A L E X A N D R U V O I N E A

Printarea 3D. Noţiuni fundamentale.

curs 1

2

Cuprins

Ce este tehnologia de Fabricaţie Aditivă sau Printare 3D?

Scurt istoric

Etape de lucru

Tipuri de procedee

Domenii de aplicare

Materiale

Avantaje şi dezavantaje

3

Definiţie (conform standardului ISO/ASTM 52921/2013):

Fabricaţia Aditivă (FA) sau Printarea 3D reprezintă “procesul de alipire

a materialelor pentru a obţine piese/obiecte pe baza datelor modelului

virtual 3D, de obicei strat peste strat, spre deosebire de fabricaţia prin

eliminare de material și de procedeele de fabricație prin redistribuire de

material”.

Eliminare de

material

Redistribuire de

material

Adăugare de

material

4

Ideea, acum considerată simplă și directă, că un obiect

poate fi format prin suprapunerea de straturi de material

(adică într-o manieră aditivă), spre deosebire de procedeele

de fabricație tradițională prin distribuire de material (cum ar

fi ar turnare, injecție în matriță etc.) sau prin eliminare de

material (cum ar fi găurire, frezare etc.).

Nume alternative: Rapid Prototyping (numele inițial),

Printare 3D, Fabricație strat cu strat, Fabricație Directă,

Fabricație Digitală Directă, Fabricație Stratificată etc.

5

Charles Hull şi prima maşină de Fabricaţie Aditivă (Printare 3D) - SLA 1

6

Scurt istoric

1986 – Brevetul pentru sterelitografie şi prima maşină produsă – SLA,

Chuck Hull

1987 – Brevetul pentru SLS - inventator Carl Deckard (Univ. of Texas)

1988 - Brevetul pentru FDM - Scott Crump (Stratasys Inc.)

1992 - Vânzarea primei maşini de SLS-SinterStation 2000 (DTM Corp.)

1993 - Brevetul 3D Printing (MIT), cumpărat în 1995 de Z-Corporation

Company

1995 – Lansarea Selective Laser Melting (SLM) şi a Direct Metal Laser

Sintering (DMLS)

2002 - Envisiontec GmbH vinde prima maşină Bioplotter

2003 - EOS introduce prima maşină EOSINT M270 pentru modele

metalice

2006 – Apariţia primelor mașini din gama RepRap

2009 - Expirarea brevetului pentru procedeul FDM

2013 – Adoptarea primelor standarde în domeniul FA

2014 - Expirarea a două alte brevete (3D Printing și sinterizarea laser)

2015 – Apariţia tehnologiei revoluţionare CLIP (Continous Liquid

Interface Production)

7

Flux de lucru (etape de lucru) în Printarea 3D:

- Reprezentare/model solid virtual 3D sau de suprafață:

- Aplicații software 3D CAD (cum ar fi: 123D Design, SolidWorks, Solid

Edge, Siemens NX, CATIA, Creo, Rhino, Google Sketchup, OpenCAD,

etc.)

- Nori de puncte, date de scanare generate de un echipament de scanare

3D în abordare de tip Inginerie Inversă (Reverse Engineering (RE))

- Date de scanare medicală de tip Tomografie Computerizată sau

Rezonanță Magnetică

- Modele 3D de pe site-uri dedicate, ex. Thingiverse, GrabCAD etc.

-Secționare: modelul virtual al piesei sau ansamblului este exportat în format

STL sau AMF, importat în software-ul mașinii și secționat cu plane paralele și

perpendiculare pe direcția de construire.

- Generarea traseelor de depunere,solidificare etc. a materialului: datele de

intersecție generate în etapa de secționare reprezintă traiectoriile parcurse de

capul de extrudare, capul laser etc. pentru crearea fiecărui strat.

- Suprapunerea straturilor pentru formarea obiectului.

- Post-procesare.

8

9

FDM – Fused Deposition Modeling

SL – Stereolitografie

SLS/SLM – Selective Laser Sintering/Selective Laser

Melting

DMLS – Direct Metal Laser Sintering

Hybrid Manufacturing – Fabricatie hibrida

3D Printing

Polyjet

LOM – Laminated Object Manufacturing

LENS – Laser Engineered Net Shaping

CLIP - Continous Liquid Interface Production

Procedee de fabricatie aditiva

10

Exemple de piese şi aplicaţii FDM

11

Modele de

obiecte

FDM

Exemple de piese şi aplicaţii FDM

12

Obiecte obținute prin

stereolitografie

13

Obiecte

SLS

14

Obiecte

DMLS

15

Exemple de piese 3DP

16

Obiecte

Polyjet

17

Eliminarea structurii suport în care este format

obiectul - postprocesare:

https://www.youtube.com/watch?v=PVijnaDz2Eo

Obiecte obtinute prin procedeul LOM

18

Piese LENS

19

Exemple de obiecte obţinute prin printare 3D (1/4)

20

https://www.youtube.com/watch?v=wdRswasftfI

Exemple de obiecte obţinute prin printare 3D (2/4)

21

Exemple de obiecte obţinute prin printare 3D (3/4)

22

Exemple de obiecte obţinute prin

printare 3D (4/4)

23

https://www.youtube.com/watch?v=lsTiWYSfPckMecanisme din metamateriale

24

25

Materiale în FA:

- Plastice: peleţi, pulbere, filamente- Răşini fotosensibile- Ceramice- Pulberi metalice- Hârtie- Gheaţă, zahăr, lemn, ciocolată etc.

Materiale pentru FDM: ABS, PLA, PC, PETG, Ultem etc.

26

Avantaje:

- Reducerea timpului și a costului de fabricare a pieselor, prototipurilor

sau ansamblurilor;

- Validarea rapidă a design-ului produselor noi;

- Mai multă libertate în proiectare/design;

- Fabricarea directă a prototipurilor funcționale;

- Lanț mai scurt de aprovizionare;

- Capacitatea de a construi obiecte cu forme geometrice complexe, cu

cavități interioare, obiecte cu structuri poroase deschise, piese complet

conținute în interiorul altor piese, obiecte din materiale multiple etc. –

prea costisitor, dificil sau chiar imposibil de fabricat folosind procedeele

tradiționale;

- Capacitatea de a construi direct ansambluri complete;

- Capacitatea de a construi obiecte color (anumite procedee de FA)

- Capacitatea de a construi direct obiecte multi-materiale (anumite

procedee de FA)

27

Dezavantaje:

- Gama de materiale de construcție este încă limitată - dependenţa

de plastic (probleme de mediu, reciclare etc.);

- Proprietățile mecanice ale pieselor/obiectelor fabricate sunt, de

obicei, inferioare celor obținute prin procedee tradiționale;

- Calitatea suprafeței și precizia dimensională sunt, de obicei, mai

scăzute în comparație cu cele obținute prin utilizarea metodelor

tradiționale de fabricație;

- Fiabilitate şi reproductibilitate scăzute faţă de tehnologiile

tradiționale;

- Producția de unicat și serie mică este mai rapidă decât în cazul

fabricației tradiționale, dar producția de serie mare este

incomparabil mai puțin rapidă atunci când se utilizează procedee

de FA;

- Riscul ca utilizatorii tehnologiei de FA să încalce drepturile de

proprietate intelectuală;

- Lipsa standardizării în domeniu.

Formatul STL. RepRap. Alegerea imprimantelor 3D.

Riscuri şi reglementări

- cursul 2 -

A L E X A N D R U V O I N E A

2

Cuprins curs

Formatele STL, AMF

Verificarea şi corectarea fişierelor STL – software-ul Netfabb Basic

Proiectul RepRap

Alegerea unei imprimante 3D

Riscuri şi reglementări

3

Formatul STL (Stereolithography, Standard Tesselation Language sau

Standard Triangulation Language)

Formatul STL (1987) este utilizat pentru transferul de date către software-ul

maşinii de FA. Formatul constă într-o listă neordonată de faţete triunghiulare:

<STL file>::=<facet 1><facet 2>...<facet n>

<facet>::=<normal><vetex 1><vertex 2><vertex 3>

<normal>::=<lx><ly><lz>

<vertex>::=<x><y><z>

Există două tipuri de formate STL:

- ASCII

- Binary

4

Avantajele formatului STL:

- Simplu, lista de triunghiuri plane este uşor de utilizat, de înţeles și

de citit de către utilizatori

- Independent de aplicaţia 3D CAD utilizată pentru obţinerea

modelului virtual al piesei/obiectului de imprimat 3D

- Algoritmi simpli de secționare a reprezentării STL

- Posibilitatea de a împărți modelul STL în părți mai mici care pot fi

fabricate în spațiul de lucru al mașinii de FA

Dezavantajele formatului STL - se încearcă înlocuirea lui cu

formatul AMF:

- Suprafețele sunt aproximate prin triunghiuri plane ceea ce are ca

rezultat scăderea calității suprafețelor obiectului printat

- STL are dimensiuni mari (ASCII mai mult decat Binary) din cauza

redundanței acestuia

- Există posibilitatea ca fişierele STL generate să conțină erori

(lipsă triunghiuri, triunghiuri duplicate, triunghiuri degenerate,

triunghiuri care se interesectează etc.) - necesită verificare și

corectare

5

Formatul AMF

Formatul AMF, cunoscut de asemenea şi ca STL 2.0, a fost dezvoltat pentru aelimina dezavantajele formatului STL. Următoarele softuri de modelare 3Dpot exporta actualmente informaţie în format AMF: SolidWorks, Inventor,MeshMixer, Rhino şi Sculpteo. Pentru celelalte softuri de modelare 3D poatefi utilizată aplicaţia AMF Editor.AMF este bazat pe formatul XML, fiind mai uşor de comprimat, citit şi scris.Este de asemenea compatibil cu formatul STL. Ca informaţie geometrică, unfişier AMF conţine vârfuri şi volume; mai întâi sunt definite toate vârfurile(doar o singură dată, eliminând astfel redundanţele specifice formatului STL),ordonate, iar apoi sunt definite triunghiuri pentru fiecare set de câte treivârfuri. De asemenea, calitatea de aproximare a suprafeţei este îmbunătăţităprin înlocuirea triunghiurilor plane din STL cu triunghiuri curbe, AMFpermiţând adăugarea vectori normali/tangenţi în anumite vârfuri.http://amf.wikispaces.com/AMF+test+files

6

Corectarea şi verificarea fişierelor STL – Studiu de caz

Corectarea (repararea) fişierelor STL devine necesară din motivelemenţionate în subcapitolul anterior, în acest scop utilizându-se software-urispecifice, gratuite sau nu, cum ar fi Netfabb (www.netfabb.com), MeshLab(meshlab.sourceforge.net), 3Deefab (www.3deefab.com), Magics(software.materialise.com/magics) etc.

Trebuie verificată validitateatuturor triunghiurilor modeluluiastfel încât să se asigure că suntîndeplinite anumite condiţii:-fiecare triunghi are câte omuchie comună cu triunghiurileadiacente (nu exista gauri)-triunghiurile seintersectează doar în vârfurile comune,triunghiurilenu au normalele orientateincorect etc.

7

Se accesează opţiunea Standard analysis din meniul Extras→Newanalysis, software-ul identificând goluri în model (suprafaţa piesei – shell nueste închisă,). Se selectează opţiunea Repair→Automatic Repair şi serulează o nouă analiză care indică faptul că fişierul tot nu a fost reparat. În acestcaz este necesar să se aplice alte opţiuni de reparare manuală. Utilizatorul poaterealiza mai multe operaţii de corectare manuală prin adăugare de triunghiuri(Add triangles), eliminare de triunghiuri (Remove selected triangles), denoduri (Add nodes) şi prin inversarea normalelor la triunghiuri (Flipselected triangles).

8

Astfel, se şterge triunghiul al cărui vârf este mult în exteriorul piesei, triunghiurile care se suprapun şi se aplică apoi opţiunea de reparare automată pentru a genera noi triunghiuri. După repararea modelului STL se rulează încă o dată opţiunea de analiză standard pentru a verifica dacă suprafaţa este închisă.

9

Hands-on session (cca. 45min):

- Descărcaţi un fişier STL de pe Thingiverse: http://www.thingiverse.com/thing:223288

- Verificaţi corectitudinea fişierului STL utilizând Netfabb- Dacă este corect, modificaţi fişierul STL ASCII astfel încât să apară

erori - Deschideţi fişierul în Netfabb şi salvaţi-l ca STL ASCII- Deschideţi fişierul astfel obţinut cu Notepad şi modificaţi

coordonatele unora dintre vârfuri- Remediaţi erorile apărute

10

RepRap - www.reprap.org - Democratizarea printării 3D

- Proiectul RepRap (abreviere de la Replicating Rapid-prototyper) al

profesorului Adrian Bowyer de la University of Bath

-Construirea unei maşini care se poate „replica” singură. RepRap este

denumirea generică pentru o maşină de FA construită din piese de plastic care

pot fi obţinute tot pe maşini de tip RepRap. Principiul de bază este dezvoltarea

unei maşini accesibile nu doar din punct de vedere financiar, ci şi ca mod de

fabricare (DIY - do it yourself). Toate informaţiile necesare fabricării acesteia

sunt „open source”, software şi hardware

-Costuri scăzute. Cunoştinţele necesare, elementele componente care stau la

baza obţinerii lor (modele 3D, desene etc.), îmbunătăţirile aduse de membri

comunităţii sunt toate distribuite ca informaţii gratuite pe site-uri dedicate

- Pe site-ul comunităţii RepRap se găsesc fişierele STL cu modelele

componentelor care pot fi printate pe o maşină RepRap sau comercială. De

asemenea sunt indicate sursele de unde se pot achiziţiona diverse alte

componente care nu pot fi printate (cum ar fi motoare pas cu pas sau

componente electrice şi electronice).

Tehnologie FFF (Fused Filament Fabrication), dar este, de fapt, FDM.

11

O maşină RepRap constă în patru sub-sisteme:- Structura mecanică (axe x/y/z cu roţi de curea, curele, axe liniare,mecanisme şurub piuliţă, ghidaje liniare etc., platformă de fabricaţieîncălzită sau nu, etc.);- Extruder (capăt rece, capăt fierbinte, filament);- Software (software de secţionare, G-code, etc.);- Electronice (controlere, motoare, drivere, etc.).

Imprimante 3D în configuraţie carteziană

În configuraţia carteziană, mişcările pe axele x, y şi z sunt realizate îndiferite combinaţii de capul de extrudare şi de platformă.De exemplu, în configuraţia cea mai cunoscută, platforma se deplaseazăpe axa z, iar capul de extrudare pe axele x, y, dar sunt utilizate şiconfiguraţii în care platforma se deplasează pe x şi y şi capul deextrudare pe z sau platforma este staţionară şi capul de depunere sedeplasează pe x, y şi z.În cazul imprimantelor 3D carteziene sunt utilizate roţi de curea şicurele dinţate pentru mişcările pe axele x şi y, şi mecanisme şurub-piuliţă pentru deplasarea axa z.

12

Mendel MaxDarwin

Imprimante 3D de tip RepRap

13

Prusa Mendel Form 1

Imprimantă 3D de tip RepRap Imprimantă 3D low-cost prin SL

14

Quantum Delta

Delta Rostock

Imprimante 3D de tip delta

https://www.youtube.com/watch?v=uG-yoiFV85c

https://www.youtube.com/watch?v=mfjp9i9aJDg

15

Stabilirea orientării de construire:

16

Fabricarea directă a ansamblurilor prin imprimare 3D (FFF)

- Avantaj al fabricaţiei aditive- Eliminarea structurii suport dintre componentele ansamblului?- Atenţie la prescrierea jocurilor dintre componentele ansamblului

- „Cum se printează piese cu joc între suprafețele de contact, astfel încât acestea să nu se lipească?

- Cât de mare ar trebui să fie jocul? - Este jocul dependent de proces şi de maşină? - Este valoarea jocului dependentă de orientarea de fabricaţie?”

17

Alegerea unei imprimante 3D (1/2):

Având în vedere oferta extrem de largă de pe piaţă şi ritmul alert de apariţie de noi modele, alegerea unei imprimante 3D nu este o sarcină uşoară. Utilizatorul trebuie să ia în considerare mai mulţi factori, aplicaţia căreia îi este destinat obiectul reprezentând obiectivul de la care trebuie plecat. În continuare sunt enumerate o serie de considerente care pot dicta alegerea unei imprimante:- preţul imprimantei 3D;- preţul materialelor consumabile;- dimensiunile spaţiului de lucru al imprimantei 3D;- tipul de material utilizat (pulbere, răşină fotosensibilă, filamente de ABS, PLA, Ultem, PETG sau altele);-numărul de duze de extrudare necesar (de obicei, o duză sau două duze) în cazul - imprimantelor bazate pe procedeul FDM/FFF;- rezoluţia imprimantei 3D (grosimea stratului depus);- viteza de imprimare;- platformă încălzită;- spaţiu de lucru închis;- termenul de garanţie şi asistenţă tehnică.

18

Alegerea unei imprimante 3D (2/2):

De asemenea se recomandă alegerea unui furnizor cunoscut pe piaţăpentru a evita situaţiile în care sunt necesare piese de schimb sauasistenţă tehnică, iar firma nu mai este activă.Imprimantele 3D low-cost pot fi achiziţionate gata asamblate, iarutilizatorul trebuie să realizeze calibrarea acestora urmândinstrucţiunile producătorului. Sau, se poate cumpăra un kit, mai ieftindecât varianta asamblată, dar care necesită mai mult timp şi priceperedin partea utilizatorului pentru obţinerea unui model funcţional alimprimantei.O altă variantă este aceea de a utiliza fişierele 3D CAD alecomponentelor imprimantei care pot fi printate pe alte imprimante 3D,alături de lista de componente electronice şi de informaţii detaliatereferitoare la paşii prin care se realizează asamblarea tuturorelementelor imprimantei şi calibrarea acesteia.

19

Riscuri şi reglementari în domeniul imprimării 3D (1/2):

Imprimarea 3D, pe lângă incontestabilele avantajeoferite aduce şi o serie de riscuri sau aspecte caretrebuie luate în considerare sau reglementate caresunt legate de proprietatea intelectuală, aspecte eticeşi bio-etice, precum şi de siguranţă şi mediu.- Consum de energie ridicat atunci când suntutilizate sisteme de FA bazate pe laser, studiilearătând un consum de energie de peste 50 de ori maimare decât injecția în matriţă a unui obiect cuaceeași greutate;- Producerea unui număr din ce în ce mai mare de obiecte din material plastic, cu implicaţii negative asupra mediului în cazul unei scoateri din uz şi eliminări necontrolate;- Riscul producerii obiectelor periculoase sau a celorinterzise (arme, de exemplu);

20

Riscuri şi reglementari în domeniul imprimării 3D (2/2):

- Aspectele etice legate de proprietatea intelectuală (reprezintă dreptulinventatorilor asupra creaţiilor proprii: opere literare, dispozitive diverse,simboluri, nume, imagini etc., şi a utilizării acestora în scopuri comerciale)asupra unor obiecte sau de piraterie digitală (încălcarea dreptului deproprietate intelectuală în cazul informaţiilor digitale);- De asemenea, se impune atenţie la utilizarea obiectelor imprimate 3D care intră în contact cu alimentele sau controlul atent al calităţii obiectelor utilizate ca proteze, implanturi, ghiduri sau instrumente chirurgicale etc.- Deşi încă în fază de cercetare, bio-printarea 3D necesită de asemenea discutarea aspectelor de bio-etică sau de acces egal la aceste facilităţi.

A L E X A N D R U V O I N E A

Post-procesare. Defecte.

- cursul 3 -

2

Operaţii de post-procesare în imprimarea 3D

Scopul acestei etape este acela de a îmbunătăţi calitatea suprafeţelor pieselor, proprietăţile lor mecanice (de exemplu pentru a obţine rezistenţă sau rigiditate mai mare), stabilitatea şi rezistenţa la mediu, funcţionalitate etc. şi constă în:- Eliminarea manuală a structurilor suport, a răşinii sau a pulberii în exces;- Curăţirea pieselor în contact cu structurile suport;- Sablarea, vopsirea obiectului;- Tratarea sau infiltrarea obiectului.Metodele de post-procesare depind de tipul de procedeu de FA şi de material. Deexemplu, în procedeul 3D Printing, post-procesarea presupune infiltrarea modelului„brut” cu un alt mediu (răşină), în timp de obiectele fabricate prin SL sunt tratate cuultraviolete. În SLS, operaţiile de post-procesare ale pieselor metalice pot consta, deexemplu, în acoperiri sau prelucrări mecanice pentru creşterea preciziei lordimensionale.În FDM, structura suport poate fi depusă cu aceeaşi duză cu care este depus materialulpentru piesă sau se poate depune cu o duză separată. Eliminarea structurii suport se faceprin desprinderea acesteia de pe obiect (suport de tip break-away) sau prin dizolvareîntr-o soluţie apoasă (cum este de exemplu cazul pieselor fabricate pe imprimanta Mojode la Stratasys).

3

4

Materiale FDM:

PLA (acid polilactic) – plastic obtinut prin procesarea porumbului, nu contineelemente chimice periculoase, poate intra in contact cu mancarea. Rezistent simai rigid decat ABS-ul, se deformeaza la temperaturi mai scazute decat ABS-ul (aproximativ 65ºC). Temperatură topire 210°C, temperatură platformă45°C.

ABS (Acrilonitril Butadien Stiren) - plastic dur, rezistent la temperaturi inalte(incepe sa se deformeze la aproximativ 100ºC) si cu usoara flexibilitate (incomparatie cu PLA-ul) ceea ce ajuta la realizarea obiectelor ce necesitaimbinare. Este solubill in acetona – cu ajutorul unei pensule imbibata inacetona, suprafetele pot fi usor finisate, devenind lucioase, iar diversele partiale unui obiect se pot lipi intre ele. Contine, in compozitia sa, petrol. Ladimensiuni mari, prezinta risc de deformare. Temperatură topire 250°C,temperatură platformă 80°C

PETG – poliester, are o duritate mai mare ca a ABS-ului si o rezistentaridicata la impact; este flexibil si translucid (lasa lumina sa treaca,transparenta scazuta), nu se deformeaza si este usor de reciclat, nu se degreazain apa, poate fi utilizat in contact cu alimentele. Temperatură topire 240°C,temperatură platformă 90°C

5

Factori ce influenţează calitatea şi proprietăţilemecanice ale pieselor FDM/FFF

https://www.youtube.com/watch?v=O70fJMMBmAIhttps://www.youtube.com/watch?v=BBQTD9_34sQ

6

Defecte ale pieselor FDM/FFF

7

Defecte ale pieselor FDM/FFF

8

Reguli de proiectare pentru FDM

- Grosimea minimă a pereţilor verticali ai pieselor FDM depinde de grosimeastratului. Se recomandă să se evite construirea pereţilor verticali ca formaţidoar prin depunerea rândului de perimetru pentru că astfel se va fabrica opiesă fragilă- O grosime de perete mai mică de 0.2mm este dificil de obţinut prin procedeul FDM. Mai mult decât atât, specialiştii firmei Stratasys recomandă ca această valoare să nu fie mai mică decât 1.52 mm. - Dacă este posibil, se recomandă să se prescrie o valoare a grosimii peretelui vertical ca multiplu exact al lăţimii rândului de material, astfel evitându-se formarea golurilor interioare.- Particularităţile formatului STL şi modul de fabricaţie specific FDM determină ca găurile circulare să nu poată fi obţinute cu o bună precizie. Astfel, dacă sunt necesare găuri cu precizie ridicată, se recomandă obţinerea acestora după fabricarea piesei, în etapa de prelucrare secundară;- Se recomandă ca dimensiunile minime ale tuturor elementelor geometrice să aibă valori peste 2mm în planul xy [24];-Precizia dimensională şi de formă a elementelor geometrice este mai bună în plan vertical decât orizontal, recomandându-se orientarea piesei în consecinţă.- Dimensiunea minimă a textului este de 10 puncte bold pe feţe verticale, respectiv 16 puncte bold pe suprafaţa orizontală de sus a piesei.