Imprimant ă 3D în sistem cartezian [614970]

UNIVERSITATEA POLITEHNICĂ BUCUREȘTI
FACULTATEA DE ELECTRO NICĂ , TELECOMUNICAȚII ȘI T EHNOLOGIA INFORMAȚIE I

Imprimant ă 3D în sistem cartezian

Proiect de diplom ă
prezentat ca cerință parțială pentru obținerea titlului de Inginer în domeniu l
Inginerie Electronică și Telecomunicații, programul de studii Microelectronică,
Optoelectronică și Nanotehnologii

Coordonatori științifici : Student: [anonimizat]. S.l. Dr. Ing. Horia Cucu Ghiniță Dana -Silvia
Prof. Dr. Ing. Corneliu Burileanu

București
2016

2

3
ANEXA 1

4

5

6

7
CUPRINS
Cuprins ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …. 7
Listă figuri ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …. 9
Listă acronime ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 11
CAPITOLUL 1 Introducere ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………… 12
1.1 Scopul lucr ării ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………… 12
1.2 Defini ție ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………………. 13
1.3 Istorie ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. … 13
CAPITOLUL 2 Metode de printare 3D ………………………….. ………………………….. ……………………….. 14
2.1 Stereolitografia ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………….. 14
2.2 Sinterizarea selectiv ă cu laser ………………………….. ………………………….. ……………………….. 15
2.3 Modelarea cu filament topit ………………………….. ………………………….. ………………………….. 16
2.4 Pulverizarea cu fotopolimer ………………………….. ………………………….. ………………………….. 17
2.4 Alte metode de printare 3D ………………………….. ………………………….. ………………………….. . 18
CAPITOLUL 3 Principiile generale ale print ării 3D ………………………….. ………………………….. ……… 21
3.1 Modelarea ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………. 22
3.2 Printarea ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………… 22
3.3 Finalizarea ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………… 23
CAPITOLUL 4 Sisteme de control tridimensional ………………………….. ………………………….. ………… 24
4.3 Sistem cartezian ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………. 25
4.3 Sistem polar ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………. 26

8
4.3 Sistem delta ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………. 26
CAPITOLUL 5 Componente folosite pentru construirea imprimantei ………………………….. …………. 27
5.1 Motoare pas cu pas ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………….. 28
5.2 Drivere de motoare ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………….. 28
5.3 Placa Arduino MEGA2560 ………………………….. ………………………….. ………………………….. . 29
5.4 Modulul RAMPS ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………. 30
5.5 Senzori ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. 31
5.6 Sistem de extrudare ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………. 32
5.7 Suprafa ță de printare ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……….. 33
5.8 Sursă de alimentare ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………. 34
5.9 Componenta software ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……… 34
5.10 Schema b loc ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………… 35
CAPITOLUL 6 Componente realizate pentru construirea imprimantei ………………………….. ……….. 36
6.1 Modelarea 3D a pieselor ………………………….. ………………………….. ………………………….. ….. 36
6.2 Realizarea piesel or ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………….. 39
CAPITOLUL 7 Concluzii ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………….. 41
3.1 Concluzii generale ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………… 41
3.1 Contribu ții personale ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……….. 42
3.1 Posibilit ăți viitoare de dezvoltare ………………………….. ………………………….. …………………… 43
Bibliografie ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 45

9
LISTĂ FIGURI
Figura 2.1 Tehnica de printare SLA ………………………….. ………………………….. ……………………….. 14
Figur a 2.2 Printarea de tip SLS ………………………….. ………………………….. ………………………….. ….. 15
Figur a 2.3 Principiul imprimantelor de tip FDM/FFF ………………………….. ………………………….. .. 16
Figur a 2.4 Tehnologia pulveriz ării cu fotopolimer ………………………….. ………………………….. ……. 16
Figur a 2.5 Obiect realizat prin tehnica LOM ………………………….. ………………………….. ……………. 17
Figur a 3.1 Model 3D proiectat cu programul Inventor ………………………….. ………………………….. . 19
Figura 3.2 Obiect modelat 3D cu suport ………………………….. ………………………….. ………………….. 20
Figura 4.1 Imprimanta 3D cu sistem de deplasare cartezian ………………………….. …………………… 23
Figura 4.2 Imprimanta 3D în sistem polar ………………………….. ………………………….. ……………….. 24
Figura 4.3 Imprima nta 3D în sistem delta ………………………….. ………………………….. ……………….. 25
Figura 5.1 Motor NEMA 17 (a) și modul de conectare al acestuia (b) ………………………….. …….. 27
Figura 5.2 Schema de interconectare pentru driver ………………………….. ………………………….. …… 27
Figura 5.3 Placa de dezvoltare Arduino MEGA2560 ………………………….. ………………………….. … 28
Figura 5.4 Modul RAMPS 1.4 ………………………….. ………………………….. ………………………….. …… 29
Figura 5.5 Limitator mecanic pentru axa X ………………………….. ………………………….. ……………… 30
Figura 5.6 Element termic de încălzire ………………………….. ………………………….. ……………………. 31
Figura 5.7 Radiatorul și cavitatea termic ă ………………………….. ………………………….. ……………….. 32
Figura 5.8 Suprafa ța de printare ………………………….. ………………………….. ………………………….. …. 33
Figura 5.9 Schema bloc a componente lor imprimantei 3D carteziene ………………………….. ……… 34

10
Figura 6.1 Mecanism de transla ție pe axa Z ………………………….. ………………………….. …………….. 36
Figura 6.2 Mecanismul de împingere și fixare a filamentul ui ………………………….. …………………. 37
Figura 6.3 Suport ventilator ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………. 37
Figura 6.4 Sistemul de tensionare a curelei de transmisie ………………………….. ………………………. 38
Figura 6.5 Radiator din aluminiu ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 39
Figura 6.6 Sistemul de extrudare ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 39

11
LISTĂ ACRONIME
SLA – Stereolitografie (Stereolithography)
SLS – Sinterizare selectiv ă cu laser (Selective Laser Sintering)
FDM – Modelare cu filament topit (Fused Deposition Modeling)
FFF – Fabricare cu filament topit (Fused Filament Fabrication)
ABS – Acrilonitril butadien stiren (Acrylonitrile Butadiene Styrene)
UV – Ultraviolete (Ultraviolet)
STL – Fișier în format sterolitografic (Sterolithography File Format)
PC – Policarbonat (Polycarbonate)
PEI – Politermide (Polyetherimide)
ISO – Organiza ția mondiala pentru standardizare
J-P – Fotopolimer pulverizat (Polyjet or Jetted Photopolymer)
NEMA – Asocia ția national ă a manufacturii electrice
LOM – Fabricarea obiectelor laminate
SLM – Topirea selectiv ă cu laser
DLP – Expunerea digital ă la lumina
CAD – Proiectare asistat ă de calculator
IDE – Mediu de dezvoltare Integrat

CAPITOLUL 1

INTR ODUCERE
1.1 SCOPUL LUCR ĂRII

Tehnica de printare 3D este o latură relativ nouă a tehnologiei ce a cunoscut o evoluție
importantă în ultimii ani. Până nu de mult păre a imposibil ca orice obiect gândit și proiectat de
om să fie realizat prin aparatura la îndemân a 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 realizare a unei
imprimante 3D cu preț redus.
Lucrarea de față are drept scop evidențierea pașilor tehnologici de realizare a unei imprimante
3D cu ajutorul unor dispozitive și tehnologii accesibile, folosind cunoștințele dobândite în
facultate dar și experiența realizării unor proiecte anterioare.
Motivația per sonală pentru realizarea acestei l ucrări a pornit de la dorin ța de a construi o
imprimant ă 3D în sistem cartezian cu dimensiuni reduse, ce poate fi portabil ă în func ție de
situa ție și care s ă îndeplineasc ă cerin țele unei imprimante 3D carteziene profesionale, folosind
componente la îndem âna unui utilizator obi șnuit. Astfel, proiectul integral reprezint ă un pas
important în industria imprimantelor 3D portabile, ce pot fi montate cu u șurință în orice
laborator, birou, sau chiar în locuin ța personal ă, fără a ocupa un spa țiu mare.

Imprimant ă 3D în sistem cartezian

14
1.2 DEFINI ȚIE

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

Începutul printării 3D a avut loc în anul 1976, când imprimanta cu tu ș a fost inventată. În 1984
au avut loc adaptări și progrese a conceptului de printare ce a evoluat de la printarea cu cerneală
la printarea cu o gam ă diver să de materiale. În deceniile ce au urmat, o varietate de aplicații 3D
au fost dezvoltate în mai multe do menii industriale, dar nu numai. Prima imprimantă 3D a fost
creată de Charles Hull în 1984, ceea ce a permis crearea de obiecte reale pe baza datelor
proiectate digital. Ace astă evoluție a dus la crearea unui avantaj în testarea prototipurilor înainte
de începerea producției în masă, astfel economisind mult capital. [1]
În anii 90, primul mecanism SLA (Stereolitografie ) a fost produs de 3D System, sistem ce a
dovedit că piese complexe pot fi realizate în câteva ore. Odată cu evoluția tehnologică, au apărut
imprimante 3D ce pot printa chiar și organe din țesut celular , ceea ce duce la o dezvoltare a
industriei medicale. Dar revoluția printării 3D nu se oprește aici, atât domeniile transportu rilor,
electronicii, fabricației , comercial au cunoscut o îmbun ătățire datorită acestei noi tehnici, fapt ce
ne convinge că imprimantele 3D vor deveni din ce în ce mai necesare.
În anul 2008 a ap ărut prima imprimant ă 3D cu capabilitate de a -și printa o ma re majoritate a
părților sale componente. Dispozitivul a fost lansat ca parte din proiectul RepRap sub denumirea
de Darwin și a condus industria sp re domeniul cre ării unor imprimante ce se pot auto -replica.
Începand cu anul 2009 au fost disponibile pe pia ță o varietate de kit -uri ce au permis construirea
unei imprimante 3D la cost redus și într-un timp relativ scurt.
Anul 2011 a reprezentat pentru industria print ării 3D un pas important în evolu ța imprimantelor
3D în domeniul medicinei. O echip ă de cercet ători impreun ă cu medicii unui spital din Statele
Unite ale Americii au prezentat un prototip de rinichi func țional ce a fost printat 3D în totalitate
și care poate rezolva problema transplantului pentru peste 92 000 de persoane înscrise pe listele
de așteptare. Chiar și în prezent se lucreaz ă intens la perfec ționarea sistemului de printare astfel
încât tehnologia s ă fie sigur ă pentru pacien ți, dar și accesibil ă ca pre ț astfel încât un mare num ăr
de oameni s ă poată beneficia de aceast ă soluție.
În capitoul c e urmează vom analiza în detaliu mai multe categorii de imprimante 3D, ce diferă
prin tehnica de printare utilizată în procesul de fabricație. Toate imprimantele 3D aparțin clasei
de aparaturi de fabricare aditivă, dar se pot împărți în mai multe categorii în funcție de procesul
de realizare al obiectului tridimensional final. În următorul capitol vor fi prezentate mai multe
tipuri de imprimante 3D și detalii în legătură cu producerea pieselor proiectate digital.

CAPITOLUL 2

METODE DE PRINTARE 3D
2.1 STEREOLITOGRAFIA

Folosind proprietățile rășinii lichide de a fi solidificată la o anumită lungime de undă, o
imprimantă 3D de tip SLA funcționează prin concentrarea unui fascicul de lumină UV pe
suprafața unui recipient umplut cu rășină lichidă. Un strat subțire este tra s cu fasciculul UV la un
moment dat și un obiect va fi construit strat cu strat, straturi ce vor fi în final lipite împreună prin
tehnologia cu laser. După aceea, un model plin, cu rezoluție foarte ridicată va fi ridicat din
recipientul de suport. Rășin a lichidă nefolosită poate fi recolectată pentru un alt proiect de
printare ulterior. Această metodă a fost folosită la prima imprimantă 3D disponibilă comercial,
inventată de Charles Hull în 1986. La vremea ace ea nu era vândută sub denumirea de
imprimantă 3 D și era folosită pentru a demonstra idei și a testa diverse modele. [3]
Prin această metodă putem realiza prototipuri funcționale și ansambluri, modele de tu rnare,
tipare, piese optimizate pentru mașinării și multe alte modele. Cu toate acestea, materialu l folosit
poate fi doar polimer epoxi flexibil sau rigid, ceea ce rezultă un domeniu limitat de materiale ce
pot fi utilizate .
În figur a 2.1 este prezentată tehnica SLA de printare 3D, folosind un laser UV, un sistem de
scanare, rășină lichidă, platform ă și un piston. După introducerea unui model în imprimantă, pe
fiecare strat, fasciculul laser urmărește un tipar în secțiune transversală pe suprafața rășinii

Imprimant ă 3D în sistem cartezian

16
lichide. Pistonul controlează platforma ce se deplasează în sus și în jos pentru a asigura
construc ția straturilor până ce obiectul este finalizat. Obiectul astfel rezultat trebuie curățat,
eliminând straturile de suport și orice alt material în plus, după care obiectul trebuie întărit prin
punerea acestuia într -un cuptor UV. În final, obiectul brut es te terminat și gata pentru finisare și
montaj.
Un avantaj al folosirii tehnici SLA este că se pot realiza obiecte cu modele geometrice complexe
și mai ales cu suprafețe de printare fără imperfecțiuni, chiar și la obiecte de dimensiuni reduse.
Aceste avanta je sunt contracar ate de un dezavantaj major, și anume, costul foarte mare de
realizare a unei astfel de imprimante.

Figura 2.1 Tehnic ă de printare SLA [2]

2.2 SINTERIZAREA SELECTIV Ă CU LASER

Sinteriza rea selectivă cu laser (SLS) este o combinație între printarea 3D tradițional ă și printarea
3D cu laser. Întregul proces este similar cu SLA cu excepția faptului că fasciculul UV este
înolcuit de un laser și recipientul cu rășină este înlocuit de o bază su b formă de pudră, formată
din : polistiren, ceramică, sticlă, nailon, dar chiar și metale precum : titan, aluminiu, argint și
oțel. Acesta este un mare avantaj al SLS deoarce oferă posibilitatea de a produce obiecte într -o
varietate mare de materiale. Acea stă metodă folosește fascicu lul laser pentru a încălzi pudr a de
material, iar pulberea este topită la un anumit punct (sinterizat ă). Pudr a ce nu a fost sinterizat ă
devine structur ă de suport pentru pies ă. Nu există pierderi de material atunci când obiectu l este
finalizat, deoarece surplusul de material poate fi folosit la următorul proces de printare. SLS a
fost inventat de Carl Deckard și colegii săi de la Universitatea din Texas, Austin în anul 1980.
[4]
Figura 2 .2 ilustrează construcția unei impimante 3D de tip SLS. În afară de laser , sistemul de
scanare, platform ă și piston, datorită proprietăților de material a pulberii folosite, se va mai
adăug a încă un sistem pentru fixa rea materialului. Configurația constă într -o platformă de
pulbere, un piston și un cilindru de presare, după cum se poate observa în figur a 2.2 . Pistonul
este împins în jos în timpul procesului în timp ce pulberea este împinsă în part ea opusă. Cilindru
conduce pudr a în secțiunea de fab ricație pentru a livra materialul până ce obiectul este realizat
complet. În interiorul unei mașinării SLS se afla cuptorul necesar pentru încălzirea materialului

Imprimant ă 3D în sistem cartezian

17
la o temperatură aproximativă temperaturii de topire. Acest material, aproape topit, va fi încălzit
selectiv de către fasciculul laser înainte de a fi lipit. Când obiectul este finalizat, este necesar un
timp de așteptare până când materialul se răcește și se poate îndepărta, împreună cu stratul de
sacrificiu ce se afl ă la contactul cu suprafața de printare. După acest pas, obiectul este finaliz at
și pregătit pentru utilizare. [5]
Printre dezavantajele alegerii acestui tip de metod ă de printare 3D, putem enumera în principal
dimensiunea mare a sistemului de printare final, ceea ce presupune și costuri mai mari privind
componentele mecanice conțin ute dar și imposibilitatea realizării unei astfel de imprimante de
către un amator din pricina costului mare al materialelor consumabile.

Figura 2.2 Printarea de tip SLS [6]

2.3 MODELAREA CU FILAMEN T TOPIT

Dintre toate tipurile de imprimante 3D, aceast ă metod ă are marele avantaj al prețul ui redus , atât
al materialelor folosite pentru printare a propriu -zisă a componentelor imprimantei 3D, c ât și a
consumabilelor . De asemenea , este metoda folosită cel mai des pentru realizarea imprimantelor
3D de către persoanele pasionate în cadrul locuințe i proprii , cu materiale ușor de procurat și la
preț relativ redus. Cu ajutorul acestei metode, un filament dintr -un material termoplastic topit
este extrudat prin duza aflată la capătul sistemului de scoatere a filamentului, pe suprafața de
printrare în straturi pentru a realiza obiectele proiectate . Fiecare nou strat va fi depus deasupra
unui alt strat și alipit acestuia deoarece materialul extrudat se întărește a proape imediat după ce a
fost scos prin duz ă. În mod uzual, imprimantele FDM foloses c plastic ABS, PLA, polimeri
biodegradabili, iar unele mai “excentrice” folosesc chiar beton, ciocolată, zahăr sau alte alimente
neobi șnuite . Tehnica FDM a fos t inventată î n anii 1980 de către cercet ătorul Scott Crump,
fondatorul companiei Stratasys, companie ce se afl ă în topul companiilor industriei de printare
3D. FDM este un termen provenit de la Fused Filament Modelling ( Modelare cu filament topit
), iar FFF reprezint ă Fused Filament Fabrication (Fabricare cu filament topit ). În cazul tehnicii
FFF, un întreg tub , față de o duză , este folosit în procesul de alimentare cu material. Figura 2.3
descrie procesul de printare cu tehnica FDM/FFF. Straturile sunt suprapuse u nul câte unul prin
scoaterea materialului topit prin vârful extruderului. Filam enetul de ABS este introdus de un
mecanism ce are in componen ța role din țate și este topit în timp ce se afl ă în sistemul de

Imprimant ă 3D în sistem cartezian

18
extrud are, mai precis în cavitatea termic ă.[7]
Princ ipalul dezavantaj al tehnicii FDM este că în cazul unor modele cu o complexitate ridicată
din punct de vedere geometric, viteza de realizare a obiectului real crește semnificativ dar poate
duce și la crearea unor mici imperfecțiuni de suprafață din cauza l ipirii imperfecte a unor
straturi. De asemenea, în cazul pieselor de dimensiuni reduse, rezoluția nu este la fel de bună ca
în cazul pieselor de dimensiuni realitiv mari.
Aplicațiile principale ale modelarii de tip FDM sunt : realizarea prototipurilor în d iverse domenii
cu scopul testării, realizarea de ansamble și subansamble rezistente, proiectare conceptuală,
producerea obiectelor de uz casnic și multe altele.

Figura 2.3 Principiul imprimantelor de tip FDM/FFF[8]

2.4 PULVERIZAREA CU FOTOP OLIMER

Această metodă este cea mai apropiată metod ei de printare tradițională cu cerneală. Lichidul
polimer este pulverizat afară în mod precis și întărit cu ajutorul luminii UV. Straturile sunt
depuse succesiv pâ nă ce obiectul este finalizat. Această metodă are diverse avantaje : poate crea
obiecte de constitu ție elastică și permite folosirea mai multor materiale și culori pentru a putea fi
încorporate î ntr-un singur obiect de o rezol uție înaltă. Această tehnologi e a fost dezvoltată de
Objet, companie ce acum face parte din Stratasys. [9]

Imprimant ă 3D în sistem cartezian

19

Figura 2.4 Tehnologia pulveriz ării cu fotopolimer [10]
2.5 ALTE METODE DE PRINTA RE 3D

Există o varietate de metode de printare 3D în afara celor patru metode men ționante anterio r.
De exemplu, extrudarea prin seringă poate fi folosită pentru printarea 3D, folosind aproape orice
material ce poate fi încălzit. Astfel, ciocolat a, brânz a, argila, cimentul pot fi utilizate prin această
tehnic ă neobi șnuită.
SLM ( Selective Laser Meltin g) – topirea selectivă cu laser este o metodă similară cu SLS ce
topește complet pulberea de material înloc să o încălzească la temperatură apropiată temperaturii
de topire. Este similară cu EBM, ce folosește fascicule de electroni în locul fasciculelor UV în
timpul procesului de fabricație. Încă o metodă, numită LOM ( Laminated Object Manufacturing
) – fabricarea de obiecte laminate, metodă în care mii d e straturi de material fabricat e din hârtie
adezivă pe ambele părți , plastic sau metal laminat, sunt lip ite împreună în mod succesiv și tăiate
în form a dorită cu ajutorul unei lame de cuțit sau a unui laser. Obiectul poate c ăpăta aspect
precum lemnul, simulând inele le din interiorul tulpinei unui copac . În figur a 2.5 avem o
reprezentare a unui obiect produs prin tehnica LOM. Principalul dezavantaj al tehnicii LOM este
varietatea mică de materiale ce pot fi folosite în fabricație, dar are ca avantaj rezoluția foarte
bună și de asemea posibilitea de a printa în culori foarte diverse. Aplicațiile principale în c are se
poate folosi LOM sunt : testarea formei modelelor fizice, printarea de piese color, realizarea de
modele 3D de dimensiuni mari pentru un preț relativ scăzut în comparație cu alte metode de
printare. [11]

Imprimant ă 3D în sistem cartezian

20

Figura 2.5 Obiect realizat prin tehnica LOM [12]

Expunerea digitală la lumină (DLP) este un alt tip de tehnologie folosită în printarea 3D. DLP
este un proces de fabricare aditivă ce prin intermediul unui fascicul UV se solidifica diverse
tipuri de rășini polimerice lichide necesare aplicației. Avantajul acestei metode este calitatea
produsului final obținut, obiectele fiind precise, cu suprafețe fine, indiferent de dimensiunea lor.
Ca dezavantaj al metodei DLP putem menționa prețul ridicat atât în ce costa costul final al
producerii piesei cât și costul de realizare al imprimantei 3D propriu -zise. Cu toate acestea,
imprimantele 3D cu sistem de printare de tip DLP sunt folosite în testarea funcțională a
prototipurilor pentru o diversitate de domenii industriale, dar și pentru realizarea obiectelor ce
necesită precizie foarte mare, precum modele din industria medicală, electronică și industria
automobilelor. [13]

CAPITOLUL 3

PRINCIPIILE GENERALE ALE PRINT ĂRII 3D
3.1 MODELAREA
Modelele printabile 3D pot fi create cu un software de proiectare 3D sau printr -o scanare 3D.
Procesul manual de modelare pentru realizarea datelor geometrice pentru grafica 3D
computerizată este similară cu acela și proces în domeniul artelor plastice, spre exemplu
sculptarea. Scanare a 3D este un proces de analiză și colectare de date digitalizate despre form a
și aspectul un ui obiect real. Pe baza acestor date, modele tridimensionale ale obiectelor scanat e
prin programe specializate pot fi reproduse.
Ambele procese de realizare de mode le 3D, atât cel manual cât și cel automatic este destul de
dificil pentru un consumator obișnuit. De aceea există nenumărate piețe de desfacere în acest
domeniu, ce au apărut în ultimul deceniu, mai ales în mediul online. Printre cele mai cunoscute
astfel de comunități se enumara : Thingverse,Shapeways, MyMiniFactory, Threading, GrabCAD
etc.
În figur a 3.1. avem un model computerizat al imprimantei realizate cu ajutorul programului
Autodesk Inventor. Schiță corespunde la scala obiectului real, toate dimensi unile fiind măsurate
și proiectate astfel încât să ușureze munca în etapa de asamblare mecanică.

Imprimant ă 3D în sistem cartezian

22

Figura 3.1 Model 3D proiectat cu programului Inventor
3.2 PRINTAREA
Înainte de a printa un model 3D dintr -un fișier de tip STL, trebuie în prealabil să fie procesat de
un software, denumit în mod uzual “slicer”, ce convertește modelul într -o succesiun e de straturi
subtitiri și produce o serie de comenzi de deplasare pe cele trei axe de deplasare și informații în
legătură cu depunerea de material. Aceste comen zi formează G -Code (în cazul imprimantei
studiate în această lucrare) dar denumirea poate diferi în funcție de imprimantă sau de software –
ul utilizat . Există mai multe astfel de programe de tip “slicer” inclu zând Skeinforge, Slic3r,
KISSlicer, Cura , etc.
Imprimanta 3D urmează instrucțiunile din G -Code pentru a depune straturi succesive de material
pentru a forma obiectul final. Aceste straturi, ce corespund cu sec țiunile virtuale ale model ului
CAD, sunt îmbinate automat și alipite , realizându -se astfel fo rma finală. Principalul avantaj al
acestei tehnici este abilitatea de a crea aprope orice formă geometrică dorit ă.
Rezoluția imprimantei descrie grosimea stratului de material depus , rezoluția X -Y în num ăr de
puncte per inch (dpi) sau microm etri (μm). Gros imea unui strat este în mod uzual în jurul valorii
de 100 μm, adică 250 dpi, deși există imprimante ce pot realiza straturi de zeci de μm. Din
software, putem modifica aceast ă grosime conform cu cerin țele necesare aplica ției. Rezoluția X –
Y este comparabilă cu rezoluția în cazul imprimantelor tradiționale cu laser. Punctele sunt în jur
de 50 – 100 μm în diametru.
Construcția unui model prin metode contemporane poate lua de la câteva ore până la câteva zile,
depinzând de metoda folosită, de mărimea și comple xitatea modelului. Sistemele aditive pot
reduce acest timp până la câteva ore, deși depinde de mașinăria folosită și de mărimea și
numărul de modele produse simultan.
Tehnicile tradiționale precum injecția prototipurilor pot fi mai economice pentru fabric area
produșilor polimerici în cantități mari, dar fabricația aditivă este mai rapidă, mai flexibilă și mai
ieftină când vine vorba de prod ucerea unei cantități mici de obiecte. Imprimantele 3D dau
proiectanților și echipelor de dezvoltatori conceptuali abi litatea de a produce prototipuri și
obiecte de test cu o imprimantă de dimensiun i reduse. [14]

Imprimant ă 3D în sistem cartezian

23

3.3 FINALIZAREA

Deși rezoluția realizată prin printar e poate fi suficientă pentru o serie largă de aplicații, printarea
unei versiuni de o dimensiune superioară a obiectului dorit în rezoluție standard și eliminarea
materialului printr -un proces substractiv de rezoluție înalt ă poate obține o precizie mai bună,
necesară în anumite aplicații specifice.
Anumite tehnici de fabricare aditivă sunt capabile să utilizeze m ai multe materiale în construirea
unui obiect finit. Unele sunt capabile să printeze mai multe culori sau combinații de culori
simultan. Unele utilizează o bază de suport în procesul de fabricare. Suportul este ușor de detașat
sau, în unele cazuri, dizolva bil la finalizarea componentei, după cum se poate oberva în figur a
3.2. De asemenea, în figur ă putem sesiza o captură din programul software ce realizează
conversia fișierelor de tip STL în fișier de come nzi interpretabile de imprimant a 3D. În cadrul
acest ui program putem configura mai mulți parametri precum grosimea stratultui depus, modul
de umplere a structurii, profilul, înclinarea, încadrarea modelului, etc.

Figura 3.2 Obiect modelat 3D cu suport

În capitolul ce urmeaz ă sunt analizate principalel e sisteme de descriere a deplas ării în spa țiu în
cazul imprimantelor 3D și se realizeaz ă o compara ție privind principalele avataje și dezavantaje
a fiec ărui sistem în parte precum și motivul alegerii sistemului cartezian în cadrul proiectului
prezentat în aceast ă lucrare.

Imprimant ă 3D în sistem cartezian

24

CAPITOLUL 4

SISTEME DE CONTROL TR IDIMENSIONAL
4.1 SISTEM CARTEZIAN

Imprimanta 3D cu sistem cartezian de deplasare este cel mai r ăspândit tip de model și de
asemnea, modelul ales pentru imprimanta din aceast ă lucrare. Denumirea sa provine de la
sistemu l XYZ de coordonate folosit pentru deplasarea pe cele trei axe.
În general, pe axele X și Y se monteaza sistemul pentru extrudarea materialului, iar pe axa Z are
loc deplasarea suprafe ței de printare în sus sau in jos. Exist ă și alte metode de montare a
extrud ării astfel încât proiectarea mecanic ă să fie mai u șoara. Principalul avantaj al alegerii
modelului cartezian este simplitatea realiz ării unui astfel de sistem din punct de vedere mecanic
dar, prezint ă avantaje și din punct de vedere al utiliz ării sof tware -ului ceea ce face ca aceast
sistem s ă fie ușor de realizat chiar și de către amatori. Dimensi unea unei astfel de imprimante cu
sistem cartezian, se poate configura s ă fie oric ât de mic ă sau de mare este necesar pentru
aplica ția în care este utilizat ă, păstrând aria de printare relativ propor țional ă cu m ărimea
imprimante i. Acest avantaj a condus la realizarea imprimantei descrise în ace astă lucrare , ce are
o dimensiune cu mult redus ă față de alte imprimante 3D disponibile pe pia ță, dar aria de printare
este suficient ă pentru realizarea multor obiecte fizice.[2]

Figura 4.1 Imprimant ă cu sistem de deplasare cartezian [15]

În figura 4 .1 este prezentat ă o imprimant ă 3D în sistem cartezian cu axele de deplasare aferente.
Pe figur ă sunt reprezent ate si minimele si maximele fiec ărei axe, aceste valori sunt deosebit de
importane deoarece f ără ele nu am putea realiza o calibrare eficient ă a imprimantei. De
asemenea, în figur ă se poate observa faptul c ă pentru deplasarea pe axa Z au fost folosite dou ă
motoare, ceea ce prezint ă un dezavantaj la sistemul de ghidaj cartezian deoarece duce la costuri
suplimentare. În cadrul imprimantei descrise în aceast ă lucrare, acest deza vantaj a fost eliminat,
implemen tând un sistem de deplasare pe axa Z folosind un si ngur motor.[14]
4.2 SISTEM POLAR

În general, imprimantele 3D construiesc un obiect prin mi șcarea capului de printare pe suprafa ța
de printare. În cazul unei imprimante 3D în sistem polar apare o inova ție la nivel de deplasare pe
cele trei axe, astfel nu extr uderul este cel ce se mi șcă pentru a atinge coordonatele XYZ dorite ci
aria pe care obiectul este printat. Mi șcarea ariei de printare este de asemenea diferit ă față de o
imprimant ă 3D tradi țional ă, aceasta mi șcându-se pe o traiectorie determinat ă de coordo nate
polare, sistem similar cu cel cartezian doar c ă aceste coordonate descriu puncte pe o traiectorie
circular ă, nu pe a o traiectorie rectangular ă. Astfel , sistemul este format dintr -o suprafa ță de
printare ce se invarte ște cu o viteza configurabil ă și un cap ăt de printare ce are o deplasare sus –
jos .[16]
Marele avantaj al acestei metode este faptul ca se pot folosi doar doua motoare pas cu pas in
constructia imprimantei. Acest lucru determina un consum mai mic, un cost redus si o
modalitate mai usoara de configurare.
Majoritatea imprimantelor 3D cu sistem polar pot printa obiecte de dimensiuni mari, f ără a
necesita ca și imprimanta s ă aibă dimensiuni în deosebit de voluminoase, proiectarea sa put ând
fi optimizat ă astfel încât mărimea s ă fie redus ă cât de mult posibil comparabil cu suprafa ța de
printare.[17]

Imprimant ă 3D în sistem cartezian

26
O astfel de imprimant ă este prezentat ă în figura 4.2.

Figura 4.2 Imprimant ă 3D în sistem polar [18]
4.3 SISTEM DELTA

Sistemul de control de tip delta este al doilea cel mai folosit sistem în industria imprimantelor
3D. Imprimantele 3D în sistem delta folosesc de asemenea, sistemul de coordonate cart ezian,
doar c ă un pic modificat. Mi șcarea bra țelor unei astfel de imp rimante se face la un unghi fix,
prestabilit, iar acest lucru cre ște foarte mult viteza de printare. De asemenea, suprafa ța de
printare este fix ă, aceasta nu se poate deplasa, fapt ce este folositor în cazul anumitor printuri. Pe
lângă viteza de printare mult îmbun ătățită, imprimanta 3D în sistem delta mai are ca avantaj
important și înălțimea de printare mare pe axa vertical ă. Aceast ă înălțime este folositoare pentru
deplasarea bra țelor de printare , dar poate fi folosit ă pentru a printa obiecte de înălțimi sau l ățimi
foarte mari.
În majoritatea cazurilor, imprimantele 3D în sistem delta au o suprafa ță de printare încălzită,
circular ă, dar exist ă și modele ce prezint ă o suprafa ță rectangular ă. Avantajele suprafe țelor de
printare rectangulare sunt costul redus al acestora, gama variat ă de modele, u șurința în a alege și
a monta suprafa ța în si stem dar și posibilitatea înlocuirii acesteia cu mai mult ă ușurință.[19]
În figura 4.3 avem schi țată o imprimant ă 3D de tip delta și principalele sale componente
mecanice.

Imprimant ă 3D în sistem cartezian

27

Figura 4.3 Imprimant ă 3D în sistem delta [20]

În capitolul ce urmeaz ă sunt desc rise componentele folosite în construirea imprimantei 3D în
sistem cartezian. De și aceste componente nu au fost realizate de mine ci , în mare parte,
achizi ționate, a existat un grad avansat de dificultate în utilizarea și interconectarea lor la
întregul si stem, necesit ând cuno ștințe avansate de folosire a acestora , dar și o documentare
amănunțită.

Imprimant ă 3D în sistem cartezian

28

CAPITOLUL 5

COMPONENTE FOLOSITE P ENTRU
CONSTRUC ȚIA IMPRIMANTEI
5.1 MOTOARE PAS CU PAS

Motoarele sunt probabil cele mai importante componente ale imprimantei deoarec e ele
determin ă deplasarea pe cele trei axe și direc ționeaz ă filamentul prin sistemul de extrudare.
Pentru aceast ă lucrare au fost alese motoare pas cu pas, din categoria motoarelor f ără perii
(“brushless”) ce au ca proprietate fundamental ă faptul c ă o rot ație complet ă poate fi impar țită
într-un num ăr exact de pa și. Motivele pentru care motorul pas cu pas a ajuns să fie folosit într -o
gamă ma re de aplicații este acuratețea, dar și repetabilitatea. Din cauza faptului c ă aceste
motoare nu au un circuit de fee dback trebuie ales cu grij ă modelul de motor necesar aplica ției,
altfel încât să obținem pasul dorit. Modelul ales pentru aceast ă aplica ție este motorul NEMA 17
(National Electrical Manufacturers Association), din categoria motoarelor pas cu pas unipolare .
Un motor bipolar , are dou ă bobine ce sunt permanent alimentate, cuplul ob ținut av ând o valoare
optim ă față de modelul unipolar unde doar una din cele dou ă bobine este alimentat ă, astfel
rezult ă un cuplu redus. Motorul bipolar are patru fire de conectare , iar cel unipolar șase, și este
comandat prin inversarea sensului curentului prin cele dou ă bobine, pe r ând. În figura 5.1(a) este

Imprimant ă 3D în sistem cartezian

29
prezentat motorul NEMA 17, model 103H5208 -10U41 care are următoarele caracteristici
principale : pasul de 1.8°, tensiunea reco mandat ă variabil ă între valoare de 12 vol ți și 24 vol ți,
curentul de faz ă de 2 amperi și cuplul de 59 Newton centimetri. Motoarele efectueaz ă o rota ție
complet ă într-un num ăr de 200 de pa și, la care se adaug ă nivelul rezolu ției dorite, iar înmul țind
aceste două valori, vom ob ține numă rul de pa și efectivi a i unei rota ții complete. [21]

(a) (b)

Figura 5.1 Motor NEMA 17 (a) și modul de conectare al acestuia (b) [22]

5.2 DRIVERE DE MOTOARE

Driverele de motoare sunt utilizate pentru controlul motoarelor prezentate în subcapitolul
anterior. Modelul de driver ales este A4988 și a fost ales datorit ă interfe ței de control u șor de
folosit și gradului de configurare și interconectare facil. Schema de interconectare cu
microcontrolerul și motorul pas cu pas este reprezentat ă în figura 5.2. Av ând în vedere c ă
imprimanta folose ște patru motoare, vor fi necesare patru astfel de drivere pentru controlul
individual al fiec ărui motor.

Figura 5.2 Schema d e interconectare pentru driver [23]

Imprimant ă 3D în sistem cartezian

30
Utilizarea driverului pentru controlul motorului presupune urm ărirea a mai multor pa și de
configurare.
În primul r ând trebuie ca pinul ENABLE, care func ționeaz ă în logic ă invers ă, să fie conectat la
masă pentru a putea fi activat cipul. Conectarea sa la tenesiunea de alimentare (VCC) conduce la
dezactivarea cipului. De asemenea, pinul RESET și pinul SLEEP vor fi și ei conecta ți la masa
printr -o rezisten ță.
În al doilea r ând trebuie configurat ă rezolu ția pasului, asfel se conecteaz ă pinii MS1, MS2, MS3
la alimentare prin intermediul unor întrerup ătoare electrice. În cazul în care cei trei pini sunt
neconecta ți, driverul va lucra la num ărul de pa și maxim permis de motor. În celelalte cazuri,
vom putea seta nivele intermed iare corespunz ătoare unor rezolu ții cu valori cuprinse între ½ și
1/32 .
În ultimul r ând, trebuie conectat motorul la pinii OUT1A, OUT2A, OUT1B, OUT2B. Pentru a
evita arderea cipului, este recomandat ca motoarele s ă nu fie conectate sau deconectate de la
driver in timp ce acesta este alimentat.
În urma acesor trei pa și de setare a driverului , motorul poate fi controlat doar prin intermediul a
trei semnale : cel de pornire, semnalul de control al rezolu ției și semnalul de control al direc ției.
Astfel, dac ă pe pinul STEP al driverului este primit un impuls, acesta corespunde unui pas al
motorului într-o direc ție ce va fi d ată de pinul de direc ție(DIR) cu o rezolu ție presetată. În cazul
în care pinul de direc ție este l ăsat în aer, motorul va efectua rota țiile într-o singur ă direc ție.
5.3 PLACA ARDUINO MEGA 2560

Aceast ă placă de dezvoltare are montat un microcontroler Atmega2560, ce func ționeaz ă la o
tensiune de alimentare în intervalul 7 -12 vol ți și care prezint ă o memorie de program suficient
de mare pentru încărcarea si rularea programului . Aceast ă placă de dezvoltare are 54 de
intrări/ieșiri digitale (din care 14 pot fi folosite ca ie șiri PWM), 16 intr ări analogice, 4 UART
(porturi seriale, seriale hardware), un oscilator de 16 MHz și un buton de resetare. Ac easta
conține tot ceea ce este necesar pentru a sus ține un microcontroler. Placa se conecteaz ă la portul
USB al calculatorului folosind un cablu de tip USB. Poate fi alimentat ă extern (din priz ă)
folosind un alimentator extern . Figura 5.3 prezint ă placa de dezvoltare Arduino MEGA 2560.

Figura 5.3 Placa de dezvoltare Arduino MEGA2560 [24]

Imprimant ă 3D în sistem cartezian

31
Placa de devoltare Arduino MEGA2560 are urmatoarele specifica ții :
 Microcontroler: ATmega2560;
 Tensiunea de operare: 5V;
 Pini digitali I/O: 54 (din care 14 pot fi f olosi ți ca PWM);
 Pini analogi de intrare: 16;
 Memoria: 256 KB din care 8 KB utiliza ți de bootloader;
 Memoria SRAM: 8KB;
 Memoria EEPROM: 4KB;

5.4 MODULUL RAMPS

Modulul RAMPS (Reprap Mega Polulu Shield) este special conceput pentru realizarea de
imprimante 3D de mai multe categorii. Este ușor de interfa țat cu placa de dezvoltare Arduino
Mega2560 și este conceput special pentru controlul componentelor electronice necesare
imprimantelor 3D sau altor ma șinării asemanatoare. Prin intermediul acestui modul putem
conecta driverele motoarelor și extruderul, dar și alte componente suplimentare, deoarece fiind o
placă de extensie a unei pl ăci principale, este special realizat ă pentru conectarea mai multor
elemente . Placa prezint ă trei tranzistoare de mare putere MOSFET, conectori d e putere , spa țiu
de conectare pentru maxim cinci drivere de motoare de tip pas cu pas , motoare pas cu pas cu
precizia pasului de 1/16, dou ă extrudere, o suprafa ță de printare încălzită, un ventilator, o surs ă
de alimentare de 12 vol ți, pân ă la trei termistori, șase limitatoare mecanice și multe alte
funcționalit ăți suplimentare. Figura 5.4 prezint ă modulul descris anterior. Modulul RAMPS 1.4
se conecteaz ă direct la placa de dezvoltare Arduino MEGA2560, atâ șand-o fix deasupra pl ăcii,
având grij ă să se realizeze toate conexiunile cu pinii.

Figura 5.4 Modul RAMPS 1.4 [25]

Imprimant ă 3D în sistem cartezian

32

5.5 SENZORI

În cadrul imprimantei 3D în sistem cartezian din aceast ă lucrare exist ă două categorii de senzori
importan ți utiliza ți pentru controlul și monitorizarea func ționării corecte a întregului proiect, și
anume : senzorul de temperatur ă și senzorii de proximitate. Ace ști senzori reprezint ă intrările în
sistem, deoarece prin citirea termistorului (senzor ul de temperatur ă) și a limitatoarelor mecanice
(senzori i de proxim itate) putem lua decizii importante la nivel de ansamblu. Senzorii sunt
conecta ți la porturile modului RAMPS 1.4 ce comunic ă mai departe cu placa de dezvoltare
Arduino MEGA2560.
Limitatoarele sunt esen țiale în procesul ini țial de calibrare pe cele trei axe de deplasare a
imprimantei 3D. Astfel, prima func ție realizat ă în momentul începerii print ării este mi șcarea pe
cele trei axe p ână la atingerea limitatoarelor.
Limitatoare mecanice sunt senzori de proximitate ce ajut ă la identificarea atingerii pozi ției de
minim sau maxim pe axele de deplasare a le sistemului de ghidaj. De și exist ă mai multe tipuri de
astfel de limitatoare (optice, magnetice, etc), în aceast ă lucrarea am optat pentru cele din
categoria mecanic ă, acestea fiind cele mai simple, con ținând doar două fire ce au comportament
de întrerup ător. Putem alege între dou ă moduri de conectare, în func ție de configurarea
conexiun ii : în primul mod, prin atingerea limitatorului se realizeaz ă legătura între cele dou ă
fire, iar în al doilea mod leg ătura între fire este realizat ă atunci c ând limitatorul nu este ac ționat.
Al doilea mod de conectare este folosit, astfel unul din fire este conectat la mas ă iar cel ălalt la
microcontroler. Componenta software face citirea limitatorului , iar când acesta este ac ționat se
va realiza conexiunea cu masa rezult ând un nivel logic de 0.

Figura 5.5 Limitatorul mecanic pentru axa X

Imprimant ă 3D în sistem cartezian

33
Senzorul de temperatur ă este un termistor de tip NTC (Negative Temperature Coefficient) adic ă,
cu coeficient de temperatur ă negativ, a c ărui re zisten ță scade odat ă cu cre șterea temperaturii
măsurate. Senzorul realizeaz ă funcția de control a l temperaturii cavit ății de extrudare pentru a
nu dep ăși o temperatur ă critic ă ce poate duce la distrugerea unor componente importante. De și
măsurarea tempera turii cu ajutorul unui termistor este mai complicat ă, presupun ând anumite
calcule suplimentare și o implementare software mai greoaie, termistorul este de preferat în
aceast ă aplica ție datori tă dimensiunilor reduse, modului u șor de montare în sistemul meca nic și
preciziei suficient de bune.
5.6 SISTEM DE EXTRUDARE

Întregul sistem de extrudare de filament este format din mai multe entit ăți diferite , cu roluri bine
definite și greu de realizat cu obiecte la îndem âna oric ărui utilizator. De aceea am optat pentru
procurarea unui astfel de sistem, iar montarea și calibrarea acestuia țin de contribu ția mea
persona lă în aceast caz.
Entitatea ce se ocup ă cu introducerea sau retragerea de filament este format ă din dou ă role
metalice, una din ele are rolul de a presa f ilamentul, asigur ând faptul c ă acesta r ămâne într-o
poziție fixa, dorit ă, fără riscul de a se îndoi sau rupe, iar cealalt ă rolă ajută la deplasarea
filamentului de plastic spre cap ătul de printat. Aceste role sunt ac ționate de un motor de tip pas
cu pas, d escris în subcapitolul 5.1, cu un pas suficient de mic astfel încât să se sincronizeze cu
viteza de printare, adic ă depunerea efectiv ă a staturilor de filament topit, retr ăgând sau
împing ând filamentul atunci c ând este necesar. Pentru a determina num ărul d e pași necesari
pentru extrudarea unui milimetru de filament împărțim num ărul de pa și pentru o rota ție
complet ă la num ărul de milimetri de filament de plastic introdus. Desigur, num ărul de pa și
pentru o rota ție complet ă va fi determinat prin înmul țirea re zoluției cu num ărul de pa și ai unei
rotații, adica 200. În urma acestor calcule vom ob ține un num ăr teoretic, care nu va reprezenta
valoarea exact ă, real ă. De aceea, este necesar ă o etap ă de calibrarea pentru a determina c ât mai
precis aceast ă valoare.
Entitatea sistemului de extrudare ce se ocup ă de topirea filamentului reprezint ă partea activ ă a
sistemului. Aceasta are în vârf o duz ă de dimensiuni reduse, pentru a permite doar trecerea
firului de plastic topit, cu o deschidere de 0.3 milimetri. Cavitatea în care filamentul este
propriu -zis topit se nume ște camer ă termică și este componenta ce consum ă cel mai mult curent
deoarce se încălzește până la temperaturi de aproximativ 300 de grade Celsius prin intermediul
cartu șului ceramic termic. De asemenea, tot din cauza temperaturii ridicate a componentei,
trebuie prev ăzut și un sistem de r ăcire. În acest scop a fost montat un radiator și un ventilator ,
adiacente la camera termic ă.
Camera termic ă este prev ăzută cu o cavitate de montare a senzorului de temperat ură pentru a citi
temperatura și a comanda printarea din cadrul componentei software , dar și cu o alt ă cavitate
pentru conectarea elementului de încălzire prezentat în figura 5.6.

Imprimant ă 3D în sistem cartezian

34

Figura 5.6 Element termic de încălzire [26]

Radiatorul are dublu rol în sistem. În primul r ând, disip ă căldura provenit ă din camera termic ă,
iar în al doilea r ând este prev ăzut cu locuri speciale pentru montarea barelor de glisare pe axele
X și Y ajut ând astfel la sistemul de ghidaj.

Figura 5.7 Radiatorul și cavitatea termic ă
Acest mod de realizare a sistemului de extrudare este cel mai des întânlit model, apare at ât la
imprimantele profesionale c ât și la cele realizate de utilizatorii pasiona ți de domeniul print ării
3D, acesta fiind motivul principal pentru care l -am ales în imprimanta 3D realizat ă.

5.7 SUPRAFA ȚA DE PRINTARE

Pentru a simplifica dificultatea, a reduce costul și consumul, în loc de o suprafa ță de printare cu
încălzire, am optat pentru o suprafa ță de sticl ă, fără încălzire. Aceast ă metod ă are o serie de
avantaje din punct de vedere al pre țului redus al componetei, a u șuriței cu care se poate înlocui
și monta geamul, dar prezint ă un dezavantaj în ceea ce prive ște aderen ța plasticului pe surafa ța
sticlei. Din aceasta cauz ă, ca solu ție de compromis, înaintea începeri i procesului de printare,

Imprimant ă 3D în sistem cartezian

35
suprafa ța de sticla trebuie s ă fie acoperit ă cu un strat de lipici pentru ca plasticul s ă adere f ără
probleme încă de la primul strat. Aceast ă metod ă, deși nu optim ă din punct de vedere estetic,
este eficient ă, dar conduce la o pr oblem ă suplimentar ă, și anume, îndep ărtarea dificil ă a
obiectului de pe aria de printare și curățarea acesteia.

Figura 5. 8 Suprafa ța de printare
5.8 SURSA DE ALIMENTARE

Pentru alimentarea imprimantei este necesar ă o surs ă cu cerin țe precise, și anume o tensiune de
12 vol ți și un amperaj de minim 5 amperi. Motivul pentru care consumul este at ât de ridicat
este în principal datorat cavit ății termice ce consum ă foarte mult pentru a putea reu și să
încălzeasc ă și topi filamentul de plastic, ad ăugând la ace st consum și consumul motoarelor și al
restului de componente.
5.9 COMPONENTA SOFTWARE

Componenta software poate fi împar țită în dou ă entități discrete, și anume, codul Arduino
încărcat pe microcontrolerul de pe placa de dezvoltare și interfa ța software de c onfigurare ce
este instalat ă pe laptop. Software -ul realizeaz ă citirea și împar țirea modelului 3D în straturi de
dimensiuni fixe, transformarea instruc țiunilor în comenzi u șor de interpretat, f ără a fi necesar ca
utilizatorul s ă mai scrie cod suplimentar pentru func ționare. Desigur, exist ă opțiunea de
optimizare a codului și de introducere a unor func ții noi pentru control si monitorizare. De

Imprimant ă 3D în sistem cartezian

36
asemenea, software -ul este gratuit, poate fi desc ărcat și instalat pe orice sistem de operare și nu
necesit ă alte ce rințe suplimentare.
Firmware -ul este programul ce se afl ă pe pl ăcuța de dezvoltare, încărcat pe microcontrolerul
Atmega2560. Firmware -ul reprezint ă legătura dintre componenta software și componenta
hardware, el interpret ând comenzile din formatul dat de fi șierul generat de software și
gestioneaz ă comenzile în mi șcări corespondente. Configurarea firmware -ului este unic ă pentru
fiecare imprimant ă în parte, astfel trebuiesc setate dimensiunile, precizia print ării, propriet ățile
de printare, func țiile supliment are sau lipsa altor op țiuni.
Arduino IDE (Integrated Development Environoment) se folose ște pentru progr amarea plă cuței
Arduino MEGA2560. Din codul scris în arduino putem configura sau modifica mai multe set ări,
cele generale, legate de rata de transfer, placa de dezvoltare folosit ă, num ărul de extrudere
utilizate, se pot modifica și setările termice, legate de temperaturile maxime și minime de
operare, setările mecanice, ce presupun configurarea motoarelor, senzorilor de proximitate, ariei
de printare, et c.
În aceast ă lucrare, programul folosit pentru printarea 3D este Repetier, un program gratuit, cu o
interfa ță ușor de folosit și cu func ționalit ăți complete pentru a realiza definirea întregului sistem
creat.
5.10 SCHEMA BLOC
În figura 5. este prezentat ă schem a bloc a sistemului realizat cu principalele componente ale
sale. Placa Arduino MEGA2560 este placa de suport pentru

Figura 5.9 Schema bloc a componentelor imprimantei 3D carteziene

Imprimant ă 3D în sistem cartezian

37

CAPITOLUL 6

COMPONENTE REALIZATE PENTRU
CONSTRUCTIA IMPRIMAN TEI
6.1 MODELAR EA 3D A PIESELOR

Modelarea tridimensionala a obiectelor se realizeaza cu un program CAD. Exist ă mai multe
astfel de programe disponibile : SolidWorks, CATIA, AutoCAD, etc. Am optat pentru
programul Autodesk Inventor, versiunea 2015, varianta gratuit ă pentru studen ți deoarce este un
program complet, cu multe func ționalit ăți si modalită ți de configurare.
Un obiect tridimensional este un model geometric ce descrie matematic toate rela țiile dintre
suprafe țe, plane, puncte și realizeaz ă legături, sau constr ângeri între acestea pentru a def ni
complet întregul model. Un astfel de obiect poate fi realizat at ât prin procese de modelare

Imprimant ă 3D în sistem cartezian

38
procedural ă, cât și prin procese de scanare tridimensionala cu aparatur ă special conceput ă in
acest scop.
Procesul de modelare tri dimensională procedural ă oferă o multitudinde de avantaje, principalul
fiind acela c ă, având cuno ștințele necesare de proiectare, putem crea orice obiect ne putem
imagina, f ăra alt e constr ângeri suplimentare.
Proiectarea componentelor imprimantei 3D carte ziene a avut ca prim pas documentarea și
cercetarea a mai multor tipuri de modele și configura ții disponibile. Pornind de la un standard
deja consacrat în industria imprimantelor 3D am decis s ă aduc o îmbun ătățire prin crearea unei
astfel de imprimante la dimensiuni reduse, p ăstrând totu și o arie de printare suficient de mare
pentru realizarea unei game largi de obiecte. De asemenea , am considerat că aria de printare este
cel mai important aspect al imprimantei de aceea dimensi umea, modul simplu de realizar e,
ușurința mentenan ței dar și costul redus au fost principalele criterii de care am ținut cont în
vederea proiect ării tridimensionale. Mecanismul de suport al suprafe ței, dar si cel de suport al
motoarelor și sistemului de deplasare, a fost proiectat ținând cont de constr ângerile
dimensiunilor componentelor, ob ținând astfel un aspect foarte compact al imprimantei prin
minimizarea distan țelor dintre componente.
În principal, imprimanta 3D cartezian ă realizat ă pentru lucrarea de fa ță, prezint ă trei
component e importante : baza, partea superioar ă și pilonii de leg ătura.
Baza imprimantei este compus ă din sistemul de prindere al motoarelor, sistemul de transla ție pe
axa Z, suportul pentru barele de glisare și sistemul de presare a filamentului. Toate elementele
au fost proiectate astfel încât să realizeze o bun ă conectare și încapsulare a sistemului. Pentru
sistemul de deplasare pe axa Z s -a folosit un mecanism format dintr -un motor pas cu pas, o bar ă
filetat ă și dou ă roți din țte. Astfel, prin mi șcarea motorului într-o anumit ă direc ție setat ă din
software, roata din țată conectat ă direct la motor se va învârti și aceasta va transmite rota ția către
roata dințată montat ă pe baza imprimantei. Prin mi șcarea ro ții de pe baza, bara filetat ă se va roti,
deoarce aceasta e ste fixat ă prin intermediul unui filet direct pe roat ă. În figura 6.1 este prezentat
acest mecanism.

Figura 6.1. Mecanism de transla ție pe axa Z

Imprimant ă 3D în sistem cartezian

39

Subsistemul repsonsabil cu introducerea sau retractar ea filamentului este prezentat în figura 6.2.
Observăm că prin cele dou ă role se fixeaz ă și preseaz ă filamentul, una dintre aceste role, cea
conectat ă la motor, se mi șcă astfel încât să deplaseze filamentul de plastic prin tubul conectat la
sistemul de extru dare montat pe partea superioar ă.

Figura 6.2 Mecanismul de împingere și fixare a filamentului

Partea superioara a imprimantei con ține barele de ghidaj pentru deplasarea extruderului pe axele
X și Y, sistemul de scripe ți pentru fixarea curelei de transmisie dar și suportul pentru
ventilatorul ce ar e ca scop r ăcirea radiatorului.
Suportul pentru ventilato r este prezentat în figura 6.3 și a fost special proiectat pentru r ăcirea
radiatorului.

Figura 6.3 Suport ventilator

Imprimant ă 3D în sistem cartezian

40
Pilonii de sus ținere sunt cei ce conecteaz ă partea superioar ă de baza impriman tei. Au rol de a
fixa înalțimea imprimantei, de a oferi sus ținerea p ărții superioare și de asemenea, pe ace ști piloni
sunt fixate și componentele de tensionare a curelelor de transmisie. Aceste componente au rolul
de a asigura o mi șcare fin ă, de transla ție, care s ă transforme rotirea motorului pas cu pas în
mișcare pe una din axele de deplasare : X sau Y.

Figura 6. 4 Sistemul de tensionare a curelei

6.2 REALIZAREA PIESELOR

Realizarea fizic ă a pieselor din plastic a fost efectuat ă cu ajutorul unei alte im primantei 3D
carteziene. Piesele proiectate de c ătre programul CAD au fost salvate ca fi șiere cu extensia
“.stl”, provenit ă de la termenul de stereolitografie, și mai apoi încarcate în software -ul ce se
ocup ă cu împărțirea modelului în straturi succesive de material, de grosime configurabil ă, și
convertirea acestuia într-un fi șier cu extensia “.zcode”, similar fi șierului tip G code discutat în
capitolul 5.9, fi șier ce trebuie încărcat în memoria imprimantei și selectat din meniul de
comand ă. Fișierul Z -code con ține comenzi de deplasare pe axele X, Y si Z și informa ții în
legătură cu cantitatea de material ce trebuie depus la fiecare moment de timp. Aceste comenzi
sunt înțelese și interpretate de firmwareul imprimantei, urm ând ca în urma selec ției fi șierului
dorit, imprimanta s ă înceap ă efectiv printarea 3D, apel ând mai înainte de orice func ția de
autocalibrare.
În procesul de printare a pieselor, pentru a ob ține o mai bun ă aderen ță la suprafa ța de printare și
o latur ă adiacent ă la aceast ă suprafa ță cât mai precis ă, s-a adăugat un strat sup limentar de suport
pentru obiectu l modelat , un a a zis strat de sacrificiu, ce în etapa de finalizare a piesei va fi
eliminat .
Durata de printare a fiec ărei piese difer ă în func ție de complexitatea obiectului, de modul de
umplere, de viteza setata și de mul ți alți parametri. Cu aproxima ție, în jur de douazeci de ore au
fost consumate pentru a printa sau reprinta piesele componente ale imprimantei prezentate.
Unele piese necesare acestui proiect au trebuit reprintate de c âteva ori din cauza întâmpin ării
unor probleme de natur ă mecanic ă sau electric ă.
Realizarea fizic ă a pieselor metalice proiectate 3D, și anume a radiatorului și a barelor me talice
componente ale sistemului de glisare pe axele X si Y a presupus trimiterea schi țelor unui atelier
de prelucrare specializat. Avantajul principal al pieselor este greutatea redus ă deoarece ca
material s -a ales aluminiul.
În figura 6.2 este prezentat radiatorul, parte component ă a sistemului de extrudare.

Imprimant ă 3D în sistem cartezian

41

Figura 6.5 Radiator din aluminiu
Figura 6.6 detaliaz ă modul de prindere a radiatorului la cavitatea termic ă în cadrul sistemului de
extrudare. Cele dou ă fire conectate în cavitatea termic ă sunt termistorul utilizat pentru m ăsurarea
temperaturii și elementul ceramic de încalzi re.

Figura 6.6 Sistemul de extrudare

În capitolul ce urmeaz ă sunt prezentate concluziile lucr ării dar și o serie de eventual e
îmbun ătățiri ce se pot realiza în cadrul proiectului descris. Aceste îmbun ătățiri țin de natura
aplica țiilor de utilizare a imp rimantei și a modului preferat de printare, nu de calitatea print ării
obiectelor 3D modelate. Modul de realizare actual este suficient pentru ob ținerea unor piese
printate de precizie bun ă si îmbun ătățirea performan țelor ce țin de acurate țea print ării poat e fi
facut ă doar prin alegerea unor componente electronice sau mecanice cu specificatii mai bune.
Acest fapt va conduce desigur la un cost ridicat al procesului de fabricare a imprimantei 3D.

Imprimant ă 3D în sistem cartezian

42

CAPITOLUL 7

CONCLUZII
7.1 CONCLUZII GENERALE

În aceast ă lucrarea am evi dențiat at ât cele mai importante aspecte cu privire la industria print ării
3D c ât și etapele principale ce trebuiesc urmate pentru construirea unei astf el de imprimante , în
sistem cartezian cu componente la îndem âna oric ărui utlizator.
Prezentarea princip alelor metode de printare disponibile la momentul actual în industrie și
eviden țierea avantajelor și dezavantajelor fiec ărei metode în parte are ca scop încapsularea
acestor informa ții astfel încât, luarea unei decizii privind alegerea optim ă a metodei de printare
să fie un proces facil.
Prin descrierea principiilor generale are print ării 3D am eviden țiat principalele procese ce
trebuiesc urmate atunci c ând se dore ște ob ținerea unui obiect real prin tehnica de printare 3D.
Aceste procese stau la baza realiz ării unui obiect tridimensional, indiferent de metoda de
printare sau de modelare aleas ă.
Având în vedere c ă orice imprimant ă 3D trebuie s ă desfasoare o deplasare în spatiul
tridimensional, în aceast ă lucrarea s -au prezentat cele ma i populare sisteme de co ntrol a mi șcării
tridimensionale. Astfel, sistemul cartezian, polar și delta au fost analizate în detaliu pentru a

Imprimant ă 3D în sistem cartezian

43
expune avantajele și dezavantajele fiec ărui sistem in parte. Am motivat de asemenea si alegerea
sistemului cartezian de translatie pe axele X YZ in proiectul practic.
Orice imprimant ă 3D contine o serie de componente atat de natura mecanica sau electronica cat
si de natura software, astfel incat am enumerat toate piesle pe care le -am utilizat in constructia
imprimantei precum si etapele in care au fost folosite. Pe langa descrierea modului de utilizare si
conectare a acestora am prezentat si motivul pentru care fiecare componenta a fost aleasa,
precizand specificatiile din documentatia de specialitate ce m -au determinat sa aleg piesa
respectiva.
În concluzie, întreaga lucrarea a fost structurat ă astfel încat informatiile cu privire la tehnicile
de printare și realizare a unei imprimante 3D in sistem cartezian s ă fie înțelese de orice cititor
dornic sa îsi îmbun ătățească cuno ștințele într-un domen iu nou, interesant și din ce in ce mai
popular și anume, domeniul print ării tridimensionale.
7.2 CONTRIBU ȚII PERSONALE

În construc ția imprimantei 3D în sistem cartezian s -au folosit o gam ă variat ă de componente de
natur ă mecanic ă, electric ă sau software. Cu toate c ă din punct de vedere al componentei
software nu au fost aduse imbunatatiri personale, modul de utilizare, de identificare si rezolvarea
a erorilor aparute pe parcurs, configurare a parametrilor si descriere a pasilor ce trebuiesc urmati
pentru a re aliza functionarea programului au semnificat o contributie personala importanta.
Partea electronica a proiectului poate fi impartita in doua categorii din punct de vedere al
contributiilor aduse in acest proiect, si anume : in primul rand partea de alegere si de
interconectare a tuturor componentelor electronice, impreuna cu gasirea unor solutii optime
pentru integrarea acestora in proiectul realizat, acesta avand dimensiuni reduse fata de
majoritatea imprimantelor 3D disponibile pe piata, iar in al doilea rand partea de mentenanta si
de rezolvare a problemelor de natura electrica aparute pe parcursul realizarii imprimantei.
Cea mai semnificativa contributie personala adusa in domeniul imprimantelor 3D este de
departe proiectarea si modelarea tridimensionala a intregului dispozitiv, incluzand atat
mecanismele de deplasare cat si sistemele de sustinere, de extrudare, de incalzire si de fixare.
Astfel, s -a reusit realizarea unei imprimante de dimensiuni reduse, care are mare avantaj ca
poate fi portabila si uti lizabila si in spatii mai mici, dar care include o arie de printare suficient
de mare pentru printarea unei game variate de obiecte. In industria fabricarii imprimantelor 3D,
inca nu s -au dezvoltat suficiente dispozitive de dimensiuni atat de mici, asadar putem considera
ca prin acest proiect s -a realizat un pas important in domeniul imprimantelor 3D in sistem
cartezian portabile.
7.3 POSIBILIT ĂȚI VIITOARE DE DEZVOL TARE

Pentru a îmbun ătăți imprimanta 3D din punct de vedere al portabilit ății și ușurintei de tr ansport
se poate realiza un cablaj imprimat ce s ă conțina toate func ționalit ățile și toate componentele
modulului RAMPS 1.4 împreun ă cu cele de pe placa de dezvoltare Arduino MEGA2560 . Astfel ,
vom ob ține o plac ă integrat ă ce poate fi u șor montat ă în struct ura actual ă a imprimantei.
O alt ă îmbun ătățire poate fi adus ă prin montarea unui modul de afi șaj ce s ă poate oferi
informații în legatur ă cu starea print ării. Acest afisaj poate fi conectat tot la placa RAMPS și
controlat prin intermediul func țiilor deja i mplementate în limbajul arduino. De asemenea, prin

Imprimant ă 3D în sistem cartezian

44
adăugarea unui sistem de fixare a rolei de filament și control al introducerii filamentului prin tub
se poate asigura o compactibilitatea și mai ridicat ă a imprimantei.
Motivul pentru care aceste îmbun ătățiri nu au fost realizate în cazul proiectului de fa ță este
prețul ridicat al componentelor, ce ar ridica astfel foarte mult costul de realizare al imprimantei
fără a se justifica acest pre ț in calitatea, acurate țea sau preciziea obiectului printat. De asem enea,
se poate justifica si un timp suplimentar necesar pentru modificarea si impelentarea tuturor
acestor îmbun ătățiri, timp care s -ar apropia de num ărul de ore depuse pentru construc ția propriu –
zisă a imprimantei 3D in sistem cartezian.

Imprimant ă 3D în sistem cartezian

45
BIBLIOGRAFIE
[1] http://wermutham.com/pdf/The%20Third%20Industrial%20Revolution.pdf accesat la data 17.06.2016
[2] http://www.3dprinting.lighting/3d -printing -technologies/stereolithography accesat la data 17.06.2016
[3] http://www.createitreal.com/index. php/technology/process accesat la data 17.06.2016
[4] Lee, K.W., Wang, S., Fox, B.C., Ritman, E.L., Yaszemski , M.J., Lu, L., 2007. “Poly bone tissue engineering
scaffold fabrication using stereo lithography: ef fects of resin formulations and laser paramet ers. Bio
macromolecules ”
[5] C.L., Leong, K.F., Chua, C.K., Du, Z., 2001. ”Dual material r apid prototyping techniques for the development of
biomedical devices. Part I. Space creation”
[6] http://dorotheacarney.com/picsnda/selective -laser -sintering accesat la data 17.06.2016
[7] http://www.livescience.com/39810 -fused -deposition -modeling.html accesat la d ata 17.06.2016
[8] http://3devo.eu/guide -fdm-printable -plastics -3d-printing -filament/ accesat la data 17.06.2016
[9] http://goo.gl/Nl5km O accesat la data 30.06.2016
[10] http://www.custompartnet.com/wu/jetted -photopolymer accesat la data 17.06.2016
[11] http://goo.gl/c2sPOu accesat la data 30.06.2016
[12] http://replicatorinc.com/blog/2009/11/5000 -printer -available -now-for-a-limited -time accesat la data 17.06.2016
[13] https://www.sculpteo.com/en/glossary/lom -definition/ accesat la data 19.06.2016
[14] F.Rengier, A.Mehndiratta, H.von Tengg -Kobligk, C.M.Zechman, R.Unterhinninghofen, H.U.Kauczor, F.L.
Giesel, 2010, “3D pri nting based on imaging data: review of medical applications”
[15] http://www.makerslide -machines.com/co/page -z-axis-cartesian -3d-printer.html accesat la data 19.06. 2016
[16] http://polar3d.com/smartly -simple -polar -vs-cartesian -3d-print/
[17] http://polar3d.com/how -to-tell-the-difference -between -polar -3d-cartesian -and-delta -printers/
[18] https://3dprint.com/35656/polar -3d-printer -ces-2015/ accesat la data 17.06.20 16
[19] http://richrap.github.io/3DR -Delta -Printer/ accesat la data 17.06.2016
[20] http://robinsonia.com/wp/?p=161 accesat la data 17.06.2016
[21] http://goo.gl/h3Xb5U accesat la data 17.06.2016
[22] http://goo.gl/2z1FbW accesat la data 17.06.2016
[23] https://www.pololu.com/p roduct/1182 accesat la data 17.06.2016
[24] https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardMega2560 accesat la data 17.06.2016
[25] http://reprap.org/wiki/File:RAMPS_1.4.2.jpg accesat la data 17.06.2016
[26] http://goo.gl/hFb0rY accesat la data 17.06.2016

Imprimant ă 3D în sistem cartezian

46

Imprimant ă 3D în sistem cartezian

47
ANEXA 1 : IMPRIMANT Ă 3D ÎN SISTEM CARTEZIAN

Imprimant ă 3D în sistem cartezian

48
ANEXA 2 : CONEXIUNEA PL ĂCUȚEI DE DEZVOLTARE
CU MODULUL RAMPS

Imprimant ă 3D în sistem cartezian

49
ANEXA 3 : OBIECT PRINTAT CU IMPRIMANTA 3D ÎN
SISTEM CARTEZIAN