Produse-de-topLume stratificată, bazele imprimării 3D

În acest articol vă vom prezenta cele mai utilizate metode de imprimare 3D accentuând pașii construcției modelului, caracteristicile procedeului și natura materiilor prime.
Intarzia & Castor30.05.20194113 min
https://www.intarzia.ro/wp-content/uploads/2019/05/1abra-Process.jpg

 

În numărul din septembrie a revistei Intarzia am vorbit despre aplicațiile imprimării tridimensionale și tehnologiilor aditive utilizate în industria mobilei, însă despre produse, prototipuri și instalații am vorbit mai puțin. În acest articol vă vom prezenta cele mai utilizate metode de imprimare 3D accentuând pașii construcției modelului, caracteristicile procedeului și natura materiilor prime. Cum reiese și din titlu principiul imprimării se bazează pe construcția startificată, adică modelul sau subansamblul funcțional se realizează prin comasarea unor straturi. Procedeul de imprimare este independent de metoda utilizată și cuprinde următorii pași ( fig.1):

  • prima dată trebuie să facem un model virtual cu ajutorul unui program CAD sau scanare 3D
  • modelul îl exportăm într-un fișier cu extensie STL care descrie suprafețele solidului printr-o rețea de puncte triunghiulare
  • fișierul STL se deschide cu softul imprimantei, se poziționează în spațiul de imprimare și la nevoie se rotește, se translatează și se dimensionează
  • în funcție de parametrii calitativi ceruți modelul se feliază ținând cont de grosimea peretelui umplerea golurilor, viteza de imprimare, suportul, etc.
  • pe baza acestei felieri softul generează traiectoria capului de imprimare pentru fiecare strat
  • capul de imprimare realizează consecutiv straturile
  • în caz de nevoie îndepărtăm suporturile
  • finisăm modelul prin prelucrări ulterioare, debavurare, vopsire, etc.

fig.1. Procedeu de fabricație prin imprimare 3D (sursa: globaltrends.thedialogue.org)

 

În ultimii ani s-au conceput multe metode de construcție aditivă ori s-au eficientizat metodele existente (crescând viteza de imprimare sau volumul ). În următoarele vă prezentăm patru dintre cele mai răspândite metode.

Procedeul cu fir (FDM)

Acest procedeu care face parte din tehnologiile de extrudare și este cel mai răspândit mod de a reliza imprimări 3D. Este folosit la modele mai mici sau prototipuri. Denumirea provine din termenul englezesc Fused Deposition Modeling notat prescurtat FDM. Principiul tehnologic se bazează pe extrudarea maselor termoplastice, imprimarea realizându-se prin topirea firelor termoplastice  care trec prin capul de imprimare urmat de o duză de extrudere. Construcția modelului se realizează prin mișcarea monoplanară tip x y și mișcarea dealungul axei z a mesei (1), asigurând stratificarea. Acest principiu de funcționare este prezentat in fig.2. Firul de imprimantă(2) înfășurat se transferă cu ajutorul unui cilindru zimțat (3) și un rulment spre capul de imprimare încălzit (4).

fig.2 procedeu cu fir (sursa: www. manufacturingguide.com)

 

Softul imprimantei calculează traiectoria capului de extrudare în funcție de modelul scanat și de grosimea dorită. Straturile suprapuse pe masa încălzibilă formează un tot unitar. Imprimarea concavităților și denivelărilor se face prin montarea de suporturi care sunt îndepărtate după imprimare. Dacă suprafața primelor straturi este prea mică, poate unii petici nu se lipsc de masă și după câteva straturi de desprind. În acest caz se practică imprimarea rasterată care se fixează pe o suprafață destul de mare și previne desprinderea. Pentru imprimare folosim cel mai des fire din acid polilactic și ABS, dar avem și filamente flexibile ranforsate cu fibre de carbon, sticlă, filamente biodegradabile, cu conținut de lemn sau fibre fluorescente și cu proprietăți electroconductoare.

Stereolitografierea (SLA)

Este prima tehnologie comercială de imprimare tridimensională constând în interacțiunea unui fascicul laser cu un lichid fotopolimerizabil. Principiul de funcționare este următorul: lichidul din rezervor se polimerizează prin reticulare sub acțiunea luminii laser pe o anumită suprafață. Mișcarea fasciculului este asistată de o oglindă și sistem de lentile, tava adâncindu-se cu o unite egală cu grosimea stratului de imprimare iar fasciculul scanează noul strat. Stratul reticulat incomplet se leagă de anteriorul și solidificarea continuă. Aceasta este una dintrecele mai prcise soluții. Dezavantajul constă în necesitatea prelucrării ulterioare respectiv îmbătrânirea fotopolimerului.

fig.3 Principiul de funcționare a sterolitografierii (sursă : www. manufacturingguide.com)

 

Procedeele de stereolitografire utilizează polimeri termoreticulabili deci produsele după terminarea ciclului de viață nu sunt reutilizabile. La această metodă putem utiliza diverși polimeri precum policarbonați, polipropilenă și materiale speciale precum ceramica dentară, polimeri termostabili sau elastici. Unele materiale se pretează pentru fabricarea sculelor de injectare mase plastice.

 

Sinterizare cu laser (SLS)

Procedeul utilizează ca sursă de energie radiația laser (4) care prin energia sa topește praful aflat pe masa imprimantei. Grăunțele se contopesc într-un strat compact corespunzător geometriei unui strat. Materia primă pentru stratul următor se adaugă cu un cilindru care uniformizează și compactizează totodată suprafața de imprimare (2).

fig.4 sinterizare cu laser (sursa: www. manufacturingguide.com)

 

După imprimare modelul se scoate din incintă se curăță de praf  care se poate utiliza la proxima imprimare. La această tehnologie suprafețele vor fi poroase  deoarece în zonele limitrofe particulele se lipesc de stratul fluid. Rugozitatea suprafeței poate fi redusă prin sablare sau șlefuire. Materialele sintetizării cu laser sunt metalele și aliajele lor ( aluminiu, oțel inoxidabil , cobalt, nichel, cupru, titan ), mase plastice (poliamide, nylonuri, elastomeri termoplastici) și ceramică. Prin sinterizare cu laser putem fabrica modele și prototipuri, subansamble. Un exemplu elocvent în acest sens este duza de injecție a propulsorului LEAP (Leading Enge Aviation Propulsor ) produs de General Electric – fig.5

fig.5  Duză realizată prin imprimare 3D a propulsorului LEAP utilizat la Boeing (sursă: www. ge.com)

 

Piesa realizată anterior din 20 de elemente se confecționează acum dintr-o singură bucată prin imprimare 3D.  Masa este mai mică cu 25 %, durabilitatea de 5 ori mai mare. Toate acestea implică economii semnificative la producție și utilizare. Succesul produsului demonstrează cifra crescândă de producție de 30 000 de bucăți.

Procedura de injectare de liant (Binder Jeting – BJ)

La acest procedeu materia primă este de asemenea sub formă de praf, dar în loc de topire, injectăm liant pe limita dintre contururi, care prin coalescență înglobează particulele. Deoarece straturile sunt subțiri, liantul se lipește stratul anterior. Aceste metode se numesc și imprimări 3D deoarece metoda se aseamănă cu imprimanta cu jet de cerneală, dar aici în loc de cerneală utilizăm diverși adezivi. Prin colorarea adezivului putem realiza și imprimări color, făcând modelele mai atractive și mai apropiate de realitate.

fig.6. Procedeu de injectare liant (sursa: rapidfab.ricoh-europe.com)

Și laprocedeul cu liant putem utiliza mai multe pulberi, în primul rând metale, oțel, bronz, nichel, sau praf de nisip, nisip quarțos, polimeri (ABS, PA, PC), prafuri ceramice iar pe post de liant avem amidonul, ipsosul, sau rășinile fenol-formaldehidice, lianții pe bază de apă sau silicați. Rezistența acestor modele adesea nu ajunge la valorile cerute, dar prin diverse procedee d finisare putem îmbunătăți aceste cifre, de exemplu prin procedeul de tratare cu rășini epoxidice sau prin sinterizare.

Tehnologiile de fabricație aditive se dezvoltă continuu atât la capitolul tehnologie cât și la materiale, iar proprietățile produsului finit sunt adesea mai bune față de caracteristicile produselor obținte prin tehnologiil clasice.

Dr. Levente Dénes, Docent universitar

 

Intarzia & Castor

Lasa un comentariu

Your email address will not be published. Required fields are marked *

Site în construcție

www.intarzia.ro este sub rebranduire, această pagină fiind o versiune de prezentare, motiv pentru care dacă întâmpinați dificultăți sau întâlniți nereguli, vom aprecia sesizările și sugestiile voastre.

Vă mulțumim pentru înțelegere și cooperare!

Înscrie-te la newsletter INTARZIA

Completează mai jos.