Prototipare Rapida

Conf. Dr. Ing. N. Ionescu, Prof. Dr. Ing. Aurelian Vian Tehnologii Speciale, curs, anul V TEN, 2004 2005, Cap. 9. Tehnologii de Prototipare Rapid

Fiecare student poate realiza o singura copie a acestui material, numai pentru uzul propriu. Orice alt multiplicare sau utilizare, realizat fr acordul autorilor, constituie o nclcare a legii dreptului de autor/copyright i poate fi pedepsit n baza acesteaia.

1

9. TEHNOLOGII DE PROTOTIPARE RAPID

Tehnologiile de fabricare rapid a pieselor, cunoscute pe plan mondial sub denumirea de Rapid Prototyping, reprezint acea clas de tehnologii cu ajutorul crora forma piesei se obine treptat prin adugare de straturi succesive de material. Prin aceast tehnologie se pot obine piese care au configuraie interioar complicat i care nu pot fi realizate prin procedee tradiionale pe maini unelte clasice, utiliznd datele de proiectare asistat de calculator (CAD). Mainile utilizate permit proiectanilor s obin rapid prototipuri tangibile ale proiectelor lor avnd multiple utilizri: mijloace vizuale auxiliare pentru comunicarea ideilor ntre colegii de echip sau ctre clieni, testarea prototipurilor (de exemplu, un inginer n domeniul aerospaial poate s monteze un model de arip ntr-un tunel aerodinamic pentru a msura forele de ridicare i de tractare), realizarea rapid a unor scule cum ar fi de exemplu matriele de injecie etc. Pentru serii mici de fabricaie i pentru obiecte mai complicate, prototiparea rapid este adesea cel mai bun proces de fabricare disponibil. Desigur, rapid este un termen relativ. Majoritatea prototipurilor necesit ntre 3 pn la 72 ore pentru construire, funcie de mrimea i complexitatea obiectului. Acest proces poate prea lent, ns este mult mai rapid dect cel tradiional care necesita sptmni sau luni. Aceast economie substanial de timp permite fabricanilor s aduc pe pia produse ntr-un interval de timp mai scurt i cu costuri mai mici.

Sunt accesibile pe pia cel puin 7 tipuri diferite de tehnici de prototipare, fiecare cu valoarea sa unic. ntruct tehnologiile RP sunt din ce n ce mai utilizate n aplicaiile neprototipante, la aceste tehnici se face adesea referire ca la, fabricare automat computerizat sau fabricare stratificat. Ultimul termen este n special descriptiv pentru procesul de fabricare utilizat n toate tehnicile comerciale.

Un pachet software taie modelul CAD ntr-un numr de straturi mici (aproximativ 0,1 mm grosime), care apoi sunt puse una peste alta. Prototiparea rapid este un proces aditiv, combinnd straturile de hrtie, cear, plastic, metal etc. pentru a crea un obiect solid. n opoziie, majoritatea proceselor de prelucrare (frezare, gurire, lefuire etc.) sunt procese de eliminare care ndeprteaz materialul dintr-un bloc solid. Natura cumulativ a RP-urilor permite acestora s se obin suprafee interne complicate care nu pot fi fabricate prin alte mijloace [1].

Principalele companii care produc echipamente de prototipare rapid sunt: 3D Systems, Stratasys, DTM i Helisys. n prezent, o investiie n aceast industrie nu poate avea rezultate imediate. Prototiparea Rapid este o provocare, avnd anse de succes pe termen lung. Fiecare productor utilizeaz propria tehnologie patentat pentru realizarea seciunilor de trecere.

Mainile sunt relativ scumpe. Preul lor ncepe de la 70000$ i ajunge pn la 800000$, incluznd toate cheltuielile aferente. n anul 2000 au fost vndute n lume cca. 1320 de maini ctre mari productori cum ar fi Daimler-Chrysler, Motorola i Mattel, firme specializate n realizatrea de prototipuri papide pentru companii care nu-i pot permite propriile echipamente. Sistemuele 3D ncearc coborrea barierei preurilor i introducerea tehnologiei ThermoJet.

Prototiparea Rapid se utilizeaz n special pentru: 1. Conceperea unor modele; 2. Vizualizarea aspectului unei piese sau a unui ansamblu; 3. Verificarea funcionalitii; 4. Aspectul modelelor pentru expoziii i brouri; 5. Mrimea i aspectul modelelor pentru liniile de producie tehnologic i secii; 6. Modele pentru testarea piesei; 7. Modele pentru mpachetare; 8. Machete pentru realizarea modelelor prototip; 9. Electrozi EDM pentru producia de modele; 10. Caviti complexe pentru modele de serie mic; 11. Caviti complexe pentru producia modelelor; 12. Scurtarea timpului de realizare a prototipurilor i a modelelor.



2

Exist mai multe metode de prototipare rapid dar toate metodele presupun parcurgerea a cinci etape principale, respectiv:

1. Crearea modelului CAD al viitoarei piese; 2. Transformarea modelului CAD n fiiere de tip STL - Standard Triangulation Language

(Interfa standard de la CAD la RP - dup segmentare i vizualizare, datele sunt traduse n instruciuni de fabricaie a pieselor RP), fiind posibile i alte formate, cum ar fi: Iniial Graphic Exchange Specification (IGES) sau Virtual Reality Modelling Language (VRML).

3. Secionarea modelului n format STL n straturi transversale subiri; 4. Realizarea modelului prin depunere de straturi succesive; 5. Curarea i finisarea modelului.

n primul pas obiectul care trebuie realizat este modelat folosind pachete de programe CAD. Programele de modelare solid, cum ar fi Pro/ENGINEER, permit reprezentarea 3D a obiectelor cu mai mult precizie dect programele bazate pe desenarea conturului (wire-frame) cum ar fi AutoCAD i de aceea au eficien i rezultate mai bune. Proiectantul poate folosi un fiier existent sau poate s creeze unul special pentru scopul prototiprii.

n cazul prototiprii folosind date rezultate din Reverse Engineering sau obinute pe baza unor tomografii computerizate, cum ar fi, de exemplu n cazul realizrii unor proteze, informaiile privind forma piesei pot fi reprezentate ca polilinii, curbe sau suprafee NURBS (Non Uniform Rational B-Spline) sau modele 3D.

Poliliniile utilizate pentru stabilirea conturului piesei reprezint informaia fundamental pentru stabilirea topologiei piesei i ofer o mare precizie din punct de vedere geometric. Conturul piesei poate fi stabilit ca polilinii formate dintr-un mare numr de segmente liniare. Aceste polilinii pot fi exportate ca fiiere IGES - Iniial Graphic Exchange Specification care conin informaii despre suprafee. Pentru a reduce spaiul dintre liniile rezultate din zona scanat, poliliniile pot fi utilizate ca baz pentru a crea o suprafa extrudat sau un model solid ntr-un soft CAE.

Suprafeele i curbele NURBS pot fi generate cu ajutorul unui soft de conversie a figurilor scanate sau cu un soft CAE. Ele ofer un contur de mare finee dar nu ofer o precizie suficient n raport cu conturul real al reperelor scanate. Aceast precizie de modelare a conturului real depinde foarte mult de parametrii rezultai din calcul, respectiv de numrul i de poziia punctelor de msurare.

Reprezentrile 3D obinute cu ajutorul softurilor de conversie a figurilor scanate pot fi exportate i direct ca modele 3D. Conturul acestor modele virtuale 3D este identic cu conturul reperelor scanate i se consider c aceasta este cea mai precis reprezentare. Softurile CAE pot importa aceste fiiere dar ele au dezavantaje n utilizarea ca referin n proiectare datorit cantitii reduse de date i a timpului mare de procesare.

n al doilea pas este convertit fiierul CAD ntr-o configuraie STL. Aceast configuraie reprezint o suprafa tri-dimensional ca un ansamblu de triunghiuri plane, ca faetele unui diamant. Fiierul conine coordonatele de rotire i direcia normal la fiecare triunghi. Deoarece fiierele STL utilizeaz elemente plane, acesta nu poate reprezenta suprafee curbe cu exactitate. Creterea numrului de triunghiuri corecteaz aproximarea, dar n detrimentul mrimii fiierului. Fiierele mari i complicate necesit mai mult timp pentru pre-procesare i construcie astfel nct proiectantul trebuie s aprecieze cu exactitate i uurin producerea unei structuri optime.

n al treilea pas, un program de pre-procesare pregtete fiierul STL pentru construcie. Cteva programe sunt utile i permit utilizatorului s adapteze mrimea, poziia i orientarea modelului. Orientarea piesei care va fi realizat este important din mai multe motive. n primul rnd, proprietile Prototipurilor Rapide variaz de la o direcie de coordonate la alta. De exemplu, prototipurile sunt de obicei mai puin exacte pe direcie vertical (axa Z) dect n planul X - Y. n plus, orientarea piesei influeneaz timpul necesar pentru construcia modelului. Plasarea celor mai mici dimensiuni ale piesei pe direcia Z reduce numrul de straturi, micornd foarte mult timpul de realizare.



3

Programele de pre-procesare mpart modelul n straturi de la 0,01mm la 0,7 mm grosime, funcie de tehnica de realizare. De asemenea, programul poate genera o structur auxiliar pentru a sprijini modelul n timpul construirii. Acest sprijin este folositor pentru caracteristici critice cum ar fi proeminenele, cavitile interioare sau pereii subiri.

Al patrulea pas este construcia piesei. Folosind una dintre metodele de prototipare rapid mainile RP realizeaz piesa prin depunere de straturi succesive din materiale precum polimeri, parafin, hrtie sau pulbere metalic. Multe maini sunt aproape autonome, fr s necesite intervenia uman.

Ultimul pas este post-procesarea. Acest pas implic mutarea prototipului de pe main i detaarea oricror reazeme. Unele materiale fotosenzitive trebuie sa fie complet polimerizate nainte de utilizare, necesitnd o polimerizare final. Prototipurile, de asemenea necesit o curire minor i tratamente de suprafa. Sablarea, etanarea i/sau vopsirea modelului i va mbunti aspectul i durabilitatea.

Materia prim folosit de tehnologiile Rapid Prototyping poate fi n stare lichid, solid sau sub form de pulbere.

Procedeele care utilizeaz materia prim n stare lichid se mpart n dou grupe: Procedee care folosesc lichizi polimerici care vor fi solidificai la impactul cu fasciculul

laser sau lumina unei lmpi ultraviolete (cum ar fi Stereolitografia - SLA) sau prin nclzire (Polimerizare termal).

Procedee care se bazeaz pe topirea, depunerea i solidificarea materialului, aceste tehnologii permind folosirea materialelor plastice sau a metalelor (cum ar fi modelarea depunerilor topite - FDM).

Alte procedee utilizeaz materia prim sub form de pulbere. Particulele de pulbere pot fi sinterizate n forma dorit (Sinterizare Selectiv cu Laser) sau pot fi lipite folosind un liant dirijat numai n punctele necesare realizrii unei seciuni (tiprirea n 3D).

Materialele solide sunt n general sub form de folii subiri, iar piesele vor fi realizate prin lipirea sau sudarea foliilor n straturi succesive urmat de o tiere pe conturul interior i exterior a unei seciuni cu ajutorul unui fascicul laser (fabricare de piese stratificate - LOM).

Exist i procedee RP care construiesc piesa direct tridimensional, dar cele mai multe tehnologii execut piesa din straturi succesive construite bidimensional (2D) suprapuse. Pentru aceasta se pleac de la modelul solid al piesei care este secionat n straturi succesive cu plane orizontale ale piesei distanate ntre ele cu cteva zecimi de milimetru.

9.1. Stereolitografia - Stereolithography - SLA

Stereolitografia este un procedeu tipic de prelucrare strat cu strat, bazat pe fotopolimerizare care folosete laserul ultraviolet pentru a polimeriza straturi subiri dintr-un lichidul acrylic sau foto-epoxidic. SLA este folosit n realizarea unor prototipuri, modele pentru testare, repere funcionale, modele pentru turnare sau mulaje.

Modelul este construit pe o platform situat dedesubtul suprafeei de lucru ntr-o baie de lichid epoxidic sau rin acrilic (fig. 9.1). Un laser UV de putere redus, puternic focalizat polimerizeaz primul strat, solidificnd seciunea transversal a modelului. Apoi, un elevator coboar incremental platforma n materialul polimeric lichid. Un sistem reacoper stratul solidificat cu lichid i laserul polimerizeaz un al doilea strat peste primul. Acest proces se repet pn cnd prototipul este complet realizat. Apoi, corpul solid este mutat din baie, splat i depus ntr-un cuptor cu raze ultraviolete pentru maturizare.

Laserul utilizat pentru polimerizare este un laser HeCd. Un al doilea fascicul al unui laser cu HeNe este folosit pentru a se asigura c suprafaa lichidului este amplasat corect. Un sistem special de periere elimin tensiunea superficial a suprafeei lichidului, asigurnd o suprafa plan minimizndu-se astfel timpul de obinere a fiecrui strat.



4

Deoarece reperul este realizat ntr-un mediu lichid i deoarece interiorul reperului conine nc polimer lichid, ar putea fi necesar sa se adauge structuri suport pentru a mri rigiditatea reperului i pentru a evita ieirea din scufundare pe fundul platformei sau din plutire liber n baie. Structurile suport sunt de obicei ndeprtate manual dup scoaterea piesei din incinta de lucru.

Cele mai multe maini pentru stereolitografie realizeaz solidificarea unui strat punct cu punct. Pentru aceasta, o raz laser scaneaz suprafaa lichidului i produce solidificarea unui mic volum de lichid numit voxel sau punct 3D. Voxelii pot avea o dimensiune suficient de mare pentru a asigura contactul cu urmtorul voxel din vecintatea lui i cu cei din straturile inferioare. Mrimea suprapunerii voxelilor este controlat cu ajutorul distanei dintre ei, grosimea straturilor, puterea laserului, timpul de staionare a fasciculului laser pentru un voxel.

Pentru reducerea timpului de realizare a unui strat seciunile piesei sunt numai parial scanate i solidificate. Laserul va scana numai exteriorul i interiorul conturului unei seciuni, iar restul suprafeei va fi doar haurat prin linii de voxeli. Seciunile superioare i inferioare vor fi integral solidificate prin scanarea lor complet pentru a evita scurgerile de lichid dintre seciunile intermediare. Solidificarea straturilor intermediare se face prin expunerea piesei ntr-un cuptor special la o surs de lumin care asigur continuarea polimerizrii.

Timpul de scanare depinde de complexitatea conturului, traseul de scanare a suprafeei, viteza de deplasare a fasciculului laser i de timpul de reacoperire a stratului solidificat cu un nou strat de lichid nepolimerizat.

Mainile pentru stereolitografie au fost realizate din 1988 de 3D Systems din Valencia, California. n prezent 3D Systems reprezint industria de vrf, vnznd mai multe maini de RP dect oricare alt firm. Deoarece a fost prima metod de prototipare rapid, Stereolitografia este considerat de referin pentru alte tehnologii. La nceput, prototipurile stereolitografiate erau casante, vulnerabile la deformare i distorsiuni, dar modificrile recente au adus mari corecii acestor probleme. Brevetat n 1986, Stereolitografia a declanat revoluia n ceea ce privete Prototiparea Rapid. Materialul folosit n procesul SLA este o rin naturala fotosensibil. 3D Systems i Ciba-Geigy Ltd. depun eforturi s dezvolte noi rini, cu cea mai bun rezisten i cu bun prelucrabilitate.

Laserul HeCd

Figura 9.1. Schema procesului de Stereolitografie

Lentile

Oglind

Laserul HeNe

Platform

Lichid polimer

Elevator Perie



5

9.2. Sinterizare Selectiv cu Laser - Selective Laser Sintering - SLS

Dezvoltat de Carl Deckard n teza sa de doctorat la Universitatea din Texas, Sinterizarea Selectiv cu Laser a fost brevetat n 1989. Procesul de Sinterizare Selectiv cu Laser se desfoar similar cu procesul de Stereolitografie punct cu punct, adic un fascicul laser scaneaz i solidific straturi succesive ale piesei. Lichidul polimeric este nlocuit cu pulbere de material prenclzit la o temperatur uor sub punctul de topire. Solidificarea selectiv se realizeaz n timpul unei a doua nclziri peste temperatura de sinterizare cu ajutorul unui fascicul laser controlat n planul XY (fig. 9.2).

Pulberea care nu este scanat va rmne pe suprafaa de lucru i va constitui suport pentru urmtorul strat de pulbere.

Reperele sunt construite pe o platform care este situat chiar sub suprafaa de lucru ntr-un recipient cu pulbere prenclzit, la o temperatur uor sub punctul de topire. Laserul urmrete forma primului strat, sinterizndu-l. Platforma este cobort cu nlimea urmtorului strat i pulberea este aplicat din nou. Acest proces continu pn cnd reperul este complet. Excesul de pulbere n fiecare strat ajut la susinerea piesei n timpul realizrii sale.

Aplicaiile industriale ale acestui proces includ materiale termoplaste, cum ar fi: PVC, ABS, nylon, dar i pulberi de cupru, pulberi ceramice acoperite cu fosfai.

Mainile SLS sunt produse de DTM din Austin, Texas.

9.3. Polimerizare selectiv cu raze ultraviolete - Solid Ground Curing - SGC

Dezvoltat de firma Cubital America Inc. din Troy, metoda SGC este similar Stereolitografiei (SLS) deoarece ambele folosesc lumina ultraviolet pentru solidificarea polimerilor fotosenzitivi. Spre deosebire de SLA, SGC trateaz termic un ntreg strat n acelai timp. Mai nti, rina fotosenzitiv este pulverizat pe platforma de construcie (fig. 9.3). Apoi, maina realizeaz o fotomasc (ca o matri) a stratului ce urmeaz s fie construit. Aceast fotomasc este imprimat pe o plac de sticl de deasupra platformei de construcie folosind un proces electrostatic similar celui folosit de fotocopiatoare. Masca este apoi expus luminii UV, care doar trece prin prile transparente ale mtii pentru a ntri forma stratului curent.

Laser CO2 Lentile

Cilindru nivelare pulbere

Oglind

Pulbere nesinterizat

Pies

Cilindru de formare i pat de pulbere

Cartu de alimentare/Cartu de colectare

Figura 9.2. Schema Sinterizrii Selective cu Laser



6

Piesele realizate cu aceste sisteme nu mai necesit o tratare ulterioar prin expunerea lor la o lumin special. Iluminarea unei ntregi seciuni se realizeaz printr-un ablon care reprezint o seciune a piesei. Unele echipamente folosesc un fotoploter pentru a genera abloane din folii de plastic translucide i fotosensibile. Pentru fiecare seciune ce urmeaz a fi solidificat se realizeaz cte un ablon.

n figura 9.4 se prezint schematic, comparativ, procedeele de steriolitografie i, respectiv, de polimerizare selectiv cu raze ultraviolete.

Mainile care folosesc aceast tehnologie au dimensiuni mari pentru a permite realizarea unor repere mari.

Dup ce stratul este ntrit, maina aspir rina lichid n exces i pulverizeaz cear n locul ei pentru a susine modelul n timpul construirii. Suprafaa de deasupra este frezat orizontal i apoi procesul se repet pentru a construi urmtorul strat. Cnd reperul este complet, el trebuie s fie curat de parafin prin imersarea lui n baie de solvent.

Principalele caracteristici ale tehnologiei de prototipare rapid SGC sunt: n cazul SGC cuva se deplaseaz att orizontal, ct i vertical; micarea orizontal poate

conduce piesa la diferite posturi de lucru ale mainii; Sursa luminii: n loc de fasciculul laser este utilizat o lamp UV care este folosit pentru a

inunda camera i pentru a iradia i solidifica ntregul strat deodat. Pentru a selecta zonele care trebuie ntrite, este construit o masc pe o plac de sticl i consecutiv, nlturat dup folosire. Masca utilizat este realizat printr-un proces similar celui utilizat de imprimantele laser. Placa de sticl cu masca este aezat ntre lamp i suprafaa spaiului de lucru.

Reperele sunt construite nconjurate de cear, eliminnd nevoia de structuri suport. Odat ce un strat este expus la lampa ultraviolet, zonele netratate (acele zone ncrcate cu reziduri- lichid polimer) sunt nlocuite cu cear. Acest lucru este realizat prin nlturarea polimerului rezidual i aplicnd un strat de cear. Ceara este solidificat cu ajutorul unei plci metalice reci, i consecutiv, stratul este frezat la nlimea necesar.

Postul de frezare permite, dac este nevoie, nlturarea straturilor greit depuse. Noul strat de polimer este aplicat cnd spaiul de lucru se mut din postul de frezare n postul de depunere.

Figura 9.3. Schema polimerizrii selective cu raze ultraviolete

Cear Platform

Lichid polimer (stratul curent)

Cap de frezat

Mas rcire cear Distribuitor

cear

Distribuitor polimer

Sistem colectare polimer rezidual

Lamp UV

Mas realizare masc

Incrcare electric

Dezvoltarea mtii tergerea mtii



7

Figura 9.4. Procedeele de steriolitografie i, respectiv, de polimerizare selectiv cu raze ultraviolete [2]

9 .4 . T ipr i re n 3D - 3D Pr in t ing

Tehnologia 3D Printing este similar prototiprii SLS cu deosebirea c laserul este nlocuit de un cap de tipul celui cu jet de cerneal. Cea mai popular main care folosete aceast tehnologie este maina Zcorp prezentat n figura 9.5.

Maina mprtie un strat de pulbere din cutia de alimentare care acoper suprafaa mesei de lucru de tip piston. Un sistem special imprim apoi soluie de ntrire pe pulberea necompactat, formnd prima seciune transversal. Unde este injectat aceast soluie, pulberea este lipit. Pulberea rmas este liber i susine straturile care vor fi imprimate deasupra. Apoi, un nou strat de pulbere este mprtiat pe suprafa i procesul se repet. Piesa se ridic strat cu strat pn cnd reperul este terminat, complet nconjurat i acoperit de pulberea necompactat. n final, masa de lucru de tip piston este ridicat i pulberea n exces este aspirat, rezultnd piesa finit. Finisarea reperelor se poate face n mai multe moduri,

respectiv prin vopsire, impreganare cu rini sau cu cear, sablare etc.

Figura 9.5. Maina Zcorp RP

Program CAD Generare ablon

Surs de lumin

Lumin ablon

Comand

Laser Oglind

Deplasare fascicul laser XY Piesa

Suport pies

Lichid polimeric

STEREOLITOGRAFIA

Lichid polimeric

POLIMERIZAREA SELECTIV CU RAZE ULTRAVIOLETE

Lichid polimer Laser

Comand

Oglind

Sticl plan

Elevator

Elevator

1. Sticl plan

2. Sistem LCD sau LED

Suport

Surs de lumin

c.

a.

b. d.



8

Procedeul prezint o serie de avantaje care pot fi sintetizate dup cum urmeaz. a. Rapiditate. Sistemul ZTM402 poate printa 25-50 mm pe or, pe direcie vertical, funcie de

pies. Pentru a estima timpul de realizare pentru un reper, trebuie mprit dimensiunea cea mai mic a piesei, care se aeaz pe direcie vertical, la viteza de printare mai sus menionat. De exemplu, o pies de 51x76x104 mm se va realiza n aproximativ 90 minute.

Pentru a estima timpul de realizare pentru mai multe piese deodat, se aranjeaz reperele n interiorul cilindrului care constituie masa de lucru astfel nct s se minimizeze dimensiunea pe axa Z.

b. Versatilitate. Reperele tiprite folosind Sistemul Z402 poate fi aplicat n multe domenii industriale: piese auto, ambalri, nvmnt, aplicaii medicale etc. n cadrul acestor industrii, piesele sunt utilizate la verificarea i comunicarea proiectrii, precum i pentru prezentri n faa clienilor cu procese auxiliare de finisare i procese ulterioare, cum ar fi turnarea.

c. Simplitate. Construcia mainilor este relativ simpl. Sistemul Z402 are un volum al incintei de construcie de aproximativ 203x254x203 mm, grosimea stratului depus poate fi variat ntre 0,076 i 0,25 mm dimensiunile echipamentului sunt 74x91x107cm iar greutatea acestuia este de cca. 136kg

9 .5 . Modelare p r in depunere de mater ia l top i t - Fused Deposi t ion Model ing - FDM

Ca nivel de aplicare metoda de prototipare rapid FDM se situeaz pe locul al doilea dup Stereolitografie. Principiul de lucru are la baz derularea unui fir din material plastic de pe o bobin i dirijarea acestuia printr-o duz n care este topit (figura 9.6). Duza poate regla cantitatea depus de material

plastic i este montat pe un dispozitiv comandat de un calculator care permite deplasarea dup trei axe. Astfel, pe masa de lucru pot fi depuse straturi succesive de material plastic topit, formndu-se piesa cu geometria dorit. Fiecare strat se solidific imediat ce a fost depus i se fixeaz de stratul anterior. ntregul sistem este situat ntr-o incint meninut la o temperatur inferioar temperaturii topire a materialului plastic. Piesa este format pe masa de lucru ntr-o ram care este ndeprtat ulterior fiind solubil n ap.

Pentru acest procedeu exist mult mai puin materiale care pot fi utilizate n raport cu stereolitografia sau cu sinterizarea selectiv cu laser. Printre acestea se numr ABS i ceara utilizat pentru realizarea modelelor de turnare uor fuzibile.

Metoda FDM nu produce zgomot i nici un fel de alte noxe. Se preteaz la piese mici de dimensiunile a ctorva zeci de centimetri cubi sau pentru piese paralelipipedice avnd una dintre dimensiuni mult mai mic n raport cu celelalte dou. Procesul decurge foarte lent pentru piese cu seciuni transversale mari.

Dei acest procedeu a fost mult mbuntit n ultimii ani este nc departe de stereolitografie din punctul de vedere al performanelor. Cel mai apropiat competitor al acestei metode este metoda 3D Printing.

Figura 9.6.Schema Modelrii prin depunere de material topit

Duz de extrudare

Colac de alimentare cu fir de plastic Mas

Deplasare X-Y-Z

FirRole

Sistem de topire

Duz de depunere

Substrat

Strat depus



9

9 .6 . Fabr icarea de piese s tra t i f i cate - Laminated Object Manufactur ing LOM

Procedeul LOM a fost dezvoltat ncepnd cu anul 1985 de ctre Michael Feygin preedintele firmei

Hydronetics Inc. care, la vremea respectiv avea sediul n Chicago iar apoi, n 1989, i-a schimbat numele n Helisys i a fost mutat n Torrance, California. Prin acest procedeu se poate obine o mare diversitate de piese: modele pentru turntorie, abloane de copiat, etc.

LOM este un procedeu care construiete un obiect prin suprapunere de folii tiate cu un fascicul laser dup conturul exterior i interior al fiecrei seciuni i lipite ntre ele. Un computer taie o felie subire dintr-un model 3D i o transmite mainii de prototipare rapid sub forma unui fiier STL. Grosimea acestei felii este funcie de grosimea materialului sub form de folie din care se realizeaz modelul, variind ntre 0,025 i 0,13 mm.

La nceput materialul utilizat a fost hrtia care se derula de pe un tambur, straturile fiind lipite cu un lipici termoactiv. Aa cum se pate observa din figura 9.7, sistemul de obinere a prototipurilor prin metoda LOM are n componen un tambur de pe care folia de material se desfoar cu ajutorul unui mecanism de avans, ajungnd pe o platform de lucru unde va fi construit piesa. Fiecare nou folie este la nceput lipit prin presare cu o rol peste folia precedent, iar apoi este tiat cu un fascicul laser. Viteza i focalizarea fasciculului laser sunt reglate astfel nct adncimea tieturii s corespund grosimii foliei, astfel ca stratul precedent s nu fie afectat.

Dup ce primul strat este tiat, platforma coboar i materialul curat nainteaz. Platforma se ridic uor sub nivelul anterior, rola fixeaz al doilea strat de primul i laserul taie al doilea strat. Acest proces se repet att timp ct este nevoie s se construiasc reperul. Deoarece modelele sunt realizate din hrtie, ele trebuie n final s fie vopsite sau lcuite pentru a preveni deteriorarea produs de umezeal.

n ultimii ani Helisys a dezvoltat procedeul extinznd gama de materiale prin utilizarea unor benzi cu pulberi metalice i ceramice i prin utilizarea unor tipuri de hrtie rezistent la ap.

Piesa

Figura 9.7. Schema Fabricrii pieselor stratificate

Laser

Rol pentru lipire

Dispozitiv de poziionare X - Y

Strat superior

Platform

Deeu Rol material

Folie de material

Oglinzi



10

9 .7 . Modelare Mul t i -Je t - Ink -Jet Pr in t ing

Spre deosebire de celelalte metode de prototipare rapid, Modelarea Multi-Jet se refer la o ntreag categorie de maini care utilizeaz tehnologia Ink Jet.

Mainile de tip Sanders Prototype realizate de firma Wilton folosesc dou jeturi (figura 9.8): unul folosete material termoplastic uor fuzibil pentru realizarea modelului, n timp ce cellalt utilizeaz cear pentru a forma suporturile n care se formeaz piesele. Dup fiecare strat, o scul achietoare frezeaz suprafaa superioar la nlime uniform. Aceasta asigur o precizie foarte bun i permite utilizarea procedeelor n diferite aplicaii printre care i realizarea bijuteriilor.

Firma 3D Systems a realizat, de asemenea, maini bazate pe sistemul Multi Jet Modeling care utilizeaz o matrice cu 96 de capete de injecie distincte care permite realizarea unor piese complexe din materiale termoplaste.

Specialitii apreciaz c impactul pe care tehnologiile de prototipare rapid l au astzi asupra procesului de fabricaie este mai mare dect cel produs de comanda numeric n anii 50-60 sau cel al prelucrrilor neconvenionale n deceniul trecut.

BIBLIOGRAFIE

1. Wohlers Terry, Rapid Prototyping Moulds the Future of Manufacturing, Internet 2. Berbece Petru, Balc Nicolae, Jidav Horia, Revista TCMM, nr. 32/1997, pag. 351-358,

Tehnologii de fabricare rapid a prototipurilor

Figura 9.8. Schema Modelrii Multi-Jet

Cap de frezat

Obiectul i materialele

suport

NivelulX-Y Colector de

particule



11

9.8. PROCEDEE DE PROTOTIPARE RAPID BAZATE PE DEFORMARE PLASTIC

9.8.1. Procedeul Laserforming

Procedeul de prelucrare prin deformare plastic cu ajutorul laserului, cunoscut sub denumirea LASERFORMING, const n deformarea semifabricatelor plane sau a evilor cu ajutorul unei raze laser urmat la o anumit distan s de un jet de rcire cu ap sau cu gaz (fig. 9.9). Acest procedeu, inventat i introdus n SUA n anul 1992 de profesorul Henryk Franckiewicz de la Institutul de Cercetri Tehnologice Fundamentale al Academiei de tiine din Varovia, a cunoscut n ultimii zece ani o larg rspndire la realizarea unor prototipuri cu forme complexe n producie de serie mic i pentru realizarea unor repere dificil de realizat prin procedee clasice.

Raz Laser

Jet de rcire

Figura 9.9. Principiul prelucrrii prin deformare plastic cu laser

Schema de principiu a unei instalaii de prelucrare prin deformare cu laser este prezentat n figura 9.11.

Elementele componente ale unei astfel de instalaii sunt: 1 - laserul cu CO2, cu puterea de 2,5 kW; 2 - masa de lucru cu poziionare n coordonate X Y; 3 - cap laser cu pozitionare dup direciile z i ; 4 dispozitiv ce permite deplasarea piesei dup dou axe, W i ; 5 sistemul de rcire; 6 echipament pentru controlul formei piesei; 7 echipament pentru controlul temperaturii; 8 computer i soft pentru controlul sistemului.

Parametrii procesului - puterea razei laser, viteza de deplasare a fasciculului sau a piesei, distana s dintre raza laserului i jetul de rcire etc., depind de proprietile, grosimea i forma semifabricatului (plan sau tubular), de forma care urmeaz a fi obinut i de precizia dorit (fig. 9.12). Aceti parametri sunt controlai cu ajutorul calculatorului 8.

Raza laserului penetreaz parial materialul, producnd nclzirea acestuia la o temperatur controlat. Rcirea intens a materialului provoac contracii ale acestuia determinnd ndoirea lui conform formei dorite.

n funcie de unghiul de ndoire, caracteristicile materialului i puterea razei laserului pot fi necesare una sau mai multe treceri. De exemplu, la un laser cu puterea de 2,5 kW i o grosime a materialului de 10 mm, se pot obine unghiuri de ndoire de 0,75,20, n funcie de material.



12

Figura 9.11. Schema de principiu a unei instalaii de prelucrare prin deformare cu laser n figura 9.12 sunt prezentate cteva exemple semnificative de piese obinute prin procedeul

LASERFORMING.

Figura 9.12. Exemple de piese prelucrate prin procedeul LASERFORMING



13

Principalele avantaje ale procedeului LASERFORMING sunt considerate a fi urmtoarele: Combinarea procedeelor de tiere i de deformare plastic cu raz laser, prin

modificarea intensitii razei laser, pe baza creia se creaz posibilitatea obinerii diferitelor repere cu forme de mare complexitate;

Posibilitatea utilizrii procedeului pentru mai multe tipuri de prelucrri, respectiv pentru deformare de ndoire, ambutisare, tiere, ct i pentru ndreptarea tablelor deformate dup sudur.

9.8.2. PROCEDEUL DUALFORM

A. Principiul prelucrrii

Sistemul DUALFORM este un sistem de matriare de nalt flexibilitate care presupune realizarea simultan a poansonului i a plcii active (poz. 3 i respectiv 4 din fig. 9.13) chiar pe presa pe care urmeaz s se desfoare deformarea, prin solidificarea unui aliaj special cu punct de topire cobort (140 0C) situat n interiorul batiului presei. Dup utilizare sculele sunt topite n interiorul presei iar materialul este refolosit pentru realizarea unei noi perechi de scule.

B. Elemente componente

Aliajul special din care se realizeaz sculele, patentat de firma productoare (firma RHODES-Marea Britanie), denumit Jewelite BP, reprezint 30% din costul total al presei. El nu se consum i nu este scos niciodat n afara presei pe perioada de exploatare a acesteia. n afar de aliajul special uor fuzibil dar cu mare rezisten mecanic pentru realizarea unei perechi de scule mai sunt necesare o serie de elemente, dup cum urmeaz (fig.9.13.).

1

2

3

4

Figura 9.13. Pres de prelucrare DUALFORM

a. Un model cu forma dorit. Acesta poate fi o cochil din pnz de sticl acoperit cu straturi de rini care s reziste la temperatura maxim a aliajului de 155 0C, poate fi realizat din metal atunci cnd astfel rezult mai ieftin sau poate fi chiar o pies existent.

b. O plac de matri (1) confecionat din oel moale, cu grosimea de 10 mm, avnd un contur central decupat corespunztor formei piesei cu raze de racordare pentru a proteja marginile poansonului i ale matriei formate prin solidificarea aliajului.



14

c. O plac de reinere a semifabricatului (2) confecionat, de asemenea, dintr-un oel moale cu grosimea de 2550 mm, avnd decupat un contur interior de forma modelului, foarte bine finisat pe ambele pri.

d. O plac de ancorare avnd rolul de a fixa poansonul solidificat, fixat de berbecul presei cu ajutorul unor uruburi T.

C. Avantajele i limitele tehnologiei DUALFORM

Avnd n vedere flexibilitatea foarte mare, tehnologia DUALFORM prezint o serie de avantaje care pot fi sintetizate dup astfel:

a. Timpul foarte redus de realizare a sculelor cuprins ntre 4 i 6,5 ore, format din timpul efectiv de realizare a poansonului i matriei (2,, 3,5 ore) i timpul de topire a materialului (2,3) ore. Astfel forma caroseriei unui automobil, de exemplu, se poate modifica, practic, de pe o zi pe alta;

b. Sculele sunt realizate chiar n poziia de lucru, pe pres, aliniate i reglate, gata de lucru nefiind necesare reglaje, ajustri sau probe;

c. Forma sculelor poate fi modificat prin topirea sculelor existente, nlocuirea modelului i realizarea prin solidificare a unei noi perechi de scule n doar cteva ore;

d. n atelierele de prelucrare prin deformare plastic la rece, prin utilizarea tehnologiei DUALFORM, spaiul de depozitare a sculelor se reduce cu cca 90%;

e. Presiunea reglabil a plcii de reinere i vitez de presare variabil; f. Pot fi prelucrate prin deformare toate tipurile de materiale de la aluminiu pn la aliaje de

titan. Procedeul DUALFORM prezint, de asemenea, o serie de limite. Astfel, durabilitatea

sculelor este limitat de forma acestora i de natura materialului prelucrat. n general, cu un set de scule pot fi prelucrate prin deformare cteva mii de piese iar grosimea maxim a tablei n cazul deformrii oelului este de 3,5 mm.

La o analiz atent aceste limite ale procedeului nu pot fi considerate dezavantaje. Dac lum n considerare durabilitatea limitat a unui set de scule, n cazul prelucrrii unor loturi de piese mai mari, dup atingerea uzurii maxime admise sculele pot fi topite i refcute identic, cu acelai ablon n doar cteva ore. De asemenea, nici grosimea tablei limitat la 3,5 mm n cazul oelurilor nu constituie un dezavantaj deoarece, n domeniile n care se aplic tehnologia DUALFORM (vezi punctul D) cele mai frecvent utilizate grosimi de material sunt cuprinse ntre 0,5 i 2 mm.

D. Principalele utilizri industriale ale tehnologiei DUALFORM

n prezent tehnologia DUALFORM se utilizeaz n special pentru prototipare rapid sau pentru producia de serie mic i mijlocie n diverse domenii precum: radiatoare de automobile (35%), diferite componente ale caroseriei autovehiculelor (14%), diferite repere din industria aerospaial (11%), producia de motociclete (4%), bunuri de folosin ndelungat (4%), diferite utilizri n mici ateliere (24%), ndoire de evi i racorduri (2%) i alte utilizri (6%).

E. Ciclul de lucru prin procedeul DUALFORM

n general prelucrarea prin procedeul DUALFORM se realizeaz n zece etape astfel:



15

1. Aliajul din baie este topit prin nclzire electric la temperatura de 1400C care, n condiiile date poate fi considerat o temperatur foarte cobort;

2. Placa de ancorare este montat n berbecul principal cu ajutorul unor uruburiT fixate n partea superioar;

3. Placa matriei i ablonul sunt poziionate n baia cu metal topit iar cavitatea sablonului se umple cu aliaj topit prin intermediul gurilor existente n partea inferioar a ablonului;

4. Aliajul din baie este ridicat la nivelul corespunztor prin suflare cu aer n cuva auxiliar; 5. Berbecul presei este cobort pn ce placa de ancorare este imersat pe jumtate n aliajul

topit din interiorul ablonului; 6. Apa sau aerul de rcire este circulat pe suprafaa bii pn la solidificarea aliajului; 7. Dup solidificarea aliajului se ridic poansonul avnd fixat pe el aliajul solidificat din

interiorul modelului care constituie de fapt poansonul; 8. Se extrage apoi modelul lund natere matria; 9. Sculele sunt curate de bavurile rezultate datorit gurilor practicate n model pentru

umplerea acestuia cu metal topit;

10. nceperea procesului de prelucrare la fel ca n cazul prelucrrii cu scule normale.

9.8.3. PROCEDEUL DE DEFORMARE CU POANSOANE MULTIPLE

A. Definirea procedeului

Una dintre cele mai importante probleme care se ridic la realizarea mijloacelor tehnologice de prelucrare prin deformare plastic la rece cu flexibilitate ridicat o constituie obinerea unor poansoane i plci active de mare flexibilitate. n prezent, exist pe plan mondial numeroase soluii constructive pentru creterea flexibilitii poansoanelor i plcilor active, ncepnd de la cele aflate nc n stadiul de model experimental dar cu mare perspectiv de dezvoltare industrial i terminnd cu cele consacrate, larg utilizate n practica industrial, care au fcut deja dovada flexibilitii i eficienei lor, astfel nct s poat fi utilizate pentru prototipare rapid. Prezentul subcapitol i propune s una dintre realizrile importante din acest domeniu.

Sistemul de matriare cu elemente active universale punctiforme, realizat n anul 1993 de Massachusetts Institute of Technology (Cambridge, Massachusetts), este un sistem de nalt flexibilitate de prelucrare prin deformare plastic la rece a tablelor prin programarea cu calculatorul i materializarea discret a formei suprafeei piesei folosind un set universal de scule (fig. 9.15).

B. Principiul de lucru

Locul geometric al vrfurilor poansoanelor constituie forma suprafeei ce trebuie obinut. Forma real a piesei este permanent comparat cu forma impus, programat, prin intermediul unui sistem de reglare automat cu bucl nchis.



16

Formacerut

Abateride form

Controlulformei

Suprafaasculei

Materialulpiesei

Formapiesei

Msurareaformei

Sistem de control cu bucl nchis

Piesa

Neopren sauElvax

Pres cu scule multiplepunctiforme

Noua form apiesei

Abateri de formale piesei

Msurarea pieseiControl

Schimbarea formei sculelor

Figura 9.15. Schema sistemului flexibil de deformare a tablelor folosind un set de scule universale punctiforme prin programarea discret a suprafeei

Sculele speciale programabile poansonul i matria, fiecare avnd o arie de deformare de 92900 mm2 (1 sqft), sunt materializate printr-o mulime de poansoane de mici dimensiuni, fiecare avnd cap semisferic cu aria de 161 mm2 (1/4 sqinch) i montate ntr-o caset special acionat cu o for de 30 tf pe o pres hidraulic avnd cursa de lucru n plan orizontal datorit dimensiunilor sistemului de scule. n vederea stabilirii poziiei acestora, poansoanele sunt acionate de servomotoare, fiecare servomotor acionnd o coloan format dintr-un anumit numr de poansoane. Timpul necesar stabilirii poziiei poansoanelor care materializeaz forma suprafeei deformate este direct dependent de complexitatea acestei suprafee.

Pentru ca suprafaa piesei finite s aib un nalt grad de finisare, poansoanele nu trebuie s vina n contact direct cu materialul de lucru. Pentru aceasta ntre poansoane i materialul ce trebuie deformat se aeaz un material elastic special care asigur uniformizarea presiunii exercitate de poansoane asupra piesei, cu grosimea de cca. 6 mm care poate fi NEOPREN sau ELVAX (ethilene vinyl acetate).

Sistemul de control activ se bazeaz pe msurarea suprafeei piesei, compararea datelor obinute cu cele impuse prin programarea suprafeei, determinarea erorilor i modificarea, dac este cazul, a poziiei poansoanelor n vederea realizrii unei noi operaii de deformare. De obicei, forma final a piesei este obinut n patru etape. n primele dou etape se realizeaz piesa la o form ct mai apropiat de cea final. Dup aceste dou etape forma piesei este msurat iar datele acestei msurtori sunt transmise unui calculator care le compar cu cele programate. Funcie de erorile constatate calculatorul comand modificarea poziiei poansoanelor iar corectarea formei piesei se face n alte dou etape n care se face de fapt o calibrare rezultnd o mare precizie de prelucrare. Eroarea maxim la poziionarea poansoanelor este de 0,075 mm iar eroarea maxim de prelucrare este cuprins ntre 0,025 i 0,6 mm funcie de complexitatea formei suprafeei, grosimea i calitatea materialului prelucrat.

n prezent cercetrile laboratorului Massachusetts Institute of Technology sunt ndreptate n trei direcii principale: mrirea numrului de poansoane care materializeaz fiecare scul fapt ce determin creterea preciziei de prelucrare, creterea ariei de deformare i micorarea timpului total de prelucrare.



17

9.9. APLICAII ALE PROTOTIPARII RAPIDE N MEDICIN

Prezentare curs

Prototipare Rapida

Documents

Transcript of Prototipare Rapida