1

ANALIZA TEORETIC I EXPERIMENTAL A

TEHNOLOGIEI FDM (FUSED DEPOSITION MODELLING)

DE FABRICARE RAPID A PROTOTIPURILOR

1. OBIECTUL LUCRRII

Scopul principal al lucrrii este cunoaterea teoretic i experimental a tehnologiei FDM

(Fused Deposition Modelling) de fabricaie rapid a prototipurilor.

2. CONSIDERAII TEORETICE

2.1. Prezentarea echipamentului

Acest procedeu de fabricare rapid a prototipurilor (FRP) se bazeaz pe nclzirea materialului de depus pn n apropierea punctului su de topire i apoi depunerea acestui material topit acolo unde este nevoie, pentru construirea modelului dorit.

Universitatea Tehnic din Cluj-Napoca (UTC-N) deine n laboratorul de FRP o main FDM 1650 (Fused Deposition Modeling), fabricat de firma Stratasys Inc. (SUA).(fig. 1)

Fig. 1. Sistemul de fabricare rapid a prototipurilor FDM 1650 din cadrul laboratorului de FRP al

Universitii Tehnice din Cluj-Napoca

2

Cheia procedeului const n controlul riguros al temperaturii la care este nclzit i meninut materialul n timpul depunerii. Materialul utilizat poate fi un fir din cear special, nylon, poliamid sau plastic ABS. Inclzirea firului de ABS se realizeaz la o temperatur de 270 C, la care materialul se gsete ntr-o stare semilichid, el putnd fi n continuare extrudat, printr-o duza de diametru foarte mic (0,254 mm sau 0,127mm).

Duza prin care este extrudat materialul plastic, aflat n stare semilichid, poate fi deplasat mpreun cu capul de nclzit pe care este fixat. Aceast deplasare se face n planul XY, micarea fiind controlat numeric de calculator.

Piesa n construcie se afl fixat pe o platforma ce se deplaseaz pe vertical, de-a lungul axei Z, micare deasemenea controlat numeric, de ctre echipamentul de comand al mainii.

In acest fel se poate fabrica o pies prin depunere de material acolo unde configuraia piesei respective o cere. Important este c timpul de materializare a unui model virtual, construit pe calculator, ntr-unul fizic ce poate fi folosit mai departe n pregtirea fabricaiei sau direct ca pies funcional, este foarte scurt, n comparaie cu procedeele clasice de fabricaie.

2.2. Principiul de lucru

a) Preprocesarea

Pentru materializarea procedeului FDM sunt necesare o main FDM (de exemplu maina FDM 1650) i o staie grafic sau un calculator Pentium cu o configuraie performant, tehnic de calcul necesar prelurii unui fiier .stl, secionrii acestuia n straturi succesive, procesrii informaiilor geometrice necesare i transmiterii comenzilor la main.

Gabaritul maxim al pieselor ce se pot fabrica utiliznd maina FDM 1650 este un cub cu latura de 250 mm.

Conectarea mainii FDM 1650 la calculator sau la staia grafic este realizat printr-o interfa serial de tipul RS-232.

Ca i la celelalte tehnologii de FRP, datele de intrare privind modelul 3D virtual construit pe calculator, sunt preluate dintr-un fiier de format special, de tip .stl.

Sistemul Stratasys include i un pachet CAD/CAM specializat (QuickSlice), care poate ncrca fiierul .stl, dup care urmeaz celelalte etape de pregtire a datelor pentru main.

n prim faz modelul 3D este orientat n planul XYZ, n submeniul Orient Stl(fig.2), scalat cu un factor de scalare fie cu un factor constant pe cele trei axe, fie cu factori de scalare diferii pe fiecare ax n parte(utiliznd opiunea Unequal XYZ). Scalarea este necesar pentru a compensa erorile care apar datorit faptului c maina lucreaz la temperatur ridicat(firul de plastic este extrudat la cald), deci implicit vom avea deformaii pe modelul care va fi fabricat.

3

fig. 2. Scalarea modelului stl n cadrul submeniului Orient Stl al programului QuickSlice

n continuare are loc generarea seciunilor prin pies (felierea) utiliznd comanda Create Slices, din cadrul submeniului Slice a programului QuickSlice (fig. 3), intervalul dintre dou seciuni fiind de 0, 254 mm. Se observ din figur n meniul System Setup de asemenea datele referitoare la tipul de echipament utilizat, n cazul nostru maina FDM 1650, tipul de material de baz utilizat, n cazul nostru ABS P400, respectiv tipul de material pentru suport, n cazul nostru ABS P400 R. De asemenea sunt precizate date legate de tipul duzei folosite care este T12, att pentru materialul de baz, ct i pentru materialul pentru suport.

fig. 3. Generarea seciunilor prin pies n cadrul submeniului Slice a programului QuickSlice

4

n continuare , tot n meniul programului QuickSlice sunt generai suporii pentru

susinerea materialului piesei, n cadrul submeniului Supports (fig. 4), acolo unde configuraia

piesei o cere (piesa are o configuraie complex sau prezint goluri interioare).

fig. 4. Generarea suporilor n cadrul submeniului Supports a programului QuickSlice

Din acelai submeniu Supports , pentru creerea suporilor, utiliznd comanda Create

Base, este generat n mod automat baza necesar pentru fabricaia piesei(fig. 5). Baza care va fi

construit va fi construit din acelai tip de material folosit pentru supori.

fig. 5. Generarea bazei pentru fabricaia piesei n cadrul submeniului Supports a programului QuickSlice

5

O ultim operaie pregtitoare n programul software o constituie generarea traseelor dup

care se vor deplasa capetele de extrudat att pentru materialul de baz, ct i pentru cel de suport.

Acest lucru se face utiliznd comanda Create Roads din submeniul Roads al programului

QuickSlice(fig.6). Avnd aceste trasee generate n programul soft, maina va primi comenzi, capul

de extrudat genernd n prim faz conturul piesei din stratul curent, dup care va umple golurile din

seciunea curent dup aceste trasee stabilite, operaie care se va repeta i n seciunile urmtoare,

lucru valabil i pentru capul de extrudat al materialului de suport.

fig. 6. Generarea traseelor pentru deplasarea capetelor de extrudat n cadrul submeniului Roads a programului

QuickSlice

Fiierul va fi salvat n final ca i fiier de tip sml, fiier care va fi recunoscut n continuare

de ctre maina FDM. Se nchide programul software QuickSlice.

Se trece la main, verificnd cu ajutorul meniului mainii (fig. 7), dac sunt sau nu sunt

probleme legate de curgerea materialului plastic prin duzele de extrudat. Acest lucru se face din

meniul mainii, apsnd butonul LOAD pentru model. Materialul plastic ncepe s curg prin

duz. Apsnd din nou butonul LOAD, curgerea materialului plastic prin duza pentru materialul

de baz (pentru model) se oprete. Pentru a verifica acelai lucru pentru materialul pentru suport, se

apas butonul MODEL SUPPORT din meniul mainii o dat, dup care este acionat butonul

LOAD o dat pentru verificarea curgerii i nc o dat pentru oprire. n cazul n care materialul

plastic nu curge prin duze se va verifica dac nu s-a terminat materialul de pe role sau dac nu

cumva capul de extrudat este nfundat.

6

fig. 7. Meniul de comand al mainii FDM 1650 pentru verificarea curgerii materialului plastic prin duzele de

extrudat

Se va verifica de asemenea temperatura pe duzele de extrudat, respectiv din incint s fie la temperatura setat. Acest lucru se poate verifica pe panoul de control al mainii. Pentru rezultate optime nu este indicat a porni fabricaia dect n momentul n care temperatura setat(programat) a fost atins. Panoul de control al mainii FDM 1650(fig. 8) afieaz att valorile efective ale temperaturilor de lucru(cu verde) ct i pe cele programate(cu rou) ale:

materialului piesei materialului pentru supori incintei de lucru

Temperaturile recomandate de lucru depind de tipul materialului folosit.

fig. 8. Panoul de control al mainii FDM

7

Pentru a porni fabricaia modelului se deschide n continuare programul FDM SEND,

program care servete pur i simplu ca interfa ntre main i calculator. Cu ajutorul programului

FDM SEND, se ncarc fiierul de tip sml salvat n programul QuickSlice. Maina i ia un

punct de zero al mainii. Butonul PAUSE dotat cu un led ncepe s semnalizeze intermitent. n

momentul n care acest buton este acionat fabricaia propriu zis a modelului ncepe prin construirea

bazei mai nti, respectiv a modelului cu supori n continuare.

Exist posibilitatea din interfaa mainii de a comanda poziionarea n zona de lucru pe cele

trei axe, dup ce maina i-a luat punctul de zero, n cazul n care nu dorim ca fabricaia s nceap

din punctul de zero al mainii. Acionarea butonului PAUSE n acest caz va porni fabricaia pe

platforma de lucru n poziia nou care i-a fost indicat. Poziionarea pe platforma de lucru se va face

astfel nct capul duzei pentru materialul de suport s intre aproximativ 0,1 0,2 mm n platforma

mainii, platforma fiind constituit dintr-un material de tipul unui burete special.

b) Fabricaia propriu-zis

Firul de plastic, care se desfoar de pe o rol, intr n capul de nclzit unde nclzirea are loc pn n apropierea punctului de topire (cu circa 1 C sub punctul de topire) (fig.9.).

Fig. 9. Principiul de lucru al mainii FDM 1650

8

Atunci, materialul termoplastic aflat n stare lichid este extrudat i depus n straturi subiri.

Fabricarea piesei se face n straturi i prin acest procedeu. Aceasta nseamn c doar dup terminarea complet a unui strat se trece la stratul urmtor. Depunerea ncepe cu stratul de la baza piesei.

Materialul topit pentru depunere este precis laminat la ieirea din duz i este depus acolo unde configuraia piesei din stratul respectiv o cere, micarea duzei n planul XY fiind imediat controlat numeric.

Dup depunere, plasticul lichid se solidific foarte rapid, fiecare strat adernd perfect la cel depus anterior.

Maina FDM 1650 are i un al doilea fir de plastic, utilizat ca material de supori, care este depus prin cea de-a doua duz. (fig.10.)

Fig. 10. Duzele mainii FDM 1650 pentru extrudarea materialului de baz, respectiv pentru extrudarea materialului

pentru supori

Metoda de fabricare a suporilor se bazeaz pe principiul de depunere de material topit, ca i

metoda de fabricare a piesei propriu zise. Depunerea suporilor se face strat cu strat, la fel ca materialul piesei. Dup depunerea

materialului piesei din stratul curent, nainte de a se trece la stratul urmtor, se depune materialul pentru supori din stratul curent, pentru susinerea (doar acolo unde este cazul) stratului urmtor.

Pentru a crete productivitatea fabricaiei, suporii se construiesc cu o structura lamelar (fig. 11). n acest fel se consum mai puin material pentru supori i acetia se pot separa mai uor de ctre materialul piesei.

Fig.11. Exemplu de pies cu supori. Se observ structura lamelar a materialului pentru supori

9

Caracteristicile tehnologice importante ale procedeului FDM sunt viteza mare de lucru i condiiile de perfect securitate a muncii. Maina Stratasys FDM 1650 se preteaz foarte bine pentru a fi amplasat i n ateliere de proiectare, nu doar n seciile de producie sau atelierele de prototipuri.

Se pot fabrica piese prin depunere de material topit, utiliznd urmatoarele materiale: Cear pentru modele uor fuzibile Plastic P301 Plastic ABS P400

Fiecare din aceste materiale se livreaz sub forma de fir (de cca 1,3 mm diametru) nfurat pe mosor, ca n figura 2. Este important pstrarea acestor materiale ntr-un loc cu umiditate sczut.

c) Postprocesarea Dup fabricarea pe maina FDM 1650 prin depunere de material topit, piesa este lipit de

suporii care au avut doar un rol tehnologic i care acum se nltur manual. Cu jutorul unui cuit se desprinde nti baza piesei de pe fundaia din burete. n continuare urmeaz separarea tuturor suporilor care au susinut piesa n timpul construciei. Se pot utiliza diverse scule manuale: foarfec, penset, cuit etc.

Pentru mbuntirea calitii suprafeelor piesei, se pot utiliza i procedee mecanice de finisare. Uneori rugozitatea suprafeelor exterioare poate fi mbuntit i prin acoperirea cu un strat subire de vopsea.

Precizia dimensional a pieselor fabricate prin procedeul FDM este de circa 0.125 mm pe axele xyz n cadrul unui volum de lucru de dimensiunea unui cub cu latura de 250 mm.

3. DESFURAREA LUCRRII Dup studierea lucrrii studenii vor face cunotin efectiv cu maina, urmrind procesul de

fabricaie pe un studiu de caz ce va fi fabricat pe echipamentul FDM. Se va analiza piesa fabricat i se vor face aprecieri asupra complexitii piesei, respectiv a

calitii i preciziei pieselor prelucrate pe echipamentul FDM. De asemenea vor fi analizate aspecte ce privesc rolul, locul i utilitatea tehnologiilor de fabricare rapid a prototipurilor n cadrul tehnologiilor de fabricaie.

4. APLICAII INDUSTRIALE I CONCLUZII

Exist posibilitatea ca modelele FDM s fie utilizate direct ca piese funcionale nemetalice, n producia de prototipuri, unicate sau serie mic.

Aplicabilitatea cea mai larg a acestor modele FDM este ns posibilitatea lor de a fi utilizate cu succes n tehnologia de fabricare a sculelor i matrielor, mai ales pentru producia de serie mic i mijlocie.

In continuare se vor prezenta succint cteva din procesele tehnologice de fabricare a sculelor i matrielor, care utilizeaz cu succes modelele FDM.

10

a) Turnarea cu modele uor fuzibile. Primele maini Stratasys fabricau doar piese din cear, care se utilizeaz ca modele pentru

turnarea cu modele uor fuzibile. Singura problem care apare la turnarea pieselor complexe o constituie distorsiunile spaiale

care rezult datorit contraciei la rcirea piesei metalice. Modelele FDM fabricate din alte materiale dect ceara (de exemplu ABS sau plastic P301)

sunt mai greu de utilizat la turnarea cu modele uor fuzibile deoarece, dup formarea crustei, topirea modelului iniial se realizeaza mai greu, piesa trebuind nclzit n cuptor (la cca. 280 C). Cu toate acestea, plasticul topit are o fluiditate destul de bun n urma curgerii rmnnd o cavitate curat n care se poate turna metal. Oricum, este mai dificil dect la utilizarea modelelor FDM din cear, unde, pentru topirea i evacuarea modelului din cavitate, este suficient scufundarea crustei n ap fierbinte.

Modelele FDM sunt ideale pentru fabricarea formelor i matrielor de turnare. De exemplu cei care utilizeaz forme din cauciuc siliconic sau din rini epoxidice pot folosi modelul FDM ca un model master. Modelul FDM servete ca o modalitate rapid i uoar de creare a prototipului sau de fabricare a sculelor pentru o serie mic de fabricaie.

Prototipul poate servi ca model pentru multe metode de turnare, inclusiv turnarea n forme din cauciuc siliconic, turnarea n nisip sau turnarea n matrie. Folosirea modelelor RP la fabricarea matrielor de turnare ctig teren deoarece poate reduce drastic timpul i costurile pentru prelucrarea unui prototip din aluminiu sau zinc.

b) Fabricarea pieselor din mase plastice. Firmele care folosesc RP caut beneficii ale acestei noi tehnologii i dincolo de posibilitatea

de a produce modele 3D fizice, rapid i precis. Odat produs, modelul RP poate fi folosit n continuare n procesul de fabricaie.

Modelul FDM poate fi acoperit prin pulverizare de metal topit pentru a obine matrie de injectat mase plastice destinate produciei de serie mic a pieselor. Precizia modelelor Stratasys permite folosirea modelului n procesul de acoperire metalic prin pulverizare cu metal topit. Materialul plastic utilizat de Stratasys are stabilitatea i durabilitatea cerut unui suport pentru acoperiri metalice.

Etapele principale care se parcurg n cadrul unui proces tehnologic de acest fel sunt urmtoarele:

Fabricarea prin RP a modelului FDM, cu unghiuri nclinate, innd cont de viitoarele deformaii ale polimerului ce va fi turnat;

Incadrarea modelului, adugarea miezurilor prelucrate sau turnate; Acoperirea suprafeei cu ageni specifici; Incadrarea ntr-un schelet de aluminiu; Pulverizarea de metal topit pe suprafaa respectiv.

Succesul procesului de acoperire cu metal pulverizat a modelelor obinute prin FRP necesit o bun cunoatere a metodelor de fabricaie respective i a proprietilor materialelor folosite.

11

c) Modelarea conceptului. Prototipul sau modelul fizic nsui poate fi foarte util fabricantului. Materializarea

conceptului nou de proiectare printr-un model fizic (fig. 12.), poate crete calitatea comunicrii, permind vizualizarea mult mai bun dect orice modelare virtual pe calculator. Modelul FDM devine deasemenea i un instrument de verificare a proiectrii CAD.

In cadrul unor echipe multidisciplinare, modelul fizic faciliteaz comunicarea ntre membrii echipei. Fabricantul n general va trimite un model FDM sau alt model fizic obinut prin FRP ctre sub-contractori, pentru a evalua costurile de fabricaie. Prototipul este n astfel de situaii foarte util permind fabricantului o mai uoar descifrare a modelului CAD i evideniind eventualele trsturi ale piesei care ar putea ridica probleme dificile de fabricaie. Dac astfel de probleme sunt descoperite n acest stadiu, atunci ele sunt uor de eliminat, deoarece modificrile necesit puin timp i deoarece nc nu s-au lansat n fabricaie matrie metalice sau alte scule costisitoare.

CONCLUZII Abilitatea de a produce rapid i precis un model fizic permite fabricanilor s mbunteasc

calitatea i productivitatea proceselor de producie. Ingineria concurent este cuvntul cheie n dezvoltarea produselor noi, acum la intrarea n

mileniul urmator. Ingineria concurent va implica utilizarea unei singure baze de date de la faza de proiectare a unui produs pn la etapa de fabricare i control a produsului respectiv.

Modelele fabricate prin RP sunt nite instrumente care vor facilita implementarea ingineriei concurente.

FRP va permite bazarea exclusiv pe datele CAD n proiectare i reducerea nevoii de desene tehnice i n industria din Romnia.

Fig. 12. Exemple de piese fabricate prin FDM, n cadrul Centrului de FRP, din cadrul Universitii Tehnice din Cluj-Napoca, Facultatea de Constructii de Maini.