Fabricarea de ansambluri utilizând procedeul de fabricaţie aditivă prin depunere de filament de material (I)

Fabricaţia aditivă (FA) oferă incontestabilul avantaj de a crea obiecte cu forme geometrice complexe, ca şi ansambluri cu componente statice sau mobile care nu necesită asamblare (figurile 1-2). Cu toate acestea, procedeele de FA nu oferă în sine o garanţie a respectării cerinţelor proiectanţilor – în termeni de precizie de formă și dimensiuni, calitate a suprafețelor, timp și cost de fabricație, rezistență mecanică etc. – în conformitate cu rolul funcţional al obiectului/ ansam blului respectiv. Astfel, formele geometrice (ex. găuri, pereți subțiri, pereţi cu grosime variabilă, părţi în consolă etc.) și caracteristicile obiectelor printate 3D (ex. rezistența mecanică, precizie de formă, precizie dimensională) depind de procedeul de FA utilizat, de materialul de construcţie, de parametri de proces (stabiliţi în funcţie de tipul de procedeu, maşină, material şi de tipul de aplicaţie), ca şi de orientarea în care se construieşte obiectul (ex. structură suport, rezistenţă mecanică, calitate a suprafeţelor/efect de scară). Proiectantul trebuie să aibă în vedere toate aceste aspecte şi interdependenţe. În plus, experienţa practică în utilizarea unei maşini de FA şi fabricarea cât mai multor obiecte cu diferite setări ale parametrilor de proces sunt necesare pentru a asigura că într-adevăr ceea ce este proiectat va fi şi realizat fizic respectând exact specificaţiile.

Subiectul propus în acest articol se înscrie în abordarea Proiectare pentru FA (Design for Additive Manufacturing) care are în vedere identificarea și respectarea constrângerilor impuse de specificul acestei tehnologii asupra design-ului unui obiect/ansamblu (mai recent [1][2][3]). De exemplu, în scopul elaborării unor reguli de proiectare pentru piese obținute prin FA, [4], [5] clasifică și analizează elemente geometrice standard, dar doar pentru procedeele SLS (Selective Laser Sintering), SLM (Selective Laser Melting) și FDM (Fused Deposition Modeling).

Deși mai multe aplicații software permit verificarea „printabilității” unui obiect (MeshLab, MeshMixer etc.), acestea realizează doar o analiză a formelor geometrice care compun piesa sau ansamblul, fără a face diferența dacă este vorba de o singură piesă, de un ansamblu de piese statice sau un ansamblu cu piese în mișcare. În plus, având în vedere varietatea de aplicații ale FA, procedee, materiale și mașini, aceste software-uri nu oferă sugestii de proiectare, ci doar informații ce trebuie apoi interpretate de proiectant. Literatura de specialitate prezintă puține informații legate de proiectarea ansamblurilor fabricate direct prin FA, atenția articolului fiind  concentrată în această direcție pe care o considerăm importantă.

Analiza studiilor în domeniu a condus la concluzia că, deși utile, actualmente nu sunt formulate suficiente reguli care să susțină inginerul în procesul de proiectare a ansamblurilor care conțin cuple cine matice fabricate prin procedeul FDM sau prin alte procedee de FA. Studiile analizează doar capacitatea procedeelor de FA de a fabrica direct ansambluri și cuple cinematice, [6] prin Direct Metal Laser Sintering, [7] și [8] pentru SLM, [9] pentru PolyJet și din diferite materiale. În toate aceste studii sunt construite mai multe tipuri de cuple, cu anumite valori ale jocurilor, dar nu sunt stabilite explicit reguli care să permită corelarea valorii jocului cu cea a orientării de construire sau a parametrilor de proces, de exemplu. Nici articolul de față nu își propune să realizeze un astfel de studiu exhaustiv, ci doar să prezinte situația actuală a domeniului și să ofere utilizatorilor și proiectanților începători idei practice despre cum pot determina singuri valorile optime ale jocurilor între componente prin realizarea câtorva ansambluri de tip test fabricate prin procedeul FDM.

În cazul ansamblurilor care conțin piese în mișcare, evaluarea mobilității mecanismelor, vizualizarea limitelor de mișcare ale cuplelor, identificarea punctelor sau a zonelor de singularitate, vizualizarea spațiului de lucru etc. [10] reprezintă o etapă obligatorie a procesului de dezvoltare a ansamblului (produsului) respectiv. Aceste obiective pot fi atinse prin obținerea unui prototip fizic (prin FA) al ansamblului respectiv și, din acest punct de vedere, este necesar să se cunoască valorile minime ale jocurilor în cuple care permit realizarea mișcării între componente. Și pentru situația proiectării de ansambluri cu componente fixe trebuie luată în discuție prescrierea corectă a dimensiunilor și a toleranțelor pentru obținerea de ansambluri cu ajustaje cu joc sau cu strângere, de exemplu.

• FOTO 1. Exemple de ansambluri fabricate direct (fara asamblare) prin procededul FDM (modele de pe www.thingiverse.com [13-15] și www.stratasys.com [16]) Nota: de exemplu, ansamblul cu roți galbene a fost construit cu doua valori ale grosimii stratului, meținând aceeași valoare a jocului între componente – ca rezultat, unul dintre ansambluri poate fi mișcat, celalalt nu (cel cu grosimea mai mare a stratului)

• FOTO 2. Imagine din timpul construirii unui ansamblu [13] cu evidenţierea zonelor dintr-un strat în care se observă jocul între componentele în mişcare

În același context se pune și problema eliminării structurii suport dintre componente astfel încât să fie posibilă funcționarea corectă a ansamblului. Astfel, valoarea jocului depinde de geometria cuplei, de tipul de procedeu de FA utilizat și de rezoluția aces­tuia, de parametri săi de proces, dar și de orientarea de construire, de poziția structurii suport și, bineîn-țeles de tipul materialului utilizat.

Spre exemplificare, în figura 3 este prezentat un ansamblu care conține un canal T în formă circulară. Acest ansamblu a fost fabricat pe imprimanta 3D Mojo de la Stratasys (procedeul FDM), cu diferite valori ale jocului între componente. Pentru această mașină și material ABS producătorii [11] sugerează un joc între componente de 1mm în plan vertical și de 0,5mm în plan orizontal. Teste au fost realizate cu valori de 0,6mm și 0,7mm în plan vertical, 0,3mm și 0,4mm în plan orizontal. La aceste valori compo­nentele ansamblului construit nu se puteau mișca. Testele au continuat cu valori are jocurilor de 0,5mm în plan orizontal și de 0,9mm și 0,8mm în plan verti­cal, ansamblurile astfel obținute putând fi mișcate (fig.3). Se menționează că structurile suport pentru aceste ansambluri au fost eliminate prin dizolvarea acestora într-o soluție apoasă (apă cu pastilă Eco Works, Stratasys) și nu prin rupere.

• FOTO 3. Exemplu de ansamblu fabricat fără asamblare prin procedeul FDM (a. Model virtual, b. Secţiune prin modelul virtual, c. Modele fizice fabricate cu diferite valori ale jocurilor între componente)

Tot conform producătorilor, valori mai mici ale jocurilor pot fi obținute prin utilizarea altor procedee de fabricație (Polyjet) sau a altor mașini (de exemplu, mașina Fortus, material ABS, duză T12, 0,36mm în plan vertical și 0,31mm în x/y) [11]. Regula ar fi ca valoarea jocurilor să fie de 3-4 ori mai mare decât rezoluția minimă oferită de mașină [12], dar pentru o valoare exactă este necesar să fie realizate teste. Construirea ansamblurilor, cu valorile menționate ale jocurilor, s-a realizat în două orientări, și anume cu axa găurii orientată paralel, respectiv perpendicular pe direcția de fabricație (axa z).

Legat de structura suport și de eliminarea aces­teia, în figura 4 sunt prezentate mai multe secțiuni prin ansamblul din figura 3a, la diferite niveluri succesive de-a lungul axei z. Spre exemplificare, s-a realizat o analiză utilizând software-ul Catalyst de la Stratasys (software-ul Print Wizard al mașinii Mojo nepermițând analiza strat cu strat a piesei de fabricat). Se observă materialul suport blocat între componentele ansamblului. Astfel, sunt necesare modificări ale design-ului care pot viza, de exemplu, realizarea de găuri (cu dezavantajul afectării rezistenței pieselor) care să permită soluției de dizolvare să ajungă în zona structurii suport. Cu alte cuvinte, proiectantul trebuie să aibă în vedere găsirea unei vari­ante de eliminare a structurilor suport printr-o orientare corespunzătoare a ansamblului, prescrierea anumitor valori ale parametrilor de proces, alegerea unui anumit procedeu de FA sau modificarea design-ului ansamblului.

• FOTO 4. Structură suport între componente mobile care nu poate fi eliminată în orientarea analizată + straturi succesive (verde – material model, albastru – material suport) – software Catalyst, Stratasys

În continuare vor fi realizate și vor fi prezentate într-un articol viitor, mecanisme cu canal T liniar, mecanisme cilindru-piston sau cuple sferice, toate în diferite orientări de construire. Scopul final al acestor teste este acela de a determina valorile minime ale jocurilor pentru diferite ansambluri cu componente mobile fabricate din ABS pe imprimanta 3D Mojo. Operatorii altor tipuri de imprimante FDM pot proceda similar pentru completarea cunoștințelor despre mașinile lor, astfel încât proiectanții să aibă datele necesare proiectării și dimensionării corecte a ansamblurilor mobile fabricate prin depunere de filament de material.

 Bibliografie

1. Ponche, R. et al. (2014), A novel methodology of design for Additive Manufacturing applied to Additive Laser Manufacturing process, Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 30:389-398

2. Salonitis, K., et al. (2015), Redesign Optimization for Manufacturing Using Additive Layer Techniques, Procedia CIRP, 36:193-198

3. Yang, S., Zhao, Y.F., (2015), Additive manufacturing-enabled design theory and methodology:a critical review, Int J Adv Manuf Technol, 80:327-342