Date post: | 12-Aug-2015 |
Category: |
Documents |
Upload: | laura-ioana |
View: | 145 times |
Download: | 0 times |
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.