Semnătura coordonatorului proiectului de diplomă, [303149]

Licență

Semnătura coordonatorului proiectului de diplomă, [303149]

Byadmin ianuarie 1, 2024

UNIVERSITATEA POLITEHNICA TIMIȘOARA

FACULTATEA DE MECANICĂ

DEPARTAMENTUL DE MECANICĂ ȘI REZISTENȚA MATERIALELOR

SPECIALIZAREA INGINERIE MECANICĂ

PROTOTIPAREA RAPIDĂ

Coordonator științific:

Prof.Dr.Ing. Liviu MARȘAVINA

Absolvent: [anonimizat]2016-

EVALUAREA PROIECTULUI DE DIPLOMA

DE CĂTRE COORDONATORUL ȘTIINȚIFIC

Timișoara

Data

Semnătura coordonatorului proiectului de diplomă,

P L A N T E M A T I C

Lucrare de licență

1. Proiectul de licență al studenului : Voinescu Dan Ciprian

2. Tema proiectului : Prototiparea rapidă

3. Termenul de predare a proiectului : 17.06.2016

4. Conținutul lucrării de licență :

– Introducere, [anonimizat], Procesul tehnologic de realizare a [anonimizat] a epruvetelor , Determinearea proprietățiilor mecanice ale epruvetelor și Prezentarea unui produs din industria autohtona automotive fabricat din ABS.

5. Material grafic :

– Desene, Grafice, Imagini, Scheme

6. Consultații pentru proiect : L-V (08:30-18:30)

7. Data eliberării temei : 19.03.2016

8. Coordonator științific : Prof. Dr. Ing. [anonimizat] o data și viitorul.

Spun acest lucru deoarece acest tip de printare efectivă a [anonimizat] 1988, are o [anonimizat] o data consider ca aceasta tehnologie încă mai are capacitatea de a se dezvolta și de a se îmbunătăți considerabil.

[anonimizat]-uri, [anonimizat], [anonimizat], timpii de prelucrare.

Consider ca aceast subiect ilustrează la ora actuala obiectul de activitate al tuturor producatorilor din industria locală și nu numai. [anonimizat], într-un interval de timp mai scurt. Diminuând considerabil timpul de realizare a [anonimizat].

[anonimizat] a materialelor, [anonimizat], [anonimizat]. Are avantajul de a realiza structuri complexe dintr-o [anonimizat]-[anonimizat] a unui astfel de sistem și prețul materialelor ce pot fi prelucrate cu ajutorul acestuia.

Metodele tradiționale de fabricație cedează teren în fața acestei tehnici revoluționare în domenii ca : [anonimizat], aeronautica, arhitectura, arheologie, medicina, generdând chiar și noi domenii de studiu precum ar fi proiectarea țesuturilor umane.

1.1 Introduction

I chose this topic for my undergraduate work because I believe that this kind of rapid processing is past, the present but also future.

I say this because this type of printing actual product there exist for several years, from 1988, has an very important participation in the industry today, but also a time I believe that this technology still has the ability to develop and improve considerably.

This type of processing allows models at CAD by placing them in certain sofware, for then be obtained in a very short time physical product designed, that diminishes a parameter very important industry in these days, time, processing times.

I believe that this topic illustrates currently the activity of all producers of local industry and beyond. Since using this technology is enhanced production yield, but also the research and development relies heavily on using this technology because it manages to release higher quality products in a shorter timeframe. Significantly reducing product development time to prototype level, because then you achieve physical analysis.

Rapid prototyping is currently considered an important factor in processing, modeling materials in several fields, such as medicine, but also more generally everything that represents the industry today. It has the advantage to achieve complex structures in a single procedure for processing in an advantageous time user, but nevertheless a major disadvantage which somewhat limits the number of users of this type of processing is the costs of buying such a system and the price of materials that can be processed with it.

Traditional methods of manufacturing giving way before this revolutionary technique in fields such as biomedical engineering, electronics, aeronautics, architecture, archeology, medicine, generating even new areas of study such as designing human tis

Cuprins

1. Introducere 5

1.1 Introduction 7

2. Principiile prototipării rapide 10

2.1 Prototiparea rapidă 17

2.2 Etapele de fabricare al unui obiect prin prototipare rapidă sunt : 20

2.3. Tehnologii de prototipare rapidă 22

2.3.1. FDM ( Fused deposition modeling ), Modelare prin extrudare termoplastică 23

2.3.2. SLA ( Stereolithography ), Stereolitografie 26

2.3.3. DLP ( Digital Light Proccesing ), Expunere digitală a luminii 29

2.3.4. SLS ( Selective Laser Sintering ), Sinterizare Laser Selectivă 32

2.3.5. SLM-DLMS ( Selective Laser Melting ), Sinterizare directă laser a metalelor 35

2.3.6. 3DP ( 3D Inkjet Printing ), Printare inkjet tridimensională 37

2.3.7. LOM ( Laminated Object Manufacturing ), Fabricarea Stratificată prin Laminare 40

2.3.8. PJP ( PolyJet Printing ), Printare PolyJet cu Fotopolimeri 43

3. Procesul de tehnologie utilizat pentru realizarea epruvetelor din ABS 46

3.1. Tehnologia utilizată 46

3.2. Materialul utilizat 52

4. Determinarea experimentală a proprietăților mecanice pentru epruvetele din ABS 58

4.1. Aparatura utilizată în vederea testării epruvetelor 58

4.2 Standarde privind elaborarea și încercarea epruvetelor 63

4.3 Standardul privind elaborarea și încercarea epruvetelor din ABS la încovoiere 64

4.4 Standardul privind elaborarea și încercarea epruvetelor din ABS la tracțiune 69

5. Realizarea prin prototipare rapidă a unui produs din industria automotive 75

6. Concluzii 81

7. Anexe 82

8. Bibliografie 85

Principiile prototipării rapide

Prototiparea rapidă reprezintă un proces sau o tehnica ce permite realizarea unor produse fizic într-un timp foarte scurt. Acest lucru o determina a fi un factor foarte important in dezvoltare si cercetare. O metodă unică de a realiza o componentă adesea produsă din plasti, direct cu ajutorul unui software de proiectare pe baza desenelor, modelului CAD realizat de catre utilizator. În industrie există deja o serie mare de utilizatori ai acestei tehnici de producție rapidă însă costurile necesare realizării unor produse prin această metodă sunt încă unele foarte mari, deci nu sunt utilizate in cazul produselor de serie, ci doar în cazul prototipurilor.

Încă din 1988 prototiparea rapidă a devenit o parte importantă a dezvoltării noilor produse. Acest procedeu presupune realizarea rapidă a unui obiect fizic bazat pe un model CAD 3D si pe desenele acestuia. De asemenea, exista un numar ridicat de sisteme de prototipare precum ar fi : stereolitografia, inserții laser selective și modelare prin depunere de material. Toate aceste sisteme se bazează pe procedeele obținute în urma utilzării metodei de prototipare rapidă, adică o secțiune subțire este generată de către software-ul utilizat pentru realizarea desenelor, iar obiectul împărțit din cat mai multe secțiuni de la bază catre vârf pentru a îi crește calitatea de prelucrare.

Prototiparea rapidă presupune sa prelucreze într-un timp cât mai scurt modele proiectate de către utilizator. Acest lucru permite proiectanților, nu doar sa comunice ci să transmită ideile acestora folosind un obiect fizic, care poate fi utilizat ulterior sau supus testelor necesare. În final, produsul poate fi scos pe piață foarte rapid, cu o calitate mult mai bună.

Prototiparea rapidă se utilizeaza în mai multe domenii, precum ar fi : automotive, medical, aerospațial chiar și personal. Chiar daca unele companii, nu își permit achiziționarea unor astfel de sisteme de prototipare rapidă, acestea pot utiliza contra cost abilitatea altor companii de a realiza modelele într-un scurt timp și de a le avea la dispoziție cât mai devreme posibil.

Unul dintre cele mai importante domenii, în care prototiparea rapidă activează consider ca este medicina. În cadrul acestui domeniu, cu ajutorul sistemelor de prototipare se pot realiza, dezvolta structuri complexe utilizate mai apoi pentru a înlocui părți fizice a unui om, precum ar fi un os sau un bypass. Acest lucru ajută medicii sa-și depășească limitele și de a performa în arta chirurgiei dând posibilitatea creșterii calității vieții umane.

Prin tehnologiile de prototipare rapidă se pot realize combinații unice de material și forme geometrice, spre exemplu geometria unei coloane vertebrale umane fara se poate realiza fără problem. Metodele tradiționale de fabricație cedând teren important în cadrul acestui domeniu în fața acestei tehnici revoluționare.

Un alt exemplu important, în care este utilizata prototiparea rapidă este explorarea spațiului. Această tehnologie permițând celor de la NASA sa creeze o hartă 3D a planetei Marte pe baza imaginilor realizate în expediția unui robot ce se pare ca a reușit sa ajungă cu succes pe aceasta planetă.

Cea mai recentă cercetare în domeniul prototipării rapide a impus colaborarea a mai multor universități, companii chiar și agenții guvernamentale. Se pare ca aceasta tehnologie stârnește un interes foarte mare la nivel global și ca se dezvolă foarte rapid. O serie de cercetatori lucrând în permanență la dezvoltarea și perfecționarea acestui tip de prelucrare rapidă. Se consideră ca prototiparea rapidă chiar dupa atația ani de existență, încă nu a atins performanța maximă și ca va avea in continuare un impact în design și prelucrare.

Acest tip de prelucrare este cel mai des utilizat pentru realizarea conceptului, prototiparea acestuia, design și teste funcționale. Unul dintre dezavantajele acestei metode se pare a fi faptul ca obiectele realizate prin prototipare rapidă au o serie de proprietăți mecanice și termice diferite față de cele obținute prin metode tradiționale, dar și costurile ridicate necesare susținerii unui astfel de sistem de prototipare reprezintă pentru moment un dezavantaj important. Un avantaj foarte mare este acela ca produsele se realizeaza într-un timp foarte scurt, fara a necesita prelucrări ulterioare majore.

În domeniul ingineriei mecanice, prototiparea rapidă reprezintă procesul de construcție a unui prototip, de a verifica design-ul daca este de succes. Verificarea succesului design-ului are o serie de aspecte precum ar fi : forma corecta, marimea corecta și altele. Diferite tipuri de prototipuri sunt necesare pentru a răspunde tuturor curiozităților inginerilor:

– despre forma corecta a unui prototip pot fi clarificate în urma realizării unui prototip, chiar si fragil,mic însă să reziste utilizării în situații normale.

– despre rezistența acestuia, putem realiza un prototip care sa respecte dimensionarile unui model analizat deja din punct de vedere al rezistenței acestuia in procesul de utilizare

Domeniul de prototipare rapidă a fost recent introdus în sistemele automatizate care pot converti de la nivelul de model CAD, într-un model tridimensional, fizic. Aceste tehnologii mai poarta denumirea și de fabricarea solida a unor forme libere. Prelucrarea acestor prototipuri presupune construirea a unui model CAD, realizat într-un software dedicat acestor tip de prelucrari, sau convertirea unor modele CAD, într-un format recunoscut de aceste software-uri utilizate în prototiparea rapidă. Acest proces este foarte simplificat datorita nivelului de automatizare atins de acesta, chiar daca uneori structurile realizate de către utilizator pot fi unele complexe, nivelul de dezvoltare a acestui sistem este unul destul de înalt ce poate satisface până și cererile mai pretențioase.

Un numar de astfel de sisteme este comercializat la nivel global, unele sunt utilizate pentru proiecte de cercetare, altele de producție, însă mai nou pot fi utilizate si la nivel local, pentru interes propriu, însă desigur fără a avea acces la disponibilitatea maximă din punct de vedere tehnic sau a capacității prelucrării modelelor.

În figura de mai jos avem ilustrat drumul modelului de la nivel 3D, la cel fizic.

Fig.2.1

Pentru prima dată cand termenul de prototipare rapidă a apărut pe piață a fost în anul 1987, atunci purta numele de manufacturare aditivă sau manufacturare generativă. Ambele termene sunt încă utilizate, iar în ultimii ani chiar au mai fost adăugați alți termeni care defapt reprezintă același procedeu de prelucrare rapidă. De asemenea fiecare termen ilustrează perfect punctul de vedere specific al creatorului acestuia față de acest tip de prelucrare, însă de cele mai multe ori acești noi termeni atribuiți acestui tip de prelucrare provoaca o confuzie a noilor intrați pe această piață sau industrie.

Pentru a înțelege cu exactitate varietatea acestor termeni va voi exemplifica o serie dintre aceștia:

Manufacturare aditivă

Manufacturare digitală

Tehnologie rapidă de prelucrare

Fabricare digitală

Printare 3D

Modelare 3D

Prelucrare directa

Prelucrare rapidă

Termenul de manufacturare aditivă, sau manufacturare generativă acoperă cam toate posibilitățile de a îți imagina procedeul de adăugare de material pentru a crea un model tridimensional. În viitor, ca orice tehnologie nou, va deveni disponibilă probabil tuturor utilizatorilor, existând deja o serie de modele de imprimante 3D mai accesibile din punct de vedere financiar, însă cu o capacitate de prelucrare limitată.

În trecut, a mai existat o tehnică de manufacturare aditivă, însă a disparut la scurt timp in jurul anului 1990. Această tehnica presupunea adaugarea de material din toate direcțiile spațiale, însă a fost acaparată de către procedeul clasic, deoarece rapiditatea de realizare a modelelor nu se compara cu procedeul ce se dorea a fi nou implementat fiind unul foarte complex, necesitând o serie de costuri și mai ridicată, realizând până la urmă același lucru.

Principiul de funcționare al acestei prototipări rapide, se bazeaza pe construirea a unui obiect tridimensional fizic, numit part, format din mai multe secțiuni de grosime egala, fiecare secțiune având un contur bine definit corespondent unor coordonate din sistemul de axe, aceste secțiuni fiind puse una peste alta, pana la finalizarea part-ului

Prototiparea rapidă se clasifică în urmatoarele tipuri :

Fig.2.2

În schema de mai jos avem ilustrată principiul de funcționare al imprimantei 3D.

Fig.2.3

2.1 Prototiparea rapidă

Prototiparea rapidă este automatizată și reprezintă un proces dezvoltat de la bazele principiului de manufacturare aditivă. Este caracterizată de un proces în lanț care începe cu un model tridimensional CAD, care reprezintă produsul ce se dorește a fi realizat. În inginerie, modelul este realizat prin design sau prin scanarea tehnologiilor mai vechi cu scopul de a fi îmbunătățite.

Fig.2.1.1

Indiferent de cum a fost obținut part-ul 3D, acesta este secționat cu ajutorul unui calculator și a unui soft specializat. Ca rezultat, obținem un set de secțiuni cu o grosime constanta.

Fiecare secțiune corespunde unui set de coordonate în sistemul de axe ( x,y), iar reprezentat pe axa (z) avem numarul secțiunilor din care este format part-ul.

Pentru început fiecare secțiune este procesată conform conturului acesteia, și conform formei dată de coordonatelor înregistrate de către partea de soft. Acest lucru se poate realiza prin mai multe metode, cea mai des utilizată este aceea de a se utiliza o folie cu un adeziv special ce se ataseaza după fiecare secțiune realizată de către sistemul de prelucrare. Secțiune cu secțiune, modelul fizic prinde forma de la bază spre vârf.

Acești pași de bază sunt legați în lanț până la finalizarea part-ului dorit, pentru mai mult de 100 de mașini diferite disponibile în ziua de astăzi ce realizează procesul de manufacturare aditivă. Singura diferență între aceste mașinării este aceea de felul cum procesează fiecare secțiune și cum se ansamblează secțiunile adiacente.

Ca o primă concluzie, manufacturarea aditivă este un proces de prelucrare bazat pe un model 3D, adică un obiect tridimensional numit produs digital. Folosește o serie de secțiuni cu o anumită grosime și un contur corespunzător produsul ce se dorește a fi realizat.

Acest mod de prelucrare, nu afecteaza deloc design-ul și avantajul este ca poate fi realizat, în orice stadiu se află proiectul dezvoltat.

Majoritatea persoanelor interesante în manufacturarea aditivă doresc să cunoască cum pot folosi această tehnologie nouă și ce fel de noi produse po dezvolta.

Fig.2.1.2

Toate procesele de manufacturare aditivă se numesc procese directe, deoarece acest tip de prelucrare indică faptul ca dintr-un model digital se poate obține direct modelul fizic cu ajutorul unei mașinării generatoare.

Aceasta reprezintă o tehnologie utilizată la fabricarea obiectelor fizice direct din fisiere generate într-un program de proiectare asistată pe calculator ( CAD ) . În prezent sunt disponibile mai multe tehnologii, având in comun faptul ca geometria se creeaza prin depunerea de straturi succesive, deci prin adaugare de material, contrar metodelor clasice, cum ar fi frezarea sau strunjirea, prin care obiectele sunt generate prin eliminare de material.

2.2 Etapele de fabricare al unui obiect prin prototipare rapidă sunt :

Generarea fișierului CAD – realizându-se într-un program de proiectare asistată : CATIA, SolidWorks, AutoDesk, Inventor, AutoCAD, Microstation

Conversia fișierului în format STL – formatul standard triangulation language – Stereolitografia, fiind un format standardizat care aproximează suprafața tridimensionala a oricărui obiect prin intermediul unui ansamblu de triunghiuri plane, informația corespunzătoare fiecarui triunghi constând în coordonatele celor trei vertex-uri și direcția normalei exterioare. Gradul de aproximare a geometriei depinde de densitatea rețeleie triunghiulare, precizia crescând cu numărul de triunghiuri. Aproximarea unui corp solid printr-un set de tringhiuri 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 numar de straturi, a caror grosime variaza în 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 a 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 diversste materiale model : polimeri, pudra de metal sau chiar și 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 aspecul vizual al obiectului și durata de utilizare a acestuia

2.3. Tehnologii de prototipare rapidă

Tehnologiile existente de printare 3D sunt :

FDM ( Fused deposition modeling ), Modelare prin extrudare termoplastică

SLA ( Stelereolithography ), Stereolitografie

DLP ( Digital Light Processing ), Expunerea digitala a luminii

SLS ( Selective Laser Sintering ), Sinterizare laser selectiva

SLM ( Selective Laser Melting / Direct Metal Laser Sintering ), Sinterizare laser a metalelor

3DP , Printare inkjet tridimensională

LOM ( Laminated Object Manufacturing ), Fabricare stratificată prin laminare

PJP ( Polyjet printing ), Printare polyjet cu fotopolimeri

2.3.1. FDM ( Fused deposition modeling ), Modelare prin extrudare termoplastică

Fig.2.3.1.1 [8]

Tehnologia de prototipare rapidă FDM ( Fused Deposition Modeling) , în traducere Modelare prin Extrudare Termoplastica ( depunere de material topic ) este cea mai utilizată tehnologie de fabricare aditivată, datorită simplității și accesibilității acesteia. Este utilizată în modelare, prototipare dar și în aplicații de producție. Alte denumiri utilizate sunt : MEM ( Melting Extrusion Modeling ), extrudare termoplastică TPE ( Thermoplastic Extrusion), FFF ( Fused Filament Fabrication )

Cu ajutorul unei aplicații software dedicate, modelul 3D este feliat inițial în secțiuni transversal numite straturi ( layere ). Tehnologia de printare constă în trecerea unui filament din material plastic printr-un extruder 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 vertical sub coordonarea unui mechanism 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.

Pentru a preveni deformarea pieselor cauzată de răcirea bruscă a plasticului, unele modele profesionale de printere 3D includ o camera închisă de construcție, încălzită la temperatură ridicată. Pentru geometrii complexes au modele în consolă, tehnologia FDM necesită printarea cu material support care va trebui ulterior îndepărtat manual.

În ultimii ani, expirarea patentelor din domeniul tehnologiei FDM, a dus la apariția a zeci de mici producatori de imprimante 3D, mici de tip hobby, destul de ieftine. Cu toate acestea, un printer 3D professional cu aplicabilitate în industrie poate depăși 30.000 de Euro.

Punctele tari ai acestei tehnologii sunt, acuratețea părților printate și finisarea suprafețelor printate, iar un punct slab poate fi viteza de printare scăzută.

Materialele utilizate sunt : ABS ( acrolyonitrie butadiene styrene ), PLA ( polylactic acid), PVA (solubil), PC ( policarbonat ), polietilena HDPE, polipropena, elastomer, polyphenylsulfone (PPSU) și ultem polyphenylsulfone (PPSF), poliamidă, ceară de turnare.

Avantajele tehnologiei FDM/MEM pot fi faptul ca este o tehnologie office-friendly, silențioasă și sigură. Pot fi produse obiecte și piese utilizabile, cu o paletă destul de larga de material. Preț extreme de accesibil al printerelor 3D (kituri și modele ansamblate) precum și al consumabilelor (role cu filament plastic). Tehnologie simplă de producție care înseamnă și ușurință în utilizare.

Dezavantajele tehnolgiei FDM/MEM pot fi, viteza mica de construcție în cazul unor geometrii mai complexe, posibilitatea existenței unor zone neuniform printate (layere nelipite), impermeabilitate redusă, rezolție și acuratețe slabă pentru piese mici și detalii fine (microni).

Dezavantajele pentru kituri și printere 3D de tip hobby pot fi, durata mare de ansamblare și calibrare (kituri), calitatea printului este variabilă, rata mare de rebuturi ( la început ), viteza foarte mică de construcție pentru piese complexe, piese limitate ca dimensiuni datorită deformărilor în printare, zone neuniform printate ( layere nelipite ).

Aceasta tehnologie se aplică în cazul pieselor și subansamblelor pentru testare funcțională, design conceptual, modele de prezentare și marketing, piese de detaliu pentru aplicații alimentare sau medicale, subansamble din plastic pentru aplicații la temperaturi înalte, producții de serie foarte mică. Forme de turnare. Prototiparea matricelor ( schele structurale ) pentru aplicații medicale de ingineria țesuturilor, prototipare rapidă a pieselor și sculelor de mici dimensiuni. [8]

2.3.2. SLA ( Stereolithography ), Stereolitografie

Fig.2.3.2.1 [8]

Stereolitografia ( SLA sau SL ) este o tehnologie de prototipare rapidă utilizată la scară largă în mediul industrial pentru realizarea matrițelor, modelelor și chiar a componentelor funcționale. Cunoscută și sub numele de foto-solidificare sau fabricare optică, stereolitografia implică utilizarea unui fascicul laser cu lumină ultravioletă pentru solidificarea unei rășini fotopolimerice lichide aflată în cuva de construcție a imprimantei. Sub acțiunea luminii laser ultraviolete această rășină curabilă ( sensibilă la lumina ultravioletă ) se solidifică în straturi succesive obținându-se astfel modelul solid 3D.

Modelul 3D dorit este feliat inițial în secțiuni transversale pe care fasciculul laser o trasează pe suprafața rășinei lichide. Expunerea la lumina laser ultravioletă solidifică modelul trasat pe rășina lichidă rezultând un strat solid ( printat 3D ) care se adaugă la stratul precedent construit.

După finalizarea construcției, modelul 3D obținut, este imersat într-o baie chimică separată pentru îndepărtarea excesului de rășină după care este tratat într-un cuptor cu radiații ultraviolete pentru întărirea finală.

Pentru printarea de geometrii complexe stereolitografia necesită crearea unor structuri de sprijin pentru susținerea geometriei. Aceste structuri sunt generate automat în timpul pregătirii 3D pe calculator de aplicația software a printerului 3D. Ulterior finalizării construcției, suporturile vor trebui îndepartate manual. Rășina rămasă în cuva de construcție poate fi reutilizată la printările ulterioare.

Tehnologia aplicată este destul de scumpă, lucru ce duce la costuri destul de mari pentru printerele de tip SLA ( pornind de la 40-50000 Euro ).

Acest tip de tehnologie de printare are o acuratețe foarte buna, o finisare a suprafețelor de asemenea buna și o viteză de printare bună spre foarte bună.

Materialele utilizate sunt rășini lichide foto-sensibile, materiale ceramice ( noi dezvoltate ).

Avantajele tehnologiei SLA, sunt prototiparea de piese de geometrii complexe și extreme de detailate, suprafețe printate foarte fine și precise, mărimi mari de construcție a pieselor, piesele printate pot fi utilizate ca matriță master pentru industriile de turnare prin injecție ( injection molding ), termoformare, turnare metale, rezistență la temperaturi înalte a pieselor fabricate.

Dezavantajele tehnologiei SLA, sunt rezistența medie la prelucrări mecanice, nedurabilitate în timp, expunerea lungă la soare deteriorează piesele care devin fragile și casante, necesită operațiuni deranjante de post-procesare ( cu substanțe chimice posibil periculoase ), cost mare al printerului, suprafața nu este extrem de finisată ( în comparație ), detalii nu extrem de fine, prototipuri poroase ( în funcție de materialul utilizat ). Rășinile lichide pot fi toxice, ventilația fiind obligatorie.

Aplicații în care această tehnologie se folosește sunt la piesele și componentele extrem de detaliate, modele finisate pentru prezentări de marketing, testare fizică a formei, modele de producție rapidă a sculelor ( rapid tooling ), aplicați rezistente la temperaturi înalte, matrițe master de turnare. [8

2.3.3. DLP ( Digital Light Proccesing ), Expunere digitală a luminii

Fig.2.3.3.1 [8]

Tehnologia de printare DLP ( Digital Light Proccesing ) reprezintă un proces de fabricare aditivă bazat pe utilizarea luminii ultraviolete pentru solidificarea unor rășini polimerice lichide. Dezvoltată de Texas Instruments, tehnologia DLP are ca element principal cip-ul DMD ( Digital Micromirror Device), o matrice de micro-oglinzi folosite pentru modularea spațială rapidă a luminii.

Inițial, modelul 3D CAD este convertit de aplicația sofware a printerului 3D în secțiuni transversale (felii) ale obiectului, apoi informațiile sunt transmise către imprimanta și cipul DMD.

Pentru fiecare secțiune transversală 3D CAD, lumina ultravioletă emisă de un proiector este modulată și proiectată prin intermediul cipului pe suprafața rășinii polimerice aflată în cuva de construcție. Fiecare micro-oglindă individuală a cipului DMD proiectează pixeli din secțiunea transversală a modelului 3D. Sub acțiunea luminii UV, rășina lichidă fotoreactivă (sensibilă la lumina ultravioletă) se solidifică în straturi succesive.

Deoarece întreaga secțiune transversală este proiectată într-o singură expunere, viteza de construcție a unui layer ( secțiune ) este constantă indiferent de complexitatea geometriei. Indiferent ca se printează o piesă simplă sau simultan 10 piese complexe, viteza de printare rămâne constantă.

Obiectele 3D de geometrii mai complexe sunt printate cu ajutorul materialelor suport care sunt ulterior îndepărtate. Rășina rămasă în cuva de construcție poate fi reutilizată la printările ulterioare. Anumite materiale de printare pot necesita procese ulterioare de întărire în cuptoare UV.

Fig.2.3.3.2 [8]

Costurile tehnologiei DLP sunt superioare față de FDM, și pornesc de la 15-20000 Euro pentru printere cu volume mici de construcție.

Calitățile acestei tehnologii sunt acuratețea pieselor printate foarte bună, o finisare a suprafețelor de calitate înaltă și o viteză de printare bună.

Materialele utilizate sunt, rășini, fotopolimeri, rășini transparente, polimeri pe bază de ceară.

Avantajele tehnologiei DLP sunt suprafețele printate fine și precise ( utilizare în industria bijuteriilor, tehnica dentară, electronică ), prototipuri destul de rezistente pentru prelucrare, gamă diversă de rășini inclusiv materiale bio-medicale ( certificate pentru utilizare în domeniul medical ) și rășini transparente ( prototipuri în industria ambalajelor ), printere stabile cu puține părți în mișcare. Tehnologia permite prototipare piese de geometrii complexe și detaliate, viteză mare de printare pentru geometrii complexe și printare simultană a mai multor piese ( productivitate mare ). Piesele printate pot fi utilizate ca matrițe master pentru industriile de turnare prin injecție ( injection molding ), termoformare, turnare metale.

Dezavantajele tehnologiei DLP sunt ca materalele de construcție sunt mai scumpe, preț printer mult mai mare ( pentru volume mari ), necesită operații post-procesare ( întărire UV, îndepărtare material suport), necesită manipularea rășinilor ( deranj în mediul office ).

Aceasta tehnologie se aplică la prototipurile rezistente pentru testare funcțională, prototipuri și modele fine, precise ( bijuterii, modele dentare, modele electronice ), prototipuri cu geometrii complexe, fabricare serii mici de modele în medicină ( proteze auditive, restaurări dentare, implanturi medicale ), prototipuri și modele în media ( animație, cinema, etc ) modele de turnare bijuterii, scule și unelte, piese și componente în industria auto și aerospațială. [8]

2.3.4. SLS ( Selective Laser Sintering ), Sinterizare Laser Selectivă

Fig.2.3.4.1 [8]

Tehnologia de prototipare rapidă SLS ( Selective Laser Sintering ), tradusă prin Sinterizare Laser Selectivă, a fost patentată la sfârșitul anilor 1980 și este apropiată de SLA. Pe lângă denumirea SLS se folosește pe scară largă și denumirea generica LS ( Laser Sintering ), sau Sinterizare Laser.

Tehnologia SLS implică folosirea unui fascicul laser de mare putere ( ex. Laser CO2 ) pentru topirea ( sinterizarea ) unor pulberi în straturi succesive obținându-se astfel modelul 3D dorit.

Modelul 3D dorit este convertit inițial în secțiuni transversale ( felii ) ale obiectului și trimise apoi, printerului. Pe baza informațiilor primite, fasciculul mobil al laserului topește ( sinterizează ) selectiv stratul de pulbere aflat pe platforma de construcție din interiorul cuvei, conform fiecărei secțiuni transversale.

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

În timpul printării, modelul 3D este în permanență încadrat în pulberea de construcție, ceea ce permite printarea unor geometrii extrem de complexe fără material suport. Pulberea rămasă în cuva de construcție poate fi reutilizată la printările ulterioare.

Obiectele 3D obținute prin sinterizarea laser sunt poroase și nu necesită finisare ulterioară decât dacă se dorește întărirea acestora prin înfiltrare.

Tehnologia sinterizării laser implică componente scumpe ceea ce duce la costuri ridicate ale printerelor de tip SLS ( peste 90000 Euro ).

Caracteristicile acestei tenologii sunt, o acuratețe a pieselor printate bună, o viteză de printare medie spre superioară și o cu o suprafață bună spre foarte bună.

Materialele utilizate sunt pulberi ( termo ) plastice, ( nylon, polyamida, polystyren, elastomeri, compoziți ), pulberi metalice ( oțel, titan, aliaje ), pulberi ceramice, pulberi din sticlă.

Avantajele tehnologiei SLS/LS sunt, o acuratețe bună a modelului 3D, paleta largă de materiale, piese fabricate rezistente, posibilitate construcției unor geometrii extrem de complexe fără material suport, flexibilitate a modelelor printate ( pot fi utilizate ca modele finale sau modele de testare ), ( unele materiale), nu necesită post procesare, piesa fabricata este rezistentă la temperaturi înalte. Nu necesită post-procesare ( întărire, îndepartare suport, etc) dacă nu se dorește întărirea mecanica.

Dezavantajele acestei tehnologii sunt, costurile ridicate, dimensiuni mari ale printerului, materiale de printare scumpe, suprafața mediu finisată ( în comparație cu SLA ), detalii medii ca finețe ( în comparație cu SLA ), prototipuri poroase care pot necesita operațiuni adiționale de întărire. Timp de răcire mare dupa printare pentru obiecte mari.

Tehnologia se aplică în cazu l pieselor rezistente pentru testare funcțională, testare la temperaturi înalte, piese cu balamale și subansamble de încastrare, producții de serie mică, modele de turnare. [8]

2.3.5. SLM-DLMS ( Selective Laser Melting ), Sinterizare directă laser a metalelor

Fig.2.3.5.1 [8]

Tehnologia SLM ( Selective Laser Melting ) sau Sinterizarea ( Topirea ) Laser a Metalelor, este o subramură a tehnologiei SLS cu un procedeu de fabricație aditivă similar. Tehnologia mai poarta numele de DMLS ( Direct Metal Laser Sintering ) sau Laser Cusing.

Spre deosebire de Sinterizarea Laser Selectivă, tehnologia SLM utilizează pulberi metalice drept material de construcție care sunt topite și sudate împreună cu ajutorul unui laser de mare putere. Straturile subțiri de pulbere metalică atomizată sunt succesiv topite și solidificate la nivel microscopic în interiorul unei camere de construcție închisa ce conține gaz inert ( argon sau azot ), în cantități controlate strict, la un anumit nivel de oxigen. Dupa terminare, piesa 3D este scoasă din camera de construcție și supusă unui tratament termic și de finisare în funcție de aplicație.

Cu o utilizare industrială specializată tehnologia SLM Selective Laser Melting poate fi încadrată mai degrabă în domeniul prototipării rapide decân în cel al printării 3D. Echipamentele sunt extrem de scumpe depășind în general 100000 Euro.Tehnologie similară este EBM ( Electron Beam Melting ), care utilizează un fascicul de electroni ca sursă de energie.

Caracteristicile acestei tehnologii sunt, o acuratețe a pieselor printate buna, o viteză de printare medie și o finisare a suprafețelor printate foarte buna..

Materialele utilizate sunt, pulberi metalice din oțel inoxidabil, oțel de scule, cobalt cromb, titan și aluminiu.

Avantajele tehnologiei SLM / DMLS sunt acuratețea buna a modelului 3D, paleta de materiale speciale metalice, piese fabricate rezistente, posibilitate construcției unor geometrii organice sau extrem de complexe, piese ușoare ( industria aerospațială, medicina ), flexibilitate a modelelor printate ( pot fi utilizate ca modele finale sau modele de testare ).

Dezavantajele tehnologiei SLM / DMLS sunt, costurile foarte ridicate, dimensiuni mari alte printerului, materiale speciale de printare și foarte scumpe, timpi de răcire după printare pentru obiecte mari.

Aceasta tehnologie are aplicații în prototipurile rezistente pentru testare funcțională, piese de geometrii organice, complexe și structuri cu pereți subțiri și goluri sau canale ascunse. Piese metalice complexe din materiale speciale produse în serie mică. Forme hibride în care geometrii solide / parțiale / tip zăbrele pot fi realizate împreuna pentru crearea unui singur obiect ( ex. Implanturi ortopedice în care integrarea osoasă este sporită de geometria suprafeței ). [8]

2.3.6. 3DP ( 3D Inkjet Printing ), Printare inkjet tridimensională

Fig.2.3.6.1 [8]

Tehnologia de printare tridimensională 3DP ( Three-Dimensional Printing) mai poartă și numele de 3D Inkjet Printing sau Plaster-Based 3D Printing ( PP ). Printarea tridimensională a fost printe primele tehnologii 3D pătrunse în România și reprezintă încă tehnologia favorită în domenii precum arhitectura și designul. Până la apariția tehnologiei LOM cu hârtie, 3DP era singura tehnologie care permitea printarea 3D color.

Printarea tridimensională 3DP implică utilizarea tehnologiei de printare inkjet pentru solidificarea unei pulberi introdusă în camera de construcție ( fabricare ), a imprimantei prin lipirea particulelor cu ajutorul unui material liant.

Inițial, modelul 3D CAD, este convertit în secțiuni transversale ( felii ) ale obiectului și trimise apoi imprimantei. Un strat subțire de pulbere este introdus în platforma de construcție după care este întins, distribuit și compresat uniform structura ( felia ) proiectată a modelului 3D, și rezultând astfel un layer al obiectului 3D din pulbere solidificată cu liant. O data ce un layer este finalizat, platforma de construcție coboară cu exact groismea unui layer, după care procesul de printare este reluat.

Prin repetarea operațiunii se vor construi layere succesive, unul deasupra celuilalt, până la realizarea piesei finale. Pe măsură ce procesul avansează, piesa este cufundată în pulbere ceea ce constituie un suport natural pentru geometriile mai complexe.

Dupa finalizare și scoatere din camera de construcție, piesa finală se introduce într-o cuvă pentru îndepărtarea prin suflare a pulberii rămase în diversele cavități și goluri. În coșul printării liantului pot fi adăugate și culori, rezultând obiecte 3D color cu aplicabilitate în multe domenii.

În cazul pulberilor de amidon sau ipsos, piesele 3D printate sunt de obicei infiltrare cu material de etanșare sau cu întăritor pentru îmbunătățirea durității și calității suprafeței. Pulberea rămasă în camera de construcție poate fi reutilizată la printările ulterioare.

Costul echipamentelor bazate pe tehnologia 3DP / 3D printing începe de la aproximativ 20000 Euro însă pentru echipamentele industriale ( pulberi de PMMA și volume mari de construcție ) poat depăși 150000 Euro.

O alta tehnologie noua, numita 3D Paper Printing, îmbină printarea inkjet cu tehnologia LOM. Straturi succesive de hârtie sunt decupate în forma secțiunii transversale formând layerele modelului 3D, iar acestea sunt lipite unul peste altul cu ajutorul unui cap de printare care aplică un jet de material adeziv. Tehnologia permite de asemenea printarea color a modelului 3D dorit utilizând cerneala inkjet obișnuită.

Caracteristicile acestei tehnologii sunt, o acuratețe a pieselor printate medie, spre buna, finisarea suprafețelor piesei medie și o viteză de printare foarte bună.

Materiale utilizate sunt pulberi ( amidon, ipsos, pulberi plastice PMMA, alte tipuri ).

Avantajele tehnologiei 3DP / 3D Inkjet Printing sunt, o viteză mare de printare, materiale nu foarte scumpe, prototipuri 3D printate full color cu impact vizual maxim. Funcționarea silențioasă a printerelor 3D, echipamentele pretabile în mediul office.

Dezavantajele tehnologiei 3DP / 3D Inkjet Printing ar fi, modele 3D destul de fragile, necesită întărire prin înfiltrare pentru îmbunătățirea rezistenței mecanice. Rezoluție și suprafață medii ca nivel de finisare. Gamă de materiale limitată. Manipularea pulberilor, curățarea piesei și infiltrarea pentru întărire pot genera praf și deranj în mediul office.

Aceasta tehnologie se aplică în cazul printărilor color, adica se aplică în mai multe domenii unde aspectul vizual are importanță maximă ( arhitectură, design conceptual, modele marketing, vizualizare științifică, educație ). [8]

2.3.7. LOM ( Laminated Object Manufacturing ), Fabricarea Stratificată prin Laminare

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

Fig.2.3.7.1 [8]

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

Inițial, modelul 3D CAD este convertit în secțiuni transversale ( felii ), ale obiectului și trimite 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 material nefolosit în urma decupării este caroiat mărunt de cuțit ( sau sursă laser ) pentru că la sfârșitul procesului să poată fi îndepărtat manual. Stratul finalizat este lipit de stratul anterior cu ajutorul unui adeziv aplicat pe partea inferioară a folii.

Pe tot timpul construcției, piesa 3D este încadrată ( împachetată ) în materialul de construcție ceea ce permite printarea unor geometrii complicate fără material suport. La finalul procesului, piesa 3D apare împachetată în materialul în exces care va fi îndepărtat manual. Restul de material este aruncat neputând fi utilizat la printări ulterioare.

O tehnologie nouă numită 3D Paper Printing, îmbină printarea Inkjet cu tehnologia LOM. Secțiunile transversale din hârtie sunt întâi printate color utilizând tehnologia inkjet obișnuită și apoi decupate în layere, rezultând un model 3D cu rezoluție full-color.

Costul echipamentelor ce utilizează această tehnologie este de 10-25000 Euro fără TVA însă ele au marele avantaj al utilizării unor consumabile extrem de ieftine ( hârtia obișnuita ).

Caracteristicile acestei tehnologii sunt, o acuratețe pieselor printate medie, spre buna, finisarea suprafețelor printate medie spre bună și o viteză de printare medie.

Materialele utilizate sunt hârtia ( foi obișnuite ), plastic ( role ).

Avantajele tehnologiei LOM sunt, materialele de printare foarte ieftine ( hârtie A4 obișnuita ), acuratețe și precizie destul de bună, permite printarea modelelor mai mari care nu au detalii complicate. Prototipuri 3D, printate full color cu impact vizual maxim. Echipamentele pretabile în mediul office ( fără praf, substanțe chimice, operațiuni periculoase de post-procesare ).

Dezavantajele tehnologiei LOM sunt, gama limitată de materiale, proprietăți slabe ale materialelor, materialul nefolosit trebuie îndepărtat manual, pierderi de material destul de mari ( restul neutilizat al colii se aruncă ). Volume de printare limitată.

Aplicabilitate a acestei tehnologii LOM, sunt testarea fizică a formei, modele 3D voluminoase ( al căror cost de producție trebuie sa fie mic ), piese nu extrem de detaliate. Printarea celor are aplicabilitate în multe domenii unde aspectul vizual are importanța maximă : arhitectura, design conceptual, modele marketing, vizualizare științifică, educație. Servicii tip payer-per-print ( datorită costurilor mici de printare ). [8]

2.3.8. PJP ( PolyJet Printing ), Printare PolyJet cu Fotopolimeri

Fig.2.3.8.1 [8]

Tehnologia de printare 3D PJP ( Polyjet Printing ), întâlnită și sub numele de Jetted Photopolymer, sau sub denumirea de MultiJet Printing ( MJP ), este o altă tehnologie de fabricare aditivă, similară oarecum cu stereolitografia ( SLA ) deoarece utilizează tot foto-solidificarea unui fotopolimer lichid. Tehnologia Polyjet este însă similară și cu tehnologia de printare inkjet obișnuită. Spre deosebire de imprimantele de birou care spreiaza un jet de cerneală, printerele 3D Polyjet emite un jet de fotopolimeri lichizi care sunt ulterior întăriți la lumina UV.

Modelul 3D CAD este inițial convertit în secțiuni transversale ( felii ) ale obiectului și transmisre apoi imprimantei. Capul de printare spreiază un jet de fotopolimeri lichizi cu care proiectează o secțiune transversală extrem de subțire pe platformă de construcție. Această secțiune este apoi întărită cu ajutorul luminii ultraviolete, după care procesul se repetă strat dupa strat creând modelul 3D final. Modelele complet întărite pot fi manipulate și utilizate imediat, fără operații suplimentare de post-procesare.

În cazul geometriilor complicate sau al consolelor, imprimanta utilizează un material suport de consistență similară gelului, ca susținere a geometriei. Aceasta poate fi ulterior îndepartată manual cu ajutorul unui jet de apă.

Printerele pot avea 2 sau mai multe capete de printare, unul pentru fotopolimerul de construcție și celalalt pentru materialul solubil ( gel ). Utilizând capete multiple, tehnologia Polyjet permite inclusiv printarea cu 2 materiale diferite în cadrul aceluiași proces de construcție. Se pot astfel obține prototipuri printate din diverse materiale cu diverse proprietăți fizice.

Costul echipamentelor ce utilizează această tehnologie PolyJet pornește de la circa 18000 Euro pentru modelele desktop însă pentru printerele profesionale costurile pot ajunge la 100000 Euro.

Caracteristicile specifice ale acestei tehnologii de printare sunt, o acuratețe a pieselor printate si o finisare a suprafețelor acestora foarte buna cu o viteză de printare de asemenea bună.

Materialele utilizate sunt, fotopolimeri de diverse tipuri ( rigizi, maleabili, transparenți, opaci, biocompatibil, elastomeri )

Avantajele tehnologiei PolyJet, sunt acuratețea și precizia extrem de bună, suprafețe printate fine și precise ce nu mai necesită prelucrare ulterioară, modele 3D cu detalii complexe, prototipuri 3D printate din materiale multiple cu proprietăți fizico-mecanice multiple. Gama variată de materiale de printare cu proprietăți mecanice diferite. Echipamentele pretabile în mediul office ( fără praf, substanțe chimice, operațiuni periculoase de post-procesare ). Tehnologie eficientă din punct de vedere al costurilor pentru piese mici.

Nu necesită operațiuni ulterioare de întărire a modelului 3D printat. Operațiuni ușoare de post-procesare ( îndepărtarea materialului suport ).

Dezavantajele tehnologiei Polyjet sunt, piesele nu rezistă bine la temperatură, costul destul de mare al materialului de construcție, neficient economic pentru piese de dimensiuni mai mari. Operațiunile ulterioare de îndepărtarea materialului suport nu sunt atât de curate și nu se pretează în mediul office.

Tehnologia PolyJet se aplică la piesele și subansamblele rezistente pentru testarea funcțională, design conceptual, modele de prezentare și marketing, piese de detaliu pentru diverse aplicații, producții de serie foarte mică. Forme de turnare. Prototiparea rapidă a pieselor și sculelor de mici dimensiuni cu caracteristici complexe, matrițe master piese turnate din uretan. [8]

Procesul de tehnologie utilizat pentru realizarea epruvetelor din ABS

3.1. Tehnologia utilizată

Procesul utilizat pentru a realiza produsul dorit de catre noi, adica epruvetele de 2 tipuri pentru ca ulterior a fi testate la tracțiune și încovoiere este FDM ( Fused deposition modeling ), Modelare prin extrudare termoplastică.

Fig.3.1.1

Software-ul utilizat pentru realizarea CAD-ului cu epruvetele ce le-am dorit a se printra a fost CATIA V5, iar ca mai apoi software-ul ce a transformat modelul CAD, într-un model bazat pe layere ( straturi ) sa fie software-ul oferit de catre cei de la 3D Systems, adica software-ul numit Cubify.

Fig.3.1.2

Tehnologia de prototipare rapidă FDM ( Fused Deposition Modeling) , în traducere Modelare prin Extrudare Termoplastica ( depunere de material topic ) este cea mai utilizată tehnologie de fabricare aditivată, datorită simplității și accesibilității acesteia. Este utilizată în modelare, prototipare dar și în aplicații de producție. Alte denumiri utilizate sunt : MEM ( Melting Extrusion Modeling ), extrudare termoplastică TPE ( Thermoplastic Extrusion), FFF ( Fused Filament Fabrication )

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

Vedere din Catia V5 R19.

Fig.3.1.3

Vedere din Cubify.

Fig.3.1.4

Capul ( Extrudorul ) este încălzit pentru a topi filamentul plastic, deplasându-se atât pe orizontală cât și pe vertical sub coordonarea unui mechanism de comandă umeric, 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.

Tipul de imprimantă utilizat de către noi este CubePRO 3D Printer, realizat de către cei de la 3D Systems, prețul acestei imprimante fiind de aproximativ 3500 de euro.

Fig.3.1.5

Specificațiile tehnice ale acestei instalații de printare sunt :

Dimensiuni : 57.8(w) x 59.1(h) x 57.8(d) cm

Greutate : 41 kg

Dimensiunile câmpului de lucru : 24.29(w) x 23(h) x 27.04(d) cm

Grosimea straturilor de printare : 70 microni / 200 microni / 300 de micron

Toleranța de printare : Pe axa X și Y ± 1%

Viteza de printare : Maximă de 15mm/s

Alimentarea cu curent electric : 100 – 240v AC

Temperatura de operare a extrudorului : 280°C

Materiale ce pot fi utilizate : PLA / ABS

Software dedicat pentru a utiliza imprimanta 3D.

Posibilitatea de a printa cu 2 culori simultan

Capacitatea de a transmite datele wireless

O viteza de printare foarte ridicată

Fig.3.1.6

3.2. Materialul utilizat

Materialul utilizat în scopul realizării epruvetelor este Acrylonitrile butadiene styrene (ABS) . Acest tip de material este un termoplastic polimer foarte des utilizat în industria contemporană. Temperatura la care acesta se topește este de aproximativ 105 °C (221 °F), dar că ABS-ul este un plastic cu o caracteristică amorfă, adică acesta nu are întradevăr un punct fix în care acesta trece în stare lichidă.

ABS-ul este un terpolimer realizat prin polimerizarea stirenului și acrilonitril în prezența a polibutadienii. Proporțiile pot varia dintre 15 și 35% acrilonitril, 5 până la 30% butadienă și 40 până la 60% stiren. Rezultatul este un lung lanț de polibutadienă străbătută cu catene scurte de poli ( stiren-co-acrilonitril). Grupările nitril din lanțurile învecinate, fiind polare, atrag reciproc și se leagă lanțurile împreună, ceea ce face mai puternic ABS-ul. Stirenul confer plasticului o suprafață lucioasă, impermeabilă. Polibutadiena, este o substanță cauciucată ce oferă rezistență chiar și la temperaturi mai scăzute.

Pentru majoritatea aplicațiilor ABS-ul poate fi utilizat între -20 si 80 ° C

(-4 și 176 ° F) deoarece proprietățiile acestuia variază foarte mult în funcție de temperatură. Proprietățile sunt create de călirea din cauciuc, în cazul în care particulele fine de elastomer sunt distribuite în matricea rigidă.

Cele mai importante proprietăți mecanice ale ABS-ului sunt rezistența la impact și tenacitatea. Pot fi facute o varietate de modificări pentru a îmbunătăți rezistența la impact, duritate și rezistența la caldură în funcție de scopul utilizării acestuia. Rezistența la impact poate fi amplificată prin creșterea proporțiilor de polibutadienă în raport cu stirenul și acrilonitrilul, cu toate că acest lucru mai are un impact destul de mare și asupra celorlaltor proprietăți ale materialului. Totodata această rezistență este influențată foarte mult de temperatură.

Stabilitatea sub sarcină a ABS-ului este una impresionantă, însă cu sarcini limitate. Astfel prin modificarea proporțiilor componentelor chimice, ABS-ul poate fi de 2 feluri, sau se împarte in 2 mari categorii, ABS-ul pregatit pentru extrudare și cel pregătit pentru injecție.

În general, ABS-ul are caracteristici utile într-un interval de temperaturi de -20 si 80 ° C (-4 și 176 ° F).

Proprietățiile finale vor fi influențate într-o oarecare măsură, de condițiile în care materialul este prelucrat la produsul final. De exemplu, laminat la o temperatură ridicată rezistența termica și luciul sunt îmbunătățite, iar ca acesta sa aibă o rezistență bună la impact trebuie turnat la temperaturi scăzute.

Fibrele și adtivii pot fi amestecați în granule de rășină pentru a face produsul final mult mai puternic și să mărească intervalul de funcționare la fel de mare.

Pigmenții pot fi de asemenea adăugați, deoarece culoarea originală este un alb translucid.

Caracteristicile de îmbătrânire ale polimerilor sunt în mare măsură influențați de conținutul polibutadienei, și este normal să includă antioxidanți în compoziție. Totodata expunerea la radiații ultraviolete, îmbătrânește foarte mult acest material, însă pentru acest tip de solicitare există o serie de aditivi ce pot fi adaugați în compoziție pentru a fi protejat ABS-ul.

ABS-ul este rezistent la acizi apoși, baze, acid clorhidric și fosforic concentrat, dar sunt foarte grav afectate de acidul acetic glacial, tetraclorura de carbon și de acidul sulfuric.

Chiar dacă materialele plastice din categoria ABS sunt folosite într-un domeniu larg în scopuri mecanice, ele au și proprietăți electrice, care sunt destul de constante pe o gamă largă de frecvențe. Aceste proprietăți sunt puțin afectate de temperatură și umiditatea atmosferică.

ABS-ul este un material inflamabil atunci când este expus la temperaturi foarte ridicate, cum ar fi de exemplu în incinta unui foc, acesta se va topi, fierbe iar apoi va ajunge la un punct în care vaporii vor izbunci în flăcări intense. Din moment ce ABS-ul pur nu include halogeni, arderea sa nu produce poluanți organici persistenți, iar produsele cele mai toxice obținute în urma arderii acestuia sunt monoxidul de carbon și cianura de hidrogen.

Acest material este afectat în stare pură chiar și de lumina soarelui, acest lucru a creat una dintre cele mai răspândite probleme în industria automotive din istoria Statelor Unite ale Americii, deoarece ca urmare a degradării butoanelor de eliberare a centurii de siguranță, acestea nu își mai îndeplineau rolul de a oferi siguranță pasagerilor ce se aflau în autovehicul, punându-le viața în pericol.

ABS-ul este un material foarte ușor de reciclat, adică nu necesită un consum ridicat de energie, însă necesită o instalație de reciclare puțin diferită față de restul plasticelor.

Fig.3.2.1

ABS-ul este un derivate al acrilonitrilului, butadinei și stirenului. Acrilonitrilul este un monomer sintetic obținut din propilenă și amoniac. Butadiena este o hidrocarbură de petrol, iar stirenul se obține prin dehidrogenarea etilbenzenului ( o hidrocarbură obținută în reacția etilenei și benzenului ).

Acest material combină rezistența și rigiditatea polimerilor acrilonitril și stiren cu duritatea cauciucului polibutadienă. În timp ce costul de producție al ABS-ului este de unul destul de scăzut, acesta este considerat superior pentru proprietățiile sale de duritate, tenacitate și izolare electric.

Potrivit asociației de comerț de plastic European Plastics Europe, producția industrială de ABS din Europa este în plină creștere iar domeniul de implementare sau introducere a acestui material este in continuă dezvoltare.

ABS-ul este ușor de prelucrate, folosind tehnicile comune ce include strunjire, găurire, frezare, tăiere, ștanțare etc. Acesta poate fi tăiat cu scule standard.

Greutatea și capacitatea de a fi turnat prin injecție și extrudat face acest tip de material foarte util în mai multe tipuri de fabricații, cum ar fi : instrumente musicale, industria automotive, dispositive medicale, carcase, mobilier, echipamente de protecție, electronice. ABS-ul este cel mai utilizat material în cazul printerelor 3D.

Este stabil la descompunerea în condiții de utilizare și prelucrare, însă se dovedește faptul ca la temperature mai ridicate prelucrarea acestuia în spațiu închis poate expune operatorul la o serie de agenți cancerigeni.

Fig.3.2.2

Fig.3.2.3

ABS-ul utilizat de către noi cu scopul de a realiza epruvetele ce mai apoi vor fi încercate la tracțiune și încovoiere este un ABS special realizat, cu o compoziție special determinată pentru extrudor, adica pentru capul de lucru al imprimantei 3D, ce atinge o temperatura maximă de lucru de aproximativ 280 ° Celsius. Acesta fiind de culoare roșie.

Materialul fiind sub formă de un fir de ABS, rulat ce permite alimentarea extrudorului de către imprimantă în mod constant cu o cantitate constantă.

Fig.3.2.4

Fig.3.2.5

4. Determinarea experimentală a proprietăților mecanice pentru epruvetele din ABS

4.1. Aparatura utilizată în vederea testării epruvetelor

Aparatura utilizată în cazul ambelor încercări a fost aparatul numit Zwick Roell z005. Acest producător în momentul actual se afla pe poziția de lider privind producția aparaturilor ce testează materialele din punct de vedere static, cât și dinamic. Toate utilajele vândute de aceștia sunt utilizate cu scot de cercetare și dezvoltare în aproape 20 de tipuri de industrie. Aceștia au magazine disponibile, sau livreaza în 50 de țări diferite din lume.

Aparaturile vândute de aceștia au aplicații în următoarele domenii cum ar fi : industria automotive, industria medicală, scop academic, industria textila, industria alimentara și de ambalare a alimentelor, industria imobiliară, industria solară și multe altele.

În același timp acest producător pune la dispoziție o serie de produse ce îndeplinesc o serie de roluri diferite precum ar fi :

utilaje de testat materiale static

utilaje de testat materiale multiaxial

utilaje de test dinamic

sistem de test robotizat

produse pentru testarea la impact

sistem de testare a rezistenței la oboseală

indice de topire și instrumente de testare HDT / Vicat

utilaje de testarea durității

testXpert, tester de software

măsurare și control al tehnologiilor Xforce , extensometre

testare de temperatură

dispozitive de prindere și dispozitive de testare

aparatură de pregătire a specimenelor din materiale : plastice, metale, hârtie

notchi vision , instrumentul optic pentru măsurare

Aceștia în urma achiziției unui utilaj din seria produselor pe care o oferă, au la dispoziție și o serie de servicii post-cumpărare precum ar fi :

mentenanță și inspecții tehnice

calibrare periodică

asistență telefonică

asistență atat din punct de vedere tehnic, cât și al software-ului

transport

instrucțiuni

o relocare a mașinii

pretestare

demonstrație

consultanță

piese de schimb

Aceasta companie are o istorie de peste 160 de ani în domeniul tehnic și a participat în mod activ la inovația și sporirea calității acestui domeniu. Poziția de lider mondial în testarea statică le conferă o încredere sporită în fața actualilor clienți sau a potențialilor clienți.

Suma comenzilor onorate în anul 2015 au atins 210 milioane de euro, fiind prima la nivel mondial cu aceasta sumă în vânzări. Producția acestor produse se dezvoltă pe mai multe continente, având doar la nivel de Europa secții de dezoltare în Germania, Austria și Marea Britanie cu peste 1300 de angajați, pe lângă agențiile ce se află pe toate continentele lumii în 56 de țări diferite încercând să ofere oriunde în lume cel mai înalt nivel de calitate acestor produse.

Zwick oferă echipamente pentru cercetare și dezvoltare atât pentru studiile privind testele standard de tracțiune, compresiune și îndoire, cât și pentru teste muliaxiale precum testele de tracțiune biaxiale și teste de torsiune.

Acest producător este lider mondial în furnizarea de mașini de încercări la oboseală, durimetre, pendule și teste pe topitură.

Z005 este mașina de încercări ideală pentru teste funcționale pe componente și teste standard pe materiale și a fost concepută în special pentru încercări standardizate. Folosite în asociere cu software-ul intuitiv de testare testXpert II, mașinile de testare materiale Z005 sunt rapide și ușor de operat. Toate programele de testare pot fi utilizate. Dezvoltarea și producerea Z005, incluzând toate componentele mecanice, electronice și de software, împreună cu o gamă largă de accesorii, se realizează în fabrica Zwick din Germania, permițând o potrivire perfectră a tuturor elementelor ansamblului.

Z005 este disponibilă pentru viteze de testare de la 0.0005 la 1500 mm/min, în funcție de tip. Viteza mașinii de încercări este independentă de încărcarea testului.

Gama de teste cu viteză înaltă poate fi utilizată fără restricții. În plus, sunt permise forțe de test de până la 110% din forța nominală pentru a compensa combinații grele de sisteme de prindere, accesorii.

Z005 este disponibilp pentru forțe de testare de până la 100kN și înălțimi ale ariei de testare între 1050mm și 1450mm.

Aceasta poate fi operată cu calculatoare standard din comerț sau cu laptopuri, fără să necesite un card special.

Avantajele acestui utilaj sunt :

un ghidaj precis al traversei , două coloane de oțel asigură ghidajul de înaltă precizie al traversei mobile al mașinii Z005, permițând o aplicare foarte exactă a forței pe mostră. Acest aspect este foarte avantajos în cadrul testelor la încovoiere, compresiune, teste de precizie asupra componentelor etc.

Sisteme de acționare puternice, se pot regla viteze minime extrem de reduse, combinate cu o constanță excelentă a vitezei. Sistemul de acționare permite o rezoluție foarte mare a deplasării traversei. Acest aspect ese important în aplicații precum testele componentelor cu cerințe speciale privind precizia deplasării sau teste pe mostre foarte rigide și alungire mică.

Controller electronic test Control II inovativ, toate mașinile de încercări din gama Z, sunt echipate cu controllerul electronic puternic TestControl II. Tehnologia înalt calitativă și fără necesar de mentenanță a sistemului de acționare AC plus corecția online a adaptării mașinii permit o acuratețe foarte înaltă a măsurării deplasării și a poziționării

Viteză de retur care economisește timp, viteze de retur mai mari conduc la cicluri mai scurte și număr de teste efectuate mai mare

Schimbarea facilă a aplicației, sistemul flexibil de conectare și canale T permit schimbarea bacurilor de probă și a sistemelor de prindere după necesități, permițând efectuarea unei game largi de teste cu ajutorul aceleiași mașini de încercări. Conceptul inteligent al mediului de testare permite trecerea rapidă și sigură de la o aplicație la alta.

Fig.4.1.1

4.2 Standarde privind elaborarea și încercarea epruvetelor

Standardele pe care le-am utilizat sunt următoarele, ISO 790 – 03 și ISO 527 – 2.

Aceste standarde sunt utilizate pentru a determina rezistența la încoviere și rezistența la tracțiune a materialului pe care noi am dorit sa îl analizăm, adică ABS-ul.

Fig.4.2.1

4.3 Standardul privind elaborarea și încercarea epruvetelor din ABS la încovoiere

( D 790 – 03 )

Cu ajutorul acestor metode de testare putem determina proprietățile de încovoiere a unui plastic armat, sau nearmat a unei epruvete din plastic în forma de dreptunghi ce a fost direct turnat în această formă sau a fost tăiat dintr-un întreg.

Aceste metode în general sunt aplicabile pentru ambele tipuri de materiale plastice, rigide și nerigide. Chiar dacă, rezistența la încovoiere nu poate fi determinată pentru unele materiale care nu se rup, aceasta metodă de testare poate determina forța maxima la care acesta opune rezistență.

Acest model de testare implică utilizarea a unui sistem de încărcare în 3 puncte la o bară simplu rezemată. O bară cu secțiunea dreptunghică este rezemată pe 2 suporți și este încărcată la mijlocul distanței dintre cei 2 suporți. Bara este supusă încercării până când aceasta cedează și se rupe,sau are o deformatie de maxim 5%.

Proprietățile la încovoiere sunt determinate de aceste metode și sunt în special utilizate pentru a se verifica, calitatea materialului plastic. În cazul în care materialul nu cedează sub acest tip de test, acesta poate fi încercat cu 2 puncte de aplicație a forței asupra bării simplu rezemată.

Fig.4.3.1

Sistemul de încercare și suporții trebuie să aibă suprafețe cilindrice, iar totodată razele acestui cilindru trebuie nu fie de 4 ori mai mare decât lâțimea probei ce se dorește a fi încercată.

Pentru fiecare măsurătoare trebuie să se utilizeze o probă ne mai testată ulterior sau asupra căreia să nu se fi aplicat vreo forță chiar involuntară în urma unui transport.

Bacul de aplicare al forței și suporții cu suprafețele lor cilindrice trebuie sa fie montate in paralel, iar cel cu care se aplică forța sa fie situat exact la poziția de mijloc a distanței dintre cele 2 bacuri de suport.

Centrul probei se poate determina cu ajutorul axelor de pe aparatul de lucru. Se aplică probei sarcina și se iau măsurători privind sarcinile și deformațiile simultan până când aceasta atinge limita maximă și cedează.

Condițiile de testare trebui sa fie identice pentru fiecare probă încercată.

Proprietățile materialului pot varia foarte mult datorită temperaturii și umidității mediului înconjurător.

Mașina de testare trebuie sa fie calibrată perfect, ca să poată opera constant și să nu depășească o eroare maximă de 1% cu privire la măsurarea forței aplicate asupra bării.

Fig.4.3.2

Schema de principiu al echipamentului de testare :

Fig.4.3.3

Dimensiunile epruvetei sunt stabilite conform standardului D 790 – 03.

Fig.4.3.4

Valorile obținute în urma solicitării barelor din ABS la încovoiere.

Tab.4.3.1

Unde :

l – lățimea epruvetei

g – grosimea epruvetei

viteza de avans

d – distanța dintre bacuri

F [ N ] – Forța maximă

∆l – săgeata în direcția de aplicare a forței

Grafic 4.3.1

4.4 Standardul privind elaborarea și încercarea epruvetelor din ABS la tracțiune

( EN ISO 527 -2 )

Acest standard european a fost aprobat de catre CEN in 1994-12-14 și este identic cu standardul ISO la care se referă. Acest standard există în 3 versiuni oficiale : engleză, germană și franceză. Traducerea în fiecare limbă s-a făcut sub supravegherea și cu responsabilitatea membrilor CEN.

Membrii CEN sunt persoane ce se unesc sub acelaș scop, persoane din țări precum : Austria, Belgia, Danemarca, Finlanda, Franța, Germania, Grecia, Islanda, Irlanda, Italia, Luxembourg, Olanda, Norvegia, Portugalia, Spania, Suedia, Elveția și Regatul Unit.

CEN, reprezintă abrevierea denumirii în franceză a acestui comitet, Comite Europeen de Normalisation cu traducere în engleză de European Committee for Standardization, așadar un comitet european pentru standardizarea tuturor operațiunilor ce au ca scop determinarea unor dimensiuni, proprietăți.

Acest standard se referă la analiza rezistenței la tracțiune a unui plastic și este aprobat de acest comitet încă din anul 1995.

ISO 527 specifică testul și condițiile pentru a determina rezistența la tracțiune a unor plastice injectate, sau extrudate.

Metodele sunt particularizate pentru o anumită gamă de materiale precum ar fi plastice rigide sau semirigide, obținute prin injecție sau prin extrudare. Acest standard nu este agreat în cazul structurilor de tip sandwich.

Aceste metode sunt aplicate folosind o epruvetă care poate fi la rândul ei extrudată sau decupată dintr-o formă injectată.

Specimenele de testare se prepară în conformitate cu specificațiile materialului relevant. Toate suprafețele epruvetelor de testare nu trebuie să conțină defecte vizibile, zgârieturi sau alte imperfecțiuni. De asemenea în cazelor pieselor injectate, acestea în cazul în care prezintă bavură aceasta trebuie îndepărtată cu mare grijă, fără a afecta sau deteriora suprafața turnată.

Precizia acestei metode de încercare nu este cunoscută, deoarece datele interlaboratoare nu sunt disponibile. Atunci cand se vor obține date interlaboratoare, o declarație de precizie va fi adăugată cu următoarea revizuire a standardului.

Dimensiunile standard ale epruvetei :

Fig.4.4.1

Unde:

L3 – lungimea totală

L1 – lungimea porțiunii paralele înguste

R – raza

L2 – distanța dintre locurile unde vor fi montate bacurile

B2 – lățimea la capete

B1 – lățimea porțiunii înguste

H – grosimea

L0 – lungimea porțiunii testate

L – distanța inițială dintre bacuri

Sistemul utilizat pentru a determina rezistența la tracțiune a epruvetelor din ABS:

Fig.4.4.2

Epruvete ABS

Fig.4.4.3

Epruveta prinsă în bacuri.

Fig.4.4.4

++

4.4.5

Valorile obținute în urma solicitării barelor din ABS la încovoiere.

Tab. 4.4.1

,

unde

Unde:

L med – lățimea secțiunii solicitate

H med – înălțimea secțiunii solicitate

A tot – aria totală a secțiunii solicitate

F max [N] – forța maximă

σr [ MPA ] – limita de curgere

Grafic 4.4.1

5. Realizarea prin prototipare rapidă a unui produs din industria automotive

Produsul prezentat este un prototip, iar datele tehnice precum și proprietățile acestuia sunt sub caracter strict confindențial, având drepturi depline producătorul acestei piese, respectiv S.C. CONTINENTAL AUTOMOTIVE ROMANIA S.R.L , din Timișoara.

Acest produs poarta denumirea de „cluster”, adică mai exact o parte a bordului a unui autoturism, adică acea parte ce afișează în mare parte viteza cu care rulam, turațiile plus o serie de simboluri ce ne atenționează, sau ne indică anumite stări tehnice ale autovehiculului. În cazul de față acest cluster aparține brandului FIAT, însă modelele pe care acesta va fi introdus încă nu poate fi comunicat.

Fig.5.1

Clusterul este defapt un ansamblu , format dintr-o serie de piese precum ar fi : Rearcover (capac spate) , PCB (Placa electronică), LED-uri, Pointer (Indicatorul), Dial (grafica vitezometrului, turometrului), Display, Mask(profilul clusterului), Lens (protecția clusterului), Lightguide (componenta ce conduce lumina ledurilor de pe PCB, la Dial) și Stepper Motor (Motorul ce acționează pointerii)

Fig.5.2

Fig.5.3

Fig.5.4

Fig.5.5

În cadrul acestui proiect avem la dispoziție un mask obținut prin injecție cât și unul obținut prin prototiparea rapidă, putând să se observe diferența calității suprafețelor cât și rezistența piesei la solicitări libere foarte ușor.

Piesa obținută prin injecție

Fig.5.6

Piesa obținută prin printare de tip stereolitografică.

Fig.5.7