Tipuri de fabricare

Fabricarea obiectelor tridimensionale este un domeniu de studiu cu radacini

adanci in istorie. In decursul timpului au fost dezvoltate mai multe tipuri de tehnologii

care sa permita crearea de obiecte solide cu diverse forme. Exista mai multe clasificari

ale tehnologiilor de obtinere a pieselor si ansamblurilor de piese. Criteriul de

clasificare care va fi considerat in continuare este modul de utilizare a materialului in

vederea obtinerii formei obiectului. Din acest punct de vedere tehnologiile de fabricare

pot fi impartite in patru categorii:

1. Tehnologii de fabricare prin inlaturare de material (Subtractive

technologies)

2. Tehnologii de fabricare prin adaugare de material (Additive

technologies)

3. Tehnologii de fabricare prin reformarea materialului (Net shape

technologies)

4. Tehnologii de fabricare constructive (Constructive technologies)

Tehnologiile de fabricare prin inlaturare de material sunt larg utilizate in

prezent in diverse domenii ale creatiei industriale sau artistice. Caracteristic pentru

aceste tehnologii este faptul ca sunt mari consumatoare de materie prima si produc

cantitati importante de deseuri. Fabricarea porneste de la un bloc de material solid

(semifabricat) care are dimensiuni de gabarit mai mari decat obiectul ce trebuie

realizat (sau cel putin egale). Prelucrarea consta in inlaturarea succesiva si selectiva a

unor mici bucati din blocul de material astfel incat acesta sa se apropie de forma si

dimensiunile dorite.

Exemple din domeniul industrial:

- prelucrarea prin aschiere; strunjire, frezare, gaurire, rectificare;

-prelucrare prin electroeroziune

din domeniul artistic :

- sculptura in piatra, lemn

Tehnologiile subtractive prezinta o serie de avantaje in urmatoarele directii:

1. Acuratete – utilajele de prelucrare au o precizie ridicata (in general mai mare

decat in cazul altor procedee);

2. Finisare - pot produce suprafete foarte netede;

3. Productie de masa – procesele de fabricatie sunt rapide si ieftine raportat la

unitatea de produs in cazul seriilor mari;

4. Gama mare de materiale – o mare varietate de materiale pot fi prelucrate prin

aceste tehnologii;

5. Gabaritul pieselor – procedeele se pot aplica atat la piese mici cat si la piese

mari si foarte mari.

Aceste tehnologii au si o serie de dezavantaje sau limitari:

1. Accesul – pentru a putea extrage materialul trebuie sa existe posibilitatea

accesului in zona ce trebuie prelucrata. In cazul unor piese complexe acest

lucru este uneori greoi sau chiar imposibil. Prelucrarea unor suprafete necesita

modificarea pozitiei si fixarii piesei.

2. Fixarea – sunt necesare dispozitive de fixare atat pentru pozitionare cat si pentru

a compensa eforturile din timpul prelucrarii.

Tehnologiile de fabricare prin adaugare de material sunt definite prin

termenul Additive technologies sau Solid Freeform Fabrication. Ele permit

construirea obiectelor prin adaugarea unor cantitati mici de material in locatii precise,

cantitatea de material utilizata fiind astfel practic egala cu cantitatea cuprinsa in

obiectul finit. Obiectul este constituit din mici entitati primare cum ar fi picaturi sau

straturi. Aceste metode de fabricare permit construirea unor obiecte oricat de

complexe iar gama de materiale utilizabile desi relativ restransa in prezent, se largeste

continuu.

Tehnologiile de fabricare aditiva folosesc materiale sub diferite forme: solida

lichida si chiar gazoasa. Lichidele care se transforma in solide la aplicarea luminii

(fotopolimeri) au stat la baza primelor masini realizate practic (SLA). Urmeaza

imediat metodele bazate pe lipirea pulberilor (SLS), extrudarea materialelor

termoplastice (FDM), aranjarea in teanc a materialelor tip membrana (LOM) si multe

altele. Chiar si gazele au fost utilizate pentru realizarea obiectelor foarte mici. Gama

de materiale se extinde de la hartie si materiale plastice pana la metale si materiale

ceramice.

Marimea obiectelor la care se adreseaza curent aceste tehnologii variaza de la

obiecte microscopice la cladiri intregi.

Gama de aplicatii este foarte larga de la jucarii si machete functionale la

componente pentru industria de automobile si aerospatiala dar si aplicatii in medicina

avansata.

Dintre avantajele metodelor aditive se pot mentiona:

1. Flexibilitate – pe aceeasi masina se pot construi piese diverse si oricat de

complexe;

2. Automatizarea pregatirii fabricatiei - pregatirea fabricatiei se poate face cu o

interventie minima din partea operatorului uman;

3. Automatizarea fabricatiei – procesul de fabricatie decurge automat, fara

interventia operatorului uman.

Ca dezavantaje se pot mentiona:

1. Gama de materiale din care se pot construi piesele – mai redusa decat in cazul

metodelor subtaractive;

2. Costul pe produs – este practic constant indiferent de volumul productiei. Acest

lucru recomanda aceste tehnologii in cazul unicatelor si seriilor mici dar nu si in

cazul productiei de masa.

Tehnologiile de fabricare prin redistribuirea materialului deasemenea

utilizeaza o cantitate de material aproape egala cu cea a piesei finite. Aceste tehnologii

folosesc o forma sau matrita pentru a asigura geometria finala a piesi realizate.

Cantitati dozate de materialele de pornire sub forma lichida, vascoasa sau solida sunt

fortate sa preia forma matritei.

Exemple: turnarea, deformarea plastica, injectarea materialelor plastice

Dintre avantajele metodelor de fabricare prin redistribuirea materialului se pot

mentiona:

1. Flexibilitate – pe aceeasi linie de fabricatie se pot construi piese diverse in

anumite limite de gabarit;

2. Cost de fabricatie - mic pe unitatea de produs mai ales in cazul seriilor mari de

fabricatie;

3. Gama larga de materiale disponibile – aliaje metalice, materiale plastice,

ceramice.

Ca dezavantaje se pot mentiona:

1. Precizie dimensionala - mai redusa (piesele necesita prelucrari ulterioare);

2. Necesitatea utilizarii unor forme (matrite) relativ scumpe.

Tehnologiile de fabricare constructive reprezinta de fapt tot niste procede de tip

aditiv prin care un obiect complex este relizat prin asamblare din componente de sine

statatoare realizate anterior, cu ajutorul unor elemente de legtura. Componentele,

simple sau complexe, ce participa la realizarea ansamblului pot fi realizate din acelas

material sau din materiale diferite.

Exemple: asamblare (prin sudare, lipire, nituire, asamblari prin suruburi).

Dintre avantajele metodelor de fabricare constructive se pot mentiona:

1. Flexibilitate – se pot obtine piese complexe;

2. Gama de materiale - se pot asambla elemente din acelas material sau materiale

diferite.

Ca dezavantaje se pot mentiona:

1. Elementele componente trebuie fabricate anterior prin procedeele mentionate

mai sus;

2. Necesitatea unor materiale sau elemente de legatura;

3. Piesele asamblate au, in general, proprietati mecanice (rigiditate, rezistenta la

solicitari) mai reduse decat elementele componente.

Tehnologii de fabricare aditive - Fabricarea stratificata (Layer manufacturing)

Realizarea prototipurilor si in general a unicatelor era pana prin anii 1980 -1990

un proces ce implica un consum foarte mare de munca si de timp. Chiar in cazul

utilizarii masinilor de prelucrare cu comanda numerica procesul de fabricare (inclusiv

pregatirea fabricatiei) este lung si complicat. Fiecare piesa trebuie prelucrata in sistem

secvential si fiecare operatie necesita sisteme de fixare adecvate.

Introducerea conceptului de fabricare stratificata “Layered Manufacturing”

(LM) sau altfel denumit “Solid Freeform Fabrication” (SFF) a dus la revolutionarea

fabricarii pieselor complexe si in mod deosebit a prototipurilor si unicatelor.

In cadrul proceselor de fabricare stratificata SFF se porneste de la un model

virtual tridimensional (CAD) al piesei ce urmeaza a fi realizata. Acesta este

transformat intr-un model virtual realizat din straturi orizintale 2.5D (in general de

grosime constanta). In cele mai multe cazuri aceasta operatie este realizata automat pe

calculator cu ajutorul unor software adecvate. Realizarea fizica a piesei implica

depunerea straturilor lipirea si stivuirea lor astfel incat sa se obtina forma reprezentata

prin modelul CAD initial. Toata aceasta succesiune de operatii cade in sarcina unei

masini specializate condusa deasemenea prin calculator. In acest mod intregul proces

de planificare si conducere a fabricarii este realizat in mod automat.

Fabricarea stratificata defineste de fapt o intreaga gama de tehnologii aditive

care permit fabricarea obiectelor cu forme complexe, in mod secvential, din straturi

paralele (orizontale) unite intre ele. Aceasta abordare a fabricarii se preteaza foarte

bine la realizarea obiectelor fizice direct din surse de date CAD. Sistemele care

utilizeaza principiul layered manufacturing (LM) sunt cunoscute deasemenea prin

numele general Free Form Fabrication (FFF) (ceea ce semnifica fabricarea formelor

complexe fara o matrita), Solid Freeform Fabrication (SFF) (adica fabricarea

solidelor fara matrita) sau Rapid Prototyping (RP) (prototipare rapida).

Numele procedeelor specifice sunt utilizate adesea si ca sinonime pentru

intregul domeniu de fabricare stratificata. Iata cateva denumiri de procedeee SFF

mai raspandite:

- SLA - stereolitografia (abrevierea defineste de fapt aparatul care utilizeaza

acest procedeu de fabricare stratificata)

- SLS - sinterizare selectiva cu laser

- FDM - modelare prin depunere din topitura

- LOM - fabricarea obiectelor din folii laminate

- 3DP -tiparire tridimensionala

Fiecare din aceste tehnologii si multe altele care nu au fost mentionate aici au

punctele lor tari si slabe.

Fabricarea stratificata nu este o idee noua asa cum s-ar putea lasa impresia. Un

exemplu al acestei abordari inca din antichitate il constituie constructia piramidelor

egiptene [1] (Fig. 1.1).

Fig. 1.1. Constructia stratificata a piramidelor.

Pe parcursul dezvoltarii tehnologice ulteriorare tehnologiile de tip subtractiv

(bazate pe inlaturarea surplusului de material dintr-un bloc) s-au dezvoltat

preponderent. Odata cu dezvoltarea calculatoarelor, necesitatea de a construi obiecte

cu configuratii complexe pornind de la modele virtuale a readus in actualitate

fabricarea stratificata. Tehnologiile de fabricare stratificata actuale ofera in multe

aplicatii o serie de avantaje comparativ cu metodele de fabricatie clsice (subtractive)

cum ar fi frezarea, strunjirea gaurirea, si anume:

Se pot crea obiecte oricat de complicate sau de orice complexitate geometrica fara

a necesita setari elaborate ale masinilor de prelucrare si fara necesitatea unor

asamblari finala;

Obiectele pot fi create din multiple materiale sau cum ar fi compozitele, sau

materialele pot fi variate in mod controlat in orice punct dintr-un obiect;

Sistemele de fabricarea stratificata reduc constructia unui obiect cu forma

complexa la un proces controlabil, simplu si relativ rapid.

Aceaste proprietati ale sistemelor de fabricare stratificata au creat, prin

utilizarea pe scara larga, o cale de reducere a timpului de lansare pe piata a produselor

din domeniul productiei de bunuri.

Sistemele actuale sunt utilizate intens de catre ingineri in diverse domenii si

anume: pentru a intelege mai bine si a comunica proiectele produselor, pentru

realizarea rapida a uneltelor pentru prelucrarea acelor produse. Deasemenea

specialistii din alte domenii cum ar fi medicina (chirurgie), arhitectura, arta si multe

alte discipline utilizeaza curent aceste tehnologii.

Bineinteles fabricarea stratificata nu este o solutie universala la problema

fabricarii oricarei piese. In multe cazuri tehnologiile traditionale (turnare, deformare

plastica, prelucrare prin aschiere, prelucrare pe masini cu comanda numerica CNC)

sunt mai economice, mai bine intelese si mai disponibile, permit o selectie extinsa de

materiale si ofera acurarete buna sau chiar foarte buna. Totusi, daca necesitatile

implica producerea rapida unei piese sau obiect chiar cu gemetrie de complexitate

moderata, atunci tehnologiile RP prezinta avantaje evidente.

Alegerea uneia sau alteia dintre tehnologiile posibile pentru realizarea unei

piese este o problema inginereasca care carei solutie depinde de o multitudine de

factori tehnici si economici. In cazuri extreme se poate determina relativ usor care

tehnologie trebuie aleasa (de exemplu intre CNC sau RP). Pentru multe alte cazuri

linia de demarcatie este vaga, se deplaseaza tot timpul, si depinde de un numar de

factori cu importanta variabila dependenti de caz.

La ora actuala acuratetea sistemelor RP depaseste acuratetea unor procedeee

traditionale de fabricare dar nu este in general la fel de buna ca in cazul prelucrarii pe

masini cu comanda numerica. Cu toate acestea ea este totusi adecvata pentru o gama

larga de aplicatii.

Materialele utilizate in fabricarea stratificata sunt deocamdata limitate si

dependente de metoda aleasa. Totusi gama si proprietatile materialelor disponibile se

largeste rapid datorita cercetarior in domeniu. Gama de materiale disponibile in

prezent se intinde de la materiale plastice si hartie (piesele realizate find asemanatoare

celor realizate din lemnului), la materiale ceramice, compozite si chiar la metale (de la

otel pana la titan).

Procedeele SFF au fost cunoscute initial sub denumirea de Rapid Prototyping.

Prin aceste procedee sunt adesea realizate prototipurile pentru evaluarea unui obiect,

dar tehnologia incepe sa se adreseze si productiei de piese finite si ansmble cat si

realizarii de matrite de injectie sau altor tipuri de unelte. Desi aceste procedee au in

titulatura cuvantul rapid ele nu reprezinta neaparat o metode foarte rapide. Fabricarea

unor piese prin procedee RP (SFF) dureaza dela cateva ore in cazul pieselor mici la

una doua zile pentru piese mari. Durata prelucrarii efective prin procedee traditionale

(prelucrare prin aschiere) a unor piese de complexitate mica sau medie poate dura char

mai putin.

Dar atunci cum se justifica denumirea de rapid atribuita procedeelor SFF?

Daca judecam procesul de fabricare in ansamblu se observa ca in cazul

fabricarii prin procedee clasice se consuma mult timp in operatiile de pregatire a

fabricarii : planificarea operatiilor, alegerea si/sau realizarea sistemelor de prindere si

fixare, alegerea si schimbarea sculelor, programarea regimurilor de lucru, manipularea

pisei, etc. Durata acestui proces de planificare se poate extide de la cateva ore la

cateva saptamani in functie de complexitatea piesei. O data depasit acest proces de

planificare durata de realizare pe unitatea de produs este relativ mica. In cazul

productiei de masa pregatirea meticuloasa a fabricatiei (chiar daca dureaza mai mult)

este de dorit in vederea scurtarii timpului de realizare pe unitatea de produs.

In cazul procedeelor RP etapa de planificare este redusa la minim (aproape

eliminata) chiar daca durata procesului de realizare efectiva pe unitatea de produs este

mai mare (Fig. 1.2).

Fig. 1.2. Comparatie intre procedeele de fabricare clasice si Rapid prototyping din

punct de vedere al duratei fabricarii.

Aceasta face ca in cazul unicatelor sau seriilor mici de produse durata totala

(pregatirea fabricatiei + fabricare) sa fie mult mai mica la realizarea prin procedeee

RP. Procesul poate economisi saptamani sau chiar luni din ciclul de proiectare dar

poate necesita mai multe ore pentru fabricarea unui singur obiect. De fapt termenul de

Rapid Prototyping este justificat mai ales pentru lansarea rapida a fabricatiei

prototipurilor.

Din acest punct de vedere denumirea Solid Freeform Fabrication defineste mai

corect aceste tehnologii.

1. Dezvoltarea istorica a tehnologillor SFF

Daca luam in considerare faptul ca au trecut doar 23 de ani de la constructia si

comercializarea primei masini de prototipare rapida probabil ca abordarea istorica nu

este prea potrivita. Pe de alta parte o incursiune in istoria inventiilor (patentelor) care

au stat la baza tehnologiilor de prototipare rapida ne poate edifica asupra evolutiei

variantelor actuale ale tehnologiilor SFF.

In prezent principalul domeniu de aplicare a tehnologilor de prototipare rapida

este domeniul mecanic, dar radacinile timpurii ale acestor tehnologii pot fi gasite in

inovatiile din doua domenii relativ diferite si anume: topografia si fotosculptura. In

topografie s-au pus bazele prelucrarii in straturi, in timp ce fotosclptura a dezvoltat

reproducerea tridimensionala a modelelor.

In Anexa 1 sunt prezentate cronologic o serie evenimente care au stat la baza

dezvoltarii sistemelor actuale de RP

Dezvoltari in Topografie

In anul 1892, J. E. Blanther a sugerat, o metoda pentru realizarea matritelor

stratificate in vederea obtinerii de harti topologice in relief. Metoda consta in

imprimarea curbelor de nivel topografic pe o serie de placi din ceara si taierea placilor

pe aceste curbe de nivel. Apoi placile sunt stivuite formand doua semimatrite care

reprezinta atat pozitivul cat si negativul suprafetei care corespunde terenului indicat

de curbele de nivel. Dupa netezirea sectiunilor de ceara se obtine o matrita. Apoi o

foaie de hartie este presata intre forma pozitiva si cea negativa pentru a crea o harta in

relief. (fig. 2.1)

Fig. 2.1. Matrita stratificata pentru hata in relief propusa Blanther (1892).

Mai tarziu Perera (1940) a propus o metoda similara pentru crearea directa a

hartilor in relief prin taierea unor foi de carton pe curbele de nivel si apoi stivuirea si

lipirea acestor foi realizand o harta tridimensionala. Dezvoltari ulterioare ale acestei

abordari au frost facute de Zang (1964), care a sugerat utilizarea unor placi

transparente cu detalii topografice inscrise pe fiecare placa si Gaskin (1973), care a

descris un dispozitiv de invatare geologic tridimensional format din straturi ( fig. 2.2).

Fig. 2.2. Dispozitiv geologic tridimensional de invatare,T.A. Gaskin (1971).

In 1972, Matsubara de la Mitsubishi Motors (1974) a propus un proces

topografic care utilizeaza materiale foto-polimerizabile. In acest proces o rasina

fotopolimer este aplicata peste particule refractare (pudra de grafit sau nisip), care apoi

sunt imprastiate intr-un strat si incalzite pentru a forma o foaie coerenta. Lumina

provenind de la o lampa cu vapori de mercur este proiectata selectiv sau scanata pe

aceasta folie pentru a intari anumite portiuni din aceasta. Portiunea nescanata

(neintarita), este apoi dizolvata cu ajutorul unui solvent. Straturile subtiri formate in

acest mod sunt apoi stivuite impreuna pentru a obtine o forma de turnare.

In 1974, DiMatteo si-a dat seama ca aceste tehnici de stratificare pot fi urtilizate

la producerea unor suprafete dificil de fabricat prin operatii standard de prelucrare.

Exemplele pe care le mentioneaza includ elice, came tidimensionale si poansoane

pentru prese de perforat. In reprezentarea din Fig. 2.3, un set de foi metalice sunt

decupate prin frezare, apoi unite intr-un sistem stratificat prin adeziv, bolturi sau

nituri. Acest proces este evident similar unor lucrari precedente din secolul XIX.

Fig. 2.3. Forma de turnare stratificata formata dintr-un pachet de foi realizata de

DiMatteo (1974).

In 1979, Profesorul Nakagawa de la Tokyo University a inceput sa utilizeze

tehnica laminatelor pentru a produce matrite cum ar fi matrite de forjare sau matrite de

injectie. De notat ca Nakagawa mentioneaza de asemenea posibilitatea creerii prin

aceasta tehnologie a canalelor complexe de racire in matritele de injectie.

Figure 2.4: Matrita stratificata realizta din laminate

Fotosculptura

Fotosculptura apare in secolul XIX in incercarea de a crea replici tri-

dimensionale exacte ale obiectelor, incluzand forme umane. O realizare oarecum de

succes a acestei tehnologii a fost proiectata de francezul François Willème in 1860. In

aceasta metoda, aratata in Fig. 2.5, un subiect sau obiect a fost plasat intr-o camera

circulara si fotografiat simultan de 24 de camere plasate echidistant pe circumferinta

camerei. Silueta din fiecarea fotografie a fost utilizata de un artizan din studioul

Willème (Fig. 2.5 b) pentru a sculpta 1/24 dintr-o portiune cilindrica a figurii. In

incercarea de a usura munca intensiva de sculptura din fotosculptura lui Willème,

Baese (1904) a descris o tehnica utilizand lumina graduata pentru a expune gelatina

fotosensibila care isi mareste dimensiunile cand este tratata cu apa, asa cum este aratat

in Fig. 2.6. Tehnici similare si imbunatatiri au fost dezvoltate de Monteah (1924).

a) b)

Fig. 2.5. a) Amiralul Farragut (1860) asezat pentru fotosculptura,

b) Studioul de fotosculptura François Willème (Paris, 1870)

Fig. 2.6. Procesul fotografic pentru reproducerea objectelor din plastic (Baese 1904).

In unele din cele mai vechi lucrari din Japonia, Morioka (1935, 1944) a

dezvoltat un proces hibrid combinand aspecte din fotosculptura si topografie. Aceasta

metoda (Fig. 2.7) utilizeaeza lumina structurata (benzi albe si negre de lumina) pentru

a crea fotografic linii de contur pe un obiect. Aceste linii pot fi dezvoltate in foi, taiate

si sivuite, sau proiectate pe un material brut pentru scuptare.

Fig 2.7. Procesul de manufacturare a reliefului (Morioka 1935, 1944).

In 1951, Munz (1956) a propus un sistem care are trasaturile tehnicii

stereolitografiei actuale (Fig. 2.8). El a inventat un sistem pentru expunerea selectiva a

unei emulsii foto transparente sub forma de straturi, unde fiecare strat cuprinde o

sectiune transversala a unui obiect scanat. Aceste straturi sunt create prin coborarea

unui piston intr-un cilindru si adaugarea cantitatii necesare de foto-emulsie si agent de

fxare. Dupa expunere, cilindrul solid transparent contine o imagine tridimensionala a

obiectului.

Ulterior cilindrul poate fi sculptat manual sau gravat fotochimic pentru a obtine

obiectul tridimensional.

Fig. 2.8. Procesul de reproducere a unuei imagini

tridimensionale a unui obiect (Munz 1956).

Inceputurile Solid Freeform Fabrication

In 1968, Swainson (1977) a propus un proces de fabricare directa a unui

model din plastic prin polimerizare tridimensionala selectiva a unui polimer

fotosensibil la intersectia a doua raze laser. Lucrari paralele au fost realizate la

Battelle Laboratories (Schwerzel 1984). Trasaturile esentiale a acestui proces, numit

prelucrare fotochimica, sunt prezentate in Fig. 2.9. Obiectul este format fie prin

intersectare fotochimica sau degradarea a polimerului prin expunere simultana la

razele laser intersectate. Desi instalatia de laborator pentru acest proces a fost

construita, un proces comercial viabil nu a fost realizat.

Fig. 2.9. Pocesul de fotosculptura utilizand raze laser intersectate (Swainson 1977).

Un proces cu pulbere care are mai multe in comun cu tehnica metalizarii cu

laser decat cu fotosculptura a fost propus in 1971 de Ciraud (1972). Aceasta inventie

descrie un proces de manufacturare a unui obiect dintr-o varietate de materiale care

pot fi topite, cel putin partial. Pentru a produce un obiect, particule mici sunt adaugate

la o matrice prin gravitatie, magnetic sau electrostatic, sau presarate cu o duza

pozitionata langa matrice. Particulele sunt apoi incalzite local cu laser, fascicol de

electroni, sau fascicol de plasma. Ca o consecinta a incalzirii particulele adera una la

alta pentru a forma un strat continuu.

Asa cum arata Fig. 2.10, pot fi utilizate mai multe raze laser in scopul maririi puterii

de lipire dintre particule.

Fig. 2.10. Procesul cu pulbere si laser propus de Ciraud (1972).

Hideo Kodama de la Nagoya Municipal Industrial Research Institute a fost

primul care a publicat o relatare despre sistemul functional rapid prototyping cu

fotopolimer (Kodama 1981). In cadrul metodei lui un model solid este fabricat prin

construirea piesei in straturi, in care aria expusa corespunde unei sectiuni transversale

prin model. El a studiat trei metode diferite pentru realizarea acestuia (Fig. 2.11):

a. utilizand o masca pentru a controla expunerea unei surse UV si imersand

modelul in fotopolimer lichid pentru a crea straturi noi;

b. utilizand o masca ca la punctul (a), dar pozitionand masca si expunerea la

partea de jos a cuvei si tagand modelul in sus pentru a crea un nou strat;

c. imersind modelul ca la punctul (a), dar utilizand un plotter x-y si o fibra

optica pentru a expune un nou strat.

Fig. 2.11. Schemele celor trei sisteme cu

fotopolimer studiate de Kodama (1981).

Un al doilea studiu, paralel dar independent, a fost condus de Herbert la 3M

Corporation (1982). Herbert descrie un sistem care directioneaza o raza laser UV pe

un strat de fotopolimer cu ajutorul unui sistem de oglinzi montat pe un plotter plan xy

(Fig. 2.12). In tehnica experimentala a lui Herbert, este utilizat un calculator pentru a

comanda raza laser deasupra unui strat, apoi vasul cu fotopolimer este coborat (cu

aprox. 1mm) si fotopolimer lichid suplimentar este adaugat pentru a crea un nou strat.

Fig. 2.12. Procesul cu fotopolimer al lui Herbert (1982).

Primele piese

Desi acum sunt produse piese foarte complicate cu echipamente de rapid prototyping,

primele piese obtinute pe atfel de sisteme nu prezentau multa incredere ca se vor

obtine imbunatatiri ulterioare. In Fig. 2.13 sunt prezentate trei astfel de piese obtinute

prin diferite sisteme. Piesa lui Housholder a fost facuta dintr-un postament care

include o retea pentru separarea materialului formei de materialul turnat.

Piesa lui Herbert a fost creata in August 1979. Nu se cunoaste exact cand au fost

create piesele lui Kodama si Housholder.

Fig. 2.13. Trei piese timpurii ralizate prin rapid prototyping de Kodama, Herbert si

Housholder (in ordine de la stanga la dreapta)

DEZVOLTARI COMMERCIALE

Inceputurile dezvoltarii comerciale

Printre primele dezvoltari comerciale studioul de fotosculptura al lui Willème a fost un

succes comercial din 1861 to 1868 dar in cele din urma a iesit din afaceri, datorita

probabil muncii implicate de sculptarea manuala cu ajutorul unui instrument

pantografic. Urmatoarea realizare comerciala cunoscuta a fost formarea lui Swainson

de la Formagraphic Engine Company in 1977. Mai tarziu Formagraphic a format o

alianta cu Battelle Laboratories si si-a schimbat numele in Omtec Replication. Se pare

eforturile au fost abandonate inainte de dezvoltarea unui proces comercial. In 1977,

DiMatteo a format de asemenea o companie numita Solid Photography care a fost

preluata de Dynell Electronics Corporation cand Dynell s-a unit United Technologies.

Ca rezultat, o unitate afiliata numita Sculpture by Solid Photography a fost deschisa in

New York City. Fig. 2.14 prezinta modul de lucru in cadrul acestei unitati. In 1981,

Solid Photography si-a schimbat numele in Robotic Vision. Solid Photography si

compania Solid Copier au operat ca subsidiare ale lui Robotic Vision pana in 1989

(Lightman 1996).

Fig. 2.14. Sculptura prin procesul Solid Photography (Bogart 1979);

ANEXA1

Cronologia unor evenimente majore din istoria RP

PHOTOSCULPTURE

TOPOGRAPHY 1860 Willeme-photosculpture

1890 Blanther - patent

1902 Baese - patent

1922 Monteah - patent

1933 Morioka - patent

1937 Perera - patent

1940 Moriola - patent

1951 Munz - patent

1962 Zang - patent

1971 Gaskin - patent

1972 Matsubara - patent

1974 DiMatteo - patent

1979 Nakagawa -

fabricarea matritelor laminate

1968 Swainson - patent

1972 Ciraud - prezentare

1979 Housholder - patent

1981 Kodama - publicare

1982 Herbert - publicare

1984 Marutani-patent, Masters - patent, Andre - patent, Hull - patent

1985 Helisys – fondare, Denken – inceputul vanzarilor

1986 Pomerantz - patent, Feygin - patent, Deckard - patent, 3D Systems - fondare,

Light sculpting -pornire

1987 Fudim – patent, Arcella - patent, Cubital – fondare, DTM - fondare,

Dupont Somos - inceperea vanzarilor

1988 Prima masina RP vanduta de 3D Systems, CMET - fondare, Stratasys - fondare

1989 Crump - patent, Helinski - patent, Marcus - patent, Sachs - patent, EOS -

fondare, BPM - fondare

1990 Levent - patent, Quadrax - fondat, DMEC fondat

1991 Teijin Seiki – inceputul vanzarilor, Mitsui – inceputul vanzarilor

Foeckele & Schwarze - fondare, Soligen – fondare, Meiko - fondare,

1992 Penn - patent , Kira - inceputul vanzarilor, Quadrax achizitionat de 3D

1994 Sanders Prototype – inceputul vanzarilor

1995 Aaroflex – inceputul vanzarilor

Vedere generala asupra proceselor SFF

Tinta prototiparii rapide este de a fabrica rapid piese tridimensionale cu forme

complexe, direct din modele CAD. O cale de realizare a acesteia este utilizarea

metodei LM (SFF).

Metodologiile SFF au urmatoarele atribute:

- pot construi geometrii complexe 3D arbitrare;

- planificarea procesului este automata, bazata pe un model CAD;

- utilizeaza o masina generica de fabricare;

- nu necesita dispozitive de fixare specifice pentru piesa;

- nu necesita forme sau matrite;

- necesita pentru operare o interventie umana minima sau de loc.

Sistemele actuale SFF se bazeaza pe modelul fabricarii stratificate (Fig. 3.1). In

cadrul aceastei metode, un model CAD 3D solid al obiectului este mai intai

descompus intr-o reprezentare prin straturi (sectiuni transversale orizontale). Modelul

este descompus in straturi in 2½-dimensiuni, adica straturi care pot fi reprezentate

printr-o sectiune transversala plana cu o grosime uniforma asociata.

Apoi planificatorul procesului de fabricare genereaza traiectorii pentru ghidarea

procesului de adaugare de material in scopul construirii fizice a acestor straturi intr-o

masina automata de fabricare. Structurile de sustinere sunt construite simultan cu piesa

pentru a sustine anumite parti ale obiectului.

Fig. 3.1. SFF utilizand modelul fabbricarii stratificate.

Fiecare strat fizic, care consista din sectiunea transversala si stratul de material

de sacrificiu format complementar, este apoi depus si lipit de stratul precedent (Fig.

3.2a) utilizand una dintre tehnologiile de depunere si lipire disponibile.

Materialul de sacrificiu are doua roluri primare: intai, el sustine piesa, analog “fixarii”

din tehnicile de fabricare traditionala; a doua, el serveste ca substrat care sustine

“regiunile neconectate” si partile atarnate ca sa poata fi depuse.

Regiunile neconectate necesita acest suport pana cand straturile ulterioare sunt depuse

avand in vedere ca ele nu sunt unite cu corpul principal. Alta utilizarea a materialului

de sacrificiu este de a forma cavitati inchise in piesa.

Fig. 3.2. Fixarea generica.

Alte sisteme RP utilizeaza structuri suport numai acolo unde este necesar, adica,

pentru sustinerea regiunilor interconectate si a partilor atarnate (Fig. 3.2b). Aceste

structuri suport explicite sunt depuse din acelas material ca si obiectul care se creaza,

dar sunt create intr-o forma care sa permita indepartarea usoara o data ce piesa a fost

realizata complet. De exemplu, ele pot fi depuse ca o structura cu pereti subtiri care se

poate rupe usor.

SFF poate fi planificat si executat rapid si automat, independent de forma piesei,

pentru mai multe ratiuni:

(1) operatia de descompunere transforma geometrii complexe 3D in reprezentari

simple 2½D;

(2) fixarea client nu este necesara;

(3) masina care implementeaza aceste sisteme este relativ usor de operat.

Practic implementarea prelucrarii in straturi pentru necesitatile fabricarii

moderne a fost posibila prin dezvoltarile catorva tehnologii, incluzand modelarea

solidelor bazata pe CAD, laserele, tiparirea cu jet de cerneala, dispozitivele de inalta

performanta de control a miscarii, dar si a unor procese traditionale de fabricare, cum

ar fi metalurgia pulberilor, extrudarea, sudarea, prelucrarea CNC (control numeric), si

litografia (Fig. 3.4).

Fig. 3.4. Tehnologiile care au permis SFF.

Prelucrarea joaca de asemenea un rol important in RP. Totusi prelucrarea CNC,

nu este in general considerata a fi o metodologie SFF, nu numai din cauza ca aceasta

necesita interventia umana calificata pentru a ajuta sa planifice operatiile si sa opereze

echipamentul, dar deasemenea fiindca prelucrarea necesita adesea fixari particulare si

fiindca are limitari geometrice inerente.

Totusi si in multe aplicatii RP prelucrarea ulterioara poate fi inca necesara.

PROCESE SFF

Diferitele strategii SFF de constructie si procesele de depunere/lipire includ

fotolitografia, topirea cu laser, laminarea, extrudarea, si tiparirea cu jet de cerneala.

Figurile incluse in descrierea acestor strategii reprezinta schematic aceste sisteme SFF.

Tabelul 2.1 prezinta sintetic sistemele SFF comercializate.

Tabel 3.1 Sisteme Rapid Prototyping comercializate

Producator Nume Proces Tip Proces Materiale

United States

3D Systems

Stereolithography

Apparatus (SLA)

laser

photolithography

acrylate, epoxy

Helisys

Laminated Object

Manufacturing

(LOM)

lamination, laser-

cut

paper, tape castings

Stratasys Fused Deposition

Modeling (FDM)

extrusion ABS, wax, nylon, gel

casting

DTM Selective Laser

Sintering (SLS)

powder-based,

laser

fusion

nylon, wax,

polycarbonate,

polymer-coated metal

Sanders Prototype Model liquid jetting low-melt plastic

Maker

Soligen Direct Shell

Production

Casting (DSPC)

powder-based, 3D

printing of binder

ceramics

BPM Ballistic Particle

Manufacturing

(BPM)

liquid jetting low-melt plastic

3D Systems Multi-Jet Modeling liquid jetting wax

Europe

EOS (Germany) STEREOS laser

photolithography

acrylate, epoxy

EOS (Germany) EOSINT powder-based,

laser

fusion

polyamide,

polystyrene,

metal alloy, resin-

coated sand

Cubital

(Germany/Israel

)

Solid Ground

Curing

(SGC)

photomasking acrylate, wax

Fockele &

Schwarze

(Germany)

LMS laser

photolithography

Japan

CMET (NTT

Data

Communication

s)

Solid Object

Ultraviolet

Plotter (SOUP)

laser

photolithography

epoxy

D-MEC

(JSR/Sony)

Sony’s Solid

Creation System

(SCS)

laser

photolithography

urethane acrylate

Kira Corp. Solid Center lamination, knife-

cut

paper

Teijin Seiki Solid Forming

System

(Soliform)

laser

photolithography

urethane acrylate,

glassfilled resin

Denken

Engineering

Solid Laser Plotter

(SLP)

laser

photolithography

acrylate

Meiko Corp. Meiko laser

photolithography

acrylate

Mitsui Zosen COLAMM laser

photolithography

Ushio, Inc. Uni-Rapid laser

photolithography

Fotolitografia

Sistemele fotolitografice SFF construiesc forme utilizand lumina pentru a

solidifica selectiv rasini fotopolimerizabile. Exista doua abordari de baza:

fotolitografia si fotomascarea (photolithography, photomasking). Fotolitografia laser

prezentata in Fig. 3.5, care este una din cele mai larg utilizate tehnologii RP, a fost

comercializata pentru prima data de compania 3D Systems din U.S.

Fig. 3.5. Laser photolithography.

Nu numai ca 3D Systems a fost prima companie care a comercializat cu succes

procesul de stereolitografie, dar deasemenea compania poate fi creditata atat cu

popularizarea RP cat si cu stabilirea locului pe piata pentru tehnologiile RP.

Sistemele Laser photolithography au fost deasemenea dezvoltate si fabricate atat in

Europa cat si Japonia (Tabelul 3.2). Cu exceptia Kira’s Solid Center toate masinile RP

fabricate in Japonia se bazeaza pe fotolitografie. Desi ce cele mai multe sisteme de

fotolitografie laser utilizeaza strategia de constructie reprezentata in Fig. 3.5, exista

diferente semnificative in implementarea masinilor, in mod deosebit in modul de

reacoperire, laser si in mecanismul de deplasare a razei.

Tabelul 2.2 Laser Photolithography Systems

Producator Name Proces

United States

3D Systems Stereolithography Apparatus (SLA)

Europe

EOS (Germany) STEREOS

Fockele & Schwarze (Germany) LMS

Laser 3D (France) Stereophotolithography (SPL)

Japan

CMET (NTT Data Communications) SOUP

D-MEC (JSR/Sony) SCS

Teijin Seiki Solid Forming System (Soliform)

Denken Engineering Solid Laser Plotter (SLP)

Meiko Corp. Meiko

Mitsui Zosen COLAMM

Ushio, Inc. Uni-Rapid

Laser photolithography creaza piese din acrilat sau epoxy direct intr-o cuva cu

polimer lichid foto-intaribil prin solidificarea selectiva a polimerului cu ajutorul unei

raze laser care il scaneaza. Piesele sunt construite pe o platforma care coboara

incremental piesa in cuva cu o distanta egala cu grosimea stratului. Pentru construirea

fiecarui strat, o raza laser este ghidata peste suprafata (de exemplu prin oglinzi

galvanometrice sevo-controlate), desenand un model (sectiune-transversala in planul

x-y) pentru a forma o sectiune solida. Platforma este apoi coborata in cuva si

urmatorul strat este desenat si adera la stratul precedent. Acesti pasi se repeta, strat cu

strat, pana cand este construita intreaga piesa.

Deoarece fotopolimerii sunt relativ vascosi, simpla coborare a elevatorului cu o

mica distanta cat grosimea stratului (ex. , ~0.05 mm pana la ~0.5 mm) in interiorul

cuvei nu permite lichidului sa reacopere uniform suprafata superioara a piesei in timp

util. De aceea este necesar un mecanism de reacoperire pentru a facilita acest proces.

De exemplu 3D System utilizeaza un sistem de reacoperire de tip “cufundare adanca”,

in care elevatorul este mai intai coborat cativa milimetri astfel incat lichidul acopera

complet suprafata superioara curenta a piesei. Elevatorul este apoi ridicat la inaltimea

dorita si un “cutit” traverseaza suprafata pentru a nivela rapid excesul de material

vascos.

Prin fotolitigrafie laser se pot construi si parti in consola cu schimbare graduala

fara structuri suport. Partile atrnate (in consola) necesita totusi suport, deoarece initial

stratul subtire care se formeaza poate sa se idoaie sau sa se rupa in timp ce piesa

coboara in lichid. Suportii sunt construiti tipic sub forma de pereti subtiri care pot fi

rupti usor de pe piesa dupa realizarea completa.

Exista doar cateva sisteme de fotolitografie laser care construiesc piese utilizand

metode usor diferite, cum ar fi cele descrise in Fig. 3.6.

In masina fabricata de Denken Engineering of Japan aratata in Fig. 3.6a, piesa

este construita intoarsa, asezata pe o platforma si care se ridica de fiecare data cand un

strat este trasat, si atasat la fata de la baza. Stratul de rasina lichida este depus pe o

fereastra preparata special care e transparenta la laser si la care polimerul intarit adera

greu. Platforma si structura construita anterior sunt coborate in rasina, lasand intre

piesa si platou un film de lichid avand grosimea corecta pentru urmatorul strat.

Noul strat este desenat dedesubtul platoului, si procesul este repetat pana cand sunt

fabricate toate straturile. Mitsui Corporation din Japonia, realizeaza deasemenea un

proces, “COLAMM,”care scaneaza de desubt.

Fig. 3.6. Alte abordari de fotolitografie laser.

Procesul reprezentat in Fig. 3.6b a fost dezvoltat de Professor Koji Ikuta de la

Nagoya University si optimizat pentru producerea pieselor la scara micro – marimea

spotului razei laser este 5 µm. In acest sistem o placa transparenta e coborata intr-o

cuva pentru a forma un film subtire de lichid peste piesa care se construieste. Partea

care creste ramane stationara in cuva, si cuva este mutata relativ la o raza laser fixa,

care trece prin placa, desenand sectiunea transversala. Laserul se ridica cu placa

pentru a mentine focalizarea precisa pe filmul de lichid.

In contrast cu “trasarea” fiecarei sectiuni transversale la fotolitografia laser, e

posibil sa impresionam intraga sectiune transversala intr-o singura operatie utilizand

masti foto. Aceasta abordare a fost initial dezvoltata si comercializata de Cubital

(Israel/Germany). Sistemul Cubital, numit Solid Ground Curing (SGC), este prezentat

in Fig. 3.7. In SGC, fiecare sectiune transversala este foto-impresionata printr-o placa

masca (care se poate sterge), produsa prin incarcarea placii printr-un proces

iconografic si apoi relevarea imaginii cu un toner electrostatic (ex., ca la procesul de

Xerografie). Masca este apoi pozitionata peste un strat uniform de fotopolimer lichid,

si un puls intens de lumina UV e trecut prin ea pentru a intari selectiv materialul.

Fotopolimerul neintarit este inlaturat de pe strat cu un sistem cu vacum si inlocuit cu

ceara cu punct de topire scazut, sau solubila in apa, care serveste drept suport. Dupa ce

ceara s-a racit, stratul este frezat pentru a produce o suprafata plana.

Modelul de pe masca expusa este sters prin curatarea tonerului, si intregul proces se

repeta. Dupa ce piesa a fost completata, ceara inconjuratoare este inlaturata prin

topire sau dizolvare. Diferitele procese utilizate la implementarea SGC sunt realizate

pe unitati diferite.

Fig. 3.7. Fotomascarea.

O trasatura unica a metodei fotomascarii este capacitatea de a construi piese

multiple in acelasi timp intr-un singur lot. Doarece timpul de constructie pentru a

forma fiecare strat este independent de geometria sau marimea piesei, pot fi fabricate

piese multiple in acelasi timp care era necesar pentru fabricarea unei singure piese(ex.

Patru piese una langa alta in Fig. 3.7). Mai mult, sistemele SGC construiesc piese intr-

o ceara solida de scrificiu care permite ca piese multiple sa fie impachetate intr-un

singur lot (ex. doua randuri de piese aratate in Fig. 3.7).

Fuziunea Laser

Cateva sisteme utilizeaza laser-ul pentru a fuziona selectiv material pulverulent

pentru a construi forme. Metoda “selective laser sintering” descrisa in Fig. 3.8 a fost

initial dezvoltata la University of Texas din Austin si apoi comercializata de DTM

Corporation (U.S.). EOS, Inc. (Germany), a dezvoltat de asemenea si a lansat pe piata

propria masina de sinterizare cu laser. The Fraunhofer Institute for Production

Technology (IPT) a produs de asemenea o unitate experimentala de tip sinterizare-

laser pentru sinterizarea directa a metalelor.

Fig. 3.8 Metoda Selective Laser Sintering

In aceste sisteme, un strat de material sub forma de pudra este imprastiat si

nivelat pe suprafata superioara a unei structuri in crestere. Apoi un laser cu CO2

scaneaza selectiv stratul pentru a topi acele zone definite de geometria sectiunii

transversale. Energia laserului sudeaza de asemenea straturile impreuna. Pulberea este

unita printr-o varietate de mecanisme de fuziune incluzand topirea, imbinare la

suprafata, sinterizare asistata, acoperirea cu polimeri. Materialul ne fuzionat ramane

pe loc ca structura de sustinere. Dupa fiecare strat depus, platforma elevator coboara

piesa cu grosimea unui strat, si este depus urmatorul strat de pulbere. Cand forma este

complet construita, piesa este separata de pulberea suport. Pentru crearea formelor

“crude” se utilizeaza cateva tipuri de materiale care includ plastice, ceara si aliaje

metalice cu punct de topire scazut, dar si metale sau ceramice acoperite cu polimer.

Fuziunea directa a metalelor si ceramicelor (ex . pulberi neacoperite ) este de

asemenea investigata.

In timp ce ambele masini DTM si EOS sunt bazate pe aceeasi metodologie de

baza, exista diferente semnificative in implementare, incluzand modul de distribuire a

materialului. Masina DTM distribuie pulberea dintr-un cilindru spre un al doilea

cilindru adiacent in care este crescuta piesa; un tavalug este utilizat pentru a imprastia

si nivela pulberea. In sistemele EOS pulberea este imprastiata printr-un sistem duza

fanta iar capul este vibrat lateral.

Laminarea

Acum se comercializeaza doua sisteme SFF de tip laminare. Laminated Object

Manufacturing (LOM) este o metoda de laminare care a fost dezvoltata si

comercializata de Helisys Corporation (U.S.). LOM construieste forme cu straturi din

hartie sau plasic (Fig. 3.9a). Laminatele, care au un adeziv activat termic sunt lipite de

stratul precedent cu o rola incalzita. Un laser taie conturul sectiunii piesei pentru

fiecare strat. Apoi laserul taie in materialul ramas un model de hasura incrucisata, si

cum procesul se repeta hasura incrucisata creste sub forma de dale ca structura de

sustinere. Hasura incrucisata faciliteaza inlaturarea structurii de sustinere sub forma de

dale atunci cand piesa este completata. LOM construieste piese mari relativ rapid

deoarece este scanat numai conturul. LOM este investigat deasemenea de Helisys si

de University of Dayton pentru construirea formelor din straturi de ceramice si

compozitelor ranforsate utilizand banda turnata “cruda” ( ex foi de pulbere lipita);

Piesa finala trebuie ulterior sinterizata. Singurul sistem SFF nonfotolitografic care se

produce in Japonia este un sistem de laminare fabricat de Kira Corporation. In timp ce

metoda de constructie de baza a lui Kira este aceeasi cu cea utilizata de masina Helisys

LOM, masina Kira Solid Center (SC) (Fig. 3.9b) este implementata intr-o maniera

semnificativ diferita.

Masina SC utilizeaza hartie de tiparit standard care e alimentata in masina

utilizand o imprimanta laser conventionala. Imprimanta utilizeaza un toner adeziv

pentru a tipari conturul sectiunii transversale hasurat cat cat si un model de hasura

incrucisata de lipire pe fiecare bucata de hartie. O placa fierbinte lamineaza hartia pe

straturile precedente. Conturul sectiunii transversale este apoi taiat cu un cutit cu

carbura care este montat pe platforma rotitoare. Segmentele aditionale ale “planului

de separatie”a sectiunilor este deasemenea taiat pentru a facilita inlaturarea

materialului de sustinere.

Fig. 3.9. Sisteme de laminare.

Cavitatile interioare se formeaza greu cu sistemele de laminare descrise mai sus,

deoarece este dificil sa se inlature materialul de sacrificiu din regiunile interioare.

Pentru a corecta acest lucru Case Western Reserve University si CAMLEM, Inc.

(U.S.), au dezvoltat un sistem de laminare utilizand banda turnata cruda cu un

material de sustinere separat banda efemera. Fiecare sectiune este taiata individual cu

un laser si apoi stivuita pe pozitie. Banda efemera este apoi arsa in timpul procesului

final de calcinare.

Extrudarea

Extrudarea modelelor freeform a fost prima data dezvoltata si comercializata de

Stratasys, Inc. (U.S.). Aceasta metoda numita Fused Deposition Modeling (FDM),

depune un fir continuu de polimer termoplastic sau ceara printr-o duza incalzita

rezistiv (Fig. 3.10, stanga sus). Materialul este livrat sub forma de fir in capul de

extrudare si incalzit putin peste punctul de curgere astfel inacat sa se solidifice relativ

rapid dupa ce iese din duza. Este posibil sa se formeze parti atarnate scurte fara a

necesita suport explicit, totusi in general suportii expliciti sunt necesari. Acestia se

construiesc sub forma de pereti subtiri care pot fi usor indepartati dupa realizarea

completa.

Diferiti cercetatori din U.S., incluzand Rutgers University, Allied-Signal, Lone

Peak Engineering si Advanced Ceramics Research, exploreaza deasemenea utilizarea

FDM cu fire termoplastice sau bare care inglobeaza pulbere ceramica pentru a construi

preforme “crude”.

Fig. 3.10. Extrudarea in SFF.

Multiphase Jet Solidification (MJS) este un alt proces bazat pe extrudare (Fig. 3.10,

stanga jos). MJS a fost dezvoltat inpreuna de Fraunhofer Institutes for Applied

Materials Research (IFAM, Bremen) si Manufacturing Engineering and Automation

(IPA, Stuttgart) (comercializrea prin Fockele and Schwarze). MJS extrudeaza metal

sau pasta ceramica utilizand tehnologia de turnare sub presiune. Pasta care este un

amestec de aproape 50%de ceara si 50 %metal sau pulbere ceramica, e continut intr-

un vas incalzit si pompat printr-o duza atasata unui plunjer cu surub.

Ink-Jet Printing

Cateva procese SFF au folosit avantajele tehnologiei de tiparire cu jet de

cerneala pentru a tipari structuri in straturi. Primul proces care a demonstrat cu succes

“tiparirea” formelor a fost procesul Three-dimensional Printing (3DP) descris in Fig.

3.11a, care a fost dezvoltat la MIT ca o metoda de a crea preforme “crude” pentru

aplicatii de metalurgia pulberilor. Pot fi utilizate diferite materiale pulverulente. 3DP

este comercializata curent Soligen Corporation (U.S.) sub numele de Direct Shell

Production Casting (DSPC) pentru crearea formelor coji ceramice si a miezurilor

pentru aplicatii de turnare.

Fig. 3.11. Sistem3 bazate pe Ink-jet printing.

In 3DP, piesa este construita intr-un buncar care e legat de un piston care

coboara incremental piesa in interiorul buncarului.

Pulberea (ex. alumina) este distribuit dintr-un rezervor aflat deasupra buncarului, si un

tavalug este utilizat pentru a imprastia si nivela pulberea. Un cap de tiparire tip ink-jet

scaneaza suprafata pulberii si injecteaza selectiv un liant in pulbere. Liantul leaga

pulberea in acele zone definite de gometria sectiunii transversale. Pulberea neliata

devine material de sustinere. Cand forma este complet construita, structura cruda este

arsa, si apoi piesa este scoasa din pulberea neliata.

Utilizarea pulberilor metalice in 3DP este deasemenea explorata, cum ar fi otel

inoxidabil liat cu un liant polimeric.

Pentru marirea densitatii sunt uneori necesare infiltrari ulterioare ale matricei.

Alte procese utilizeaza tehnologia ink-jet pentru a depune direct materiale tinta

usor fuzibile. Ballistic Particle Manufacturing (BPM), care a fost dezvoltata si

comercializata de BPM Technology, Inc. (U.S.), utilizeaza un sistem de aruncare

piezoelectric pentru a depune particule microscopice de material termoplastic topit

(Fig. 3.11b). Ca si in cazul FDM si SLA, sunt necesare structuri de suport necesare

pentru elemente “neconectate”. Suportii sunt depusi ca un model perforat pentru a

usura inlaturarea. Capul de injectie BPM, este montat pe un mecanism de pozitionare

in 5 axe astfel incat elementele atarnate sa poata fi depuse fara suport, asa cum este

arata figura.

Sistemul Model Maker (Fig. 3.11c) de la Sander’s, Inc. (U.S.), utilizeaza atat

un termoplastic cu temperatura de topire redusa cat si separat o ceara drept material

de sustinere. In plus acesta incorporeaza un cutit de frezare pentru a aplatiza fiecare

strat la grosime precisa.

In alte dezvoltari comerciale, 3D Systems, Inc. (U.S.), tocmai a introdus un nou

sistem ink-jet de prototipare, “Multi-Jet Modeling,” (Fig. 3.11d), care utilizeaza un cap

de tiparire multi jet (cu 96 jeturi individuale) care depune un termoplastic cu

temperatura de topire redusa. Utilizand acelasi material structura de sustinere este

depusa ca structuri sub forma de ace subtiri. In alte eforturi de cercetare, Technical

University of Munich dezvolta un proces de tiparire tri-dimensional “modificat” care

injecteaza jeturi de liant rasina intaribila sub o sursa de lumina UV. De asemenea

cercetatori de la MIT si University of California, Irvine, dezvolta sisteme de injectie

pentru a depune aliaje metalice.

CAD si INTERFETE

Un sistem RP, Fig 4.1, se extinde dincolode masina (SFF) si include operatii

premergatoare “pre-operations”, cum ar fi pregatirea datelor geometrice, cat si operatii

de post procesare, cum ar fi intarirea finala, inlaturarea structurilor suport, si curatirea.

La opreatiile premergatoare accentul este pus pe elementele care afecteaza

forma piesei ( interfetele de date (2D, 3D) ale masinii SFF; modul de reprezentare

matematica a datelor geometrice (prin triunghiuri) si fisiere STL) si pe modificarile

necesare ce se aduc modelului geometric initial, orientare, scalare, multiplicare,

compensarea distorsiunilor, structuri suport. Acest model “pregatit” este utilizat apoi

la generarea comenzilor de control a miscarii in cadrul echipamentului ( scanare,

feliere).

Fig. 4.1. Sistemul de prototipare rapida

Figura 4.2 prezinta cele 5 elemente de baza ale masinii RP care afecteaza forma

obiectului creat: (1) crearea datelor, (2) formatele uzuale de schimb de date, (3)

validitatea geometrica a modelului si repararea acestuia, (4) compensarea, si (5)

structurile suport.

Fig. 4.2. Elemente RP care afecteaza forma .

Crearea datelor

Primul pas in orice proces RP este crearea datelor geometrice, fie ca solid 3D

intr-un program CAD, fie ca set de sectiuni 2D de la un dispozitiv de scanare. In

fiecare caz datele trebuie sa reprezinte un model geometric valid; suprafata

inconjuratoare sa delimiteze un volum finit, suprafata sa nu prezinte gauri si nici

indoituri peste ea insasi ( adica zone de grosime 0). Chiar si modelele tip coaja au un

volum finit. Modelul este valid daca pentru orice punct din spatiul 3D se poate

determina in mod unic daca se afla in interiorul sau in afara suprafetei inconjuratoare a

obiectului.

Daca se furnizeaza masinii SFF date privind contururi 2D, aceste informatii

implicite trebuie sa fie suficiente pentru definirea unui volum 3D valid.

Formate de schimb de date

Din ratiuni de competitivitate de piata si de prformanta, sistemele CAD

utilizeaza o mare varietate de formate de transfer de date. Pentru a face fata acestei

varietati fabricantii de masini SFF au impus ca toate modelele geometrice sa fie

exprimate intr-un format neutru urmand ca producatorii de software CAD sa furnizeze

postprocesoare pentru translatarea reprezentarilor CAD proprii in formatul neutru.

Drept format neutru a fost ales formatul STL.

Validarea si repararea modelului

Tebuie precizat ca, post-procesoarele CAD de fapt aproximeaza modelul

geometric CAD (e.g., B-splines) prin figuri geometrice simple (triunghiuri),

reprezentate matematic intr-un format dat: STL. Daca aceasta opratie de aproximare

nu e facuta precis poate duce la anomalii geometrice. Ca urmare multe masini SFF

dispun de software de verificare a validitatii modelelor. In cazul detectarii unor erori

modelul trebuie reparat. acest lucru se poate face manual sau automat cu ajutorul unui

software adecvat.

Chiar si in cazul modelelor valide sunt necesare o serie de operatii geometrice:

orientare, scalare in raport cu spatiul de lucru al masinii, multiplicare.

Compensarea

Forma modelului trebuie alterata pentru a compensa anomaliile fizice care apar

pe parcursul desfasurarii procesului de fabricare (contractii, deformari, rasuciri).

Structurile support

Structurile sport sunt absolut necesare in procesele bazate pe lichid pentru a

sustine partile suspendate sau in consola sau pentru a fixa piesa pe platforma de

constructie. Exista software care pot genera automat structuri suport in vederea

minimizarii consumului de material.

In cazul pieselor foarte precise trebuie facute iteratii avand in vedere ca

structurile suport pot modifica conditiile de compensare stabilite anterior.

Reprezentarea matematica prin fatete triunghiulare

S-a ales reprezentarea prin cele mai simple suprafete fateta triunghiulara.

Aproximarea consta in impartirea suprafetei originale in triunghiuri interconectate.

Reprezentarea datelor

Schema simpla de reprezentare a unui solid este sa se reprezinte suprafata ca o

secventa de suprafete elementare (triunghiuri). Un element triunghiular e reprezentat

ca o secventa de trei varfuri (vertex) si vectorul normalei spre exterior definit conform

regulei mainii drepte in raport cu secventa de vertexuri (Fig.4.3). Aceasta reprezentare

poarta numele de format STL si a fost introdusa initial de 3D Systems, Inc., in 1988.

Ulterior a devenit formatul standard pentru transferul modelelor geometrice pentru

masinile SFF.

Fig. 4.3. Forma geometrica utilizata in formatul STL.

Desi multi fabricanti de masini SFF ofera si formate proprii (Fig. 4.4), toti

accepta si formatul standard STL.

Fig.4.4. Formate de schimb de date pentru masini SFF.

Gramatica STL

solid [part name]

facet normal value value value

outer loop

vertex value value value

vertex value value value

vertex value value value

endloop

endfacet

...

endsolid [part name]

Fig. 4.5 arata o serie de erori in triangularizarea unui model: fatete omise ceea

ce creaza gauri in suprafata, conectari gresite intre suprafete adiacente cu curburi

diferite.

In formatul STL fiecare triunghi este definit independent astfel incat fiecare

vertex este definit de mai multe ori. Datorita unor erori numerice este posibil ca

muchii adiacente ale unor triunghiuri sa fie definite de vertexuri diferite.

Fig. 4.5. Cauze tipice de erori.

Unele anomalii pot apare deoarece proiectantii nu au in vedere sau nu cunosc modul

de procesare a modelului creat. Modelele solide complexe sunt create adesea prin

alipirea unor solide ceea ce duce la aparitia unor suprafete coincidente (Fig. 4.5). In

modelul CAD aceasta nu deranjeaza dar pentru piesa realizata RP poate cauza rupturi

sau deformatii.

Notiuni privind constructia masinilor RAPID PROTOTYPING

SCHEME DE CLASIFICARE

Exista diverse scheme de clasificare a masinilor RP bazate pe fizica proceselor

de prototipare sau pe modul de operare al masinilor. Schema de clasificare din fig. 1

abordeaza principiile de operare a masinilor RP in ceea ce priveste realizarea imaginii

sectiunilor ce trebuie create. Cele 2 axe ale matricii reprezinta Strategia de realizare a

imaginii si respectiv Mecanismul de realizare a imaginii.

Fig. 5.1. Matricea clasificarii schemelor utilizate la realizarea masinilor RP.

Strategia de Imagine

Strategia de Imagine, axa orizontala in Fig. 1, reprezinta modul de a defini

imaginea sectiunii unui singur strat si este analoaga definirii imaginii in tiparirea

grafica 2D. Un mod de abordare este sa utilizam o imagine raster creata ca o serie de

linii cointinue paralele. Aceasta metoda este utilizata in crearea imagini TV si este

deasemenea la monitoareale CRT ale calculatoarelor.

Metoda alternativa este sa desenam conturul imaginii cu o miscare vectoriala, ilustrata

prin sageti in Fig. 2. Interiorul poate fi umplut in sistem raster sau mai uzual cu un

model de hasurare. Acest sistem e utilizat de plotterele plane. Diferentele intre aceste

sisteme se reflecta in viteza de lucru si precizie. Sistemul raster este mai rapid

deoarece nu se fac schimbari de directie si ofera posibilitatea lucrului cu capete

multiple care se deplaseaza paralel. Totusi sistemul rster produce contururi

aproximative cu erori de discretizare mai ales pe marginile inclinate fata de directia de

deplasare raster.

Acesta situatie este inlaturata prin sistemul vector care insa este mai lent.

Fig. 5.2. Doua abordari ale strategiei de imagine pentru un strat.

Mecanismul de imagine

Axa verticala din Fig. 5.1 prezinta tipurile de mecanisme de imagine utilizate la

definirea geometriei 3D a piesei. In primul caz imaginea sectiunii 2D este realziata

utilizand sisteme optice ( 2 axe optice), iar a treia axa este realizata cu sisteme

mecanice. Cele mai utilizate sisteme optice folosesc tehnica oglinzilor galvanometrice

pentru devierea unei raze laser. In al doilea caz, toate cele trei axe sunt deservite de

sisteme mecanice. De exemplu pentru definirea geometriei sectiunii (axele x-y ) se

utilizeaza un sistem de indexare mecanic iar pentru deplasare pe a treia axa (z) un

piston care se deplaseaza pe verticala.

Grupul 1: LASER/OGLINZI

Cele mai multe tipuri masini RP folosesc un laser care scaneaza sectiunea

folosind oglinzi galvanice. Sunt folosite ambele sisteme de imagine vector si raster dar

predomina sistemele vector din considerente amintite anterior. Sistemul de imagine

cuprinde un laser, lentile de focalizare, si un sistem de oglinzi galvanice cu 2 axe de

rotatie, Fig. 5.3.

Fig. 5.3. Schema sistemului de imagine cu 2 axe optice.

Performantele sistemului de scanare limiteaza performantele masinilor RP. De

aceea o serie de producatori prefera sa isi creeze propriile sisteme si nu sa foloseasca

sisteme existente pe piata.

Tabelul 5.1 prezinta date despre acuratetea si viteza unor sisteme de scanare bazate pe

oglinzi galvanice.

Tabelul 5.1 Sisteme de scanare cu oglinzi galvanice

Masina Viteza de scanare Acuratete

3D Systems SLA500, 350 5 m/s ±50 microni

CMET all mirror machines 5 m/s ±50 microni

Teijin Seiki all machines 15 m/s ±12.5 microni

EOS Stereos 2 m/s ±50 microni

DTM Sinterstation 2000 2 m/s ±50 microni

EOS Eosint S 700* 2.5 m/s ±100 microni

* Masina are doua lasere si doua sisteme de scanare care opereaza impreuna pentru a

construi piese mari sau multiple piese mai mici.

Trebuie mentionat ca acuratetea finala a piesei depinde atat de echipament cat si

de materialul din care este construita piesa.

Constanta marimii spotului

In cele mai multe sisteme se utilizeaza o lentila convergenta plasata inaintea

sistemului de oglinzi pentru a concentra raza laser. In acest mod spotul va fi focalizat

pe o suprafata sferica si nu pe suprafata de lucru plana. Din acest motiv spotul va fi

neuniform (mai concentrat in zona centrala si mai mare in zonele departate de centru.

Fig. 5.4. Modificarea marimii spotului pe suprafata cuvei la sistemele cu oglinzi

galvanice (sus) si sitemul optic cu lentile de compensare cu camp plan (jos).

Pentru compensarea acestui efect se poate lua urmatoarele masuri:

- Cresterea drumului optic prin utilizarea unor lentile cu distanta focala mare si

micsorarea unghiului de deflexie (examplu SLA 500 si SLA 350 de la 3D

Systems).

- Modificatrea drumului optic prin utilizarea unor lentile cu distanta focala

variabila in functie de punctul in care cade raza laser (mai mica in mijloc si mai

mare catre margine) Fig. 5.4 . Aceste sisteme sunt mai scumpe si sunt utilizate

doar de producatorii CMET si EOS

Pornirea si oprirea

La pornire laserul porneste la puterea maxima iar la oprire puterea cade

instantaneu la 0. Sistemele de oglinzi galvanice au totusi inertie ceea ce face ca in

perioadele de inceput si sfarsit ale miscarii spotul sa intarzie mai mult pe aceste zone

efectul acestuia fiind mai puternic.Fig. 5.5.

Fig. 5.5. Efectul acelerarii si decelerarii spotului la pornire/oprire .

Solutii pentru diminuarea acestui efect:

- 3D Systems si Teijin Seiki utilizeaza un modulator acousto-optic (AOM) care

reduce puterea laser pe durata acelerarii si decelerarii.

- D-MEC utilizeaza un modulator de lumina de mare viteza “high-speed light

modulator”.

GRUPUL 2: TOATE AXELE MECANICE

Acţionarea mecanică.

Multe masini RP utilizeaza 3 axe mecanice (Fig. 5.6.)

Se foloseste o varietate larga de tehnologii mecanice de pozitionare fara sa existe una

predominanta. In general se utilizeaza sisteme electromecanice nu hidraulice sau

pneumatice. Multe masini au abordari diferite pentru cele 3 axe. De exemplu sistemul

de reacoperire la o masina de stereolitografie poate fi actionat cu cablu in timp ce

deplasarea pe verticala se face cu un sistem cu surub. Controlul miscarii se face cu

motoare pas cu pas, cu servomotoare cu indexare rotativa sau liniara.

În general, instituţiile de cercetare au tendinţa de a cumpăra ansambluri integrate de

mişcare pentru maşinile lor RP, in timp ce societaţiile comerciale cumpara adesea

organe de maşini şi isi construiesc sisteme personalizate. Pentru unii furnizori, această

abordare este dictată de cost, pentru alţii, este dictată de considerente de performanţă.

Fig. 5.6. Masini cu toate sistemele mecanice

Livrarea materialului

Un subset important de maşini RP cu toate axele-mecanice au o caracteristica in

comun aceea de a livra material. Dispozitivul utilizat pentru a livra material este in

general o parte critică a acestor tehnologii şi de multe ori încorporează dezvoltari

proprii ale constructorilor maşinilor.

• În FDM, practicat de Stratasys, capul de extrudare trebuie să livreze materialul la o

temperatură bine definita, în scopul de a permite lipirea menţinând în acelaşi timp

forma extrudatului. Mai mult, controlul lăţimii de "drum" este fundamental pentru

controlul dimensional al procesului.

• În BPM şi în 3D printing, capetele de imprimare cu jet de cerneală, care sunt

folosite pentru a livra material determina geometria componentului. BPM adaugă

necesitatea de a controla cu precizie temperatura picăturilor de material, astfel încât

ele sa fuzioneaze în mod corespunzător cu piesa. În 3D Printing, pentru a profita pe

deplin de capacitatea procesului de a imprima materiale diferite în diverse locaţii, este

necesară dezvoltarea unui cap de imprimare care sa poata suporta o gama larga de

lianti.

• În cadrul procesului de LENS (Laser Engineered Net Shaping), în Laser Generated

RP, şi în alte tehnici similare, tehnologia utilizată pentru a furniza pulbere in baia

topita menţinută de laser este esenţială pentru realizarea propertatilor dorite ale

materialului, cat şi la realizarea controlului dimensional pe axa z.

• În Shaped Deposition Manufacturing (SDM), duza de depunere este esenţială

pentru realizarea proprietăţilor dorite ale materialului.

Masini bazate pe utilizarea foliilor

Clasa de masini care construiesc din materiale tip folie este un subset al tipului

“toate axele mecanice”. Desi exista maşini cu foi care creaza imaginile optic, natura şi

viteza dispozitivelor folosite pentru a taia conturul foii sugerează că o abordare de

tipul “toate axele mecanice “ este, probabil, mult mai potrivită. Majoritatea

dispozitivelor de tăiere utilizate in prezent sau luate în considerare sunt fie destul de

masive sau necesita o forţă de interacţiune cu foaia.

Excepţia face tăierea cu laser, dar în acest caz, vitezele de taiere sunt mici în

comparaţie cu scanarea imagini într-o cuvă stereolitografie, astfel incat chiar si

acţionarea mecanică poate fi folosita în acest regim de funcţionare.

Tabelul 2 rezumă contrastul interesant între două abordări diferite de a construi

cu hârtie ca materie prima, aşa cum se practică în procesul de Helisys LOM şi în

procesul SAHP de la Kira (adeziv selectiv şi presare la cald), care este prezent unele

configuraţii de masini din Japonia.

Tabelul 5.2

LOM/Helisys versus SAHP/Kira

LOM SAHP

Work area 500 x 760 mm 280 x 400 mm

Paper supply Paper roll Plain paper

Lamination method Hot roller Hot press

Adhesive application Preapplied to roll Selective laser

Paper cutting CO2 laser Knife plotter

Work environment Lab or shop floor Office

Masinile LOM pot face piese destul de mari dintr-o rolă de hârtie ca materie

prima. În LOM adezivul este pre aplicat pe rola de hartie si un nou strat se adaugă la

teancul de laminare cu ajutorul unei role calde. Un laser este folosit pentru a taia foaia.

Utilizarea laserului restrânge acest proces la un laborator sau atelier. Punctul forte al

maşinii SAHP este că asamblează sisteme de imagine disponibile pe piaţă într-un

mediu de birou. Maşina lucreaza cu coli hârtie tăiate şi se aplică selectiv adeziv cu o

imprimantă laser. După laminare la cald, foaia este tăiata cu un plotter cu cuţit cu

ajutorul unui cuţit din carburi. Slăbiciunea principala a maşinii SAHP este faptul că

este limitata în mărime de necesitatea de a achiziţiona o imprimantă laser comercială,

şi designeri Kira sustin că nu au intenţia de a merge dincolo de marimea curenta a

maşinii lor. Limitări minore includ necesitatea de a înlocui periodic cuţitul, şi faptul că

hârtia folosită este sensibila la umiditate. Atât LOM şi SAHP are o limitare de baza si

anume ca sistemul de imagine sa actioneze perpendicular pe foaie material. Un alt

mod de abordare este de a taia foaia cu margini inclinate, pentru a reduce efectul de

scara. Lucrările de la Case Western Reserve din Statele Unite exploreaza taierea cu un

laser in 4 axe. Cele mai multe din lucrari a fost făcute cu o bandă ceramica turnata

(foaie din particule ţinute împreună de un liant polimer). În acest caz, foaia este intai

tăiată şi apoi stivuita. Ar fi dificil de imaginat cum ar putea fi stivuite şi apoi tăiate

conic , deoarece taierea inclinata ar fi dificil de controlat cu precizia necesara.

Lucrarile începute la MIT şi continuate la Rensselaer Polytechnic Institute exploreaza

metode alternative de tăiere a foilor de metal in 4 axe, incluzand taiere cu laser, cu jet

de apă, şi tehnici de prelucrare prin aschiere.

GRUPUL 3: Procesarea Termica

O ultima clasa largă de maşini are în comun proprietatea că prelucrarea termică

joacă un rol important in timpul procesului de RP. Acest rol de prelucrare termică este

crucial, pentru:

(1) generarea de tensiuni termice în piesa in timp ce aceasta este formată,

(2) realizarea proprietăţilor fizice dorite ale piesei.

Proiectarea echipamentului utilizat pentru a efectua controlul termic este adesea

unul dintre cele mai dificile aspecte ale acestor procese. În FDM, a fost deja observat

că controlul temperaturii extrudatului este critic. În plus, controlul temperaturii în

atmosfera din jurul piesei s-a dovedit a fi important în controlul deformarii piesei. În

mod similar, în sinterizarea laser controlul temperaturii mediului şi pulberii este

crucial pentru controlul tensiunilor reziduale şi distorsiunilor. Acest control este

deosebit de dificil, deoarece patul de pulbere trebuie să fie ţinut la o temperatură

ridicată, astfel încât să se reducă cat mai mult generarea de tensiuni. În procesele care

lamineaza foi, cum ar fi cu rola fierbinte la LOM şi presarea la cald la SAHP, aceste

laminatoare trebuie proiectate, astfel încât să reducă la minimum crearea de tensiuni.

Acesta a fost un concept major in proiectarea maşinilor. Deasemenea in SDM,

minimizarea tensiunilor introduse atunci când se aplică a un nou strat de material este

un aspect important ce trebuie luat in considerare la proiectarea masinii.

PROTOTIPAREA RAPIDA DIN MEDIU LICHID (SOLIDIFICAREA

FOTOPOLIMERILOR )

Stereolitografia

Primul procedeu de RP care a fost realizat comercial este Stereolitografia.

Acesta utilizeaza un laser sau lumina ultravioleta pentru a intari un monomer lichid

fotosenzitiv (pe baza de acrilat). Piesa este construita strat cu strat din polimerul

solidificat. Tehnologia a fost dezvoltata in forma actuala prin studii independente

efectuate de echipe de cercetare din Franta, SUA si Japonia.

Fig. 6.1 Primul sistem stereolitografic functional inventat de Chuck Hull. Photo circa 1986.

Initial stereolitografia, a fost utilizată doar pentru realizarea de prototipuri, în

zilele noastre însă este utilizată chiar şi pentru realizarea de piese finite.

Stereolitografia este una din cele mai larg raspandite tehnici RP si a devenit o metoda

standard de prototipare atat in mediul industrial cat si medical. SL este considerata in

general o metoda RP care asigura cea mai mare acuratete si cea mai buna finisare a

suprafetei dintre toate tehnologiile RP.

In 1985 firma 3D Systems a obtinut primul patent U.S. pentru un sistem

denumit StereoLithography Apparatus (SLA) , Fig. 6.1, iar in 1989 livra primul astfel

de aparat. In prezent exista mai multi producatori de masini RP bazate pe principiul

stereolitografiei. Mult timp stereolitografia a fost principala tehnologie RP. Până în

anul 1994, 29 de ţări au cumpărat astfel de instalaţii, numărul maşinilor vândute

crescând în fiecare an cu peste 25%. In 1994 erau in functiune peste 400 de masini de

stereolitografie care acopereau cam 75% din piata mondiala in domeniul prototiparii

rapide.

Principiul stereolitografiei

Ca la toate procedeele de realizare in straturi a pieselor (SFF), prima etapa

consta in generarea unui model solid 3D al piesei utilizand metode CAD. De

asemenea, trebuie proiectate structurile de sustinere astfel incat sa acestea fixeze piesa

pe platforma de constructie pe durata fazelor de construire si sa previna deformarea

sau ruperea partilor in consola. Apoi fisierul CAD trebuie transformat intr-o

reprezentare triangulata a frontierelor si transferat in calculatorul acesteia. Acest tip de

fisier pe care masina SLA il intelege este cunoscut ca fisier STL. Softul SLA feliaza

apoi modelul STL al piesei cat si al suportului, generand o serie de sectiuni

transversale care descriu straturi orizontale.

Principiul de lucru cel mai des utilizat pentru masinile de stereolitografie este

prezentat in figura 6.2. Procesul de generare a piesei se desfasoara intr-o cuva (B)

umpluta cu rasina lichida fotopolimerizabila (C). Acest material are proprietatea ca

atunci cand lumina de o anumita culoare (lungime de unda) cade pe acesta el, isi

schimba starea din lichid in solid. Materialele de tip fotopolimer obisnuite necesita

pentru polimerizare lumina din spectrul ultraviolet dar exista si rasini fotopolimer care

lucreaza in spectrul vizibil. Masa mobila denumita si elevator (A), este plasata initial

intr-o pozitie imediat sub suprafata lichidului din cuva. Pentru a impiedica scaparile de

vapori de rasina intregul sistem este etansat.

Fig. 6.2. Principiul aparatului de stereolitografie

O raza laser este deplasata pe suprafata lichidului fotopolimer pentru a trasa

geometria sectiuni transversale a obiectului ce trebuie creat. Aceasta duce la intarirea

zonelor atinse de raza laser. Raza laser este deplasata in plan pe directiile x-y cu

ajutorul unui sistem de scanare (D). Acesta este consituit cu ajutorul unor motoare de

viteza mare care directioneaza sistemul de oglinzi in functie de informatiile din

modelul CAD. Desenul exact urmat de raza laser este o combinatie a informatiilor

continute in modelul CAD care descrie geometria obiectului si informatiile legate de

procesul de fabricare RP continute in softul masinii care optimizeaza caracteristicile

de fabricare a obiectului. Desigur softul de aplicatie pentru fiecare metoda RP

modifica datele CAD in asa fel in cat sa asigure operarea masinii si sa compenseze

erorile. Dupa ce un strat este complet trasat si in mare parte intarit de catre raza laser

masa este coborata in cuva cu o distanta egala cu grosimea unui strat. Grosimea

straturilor utilizate de obicei, variaza intre 0.02 si 0.2mm. Proprietatile autoadezive

ale materialului fac ca straturile sa se lipeasca unul de altul si eventual sa formeze un

obiect tridimensional complet dupa ce mai multe astfel de straturi sunt formate.

Pentru a obtine viteze mai mari de constructie si o buna calitate a suprafetei

masinile SLA utilizeaza strategii speciale de expunere. De obicei conturul exterior

al regiunii ce trebuie solidificata este expus intr-un singur pas (fromtiere). In pasii

urmatori regiunile interioare sunt expuse separat (hasurare).

Rasina este in general destul de vascoasa. Pentru a accelera procesul de

reacoperire primele aparate de stereolitografie foloseau un cutit (E) care trecea peste

suprafata lichidului pentru a o netezi. Alte sisteme folosite recent utilizeaza sisteme de

pompe comandate pentru reacoperire.

Pasii de trasare si reacoperire sunt repetati pana cand obiectul este complet

fabricat fiind complet imersat in cuva.

Unele geometrii de obiecte prezinta elemente in consola sau atarnate, care in

anumite sectiuni nu sunt legate de corpul de baza. Acestea trebuie sustinute pe

parcursul procesului de fabricatie. Structurile de sustinere pot fi proiectate manual sau

automat. Ele se realizeaza in cadrul masinii SLA o data cu obiectul (strat cu starat).

Dupa terminarea procesului de fabricare obiectul este ridicat cu ajutorul

elevatorului din cuva si uscat. Excesul de rasina este inlaturat manula de pe suprafata

obiectului. In vederea unei intariri finale obiectul este adesea tratat cu ajutorul unui

aparat cu raze UV de intensitate ridicata asemanator unui cuptor (Post-Curing

Apparatus). Unele rasini si aparate de stereolitografie nu necesita aceasta operatie.

In final structurile suport sunt inlaturate si eventual suprafetele sprijinite sunt

finisate pentru a inlatura urmele acestora. In cazul in care se doreste obtinerea unor

suprafete fara urmele specifice rezultate din prelucrarea stratificata se poate face o

finisare finala a obiectului. Aceasta se poate face prin slefuire sau sablare. Aceasta

faza poate fi mare consumatoare de timp deoarece o finisare buna trebuie obtinuta fara

a afecta dimensiunile geometrice ale piesei prin inlatutrarea unor cantitati cat mai mici

de material. O alta metoda de a inbunatatii aspectul piesei este vopsirea. Prin vopsire

suprafata se netezeste si capata un aspect placut. In acest fel se pot obtine suprafete de

calitate superioara.

Stereolithography Apparatus

Figura 6.3: Stereolithography Apparatus

Componentele principale ale masinii de stereolitografie sunt (Fig. 6.3):

- Cuva cu fotopolimer lichid

- Platforma de sustinere elevator

- Lama de reacoperire

- Unitatea laser

- Sistemul de deflexie

Fig. 6.4 Fazele constructiei. Secvenţa de operaţii

Ca mod de constructie piesa se construieste incepand de la baza catre partea

superioara. Astfel in pozitia initiala elevatorul este asezat imediat sub suprafata

lichidului la distanta egala cu grosimea unui strat de aceasta.Primul pas la constructia

fiecarui strat este sa se regleze nivelul rasinii pentru a compensa contractia volumica

datorita intaririi stratului precedent.Urmatorul pas este scufundarea (deep-dip).

Platforma este coborata sub suprafata lichidului asfel in cat acesta sa acopere

suprafetele nou create (lichidul de pe margini invadeaza zona mai joasa solidificata).

Acest pas este foarte important pentru rasinile vascoase si piesele cu suprafete

orizontale mari. In urmatoarea faza piesa este ridicata astfel incat stratul solidificat sa

se afle sub suprafata rasinii lichide la distanta egala cu grosimea unui strat de lama de

reacoperire. Aceasta duce la minimizarea cantitatii de rasina in exces pe care lama de

acoperire trebuie sa o inlature atunci cand trece pe deasupra suprafetei lichidului din

cuva. In final platforma coboara din nou astfel in cat sa aduca nivelul stratului

reacoperit la nivelul suprafetei libere a rasinii din cuva. Urmeaza o scurta pauza in

scopul reducerii efectului tensiunii de suprafata care poate duce la formarea de cute

deasupra profilului acolo unde stratul de reacoperire a sectiunii create anterior

intalneste lichidul din cuva.

In faza urmatoare raza laser controlata de sistemul de oglinzi defectoare,

scaneaza conturul sectiunii noului strat (vector scaning). Laserul initiaza reactia de

fotopolimerizare ceea ce duce la intarirea zonei expuse. Puterea laserului marimea

spotului si viteza de scanare sunt calibrate in functie de grosimea stratului astfel in cat

rasina sa fie intarita pe o adancime suficienta in cat sa adere la stratul precedent. Daca

stratul este un strat orizontal final fie de dedesubt fie un strat de deasupra el trebuie

solidificat complet (skinned) prin scanarea tip raster a intregii sectiuni. In celelalte

cazuri pentru straturile interioare se poate opta pentru o hasurare incrucisata a sectiunii

ceea ce permite creerea unei structuri celulare tip fagure in care rasina lichida ramane

captiva. Acest procedeu permite scurtarea duratei de scanare a sectiunii. Lichidul

captiv este intarit ulterior in pocesul de post procesare in cuptorul cu ultraviolete.

Aceasta succesiune de pasi se repeta pentru fiecare strat pana la construierea intregii

piese.

Piesa realizata astfel partial polimerizata (piesa cruda) este ridicata din cuva cu

ajutorul elevatorului permitand astfel rasinii neintarite sa se scurga. Inlaturarea finala

a urmelor de rasina se face cu ajutorul unui solvent. Piesa este apoi procesata final

intr-un cuptor cu UV pentru a intarii lichidul captiv si a aduce piesa la rezistenta

finala.

Pe masura ce fotopolimerul trece din starea lichida in stare solida el devine mai

dens si se contracta. Aceasta poate cauza fenomene de deformre a noului strat dupa

aderarea la stratul precedent. Marginile stratului solidificate initial isi pastreaza

grosimea in timp ce zona interioara solidificata mai tarziu se subtiaza datorita

contractiei (fenomen asemanator formarii retasurii la turnarea metalelor). Dezvoltarea

unor rasini fotopolimer cu o contractie la solidificare mai redusa decat rasinile de tip

acrilat folosite la inceput pe scara larga au dus la diminuarea acestui fenomen.

Piesele realizate prin stereolitografie pot suferi deformari datorate unor tensiuni

interne neuniforme care la randul lor sunt datoate modului de realizare stratificata a

piesei sau modului de scanare a sectiunilor. Pentru a minimiza acest efect directia de

hasurare este rotita cu 90 de grade intre doua straturi consecutive.

Timpul de constructie a obiectului este micsorat prin hasurarea incrucisata a

straturilor in loc de acoperirea completa a intregii sectiuni. Pe de alta parte deoarece o

mare parte din rasina ramasa captiva se intareste simultan in cuptorul UV, riscul de

aparitie a deformatiilor si porozitatilor creste. Totusi intarirea completa cu laser nu

este benefica. Metoda de hasurare incrucisata permite pe de o parte scurtarea timpul

de procesare iar pe de alta parte rasina neintarita dispersata in interior duce la

dispersarea tensiunilor interne si in final la micsorarea riscului de deformare.

Orientarea modelului în timpul construirii lui este foarte importantă. În general,

orientând modelul cu dimensiunea cea mai mare vertical, vom avea nevoie de mai

multe straturi si respectiv un timp de realizare mai lung desi durata de realizare a unui

strat e mai mica. Orientând modelul cu dimensiunea maxima orizontal, se scurteaza

timpul de realizare deoarece vom avea nevoie de mai putine straturi.

Pentru a obţine o mai bună estetică a modelului acesta poate fi vopsit.

În timpul fabricaţiei, dacă extremităţi ale piesei sunt prea slabe, poate fi necesar

utilizarea de suporţi care să susţină modelul. Suportul poate fi generat de programul

care crează straturile, suporturile fiind utilizate doar în procesul fabricaţiei.

Următoarele figuri arată utilizarea suporturilor:

Fig 6.5. Utilizarea suportilor

S L A 7 0 0 0 S y s t e m S p e c i f i c a t i o n s

L A S E R

Type Solid state frequency tripled Nd:YVO4

Wavelength 354.7 nm

Power at vat 800 mW

R E C O AT I N G S Y S T E M

Process Zephyr™ recoating system

EXACT™ build style 0.076 mm (0.003 in) *

QuickCast™ build style 0.101 mm (0.004 in) *

FAST™ build style 0.127 mm (0.005 in) *

Thin Layer™ build style 0.025 mm (0.001 in) *

O P T I C A L & S C A N N I N G

Beam (diameter @ 1/e2) Small spot 0.23 - 0.28 mm (0.009 - 0.011 in)

Large spot 0.685 - 0.838 mm (0.027 - 0.033 in)

Maximum part drawing speed Small spot 2.54 m/sec (140 ips)

Large spot 9.52 m/sec (525 ips)

E L E VAT O R

Vertical resolution 0.001 mm (0.00004 in)

Position repeatability ± 0.01 mm (0.0004 in)

Maximum part weight 68 kg (150 lb)

VAT C A PA C I T Y

(Note: Other vat sizes available)

Volume 253.6 L (67 U.S. gal)

Maximum build envelope 508 x 508 x 584 mm XYZ (20 x 20 x 23 in)

Interchangeable vat Yes

S Y S T E M C O N T R O L L E R

& S O F T W A R E

Control software Buildstation software

Operating system Windows NT (4.0)

Input data file format .stl .slc

Network type and protocol Ethernet, IEEE 802.3 using TCP/IP and NFS

* Dependent upon part geometry, build parameters and material.

CUM LUCREAZA?

Exisata mai multe aplicatii industriale care utilizeaza tehnica SL. Cea mai

reprezentativa este SLA de la 3D Systems. Ea consta in 4 componente principale:

calculatorul de feliere, calculatorul de control, camera de proces si unitatea laser.

Calculatorul de feliere citeste modelul CAD triangulat si il taie in straturi subtiri in

concordanta cu parametrii procesului. Intrarea pentru calculatorul de feliere este de

obicei un fisier CAD generat pe un calculator sau statie de lucru (fisier .STL) iar

rezultatul un fisier .SLI. Apoi calculatorul de control citeste fisierul (.SLI) generat de

calculatorul de feliere si controleaza miscarile dispozitivelor masinii (elevator,

razuitorul, oglinzile, etc.) in timpul prelucrarii.

Camera de proces este "inima" sistemului. Aici se afla cuva cu lichid

fotopolimer in care se va generea obiectul. Initial elevatorul este pozitionat la o

distanta de suprafata lichidului egala cu grosimea primului strat. Raza laser va scana

suprafata urmarind conturul feliei. Cand raza laser a "scris" complet primul strat

elevatorul este deplasat in jos si urmatorul strat este realizat la fel ca primul.

Deoarece piesa este realizata in mediu lichid si interiorul piesei contine lichid,

este necesar sa se adauge structuri suport. Ele sunt utilizate pentru sustinerea pieselor

in pozitie in timpul constructiei straturilor si pentru mentinerea integritatii structurale a

obiectului. deasemenea structurile suport leaga piesa de platforma elevatorului (o

placa de otel perforata).

In final piesa este scoasa din cuva si intarita complet intr-un aparat special UV de

intarire finala.

Alte sisteme de Stereolitografie

Tehnologii similare celei dezvoltate de 3D Systems sunt utilizate la constructia

catorva sisteme de stereolitografie disponibile in prezent.

Masina SOMOS a fost dezvoltata de Du Pont si licentiata la Teijin Seiki.

Sistemele Sony Solid Creation System (SCS) includ modelle pentru piese de

dimensiuni mari, (dimensiuni cuva 40x32x20").

Evaluarea Stereolitografiei

Avantaje

- Stereolitografia este considerate ca fiind procedeul RP cu cea mai mare

acuratete si cea mai buna finisare a suprafetei .

- rasinile dezvoltate recent permit fabricarea unor piese cu proprietati mecanice

comparabile cu ale materialelor plastice utilizate industyrial.

- in cazurile in care rasinile SLA nu pot atinge parametrii mecanici necesari

modelele SLA pot fi folosite la turnarea unor piese prin procedee clasice

Dezavantaje

- Necesitatea structurilor support. Dupa ce piesa este scoasa din masina aceste

structuri trebuie inlaturate.

- datorita contractiei la polimerizare se pot acumula tensiuni interne care poat

duce la deformari ulterioare. Fenomenul a putut fi diminuat prin utilizarea unor

fotopolimeri noi sau adoptarea unor strategii de constructie avansate.

- SLA poate procesa doar fotopolimeri sau fotopolimeri infiltrate cu pulberi

ceea ce limiteaza gama de materiale.

Lucrarile de cercetare continua sa furnizeze materiale cu proprietati mecanice

superioare.

SISTEME RP BAZATE PE PULBERI THREE-DIMENSIONAL PRINTING

3D printing (Three Dimensional Printing) este un proces care a fost dezvoltat

initial la MIT(Massachusetts Institute of Technology ) pentru a produce prototipuri si

piese direct din modele CAD . MIT vandut licenta 3DPTM

catre 6 companii

ExtrudeHone, Soligen, Specific Surface Corporation, TDK Corportion, Therics, Z

Corporation. A fost licentiat de Soligen.Acest procedeu a fost prima data comercializat

de firma Z Corporation.

3D printing este bazat pe lipirea selectiva a particulelor de pulbere prin

infiltrarea lor cu un liant polimeric care este depus (tiparit) utilzand tehnologia inkjet.

Procedeul Three Dimensional Printing are o flexibilitate deosebita. Poate crea piese cu

orice geometrie dintr-o gama larga de materiale care includ: ceramice, metale,

polimeri si compozite.

Descrierea principiului

In tehnologia 3D printing (Figura 7.1), un material sub forma de pulbere este distribuit

la un moment dat sub forma unui strat uniform si apoi este liat si intarit selectiv prin

depunerea selectiva a unor picaturi de liant printr-n mecanism asemanator cu cel de

la tiparirea cu jet de cerneala.

Fig. 7.1: Principiul 3D Printing

Un buncar de pulbere (powder hopper) furnizeaza pulberea necesara pentru

fiecare strat. Un sistem de uniformizare cu rola ( roller ) distribuie pulberea intr-un

strat subtire si uniform la suprafata zonei de lucru. Un cap de imprimare cu jet aplica

apoi picaturi de liant in sistem raster peste zona sectiunii ce trebuie creata. In

momentul urmator pistonul si implicit patul de pulbere coboara cu grosimea unui strat

creind conditiile pentru depunerea unui nou strat. Pulberea care nu a fost liata

(neintarita) câactioneaza ca suport pentru straturile urmatoare.

Descrierea procesului

Procedeele Three Dimensional Printing creaza piese 3D pe principiul fabricarii

in straturi. Modelul CAD al piesei ce terbuie creata este feliat in straturi succesive pe

calculator. Algoritmul de feliere creaza o baza de date cu informatii geometrice despre

fiecare strat (sectiune 2D). Constructia fiecarui strat incepe cu distribuirea uniforma a

pulberii pe suprafata patului de pulbere construit anterior. Utilizand o tehnologie

similara cu tiparirea ink-jet , un liant leaga selectiv paticulele in zona sectunii

obiectului ce trebuie creat. Patul de pulbere care include si piesa create pana in acel

moment este sustinut cuajutorul unui piston. Dupa terminarea constructuei unei

sectiuni acesta coboara astfel incat un nou strat de aceeasi grosime sa poata fi disrtibuit

si apoi liat selectiv. Procesul se repeta pana cand piesa este complet realizata. Apoi

pistonul este ridicat iar pesa este demulata prin indepartare pulberii neliate. (Fig.7.2).

Fig. 7.2: Fazele procesului 3D Printing

Tehnologia ZCorporation

Fig. 7.3:Descrierea procesului folosit de Z Corporation.

In primul pas imprimanta imprastie un strat de pulbere dintr un buncar de

alimentare peste platforma de constructie Fig. 3 (a),(b). Cand platforma este complet

acoperita cu un strat nou de pulbere, capul de impimare echipat cu mai multe duze

incepe sa imprime un hasur 2D al sectiunii peste stratul de pulbere Fig. 7.3. (c) (d).

Drept cerneala se utilizeaza un liant polimeric. Dupa tiparirea completa a unei sectiuni

pistonul din camera de constructie coboara cu grosimea unui strat iar pistonul

buncarului de alimentare se ridica pentru a furniza pulbere pentru un nou strat.

Procesul se repeta pana la costruirea tuturor straturilor.

ZPrint™

ZPrint™ este un software pentru conducerea procesului de tiparire. Acesta

dispune de o serie de unelte pentru pregatirea fisierelor CAD in vederea tiparirii

obiecctelor cu ajutorul imprimantelor 3D realizate de Z Corp. Pe langa formatul

standard . stl ZPrint poate procesa o gama larga de fisiere ce definesc geometria

obiectului.

Fig. 7.4. Piese realizate prin 3D printing

Avantaje procedeului

3D Printing este un proces foarte flexibil in alegerea materialelor. Poate utiliza

orice material care poate fi obtinut sub forma de pulbere (aproape toate materialele).

Deasemenea se poate folosi orice liant care are vascozitatea necesara pentru a forma

picaturi. Se pot forma combinatii ceramice, plastic, metal si compozite metal-ceramic.

Suportul furnizat de patul de pulbere permite creerea partilor suspentdate sau in

consola fara a necesita structuri suport suplimentare.

Procedeul permite imprimarea color.

Costul materialelor de constructie este in general mai mic decat in cazul

sterolitografiei

Dezavantaje

Acuratetea pieselor e limitata datorita granulatiei pulberii.

Piesele construite sunt poroase. Pentru a inlatura aceasta deficienta piesele pot fi

ulterior infiltrate. De exemplu pentru a obtine piese din composite metal-ceramice,

piesa ceramica poroasa produsa prin 3D este ulterior infiltrata sub presiune cu metal

topit.

Aplicatii

In turnarea cu modele pierdute cojile ceramice sunt realizate printr-un proces in

mai multi pasi (crearea modelelor metalice pentru definirea negativului piesei,

realizarea cutiilor de miez, realizarea miezurilor, realizarea modelelor de ceara pentru

piesa si miezuri, realizarea retelei de turnare din ceara, asamblarea componentelor,

depunerea crustei ceramice prin scufundare repetata in pasta ceramica, uscarea,

arderea crustei pentru a topi si inlatura modelul de ceara)

Prin utilizarea 3D printing la producerea cojilor ceramice cu miezuri integrate se

reduc o serie de pasi, obtinandu-se forma coaja direct din modelul CAD. Se inlatura

astfel o serie de dezavantaje ale procesului traditional, costurile ridicate si durata mare

de realizare ale formelor metalice, transferurile repetate ale modelelor care duc la

scaderea preciziei, inlaturarea erorileor de pozitionare a miezurilor prin realizarea lor

odata cu forma. In cazul unicatelor sau seiilor mici de fabricatie aceste avantaje pot fi

foarte importante. In acest mod se pot realiza piese metalice complexe in 2-3 zile fata

de durata proceselor conventionale de cateva luni.

SISTEME RP BAZATE PE PULBERI

Selective Laser Sintering (SLS):

Selective Laser Sintering (SLS®

, marcă inregistrată a companiei DTMTM

din

Austin, Texas, USA) este un proces care a fost brevetat în 1989 de către Carl Deckard,

un student al Universităţii din Texas. SLS opereaza intr-un mod similar cu

stereolitografia, ambele fiind procese de fabricatie tip aditiv. Rasina fotosensibila de la

stereolitografie este inlocuita cu o pulbere fina fuzibila.In SLS, straturi de particule

pulverulente sunt fuzionate (sinterizate) selectiv prin scanarea cu un laser cu CO2

peste suprafata unui pat de pulbere (Fig. 8. 1). Materialele pulverulente care pot fi

utilizate includ nylon, policarbonat, ceara, si compozite metalice si ceramice.

Fig. 8.1: Principiul Selective Laser Sintering

Pulberea este stocata in cartuse de alimentare pe ambele parti ale camerei de

constructie. Pulberea este impinsa afara din cartus cu ajutorul unui piston iar o rola o

imprastie si o niveleaza intr-un strat uniform peste zona de constructie. Recipientul de

alimentare este similar ca functionare cu cel de constructie. Acesta cuprinde o cuva cu

piston care se ridica incremental pentru a furniza o cantitate constanta de pulbere.

Un laser de putere mare tipic 50 W cu CO2 care furnizeaza un fascicol

infrarosu concentrat deseneaza fiecare sectiune din modelul CAD pe suprafata

pulberii. Caldura spotului laser topeste local pulberea (sau liantul) si lipeste particulele

impreuna. O parte din energia laserului este transformata in caldura aceasta depinzand

de caracteristicile pulberii. Energia laser necesara poate fi micsorata mentinand

pulberea la o temperatura imediat sub punctul de topire. De aceea camera de lucru este

etansata si mentinuta la o temperatura cu putin sub punctul de topire a pulberii

termoplastice. In acest fel laserul trebuie doar sa ridice foarte putin temperatura locala

pentru a produce sinterizarea. Astfel procesul este mult accelerat. Apoi zona de

constructie este coborata cu grosimea unui strat si procesul se repeta pana cand piesa

este complet construita.

Pentru a prevenii explozi datorita manipularii unor cantitati mari de pulbere si

oxidarea sau posibila ardere suprafetei particulelor pulberii intregul proces se

desfasoara intr-o camera de lucru etansa si in atmosfera inerta de azot.

Piesa finita este incapsulata in pulberea inconjuratoare care o sustine pe parcursul

procesului de fabricatie.

La sfarsitul constructiei platforma pe care se afla piesa este ridicata iar pulberea

in exces curge de pe piesa. Pulberea nesinterizata ramasa pe piesa are un efect benefic

deoarece retine caldura si previne astfel racirea rapida a piesei care ar putea duce la

aparitia unor tensiuni interne. Durata de racire pana cand piesa poate fi scoasa din

masina fara risc de deformare este considerabila. Pentru piese mari cu sectiuni subtiri

timpul de racire poate ajunge la doua zile..

Implementari ale Selective Laser Sintering

Fig. 8.2 Implementari ale Selective Laser Sintering

Postprocesare

Dupa racirea piesei pulberea poate fi îndepărtata uşor manual cu perii, cu aer

comprimat sau cu unelte stomatologice. Echipamente aditionale pentru demulare sunt

constituite din:

• Sistem de inlaturare a pulberii in exces

• Pensule si unelte de curatire

Fig. 8.3 Sistem de inlaturare a pulberii in exces

Ca toate sistemele RP piesa prezinta o suprafata rugoasa datorita constructiei in

straturi discrete. În ceea ce priveşte acurateţea SLS este o metodă mai putin precisa

decât SLA însă ambele au de suferit în cea ce priveşte acurateţea pe axa Z. În cazul

SLS lipsa de acurateţe se datorează în primul rând granulatiei materialelor utilizate şi

parametrilor procesului.

Suprafata pieselor sinterizate este afectata de urmatorii de factori:

- Natura discontinua a pulberii mareste in mod intrinsec rugozitatea.

- Particulele de pulbere nu sunt uniforme in diamentru variind in gama 80-120

microni

- Sectiunea transversala este scanata in modul raster dar aceasta metoda poate

produce erori in coordonatele x-y. In timpul scanarii raster a sonei de lucru raza laser

este modulata astfel incat numai sectiunea transversala a modelului sa fie incalzita

suficient pentru ca vascozitatea particulelor sa scada suficient ca sa fuzioneze.

Pentru multe aplicatii aceste dezavantaje nu constituie o problema dar daca

piesele trebuie folosite ca matrite atunci suprafata trebuie netezita.

Avantajele SLS:

- SLS ofera pricipalul avantaj de a putea crea piese functionale direct din

materialul final.

- Este disponibila o gama larga de materiale cum ar fi: nylon, nylon impregnat

cu sticla, polistiren etc.

- Proprietatile materialelor pot fi foarte apropiate de a materialelor intrinseci.

- Metoda a fost extinsa pentru a permite fabricarea directa a obiectekir si

matritelor din metal si ceramice.

- Procedeul nu are nevoie de structuri de suport deoarce partile in consola sau

neconectate sunt sprijinite de patul de pulbere inconjurator. Aceasta micsoreaza timpul

de finisare comparativ cu metodele care folosesc structuri suport.

- Nu este necesara o intarire finala asa cum era in cazul stereolitografiei.

Dezavantaje:

- Sistemul mecanic este mai complex decat la stereolitografie sau alte

tehnologii.

- Finisarea suprafetei si acuratetea nu sunt atat de bune ca la streolitografie.

- Obiectele sinterizate sunt poroase si de aceea pentru anumite aplicatii poate fi

necesara infiltrarea obiectului cu alt material pentru a inbunatatii caracteristicile

mecanice.

Specificatii constructive DTM Sinterstation 2000 System

• Process chamber/powder engine

– 12” Ø x 16” tall build cylinder

– 2 feed cartridges

– 2 overflow cartridges

– Powder delivery roller

– Heaters: feed, part, piston

• Environmental control unit ( ECU )

– controls inerting and nitogen recirculation

– controls cooling of process chamber and laser

• Controls cabinet

– Computer

– Logic controllers

– Uninterruptible power supply ( UPS )

Masina SLS -3D Systems

Sistemele SLS sunt optimizate pentru utilizarea urmatoarelor materiale de sinterizare:

DuraForm PA polyamide nylon or DuraForm GF glass-filled nylon for complex

plastic parts and prototypes

LaserForm metal family for a variety stainless steel or tooling steel like

characteristics for complex metal tooling, parts and prototypes

CastForm™ PS material for creating complex investment casting patterns

Somos® 201 for flexible, functional parts with rubber-like performance

characteristics.