29
PROIECTAREA ŞI EXECUTAREA UNEI IMPRIMANTE 3D PRINTAREA 3D este foarte similară cu printarea 2D, cu care suntem toti familiarizati acasă sau la birou. Când printăm un document, imprimanta laser sau ink- jet trage o foaie de hârtie în interiorul ei şi imprimă pe aceasta desenul de la stânga la dreapta şi de sus în jos până când termină pagina. În PRINTAREA 3D acelaşi proces tehnologic are loc exceptând faptul că acest proces este repetat cam de 500 de ori pentru a crea un obiect de 5 cm înaltime. În loc de hârtie imprimanta 3D foloseşte o pulbere de înaltă consistenta sau o răşină fotopolimerică . În loc de cerneală se foloseşte un adeziv special sau lumină UV care reactionează doar cu acest tip de substante întârind un strat. Procese şi materiale de printat ce le putem folosi sunt de mai multe tipuri : Tipul Tehnologia Materiale Extrudare Modelare prin depurenere topită (FDM) Materiale termoplastice (PLA şi ABS) Fabricatie cu formă liberă cu fascicul de Sârm ă electroni (EBF 3 ) Aproape orice aliaj metalic

Modelarea Și Simularea Proceselor Industriale 2

Embed Size (px)

DESCRIPTION

.

Citation preview

Optimizari uj

PROIECTAREA I EXECUTAREA UNEI IMPRIMANTE 3DPRINTAREA 3D este foarte similar cu printarea 2D, cu care suntem toti familiarizati acas sau la birou. Cnd printm un document, imprimanta laser sau ink- jet trage o foaie de hrtie n interiorul ei i imprim pe aceasta desenul de la stnga la dreapta i de sus n jos pn cnd termin pagina. n PRINTAREA 3D acelai proces tehnologic are loc exceptnd faptul c acest proces este repetat cam de 500 de ori pentru a crea un obiect de 5 cm naltime. n loc de hrtie imprimanta 3D folosete o pulbere de nalt consistenta sau o rin fotopolimeric . n loc de cerneal se folosete un adeziv special sau lumin UV care reactioneaz doar cu acest tip de substante ntrind un strat.

Procese i materiale de printat ce le putem folosi sunt de mai multe tipuri :

Tipul Tehnologia MaterialeExtrudare Modelare prin depurenere topit (FDM) Materiale termoplastice (PLA i ABS) Fabricatie cu form liber cu fascicul de

Srm

electroni (EBF3)

Aproape orice aliaj metalicGranulare

Sinterizare cu laser din metal (DMLS) Aproape orice aliaj metalic

Topire cu fascicul de electroni (EBM) Aliaje de Titan

Sinterizarea selectiv de cldur (SHS) Praf termoplastic

Sinterizare selectiva cu laser (SLS) Materiale termoplastice, pulberi metalici, pulberi ceramici

Imprimare cu cap de cerneal i pat depulbere sau pe baz de ipsos (PP) IpsosLaminare Fabricatie de obiecte laminate (LOM) Hrtie, folie de metal, folie de plasticPolimerizare cu lumin

Stereolitografie (SLA) Fotopolimer

Procesare cu lumin digital (DLP) Fotopolimer

n generel costurile pentru diferitele tehnologii sunt foarte ridicate, din cauza echipamentelor sofisticate, de exemplu DMLS, EBM, SLA i DLP, sau a tehnologiei de realizare a materiilor prime, cum ar fi lichidul fotopolimer.

Din acest motiv am ales un materialul ABS - Acrilonitril Butadeina Stiren,care este un material cu prelucrabilitate bun i un cost relativ sczut, aproximativ

30$/kg, i o aplicabilitate variat.

Materiale FDM ofer proprietti specializate ca disipare electrostatic, transluciditate, biocompatibilitate, inflamabilitate, ceea ce le face perfecte pentru designeri i ingineri n industriile aerospatial, auto i medical.

Tipuri de ABS folosite in industrie: ABSplus este cel mai accesibil material pentru imprimare, este att de durabil incat conceptele i prototipurile realizate se comport ca fiind produse finite.Piesele tiprite din acest material au o rezistent mecanic bun i stabil n timp. Deoarece ABSplus lucreaz cu materiale de sprijin solubile, ndeprtarea de sprijin nu necesit efort fizic, se pot realiza forme complexe cu

ABS-M30 este un material plastic cu un grad ridicat de productie, proiectat pentru imprimante 3D folosind modelarea cu depunere topit (FDM), este materialul cu cel mai mic cost n gama de materiale termoplastice. Are proprietti mecanice bune, fapt care l fac ideal pentru concepte, inclusiv prototipuri functionale, abloane, corpuri, fabricatie scule i piese de utilizare

ABS-ESD7 Pentru aplicatii unde o ncarcare static ar putea deteriora componentele, afecta performanta sau provoca explozii, FDM ofer ABS

PC-ABS : Pentru realizarea de prototipuri functionale, scule i obiecte cu volum redus care necesit rezistent superioar la un anumit impact. Ingineri si designeri folosesc PC-ABS n aplicatii solicitante, ca instrument de prototipare pentru scule cu uz ridicat i fabricarea de echipamente industriale. Piesele imprimate devenind mai puternice , mai sigure pentru testare i prototipuri, i

ABSi Formnd prototipuri translucide de culoare portocalie, roie sau natural , acest material face posibil realizarea unor componente care permit trecerea luminii, utile n industria auto. Piesele de asemenea ofer posibilitatea de a monitoriza micarea fluidelor, aplicate n prototiparea dispozitivelor medicale.

ABS-M30i este un material biocompatibil care permite realizarea unor produse medicale, farmaceutice i din industria alimentar, unele folosite i n chirurgie, direct dintr-un mediu CAD.Pot fi realizate prototipuri functionale,

Avantaje materialului ABS: pret mic de printare 0.06 EUR /cm3 rigiditate nalt ofer rezistenta bun la impact , chiar si la temperaturi sczute uor de procesat materialul ABS are proprietti bune de izolator rezistent bun la abraziune i colorare (stabilitate bun a culorii) sudabilitate buna a ABS-ului stabilitate dimensional nalt (absorbtia de ap scazut) excelent rezistent la sterilizare a materialului ABSSpecificatii tehnice : temperatura de printare : 240-248C

temperatura primului strat : 230-230C

material de baz : Acrylic/ABS

diametru filament : 1,75-3mm

capacitatea de printare : 1kg (aproximativ 950 cm3)

Criteriu de optimizare alesOptimizarea se face ntotdeauna cu referire la unul sau masi multe criterii. O variant este mai bun dect alta, numai n msura n care satisface mai mult un anumit criteriu dect o alt variant.

Functia criteriu reprezint expresia matematic a criteriului de optimizare ales, fiind o functie real, cu valori reale, de forma :F(x)=F(x1 , x2, ..., xn)adic o expresie analitic care descrie cantitativ interactiunile ntre variabilele : x1, x2, ....xn ale fenomenului sau procesului studiat.n general, n calitate de criterii de optimizare la proiectarea tehnologic se utilizeaz :

Criterii economice : costul prelucrrii produsului sau costul serviciului, consum de energie sau materiale, etc.

Criterii tehnico-economice : productivitatea, norma de timp a operatiei sau fazei tehnologice, coeficientul de ncrcare al mainilor, stabilitatea procesului de prelucrare ca reglaj i precizie, etc. Criterii tehnice : calitatea, precizia, temperatura de lucru, durabilitatea sculelor, etc.

Alte criterii : de exploatare, performante, estetic, etc.

Din punct de vedere matematic, scopul optimizrii const n gsirea extremului functiei criteriu, adic :

F(x)=>max/minPrimul criteriu de care se leag orice realizare a unui produs sau echipament este legat de partea economic, mai precis de partea financiar. Din acest punct de vedere se dorete mereu obtinerea acestuia la un pret ct mai sczut i o calitate ct mai bun.

Din acest motiv am ncercat s realizm prtile componente din semifabricate pe ct posibil ieftine, cum ar fi elemtele de asamblare a ghidajelor, adic structura mainii, ce sunt executate din pal melaminat (buctile mari) i din lemn stratificat

(buctile mici).

Ca si criteiu principal am ales grosimea minim a peretilor, criteriu ce se refer la distana dintre o suprafat a modelului i suprafata perpendicular vizavi de aceasta. Acest lucru nu trebuie confundat cu dimensiunea minim de detaliu care se refer la prtile nonstructurale a modelului. Un exemplu de acest lucru ar putea fi o textura de suprafat sau nasturi decorativi sau text pe obiectul respectiv.

Cu toate acestea, crearea unui model robust de tiprit 3D este mai complex dect faptul de a satisface cerintele minime de grosime a peretelui pentru orice material dat. Aceste valori sunt mai mult de referint la rezolutia minim a diferitelor imprimante, dect a valorii care este orientat spre structurala. Producerea unui produs durabil are o multime de a face cu forma obiectului, cu materialul nconjurtor i cu faptul c modelul creat s fie de sine stttor.

Valorile minime a grosimii peretelui sunt : Plastic durabil 1 mm

Plastic durabil fin 1 mm

Plastic superfin 1 mm

Plastic dur lcios 1,5 mm

Ipsos colorat 2 mm

Ipsos alb 2 mm

Otel inoxidabil i placa de aur 3 mm

Ceramic lustruit 3 mm

Nylon sau Poliamid : de asemenea, numit alb, dur i flexibil, este un plastic durabil de culoare alb

1mm grosime minim a peretelui

alb natural, dar se poate colora

10 straturi pe 1mm

fcut din praf

Alumide = poliamid + aluminiu

interconectabi, se pot realiza componente mictoare (lant)

ABS : specific imprimantelor folosite acas, adic nu cele utilizate n industrie

Plastic dur, cum sunt piese de Lego

Forma de distributie n filament

Culori optionale

3 straturi pe 1 mm

1mm grosime minim a peretelui

Rin : (Mai multe optiuni), de asemenea, numit alb sau negru, aspect transparent, o rin alb fin, cu detaliu ridicat care se poate vopsi

Rigiditate i flexibilitate variabil

Fotopolimer tratat cu lumin UV

Alb, negru, transparent i culori tipice

Otel inoxidabil: Materiale foarte dur

Realizat prin mai multe trepte sau direct din praf

Posibilitate de colorare prin placare cu aur i bronz

6 straturi pe 1mm

3mm grosime minim a peretelui

Aur i argint : Materiale dure

Fcute din cear i apoi turnate

10 straturi pe 1mm

0.5mm grosime minim a peretelui

Titan : Cel mai dur material imprimat

Sinterizare direct cu laser

30 straturi pe 1mm

0.2mm grosime minim a peretelui

Material ceramic : Rigid i fragil

Prima data se printeaz materialul ceramic dup care se aplic un strat de glazur

Culoarea materialului de obicei alb

Gips : de asemenea numit i piatr de nisip

Rigid i fragil

Fcut din praf

Culoarea natural este alb, dar se poate vopsi

10 straturi pe 1mm

2mm grosime minim a peretelui

Variabilele de optimizareSunt o submultime a mrimilor de stare, care, n procesul optimizrii, sunt singurele ce-i schimb valoarea, toate celelalte mrimi de stare rmnnd constante.Avndu-se n vedere multimea de variabile asociate procesului, se poate face urmtoarea clasificare a acestora :

variabile sau mrimi de intrare, asupra crora are un control total i direct.

variabile sau mrimi perturbatoare, asupra crora omul nu poate exercita un control direct.

variabile sau mrimi de ieire, a cror evolutie este determinat de multimea mrimilor din primele dou clase.

Grosimea peretelui poeta fii unul dintre cel mai bun candidat pe teritotiul

variabilelor, pentru c la fiecare model diferit, difer i grosimea.

O problem des ntlnit la obiectele imprimate reprezint peretii nalti sau cei care n-au un sprijin dedesubt, mai bine zis cele care formeaz aa numitele poduri.

Penrtu a remedia acesta problem, s-a gsit o modalitate, care poate fi realizat

cu ajutorul a dou tehnici diferite.

Prima tehnic este mai simpl, din punct de vedere a echipamentului, folosind acela extruder, i material, din ce se compune i modelul imprimat. Pentru sustinerea diferitilor pereti se pot genera nite gratii, nc din soft-ul care efectiv genereaz codul G pentru piesa respectiv.

Acestre gratii poart numele de suporti structurali sau coaste, i sunt imprimate la o temperatur inferioar ca cea a peretilor modelului, din acest motiv ele se pot nltura mai uor dup terminarea procedeului de printare.

Cum se vede n imaginile de mai sus aceste suporturi pot fi n afara peretilor modelului, dar i n interiorul acestuia, acest lucru ajut la dou lucruri deodat : n primul rnd ofer peretelui o stabilitate mai mare, iar n al doilea rnd realizeaz i o economisire semnificativ de material.

La majoritatea imprimantelor este indicat folosirea unei plute, care la rndul ei este imprimat. Ea ajut la sustinerea i la ndeprtarea ntregului model. Cu ajtorul acestei se poate elimina deteriorarea modelului, cnd acesta este ndeprtat de pe masa de lucru.

Dup racirea total a piesei se nltura cu grij suportii structurali, cu ajutorul diferitelor scule, cum ar fi un patent sau un clete, doar se poate utiliza i diferite tipuri de cuttere , mai ales la locuri nguste.

Dup nlturarea complet a suportilor, rmne model imprimat.Avantajul acestei metode este c nu necesit alt material, i o main sofisticat, i este ieftin. Dezavantajul const n depunerea de efort pentru a nltura respectivii supori, lucru care necesit rbdare i precizie, pentru a nu deteriora modelul.

Cealat metod este mai simpl pentru utilizator, dar i mai costisitoare, fiind nevoie de dou capuri de extrudare, i de dou materiale diferite. Unul din care se imprim modelul dorit, iar al doilea, care constituie materia prim pentru suportii structurali.

S-a descoperit filamentului numit OLDURI este un material de sprijin dizolvabil.Ea poate fi extrudat mpren cu ABS-ul. Materialul este solubil n Limonen, o hidrocarbur lichid incolor, care are un miros puternic de portocale.

Procedura de lucru : Ambele extrudere setate la 235C.

Patul se nclzeste la 115C (Materialul de sprijin lipindu-se foarte bine la aceast temperatur)

Trebuie ateptat pn ce modelul se rcete complet, n caz contrar materialul de sprijin are tendinta de a se ndoi, fiind maleabil n stare cald

Cnd s-a rcit modelul total, acesta trebuie aezat ntr-un borcan de sticl

transparent, n care anterior s-a turnat solutia de Limonen

Se tine modelul n solutie timp de 24 de ore, i se agit din cnd n cnd.

Timpul depinde i de cantitatea de material ce formeaz modelul, din acest motiv acesta trebuie verificat mai des.

Dup scoaterea modelul din solutie se cltete n ap dulce

RestrictiiRestrictiile exprim conditiile tehnice concrete n care are loc procesul tehnologic i se refer la limite privind :

turatiile : se regleaz cu ajutorul softului, si sunt diferite la fiecare model n parte

avansurile : se regleaz cu ajutorul softului

puterea motoarelor de antrenare : se folosesc motoare pas cu pas de 1.9 Nm

rugozitatea suprafetelor prelucrate : depinde de diametrul duzei folosite, se va folosi a duz cu diametrul de 0.4mm

rigitatea sistemului tehnologic : este dat de structura mainii

temperatura dezvoltat n timpul prelucrrii : de obicei se lucreaz cu o temperatura intre 230-245C

Restrictiile pot fii ns i de natur economic :

costul

productivitatea

energia consumat

Restrictiile, n orice problem de optimizare, reprezint un sistem de relatii de constrngere, care trebuiesc satisfcute de cele n variabile de optimizare xi, pentru ca solutia optim s fie acceptat.

Rezolvarea problemei de optimizareAvnd n vedere faptul c imprimanta realizat este prevzut cu un singur extruder, solutia optim este varianta cu suportii fcuti din acelai material ca i modelul, i care se va nltura manual, dup rcirea obiectului imprimat.

Un alt motiv care a favorizat alegerea este i costul aparatului, varianta aleas

fiind mai ieftin de realizat, nefiind nevoie de mai multe materiale.

Oportunitatea solutieiLista de necesitti care nu sunt satisfcute, sau care sunt satisfcute partial i prezentarea motivlui pentru care nu sunt satisfcute n mod adecvat:

rugozitatea suprafetelor obtinute : depinde de diametrul gurii de pe duza de extrudare, ea poate ntre 0.2-0.5mm

temperatura de lucru a extruderului : acesta va lucra la o temperatur aproximativ stabil pentru c este necesar topirea uniform a materialului extrudat

viteza de lucru : din pacate acesta momentan este destul de mic comparativ

cu alte imprimante, de exemplu unele ajungnd la peste 200mm/sec.

Exist o solutie destul de ieftin si uoar de a remedia rugozitatea obtinut n urma imprimrii. Procedeul const intr-un tratament termo-chimic, mai precis o nclzire a modelului la temperatura de circa 100C, intr-o incint cu aburi de aceton. Dup aceast operatie suprafata devine mai neted, iar prin aplicarea unui strat de vopsea, se poate obtine chiar o suprafata lustruit.

Justificarea motivului pentru care solutia aleas este mai bunScopul proiectului a fost realizarea unei imprimante 3D la un pret pe ct posibil mic, i obtinerea unei suprafei mari de lucru (x-350, y-350 si z-850).Comparitiv cu alte modele de pe piata, imprimanta realizat vi fi unul imens.

Pretul estimat pentru realizarea mainii este undeva sub 500 de , ceea ce reprezint un cost acceptabil.

Evaluarea efectelor tehnico-economiceCu ajutorul imprimantei, modele realizate cu acestea nu trec prin tehnologiile conventionale de realizare, cum ar fi strunjirea, frezarea, gaurirea, etc., operatii care produc o cantitate semnificativ de material de adaos.

La imprimata apare ca i material de adaos, materialul folosit pentru realizarea suportilor i a plutei, care la finalul operatiei sunt ndeprtate. Prin noile tehnologii aceste resturi de material se pot refolosi, deci rezultnd o cantitate foarte mic de

deeuri.

Biblografieoaita D. Optimizarea proceselor tehnologice, Editura Petru Maior, Tg. Mure, http://blog.ponoko.com/category/writers/derek-quenneville/ http://www.stratasys.com/materials/fdmhttp://zspotmedia.ro/abs-material-printare-3d-p294.html https://cdn.shopify.com/s/files/1/0180/7671/files/groncle_3.jpg?349 http://www.3ders.org/articles/20130228-3d-printing-parts-with-overhangs-using-new-dissolvable-support-material.htmlhttp://hackaday.com/2012/10/22/finally-turning-plastic-pellets-into-3d-printer- filament/