Fabricaţia aditivă - apariţia primelor standarde în domeniu

În momentul de faţă există o impresionan­tă diversitate a aplicaţiilor tehnologiei de fa­bricaţie aditivă în diferite domenii: con­strucţia de maşini, auto, aviaţie, medicină, stomatologie, marketing, arhitectură şi artă, indus­tria divertismentului, arheologie etc., fiind fabricate diverse obiecte funcţionale, modele pentru testarea asamblării, obiecte pentru vizualizarea/prezentarea unor concepte, pentru studii de piaţă, machete, modele de turnare, prototipuri de dispozitive medicale, jucării etc.

În acest context, tot mai multe persoane îşi pun pro­blema identificării procedeului de fabricaţie aditivă optim pentru o anumită aplicaţie. Din păcate, soluţia acestei pro­bleme nu este nici pe departe simplu de găsit. Fiecare dintre domeniile enumerate mai sus are necesităţi şi constrângeri particulare, ceea ce înseamnă că obiectul fabricat trebuie să satisfacă cerinţe specifice legate de material, dimensiuni, precizie dimensională şi de formă, calitate a suprafeţelor, rezistenţă mecanică, culoare, textură, cost etc. În plus, lucrurile se complică şi mai mult având în vedere faptul că nu doar tipul procedeului influenţează caracteristicile finale ale obiectului fabricat, ci şi setările parametrilor specifici de proces, orientarea de construire, post-procesarea, chiar şi poziţia din spaţiul de lucru al maşinii în care se construieşte obiectul. Practic, pentru a răspunde problemei menţionate, ar trebui să putem compara avantajele şi limitările fiecărui procedeu, adică să putem măsura şi cuantifica, în mod unitar, performanţele maşinilor de fabricaţie aditivă.

În ideea de a facilita alegerea procedeului de fabricaţie aditivă optim pentru o anumită aplicaţie, abordarea specialiştilor a constat, mai întâi, în sistematizarea informaţiilor disponibile pe grupe de procedee, apoi compararea performanţelor diferitelor procedee/maşini prin fabricarea şi măsurarea pieselor test. De-a lungul timpului, au fost concepute mai multe astfel de piese care reunesc entităţi geometrice sau alte caracteristici diverse (în limba engleză „features”), cu dimensiuni diferite (grupate, de obicei, în categoriile: mici, medii şi mari) şi amplasate în diferite poziţii/unghiuri faţă de orientarea de construire. Fiecare astfel de entitate geometrică sau serie de entităţi este utilizată pentru evaluarea uneia sau a mai multor carac­teristici (repetabilitate, precizie geometrică, contracţie, rezistenţă mecanică, calitate a suprafeţelor, capacitate de fabricare a pereţilor subţiri, a părţilor în consolă, a suprafeţelor sferice sau cu forme libere etc.). În continuare, pentru cei care doresc să aprofundeze aceste aspecte, aş dori să amintesc câteva studii independente: Kruth (1991), Childs (1994), Ippolitto (1995), Makesh (2004, 2006), Kim (2008). Cu toate acestea, concluzii generale ale unor astfel de cercetări sunt greu de tras, având în vedere că diferenţele dintre setările parametrilor de proces fac ca piesele test să prezinte caracteristici diferite, chiar dacă au fost fabricate cu acelaşi procedeu şi pe aceeaşi maşină.

Următorul pas a fost dezvoltarea de instrumente software suport pentru luarea deciziilor referitoare la alegerea procedeelor de fabricaţie aditivă în funcţie de anumite criterii. Aceste aplicaţii software ajută la reducerea câmpului de selecţie, sunt bazate pe date despre procedee, maşini şi materiale şi utilizează diferite metode şi criterii de identificare a soluţiei optime. Spre exemplu, în 1996 Bauer a dezvoltat o aplicaţie software denumită RP Selector (RP - Rapid Prototyping fiind unul dintre numele alternative date procedeelor de fabricaţie aditivă), iar în 1997 Phillipson a creat RP Advisor, un instrument software care permite selecţia unui procedeu în funcţie de calitatea obiectelor fabricate, timp şi cost. Un alt exemplu din aceeaşi categorie este sistemul expert IRIS (Intelligent RP System Selector) creat de Massod în 2002, care dispune de o bază de date cu 39 de sisteme de fabricaţie aditivă. IVF Suedia (2005) a dezvoltat un sistem online de selectare bazat pe criterii legate de material/funcţionalitate, cantitate şi cerinţe ale clienţilor. Alte cercetări recente în domeniu puteţi găsi şi la Ghazy (2012).

Mulţi utilizatori şi specialişti reproşează, însă, faptul că aceste aplicaţii software permit doar o selecţie grosieră, dar eu cred că principala lor limitare este aceea că nu au fost bazate pe criterii standardizate de evaluare a performanţelor procedeelor/maşinilor de fabricaţie aditivă şi a calităţii, preciziei sau proprietăţilor mecanice ale pieselor fabricate.

Aceste studii comparative ale procedeelor de fabricaţie aditivă s-au desfăşurat în condiţiile întârzierii cu care s-a decis şi apoi realizat, parţial (deocamdată), standardizarea în domeniul fabricaţiei aditive. Până de curând, nici măcar nu se stabilise numele „oficial” al acestor procedee de fabricaţie, utilizându-se diferiţi termeni (ceea ce nu înseamnă că aceştia sunt incorecţi, evident): prototipare rapidă, fabricaţie pe straturi, prin­tare 3D, imprimare 3D, fabricaţie rapidă pe straturi, fabricaţie strat cu strat etc. Se pare că motivele întârzierii standardizării sunt le­gate de interdisciplinaritatea acestor procedee, luându-se în discuţie, iniţial, includerea lor în alte standarde, de exemplu, în ISO/TC61 - Materiale Plastice sau ISO/TC119 - Metalurgia pulberilor, procedeele de fabricaţie aditivă utilizând aceste materiale pentru construirea obiectelor.

În 1998, NIST (National Institute of Standards and Technology) şi-a pus pentru prima dată problema standardizării în fabricaţia aditivă (deci la 10 ani după apariţia primei maşini de stereolitografie). Însă, abia în 2008 a avut loc o întâlnire organizată de SME (Society of Manufacturing Engineers) şi care a reunit reprezentanţii a peste 80 de firme, producători şi specialişti din mediul academic, organizaţia ASTM (American Society for Testing and Materials) fiind mandatată cu elaborarea standardelor. Au fost identificate patru domenii cheie pentru care s-au înfiinţat comisii: terminologie, metode de testare, materiale şi procese, design. În ianuarie 2009 s-a format comitetul ASTM F42 pentru Fabricaţie Aditivă din a cărui componenţă fac parte, printre mulţi alţii: 3D Systems Corporation, Air Force Research Laboratory, Arcam AB, BMW Group, Cornell University, EOS GmbH, Fab@Home Project/NextFab Organization, Siemens AG, Society of Manufacturing Engineers, Stratasys, Inc., Stryker Orthopaedics, The ExOne Company, LLC, NIST, University of Texas at Austin, Georgia Institute of Technology, Honeywell, Loughborough University, Materialise NV, NASA Huntsville.

Conform ASTM, aceste standarde permit „fabricanţilor să compare performanţele diferitelor procedee de fabricaţie aditivă”, iar „utilizatorilor şi dezvoltatorilor de proces să ofere rezultate repetabile”.

În paralel, organismele de standardizare europene au început şi ele elaborarea de standarde în domeniul fabricaţiei aditive: DIN (Germania): NA 145-04 şi AFNOR (Franţa): UNM 920. La nivel european această acţiune este finanţată prin proiectul SASAM CSA FP7-NMP-2012-CSA-6 CSA Support Action for Standardisation on Additive Manufacturing (www.SASAM.eu), lucrându-se şi la elaborarea unei agende strategice de cercetare în domeniu (v. şi http://www.rm-platform.com).

În 2011 s-a înfiinţat comitetul tehnic ISO TC 261 pentru Fabricaţie Aditivă având sarcina de standardizare a proceselor, a procedurilor de testare, a terminologiei şi a parametrilor de calitate, iar la sfârşitul aceluiaşi an, ISO şi ASTM au încheiat o înţelegere vizând elaborarea în comun a standardelor pentru fabricaţia aditivă.

Astfel, până în momentul de faţă au fost adoptate următoarele standarde:

  • ISO/ASTM 52915:2013 (Standard specification for additive manufacturing file format (AMF) Version 1.1) – conţinând specificaţii ale formatului de fişier standard pentru fabricaţia aditivă. Formatul STL a fost standardul de facto pentru transferul de informaţii dintre programele de proiectare şi echipamentul de fabricaţie aditivă, dar necesitatea fabricării pieselor multi-material, în culori diferite etc., s-a lovit de limitările STL, impunându-se înlocuirea acestuia.
  • ISO/ASTM 52921:2013 (Standard terminology for additive manufacturing - Coordinate systems and test methodologies) – conţine „termeni, definiţiile termenilor, descrierile termenilor şi acronime asociate cu sistemele de coordonate, ca şi metodologiile de testare a tehnologiilor de fabricaţie aditivă, într-un efort de a standardiza terminologia folosită de utilizatori, producători, cercetători, profesori, presă/media etc. Termenii includ şi definiţii pentru maşini/sisteme şi sistemele lor de coordonate, plus poziţia şi orientarea pieselor. Se intenţionează, acolo unde este posibil, să se asigure conformitatea cu ISO 841 şi să se clarifice adaptarea acestor principii la fabricaţia aditivă”.

 

Conform standardului ISO/ASTM 52921, fabricaţia aditivă este definită ca: „procesul de adăugare de material pentru a obţine un obiect pe baza modelului său digital 3D, de obicei strat cu strat, ca opus tehnologiilor de fabricaţie prin eliminare de material”.

De asemenea, standardul ISO/ASTM 52921 recunoaşte şi clasifică următoarele şapte tipuri principale de procedee de fabricaţie aditivă, prezentate în tabelul 1.

Procedeu

Exemple de companii producătoare

Materiale

Fotopolimerizare în cuvă (Vat Photopolimerization) – procedeu de fabricaţie aditivă în care fotopolimerul lichid dintr-o cuvă este tratat selectiv prin polimerizare activată cu radiație luminoasă. Ex: SLA, SLS, SLM

3D Systems (SUA), Envisiontec (Germania)

Fotopolimeri

Pulverizare de material (Material Jetting) – procedeu de fabricație aditivă în care picături de material sunt depuse selectiv. Ex: tehnologia PolyJet

Object (Israel), 3D Systems (SUA), Solidscape (SUA)

Polimeri

Pulverizare de liant (Binder Jetting) – procedeu de fabricaţie aditivă în care un agent lichid de legare (liant) este depus selectiv pentru a lega materialul sub formă de pulbere. Ex. 3D Printing

3D Systems (SUA), ExOne (SUA), Voxeljet (Germania)

Polimeri, metale, nisip de turnare

Extrudare de material (Material Extrusion) – procedeu de fabricaţie aditivă în care materialul este distribuit selectiv printr-o duză sau orificiu. Ex. FDM

Stratasys (SUA), RepRap, Makerbot (SUA)

Polimeri

Fuziunea patului cu pulberi (Powder Bed Fusion) – procedeu de fabricaţie aditivă în care energia termică topeşte şi leagă selectiv regiuni ale unui pat de material sub formă de pulbere.

EOS (Germania), 3D Systems (SUA), Arcam (Suedia)

Polimeri, metale

Laminare foi (Sheet Lamination) – procedeu de fabricaţie aditivă în care foi de material sunt suprapuse pentru a forma un obiect. Ex. LOM

Fabrisonic (SUA), Mcor (Irlanda)

Hârtie, metale

Depunere cu energie directă (Direct Energy Deposition) – procedeu de fabricaţie aditivă în care energia termică focalizată este utilizată pentru a lipi materiale prin topire. Ex: tehnologia LENS

Optomec (SUA), POM (SUA)

Metale

Tabel 1

Adoptarea acestor prime standarde este un semn clar al maturităţii la care au ajuns procedeele de fabricaţie aditivă şi contribuie la fundamentarea dezvoltării domeniu­lui. În plus, pe măsură ce noi standarde vor fi adoptate, celor interesaţi le va fi mai uşor să selecteze informaţiile corecte din multitudinea de studii, păreri, experienţe şi chiar „mituri” despre fabricaţia aditivă care, practic, inundă astăzi internetul.

Standardele pot fi cumpărate de pe site-urile organizaţiilor de standardizare amintite în cadrul articolului. 


Bibliografie:

J. P. Kruth (1991), Material Incress Manufacturing by Rapid Prototyping Techniques, CIRP Annals - Manufacturing Technology 40 (2), 603-614

T. H. C. Childs, N. P. Juster (1994), Linear and Geometric Accuracies from Layer Manufacturing, CIRP Annals - Manufacturing Technology 43(1), 163-166

R. Ippolito, et al. (1995), Benchmarking of Rapid Prototyping Techniques in Terms of Dimensional Accuracy and Surface Finish, CIRP Annals - Manufacturing Technology 44(1), 157-160

M. Mahesh, et al. (2004), Benchmarking for comparative evaluation of RP systems and processes, Rapid Prototyping Journal 10(2), 123-135

M. Mahesh, et al. (2006), A six-sigma approach for benchmarking of RP&M processes, Int J Adv Manuf Technol 31(3-4), 374-387

G. D. Kim, Y. T. Oh (2008), A benchmark study on rapid prototyping processes and machines: Quantitative comparisons of mechanical properties, accuracy, roughness, speed, and material cost Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture. 222(2), 201-215

S.H. Masood, A. Soo (2002), A rule based expert system for rapid prototyping system selection. Robot Comput Integr Manuf 18, 267–274

D.K. Phillipson (1997), Rapid prototyping machine selection program.The 6th European conference on rapid prototyping and manufacturing,Nottingham, UK, 292–303

J. Bauer et al. (1996), Computer based rapid prototyping system selection and support. Proceedings of time compression technologies conference, The Heritage Motor Center, Gaydon, UK, 1996, 241–250

H.S. Byun, K.H. Lee (2005), A decision support system for the selection of a rapid prototyping process using the modified TOPSIS method, Int J Adv Manuf Technol 26: 1338–1347

http://extra.ivf.se/rp-selector/

M.M. Ghazy, Development of an Additive Manufacturing Decision Support System (AMDSS), PhD thesis, School of Mechanical and Systems Engineering Newcastle University, 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 

36567 vizualizari

Pentru a putea posta comentarii, trebuie sa fiti logat in contul dvs. de utilizator.

Cere Detalii sau Oferta

Completati cu numele dvs.

Completati cu denumirea companiei pe care o reprezentati.

Adresa dvs. de e-mail.

Numarul dvs. de contact.

Mesajul dvs.

Pentru abonare (la revista sau newsletter), postare comentarii sau participare la discutiile din forum, trebuie sa fiti logat in contul dvs. de utilizator. Daca nu aveti cont, click pe [creeaza un cont nou]
CAPTCHA

Introduceţi codul numeric din imaginea de mai jos.

Image CAPTCHA
Enter the characters shown in the image.