PROGRAMUL DE STUDIU INGINERIE ECONOMICĂ ÎN DOMENIUL MECANIC [303802]

UNIVERSITATEA DIN ORADEA

FACULTATEA DE INGINERIE MANAGERIALĂ ȘI TEHNOLOGICĂ

PROGRAMUL DE STUDIU INGINERIE ECONOMICĂ ÎN DOMENIUL MECANIC

FORMA DE ÎNVĂȚĂMÂNT: LA DISTANȚĂ

PROIECT DE DIPLOMĂ

COORDONATOR ȘTIINȚIFIC

PROF.DR.ING. BLAGA FLORIN SANDU

ABSOLVENT: [anonimizat] 2020

UNIVERSITATEA DIN ORADEA

FACULTATEA DE INGINERIE MANAGERIALĂ ȘI TEHNOLOGICĂ

PROGRAMUL DE STUDIU INGINERIE ECONOMICĂ ÎN DOMENIUL MECANIC

FORMA DE ÎNVĂȚĂMÂNT LA DISTANȚĂ

FABRICAȚIA ADITIVĂ A UNUI ROTOR. CALCULE ECONOMICE

COORDONATOR ȘTIINȚIFIC

PROF.DR.ING. BLAGA FLORIN SANDU

ABSOLVENT: [anonimizat] 2020

1. Introducere

Una dintre cerințele majore ale industriei constructoare de mașini și utilaje constă în proiectarea și dimensionarea rațională a [anonimizat], precum și în proiectarea corectă a proceselor tehnologice de prelucrare. [anonimizat], [anonimizat] a [anonimizat]. În etapă de realizare a [anonimizat], elementele regimurilor de fabricație și normele tehnice de timp să fie just stabilite prin metode de calcul analitic sau adoptate rațional din normele tehnice. [anonimizat], [anonimizat].

[anonimizat] o [anonimizat]-[anonimizat].  [anonimizat] a capătă la încălzire formă ce li se da și de a o păstra după răcire. Ele se caracterizează printr-o [anonimizat] (ușoare), [anonimizat], etc.

[anonimizat] a produce local utilaje este în creștere. [anonimizat], [anonimizat]-how-ul.

O categorie de utilaje care pot fi produse local sunt turbinele de apă. În unele țări există deja o [anonimizat] „mori de apă”.

1.1 Motivarea alegerii

Energia hidroelectrică este o [anonimizat]-o mare măsură dependența de resursele energetice ale țărilor vecine.

O turbină hidroelectrică funcționează că o [anonimizat]-[anonimizat], imprimandu-i o mișcare de rotație. Acesta, [anonimizat] a crea energie electrică.

Râurile sunt surse de energie mai fiabile și mai constante decât soarele sau vântul. O [anonimizat].

Acest lucru reduce nevoia de baterii pentru a [anonimizat] o componentă costisitoare a sistemelor bazate pe energie solară sau eoliană.

(A comparison of traditional manfucaturing vs additive manufacturing)

Investitorii si specialistii din industria producatoare sunt mereu in cautare de inovatii ce pot conduce la imbunatatirea tehnicilor, scaderea costurilor si a consumului de energie precum si extinderea capacitatii de productie. Fabricația aditiva a aparut in anii 60 si de atunci a cunoscut o crestere rapida si continua, scotand la lumina noi tehnici de extindere a capabilitatii de fabricatie. Cunsocuta si sub numele de 3D print, aceasta tehnolgie foloseste tehnici revolutionare pentru a crea forme complexe, construind obiectul strat cu strat. Abilitatea de a fabrica piese complexe folosind un singur utilaj si intr-o singura faza de lucru.

Contrar tehnologiilor clasice, in care materialul fie este indepartat prin taiere, gaurire, aschiere, fie este turnat in forme, fabricația aditiva ofera o libertate mai mare in privinta design-ului. Cercetarea in domeniul fabricatiei aditive a facut ca integrarea acestei tehnologii in cadrul companiilor sa cunoasca mai multe etape:

Prototipare rapidă

Rapid tooling

Fabricație directă, in viitor

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

1.2 Scopul lucrării

Scopul lucrarii il reprezinta modelarea in SolidWorks a unui rotor Pelton, studiul obținerii unui rotor de turbină Pelton prin fabricație aditivă, proiectarea unui proces tehnologic pentru fabricație aditivă și analizarea costurilor acestuia.

1.3 Obiective

Proiectarea constructiva a rotorului

Descriere proces si obtinerea fizica a piesei prin fabricatie aditiva

Analiza costurilor

2. Descrierea piesei

Din Mecanica fluidelor carte, pag. 235

DEFINITII. CLASIFICARI

Masinile hidraulice transforma energia mecanica (E.M.) in energie hidraulica (E.H) sau invers, energia hidraulica in energie mecanica. Prima categorie, la care transformarea energetica este:

E.M.E.H.,

poarta numele de generatoare hidraulice (pompe si ventilatoare).

A doua categorie, cu transformarea

E.H.E.M., apartine motoarelor hidraulice (turbine)

Generatoarele hidraulice se clasifica functie de diferite criteria, cele mai importante sunt:

Dupa natura fluidului vehiculat, se disting generatoare hidraulice pentru:

lichide (pompe)

gaze (ventilatoare)

Lichidele de lucru pot fi: apa la diferite temperaturi, lichidele neagresive, agresive, foarte vascoase, amestecuri bifazice (amestecuri de lichide cu suspensii de particule solide), etc.

Gazele vehiculate sunt: aerul, gazele nocive, amestecurile bifazice (particule solide aflate in suspensie intr-un current de aer), etc.

In clasa masinilor hidraulice intra toate generatoarele care vehiculeaza lichide. In ceea ce priveste gazele, in mod obisnuit, de clasa amintita apartin numai generatoarele la care procesul transformarii energetice se poate considera densitatea gazelor practic constanta. Este cazul ventilatoarelor a caror presiune totala nu depaseste 1000 mm col. H2O. Suflantele si compresoarele care realizeaza sarcini superioare sunt incluse in clasa masinilor termice intrucat densitatea gazelor variaza puternic in decursul transformarii energetice si procesele termodinamice nu se mai pot neglija.

Dupa principiul de functionare, in principal se recunosc urmatoarele tipuri de generatoare hidraulice:

generatoare hidrodinamice (turbogeneratoare), la care energia se transmite fluidului prin intermediul unui rotor aflat in miscare de rotatie (pompe centrifuge, pompe axiale, ventilatoare)

generatoare volumice, cu deplasarea periodica a unor volume de fluid de la aspiratie catre refulare (pompe alternative, oscilante, rotative, etc.)

generatoare cu fluid motor, la care fluidul motor este purtatorul de energie care se transmite fluidului de lucru (ejectoare, pompe cu gaz comprimat)

Dupa pozitia axului de rotatie la turbogeneratoare, se intalnesc:

generatoare hidraulice cu ax orizontal

generatoare hidraulice cu ax vertical

2.1 Turbine hidraulice

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

Tipuri de turbine hidraulice http://www.termo.utcluj.ro/mf/luc11.pdf

Clasificarea turbinelor hidraulice dupa tipul constructiv are in vedere directia preponderenta a traiectoriei particulelor de lichid din zona rotorului, ele luandu-si numele inventatorului. Aceasta clasificare este redata in tabelul 2.1

Tabel 2.1 Clasificarea turbinelor [XX]

Turbina Pelton folosită la hidrocentrale de mare cădere.

Turbina Francis folosită la hidrocentrale de medie și mare cădere.

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

Turbina Kaplan folosită la hidrocentrale de mică cădere.

Turbina Bulb folosită la hidrocentrale de foarte mică cădere.

2.1.1 Turbina Pelton

https://ro.wikipedia.org/wiki/Turbin%C4%83_Pelton

Turbina Pelton este o turbină hidraulică cu rotație axială, având rotorul cu pale fixe, utilizată la hidrocentralele de cădere mare a apei.

Turbina Pelton face parte din categoria turbinelor cu acțiune (impuls). Geometria palelor rotorului este astfel concepută încât apa părăsește turbina cu viteză mult redusă față de viteza inițială a jetului, energia potențială fiind transformată aproape toată în energie cinetică, ceea ce conduce la un bun randament al acestui tip de turbină.

Turbina Pelton (fig 2.1) https://www.explainthatstuff.com/turbines.html, brevetată în anul 1880 de Lester Allan Pelton (1829-1908), este una dintre cele mai eficiente tipuri de turbină hidraulică. Este recomandată pentru căderile mari de apă și debite relativ mici. O turbină Pelton funcționează la căderi de apă de minim 10 m, dar poate fi utilizată la căderi ce pot ajunge până la 1800 m, la un debit al apei între 0,01 m³/s și 100m³/s.

Energia este extrasa din impulsul apei. De-a lungul timpului au existat mai multe variatii ale acestui tip de turbina, dar au fost mai putin eficiente decat design-ul lui Pelton. Apa ce parasea rotorul avea viteza mare si deci energie care se risipea.

Fig 2.1 Schița din brevetul turbinei Pelton

2.1.2 Elemente constructive

Elementele ce intră in componența unei turbine Pelton sunt descrise in (fig 2.2) https://theconstructor.org/practical-guide/pelton-turbine-parts-working-design-aspects/2894/

Fig. 2.2 Elementele componente ale unei turbine Pelton

2.2 Material

ABS (Acrylonitrile butadiene styrene) este un compus al polistirenului, piesele realizate din acest material având comportamentul foarte bun la termoformare, rezistență sporită la impact și rigiditate ridicată. https://plasticeindustriale.geplast.ro/

ABS este un polimer alcătuit din 3 monomeri: acrilonitril, butadiena si stiren (fig. 2.3) https://omnexus.specialchem.com/selection-guide/acrylonitrile-butadiene-styrene-abs-plastic

Fig. 2.3 Monomerii ABS-ului

ABS-ul este de obicei definit prin trei proprietăți principale:

Procesabilitate

Rezistență termică

Rezistență la impact

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

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

Aplicații generale pentru ABS (Acrilonitril butadien stiren):

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

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

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

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

https://www.resinex.ro/tipurile-de-polimeri/abs.html

2.3 Rol functional in cadrul turbinei

Pelton Turbine – Parts, Working and Design Aspects

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

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

randament mai bun datorită desing-ului ingenios

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

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

fig 2.4 Moară de apă pe cheile Rudăriei, jud. Caraș-Severin http://povestea-locurilor.ro/2018/03/10/rudaria/

Energia obținută din acționarea roții

Turbina Pelton funcționează in modul următor:

apa este transferată din rezervor printr-un sistem de vane

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

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

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

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

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

Fig. 2.5 Acțiunea jetului de apă asupra cupei

Proiectare constructivă CAD

3.1 Programul SolidWorks. Generalități

Activitatea inginerească, în general, are ca finalizare realizarea de obiecte tehnice, care se materializează în urma unor procese de producție complexe. Etapele principale ale realizării unui produs tehnic sunt: definirea unui concept general al produsului, realizarea proiectului tehnic, stabilirea tehnologiei de fabricație, realizarea modelului experimental și omologarea produsului, fabricația propriu-zisă. Se iau în considerare costurile directe și indirecte, calitatea, gradul de inovație, tipul producției și piețele de desfacere, determinându-se, astfel, nivelul competiției între diferite companii industriale.

Proiectarea asistată de calculator (CAD – Computer Aided Design) este, în prezent, din ce în ce mai des utilizată în domenii foarte diverse, unii specialiști fiind de părere că și-a atins maturitatea. Totuși, transformările recente ale principalelor sisteme de proiectare asistată dovedesc faptul că domeniul CAD se află încă în plină evoluție. Aceasta privește atât arhitectura generală și adăugarea de funcții și instrumente noi de modelare în sistemele de proiectare existente, cât și posibilitatea acestora de a crea nu numai simple schițe 2D cu hașuri și cote, ci, mai ales, modele geometrice solide și suprafețe, pe baza parametrilor indicați de inginerul proiectant.

Intr-un sistem de proiectare asistată, interfața operator – calculator prezintă o importanță fundamentală atât la intrarea în sistemul considerat, cât și la ieșire din acesta.

Astfel, spre exemplu, la intrarea în sistem se pune problema stabilirii valorilor (raza unui cerc, distanța liniară între două entități etc.), introducerea coordonatelor punctelor în două sau trei dimensiuni, alegerea unei operații și identificarea unei entități în vederea modificării geometriei, a poziției spațiale, a orientării etc.

La ieșire se pune, în general, problema vizualizării obiectelor obținute, într-o formă obișnuită (proiecții, perspectivă), sau prin prezentarea arborelui de concepție al acestora.

Complexitatea în continuă creștere a produselor conduce la unele dificultăți în proiectare și fabricație. Există mai multe soluții la această caracteristică a producției moderne, cea mai utilizată fiind realizarea de noi instrumente și tehnologii care să permită abordarea proiectului fără a afecta semnificativ timpul de realizare sau calitatea obținută. Astfel, se impun îmbunătățiri în procesele de proiectare, de calcul și de optimizare, de simulare a fabricației, sau în modul de administrare al informațiilor. Intre toate, proiectarea asistată reprezintă o verigă hotărâtoare.

Scurtarea duratei ciclului de realizare a produsului este posibilă când proiectarea și fabricația sunt din ce în ce mai integrate. Aceasta necesită un flux informațional intens, foarte important datorită abordării iterative a proceselor de proiectare, de analiză și a proceselor de fabricație. Din acest punct de vedere, se poate considera că proiectarea nu mai este o creație intuitivă, determinată de experiența proiectantului. Ea conține, de asemenea, activități de analiză, de simulare, de optimizare și de reprezentare a rezultatelor.

Totodată, complexitatea produselor actuale necesită implicarea unor specialiști din mai multe domenii ale proiectării și realizării fabricației. Prin utilizarea calculatoarelor, ingineria a primit aportul a numeroase instrumente software pentru facilitarea acțiunilor de proiectare și de realizare a unui produs.

În termeni generali, proiectarea asistată poate fi definită ca fiind procesul de transformare al unui set de specificații funcționale și cerințe într-o reprezentare completă a produsului sau sistemului fizic, care satisface, cât mai bine, acele cerințe și specificații. În timpul procesului de transformare, inginerul proiectant ia decizii legate de formă, proprietăți de material, tehnologii de fabricație etc., bazate pe informații preluate din îndrumare, standarde, analize numerice, experiența companiei în care își desfășoară activitatea, intuiția și cunoștințele sale de specialitate etc.

Evoluția sistemelor de proiectare asistată a scurtat ciclul creării unui produs, i-a crescut complexitatea și performanțele, a demarat o adevărată competiție pentru realizarea de produse fiabile, la prețuri cât mai reduse. în primul rând, competiția a însemnat noi oportunități pentru inginerii proiectanți și graficienii din domeniul proiectării asistate.

Proiectarea asistată de calculator utilizează, cu prioritate, software grafic interactiv, cele mai folosite sisteme CAD fiind: SOLIDWORKS, AutoCAD, Inventor, Solid Works, Solid Edge, ProEngineer. Unigraphics etc.

3.2 Proiectarea asistată de calculator în fazele de concepție și dezvoltare ale unui produs

În procesul de proiectare a unui produs, analiza și identificarea cerințelor, căutarea soluțiilor, analiza și decizia în alegerea soluțiilor optime sunt etape foarte importante, mai ales în fazele primare, când se stabilesc cerințele produsului (caracteristici tehnice, costuri etc.). întregul curs al dezvoltării produsului și principalele sale caracteristici sunt determinate de aceste cerințe.

Activitățile de proiectare și dezvoltare, dar și costurile aferente schimbărilor de design se intensifică pe măsură ce proiectul avansează spre etapa finală, fiind mult mai mici în fazele de concepție când sunt luate deciziile pentru stabilirea soluției optime. Pentru a alege cele mai bune soluții din mai multe variante propuse, echipa de proiect apelează la informații cât mai relevante privind produsul în ansamblul său și cerințele pieței.

în scopul dezvoltării de produse inovative pentru piețe noi, în contextul evoluției tehnologiilor de fabricație și a gradului de flexibilitate al sistemelor tehnologice, firmele producătoare folosesc diferite metode creative. Echipele de proiect sunt capabile să conceapă soluții noi, avansate, utilizând și informații tehnice specifice, într-o perioadă de timp relativ scurtă.

Orice idei pot fi valoroase în toate stadiile de dezvoltare ale proiectului, pentru alte proiecte sau alte echipe. Ideile se bazează pe informații, iar pentru adunarea acestora se folosesc metode de analiză a proprietăților produsului pe parcursul dezvoltării sale. Parametrii care sunt considerați relevanți, identificați în timpul analizei, sunt folosiți ca date de intrare pentru alegerea soluțiilor viabile.

În domeniul proiectării produselor industriale, companiile dezvoltă produse complexe și, indiferent de seria de fabricație, este necesar un nou concept de design. îndeplinirea acestei cerințe necesită cunoștințe acumulate anterior în proiectele finalizate, multe dintre soluții fiind preluate din idei apărute la proiecte similare.

Cu toate acestea, în cele mai multe cazuri, inginerii proiectanți încep lucrul la un nou produs fară a avea acces complet la întreaga informație care le este necesară și care a fost obținută în timpul realizării unor produse asemănătoare.

Este foarte importantă o clarificare a sarcinilor la începutul proiectului, iar structurarea problemelor principale în activități, căutarea, analiza și combinarea soluțiilor într-un concept unitar sunt etape obligatorii în orice proces de proiectare al unui produs.

3.3 Aspecte generale privind proiectarea asistată în SolidWorks

Produs al companiei Dassault Systemes este, în prezent, unul dintre cele mai utilizate sisteme integrate CAD/CAM/C, pe plan mondial, cu aplicații în domenii diverse, între care: industria construcțiilor de mașim aeronautică, navală, de automobile, robotică, de utilaje agricole, chimice, pentru indust~ alimentară și multe altele. La fiecare reactualizare (release) fiind introduse noi module și funcționalități suplimentare, în paralel cu îmbunătățirea celor existente. Programul SOLIDWORKS furnizează o varietate largă de soluții integra pentru a satisface toate aspectele legate de design și fabricație. Dintre numeroasele funcționalități bază se pot menționa: concepția avansată a pieselor mecanice, realizarea interactivă ansamblurilor, obținerea automată a proiecțiilor piesei sau ansamblului curent, posibilitatea de proiecta în mod parametrizat, analiză cu elemente finite, CAD/CAM etc.

Începând cu versiunea 5, SOLIDWORKS începe să utilizeze din ce în ce mai des noțiunea de mode: virtual. Acest termen desemnează ansamblul datelor informatice care permit manipularea unu: obiect creat pe calculator, în același mod cu un obiect real. Se poate, astfel, testa rezistența sa la diverse solicitări mecanice, termice, comportarea dinamică, se verifică dacă un ansamblu este sau nu demontabil, se asigură că mobilitatea componentelor, unele față de altele, nu generează coliziuni, etc. In cazul modelului virtual obținut în SOLIDWORKS, orice modificări pe care proiectantul le aplică asupra acestuia sunt ușor de realizat atât datorită flexibilității instrumentelor de lucru puse la dispoziție, cât și modului de proiectare complet parametrizat.

3.4 Proiectarea reperului in SolidWorks

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

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

fig. 3.1 Alegerea planului

Se proiectează linii simple și se adaugă dimensiunile ca in fig 3.2

Fig 3.2 Proiecție linii simple

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

fig.3.3 Trasare linie curbă

Se șterg liniile ajutătoare folosind funcția Trim și astel se obține profilul cupei fig.3.4

fig.3.4 Obținerea profilului cupei

Se alege din meniul Features funcția Revolve fig.3.5

fig.3.5 Efectul funcției Revolve

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

fig.3.6 Selectare axei de revoluție

O vom răsturna, folosind butonul Flip fig.3.7

fig.3.7 Efectul funcției Flip

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

fig.3.8 Copierea formei in planul paralel

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

Fig. 3.9 Efectul funcției Mirror

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

Fig. 3.10 Suprafața excavată

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

Fig. 3.11 Selectarea planului frontal

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

Fig. 3.12 Frontal view

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

Fig. 3.13 Schimbare unghi de vizualizare si trasare profil tăiere

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

Fig. 3.14 Extrudare după profilul desenat

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

Fig. 3.15 Creare geometriei brațului

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

Fig. 3.16 Teșirea muchiilor cupei

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

Fig. 3.17 Crearea celui de-al doilea braț cu funcția Mirror

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

Fig. 3.18 Creare disc central

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

Fig. 3.19 Extrudare formă disc

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

Fig. 3.20 Copiere elemente pe circumferința discului

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

Fig. 3.21 Extrudare laterală a discului

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

Fig. 3.22 Repetare proces

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

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

Fig. 3.23 Extrudare găurilor pentru filete

Utilizând Circular Pattern se vor copia găurile pe toata circumferința discului. Fig. 3.24

Fig. 3.24 Copiere găuri pentru filete

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

fig. 3.25 Obținere orificiu ax central

4. Studiul obținerii rapide a prototipului prin fabricație aditivă. Rapid prototyping

https://www.ttonline.ro/revista/tehnologii/reprap-sau-rapid-prototyping-pentru-hobby-sti

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

Tehnologiile de fabricare rapida a prototipurilor pot fi clasificate pe baza mai multor criterii :

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

Procedee care folosesc polimeri lichizi că material de baza, iar solidificarea se realizează la impactul cu lumina provenită de la o sursă laser (laser de mică putere -stereolitografia sau prin încălzire -polimerizare termala);

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

In funcție de metoda de realizare a formei:

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

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

5.1 Tehnologii de fabricare rapida a prototipurilor

5.1.1 Stereolitografia

Prototipurile fabricate (Fig 5.1 ) prin stereolitografiere sunt construite dintr-un fotopolimer lichid (rășini acrilice, epoxidice), care este solidificat selectiv utulizand un fascicol laser. Procesul începe de la un fișier CAD, conțînând modelul 3D al piesei, care este divizat matematic in secțiuni 2D.

Fig 5.1 Exemple de piese fabricate prin stereolitografiere

Fig. 5.1.2 Fabricarea pieselor stratificate (LOM – Laminated Object Manufacturing)

Având consistentă unei piese din lemn, piesă prelucrată se poate finisa cu hârtie abrazivă. Se pot efectua asupra piesei rezultate și operații de așchiere. După finisare, piesă se poate vopsi și apoi lacui. Lăcuirea este importantă la piesele din hârtie, deoarece hârtia este higroscopică și absoarbe umezeală, modelul putându-se deforma sau decalibra.

Fig 5.2 Piese obtinute prin tehnologia LOM

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

În cazul fabricării prin depunere de material topit, modelele (Fig. 5.3) sunt realizate din material termoplastic (ABS), materialul fiind livrat de firmele producătoare sub formă de fir înfășurat pe role. Firul de plastic intră în capul de încălzit unde ajunge până în apropierea temperaturii de topire (1  sub temperatura de topire). Materialul topit este extrudat și depus în straturi subțiri. Metodă de fabricare a suportilor (pentru susținerea pieselor complexe) se bazează pe principiul de depunere strat cu strat de material topit, similar cu metodă de fabricare a piesei propriu-zise).

Fig. 5.3 Exemple de piese prelucrate in sistemul FDM

5.2 Tehnologia CAD/CAM

http://www.om.ugal.ro/om/personal/Andrei%20Gabriel/desc/Curs_PAC/PAC_curs_1.pdf

5.2.1 SCURT ISTORIC AL DEZVOLTĂRII CAD/CAM

Apariția și dezvoltarea proiectării și fabricației asistate de calculator își are originea în introducerea sistemelor automate de monitorizare și control al proceselor de producție. Din punct de vedere istoric, câteva evenimente remarcabile sunt citate de unii autori cu referire la apariția primelor tehnologii automate. Astfel, se pretinde că, moara mecanică pentru făină, a cărei licență aparținea lui Oliver Evans din Philadelphia în 1795, a fost prima fabrică automată din lume. Aceasta făcea parte din categoria 5 fabricilor cu producție în flux continuu. În secolul 20, evoluția automatizării producției, începând cu linia lui Ford, include o serie de etape importante.

În 1909 apare linia de producție a lui Ford, care a dovedit practic posibilitatea automatizării producției, pe baza conceptului de diviziune a muncii, și a deschis calea către producția de masă.

În 1923 a fost introdus, la fabrica Morris Engine din Anglia, primul echipament de transfer, cu rol de indexare a pieselor de-a lungul liniei de fabricație care a dus la mecanizarea completă a producției blocului motor.

În anul 1952 apar primele aplicații ale controlului numeric (NC). Operațiile tehnologice sunt realizate prin control numeric, comenzile necesare fiind introduse cu ajutorul benzilor perforate.

Primul robot UNIMATE, bazat pe principiile controlului numeric, a fost lansat în anul 1960.

Între anii 1970-1972, în Japonia, se implementează controlul mai multor mașini-unelte cu ajutorul unui singur calculator. Acest pas deschide calea conceptului controlului numeric direct (DNC) și al controlului numeric asistat de calculator (CNC).

Anii '80 aparțin celulelor de fabricație. Determinarea familiilor de piese care pot fi prelucrate cu un subset de echipamente disponibile în atelierul de prelucrare se realizează prin așa-numitele tehnologii de grup. În cadrul acestor tehnologii de grup, o celulă de control asistată de calculator poate dirija manipularea materialelor între mașini, cu ajutorul unui robot.

5.2.2 DEFINIREA CAD/CAM

Apariția și dezvoltarea controlului numeric în anii 50, marchează începutul procesului de automatizare a mașinilor-unelte. Este un fapt recunoscut că introducerea comenzii numerice a însemnat debutul unui proces de inovare în activitățile de proiectare și producție a bunurilor. Astăzi există fabrici aproape complet automatizate care sunt capabile să manufactureze o însemnată varietate de produse. Specialiștii clasifică procesele de manufacturare în trei categorii principale: producția în flux continuu, producția de masă și producția de serie. În prima categorie sunt incluse produsele care “curg” într-un flux continuu ca în industria petrolului, cimentului, oțelului și a hârtiei. În a doua categorie intră produsele în unități discrete, realizate în număr foarte mare cu o productivitate maximă.

În acest mod sunt fabricate bunuri ca automobile, televizoare, frigidere, aparate electronice etc. Producția de masă a realizat beneficii enorme de pe urma mecanizării și automatizării tehnologiilor de fabricare. În a treia categorie intră producția unui număr mare de tipuri de bunuri diferite care necesită tehnologii diferite.

O privire de sinteză asupra lucrărilor publicate în ultimii 15 ani, arată că proiectarea și fabricarea asistate de calculator sunt două domenii care s-au dezvoltat simultan, fiind tratate într-o viziune comună pe baza legăturilor naturale care există între activitățile de proiectare și manufacturare. În literatura de specialitate, CAD/CAM este un acronim care înseamnă proiectare și fabricare cu ajutorul calculatorului. Această tehnologie inovatoare care utilizează calculatoarele digitale pentru realizarea unor funcții diverse de proiectare și fabricare are tendința de integrare totală a acestor activități care, în mod tradițional, au fost considerate ca fiind două funcții distincte și separate. În ansamblu, CAD/CAM dezvoltă tehnologia avansată a întreprinderii viitorului, asistată complet de calculator (fig. 5.4)

Fig 5.4 Utilizarea calculatorului in fabricația asistată

În toate aceste exemple, operatorul uman este solicitat de aplicație să furnizeze datele de intrare în programe, să interpreteze rezultatele și să implementeze acțiunile necesare.

5.3 Avantaje tehnice si economice

Compararea tehnologiei clasice și tehnologiei neconvenționale utilizate din anumite puncte de vedere (timp de fabricație, economicitate și aplicabilitate). Avantaje și dezavantaje.

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

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

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

5.3.1 Timpul de fabricatie

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

Tehnologia Neconvențională (TN) în schimb are mai puțini pași  care conduc la final la obținerea produsului finit.

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

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

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

5.3.2 Costuri

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

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

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

5.3.3 Calitate (precizie dimensionala si de forma, rugozitate)

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

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

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

5.4 Etape necesare în fabricația FDM

sursa figura: https://www.ttonline.ro/revista/fabricatie-aditiva/fabricația-aditiva-prin-depunere-de-filamente-de-material-iii-aspecte-privind-proiectarea-pentru-fabricatie

Fig 5.5 Etape necesare în fabricația FDM

Etapele care trebuie parcurse pentru fabricarea unui obiect prin procedeul FDM (fig 5.5) sunt:

Obținerea modelului virtual tridimensional al obiectului de fabricat și exportul/salvarea acestuia în format STL;

Importul/deschiderea fișierului STL al obiectului în software-ul mașinii;

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

Alegerea parametrilor de proces pentru FDM;

Secționarea obiectului, cu plane paralele între ele și perpendiculare pe direcția de construire;

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

Generarea rândurilor/traseelor de depunere a filamentelor (fișier format .SML – Stratasys Machine Language);

Transmiterea fișierului SML către mașină;

Construirea obiectului prin suprapunerea straturilor de material;

Post-procesarea obiectului (eliminarea structurii suport, prelucrarea suprafețelor etc).

5.4.1 Structuri suport

După fabricarea obiectului, structurile suport (fig 5.6) utilizate sunt eliminate în două moduri, corespunzătoare celor două variante de structuri ce pot fi construite: prin dizolvare într-un rezervor cu soluție pe bază de apă, pentru structurile solubile în apă, respectiv prin ruperea legăturii dintre piesă și structura suport, în cazul structurilor de tip break away (Grimm, 2003).

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

Fig. 5.6 Structuri suport utilizate la construirea unei piese prin FDM

Structurile suport sunt fabricate ca niște coloane cu pereți subțiri (figura 4), putând fi eliminate ușor, fără deteriorarea piesei. În cazul în care atât materialul, cât și structura suport se construiesc cu aceeași duză (situație întâlnită frecvent la mașinile, pe care generic le denumim, RepRap), modelul depus pentru suport este mai rar, având o interfață slabă cu materialul pentru piesă.

Figura 5 prezintă câteva modele de piese fabricate din ABS (acrilonitril-butadien-stiren). Alte materiale de construcție folosite în procedeul FDM sunt PC (policarbonat), PC-ABS, PLA (acid poli lactic – material bioplastic) sau PPSU (polifenilsulfonă).

5.4.2 Cauze ale defectelor în fabricația FDM

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

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

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

Tot în categoria defectelor de suprafață pentru obiectele fabricate prin FDM intră și bavurile cauzate de structurile suport. După cum s-a menționat anterior, în funcție de tipul mașinii, materialul pentru structura suport și materialul pentru prototip pot fi depuse cu aceeași duză de extrudare, adică utilizând același material. În acest caz eliminarea structurilor suport lasă, uneori, bavuri fine sau găuri mici în suprafețele obiectului care se află în contact cu suportul.

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

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

Goluri în interiorul pieselor mai pot să apară și din cauza unei legături slabe între rândurile de material, determinată de un diametru neuniform al filamentului sau de o lungime prea mare a rândului, acesta apucând să se răcească până când următorul rând este depus. Totodată, piesele fabricate prin FDM pot prezenta și deformări și contracții cauzate de tensiunile reziduale induse de ciclurile de răcire-încălzire. Astfel, pentru a evita apariția acestor fenomene, mai ales dacă straturile au o suprafață mare cu traiectorii lungi de depunere, mașinile FDM profesionale folosesc o temperatură controlată în interiorul spațiului de lucru, iar mașinile low-cost folosesc o platformă încălzită.

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

5.4.3 Parametri care influențează procesul tehnologic

În procedeul FDM, construirea se face folosind structuri suport. Poziția și volumul acestora depinde nu doar de forma geometrică a obiectului de fabricat, ci și de orientarea acestuia pe platforma mașinii (figura 5.7). Dacă volumul structurii suport este prea mare, atunci poate fi necesar mai mult timp pentru eliminarea acestuia. În plus, suprafețele de contact dintre prototip și structura suport pot fi mai mari, cu efect negativ asupra calității acestora, știut fiind faptul că suprafețele obiectului care intră în contact cu structura suport au o rugozitate mai mare. Astfel, orientarea piesei trebuie să aibă în vedere și aspecte legate de structura suport. Cu alte cuvinte, piesa trebuie orientată astfel încât structura suport să poată fi eliminată (să nu fie blocată în interiorul piesei și, în cazul suporturilor de tip break away, să se asigure accesul pentru desprinderea structurii de pe piesă), pentru anumite aplicații putând fi necesar ca aria de contact cu suprafețele obiectului și volumul structurii suport să aibă valori cât mai mici din rațiuni legate de calitatea suprafețelor.

Figura 5.7 Două orientări de construire ale aceleiași piese: (a) nu necesită structură suport (exceptând suportul de bază), (b) necesită structură suport (capturi de ecran din software-ul Catalyst)

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

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

5.4.4 Precizia piesei în funcție de parametrii tehnologici

Precizia dimensională și precizia de formă depind, de asemenea, de orientarea de construire. Figura 5.8 prezintă o piesă prototip de tip carcasă, construită în două orientări, pentru care s-au măsurat și comparat preciziile dimensionale pentru găurile de pe suprafețele din planele orizontal, respectiv vertical, abaterea de la circularitate a acestora, ca și planitatea acelor suprafețele, toate acestea pentru ambele plane și pentru ambele orientări de construire. Rezultatele, în cazul analizat, au arătat că cea mai bună precizie dimensională se obține pentru entitățile geometrice (găuri) construite în plan vertical, explicația fiind aceea că, în plan vertical straturile de material au o grosime de 0,254 mm, iar în plan orizontal valoarea lățimii rândurilor de material este de 0,308 mm. De asemenea, cele mai mici abateri de la circularitate se obțin pentru găurile construite în plan orizontal. Măsurările nu au putut pune însă în evidență în mod clar dacă planitatea suprafețelor este sau nu mai bună decât a celor construite în plan orizontal.

Figura 5.8 Orientări diferite de construire pentru aceeași piesă – analiza preciziei dimensionale și de formă

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

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

Aceleași criterii sunt considerate și de Byun (2006), care aplică optimizarea multi-criterială considerând valoarea medie a rugozității suprafețelor (cuantificând astfel efectul de scară), timpul și costul de construire a obiectului. Li (2013) prezintă o metodă de optimizare bazată pe algoritmi genetici pentru două obiective și anume eroarea de volum și înălțimea piesei. Direcția optimă de construire este căutată în spațiul direcțional global cu ajutorul conceptului de sferă unitate. Chen (2013) studiază optimizarea calității suprafețelor pieselor fabricate pe o mașină Objet, analizând impactul orientării de construcție, dar și al grosimii straturilor de material. Rezultatele arată că rugozitatea suprafeței este mai bună pe direcție transversală, decât axială. De asemenea, studiul arată că, atunci când straturile de material sunt suficient de mici, curbura sau panta suprafețelor de-a lungul orientării de construire nu mai afectează calitatea suprafeței piesei.

Exemple de astfel de studii pot continua, cercetătorii concentrându-și atenția asupra optimizării orientării de construire pentru procedeele de fabricație pe straturi la modul general, sau asupra unor procedee particulare, în special stereolitografia și FDM-ul.

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

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

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

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

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

5.4.5 Reguli de respectat la proiectarea pieselor realizate prin fabricație FDM

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

Mai mult decât atât, nu trebuie omis faptul că obiectele fabricate au caracteristici care depind și de modelul de mașină utilizat și de material, în acest sens fiind realizate și publicate studii de tip benchmarking. De exemplu, un studiu recent evaluează mașina CupCake de la firma MakerBot în ceea ce privește precizia dimensională, limitările geometrice și dimensionale ale elementelor geometrice (găuri, buzunare, bosaje de diferite forme și dimensiuni, pereți subțiri, pereți înclinați sau elemente geometrice în consolă), repetabilitatea și toleranțele geometrice și dimensionale. De asemenea, pentru piese fabricate pe mașina Ultimaker și din materialul PLA, sunt constrângeri geometrice generale, care ar trebui luate în considerare la proiectare, cum ar fi aceea că proprietățile mecanice sunt mai bune în planul x-y sau că grosimea pereților orizontali nu trebuie să fie mai mică de 1 mm.

Procesul FDM conține următoarele reguli pentru proiectanți și operatori:

să se aleagă o orientare de construire, care să asigure preluarea încărcării la tracțiune de-a lungul stratului și nu perpendicular pe acesta. De asemenea, trebuie ținut seama de faptul că rezistența la compresiune a pieselor FDM este aproape dublă în comparație cu rezistența la tracțiune;

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

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

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

5.4.6 Recomandări privind alegerea parametrilor pieselor

Pe lângă aceste reguli care vizează rezistența mecanică a pieselor fabricate prin FDM și care se referă mai mult la procesul de fabricație, în continuare se prezintă și recomandări generale pentru diferite aspecte legate de geometrie, dimensiuni, precizii și calitate a suprafețelor. Totodată, facem precizarea că modificarea valorilor parametrilor de proces poate permite, de exemplu, evitarea formării anumitor tipuri de goluri sau modificarea anumitor trasee cu opțiunea Custom Groups (disponibilă în software-ul Insight – Stratasys) pentru o mai bună umplere a stratului.

5.4.6.1 Pereți subțiri

Grosimea minimă a pereților verticali ai pieselor FDM depinde de grosimea stratului de material. Se recomandă evitarea construirii de pereți verticali formați din straturi care au doar contur și care determină obținerea unei piese fragile. Astfel, în tabelul 5.1 sunt oferite următoarele sugestii generale de corelare a grosimii stratului cu grosimea minimă pentru pereții verticali:

Tabelul 5.1 Ccorelare a grosimii stratului cu grosimea minimă pentru pereții verticali

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

Se recomandă ca pereții orizontali să nu aibă o grosime mai mică de 1 mm;

Pereții subțiri ar trebui proiectați fără înclinare evitându-se astfel formarea golurilor în interiorul straturilor. Filamentul de material depus are o lățime constantă pentru fiecare rând, iar dacă grosimea peretelui variază în planul x-y, modificarea valorii ariei stratului face ca straturile să nu fie umplute complet. „Grosimea poate să fie variabilă la anumite nivele pe direcția z, dar cu valori discrete, nu în mod continuu cum este cazul unei înclinări”. Iar în acest caz, efectul de scară pe suprafețele înclinate este și mai pronunțat.

5.4.6.2 Găuri

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

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

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

5.4.6.3 Dimensiuni

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

Se recomandă ca dimensiunile minime ale tuturor elementelor geometrice să aibă valori peste 2 mm în planul x-y;

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

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

5.4.6.4 Structuri suport

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

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

5.4.6.5 Filete

Se recomandă evitarea muchiilor ascuțite în proiectarea filetelor pieselor;

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

Nu se pot crea filete cu un diametru la bază mai mic de 1,6mm.

5.4.6.6 Racordări

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

Se recomandă prescrierea de raze de racordare cu valori peste 1 mm.

5.4.6.8 Ansambluri și mecanisme

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

5.5 STUDIU DE CAZ

5.5.1 Introducere

Tehnica de printare 3D este o latură relativ nouă a tehnologiei ce a cunoscut o evoluție importantă în ultimii ani. Până nu de mult părea imposibil ca orice obiect gândit și proiectat de om să fie realizat prin aparatura la îndemâna consumatorului, dar odată cu trecerea timpului a devenit din ce în ce mai ușor. Creșterea interesului pentru domeniul printării 3D este vizibil atât în rândul pasionaților de tehnologie, cât și în rândul consumatorului obișnuit. Ca urmare a acestui interes și a creșterii cererii de piață, a devenit din ce în ce mai simplu realizarea unei imprimante 3D cu preț redus.

Obiectivul aplicatiei este de a descrie pasii necesari obtinerii fizice a prototipului de turbina din modelul virtual obtinut in SolidWorks folosind imprimanta Ultimaker 3 Extended.

5.5.2 Material

http://www.plastice-industriale.ro/produse-abs/abs-standard.html

ABS standard este un material plastic cu rezistenta mare la impact, proprietati excelente de termoformare si de izolare electrica. ABS are un finisaj perfect al suprafetei, lucios, semi-lucios, mat sau semi-mat.

Descriere:

– Rezistenta mare la impact

– Termoformabilitate excelenta

– Izolare electrica

Aplicatii:

– Advertising

– Industria auto

– Industria feroviara

– Industria energetica

– Aparatura medicala

– Aparatura electronica

5.5.3 ECHIPAMENT UTILIZAT

Imprimante 3D FDM (Fused Deposit Modelling) – Materiale plastice

În activitatea pe care o desfășoară firma 3DXPrint, calitatea echipamentelor joacă un rol foarte important, deoarece ea se transpune în calitatea produselor și serviciilor de print 3D. Astfel, pentru achiziționarea imprimantelor 3D s-a efectuat o analiză in urma căreia s-a luat cea ma buna decizie, atat pentru firma cat si pentru clienti.

Proiectate pentru performanță, imprimantele 3D Ultimaker sunt fiabile, eficiente și ușor de utilizat. Datorită suportului pentru o gamă largă de materiale, sunt potrivite pentru o mare varietate de aplicații, de la prototipuri la instrumente personalizate. Producătorul Olandez  Ultimaker este unul dintre cei mai buni în domeniul imprimării 3D. În cadrul firmei deținem următoarele modele: Ultimaker 2 GO, Ultimaker 2+, Ultimaker 3 Extended.

Specificații:

Tehnologie: Fused Deposition Modeling (FDM)

Mărimea maximă a piesei: 230 x 190x 200 mm

Număr extrudere: 2 (poate printa în 2 culori simultan)

Materiale pe care le acceptă: PLA, H Nylon, CPE, CPE+, PC, PP, TPU 95A, PVA și derivate ale acestora

Rezoluție straturi – 0.4 mm nozzle: 20 – 200 microni

Diametru filament: 2.85 mm

Temperatură: 180-280o C

Nivelare pat: autocalibare

Conectivitate: Wi-Fi, LAN, USB port

Acuratețe – 0,1 mm, care poate varia funcție de geometrie, orientare și mărimea obiectelor

5.5.4 Aplicații ale modelelor fabricate prin RP

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

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

5.5.5 Software

SOFTWARE PRINTARE 3D – Ultimaker Cura

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

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

5.5.5 Metode si materiale

Procesul de printare 3D se poate adapta la sistemele CAM-CAD (fig 5.9). Programele CAD oferă o gama variată de posibilități de obținere a modelelor 3D. Sistemele tradiționale CAD-CAM pentru tăiere  sunt dificile și necesite intervenții în programarea și organizarea secvențelor de lucru pentru formarea și finisarea produsului. În sistemul CAM de fabricație în straturi, situația este mai simplă. În figura de mai jos este prezentat sistemul CAD-CAM. Componenta CAM este  software-ul Ultimaker Cura.

file:///C:/Users/Ciobanu/Downloads/LICENTA/cad-output-for-fdms.pdf

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

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

Fig. 5.9 Procese CAM/CAD in procesul de printare 3D

Din sistemul CAD se obține fișierul cu extensia .stl care conține suprafață design-ului. Acest fișier reprezintă datele de intrare pentru sistemul CAM.

Pentru printarea 3D, codul G se generează automat folosind software-ul Ultimaker Cura pe baza datelor din tabelul 5.1.

Procent de umplere a volumului -50%

Numar de contururi – 11

Numarul straturilor inferioare – 12

Diametrul duzei – 0,4

Temperatura duzei – 230oC

Viteza de printare – 80 mm/s

Grosimea stratului – 0,8 mm

Materialul utilizat – ABS

Fig 5.10 Simularea procesului in softul Ultimaker Cura

O caracteristică importantă a procesului de printare 3D este aceea că producția se desfășoară într-un singur ciclu. Pentru obținerea rotorului prezentat în fig. 5.10  s-a folosit modelul de imprimantă 3D Ultimaker Extended 3 (fig 5.11).  Fișierul de control a fost obținut cu ajutorul software-ului Ultimaker Cură cu parametrii din tabelul 5.2. Materialul folosit este ABS

Fiig 5.11 Imprimanta Ultimaker Extended 3

Tabel 5.2 Parametrii printării 3D pentru reperul rotor

La realizarea de subansamble din materiale diferite și prin procese diferite trebuie să se țînă seama de precizia dimensiunilor obținute. Astfel, se asigura încadrarea in câmpurile de toleranță a suprafețelor care se îmbină și cooperează. Datorită complexității obținerii elementelor fizice prin procesul de printare 3D, pentru fiecare material trebuiesc aleși parametri specifici.

5.5.6 Itinerariu proces

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

În prezent sunt disponibile mai multe tehnologii, având în comun faptul că geometria se creează prin depunerea de straturi succesive, deci prin adăugare de material, contrar metodelor clasice, cum ar fi frezarea sau strunjirea, prin care obiectele sunt generate prin eliminare de material. Etapele de fabricare ale unui obiect prin prototipare rapidă sunt:

Generarea fișierului CAD – se realizează într-un program de proiectare asistată: Solid Works, SolidWorks, Autodesk Inventor, AutoCAD, etc.

Conversia fișierului în format STL – formatul Standard Triangulation Language – Stereolitography este un format standardizat, care aproximează suprafața tridimensională a oricărui obiect prin intermediul unui ansamblu de triunghiuri plane, informația corespunzătoare fiecărui triunghi constând în coordonatele celor trei vertex-uri și direcția normalei exterioare. Gradul de aproximare a geometriei depinde de densitatea rețelei triunghiulare, precizia crescând cu numărul de triunghiuri. Aproximarea unui corp solid printr-un set de triunghiuri reduce operația de feliere la determinarea unor segmente de dreaptă rezultate din intersecția planului de feliere cu colecția de triunghiuri. Deoarece programele CAD pot opera cu acest tip de fișier, generarea fișierului este o simplă opțiune de export din programul CAD.

Descompunerea obiectului în straturi – se realizează de obicei într-un program specializat oferit de furnizorul echipamentului; obiectul este descompus într-un număr de straturi, a căror grosime variază funcție de echipament; de asemenea programul generează suplimentar o structură pentru suportul materialului pe durata generării obiectului 3D; materialul model este utilizat la imprimarea părților pline ale unui model, iar materialul suport este utilizat la susținerea materialului model pe durata generării obiectului 3D, precum și la imprimarea volumului golurilor dintr-un model.

Generarea obiectului 3D strat cu strat – se poate realiza prin intermediul unor echipamente specifice, din diverse materiale model: polimeri, pudră de metal sau chiar hârtie.

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

Avantaje tehnologiei FDM:

Tehnologie office-friendly, silențioasă și sigură; pot fi produse obiecte și piese utilizabile, paleta destul de largă de materile. Preț extrem de accesibil al printerelor 3D (kituri și modele asamblate) precum și al consumabilelor (role cu filamente plastic). Tehnologie simplă de producție care înseamnă și ușurință în utilizare.

Dezavantaje tehnologie FDM :

Viteză mică de construcție în cazul unor geometrii mai complexe, posibilitatea existenței unor zone neuniform printate (layere nelipite), impermeabilitate redusă, rezoluție și acuratețe slabă pentru piese mici și detalii fine (microni). https://www.zspotmedia.ro/blog/printare-3d/

1. Dimesiuni teoretice (mm) Tipul dimensiunii (interior/ exterior) Rezultatul masuratorii (mm) Diferenta (mm)

Concluzie

Procesul de printare 3D reprezintă un pas important în dezvoltarea tehnicilor de obținere a prototipurilor și a soluțiilor unice. Caracteristică specială a tehnologiei de printare 3D este abilitatea de a produce direct din modelul CAD secțiuni ale detaliilor și în baza codului G, a unui fișier de control pentru prelucrare.

5.5.7 Crearea geometriei rotorului în SolidWorks

Geometria unei cupe Pelton este deosebit de complexă, figura 1, figura 2, deoarece este descrisă inițial, în desene de execuție, prin secțiuni transversale și longitudinale, care formează suprafețe spațiale continue. Aceste suprafețe trebuie să "îmbrace" secțiunile transversale și longitudinale

(fig.3), asigurând o abatere cât mai mică și o variație corectă a curburii. Generarea geometriei unei cupe Pelton este detaliată în lucrările [1], [2]. După modelarea cupei Pelton se generează geometria rotorului, prin multiplicarea polară a cupelor cu numărul de cupe specificat de proiectant și geometria discului pe care sunt dispuse cupele, figura 5.

5.5.7 Salvarea geometriei în format STL

Un fisier STL este o aproximare a modelului geometric sub forma unei colecții de fețe triunghiulare [3]. Cu cât rețeaua de fațete este mai densă, cu atât reprezentarea este mai precisă. În SolidWorks exportul geometriei în format STL se realizează foarte simplu prin opțiunea "Save as" și specificarea opțiunilor de export, prin intermediul ferestrei Export Options, figura 6:

Dispunerea rotorului pe tava de imprimare, figura 9, este calculată automat de către aplicație, pentru a asigura un consum minim de material și de timp de imprimare. Aplicația a descompus rotorul în 1516 straturi, consumurile de materiale au fost: material model – 766 g, material suport – 21 g, iar timpul de imprimare – 16 h 21 min.

Fișierul STL se încarcă în aplicația Ultimaker Cura unde se realizează și scalarea acestuia de la diametru exterior ~380 mm la ~190 mm.

6. ANALIZA COSTURILOR/ CALCULE ECONOMICE

6.1 Costul fabricatiei aditive

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

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

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

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

Costul per unitate depinde direct de volumul construit

Tehnologia fabricației aditive este rezultatul mai multor pași succesivi care sunt interconectați și care pot fi puși într-un algoritm (fig. 6.1)

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

Fig. 6.1 Algoritmul fabricației aditive

6.2 Estimare cost

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

Trei dintre cele mai comune tehnici de printare 3D sunt Stereolitografia (SLĂ), Fabricarea prin depunere de material topit (FDM) și Sinterizare Selectivă cu Laser (SLS), care sunt compararate în tabelul 6.1.

Tabelul 6.1 Tehnici comune de printare 3D

6.2.1 Defalcarea costurilor de productie https://www.3dcastor.com/post/how-to-calculate-the-cost-of-3d-printing

Componentele costului: Costuri directe si indirecte

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

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

Pentru a considera dacă o implementare a imprimării 3D în organizație este sau nu o idee bună, este relevant să aruncăm o privire la comparația dintre costul imprimării 3D a produsului si producția acestuia prin metoda de producție actuală, pentru mai multe volume de producție. Conceptual, această compensare ar trebui să arate ca figura 6.2. Locația punctului de intersectie a celor 2 curbe ar putea servi drept indicație pentru decizie. Cu cât punctul de intersectie este situat spre dreapta pe axa volumului de producție, cu atat imprimarea 3D rămâne cea mai interesantă si putin costisitoare opțiune.

http://www.m.growingscience.com/ijiec/Vol8/IJIEC_2016_26.pdf

Pentru a calcula costul, se va lua in considerare:

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

Timp de imprimare – timpul necesar pentru imprimare 52 ore

Costul forței de muncă

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

fig 6.2 Comparație intre costul imprimării 3D și tehnologiile actuale

6.3 Determinarea costului de productie pentru 100 bucăți

Costul reprezinta totalitatea cheltuielilor facute de intreprindere pentru realizarea marfurilor sale. Costul reflecta consumul factorilor de productie: capital, munca, natura. Munca se transpune in salariile platite. Exista atat o munca directa (a muncitorilor care realizeaza produsele) cat si o munca indirecta (a managerilor care organizeaza procesul de productie). Natura se evidentiaza prin pretul platit pentru procurarea apei, pentru folosirea terenului, etc.

6.3.1 Costurile directe

Cd = Cm + CM [lei] (6.1)

în care:

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

CM – cost cu manopera în lei

6.3.2 Cost cu materii prime, materiale, subansamble

Cm = Cmp+ Cc – Crec + Ct [lei] (6.2)

în care:

Cmp – costul materiilor prime si materialelor în lei

Cc – costul componentelor si subansamblurilor cumparate în lei

Crec – valoarea materialelor recuperate (Crec = 0,1 Cmp) în lei

Ct – cheltuieli cu transportul subansamblelor cumparate (Ct = 0,03 Cc) în lei

6.3.2 Costul materiilor prime si materialelor

Cmp= [lei] (6.3)

în care:

K-cantitatea produsă

P-preț unitar în lei

6.3.3 Cost cu manopera

CM = Cman + Ccol + I + CAS [lei] (6.4)

în care:

Cman – costul manoperei directe în lei

Ccol – costul unor prelucrări realizate prin colaborare în lei

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

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

6.3.4 Costul manoperei directe

Cman= (6.5)

în care:

q – volumul de munca (ore)

s – salariu orar (lei/ora)

Din relatia (6.5) se obtine costul manoperei directe Cman=139285,71 lei. Inlocuind (6.5) in (6.4) rezulta costul cu manopera, CM. Din relația (6.3) aflăm costul materiilor prime si materialelor Inlocuim Cmp in relatia (6.2) pentru a afla costul cu materii prime, materiale, subansamble. Cu rezultatele obtinute la (6.4) si (6.2) putem afla costurile directe Cd= x lei

Determinarea costului are un anumit grad de relativitate, deoarece unele cheltuieli sunt directe (factorii de productie se regasesc in produs) iar altele indirecte (cheltuielile sunt la nivelul intreprinderii si ele se repartizeaza pe produs mai mult sau mai putin exact)

6.4 Impactul Fabricației Aditive asupra lanțului logistic. Alte costuri relevante

Lantul logistic traditional (figura 6.3) este bazat pe constrangerile industriei producatoare clasice, eficenta productiei in masa, inclinatia spre costuri scazute de fabricatie, etc. Tehnologia 3D face abstractie de aceste constrangeri si isi arata valoarea in fabricatia de volume mici si de articole specifice clientului, care pot avea o complexitate mult mai mare decat este posibil prin mijloace traditionale.

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

Fig. 6.3 Exemplu de lanț logistic tradițional

Cu toate acestea, se pot realiza economii suplimentare atunci când sunt luate în considerare costurile de inventar și logistică, ceea ce duce la impacturi pe întregul lanț de aprovizionare, vizualizate în figura 6.4. Piesele pot fi tipărite la timp și prin intermediul unui sistem PULL (sistem lean creat pentru a reduce deșeurile din zona de producție) are un impact pozitiv asupra costurilor de inventar. Este nevoie de mai puține transporturi, deoarece mai multe părți ale unui produs pot fi tipărite simultan, eliminând nevoia de asamblare, ceea ce afectează pozitiv costurile logistice.

Fig. 6.4 Exemplu de lanț logistic adaptat fabricației aditive

Lanțul logistic tradițional:

Produsele sunt fabricate in masă

Produsele fabricate sunt distribuite prin rețeaua de depozite către clienți

Costuri mari de transport

Amprentă mare de CO2

Lanț logistic adaptat fabricației aditive:

Producție personalizată

Produs obținut și distribuit local

Timp scurt de plumb

Costuri reduse de transport

Amprentă scăzută de CO2

6.4 Concluzii

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

capacitatea de descentralizare a producției.

În consecință, lanțul de aprovizionare poate reacționa rapid la schimbările de pe piață. Se deschide creează noi oportunități și oferă multe posibilități companiilor care doresc să se îmbunătățească eficiența producției. AM eficientizează în mod semnificativ metodele tradiționale și are potențial de a deveni norma în deceniile următoare. Tehnologia oferă libertatea de

proiectare folosind software-uri CAD standard. Aceasta permite, de asemenea, personalizarea eficientă a produsului.

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

Bibliografie:

1. Agarwala, M.K. ș.a., Structural quality of parts processed by fused deposition, Rapid Prototyping Journal, Vol. 2, Iss. 4, pp.4 – 19, 1996

2. Ahn, S., Montero, M., Odell, D., Roundy, S., Wright, P., Anisotropic Material Properties of Fused Deposition Modeling ABS. Rapid Prototyping Journal, Vol. 8, No. 4, pp. 248 –257, 2002

3. Grimm, T., Fused Deposition Modelling: A Technology Evaluation, Time Compression Technologies, Vol. 2, No. 2, pp. 1-6, 2003

4. Lee, B.H., Abdullah, J., Khan, Z.A., Optimization of rapid prototyping parameters for production of flexible ABS object, Journal of Materials Processing Technology. Vol. 169, pp. 54–61, 2005

5. Peng, A. H., Xiao, X. M., Investigation on Reasons Inducing Error and Measures Improving Accuracy in Fused Deposition Modeling, Advances in information Sciences and Service Sciences (AISS), Vol. 4, No. 5, pp.149-157, March 2012

6. Peng, A. H., Xiao, X. M., Yue, R., Process parameter optimization for fused deposition modeling using response surface methodology combined with fuzzy inference system, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2014

7. Sood A., Ohdar R. & Mahapatra, S., Parametric appraisal of mechanical property of fused deposition modelling processed parts, Materials & Design, Vol. 31, No. 1, pp. 287–95, 2010

8. Ziemian, C., Sharma, M., Ziemian, S., Anisotropic Mechanical Properties of ABS Parts Fabricated by Fused Deposition Modelling, Mechanical Engineering Editor Murat Gokcek, pp.159-180, 2012

9. Byun, H-S., Lee, K.W. (2006), Determination of the optimal build direction for different rapid prototyping processes using multi-criterion decision making, Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 22(1):69-80

10. Chen, Y., Lu, J. (2013), RP part surface quality versus build orientation: when the layers are getting thinner, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 67(1-4):377-385

11. Frank, D., Fadel, G. (1995), Expert system-based selection of the preferred direction  of build for rapid prototyping processes, Journal of Intelligent Manufacturing, 6(5):339–45

12. Li, Y., Zhang, J., (2013), Multi-criteria GA-based Pareto optimization of building direction for rapid prototyping, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 69(5-8):1819-1831

13. Masood, S.H., Rattanawong, W., Iovenitti,P. (2000), Part build orientations based on  volumetric error in fused deposition modelling. International Journal of Advanced Manufacturing Technology,19(3):1 62–8

Johnson, W.M., ș.a., 2014, Comparative evaluation of an open-source FDM system, Rapid Prototyping Journal, 20(3):205-214

14. D’Angelo, G., Designing for Ultimaker, disponibil la: www.fablab.dtu.dk

15. Bagsik, A., 2010, FDM Part Quality Manufactured with Ultem*9085 14th International Scientific Conference „Polymeric Materials“, Halle, September 15-17th

16. Bagsik, A., Schöppner, V., Mechanical Properties of Fused Deposition Modeling Parts Manufactured with Ultem*9085, ANTEC 2011, Boston/ Massachusetts, USA, 1-5 May

17. Adam, G.A.O, Zimmer, D., 2014, Design for Additive Manufacturing-Element transitions and aggregated structures, CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, 7(1):20-28

18. Ahn, S. H., ș.a., 2002, Anisotropic Material Properties of Fused Deposition Modeling ABS; Rapid Prototyping, 8(4):248-257

19. http://www.solidconcepts.com/resources/design-guidelines/fdm-design-guidelines

20. Stratasys 3D Printers and Production Systems, 2011, FDM for End-Use Parts: Tips and Techniques for Optimization, 1-22

21. Bakar, N.S.A., ș.a., 2010, Analysis on fused deposition modelling performance, Journal of Zhejiang University, Science A, 11(12): 972-977

22. http://reprap.org/mediawiki/images/1/1c/FFFDesignGuide.pdf

23. http://www.slideshare.net/KacieHultgren/top10-tips-for

24. http://www.wikipedia.org/