Piese test pentru fabricaţia aditivă

Evaluarea performanţelor unui sistem/mașină de fabricaţie aditivă (FA) presupune măsurarea directă a caracteristicilor sau a elementelor sale componente, precum şi măsurarea caracteristicilor pieselor fabricate utilizând acel sistem/mașină. De-a lungul anilor, în lipsa unui standard în domeniu, au fost dezvoltate mai multe modele de piese test care permit atât evaluarea individuală, cât și compararea diferitelor procedee de FA. Scopul acestor piese test (sau de referinţă – benchmark) este acela de a permite evaluarea cantitativă a performanțelor unui sistem de FA, contribuind astfel la evidenţierea limitelor şi a punctelor tari ale fiecărui procedeu, maşină şi combinaţie procedeu – mașină – material.

În acest context, articolul prezintă o sinteză a unora dintre cele mai importante modele de piese test dezvoltate și utilizate în fabricația adi­tivă de-a lungul anilor, urmărind astfel să ofere tuturor celor interesați informații despre modalitățile în care pot fi evaluate, individual și comparativ, mașinile și procedeele de FA.

Piesele dezvoltate de diferiți autori sau firme includ elemente geometrice (features) având diferite dimensiuni, orientări față de direcția de con­struire și poziții de fabricare în interiorul spațiului de lucru – piese test geometrice.

Aceste forme geometrice permit evaluarea uneia sau a mai multor caracteristici: repetabili­tate, precizie de formă, precizie dimensională, calitate a suprafețelor, capacitate de fabricare a pereților subțiri, a părților în consolă, a suprafețelor sferice sau a celor cu forme libere, dimensi­uni minime și maxime fabricabile, influența poziției de construire asupra preciziei și a rugozității suprafețelor etc.

De asemenea, au fost dezvoltate și modele test pentru evaluarea caracteristicilor mecanice ale pieselor care pot fi fabricate pe o anumită mașină de FA, sau piese test fabricate prin varierea parametrilor de proces (stil de construire a stratu­lui, setări ale parametrilor de proces, orientare de construire etc.) care permit îmbunătățirea proce­selor existente sau caracterizarea și testarea de noi materiale.

Încă din 1992, Richter și Jacobs au stabilit un set de cerințe care ar trebui respectate de o piesă test „ideală”, iar, în timp, acestora li s-au adăugat alte criterii rezultate din experiența acumulată din utilizarea altor piese test, dar și din evoluția sistemelor de FA:

• ,,Să aibă un număr suficient de elemente geometrice de dimensiuni mici, medii și mari;
• Să conțină forme geometrice care să asigure repetabilitatea măsurătorilor;
• Să conțină forme geometrice poziționate în diferite zone ale spațiului de construcție;
• Să fie ușor de măsurat;
• Să nu consume mult material pentru con­struire;
• Să nu consume mult timp pentru construire;
• Să nu necesite operații de post-procesare care să influențeze rezultatele măsurătorilor;
• Să conțină cât mai multe elemente geome­trice „reale”: găuri, bosaje, canale, buzunare, fante, pereți subțiri.

Studiul literaturii din domeniu arată că există peste 30 de modele de astfel de piese test proiectate atât de cercetători independenți, cât și de producători, și fabricate pe diferite mașini prin procedee ca Fused Deposition Modeling (FDM), Stereolitografie (SL), 3DPrinting, Selective Laser Sintering (SLS), Laminated Object Manufacturing (LOM), Direct Metal Laser Sintering (DMLS), EBM (Electron Beam Melting) etc. Cele mai cunoscute astfel de piese test sunt prezentate sintetic în tabelul 1.

Se observă că predomină piesele test geo­metrice care conțin găuri sau cilindri cu axele orizontale sau verticale, canale sau fante, părți în consolă, pereți subțiri, pereți înclinați, bosaje de forme cilindrice sau paralelipipedice, de obi­cei multiplicate de-a lungul direcțiilor x și y. De asemenea, aproape toate piesele test conțin și elemente care permit evaluarea rugozității suprafețelor.

Dimensiunile în planul xy ale pieselor test analizate sunt de maxim 250mm x 250mm. Cele mai mici elemente geometrice au dimen­siunile de 0,25mm pentru grosimea peretelui, 0,2mm pentru diametrul găurilor și al cilindrilor – pentru piese din polimeri, respectiv 0,5mm diametrul găurilor și al cilindrilor – pentru piese metalice.

Alte câteva concluzii care au putut fi extrase din studii prezentate ca referinţe:

• procedeul de stereolitografie asigură cele mai bune performanțe în termeni de precizie dimensională și de formă, atunci când se compară caracteristicile pieselor din materiale plastice;
• în ultimii ani se observă o concentrare a atenției către testarea comparativă a procedeelor de FA care produc piese metalice, având în vedere că din această categorie se selectează, de obicei, prototipurile funcționale;
• deși procedeele de FA oferă avantajul fabricării de ansambluri de piese în mod direct, fără asamblare, în literatura din domeniu nu este prezentată problema proiectării și a utilizării unui ansamblu test care să permită evaluarea capacității anumitor procedee sau mașini de a construi ansambluri cu valori prescrise ale jocurilor între componente.

O asemenea abordare bazată pe utilizarea pie­selor test poate constitui o soluție eficientă atunci când se dorește, de exemplu, cumpărarea unei mașini de FA, iar variantele oferite de piață sunt multiple – așa cum este cazul mașinilor bazate pe procedeul fabricare prin depunere de filamente de material, FDM.

Pornind de la tipul major de aplicație/obiect pentru care se achiziționează mașina, cu alte cuvinte, de la o listă de caracteristici pe care trebuie să le îndeplinească obiectul, se pot alege unele dintre formele geometrice prezentate în piesele test din acest articol și se poate proiecta un model test propriu care să fie fabricat pe fiecare dintre mașinile luate în considerare (în scopul reducerii costurilor se recomandă ca această listă de mașini să fi fost anterior redusă prin aplicarea altor criterii de selecție, cum ar fi cost mașină, cost consumabile, dimensiune a zonei de lucru, tip de material de construcție, software etc.).

Piesele fabricate sunt apoi măsurate, putând fi evaluate comparativ, furnizând astfel argumente măsurabile care să susțină decizia selectării unui anumit sistem de FA.

 Bibliografie

1. J. Richter, P. Jacobs, Accuracy in Rapid Prototyping & Manufacturing, Society of Manufacturing Engineers, 1992, pp.287-315

2. M. Mahesh, Y. S. Wong, Y. H. Fuh, H. T. Loh, Benchmarking for comparative evalu­ation of RP systems and processes, Rapid Prototyping Journal, Vol. 10, Number 2, 2004, pp.123-135

4. N. P. Juster, T. H. C. Childs, “Linear and geometric accuracies from layer manufac­turing” CIRP annals, Vol. 43, Number 1, 1994, pp.163- 166

5. R. Ippolito, L. Iuliano, A. Gatto. Benchmarking of Rapid Prototyping Techniques in Terms of Dimensional Accuracy and Surface Finish. Annals of the CIRP. 44, 1995, pp.157-160

6. J.P. Kruth ș.a., Benchmarking of different sls/slm processes as rapid manufacturing technique, Int. Conf. Polymers & Moulds Innovations (PMI), Gent, Belgia, 2005

 English summary

This article is a review of several important test parts developed over the years for the Additive Manufacturing (AM) field. Performances of differ­ent AM systems and processes can be individually and comparatively assessed using geometric, process or mechanical benchmark parts pro­posed in different studies by researchers or AM systems’ producers.

DIANA POPESCU este dr. ing. UPB., Facultatea IMST, Departamentul MSP

• Articol selectat în secțiunea specială Industry 4.0