Fabricaţia aditivă prin depunere de filamente de material (III). Aspecte privind proiectarea pentru fabricaţie

Fabricatie aditiva

de Diana Popescu

Fabricaţia aditivă prin depunere de filamente de material (III). Aspecte privind proiectarea pentru fabricaţie

Acest al treilea, şi ultim, articol din seria despre procedeul de fabricaţie aditivă (FA) prin depunere de filamente de material prezintă mai multe reguli pentru proiectarea obiectelor fabricate prin FDM (Fused Deposition Modelling). Este vorba de particularizarea conceptului de Design for Additive Manufacturing (Proiectare pentru Fabricaţia Aditivă) pentru FDM, astfel încât să se valorifice la maximum avantajele acestui procedeu şi să se evite cât de mult posibil punctele sale slabe.

Etape necesare în fabricaţia aditivă

Pentru a reaminti şi pentru a fixa termenii şi cadrul discuţiei pentru cei care nu au parcurs primele două articole din serie, în figura 1 sunt prezentaţi paşii necesari pentru fabricarea unui obiect prin depunere aditivă de filamente de material.

Necesitatea de a proiecta piese/obiecte astfel încât să poată fi fabricate prin FA (în particular, prin FDM) la specificaţiile dorite de utilizator este una reală, practică şi extrem de actuală. În general se consideră că folosind procedee de FA se poate construi orice fel de formă geometrică. Dar obiectele fabricate trebuie să corespundă şi altor cerinţe, nu doar celor legate strict de geometrie.

În funcţie de aplicaţie, precizia dimensională şi de formă, timpul şi costul de construire, rezistenţa mecanică sau calitatea suprafeţelor, constituie aspecte la fel de importante.

Cu alte cuvinte, proiectarea unei piese ce urmează să fie fabricată prin FDM trebuie să aibă în vedere optimizarea geometriei prin considerarea simultană a aspectelor legate de specificul aplicaţiei şi de specificul procedeului.

Reguli de respectat la proiectarea pieselor realizate prin fabricaţie aditivă

Regulile ce vor fi prezentate în continuare (fără a avea nici pe departe pretenţia exhaustivităţii lor) se bazează pe experienţa proiectanţilor şi a utilizatorilor, pe recomandările producătorilor, ca şi pe studii teoretice şi teste care au în vedere determinarea influenţei valorilor parametrilor de proces specifici procedeului FDM (grosimea secţiunilor, diametrul filamentului, distanţa dintre rândurile de material, stilurile de umplere a stratului), a orientării de construire sau a structurii suport, asupra capabilităţii de a construi piese cu anumite forme geometrice şi dimensiuni, care să satisfacă totodată una sau mai multe dintre cerinţele enumerate mai sus.

Mai mult decât atât, nu trebuie omis faptul că obiectele fabricate au caracteristici care depind şi de modelul de maşină utilizat şi de material, în acest sens fiind realizate şi publicate studii de tip benchmarking. De exemplu, un studiu recent prezentat în [1] evaluează maşina CupCake de la firma MakerBot în ceea ce priveşte precizia dimensională, limitările geometrice şi dimensionale ale elementelor geometrice (găuri, buzunare, bosaje de diferite forme şi dimensiuni, pereţi subţiri, pereţi înclinaţi sau elemente geometrice în consolă), repetabilitatea şi toleranţele geometrice şi dimensionale. De asemenea, pentru piese fabricate pe maşina Ultimaker şi din materialul PLA, în [2] sunt prezentate constrângeri geometrice generale, care ar trebui luate în considerare la proiectare, cum ar fi aceea că proprietăţile mecanice sunt mai bune în planul x-y sau că grosimea pereţilor orizontali nu trebuie să fie mai mică de 1mm.

Modul în care materialul, orientarea de construire şi traiectoria de depunere influenţează caracteristicile mecanice şi calitatea suprafeţelor piesei sunt analizate şi în [3-5]. Aceste studii au fost elaborate în cadrul unui proiect mai amplu al Universităţii Paderborn din Germania, denumit „Direct Manufacturing Design Rules”, care are în vedere definirea de reguli pentru elemente standard (plăci, elemente în consolă, pereţi subţiri etc.) din componenţa pieselor care se fabrică utilizând trei tipuri de procedee de FA printre care şi FDM (utilizând maşina Fortus, iar ca materiale de construcţie: ABS şi Ultem).

În [6] sunt studiate proprietăţile mecanice ale pieselor FDM, fiind enumerate mai multe reguli pentru proiectanţi şi operatori:

  • să se aleagă o orientare de construire, care să asigure preluarea încărcării la tracţiune de-a lungul stratului şi nu perpendicular pe acesta. De asemenea, trebuie ţinut seama de faptul că rezistenţa la compresiune a pieselor FDM este aproape dublă în comparaţie cu rezistenţa la tracţiune;
  • creşterea rezistenţei mecanice şi a rigidităţii se poate obţine dând o valoare negativă parametrului care stabileşte distanţa dintre rândurile de material;
  • să se acorde atenţie proiectării muchiilor racordate ale pieselor, deoarece în aceste zone apar concentratori de tensiune, din cauza umplerii incom­plete produse de discontinuitatea filamentului;
  • având în vedere faptul că rezistenţa la forfecare dintre straturi este mai mare decât cea dintre rânduri, dacă piesa finală este supusă unei astfel de solicitări, orientarea ei în timpul fabricării trebuie să se facă în consecinţă.

Recomandări privind alegerea parametrilor pieselor

Pe lângă aceste reguli care vizează rezistenţa mecani-că a pieselor fabricate prin FDM şi care se referă mai mult la procesul de fabricaţie, în continuare se prezintă şi recomandări generale pentru diferite aspecte legate de geometrie, dimensiuni, precizii şi calitate a suprafeţelor. Totodată, facem precizarea că modificarea valorilor parametrilor de proces poate permite, de exemplu, evi­tarea formării anumitor tipuri de goluri sau modificarea anumitor trasee cu opţiunea Custom Groups (disponibilă în software-ul Insight – Stratasys) pentru o mai bună umplere a stratului.

Pereţi subţiri:

  • Grosimea minimă a pereţilor verticali ai pieselor FDM depinde de grosimea stratului de material. Se recomandă evitarea construirii de pereţi verticali formaţi din straturi care au doar contur şi care determină obţinerea unei piese fragile. Astfel, în [7] sunt oferite următoarele sugestii generale de corelare a grosimii stratului cu gro­simea minimă pentru pereţii verticali:

 Grosime strat (mm)

Grosime minimă perete (mm)

0,18

0,71

0,25

1,02

0,33

1,32

  • O grosime de perete vertical sub 0,2 mm nu poate fi deloc obţinută prin procedeul FDM. Mai mult, Stratasys [8] recomandă ca valoarea acesteia să nu fie sub 1,52 mm. De asemenea, pe cât posibil, grosimea prescrisă a pereţilor ar trebui să fie un multiplu exact al grosimii filamentului depus, evitând astfel formarea golurilor interioare;
  • Se recomandă ca pereţii orizontali să nu aibă o grosime mai mică de 1mm [2];
  • Pereţii subţiri ar trebui proiectaţi fără înclinare evitându-se astfel formarea golurilor în interiorul straturi­lor. Filamentul de material depus are o lăţime constantă pentru fiecare rând, iar dacă grosimea peretelui variază în planul x-y, modificarea valorii ariei stratului face ca straturile să nu fie umplute complet. „Grosimea poate să fie variabilă la anumite nivele pe direcţia z, dar cu valori discrete, nu în mod continuu cum este cazul unei înclinări” [8]. Iar în acest caz, efectul de scară pe suprafeţele înclinate este şi mai pronunţat.

Găuri:

  • Din cauza formatului STL (v. articolele precedente) şi a modului de fabricare specific FDM, găurile circulare nu pot 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;
  • În FDM, diametrele găurilor fabricate au, în general, valori sub valoarea nominală;
  • Cele mai mici abateri de la circularitate le au găurile construite în planul x-y.

Dimensiuni:

  • Specialiştii firmei Stratasys [8] afirmă că FDM este procedeul optim pentru fabricarea pieselor de dimensiuni mici spre medii (între 25mmx25mmx25mm şi 405mmx355mmx405mm), maşinile permiţând obţinerea unor toleranţe de minim 0,13 mm (acest lucru în absenţa operaţiilor secundare de post-procesare). Valoarea minimă a grosimii stratului de material este de 0,13 mm pentru maşinile Maxum şi Titan [9];
  • Se recomandă ca dimensiunile minime ale tuturor elementelor geometrice să aibă valori peste 2mm în planul x-y [10];
  • Se recomandă evitarea orientării piesei astfel încât suprafeţele de dimensiuni mari să fie construite orizon­tal, deoarece, din cauza modului caracteristic de depu­nere a filamentelor şi a ciclurilor de încălzire-răcire, apar deformaţii ale acestor suprafeţe;
  • Precizia dimensională şi de formă a elementelor geometrice este mai bună în plan vertical decât în plan ori­zontal, recomandându-se orientarea piesei în consecinţă.

Structuri suport:

  • Pentru piesele fabricate pe maşini FDM, suprafeţele înclinate ale pieselor nu necesită structuri suport pentru unghiuri mai mari de 40-45o („regula lui 45o”) faţă de planul x-y [8], [11]. Dacă este posibil, se recomandă modificarea geometriei piesei ast­fel încât să nu fie necesară construirea structurilor suport, care au efect negativ asupra calităţii suprafeţelor, a timpului şi a costului de construire a piesei;
  • Se recomandă acordarea unei atenţii speciale la proiectarea pieselor FDM astfel încât structura suport construită pentru anumite elemente geometrice să se poată elimina, adică să nu rămână blocată în interiorul piesei. Acesta este un aspect important, mai ales în cazul utilizării suportului de tip break-away, fiind necesar şi să se asigure spaţiu suficient pentru accesul sculelor necesare desprinderii structurii de pe piesă.

Text:

  • Textul poate fi construit embosat sau decupat în piesă [2];
  • Textul printat pe suprafeţe verticale este mai vizibil şi are precizie mai bună [2];
  • Dimensiunea minimă a textului este de 10 puncte bold pe feţe verticale, respec­tiv 16 puncte bold pe suprafaţa orizontală de sus a piesei [7].

Filete:

  • Se recomandă evitarea muchiilor ascuţite în proiectarea filetelor pieselor;
  • Filetele create prin FDM nu au o precizie ridicată, recomandându-se realizarea lor prin operaţii secundare de prelucrare;
  • Nu se pot crea filete cu un diametru la bază mai mic de 1,6mm [7].

Racordări:

  • Având în vedere modul de fabricare al pieselor FDM, racordările nu sunt nece­sare din punct de vedere tehnologic în acest procedeu [9];
  • Se recomandă prescrierea de raze de racordare cu valori peste 1mm [7].

Ansambluri şi mecanisme:

  • Având în vedere că prin procedeul FDM se pot construi direct ansambluri de piese, se recomandă ca în planul x-y, jocul dintre piesele componente să aibă o valoare cel puţin egală cu lăţimea stratului, în planul z valoarea jocului fiind egală cu grosimea stratului [2], [7].

În încheierea seriei dedicată procedeului FDM, invităm, din nou, cititorii cu experienţă în fabricaţia aditivă să ne împărtăşească din regulile pe care le utilizează în proiectarea şi fabricarea obiectelor. Consider că doar prin partajarea informaţiei şi a cunoştinţelor putem contribui la progresul domeniului şi în România.


Bibliografie

  1. Johnson, W.M., ş.a., 2014, Comparative evaluation of an open-source FDM system, Rapid Prototyping Journal, 20(3):205-214
  2. D’Angelo, G., Designing for Ultimaker, disponibil la: www.fablab.dtu.dk
  3. Bagsik, A., 2010, FDM Part Quality Manufactured with Ultem*9085 14th International Scientific Conference „Polymeric Materials“, Halle, September 15-17th
  4. Bagsik, A., Schöppner, V., Mechanical Properties of Fused Deposition Modeling Parts Manufactured with Ultem*9085, ANTEC 2011, Boston/ Massachusetts, USA, 1-5 May
  5. Adam, G.A.O, Zimmer, D., 2014, Design for Additive Manufacturing-Element transitions and aggregated structures, CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, 7(1):20-28
  6. Ahn, S. H., ş.a., 2002, Anisotropic Material Properties of Fused Deposition Modeling ABS; Rapid Prototyping, 8(4):248-257
  7. http://www.solidconcepts.com/resources/design-guidelines/fdm-design-guidelines
  8. Stratasys 3D Printers and Production Systems, 2011, FDM for End-Use Parts: Tips and Techniques for Optimization, 1-22
  9. Grimm, T., 2003, Fused Deposition Modelling: A Technology Evaluation, Time Compression Technologies, 11(2):1-6, disponibil la: http://www.trosol.com/fortus/downloads/WPGrimm.pdf
  10. Bakar, N.S.A., ş.a., 2010, Analysis on fused deposition modelling performance, Journal of Zhejiang University, Science A, 11(12): 972-977
  11. http://reprap.org/mediawiki/images/1/1c/FFFDesignGuide.pdf
  12. http://www.slideshare.net/KacieHultgren/top10-tips-for

Diana Popescu  este dr.ing., UPB, Facultatea IMST, Departamentul MSP


  • Articol selectat în secțiunea specială Industry 4.0 


Accept cookie

www.ttonline.ro utilizează fişiere de tip cookie pentru a personaliza și îmbunătăți experiența ta pe Website-ul nostru.

Te informăm că ne-am actualizat politicile pentru a integra în acestea și în activitatea curentă a www.ttonline.ro cele mai recente modificări propuse de Regulamentul (UE) 2016/679 privind protecția persoanelor fizice în ceea ce privește prelucrarea datelor cu caracter personal și privind libera
circulație a acestor date. Înainte de a continua navigarea pe Website-ul nostru, te rugăm să aloci timpul necesar pentru a citi și înțelege conținutul Politicii de Cookie.

Prin continuarea navigării pe Website-ul nostru confirmi acceptarea utilizării fişierelor de tip cookie conform Politicii de Cookie. Îți mulțumim pentru acest accept și nu uita totuși că poți modifica în orice moment setările acestor fişiere cookie urmând instrucțiunile din Politica de Cookie.

Da, sunt de acord