Fabricaţia aditivă prin depunere de filamente de material. Aspecte generale (I)

Articolul de faţă este primul dintr-o serie consacrată procedeului de fabricaţie aditivă (FA) cu depunere de filamente de material cunoscut ca FDM (Fused Deposition Modeling – denumire proprietară a firmei americane Stratasys, www.stratasys.com, principalul producător de maşini bazate pe acest principiu de formare a straturilor de material) sau FFF (Fused Filament Fabrication – denumire a procedeului dată de dezvoltatorii de maşini concepute ca iniţiativă a RepRap, www.reprap.org).

Am ales să ne concentrăm atenţia asupra acestui procedeu având în vedere creşterea spectaculoasă a număru­lui de maşini instalate (tendinţă prezentă şi în România conform semnalelor pe care le avem), în special prin răspândirea maşinilor low-cost, asamblate din kit-uri sau construite de entuziaşti. Această evoluţie s-a manifestat accentuat începând cu 2009, an în care a expirat brevetul deţinut de Scott Crump (co-fondator al firmei Stratasys) pentru FDM, ceea ce a determinat o adevărată avalanşă de modele noi de maşini despre care am discutat în articolele trecute, ca şi o creştere a numărului şi a tipului de aplicaţii în care se folosesc obiecte fabricate prin acest procedeu.

 Procedura de lucru

Ca în orice procedeu de FA, şi în FDM se pleacă de la modelul digital tridimensional al obiectului de fabri­cat. Fişierul în format STL al obiectului, verificat şi corectat în prealabil pentru a evita erorile, este importat în software-ul maşinii (QuickSlice, Catalyst sau Insight pentru maşinile Stratasys, sau Skeinforge pentru cele de tip RepRap). Utilizatorul selectează materialul, grosimea secţiunilor (de exemplu, 0.127-0.332 mm pentru maşinile produse de firma Stratasys), stilul de formare a straturilor şi a structurilor suport – în funcţie de cerinţele specifice legate de aplicaţia pentru care este fabricat obiectul, apoi alege orientarea în care se va face construirea în manieră aditivă. Software-ul de preprocesare secţionează obiectul virtual cu plane paralele între ele şi perpendiculare pe direcţia de construire. Curbele de intersecţie generate prin intersecţia dintre aceste plane şi modelul STL, reprezintă traseele pe care duza de extrudare va depune materialele pentru obiect şi pentru structura suport. Fişierul în format SML (Stratasys Machine Language), care conţine traseele capului de extrudare, este apoi trimis către maşina de FA.

Figura 1: FA prin depunerea de filament de material – schemă de principiu (www.reprag.org)

Obiectul este construit pe o platformă (figura 1), în funcţie de modelul de maşină utilizat, mişcările necesare formării fiecărui strat fiind realizate de capul de extrudare şi/sau de platformă, de exemplu platforma deplasabilă pe axa z, capul de extrudare deplasabil pe axele x şi y sau platforma deplasabilă pe axele x şi y, capul de extrudare deplasabil pe z.

Capul de extrudare poate avea o singură duză care depune material sau două duze care depun rândurile de material pentru piesă şi, respectiv, material pentru structura suport. Filamentul de material este extrudat în stare semi-topită, rândurile şi apoi straturile de material aderând unele la altele până la formarea completă a obiectului. Pentru a obţine o precizie ridicată de fabricare a obiectului, mişcarea de înaintare a filamentului de material în capul de extrudare trebuie să fie cuplată cu mişcarea capului de extrudare, astfel încât în timpul accelerării/decelerării la deplasarea pe traiectoriile de depunere, grosimea filamentului să poată fi menţinută constantă. Dacă diametrul filamentului variază, şi/sau filamentul alunecă printre role, rezultă o curgere insuficientă şi astfel apar defecte (goluri) în piesă.

Figura 2: Formarea a 2 straturi successive prin deplasarea în zigzag a capului de extrudare (-45°, 45)

Depunerea materialului se face prin trasarea mai întâi a perimetrelor exterioare şi interioare ale fiecărui strat, urmată de formarea stratului utilizând anumite modele de umplere, cel mai folosit fiind cel în zigzag (sau raster, figura 2), cu diferite orientări (0°, 90°), (-45°, 45°), (30°, 60°) etc. Aceste valori ale unghiului de raster influenţează caracteristicile mecanice ale pieselor fabricate, cercetările (Ahn, 2002), (Sood, 2010), (Ziemian, 2012) evidenţiind în mod clar această dependenţă. Pe lângă diametrul duzei de extrudare, grosimea stratului şi unghiul de raster, un alt parametru de proces al FDM este distanţa dintre două rânduri adiacente de material. Şi valoarea acestui parametru influenţează rezistenţa mecanică a obiectului fabricat.

În acest context, optimizarea valorilor parametrilor de proces, pentru atingerea diferitelor obiective legate de caracteristicile obiectului fabricat pentru o anumită aplicaţie, reprezintă un subiect foarte important de investigaţie în domeniu (Lee, 2005), (Peng, 2012), (Peng, 2014).

Structuri suport

După fabricarea obiectului, structurile suport utilizate sunt eliminate în două moduri, corespunzătoare celor două variante de structuri ce pot fi construite: prin dizolvare într-un rezervor cu soluţie pe bază de apă, pentru structurile solubile în apă, respectiv prin ruperea legăturii dintre piesă şi structura suport, în cazul structurilor de tip break away (Grimm, 2003).

În FDM se construiesc structuri suport de bază pentru a evita depunerea primului strat de material al piesei direct pe platformă, pentru a asigura că primul strat de material piesă depus este orizontal, pentru părţile în consolă ale pieselor sau pentru pereţii înclinaţi ai acestora, pentru porţiuni independente ale straturilor de material sau pentru construirea cavităţilor.

Figura 3: Structuri suport utilizate la construirea unei piese prin FDM

Structurile suport sunt fabricate ca nişte coloane cu pereţi subţiri (figura 3), putând fi eliminate uşor, fără deteriorarea piesei. În cazul în care atât materialul, cât şi structura suport se construiesc cu aceeaşi duză (situaţie întâlnită frecvent la maşinile, pe care generic le denumim, RepRap), modelul depus pentru suport este mai rar, având o interfaţă slabă cu materialul pentru piesă.

Figura 4 prezintă câteva modele de piese fabricate din ABS (acrilonitril-butadien-stiren). Alte materiale de construcţie folosite în procedeul FDM sunt PC (policarbonat), PC-ABS, PLA (acid poli lactic – material bioplastic) sau PPSU (polifenilsulfonă).

 Figura 4: Exemple de piese fabricate prin FDM

Cauze ale defectelor în fabricaţia aditivă

Obiectele obţinute prin FDM pot prezenta anumite tipuri de defecte, de suprafaţă şi/sau defecte interioare, cauzate de: proces (limitări hardware, software şi de strategia de construcţie a straturilor), caracteristici ale materialului de construcţie (neuniformitatea filamentului, proprietăţile sale mecanice şi/sau reologice etc.) sau de combinaţia primelor două (Argawala, 1996). Aceste defecte trebuie luate în considerare la proiectarea obiectului (v. conceptul de Design for Additive Manufacturing – proiectare pentru fabricaţia aditivă), la alegerea parametrilor de proces pentru FDM şi la stabilirea tipului de operaţii de postprocesare.

Cele mai des întâlnite defecte de suprafaţă, care nu sunt însă caracteristice doar FDM-ului, ci tuturor procedeelor de FA, sunt determinate de efectul de scară (inerent stilului de construire prin suprapunere de straturi de material), respectiv de erorile de aproximare a suprafeţelor curbe cauzate de formatul STL, aşa cum s-a detaliat în articolul din numărul anterior al revistei.

De asemenea, în cazul procedeului FDM, ultimul strat de material depus este striat, din cauza formei filamentului de material, în scopul îmbunătăţirii aspectului suprafeţei fiind necesare diferite operaţii de post-procesare. Informaţii suplimentare referitoare la rugozitatea suprafeţelor obiectelor fabricate prin FDM, pentru trei tipuri de maşini produse de firma Stratasys pot fi găsite în (Grimm, 2003).

Tot în categoria defectelor de suprafaţă pentru obiectele fabricate prin FDM intră şi bavurile cauzate de structurile suport. După cum s-a menţionat anterior, în funcţie de tipul maşinii, materialul pentru structura suport şi materialul pentru prototip pot fi depuse cu aceeaşi duză de extrudare, adică utilizând acelaşi material. În acest caz eliminarea structurilor suport lasă, uneori, bavuri fine sau găuri mici în suprafeţele obiectului care se află în contact cu suportul.

Punctele de pe fiecare strat în care se începe, respectiv se încheie depunerea filamentului de material pentru perimetrul exterior, pot fi vizibile pe suprafaţa exterioară a obiectului dacă mişcarea capului de extrudare nu este coordonată cu cea a rolelor, apărând curgeri în exces, respectiv, în minus. Cu alte cuvinte, dacă rolele care aduc materialul în capul de extrudare se opresc din mişcare prea devreme, există posibilitatea formării unui gol la sfârşitul depunerii perimetrului, iar dacă rolele se rotesc mai mult timp alimentând duza, apare un exces de material ca o aglomerare de material sau o suprafaţă rugoasă (Agarwala, 1996).

În ceea ce priveşte defectele interne ale obiectelor fabricate prin FDM, acestea apar sub forma unor goluri sub-perimetrice cauzate de umplerea incompletă a stratului la schimbarea direcţiei capului de extrudare, în zonele unde segmentele raster se întorc în interiorul perimetrului. Atât diametrul duzei de extrudare, cât şi unghiul dintre rând şi curba perimetru determină mărimea acestor goluri, fiind necesare ajustări ale traiectoriei, în sensul depăşirii perimetrului de capul de extrudare sau prin lărgirea segmentelor de întoarcere pentru a le aduce cât mai aproape de perimetru (Agarwala, 1996).

Goluri în interiorul pieselor mai pot să apară şi din cauza unei legături slabe între rândurile de material, determinată de un diametru neuniform al filamentului sau de o lungime prea mare a rândului, acesta apucând să se răcească până când următorul rând este depus. Totodată, piesele fabricate prin FDM pot prezenta şi deformări şi contracţii cauzate de tensiunile reziduale induse de ciclurile de răcire-încălzire (Peng, 2012). Astfel, pentru a evita apariţia acestor fenomene, mai ales dacă straturile au o suprafaţă mare cu traiectorii lungi de depunere, maşinile FDM profesionale folosesc o temperatură controlată în interiorul spaţiului de lucru, iar maşinile low-cost folosesc o platformă încălzită.

Apariţia unora dintre defectele menţionate mai sus poate fi prevenită printr-o orientare corespunzătoare a obiectului în spaţiul de lucru al maşinii. De asemenea, structura suport (ca volum, poziţie, zone de contact cu suprafeţele piesei), precizia de formă şi dimensională, calitatea suprafeţelor, timpul şi costul de construire sunt şi ele influenţate de orientarea de construire aleasă de operator. Dar despre aceste aspecte vom vorbi în articolul viitor...

Bibliografie:

1. Agarwala, M.K. ş.a., Structural quality of parts processed by fused deposition, Rapid Prototyping Journal, Vol. 2, Iss. 4, pp.4 – 19, 1996

2. Ahn, S., Montero, M., Odell, D., Roundy, S., Wright, P., Anisotropic Material Properties of Fused Deposition Modeling ABS. Rapid Prototyping Journal, Vol. 8, No. 4, pp. 248 –257, 2002

3. Grimm, T., Fused Deposition Modelling: A Technology Evaluation, Time Compression Technologies, Vol. 2, No. 2, pp. 1-6, 2003

4. Lee, B.H., Abdullah, J., Khan, Z.A., Optimization of rapid prototyping parameters for production of flexible ABS object, Journal of Materials Processing Technology. Vol. 169, pp. 54–61, 2005

5. Peng, A. H., Xiao, X. M., Investigation on Reasons Inducing Error and Measures Improving Accuracy in Fused Deposition Modeling, Advances in information Sciences and Service Sciences (AISS), Vol. 4, No. 5, pp.149-157, March 2012

6. Peng, A. H., Xiao, X. M., Yue, R., Process parameter optimization for fused deposition modeling using response surface methodology combined with fuzzy inference system, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2014

7. Sood A., Ohdar R. & Mahapatra, S., Parametric appraisal of mechanical property of fused deposition modelling processed parts, Materials & Design, Vol. 31, No. 1, pp. 287–95, 2010

8. Ziemian, C., Sharma, M., Ziemian, S., Anisotropic Mechanical Properties of ABS Parts Fabricated by Fused Deposition Modelling, Mechanical Engineering Editor Murat Gokcek, pp.159-180, 2012

Diana Popescu  este dr.ing. Universitatea Politehnica din Bucureşti, Facultatea IMST, Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie

• Articol selectat în secțiunea specială Industry 4.0