarea lor prin operații secundare de prelucrare;

Se recomandă evitarea muchiilor ascuțite în proiectarea filetelor pieselor;

Este imposibilă crearea de filete care au la bază un diametru mai mic de 1,6mm.

4.3.6.6 Racordări

Având în vedere modul de fabricare al pieselor FDM, racordările nu sunt necesare din punct de vedere tehnologic în acest procedeu;

Se recomandă proiectarea de raze de racordare ce au valori peste 1 mm.

4.3.6.7 Ansambluri și mecanisme

Având în vedere că prin procedeul FDM se pot construi direct ansambluri de piese, se recomandă ca în planul x-y, jocul dintre piesele componente să aibă o valoare cel puțin egală cu lățimea stratului, în planul z valoarea jocului fiind egală cu grosimea stratului.

4.4 Studiu de caz

4.4.1 Introducere

Tehnica de printare 3D este o latură relativ nouă a tehnologiei ce a cunoscut o evoluție importantă în ultimii ani. Până nu de mult părea imposibil ca orice obiect gândit și proiectat de om să fie realizat prin aparatura la îndemâna consumatorului, dar odată cu trecerea timpului a devenit din ce în ce mai ușor. Creșterea interesului pentru domeniul printării 3D este vizibil atât în rândul pasionaților de tehnologie, cât și în rândul consumatorului obișnuit. Ca urmare a acestui interes și a creșterii cererii de piață, a devenit din ce în ce mai simplu realizarea unei imprimante 3D cu preț redus. Obiectivul aplicatiei este de a descrie pasii necesari obtinerii fizice a prototipului de rotor turbină din modelul virtual obtinut in SolidWorks folosind imprimanta Ultimaker 3 Extended.

4.4.2 Material

Acrilonitril butadien stiren, pe scurt, ABS (Fig 4.10) este un material plastic cu rezistență mare la impact, proprietăți excelente de termoformare si de izolare electrica. ABS are un finisaj perfect al suprafetei mat sau semi-mat, lucios sau semi-lucios.

Descriere:

– Rezistență mare la impact/ șoc

– Izolare electrică

– Termoformabilitate excelentă

Materialul are aplicații in advertising, industria feroviară, industria auto, aparatura medicală, aparatura electronică, industria energetică.

4.4.3 Echipament utilizat

Imprimante 3D FDM (Fused Deposit Modelling) pentru materiale plastice. Imprimantele 3D Ultimaker (Fig. 4.11) sunt proiectate pentru performanță, sunt fiabile, eficiente și ușor de utilizat. Sunt potrivite pentru o mare varietate de aplicații datdeoarece permit folosirea unei game largi de materiale, de la prototipuri la instrumente personalizate. Producătorul Olandez  Ultimaker este unul dintre cei mai buni în domeniul imprimării 3D.

Specificații:

Tehnologie: Fused Deposition Modeling (FDM)

Dimensiunile maxime ale piesei: 230 x 190x 200 mm

Număr extrudere: 2 (permite printare în 2 culori simultan)

Materiale acceptate: PLA, CPE, PC, H Nylon, PP, TPU 95A, PVA precum și derivate ale acestora

Rezoluție straturi: 20 – 200 microni

Diametru maxim filament: 2.8 mm

Temperatură: 180-280o C

Nivelare pat: proces automat

Conectivitate: LAN, Wi-Fi, USB port

Acuratețe – 0,1 mm, variază în funcție de orientare, geometrie și mărimea piesei

4.4.4 Aplicații ale modelelor fabricate prin Rapid Protoyping

Modele realizate prin RP au aplicații industriale nelimitate, ele acoperind o gama mare și diversă de domenii, începând de la producția de bunuri de larg consum, industria automobilistică, aeronautică, domeniul medical cât și în cercetare și proiectare. Vizualizarea produsului, verificarea formei geometrice, a funcționalității acestuia, montaj în cadrul unui ansamblu, realizarea de prototipuri, modele pentru pregătirea fabricației, producerea în serie mică a unor produse, toate acestea sunt ideale în muncă de proiectare și aduc un plus de valoare și un câștig mare în timpul de execuție și prelucrare.

Modelele obținute prin Rapid Prototiping, cu tehnologii;SL; FDM; LOM; SLS, sunt utilizate de multe întrepinderi doar și numai pentru a vizualiza o idee. Astfel un model RP finisat este o copie fidelă a piesei reale. Compartimentele de marketing ale intrepinderilor pot astfel efectua studii de prospect asupra pieței de desfacere și pot lua hotărâri juste în implementarea noului produs pe piață.

4.4.5 Software

SOFTWARE PRINTARE 3D – Ultimaker Cura. Fabricația aditivă, cunoscută și că printare 3D, sau fabricație prin depozitare în straturi are un rol foarte important în dinamică dezvoltării tehnologiilor de fabricație. Avantajul acestei tehnologii este abilitatea de a produce doar pe baza fișierului model CAD, al cărui sursă de informație este, și care este folosit pentru a genera fișierul de control.

În producția formelor complexe, sistemul CAD-CAM este folosit în mod extensiv. Noul trend în dezvoltarea tehnologiilor de fabricație este reprezentat de printarea 3D. Posibilitatea de fabricație pe baza modelului CAD este foarte convenabilă și contribuie la producerea de idei inovatoare. Cea mai importantă faza în realizarea prototipului este cea de dezvoltare a unui model CAD solid.

4.4.5 Metode și materiale

Procesul de printare 3D se poate adapta la sistemele CAM-CAD (Fig 4.12). Programele CAD oferă o gama variată de posibilități de obținere a modelelor 3D. Sistemele tradiționale CAD-CAM pentru tăiere  sunt dificile și necesite intervenții în programarea și organizarea secvențelor de lucru pentru formarea și finisarea produsului. În sistemul CAM de fabricație în straturi, situația este mai simplă. În Figura de mai jos este prezentat sistemul CAD-CAM. Componenta CAM este  software-ul Ultimaker Cura.

Pentru a putea fi prelucrat cu o tehnologie aditivă, modelul CAD trebuie exportat într-un fișier cu extensia .stl, acest lucru fiind posibil prin exportare dintr-un program CAD. Acest tip de extensie conține un set de informații utile în obținerea modelului fizic cum ar fi detalii despre formă suprafeței.

Formatul de fișier .stl este folosit pentru a schimba informații despre geometria piesei între fișierul CAD și o imprimantă 3D. Formatul .stl aproximează suprafața solidului sau al unui nor de puncte cu ajutorul unor triunghiuri.

Din sistemul CAD se obține fișierul cu extensia .stl care conține suprafața design-ului. Acest fișier reprezintă datele de intrare pentru sistemul CAM. O caracteristică importantă a procesului de printare 3D este aceea că producția se desfășoară într-un singur ciclu.

Pentru printarea 3D, codul G a fost generat automat folosind software-ul Ultimaker Cura pe baza datelor din tabelul 4.2 si a fisierului .stl. Materialul folosit este ABS.

Tabel 4.2 Parametrii printării 3D pentru reperul rotor

4.4.6 Salvarea geometriei în format STL

Un fișier STL este o aproximare a modelului geometric sub forma unei colecții de fețe triunghiulare. Cu cât rețeaua de fațete este mai densă, cu atât reprezentarea este mai precisă. În SolidWorks exportul geometriei în format STL se realizează foarte simplu prin opțiunea "Save as" și specificarea opțiunilor de export, prin intermediul ferestrei Export Options. Dispunerea rotorului pe tava de imprimare, este calculată automat de către aplicație, pentru a asigura un consum minim de material și de timp de imprimare.

Aplicația a descompus rotorul în 1516 straturi, consumurile de materiale au fost: material model – 766 g, material suport – 21 g, iar timpul de imprimare – 32 h 28 min. Fișierul STL se încarcă în aplicația Ultimaker Cura unde se realizează și scalarea acestuia de la diametru exterior ~380 mm la ~190 mm.

4.4.7 Itinerariu proces

Prototiparea rapidă (Rapid Prototyping) reprezintă o tehnică folosită la obtinerea rapidă a modelelor la scara pornind de la datele tridimensionale generate de un program CAD.

În momentul de față sunt disponibile mai multe tehnologii, aceastea au în comun faptul că geometria piesei se creează prin depunerea de straturi succesive, deci prin adăugarea de material, spre deosebire de metodele clasice, cum sunt frezarea sau strunjirea, unde obiectele sunt generate prin eliminare de material. Etapele de fabricare ale unei piese prin prototipare rapidă sunt:

Generarea modelului tridimensional – într-un program de proiectare asistată: Solid Works, Autodesk Inventor, AutoCAD, etc.

Conversia fișierului în format STL (Fig 4.15) – formatul Standard Triangulation Language este un format standard, aproximează suprafața oricărui obiect prin intermediul unei rețele de triunghiuri plane, informația corespunzătoare fiecărui triunghi constând în coordonatele celor trei vertex-uri și direcția normalei exterioare. Gradul de aproximare a geometriei este direct proporțional cu densitatea rețelei triunghiulare, precizia crescând cu numărul de triunghiuri. Deoarece programele CAD pot opera cu acest tip de fișier, generarea fișierului se face printr-o simplă opțiune de export din programul CAD.

Descompunerea obiectului în straturi – se realizează într-un program specializat oferit de furnizorul echipamentului; obiectul este descompus într-un număr de straturi cu grosimea ce variază funcție de echipament și creează pe baza parametrilor introduși fișierul de control al procesului: codul G (Fig 4.16) ; de asemenea programul generează o structură suplimentară pentru suportul modelului pe durata procesului; materialul model este utilizat la imprimarea părților pline ale unui model, iar materialul suport este utilizat la susținerea materialului model pe durata generării piesei.

Generarea obiectului 3D (Fig 4.17 a, b, c) – prin depunere strat cu strat și se poate realiza prin intermediul unor echipamente specifice, din diverse materiale model: polimeri, hârtie, pudră de metal.

Curățarea și finalizarea obiectului (Fig 4.18) – constă în extragerea obiectului din echipament. Pentru unele materiale de tip polimer este necesară îndepărtarea materialului suport, prin diferite tehnici, cum ar fi jet de apă sub presiune. La final se pot aplica diferite procedee și operații: tratarea suprafețelor prin șmirgheluire sau vopsire, care îmbunătățesc aspectul vizual al obiectului și durata de utilizare a acestuia.

4.4.7 Avantajele și dezavantajele tehnologiei FDM

Tehnologia este office-friendly, silențioasă și sigură; pot fi produse o multitudine de obiecte și piese utilizabile, paleta de materiale este destul de largă. Prețul modelelor din noile generații este destul de accesibil al printerelor 3D (kituri și modele asamblate) precum și al consumabilelor (role cu filamente plastic). Este o tehnologie simplă de producție care se caracterizează prin ușurință în utilizare.

În cazul unor geometrii mai complexe, viteza de construcție este mică și există riscul apariției unor zone neuniform printate (straturi nelipite), impermeabilitate redusă, acuratețe și rezoluție slabă pentru piese mici și detalii fine (microni).

4.5 Concluzie

Este un adevăr faptul că tehnologiile de printare 3D vor revoluționa sistemele de fabricație. În ciuda îngrijorărilor cu privire la posibilitatea de contrafacere multe companii utilizează deja tehnologia pentru a produce în mod repetat componente complexe, de exemplu în industria auto și aerospațială.

Pe măsură ce imprimantele 3D devin mai accesibile, ele vor fi inevitabil utilizate pentru producția locală, la scară mică, eliminând în mare parte lanțurile de aprovizionare pentru multe tipuri de produse. Unitățile de consum pentru uz casnic vor deveni chiar fezabile, permițându-le utilizatorilor finali să descarce pur și simplu un design pentru produsul de care au nevoie și să îl imprime.

Procesul de printare 3D reprezintă un pas important în dezvoltarea tehnicilor de obținere a prototipurilor și a soluțiilor unice. Caracteristica specială a tehnologiei de printare 3D este abilitatea de a produce direct din modelul CAD secțiuni ale detaliilor și în baza codului G, a unui fișier de control pentru prelucrare, precum și obținerea unor obiecte unicat intr-un timp relativ scurt.

Va fi o provocare majoră pentru industria de fabricație convențională să se adapteze acestor modificări. Oportunitățile pentru tehnologie și inginerie sunt în mod clar uriașe, iar posibilitățile creative în proiectarea produselor și în formularea materialelor de imprimare sunt aproape interminabile.

5. CALCULE ECONOMICE

5.1 Costul fabricației aditive

Fabricația aditivă, cunoscută și că printare 3D a capturat imaginația profesioniștilor din domeniul fabricației produselor încă de la început. De la apariția ei, această tehnologie a fost văzută că un mod de a regândi design-ul pieselor, de a digitaliza procesele de fabricație și de crea produse unice într-un timp mai scurt. Deși capabilitățile tehnologice ale fabricație aditive au fost explorate în profunzime, încă ne lipsește o înțelegere detaliată a costurilor acestei tehnologii relativ noi.

Procesele fabricației aditive sunt asociate în general cu două avantaje majore față de tehnologiile convenționale. Primul avantaj constă în faptul că evita multe din constrângerile geometrice cauzate de sculele și uneltele clasice. Al doilea avantaj este că fabricația aditivă face posibilă obținerea eficientă de produse în volume foarte mici sau chiar obținerea de piese unicat. Oportunitățile tehnologice pe care    aditivă le prezintă sunt de necontestat. Cu toate acestea, lipsește o înțelegere fundamentală a științei economice pe care această tehnologie o are la baza. Se spune frecvent că avantajele ce însoțesc fabricația aditivă vor conduce la mari îmbunătățiri în lanțurile logistice și la scurtarea acestora. Succcesul adoptării acestei tehnologii depinde de înțelegerea aspectelor cheie.

Un element central care trebuie luat în considerare când vrem să introducem fabricația aditivă în planul de afaceri este costul: investiții în aparatură, consumabile. Analiză acestor costuri a scos în evidență faptul că utilizarea capacității disponibile a mașinii este o premisa a eficienței, fapt general valabil și pentru tehnologiile neconvenționale.

În literatură de specialitate au fost identificate 3 aspecte care s-au dovedit a avea o importantă majoră în obținerea costului total pentru procesul de fabricație aditivă

Costul per unitate depinde direct de volumul construit

Tehnologia fabricației aditive este rezultatul mai multor pași succesivi care sunt interconectați și care pot fi puși într-un algoritm

La nivelul actual al tehnologiei, procesele de fabricație aditivă sunt predispuse la o multitudine de defecte de construcție, ce pot avea un efect major asupra costului și astfel trebuiesc luate în considerație atunci când se creează un model de cost.

5.2 Estimare cost

Pentru a putea înțelege costurile printării 3D, este necesar a înțelege cum funcționează această tehnologie. Termenul „3D Print” include mai multe tehnologii distincte. De la începuturile fabricației aditive, în urmă cu mai mult de 30 de ani, mai multe tipuri de utilaje au fost inventate. Lucrul principal pe care acestea îl au în comun este modul în care se execută piesă: design-ul piesei este trimis către imprimantă 3D în felii, după care obiectul este printat strat cu strat într-un proces aditiv, spre deosebire de procesele tradiționale de producție care implică îndepărtarea de material.

Trei dintre cele mai comune tehnici de printare 3D sunt Stereolitografia (SLA), Fabricarea prin depunere de material topit (FDM) și Sinterizare Selectivă cu Laser (SLS), care sunt compararate în tabelul 5.1.

Tabelul 5.1 Tehnici comune de printare 3D

5.2.1 Defalcarea costurilor de producție

Componentele costului: Costuri directe si indirecte

Costurile directe includ utilajul, materialul si munca, iar costurile indirecte includ chiria, salariile angajatilor nonproductivi precum si alte cheltuieli cu utilitatile.

Cele mai importante două componente ale costului sunt, fără îndoială, costurile de materiale și de utilaje. În general, prețul per produs crește direct proportional odată cu scara piesei, întrucât volumul unui produs determină costul materialului și perioada de timp în care trebuie să o construiască mașina. Cu cât este mai mic produsul, cu atât este mai relevantă contributia mașinii în costul total comparativ cu costul materialului și invers.

Pentru a considera dacă o implementare a imprimării 3D în organizație este sau nu o idee bună, este relevant să aruncăm o privire la comparația dintre costul imprimării 3D a produsului si producția acestuia prin metoda de producție actuală, pentru mai multe volume de producție. Conceptual, această compensare ar trebui să arate ca in Figura 5.1. Locația punctului de intersectie a celor 2 curbe ar putea servi drept indicație pentru decizie. Cu cât punctul de intersectie este situat spre dreapta pe axa volumului de producție, cu atat imprimarea 3D rămâne cea mai interesantă si putin costisitoare opțiune.

Pentru a calcula costul se va lua in considerare:

Costul materialului – cantitatea de material necesară pentru piesă și materialul pentru suport dacă este cazul 787g

Timp de imprimare – timpul necesar pentru imprimare ~32 ore

Costul forței de muncă

Post-procesare – calculul poate include lustruirea, vopsirea, tratamentul termic, procese și prelucrări suplimentare

5.3 Metoda de calculație a costurilor direct costing. Pragul de rentabilitate

Costul reprezintă totalitatea cheltuielilor făcute de o întreprindere pentru realizarea mărfurilor sale. Costul reflectă consumul factorilor de producție: capital, munca, natura. Munca se transpune în salariile angajaților. Există atât o munca directă (a muncitorilor care realizează produsele) cât și o munca indirectă (a managerilor care organizează procesul de producție). Natura se evidențiază prin prețul plătit pentru procurarea apei, pentru folosirea terenului, etc.

Metoda direct-costing (a costurilor variabile) face parte din categoria metodelor de calculație a costurilor de tip parțial. Este caracterizată prin faptul că limitează conținutul costului (producției) numai la cheltuielile care depind direct de volumul producției și desfacerii, motiv pentru care în literatura de specialitate este considerată drept o metodă limitativă. Acest fapt asigură determinarea operativă a costului producției. Deși costul de producție nu este complet, conduce la stabilirea unor indicatori cu putere sporită de informare, necesari fundamentării deciziilor conducerii eficiente a activității economice a întreprinderilor.

Esența acestei metode constă în separarea netă a cheltuielilor de producție și de desfacere în raport cu caracterul lor față de variația volumului fizic al producției și desfacerii, în cheltuieli variabile și cheltuieli fixe, și luarea în considerare la calculul costului unitar pe produs numai a cheltuielilor variabile; cheltuielile fixe se scad pe total din rezultatul financiar brut al întreprinderii. Definiția este specifică întreprinderilor productive. Calcularea costului unitar al producției numai din cheltuielile variabile a determinat literatura de specialitate să menționeze metoda direct-costing și sub denumirea de metoda costurilor variabile. De asemenea, este cunoscută sub numele de metoda costurilor marginale. În concepția metodei, cheltuielile variabile se identifică și se colectează direct pe purtători.

Se consideră că numai ele cresc sau descresc în raport cu mărirea sau micșorarea volumului producției și desfacerii. Ca atare, cheltuielile variabile apar, de regulă, numai în cazul desfășurării unei activități de producție, prestări servicii/ sau desfacere. Cheltuielile fixe sunt considerate cheltuieli de structură sau cheltuieli ale perioadei și se efectuează indiferent de volumul de activitate.

Esența metodei direct-costing este ilustrată în tabelul 5.2.

Tipurile de cheltuieli sau costuri parțiale (C) menționate mai sus au un comportament diferit în funcție de volumul producției (Q). Costurile fixe sau constante reprezintă o funcție constantă C în raport cu variabila Q, respectiv o funcție de tipul C = k (constant). Exemple de astfel de costuri sunt: salariile personalului auxiliar, tehnic și de conducere, amortizările, iluminatul general, consumul parazitar de energie și apă, serviciile telefonice, fax, abonamentele la publicații, activitățile de service, primele de asigurare, chiriile plătite, taxele de salubrizare, impozitele pe clădiri, mijloace de transport sau terenuri, în general consumuri care nu se individualizează direct în componența produsului etc. Variația în timp a acestei funcții prezintă însă salturile aferente modificărilor capacităților de producție. În schimb, costurile variabile pot prezenta diferite variații cu producția. Între acestea, costul proporțional (sau liniar), după cum sugerează și denumirea, este acel cost care realizează rapoarte (proporții) constante între costuri și producție. Acest raport constant între costul producției și producția fabricată se numește cost variabil unitar dacă producția este discretă și exprimată în unități fizice (bucăți) sau cost variabil mediu dacă producția este omogenă (exprimată în unități tehnice kg, t, 1, m3, m2 ). Costul unitar al unei astfel de variații este, după cum am văzut, constant. Cu alte cuvinte, este reprezentat printr-o dreaptă paralelă cu axa producției. Este tipul cel mai uzual de variație a costurilor. Exemple de astfel de costuri: consumul de materii prime și materiale directe pe produs, salariile muncitorilor productivi, energia ș.a. Împărțirea costurilor în variabile (operaționale) și fixe (de structură, ale perioadei) conduce la următorul model matematic simplu dar sugestiv:

5.3.1 Costurile directe

Costul direct se calculează cu formula (5.1)

Cd = Cmp + CM [lei] (5.1)

în care:

Cm – cost cu materii prime, materiale, subansamble în lei

CM – cost cu manopera în lei

5.3.2 Costul materiilor prime si materialelor

se calculează cu formula (5.2)

Cmp= [lei] (5.2)

în care:

Q-cantitatea în bucăți

P-preț unitar în lei

Cmp = 100 * 472.2 = 47220 lei

5.3.3 Costul manoperei directe

Cman= [lei] (5.3)

în care:

q – volumul de munca în ore

s – salariu orar în lei/oră

Cman= 200*26,78 = 5357 lei

5.3.4 Cost cu manopera

CM = Cman + Ccol + I + CAS [lei] (5.4)

în care:

Cman – costul manoperei directe în lei

Ccol – costul unor prelucrări realizate prin colaborare în lei

I – impozit pe salarii ( I=17,5% *Cman) în lei

CAS – contribuții pentru asigurările sociale (CAS =25%*Cman ) în lei

CM = 5357 + 0 + 17,5% * 5357 + 25%* 5357 = 7633,92 lei

Din relațiile 5.3 și 5.5 rezultă Cd = 47220 + 7633,92 = 54853,92 lei

CT = CV + CF [lei] (5.5)

în care:

CT- cheltuielile totale în lei

CV – costurile variabile în lei

CF – costuri fixe în lei

PR = CA – CT [lei] (5.6)

în care:

PR – profitul în lei

CA – cifra de afaceri în lei

CT – cheltuielile totale (de tip CGS, CGA) în lei

PR=0→ CA =CT (5.7)

CV = Q × CVU [lei] (5.8)

în care:

CV – costurile variabile în lei

Q – cantitatea fabricată și vândută, în bucăți

CVU – costul variabil unitar în lei

Din (5.8) rezultă == = 472.2 lei

5.3.5 Pragul de rentabilitate

Înlocuind în această relație CA din relația (5.6) și Cd din relația (5.1) se obține cantitatea fabricată (5.9) care realizează profitul dat PR=0

(5.9)

în care:

Q – cantitatea fabricată și vândută în bucăți

CF – costuri fixe în lei

PR – profitul în lei

PV – prețul de vânzare în lei

CVU – costul variabil unitar în lei

Cantitatea (PV – CVU) se numește contribuție (marjă) brută unitară CBU și are caracter de rezultat unitar, considerând drept cheltuieli pe produs numai cele variabile (după cum se observă conține însă și părți din costurile fixe).

Dacă în relația (5.9) facem ca profitul să fie nul (PR = 0), stabilim punctul critic la Q=100, se obține prețul minim de vânzare care la cantitatea fabricată și vândută acoperă costurile, cu alte cuvinte: prețul de vânzare al produselor astfel încât firma (întreprinderea) să-și acopere toate cheltuielile fără a obține profit. Acesta se numește punct de echilibru, prag de rentabilitate, punct critic sau punct mort (Break – Even Point).

Pv = (5.10)

5.4 Impactul fabricației aditive asupra lanțului logistic. Alte costuri relevante

Lanțul logistic tradițional (Figura 5.3) este bazat pe constrângerile industriei producătoare clasice, eficența productiei in masa, inclinatia spre costuri scăzute de fabricație, etc. Tehnologia 3D face abstracție de aceste constrângeri și își arată valoarea in fabricația de volume mici și de articole specifice clientului, care pot avea o complexitate mult mai mare decât este posibil a se obține prin mijloace tradiționale.

Dacă sunt luate în considerare doar costurile de producție, foarte puține produse destinate utilizării finale sunt mai scumpe decât atunci când sunt produse prin fabricatie aditiva, în comparație cu metodele tradiționale.

Cu toate acestea, se pot realiza economii suplimentare atunci când sunt luate în considerare costurile de inventar și logistică, ceea ce duce la impacturi pe întregul lanț de aprovizionare, vizualizate în Figura 5.4. Piesele pot fi tipărite la timp și  prin intermediul unui sistem PULL (sistem lean creat pentru a reduce deșeurile din zona de producție)  are un impact pozitiv asupra costurilor de inventar. Este nevoie de mai puține transporturi, deoarece mai multe părți ale unui produs pot fi tipărite simultan, eliminând nevoia de asamblare, ceea ce afectează pozitiv costurile logistice.

Lanțul logistic tradițional:

Produsele sunt fabricate in masă

Produsele fabricate sunt distribuite prin rețeaua de depozite către clienți

Costuri mari de transport

Amprentă mare de CO2

Lanț logistic adaptat fabricației aditive:

Producție personalizată

Produs obținut și distribuit local

Timp scurt de plumb

Costuri reduse de transport

Amprentă scăzută de CO2

5.5 Concluzii

Imprimarea 3D a apărut în principal ca mijloc de a crea prototipuri. Recentele avansuri tehnologice și aplicațiile de imprimare 3D sugerează că tehnologia are potențial de a revoluționa multe aspecte ale vieții de zi cu zi. Impactul fabricației aditive asupra lanțurilor de aprovizionare îmbracă multe forme, inclusiv procese de producție simplificate, deșeuri de materiale reduse pentru un proces de producție flexibilitate crescută, costuri reduse, reacții mai rapide la cerere și

capacitatea de descentralizare a producției.

În consecință, lanțul de aprovizionare poate reacționa rapid la schimbările de pe piață. Se creează noi oportunități și oferă multe posibilități companiilor care doresc să se îmbunătățească eficiența producției. Fabricația aditivă eficientizează în mod semnificativ metodele tradiționale și are potențial de a deveni norma în deceniile următoare. Tehnologia oferă libertatea de proiectare folosind software-uri CAD standard. Aceasta permite, de asemenea, personalizarea eficientă a produsului.

Având în vedere o perspectivă mai largă, fabricația aditiva poate reduce nevoia de gestionare a lanțului de aprovizionare, deoarece are potențialul de a apropia producătorul și clientul de produs, eliminând astfel legăturile din lanțul de aprovizionare și crescând proximitatea clientului de locul de producție. Un lanț mai scurt va duce la reducerea vulnerabilității la dezastre și perturbări. Atunci când se calculează costul imprimării 3D, ciclul de viață complet al unui produs trebuie luat în considerare, inclusiv factori incalculabili, cum ar fi funcționalitatea îmbunătățită și satisfacția crescută a clienților. Complexitatea măsurării acestor beneficii care nu sunt legate de producție încetinește probabil adoptarea fabricației aditive. Cu toate acestea, identificarea valorii complete a afacerii este foarte importantă pentru a estima adevăratul potențial al fabricației aditive pentru afaceri.