Partea I: Imprimanta 3D in sistem cartezian 4 [305029]

Partea I: Imprimanta 3D in sistem cartezian 4

Capitolul I Introducere: 4

1.1 Scopul Lucrării: 4

1.2 Definiție: 4

1.3 Istorie: 4

[anonimizat] 3D 6

2.1 Printare 3D cu metal: 6

2.2 Stereolitografia (SL sau SLA): 7

2.3 Fabricarea Stratificata prin Laminare: 9

2.4 Printarea cu Filament Topit/Modelarea prin extrudare: 10

[anonimizat] 3D 12

3.1 Modelarea: 12

3.2 Pregătirea modelului digital in vedere printării acestuia: 12

3.3 Printarea: 13

3.4 Finalizarea: 14

[anonimizat]: 15

4.1 Sistem cartezian 15

4.2 Sistem polar: 17

4.3 Sistem Delta 18

Capitolul V. Componente Imprimante 3D. 20

5.1 Motoarele Pas cu Pas: 20

5.2 Drivere Motoare Pas cu Pas: 22

5.3 Placa de baza 23

5.4 Senzorii: 24

5.5 Sistemul de extrudare 24

5.6 Suprafața de printare 25

5.7 Axele de precizie 25

5.8 Sursa de alimentare 25

5.9 Cadrul: 26

6. Realizarea pieselor din plastic : 28

Partea II: Proiectarea procesului tehnologic de fabricație a reperului „Suport Step Motor” 29

Capitolul I. Studiul tehnic: 29

1. Studiul piesei pe baza desenului de produs finit. 29

1.1. Rolul funcțional al piesei (facultativ); 29

1.2. Analiza posibilităților de realizare a preciziei macro si micro geometrice (dimensionale, [anonimizat] a suprafețelor și a rugozității) prescrise în desenul de reper; 29

2. Analiza critică a condițiilor tehnice impuse piesei (facultativ); 31

2.1 Date asupra materialului semifabricatului ([anonimizat], proprietăți mecanice); 31

2.2. Stabilirea metodei și a procedeului economic de realizare a semifabricatului: 31

2.3. Tehnologia de obținere a semifabricatului (sumar tratată). 31

2.4. Adaosurile totale de prelucrare conform STAS. 32

2.5 Schița semifabricatului: 33

3. Proiectarea procesului tehnologic de prelucrare mecanica 34

3.1 Procesul tehnologic tip pentru acest fel de reper 34

3.2 Proiectarea structurii și a succesiunii operațiilor procesului tehnologic: 34

4.Proiectarea conținutului a 6 operații de prelucrare mecanică din procesul tehnologic, (din care minim 2 operații în minim 2 variante tehnologice). 56

Op 1 – Frezare 56

Op 1 – Frezare – Varianta II 64

Op 22 – Filetare 69

Op 14 – Strunjire: 73

OP13 – Adâncire 77

Op 4 – Frezare Cilindrica de degroșare: 86

Op 9 – Găurire: 91

[anonimizat] 96

1.Caracterul producției: 96

2.Calculul lotului optim de fabricație pentru cela 6 operații: 97

3.Calculul economic justificativ pentru stabilirea variantei economice in cazul a 2 variante: 99

[anonimizat] a procesului tehnologic : 105

1.Calculul numărului de MU necesar si al gradului de încărcare a MU: 105

2.Amplasarea Mașinilor in flux tehnologic: 106

3. [anonimizat]: 107

Capitolul IV Realizarea reperului TCM 141/1 pe mașini unelte cu comanda numerica. 113

Capitolul V [anonimizat] E doar de referinta il voi pune pe cel bun miercuri 114

5.1 Proiectarea unui dispozitiv de frezat pentru realizarea operației 21 114

5.2 Proiectarea unui calibru tampon neted dublu TRECE/NU TRECE pentru verificarea alezajului Ø15 H8 de la operația 19. 118

CONCLUZII 119

Bibliografie: 120

Referinte : Se va sterge la terminarea licentei 120

Partea I: Imprimanta 3D in sistem cartezian

Capitolul I Introducere:

1.1 Scopul Lucrării:

Tehnica de printare 3D nu este un proces tocmai nou el este folosit de câteva decenii, ea mai poartă si numele de "prototipare rapidă". Această tehnologie a apărut în anii '80, fiind folosită inițial de companiile cu bugete masive, precum cele din industria aerospațiala, sau de echipele de Formula 1, aceasta tehnica 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.

Lucrarea de fată 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 experiență realizării unor proiecte anterioare.

Motivația personală pentru realizarea acestei lucrări a pornit de la dorința de a construi o imprimantă 3D în sistem cartezian cu dimensiuni mărite, care in funcție de situație poate fi portabila și să îndeplinească cerințele unei imprimante 3D carteziene profesionale, folosind componente la îndemâna unui utilizator obișnuit. Astfel, proiectul integral reprezintă un pas important în industria imprimantelor 3D portabile, ce pot fi montate cu ușurință în orice laborator, birou, sau chiar în locuința personală, fără a ocupa un spațiu prea mare.

1.2 Definiție:

Imprimarea 3D sau depunerea strat cu strat este un proces aditiv de formare a unui obiect solid tridimensional de orice formă, realizat printr-un proces repetitiv de adăugare de straturi succesive de material în diferite forme. Imprimarea 3D este, de asemenea, distinctă de tehnicile de prelucrare tradiționale, care se bazează în principal pe eliminarea materialelor prin metode cum ar fi tăiere sau de foraj (procesele substractive).

1.3 Istorie:

Pentru putea avea o viziune de ansamblu asupra modului in care a apărut si s-a dezvoltat imprimarea 3D trecând ulterior de la stadiul de tehnologie la fenomen cu implicații nu numai industriale, ci si in rândul hobbistilor, este necesara întoarcerea in timp, in anii ’80, Cele mai vechi tehnologii de imprimare 3D au devenit prima data vizibile la sfârșitul anilor ’90, moment in care au fost numite tehnologii de prototipare rapida (RP).

Producătorii au folosit in secret tehnologia de imprimare 3D, cunoscuta sub numele de fabricație aditiva, pentru a construi modele si prototipuri de produse încă de acum 20 de ani. Charles Hull a inventat prima imprimantă 3D comerciala si a oferit-o pentru vânzare prin intermediul companiei sale 3D Systems in anul 1986. Mașina de stereolitografie Hull a folosit o tehnica care se bazează pe un laser pentru a solidifica un material polimer sensibil la ultraviolete folosind „atingeri” cu lumina ultravioleta degajata de laser.

Tehnologia a rămas relativ necunoscuta publicului larg până in al doilea deceniu al secolului XXI. O combinație de finanțare a guvernului SUA si startup-uri comerciale, a creat un nou val de popularitate fără precedent in jurul ideii de imprimare 3D de atunci încoace.

Administrația președintelui Barack Obama a acordat 30 de milioane de dolari pentru a crea

aditivul National Additive Manufacturing Innovation Institute (NAMII) in 2012 ca o modalitate de a ajuta la revitalizarea industriei americane. NAMII acționează ca o organizație-umbrela pentru o rețea de universități si companii care își propun sa perfecționeze tehnologia de imprimare 3D, cu scopul final de a ajuta industriile sa obțină un cost de producție scăzut si un randament ridicat, eliminând mulți pași din producția „clasica” a unui obiect de uz larg.

Capitolul II – Metode de Printare 3D

2.1 Printare 3D cu metal:

Procesul de imprimare 3D a devenit o tehnologie revoluționara în ultimii ani. Acest proces de fabricație aditivă permite expunerea obiectului 3D dintr-o formă electronica într-o formă fizică fără a avea nevoie de utilaje costisitoare și spații special amenajate, permițând astfel dezvoltarea de piese complexe cu diferite tipuri de materiale, inclusiv imprimarea 3D metalică, ea are o multitudine de aplicații în industria medicala de bijuterii, industria dentare și industria automotive.

Imprimarea 3D metalică îmbină straturile de metale împreună folosind un laser. Cu toate că există diferite metode de depozitare a metalelor, procesul general implică umplerea unei camere de imprimare 3D cu un gaz inert (pentru a minimiza oxidarea metalului), urmată de depunerea unui strat subțire de pulbere de metal (sau lichid topit pre-topit) și fuzionând particulele cu un laser. Acest proces este controlat prin scanarea structurii cu laserul, iar procesul se repetă până la finalizarea structurii dorite (de exemplu Fig. 1; Fig. 2).

Diferitele metode de imprimare a metalelor 3D includ sinterizarea selectivă cu laser (SLS), sinterizarea directă a metalelor cu laser (DMLS), topirea cu laser selectivă (SLM), depunerea directă a energiei (DED), depunerea laserului metalelor (LMD) și fixarea de legături metalice. În ceea ce privește materialele care pot fi utilizate în abordările de tipărire a metalelor 3D, numărul de metale este în creștere și include aluminiu, cupru, aur, platină, titan și diverse aliaje metalice(ex.Fig 3; Fig4).

2.2 Stereolitografia (SL sau SLA):

Stereolitografia (SL sau SLA) este un proces industrial de imprimare 3D pentru crearea de modele conceptuale, prototipuri estetice și piese caracterizate prin geometrii complexe chiar și într-o singură zi de lucru. Acest proces permite utilizarea unei largi selecții de materiale și face posibile rezoluții extrem de mari însoțite de finisaje de suprafață de calitate.

Stereolitografia (SLA) cuprinde o grupă de procedee tehnologice de realizare a obiectelor din materiale plastice de tip polimeri fotosensibili care se întăresc la expunerea la un flux de lumină generat de un laser. Principiul de bază se referă la realizarea strat cu strat a obiectului ca urmare a întăririi polimerului fotosensibil (aflat inițial în stare lichidă) cu ajutorul razei laser. Mașina de lucru primește informația privind datele fiecărui strat și realizează deplasarea în planul X, Y a petei de focalizare a razei laser în interiorul rezervorului cu polimer lichid. În locul de contact polimerul se întărește, raza laser „baleiază” în continuare întreaga suprafață corespunzătoare stratului de obținut până când acesta este complet configurat (întărit) și se separă prin solidificare la suprafața băii lichide. Urmează o mișcare de coborâre/urcare a platformei de susținere a obiectului și configurarea următorul strat al acestuia.

Figura 5 prezintă schematic principiul de lucru al acestui procedeu ca o ultimă etapă, detaliile sunt introduse într-un cuptor UV care garantează solidificarea totală a rășinii.

Unitate laser

Raza laser

Sistem oglindă / motor galvanometric (direcția fasciculului)

Fază focalizată și transportată

Suprafață de rășină

Elevator

Rezervor

Model SLA

Platforma apăsați

Lama de recoltare

Materialele utilizate sunt rășini epoxidice fotosensibile. În general, acestea nu au caracteristici mecanice relevante, dar permit crearea de prototipuri transparente și foarte detaliate, se pot utiliza materiale ceramice încărcate (NanoTool, BlueStone, Ceramax, etc ), care pot rezista la temperaturi de utilizare apropiate de 300 ° C , dar sunt foarte rigide.

După finalizarea secțiunii, platforma pe care sunt construite modelele 3D este coborâta înăuntrul cuvei cât să poată fi realizată următoarea secțiune transversală. Se aplică un nou strat de pulbere care este apoi uniformizată după care procesul se repetă până la finalizarea întregului model 3D conform fișierului CAD.

Când obiectul este finalizat, este necesar un timp de așteptare până când materialul se răcește și se poate îndepărta, împreună cu stratul de sacrificiu( materialul utilizat pentru crearea suportului piese ) ce se află la contactul cu suprafața de printare. După acest pas, obiectul este finalizat și pregătit pentru utilizare exemplu Figura 6 de mai jos.

Avantaje SLA:

– Prototipare piese cu geometrii complexe și extrem de detaliate;

– Suprafețe printate foarte fine și precise;

– Posibilitate construirii pieselor de dimensiuni mari;

– Piesele printate pot fi utilizate ca matrițe pentru industriile de turnare prin injecție (injection molding);

– Rezistența pieselor fabricate la temperaturi înalte.

Dezavantaje SLA:

– Rezistență medie la prelucrări mecanice;

– Lipsa durabilității în timp;

– Expunerea îndelungată la soare deteriorează piesele care devin fragile și casante;

– Necesită operațiuni de post-procesare cu substanțe chimice posibil periculoase;

– Costuri mari;

– Rășinile pot fi toxice, fiind astfel obligatorie ventilația

2.3 Fabricarea Stratificata prin Laminare:

Tehnologia LOM (Laminated Object Manufacturing) sau Fabricarea Stratificata prin Laminare este o tehnologie mai puțin cunoscuta, cu toate ca primul sistem de fabricare LOM a fost dezvoltat încă din 1991 de compania Helisys Inc.

Tehnologia LOM permite fabricarea stratificata a obiectului 3D din straturi de hârtie sau plastic care sunt lipite împreuna, unul peste altul, si decupate cu ajutorul unui cuțit sau al unui laser. Materialul de printare folosit poate fi furnizat atât in rola (plastic) cat si in foi sau coli (hârtie).

Inițial, modelul 3D CAD este convertit in secțiuni transversale (felii) ale obiectului si trimise apoi imprimantei. Cu ajutorul unei surse laser sau unui cuțit, printerul decupează din foaia de material solid straturile care vor compune piesa 3D. Restul de materialul nefolosit in urma decupării este caroiat mărunt de cuțit (sau sursa laser) pentru ca la sfârșitul procesului sa poată fi îndepărtat manual. Stratul finalizat este lipit de stratul anterior cu ajutorul unui adeziv aplicat pe partea inferioara a foii.

Tot timpul construcției, piesa 3D este încadrata (împachetata) in materialul de construcție ceea ce permite printare unor geometrii complicate fără material suport. La finalul procesului, piesa 3D apare împachetata in materialul in exces care va fi îndepărtat manual. Restul de material este aruncat neputând fi utilizat la printării ulterioare.

O tehnologie noua denumita 3D paper printing, îmbina printare inkjet cu tehnologia LOM. Secțiunile transversale din hârtie sunt întâi printate color utilizând tehnologia inkjet obișnuita si apoi decupate in layere , rezultând un model 3D cu rezoluție full-color (Fig 7.)

Costul echipamentelor ce utilizează aceasta tehnologie este extrem de ridicat însă ele au marele avantaj al utilizării unor consumabilele extrem de ieftine cum ar fi hârtia obișnuita.

2.4 Printarea cu Filament Topit/Modelarea prin extrudare:

Dintre toate tipurile de imprimante 3D, această metodă are marele avantaj al prețului redus, atât al materialelor folosite pentru printare propriu-zisă a componentelor imprimantei 3D, cât și a consumabilelor. De asemenea, este metoda preferata si folosită cel mai des de către firmele de proiectare pentru realizarea pieselor si a prototipurilor imprimate in format 3D.

Cu ajutorul unei aplicații software dedicate, modelul 3D dorit este feliat inițial în secțiuni transversale numite straturi (layere). Tehnologia de printare constă in trecerea unui filament din material plastic printr-un extrudor ce îl încălzește până la punctul de topire, aplicându-l apoi uniform (prin extrudare) strat peste strat, cu mare acuratețe pentru a printa fizic modelul 3D conform fișierului CAD.

Capul (extrudorul) este încălzit pentru a topi filamentul plastic, deplasându-se atât pe orizontală cât și pe verticală sub coordonarea unui mecanism de comandă numerică, controlat direct de aplicația CAM a imprimantei. În deplasare, capul depune un șir subțire de plastic extrudat care la răcire se întărește imediat, lipindu-se de stratul precedent pentru a forma modelul 3D dorit.

Materiale utilizate: BS (acrylonitrile butadiene styrene), PLA (polylactic acid), PVA (solubil), PC (policarbonat), polietilena HDPE, polipropilena, elastomer, polyphenylsulfone (PPSU), Polyphenylsulfone (PPSF), poliamida și ceară de turnare.

Capitolul III – Principiile generale ale printării 3D

3.1 Modelarea:

Primul pas in printare 3D este realizarea modelului 3D sau mai bine zis a modelului digital, pentru asta se poate utiliza orice soft de modelare 3D cunoscut de ex: Creo parametric, Catia, Autodesk Fusion etc. Sau se mai poate utiliza Ingineria inversa pentru a genera un model digital, prin scanare 3D, de exemplu figura 9.

3.2 Pregătirea modelului digital in vedere printării acestuia:

In aceasta faza modelul digital este convertit cu ajutorului programului Creo Parametric 3.0 intr-un fișier STL(a se vedea in capitolul IV) format de fișier acceptat de către toate imprimantele 3D existente pana in momentul actual de exemplu (Figura 10.)

O data ce un fișier STL a fost generat acesta este important intr-un program Slicer, acesta convertește modelul într-o succesiune de straturi subțiri si produce o serie de comenzi de deplasare pe cele trei axe de deplasare: X,Y,Z și informații în legătură cu depunerea de material.

Aceste comenzi formează G codul (a se vedea in capitolul IV) in cazul imprimantei modelate si create de mine procedura de imprimare 3D este, în mare parte, automată. În funcție de dimensiunea obiectului, de materiale și de imprimantă, procedura poate dura de la câteva ore până la câteva zile, exemplu figura 11.

3.3 Printarea:

După inserarea G-codului in softul imprimantei aceasta începe sa depună straturi succesive de material care sunt in mod automat alipite conform instrucțiunilor din G-cod pentru a forma obiectul final conform modelului digital. Cu cat imprimanta este mai precisa cu atât putem obține o piesa cu o rezoluție mai mare astupară piesei, rezoluția imprimantei descrie grosimea stratului de material depus, rezoluția X-Y în număr de puncte per inch (dpi) sau micrometri (μm). Grosimea 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 această grosime conform cu cerințele necesare aplicației. 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 complexitatea 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 fabricarea produșilor polimerici în cantități mari, dar fabricația aditivă este mai rapidă, mai flexibilă și mai ieftină când vine vorba de producerea unei cantități mici de obiecte. Imprimantele 3D dau proiectanților și echipelor de dezvoltatori conceptuali abilitatea de a produce prototipuri și obiecte de test cu o imprimantă de dimensiuni reduse.

Deși rezoluția realizată prin printare poate fi suficientă pentru o serie largă de aplicații, printare unei versiuni de o dimensiune superioară a obiectului dorit în rezoluție standard și eliminarea materialului printr-un proces substractiv de rezoluție înaltă poate obține o precizie mai bună, necesară în anumite aplicații specifice.

Anumite tehnici de fabricare aditivă sunt capabile să utilizeze mai 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, dizolvabil la finalizarea componentei, după cum se poate observa în figura 12. De asemenea, în figură putem sesiza o captură din programul software ce realizează conversia fișierelor de tip STL în fișier de comenzi interpretabile de imprimanta 3D. În cadrul acestui program putem configura mai mulți parametri precum grosimea stratului depus, modul de umplere a structurii, profilul, înclinarea, încadrarea modelului, etc.

3.4 Finalizarea:

După terminarea printării piesa finita este îndepărtata de pe patul suport al imprimantei este îndepărtat materialul de sacrificiu adică materialul utilizat pentru a crea suportul pentru pereții inclinați sau pentru piesele cu geometrie extrem de complexa acesta putând fi reciclat, după îndepărtarea acestuia piesa este șlefuită si măsurată pentru a se vedea daca respecta dimensiunile din modelul 3D urmând a fi utilizata piesa pentru ceea ce a fost destinata înainte sa fie modelata si proiectata.

Capitolul IV – Sisteme de control tridimensional:

4.1 Sistem cartezian

Imprimanta 3D cu sistem cartezian de deplasare este cel mai răspândit tip de model și de asemenea, modelul ales pentru imprimanta din această lucrare. Denumirea sa provine de la sistemul X,Y,Z de coordonate folosit pentru deplasarea pe cele trei axe.

În general, pe axele x și Y se montează sistemul pentru extrudarea materialului, iar pe axa Z are loc deplasarea suprafeței de printare în sus sau in jos. Există și alte metode de montare a extrudării astfel încât proiectarea mecanică să fie mai ușoara. Principalul avantaj al alegerii modelului cartezian este simplitatea realizării unui astfel de sistem din punct de vedere mecanic dar, prezintă avantaje și din punct de vedere al utilizării software-ului ceea ce face ca acest sistem să fie ușor de realizat chiar și de către amatori. Dimensiunea unei astfel de imprimante cu sistem cartezian, se poate configura să fie oricât de mică sau de mare este necesar pentru aplicația în care este utilizată, păstrând aria de printare relativ proporțională cu mărimea imprimantei. Acest avantaj a condus la realizarea imprimantei descrise în această lucrare, ce are o dimensiune cu mult mai mare fată de alte imprimante 3D disponibile pe piață, dar aria de printare este suficientă pentru realizarea multor obiecte fizice, in aceasta lucrare avem o imprimanta cu arie de printare de 310 x 310 mm exemplu figura 13.

În figura 13 este prezentată o imprimantă 3D în sistem cartezian cu axele de deplasare aferente. Pe figură sunt reprezentate axele X, Y, Z , aceste axe nu sunt altceva decât direcțiile descrise de componentele de avans ale imprimantei, a mesei principale de printare, si a extrudorului. In cazul acestei imprimante este posibilă realizarea unor deplasări de-a lungul axelor respective sau compuse în cazul acționării simultane a două sau mai multe axe:

axa X: deplasează masa mașini de la stânga la dreapta și invers;

axa Y: deplasează consola arborelui principal înainte și înapoi;

axa Z: deplasează masa de lucru în sus și în jos;

Orice imprimanta 3D este dotată cu un număr mai mic sau mai mare de axe de avans care fac posibilă modelarea automată a piesei in format 3D. Imprimantele 3D care utilizează comanda numerică au în general sisteme de referință diferite de cele ale imprimantelor cu sisteme de coordonate diferite precum cele in sistem polar, delta . Standardul precizează ca axa Z este axa pe care se afla extrudorul. Pe aceasta, sensul pozitiv este dat de creșterea distanței dintre patul termic si vârful extrudorului, sistemul de coordonate fiind un sistem carte-zian, rectangular, de sens direct. In general Imprimantele 3D folosite la repere de complexi-tate medie au în mod obișnuit trei axe identificate cu litere-le: X, Y, Z. Axa x asigură deplasarea transversală a extrudorului. In aceasta configurație este posibila generarea de mișcări pe cele două axe X, Y, pe o direcție unghiulară compusă, sau de interpolare circulară rezultând astfel conturul de revoluție al reperelor dorite. In situația în care imprimanta 3D are o masa fixa, extrudorul va executa mișcările pe toate cele trei axe. Imprimantele 3D cu comandă numerică utilizate la prelucrarea unor repere de complexitate mare au în mod frecvent mai multe axe. Asupra acestui aspect se va reveni în ultimul subcapitol din acest capitol. In ce privește precizia și acuratețea deplasărilor pe axele imprimantei 3D acestea sunt în cea mai mare parte dependente de calitatea ghidajelor mașinii. Aceste aspecte creează pentru producătorii de Imprimante 3D proiecte sofisticate. In funcție de încărcarea si de acuratețea/precizia ceruta, producătorul va decide soluția optimă. Decizia va implica elemente referitoare la: forma ghidajelor; tipul suprafețelor de alunecare/translație, tipul încastrării, etc. De asemenea, în figură se poate observa faptul că pentru deplasarea pe axa Z au fost folosite două StepMotoare, ceea ce prezintă un avantaj la sistemul de ghidaj cartezian deoarece duce la o precizie mai mare asigurându-se mai multa forța pe axa Z .

Pentru a putea gândi configurația geometrică și dimensională a unei piese în manieră “tridimensionala” avem nevoie de un sistem de coordonate cu trei axe.

Sistemul de axe tridimensional pentru Imprimanta 3D prezentata in aceasta lucrare este un sistem triortogonal ce respectă regula mâinii drepte (Figura 14).

Axele x și Z sunt orientate după degetul mare respectiv mijlociu și formează planul orizontal al triedrului. Axa Y este perpendiculară pe primele două și este orientată după degetul arătător. Cele trei coordonate X, Y, Z ale unei piese se obțin prin indicarea pozițiilor cotelor pe cele trei axe (Figura 13). Fiecare axă are valori pozitive și negative. Sensurile pozitive ale axelor sunt cele indicate în (Figura 14.)

4.2 Sistem polar:

Imprimantele 3D de tip Polar folosesc un sistem de coordonate polare acesta este similar cu sistemul cartezian doar ca in sistemul polar poziția axelor este determinată de un unghi și o lungime, nu de coordonatele X, Y și Z. Asta înseamnă că masa se rotește în cerc in jurul axei Z, aceasta la rândul ei fiind rotunda, în timp ce capul de imprimare se mișcă în sus, în jos, în stânga sau în dreapta pe axele x si Y. Imprimantele cu sistem Polar pot funcționa cu doar două motoare pas-cu-pas fiind un mare avantaj deoarece acesta determina un consum mult mai mic al energiei electrice, prin urmare un cost redus al acesteia si mult mai ușor de configurat, acestea pot crea obiecte mai înalte folosind

4.3 Sistem Delta

Sistemul de control de tip delta este al doilea cel mai folosit sistem după sistemul cartezian in industria imprimantelor 3D. Denumirea vine deoarece extrudorul este poziționat deasupra patului de printare fiind susținut de trei tije trapezoidale, ele folosesc tot sistemul de coordonate cartezian doar ca umpli modificat si anume in loc de axele X, Y, Z ele au trei brațe așezate in poziție verticala, Fiecare braț se poate deplasa doar vertical în sus și în jos, dar mișcând fiecare braț independent, extrudorul este capabil să se deplaseze în toate direcțiile, sunt construite pentru imprimare rapidă, cu motoare grele și extrudorul fixat pe laturi și partea superioară. Capul de scule este păstrat foarte ușor și minim, astfel încât imprimanta poate menține o precizie ridicată la viteze mari. Patul unei imprimante delta este de obicei circular în loc de dreptunghi și nu trebuie să se miște niciodată. Deși dimensiunea medie a patului este destul de mică, înălțimea de construcție tinde să fie mult mai mare decât imprimantele carteziene. Ca atare, o imprimantă tipică 3D delta are un spațiu de imprimare care arată ca un cilindru foarte înalt de exemplu Figura 16 si Figura 17.

Capitolul V. Componente Imprimante 3D.

In acest capitol am descris componentele utilizate in construirea imprimantei 3D in sistem cartezian. Cu toate ca aceste componente nu au fost realizate de mine ci mai degrabă au fost achiziționate ele fiind alese pe baza modelului 3D construit de mine dar si in funcție de rolul pe care trebuie sa le îndeplinească acestea, lucru care a creat un grad ridicat de dificultate in utilizarea si interconectare lor la întregul sistem necesitând cunoștințe de modelare 3D, electronica, rezistenta si mecanica in alegerea lor dar si o documentație amănunțita despre componentele care urmează a fi descrise in cadrul acestui capitol.

5.1 Motoarele Pas cu Pas:

Pentru acest tip de lucrare am ales motoarele 5 motoare Pas cu Pas Nema 17 17HM5424 (Figura 18 si 19) cate unul pentru fiecare axa iar cel de-al cincilea pentru extrudor, acest tip de motor fiind recomandat pentru CNC-uri, mașini de frezat, imprimante 3D si orice alt dispozitiv care necesita un control fin al mișcării, am ales acest tip de motor din simplu motiv ca ele trebuie sa genereze o forța de minimum 4N.

Motoarele pas cu pas fac parte dintr-o categorie speciala de motoare deoarece acestea sunt construite pentru a genera un cuplu mare de putere in cazul motorului ales in aceasta lucrare el poate genera o forța de 7N totodată acesta poate genera un pas la 0,9° mai exact 400 de pași la o rotație completa rezultant astfel o piesa cu rezoluție mărita conform specificațiilor date de producător:

Model 17HM5424
Tensiune nominala 2,4V
Curent nominal 2,4 A/phase
Rezistenta faza 0,8 Ohm/phase
Faza de Inductie 1,8mH/phase
Cuplu 4200g.cm 60oz-in
Inertie rotor 68g-cm2
Număr fire 4
Greutate 0.434 kg
Lungime 48mm

Componente:

Toate elementele componente au fost descrise in Figura 20:

5.2 Drivere Motoare Pas cu Pas:

Drivere sunt utilizate pentru controlul motoarelor prezentate in subcapitolul anterior, acestea acționează motorul într-o anumita secvența rezultând o mișcare de rotație in pași incrementali, pentru a alege driverul corect noi trebuie sa alegem un driver care trebuie sa fie compatibil cu motoarele si placa de baza aleasa de noi, de obicei producătorul specifica elementele componente compatibile, tocmai de aceea driverul ales este TMC2209 (Figura 21), pentru fiecare motor se va folosi cate un driver, tocmai de aceea se vor utiliza 5 drivere.

Specificații:

Motoare compatibile: Nema 17 pas cu pas în 2 faze până la 2,8A

StealthChop: funcționarea silențioasă a motorului

SpreadCycle™ controlul unghiului de rotație al motorului foarte dinamic

StallGuard4™ de detectare a încărcăturii și a standului pentru StealthChop

CoolStep™: controlul curentului pentru economii de energie de până la 75%

RDSon scăzut, Low Heat-Up LS 170mΩ & HS 170mΩ (tip. la 25°C)

Gama de tensiune 4.75… 29V DC

Standby cu putere redusă pentru a se potrivi reglementărilor privind energia în standby

Opțiunea Intern sense Resirezistor: nu sunt necesare rezistențe de sens

Frânare pasivă, freewheeling și oprire automată a alimentării

Generator de impulsuri integrat pentru mișcare independentă

Protecție completă și diagnosticare

5.3 Placa de baza

Placa de baza este componenta care asigura executarea comenzilor sub forma unui program scris in limbajul de programare G (G code).

Pentru aceasta imprimanta am ales o placa de baza BigTreeTech SKR v1.4 (Figura 22)

Motivul pentru care am ales aceasta placa de baza se datorează compatibilității foarte bune cu step-motoarele si driverelor dar si ușurinței cu care aceasta poate fi configurata

Specificații:

Dimensiunea plăcii – 110mm x 85mm

Dimensiune de montare – 102mm x 76mm

Microprocesor – procesor ARM Cortex-M3

Tensiune de intrare – DC12V-DC24V 5A-15A

Tensiune logică – CC 3.3V

Modul WiFi – ESP-01S

Suport pentru modul de lucru al unității – SPI, UART, STEP / DIR

Interfața driverului motor – X, Y, Z, E0, E1 (Fiecare are o interfață extensibilă) Până la 256 de subdiviziuni.

Suport pentru formate de fișiere – G CODE

Arhitectură de mașini acceptată – XYZ, Delta,

5.4 Senzorii:

In cazul de fata imprimanta creata de mine are doua tipuri de senzori anume senzori de temperatura si senzori de proximitate pentru controlul si funcționarii corecte al întregului ansamblu:

5.5 Sistemul de extrudare

Daca placa de baza este considerat creierul unei imprimante 3D atunci sistemul de extrudare este considerat inima unei imprimante 3D fără el nu am mai putea sa extrudăm plasticul încălzit

Extrudorul este o componentă a imprimantei 3D care scoate filamentul topit și îl depune în straturi succesive în zona de imprimare 3D. Așa cum am menționat anterior, există diferite tipuri de extrudere cu modele diferite (Direct sau Bowden) și un număr diferit de capete la cald (single, dual, triple, etc.) pentru imprimarea 3D cu mai multe materiale și multicolor

În prezent, există doar două tipuri principale de extrudere: Direct și Bowden (Figura 23). Amândoi îndeplinesc aceeași funcție, împingând filamentul printr-o duză încălzită. Directul împinge filamentul direct prin duză, Bowden îl împinge printr-un tub de bowden.

Pentru aceasta imprimanta am ales sistemul de extrudare direct, tocmai de aceea in rândurile care urmează voi vorbi doar despre el.

Sistemul de extrudare directă adoptă un alimentator cu filament montat pe capul de imprimare, chiar deasupra capătului fierbinte. Astfel, poate alimenta direct duza fără a fi nevoie de elemente suplimentare.

Acest design are ca rezultat o extruzie mai bună, retragerea rapidă a filamentului și un consum redus de energie. Distanța scurtă dintre angrenajul de alimentare și hotend îl face deosebit de potrivit pentru imprimarea cu filamente flexibile și abrazive.

Extruderele cu acțiune directă susțin în mod normal filament de 1,75 mm, oferind o selecție mai largă a materialului. Sunt utilizate în majoritatea imprimantelor 3D FDM.

Dezavantajul sistemului de extrudare directă este greutatea crescută a capului de imprimare, care afectează atât viteza de imprimare, cât și precizia. De aceea, extruderele directe sunt de obicei mai lente decât cele Bowden.

5.6 Suprafața de printare

Suprafața de printare reprezintă mai exact patul încălzit al imprimantei 3D, acesta este deosibit de important mai ales daca lucram cu ABS tocmai de aceea pentru aceasta imprimanta am ales un pat cu dimensiunile 310 x 310 mm care poate poate încălzi pana la 140 °C

Paturile încălzite pot fi realizate din încălzitoare de circuite imprimate (PCB), proiectate inițial de Josef Prusa, sau folosind covorașe încălzitoare lipite pe partea inferioară a foii de imprimare. Primul tip include un termistor care reglează, în general, căldura la o temperatură țintă medie de aproximativ 70 de grade. În funcție de dimensiunea sa, patul ar putea necesita mai mult sau mai puțin putere pentru a se încălzi corespunzător.

5.7 Axele de precizie

O imprimanta 3D poate avea sine de translație sau axe de precizie, cu toate ca sinele oferă o precizie mult mai mare prin urmare si o calitate mult mai mare a imprimării din motive economice am ales sa folosesc axele de precizie însă in ciuda numelui ele nu sunt la fel de precise ca sinele de translație

5.8 Sursa de alimentare

De completat pe mai târziu

5.9 Cadrul:

Cadrul unei imprimante 3D (Figura 25) este foarte importanta, poate arata foarte simplu însă este foarte complex acest lucru datorandu-se posibilităților diferite de proiectare, În ciuda simplității funcției sale, cadrul imprimantei 3D se numără printre cele mai dificile părți ale imprimantei 3D de proiectat, deoarece există probabil un număr aproape infinit de modele posibile și moduri diferite de a construi un cadru pentru imprimantă 3D tocmai de aceea fiind unul dintre cele mai importante parți ale unei imprimante 3D deoarece după terminarea modelului 3D construcția este realizata manual in întregime , motivele importantei sale pot fi foarte multe ,

In lucrarea de fata am ales sa construiesc un cadru făcut din profile de aluminiu 30×60 cu canale T (Fig. 23)

Motivul pentru care am ales acest tip de profil se datorează ușurinței cu care acestea pot fi asamblate si o rigiditate crescuta a ansamblului pentru dimensiunile imprimantei mele, mai exact ele se asamblează cu ajutorul unor colțare de aluminiu special concepute pentru aceste tipuri de profile (Fig24)

Mai jos am enumerat cele mai importante caracteristici pe care trebuie sa le îndeplinească cadrul:

– Suporta toate componentele mecanice și electrice care efectuează lucrările de imprimare efective.

– Determină volumul de construire al imprimantei 3D.

– Oferă imprimantei aspectul robust, precum și un aspect mai estetic al imprimantei.

6. Realizarea pieselor din plastic :