A

TEH LLING)

R

1. OBIECTUL LUCRARII

Scopul principal al lucririi este cunoagterea teoretic[ gi experimentald, a tehnologiei FDM

(Fused Deposition Modelling) de fabricalie rapidd a prototipurilor.

2. CONSIDERATII TEORETICEt

2.1. P rezentzrea echipamentului

Acest procedeu de fabricare rapidd a prototipurilor (FRP) se bazeazd, pe incdlzirea

materialului de depus pitnd in apropierea punctului siu de topire gi apoi depunerea acestui material

topit acolo unde este nevoie, pentru construirea modelului dorit.

Universitatea Tehnicd din Cluj-Napoca (UTC-N) deline in laboratorul de FRP o magini FDM1650 (Fused Deposition Modeling), fabricatl de firma Stratasys Inc. (SUA).(fig. 1)

Fig. l. Sistemul de fabricare rapidd a prototipurilor FDM 1650 din cadrul laboratorului de FRP al

Universitilii Tehnice din Cluj-Napoca

1

r.!firr,i$rll'tl;

Cheia procedeului const[ in controlul riguros al temperaturii la care este incdlzit gi menJinutmaterialul in timpul depunerii. Materialul utihzaL poate fi un fir din ceard speciald, nylon, poliamidlsau plastic ABS. Incdlzirea firului de ABS se realizeazd la o temperatur[ de 270 oC, la care

materialul se gdsegte intr-o stare semilichidl, el putAnd fi in continuare extrudat, printr-o duza de

diametru foarte mic (0,254 mm sau 0,l27mm).

Duza prin care este extrudat materialul plastic, aflat in stare semilichidi, poate fi deplasatb

impreun[ cu capul de incdlzit pe care este fixatd. Aceastd deplasare se face in planul XY, migcarea

fiind controlati numeric de calculator.

Piesa in construcfie se aflE fixati pe o platforma ce se deplaseazd pe verticald, de-a lungul

axei Z, migcare deasemenea controlatb numeric, de citre echipamentul de comandd al maginii.

In acest fel se poate fabrica o pies6 prin depunere de material acolo unde configurafia piesei

respective o cere. Important este cd timpul de matefializare a unui model virtual, construit pe

calculator, intr-unul fizic ce poate fi folosit mai departe in pregitire a fabricaliei sau direct ca pies6

funclionald, este foarte scurt, in comparafie cu procedeele clasice de fabricafie.

2.2. Principiul de lucru

a) Preprocesorea

Pentru materializarea procedeului FDM sunt necesare o magini FDM (de exemplu magina

FDM 1650) gi o stalie grafici sau un calculator Pentium cu o configurajie performantd, tehnicl de

calcul necesard preludrii unui figier ,,.stl", secfion[rii acestuia in straturi succesive, procesdrii

informafiilor geometrice necesare gi transmiterii comenzilor la magin6.

Gabaritul maxim al pieselor ce se pot fabrica utilizdnd magina FDM 1650 este un cub cu

latura de 250 mm.

Conectarea maginii FDM 1650 la calculator sau la stafia graficd este realizatd printr-o

interfald serial[ de tipul RS-232.

Ca gi la celelalte tehnologii de FRP, datele de intrare privind modelul 3D virtual construit pe

calculator, sunt preluate dintr-un figier de format special, de tip ,,.stl".

Sistemul Stratasys include qi un pachet CAD/CAM specializat (,,QuickSlice"), care poate

incbrca figierul ,,.stl", dupi care urmeazd. celelalte etape de pregltire a datelor pentru maginl.

in primi fazd modelul 3D este orientat in planul XYZ, in 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

diferili pe fiecare ax[ in parte(utilizAnd opliunea ,,lJnequal XYZ"). Scalarea este necesar[ pentru a

compensa erorile care apar datorit[ faptului cb magina lucreazd, Ia temperaturd ridicati(firul de

plastic este extrudat la cald), deci implicit vom avea deformafii pe modelul care va fi fabricat.

frg. 2. Scalarea modelului ,,stl" in cadrul submeniului ,,Orient Stl" al programului ,,QuickSlice"

in continuare are loc generarea secfiunilor prin piesd (,,felierea") utilizdnd comanda ,,Create

Slices", din cadrul submeniului ,,Slice" a ptogramului ,,QuickSlice" (fig. 3), intervalul dintre douisecfiuni fiind de 0, 254 mm. Se observ[ din figur[ in meniul System Setup de asemenea datele

referitoare la tipul de echipament utilizat, in cazul nostru magina FDM 1650, tipul de material de

bazd utrlizat, in cazul nostru ABS P400, respectiv tipul de material pentru suport, in cazul nostru

ABS P400 R. De asemenea sunt precizate date legate de tipul duzei folosite care este Tl2, atdt

pentru materialul debazd, cAt gi pentru materialul pentru suport.

9'ri Lr !a.,r(ra*, :r ] :

r:(:w\. ] "r3:r

xrn:)'.

4:lr:r:: ittr<n t (ri)> t t.r\ J l;n

fig. 3. Generarea secliunilor prin pies[ in cadrul submeniului ,,Slice" a programului ,,QuickSlice"?

in continuare , tot in meniul programului ,,QuickSlice" sunt generali suporfii pentru

suslinereamaterialului piesei, in cadrul submeniului,,supports" (fig.4), acolo unde configurafia

piesei o cere (piesa are o configuralie complexd sau prezintd goluri interioare).

ftg. 4. Generarea supor,tilor in cadrul submeniului ,,Supports" a programului ,,QuickSlice"

Din acelagi submeniu ,, Supports" , pentru creerea suporfilor, utilizdnd comanda ,,Create

Base", este generatdin mod automat baza necesard pentru fabrica[iapiesei(fig. 5). Baza care va fi

construit[ va fi construitd din acelagi tip de material folosit pentru suporfi.

fig. 5. Generarea bazei pentru fabricalia piesei in cadrul submeniului ,,Supports" a programului ,,QuickSlice"

4

O ultima opera{ie pregdtitoare in programul software o constituie generarea traseelor dupd

care se vor deplasa capetele de extrudat atAt pentru materialul debazd,, cAt gi pentru cel de suport.

Acest lucru se face utilizAnd comanda,,Create Roads" din submeniul ,,Roads" al programului

,,QuickSlice"(fig.6). AvAnd aceste trasee generate in programul soft, magina va primi comenzi, capul

de extrudat generAnd in priml fazd, conturul piesei din stratul curent, dupl care va umple golurile din

secJiunea curent[ dup[ aceste trasee stabilite, operafie care se va repeta gi in secfiunile urmdtoare,

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

$ir $;: idr"j*t$t:r"1^id, (:relb: :.,-.!21'dth' :i\{t*r*

'r 7'

__Nrtfr} tllrtlrl lilttE:

,11!r:rrrnt(:1it, : :

i"."': l'..'i i----l

fig. 6. Generarea traseelor pentru deplasarea capetelor de extrudat in cadrul submeniului ,,Roads" a programului

,,QuickSlice"

Figierul va fi salvat in final ca gi figier de tip ,,sml", figier care va fi recunoscut in continuare

de cbtre magina FDM. Se inchide programul software ,,QuickSlice".

Se trece la magin[, verificAnd cu ajutorul meniului maginii (fig.7), dacd sunt sau nu sunt

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

meniul maginii, apis6nd butonul ,,LOAD" pentru model. Materialul plastic incepe sd curgd prin

duz6. ApisAnd din nou butonul ,,LOAD", curgereamalerialului plastic prin duza pentru materialul

debazd (pentru model) se opregte. Pentru a verifica acelapi lucru pentru materialul pentru suport, se

apasl butonul ,,MODEL SUPPORT" din meniul maginii o datd, dupd care este acfionat butonul

,,LOAD" o datd pentru verificarea curgerii gi incd o dat6 pentru oprire. in cazul in care materialul

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

cumva capul de extrudat este infundat.

frg.7. Meniul de comandi al maginii FDM 1650 pentru verificarea curgerii materialului plastic prin duzele de

extrudat

Se va verifica de asemenea temperatura pe duzele de extrudat, respectiv din incint5 sd fie latemperatura setat6. Acest lucru se poate verifica pe panoul de control al maginii. Pentru rczultate

optime nu este indicat a porni fabricalia dec6t in momentul in care temperatura setat5(programatd) a

fost atins[. Panoul de control al maginii FDM 1650(fig. 8) afrseazd, atAt valorile efective ale

temperaturilor de lucru(cu verde) cAt li pe cele programate(cu rogu) ale:

o materialului piesei

o materialului pentru suporli

. incintei de lucru

Temperaturile recomandate de lucru depind de tipul materialului folosit.

fig. 8.Panoul de control al maginii FDM

Pentru a porni fabricalia modelului se deschide in continuare programul ,,FDM SEND",

program care servegte pur gi simplu ca interfald intre magind gi calculator. Cu ajutorul programului

,,FDM SEND", se incarcl figierul de tip ,,sml" salvat in programul ,,QuickSlice". Magina igi ia un

punct de zero al maginii. Butonul ,,PAUSE" dotat cuun led incepe sd semnalizeze intermitent. in

momentul in care acest buton este aclionat fabrica[iapropriu zisd a modelului incepe prin construirea

bazei mai int6i, respectiv a modelului cu suporli in continuare.

Existd posibilitatea din interfaJa maginii de a comanda pozilionarea in zona de lucru pe cele

trei axe, dupl ce magina gi-a luat punctul de zero,in cazul in care nu dorim ca fabricalia s5 inceapl

din punctul de zero al maginii. Aclionarea butonului ,,PAUSE" in acest caz va porni fabricalia pe

platforma de lucru in pozifia noud carc i-a fost indicatd.Pozilionarea pe platforma de lucru se va face

astfel incAt capul duzei pentru materialul de suport sd intre aproximativ 0,I - 0,2 mm in platforma

maginii, platforma fiind constituitl dintr-un material de tipul unui burete special.

b) Fabricayia propriu-zisd

Firul de plastic, care se desfrgoard de pe o rol[, intrd in capul de incdlzit unde incdlzirea are

loc pdnd in apropierea punctului de topire (cu circa I oC sub punctul de topire) (fig.g.).

llriticiu;.

* ralitx at

t",,..i

:-\-i *'-^ Platfrrn::a

Coloane

al maginii FDM 1650I de lucruFig.9.

Atunci, materialul termoplastic aflat in stare lichidd este extrudat gi depus in straturi subliri.Fabricarea piesei se face in straturi gi prin acest procedeu. Aceasta inseamnd cd doar dupd terminarea

completd a unui strat se trece la stratul urmdtor. Depunerea incepe cu stratul de la bazapiesei.

Materialul topit pentru depunere este precis laminat la iegirea din duzi gi este depus acolo

unde configuralia piesei din stratul respectiv o cere, migcarea duzei in planul XY fiind imediat

controlatd numeric.

Dupd depunere, plasticul lichid se solidificd foarte rapid, fiecare strat ader6nd perfect la cel

depus anterior.

Magina FDM 1650 are gi un al doilea fir de plastic, utilizat ca material de suporfi, care este

depus prin cea de-a doua duzd. (fig.10.)

Fig. 10. Duzele maginii FDM 1650 - pentru extrudarea materialului debazd,. respectiv pentru extrudarea materialului

pentru suporfi

Metoda de fabricare a suporlilor se bazeazd,pe principiul de depunere de material topit, ca gi

metoda de fabricare apiesei propriu zise.

Depunerea suporlilor se face strat cu strat, la fel ca materialul piesei. Dupd depunerea

materialului piesei din stratul curent, inainte de a se trece la stratul urmdtor, se depune materialul

pentru suporfi din stratul curent, pentru suslinerea (doar acolo unde este cazul) stratului urm[tor.

Pentru a creqte productivitatea fabricafiei, suporfii se construiesc cu o structura lamelard

(fig. 11). in acest fel se consumd mai pulin material pentru suporfi gi acegtia se pot separa mai ugor

de cdtre materialul piesei.

Fig.1 l. Exemplu de piesd cu suporfi. Se observS structura lamelard a materialului pentru suporli

Caracteristicile tehnologice importante ale procedeului FDM sunt viteza mare de lucru gi

condiliile de perfecti securitate a muncii. Magina Stratasys FDM 1650 se preteazd,foarte bine pentru

a fi amplasat[ gi in ateliere de proiectare, nu doar in secfiile de produclie sau atelierele de prototipuri.

Se pot fabrica piese prin depunere de material topit, utiliz6nd urmatoarele materiale:o Ceard pentru modele ufor fuzibile. Plastic P301

. Plastic ABS P400

Fiecare din aceste materiale se livreazd, sub forma de fir (de cca 1,3 mm diametru) infrguratpe mosor, ca in figura 2. Este important[ pistrarea acestor materiale intr-un loc cu umiditate scdzutd,.

c) Postprocesarea

Dupd fabricarea pe magina FDM 1650 prin depunere de material topit, piesa este lipitd de

suporlii care au avut doar un rol tehnologic gi care acum se inldturd manual. Cu jutorul unui culit se

desprinde intAi baza piesei de pe fundalia din burete. in continuare urmeazd, separarea tuturor

supor{ilor care au sus{inut piesa in timpul construcfiei. Se pot utiliza diverse scule manuale: foarfecd,

penset6, culit etc.

Pentru imbun[tdlirea calitdlii suprafelelor piesei, se pot utiliza gi procedee mecanice de

finisare. Uneori rugozitatea suprafefelor exterioare poate fi imbune1.5i1'5 gi prin acoperirea cu un strat

subJire de vopsea.

Precizia dimensionald a pieselor fabricate prin procedeul FDM este de circa 0.125 mm pe

axele xyzin cadrul unui volum de lucru de dimensiuneaunui cub cu laturade250 nrm.

3. DESFA$URAREA LUCRARII

Dupd studierea lucrdrii studenlii vor face cunogtinfi efectivi cu magina, urmdrind procesul de

fabricalie pe un studiu de caz ce va fi fabricat pe echipamentul FDM.

Se va analiza piesa fabricatd, gi se vor face aprecieri asupra complexitetii piesei, respectiv a

calitalii gi preciziei pieselor prelucrate pe echipamentul FDM. De asemenea vor fi analizate aspecte

ce privesc rolul, locul gi utilitatea tehnologiilor de fabricare rapidd a prototipurilor in cadrul

tehnologiilor de fabrica{ie.

4. APLICATII INDUSTRIALE $I CONCLUZfi

Existd posibilitatea ca modelele FDM sI fie utilizate direct ca piese funcfionale nemetalice, in

producJia de prototipuri, unicate sau serie micd.

Aplicabilitatea cea mai largd a acestor modele FDM este insi posibilitatea lor de a fi uttlizate

cu succes in tehnologia de fabric are a sculelor gi matrilelor, mai ales pentru produc{ia de serie micd

gi mijlocie.

In continuare se vor prezenta succint c0teva din procesele tehnologice de fabricare a sculelor

gi matrifelor, care utilizeazd cu succes modelele FDM.

a) Turnarea cu modele ugor fuzibile.Primele magini Stratasys fabricau doar piese din cear6 , care se utilize azd ca modele pentru

turnarea cu modele ugor fuzibile.

Singura problemd care apare la turnarea pieselor complexe o constituie distorsiunile spaliale

care rezulti datoritd contracfiei la rdcirea piesei metalice.

Modelele FDM fabricate din alte materiale decAt ceara (de exemplu ABS sau plastic P301)

sunt mai greu de utilizat la turnarea cu modele ugor fuzibile deoarece, dupd formarea crustei, topirea

modelului ini{ial se realizeaza mai greu, piesa trebuind incdlzitd in cuptor (la cca. 280 "C). Cu toate

acestea, plasticul topit are o fluiditate destul de b nd in urrna curgerii rimAn6nd o cavitate curati incare se poate turna metal. Oricum, este mai dificil decAt Ia utilizarea modelelor FDM din ceard,

unde, pentru topirea gi evacuarea modelului din cavitate, este suficientd scufundarea crustei in apd

fierbinte.

Modelele FDM sunt ideale pentru fabricarea formelor gi matrilelor de turnare. De exemplu

cei care utilizeazb forme din cauciuc siliconic sau din r[gini epoxidice pot folosi modelul FDM ca un

model master. Modelul FDM servegte ca o modalitate raptdd gi ugoar[ de creare a prototipului sau

de fabricare a sculelor pentru o serie micd de fabricalie.

Prototipul poate servi ca model pentru multe metode de turnare, inclusiv turnarea in forme

din cauciuc siliconic, turnarea in nisip sau turnarea in matrife. Folosirea modelelor RP la fabricarea

matrilelor de turnare cAgtigd teren deoarece poate reduce drastic timpul gi costurile pentru

prelucrarea unui prototip din aluminiu sau zinc.

b) Fabricarea pieselor din mase plastice.

Firmele care folosesc RP cautl beneficii ale acestei noi tehnologii gi dincolo de posibilitatea

de a produce modele 3D frzice, rapid gi precis. Odatd produs, modelul RP poate fi folosit in

continuare in procesul de fabricafie.

Modelul FDM poate fi acoperit prin pulverizare de metal topit pentru a obline matrife de

injectat mase plastice destinate producfiei de serie mic[ a pieselor. Precizia modelelor Stratasys

permite folosirea modelului in procesul de acoperire metalicS prin pulverizare cu metal topit.

Materialul plastic utilizat de Stratasys are stabilitatea qi durabilitatea cerutd unui suport pentru

acoperiri metalice.

Etapele principa e care se parcurg in cadrul unui proces tehnologic de acest fel sunt

urmdtoarele:

. Fabricarea prin RP a modelului FDM, cu unghiuri inclinate, tindnd cont de viitoarele

deformalii ale polimerului ce va fi turnat;

o Incadrarea modelului, ad[ugarea miezurilor prelucrate sau turnate;

. Acoperirea suprafelei cu agenti specifici;

. Incadrarea intr-un schelet de aluminiu;

o Pulverizarea de metal topit pe suprafala respectivd.

Succesul procesului de acoperire cu metal pulverizat a modelelor oblinute prin FRP necesitd

o bun[ cunoagtere a metodelor de fabricafie respective gi a proprietblilor materialelor folosite.

l0

c) Modelarea conceptului.

Prototipul sau modelul frzic insugi poate fi foarte util fabricantului. Materializareaconceptului nou de proiectare printr-un model fizic (fig. 12.), poate cregte calitatea comunicdrii,permilAn d vizualizarea mult mai bun[ decAt orice modelare virtualS pe calculator. Modelul FDMdevine deasemenea gi un instrument de verifi carc aproiectdrii CAD.

In cadrul unor echipe multidisciplinare, modelul frzic faciliteazd comunicarea intre membrii

echipei. Fabricantul in general va trimite un model FDM sau alt model fizic ob{inut prin FRP c6tre

sub-contractori, pentru a evalua costurile de fabricafie. Prototipul este in astfel de situalii foarte utilpermifAnd fabricantului o mai ugoard descifrare a modelului CAD gi evidenliind eventualele tr[s[turiale piesei care ar putea ridica probleme dificile de fabricaJie. Dac[ astfel de probleme sunt

descoperite in acest stadiu, atunci ele sunt ugor de eliminat, deoarece modificdrile necesitd pulin timpgi deoarece inci nu s-au lansat in fabrica{ie matrite metalice sau alte scule costisitoare.

Fig.12. Exemple de piese fabricate prin FDM, in cadrul Centrului de FRP, din cadrulUniversit[fii Tehnice din Cluj-Napoca, Facultatea de Constructii de Magini.

CONCLUZil

Abilitatea de a produce rapid gi precis un model fizic permite fabricantilor sd imbun[t[teasc[

calitatea gi productivitatea proceselor de producfie.

Ingineria concurenti este cuv6ntul cheie in dezvoltarea produselor noi, acum la intrarea in

mileniul urmator. Ingineria concurentd,va implica utilizarea unei singure baze de date de la fazade

proiectare a unui produs pAnd la etapa de fabricare gi control a produsului respectiv.

Modelele fabricate prin RP sunt nigte instrumente care vor facilita implementarea ingineriei

concurente.

FRP va pennite bazarea exclusivb pe datele CAD in proiectare gi reducerea nevoii de desene

tehnice gi in industria din Romdnia.

ll