Fabricaţia aditivă prin depunere de filamente de material. Aspecte generale (II)

Fabricatie aditiva

de Diana Popescu

Fabricaţia aditivă prin depunere de filamente de material. Aspecte generale (II)

Continuăm seria dedicată procedeului de fabricaţie aditivă (FA) prin depunere de filamente de material (FDM – Fused Deposition Modeling sau FFF – Fused Filament Fabrication) prin prezentarea mai multor consideraţii legate de orientarea de construire a obiectelor în spaţiul de lucru al maşinii.

În articolul trecut am prezentat etapele care trebuie parcurse pentru fabricarea unui obiect în manieră aditivă prin procedeul FDM. Le reamintim şi în continuare:

  • Obţinerea modelului virtual tridimensional al obiec­tului de fabricat şi exportul/salvarea acestuia în format STL;
  • Importul/deschiderea fişierului STL al obiectului în software-ul maşinii;
  • Orientarea obiectului STL în spaţiul de lucru al ma­­şinii (rotire, translatare);
  • Alegerea parametrilor de proces pentru FDM;
  • Secţionarea obiectului, cu plane paralele între ele şi perpendiculare pe direcţia de construire;
  • Generarea structurilor suport (fişier format .SSL – Stratasys Sections Language);
  • Generarea rândurilor/traseelor de depunere a filamentelor (fişier format .SML – Stratasys Machine Language);
  • Transmiterea fişierului SML către maşină;
  • Construirea obiectului prin suprapunerea straturilor de material;
  • Post-procesarea obiectului (eliminarea structurii suport, prelucrarea suprafeţelor etc).

Alegerea orientării optime de construire reprezintă una dintre problemele fundamentale în FDM (ca de altfel în toate procedeele de FA), influenţând în mod semnificativ diferite aspecte cum ar fi: timpul şi costul de construire, calitatea suprafeţelor, precizia dimensională şi de formă, caracteristicile mecanice, dar şi volumul structurilor suport şi poziţia acestora faţă de obiect. Decizia referitoare la orientarea de construire se ia în funcţie de geometria şi de dimensiunile obiectului, ca şi de alte caracteristici dictate de aplicaţia pentru care acesta este fabricat, experienţa operatorului având un rol foarte important în această etapă de planificare a procesului. Din acest motiv, de o bună perioadă de timp, se desfăşoară cercetări cu scopul de a automatiza selecţia orientării optime pe baza anumitor criterii, acest lucru presupunând coroborarea informaţiilor legate de specificul procedeului şi parametrii de proces, de geometria obiectului şi de modul în care caracteristicile obiectelor fabricate sunt influenţate de orientarea de construire, aplicându-se, apoi, diferite tehnici de optimizare multi-criterială.

Parametri care influenţează procesul tehnologic

Efectul de scară (figura 1)apare în toate procedeele de FA ca urmare a modului stratificat de construire. Pentru a rezolva această problemă se pot utiliza straturi de grosimi cât mai mici, ceea ce conduce la îmbunătăţirea calităţii suprafeţei, dar, evident şi la creşterea timpului de fabricaţie. O altă soluţie, mai des folosită în practică, are în vedere prelucrarea suprafeţelor după fabricarea piesei (post-procesare), astfel încât ele să fie aduse la calitatea dorită. O a treia variantă de rezolvare a problemei efectului de scară este alegerea unei orientări corespunzătoare de construire. Astfel, efectul de scară poate fi diminuat prin selectarea unei anumite poziţii de construire a obiectului, adică orientând suprafeţele importante ale prototipului cât mai aproape de orizontală sau verticală.

Figura 1 Orientare pentru minimizarea efectului de scară (reprezentare exagerată a efectului de scară)

În procedeul FDM construirea se face folosindstructuri suport. Poziţia şi volumul acestora depinde nu doar de forma geometrică a obiectului de fabricat, ci şi de orientarea acestuia pe platforma maşinii (figura 2). Dacă volumul structurii suport este prea mare, atunci poate fi necesar mai mult timp pentru eliminarea acestuia. În plus, suprafeţele de contact dintre prototip şi structura suport pot fi mai mari, cu efect negativ asupra calităţii acestora, ştiut fiind faptul că suprafeţele obiectului care intră în contact cu structura suport au o rugozitate mai mare. Astfel, orientarea piesei trebuie să aibă în vedere şi aspecte legate de structura suport. Cu alte cuvinte, piesa trebuie orientată astfel încât structura suport să poată fi eliminată (să nu fie blocată în interiorul piesei şi, în cazul suporturilor de tip break away, să se asigure accesul pentru desprinderea structurii de pe piesă), pentru anumite aplicaţii putând fi necesar ca aria de contact cu suprafeţele obiectului şi volumul structurii suport să aibă valori cât mai mici din raţiuni legate de calitatea suprafeţelor.

Figura 2 Două orientări de construire ale aceleiași piese: (a) nu necesită structură suport (exceptând suportul de bază), (b) necesită structură suport (capturi de ecran din software-ul Catalyst)

Alţi factori influenţaţi de orientarea de construire în FDM sunttimpul şi costul de fabricaţie a obiectului. Timpul total de fabricare constă din timpul de depunere a materialului pentru piesă, a materialului pentru structura suport, timpul de deplasare al duzei şi/sau platformei atunci când nu se depune material şi timpul necesar pentru eliminarea structurilor suport (timp de post-procesare), fiind astfel evidentă legătura dintre orientarea prototipului şi timpul total de construire. De asemenea, numărul de straturi necesare pentru construirea obiectului este dependent de orientarea acestuia, la rândul său influenţând timpul total de construire.

Costul de fabricaţieal unui prototip FDM se calculează, de obicei, în funcţie de timpul de fabricare şi un coeficient care ţine seama de costul de amortizare a maşinii, salariul operatorului şi costul materialelor de construcţie. Astfel, orientarea prototipului influenţează şi costul de fabricaţie a acestuia.


Precizia piesei în funcţie de parametrii tehnologici

Precizia dimensională şi precizia de formă depind, de asemenea, de orientarea de construire.Figura 3 prezintă o piesă prototip de tip carcasă, construită în două orientări, pentru care s-au măsurat şi comparat preciziile dimensionale pentru găurile de pe suprafeţele din planele orizontal, respectiv vertical, abaterea de la circularitate a acestora, ca şi planitatea acelor suprafeţele, toate acestea pentru ambele plane şi pentru ambele orientări de construire. Rezultatele, în cazul analizat, au arătat că cea mai bună precizie dimensională se obţine pentru entităţile geometrice (găuri) construite în plan vertical, explicaţia fiind aceea că, în plan vertical straturile de material au o grosime de 0,254 mm, iar în plan orizontal valoarea lăţimii rândurilor de material este de 0,308 mm. De asemenea, cele mai mici abateri de la circularitate se obţin pentru găurile construite în plan orizontal. Măsurările nu au putut pune însă în evidenţă în mod clar dacă planitatea suprafeţelor este sau nu mai bună decât a celor construite în plan orizontal.

Figura 3 Orientări diferite de construire pentru aceeași piesă – analiza preciziei dimensionale și de formă

Orientarea piesei în FDM trebuie să ţină seama şi de deformaţiile care apar din cauza ciclurilor de încălzire-răcire a filamentelor de material. Astfel, dacă piesa este orientată astfel încât suprafaţa din plan orizontal (şi lungimea rândurilor) este mare, între rândurile de material poate să apară o interfaţă slabă sau chiar goluri, deoarece un rând de material depus se răceşte până la depunerea rândului adiacent şi, astfel, nu mai aderă unul la altul. Prin urmare, uneori poate fi preferată orientarea unei piese ca în figura 4b, comparativ cufigura 4a.Dacă însă timpul de construire sau structura suport reprezintă criteriile de optimizare, se va prefera, în mod evident, orientarea din figura 4a.

Figura 4 Orientări de construire pentru aceeași piesă – aplicarea de criterii diferite de optimizare

Orientarea de construire influenţează şi proprietăţile mecanice (rezistenţa la tracţiune, rezistenţa la compresiune), având în vedere modul specific de formare a rândurilor şi a straturilor prin lipirea filamentelor de material semi-topit, piesele FDM au comportare anizotropică. Rezistenţa la compresiune, de exemplu, analizată în Ahn (2002), pentru o piesă de tip cilindru, este cu 15% mai mică în plan transversal decât axial (i.e. cu axa cilindrului în plan orizontal). În schimb, adeziunea dintre straturi este mai slabă decât cea dintre rândurile de material, prin urmare rezistenţa la întindere este mai bună pentru piesele orientate astfel încât solicitarea să se producă în direcţia stratului şi nu perpendicular pe acesta.

Revenind la problema optimizării, în contextul dependenţelor multiple prezentate mai sus dintre diferite caracteristici ale obiectelor FDM şi orientarea de construire a acestora, cercetările în domeniu iau în considerare aplicarea mai multor criterii. De exemplu, în Alexander (1998), se încearcă găsirea orientării optime din punct de vedere al timpului şi costului de construire, propunându-se un model de cost care este particularizat pentru două tipuri de procedee de FA, şi anume FDM şi stereolitografie. De asemenea, autorii prezintă şi o aplicaţie software care calculează cea mai bună orientare de construire astfel încât, în această ordine, să se minimizeze înălţimea, să se maximizeze stabilitatea obiectului şi să se minimizeze volumul structurilor suport. Xu (1999), abordează problema orientării optime de construire a prototipurilor pentru mai multe procedee de FA. Costul de construire este ales drept criteriu principal de optimizare, iar timpul de construire şi calitatea suprafeţei sunt considerate obiective secundare.

Alţi autori determină orientarea optimă de construire considerând precizia drept criteriu principal, iar timpul de construire şi stabilitatea piesei drept criterii secundare în optimizare. În Frank (1995) se propune un sistem expert bazat pe diverşi parametri ce influenţează construirea prototipului şi care recomandă pe baza cerinţelor utilizatorului şi a unei matrice de decizie, cea mai bună orientare a piesei. Masood (2000) şi Massod (2003) se concentrează asupra minimizării erorii de volum, relevantă în special pentru FDM, datorită specificităţii procedeului. Thrimurthulu (2004) utilizează optimizarea bazată pe algoritmi genetici pentru a identifica orientarea de construire a pieselor fabricate prin FDM care maximizează calitatea suprafeţei şi minimizează timpul de construire.

Aceleaşi criterii sunt considerate şi de Byun (2006), care aplică optimizarea multi-criterială considerând valoa­rea medie a rugozităţii suprafeţelor (cuantificând astfel efectul de scară), timpul şi costul de construire a obiectului. Li (2013) prezintă o metodă de optimizare bazată pe algoritmi genetici pentru două obiective şi anume eroarea de volum şi înălţimea piesei. Direcţia optimă de construire este căutată în spaţiul direcţional global cu ajutorul conceptului de sferă unitate. Chen (2013) studiază optimizarea calităţii suprafeţelor pieselor fabricate pe o maşină Objet, analizând impactul orientării de construcţie, dar şi al grosimii straturilor de material. Rezultatele arată că rugozitatea suprafeţei este mai bună pe direcţie transversală, decât axială. De asemenea, studiul arată că, atunci când straturile de material sunt suficient de mici, curbura sau panta suprafeţelor de-a lungul orientării de construire nu mai afectează calitatea suprafeţei piesei.

Exemple de astfel de studii pot continua, cercetătorii concentrându-şi atenţia asupra optimizării orientării de construire pentru procedeele de fabricaţie pe straturi la modul general, sau asupra unor procedee particulare, în special stereolitografia şi FDM-ul.

Cu toate acestea, din informaţiile noastre, niciuna dintre soluţiile de optimizare propuse ca suport al deciziei, nu este inclusă actualmente în aplicaţiile software ale producătorilor de maşini de FA, orientarea de construire fiind aleasă tot de operator.

Mai mult decât atât, unele studii sunt bazate pe piese cu geometrie simplă, iar concluziile lor nu pot fi genera­lizate pentru elemente geometrice mai complexe. În facilitarea selectării orientării de construire sunt folosite mai degrabă rezultatele acestor studii exprimate sub formă de reguli cum ar fi, de exemplu, aceea că de-a lungul direcţiei de construcţie (axa Z) piesa are cea mai scăzută rezistenţă la întindere şi la forfecare, Ahn (2002).

Astfel, pe baza experienţei practice şi a studiilor teoretice, sunt elaborate reguli de proiectare a pieselor de fabricat prin procedeul FDM. Dar despre acestea în articolul următor…


Bibliografie:

1. Ahn, S., Montero, M., Odell, D., Roundy, S., Wright, P. (2002), Anisotropic Material Properties of Fused Deposition Modeling ABS. Rapid Prototyping Journal, 8(4):248 –257

2. Alexander, P., Allen, S., Dutta, D. (1998), Part orientation and build cost determination in layered manufacturing, Computer-Aided Design, 30(5):343–356

3. Byun, H-S., Lee, K.W. (2006), Determination of the optimal build direction for different rapid prototyping processes using multi-criterion decision making, Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 22(1):69-80

4. Chen, Y., Lu, J. (2013), RP part surface quality versus build orientation: when the layers are getting thinner, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 67(1-4):377-385

5. Frank, D., Fadel, G. (1995), Expert system-based selection of the preferred direction  of build for rapid prototyping processes, Journal of Intelligent Manufacturing, 6(5):339–45

6. Li, Y., Zhang, J., (2013), Multi-criteria GA-based Pareto optimization of building direction for rapid prototyping, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 69(5-8):1819-1831

7. Masood, S.H., Rattanawong, W., Iovenitti,P. (2000), Part build orientations based on  volumetric error in fused deposition modelling. International Journal of Advanced Manufacturing Technology,19(3):1 62–8


Diana Popescu este dr.ing., UPB, Facultatea IMST, Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie


 


Accept cookie

Acest site web utilizează module cookie în scopuri funcţionale, de confort şi statistică.

Dacă sunteţi de acord cu această utilizare a modulelor cookie, faceţi clic pe "Da, sunt de acord". Termeni si conditii

Nu sunt de acord Accept doar cookie functional Da, sunt de acord