Prelucrarea aditivă (PA) (II)

Fabricatie aditiva

de Dragos Cirtu

Nirvana, revoluţie industrială sau doar tehnologie la modă? În prezent aproape fiecare universitate tehnică, institut tehnologic sau mare societate din ţările dezvoltate industrial realizează multiple activităţi de PA. Unele şi-au format laboratoare specializate sau chiar ateliere de producţie specializate în PA. Unii consultanţi de prestigiu internaţional consideră că implementarea PA aduce prelucrarea pieselor de toate tipurile, aproape de Nirvana, ţara fericirii perfecte. Alţi specialişti consideră PA drept o nouă revoluţie industrială, menită să modifice profund tehnologiile pentru prelucrarea pieselor şi subansamblurilor din aproape toate domeniile industriale. Până şi cei mai sceptici analişti industriali consideră PA drept o nouă tehnologie menită să influenţeze şi să schimbe actualele tehnologii industriale.

Ce este şi cum funcţionează Prelucrarea Aditivă

Deseori PA este denumită imprimare 3D, întrucât funcţionează similar cu o imprimantă cu laser. PA construieşte obiecte solide prin suprapunerea unor straturi materiale, fiecare strat fiind desenat de calculator.

Materia primă folosită de PA este pulberea ce poate fi făcută din termopolimer, fie din metal, ce poate fi aluminiu, oţel inoxidabil, titanium sau alte materiale. Straturile pot conţine chiar şi mai multe tipuri de materiale. Camera de imprimare este de regulă încălzită la 10 grade Celsius, sub temperatura de topire a materialului, aceasta asigurând că laserul folosit va topi rapid pulberea. În cazul metalelor, această pre-încălzire elimină tensiunile reziduale rezultate din prelucrarea lor.

Echipamentele ce operează software-ul, taie modelul CAD în felii, grosimea acestora depinzând de tipul de material folosit. Aceasta este de 0,1mm în cazul polimerilor şi 30 microni în cazul metalelor. O lamă montată pe un braţ mobil împrăştie pulberea pe suprafaţa de sprijin a viitoarei piese, după care un laser, de obicei de 200 W scanează suprafaţa stratului, topind pulberea conform desenului CAD. La atingerea grosimii dorite a stratului de material, procesul de topire se întrerupe şi urmează aceeaşi procedură pentru stratul următor.

Alte maşini folosesc raze electronice în locul laserilor, întrucât acestea sunt mai puternice, transmit mai multă energie şi topesc mai repede pulberea folosită. Cu toate acestea, piesele produse sunt mai rugoase şi necesită o prelucrare ulterioară pe maşini-unelte aşchietoare şi tratamente de eliminare a tensiunilor.

Puţină istorie

Tehnologia de PA a apărut în 1987, odată cu apariţia stereolitografiei (SL) sistemelor de imprimare 3D, fabricate de firma americană Rock Hill SC. SLA1, primul sistem de PA comercializabil din lume, a fost predecesorul foartei populare maşini de PA, SLA 250. Această maşină a fost ulterior înlocuită cu noul tip de maşină, Vyper SLA. În 1988, firmele 3D Systems şi Ciba-Geigy au dezvoltat şi au început să comercializeze răşinile acrilat. În acelaşi an DuPont a dezvoltat maşina şi materialele pentru stereolitografie.

După acestea, pe la sfârşitul anilor 80, firmele japoneze NTT Data CMET şi Sony Asahy Denka Kogyo, au început să comercializeze variantele lor de maşini pentru stereolitografie. În 1988 Asahy Denka Kogyo au folosit pentru prima dată răşinile epoxi pentru maşina lor, CMET SL.

În 1990, Electro Optical Systems (EOS), din Germania, a vândut primul lor sistem de stereo litografie, denumit Stereos, iar Quadrax (Portsmouth, Irlanda) au începând să vândă sistemul lor pentru răşini uşoare.

Avantajele PA comparativ cu procedeele tradiţionale (substractive)

Creaţie fără limite. Proiectantul devine total liber.

Prelucrarea tradiţională substractivă (PS), impune limite formei şi complexităţii pieselor de prelucrat, limite ce depind de tehnologia utilizată (turnare, forjare, prelucrare prin aşchiere şi altele). Aceste limite îngrădesc capacitatea de creaţie a proiectantului. În cazul prelucrării aditive, se poate prelucra orice formă de piesă care poate fi începută, utilizând proiectarea tridimensională asistată de calculator (CAD). Nu există nici o restricţie în ceea ce priveşte suprafeţele interioare ale pieselor, ca în cazul PA. Datorită libertăţii totale ce o are proiectantul, acesta, uneori împreună cu beneficiarul pot crea mai multe variante, pe care ulterior să le testeze atât în prelucrare, cât şi în utilizare.

Reducerea numărului de piese dintr-un subansamblu

Nemaifiind limitat în privinţa formei piesei, proiectantul poate concepe obiecte care să preia funcţionalitatea mai multor componente ale subansamblului într-o singură piesă.

Micşorarea greutăţii pieselor şi subansamblelor

Piesele concepute pentru PA pot beneficia de spaţii interioare de neconceput în PS şi împreună cu micşorarea numărului de piese pot contribui mult la micşorarea greutăţii subansamblelor.

Micşorarea consumului de material

PS presupune extragerea prin prelucrare, dintr-un obiect mai mare a unui obiect mai mic, rămânând în afara obiectului finit o cantitate de material, uneori de greutate şi valori foarte mari, fără a putea reutiliza economic aceste rămăşiţe. Studii recente au stabilit că în cazul PA, reducerea de greutate a materialelor folosite este de 26 de ori faţă de PS.

La PA nu se folosesc SDV-uri

Spre deosebire de PS, unde se folosesc multe şi costisitoare SDV-uri, PA nu necesită astfel de elemente ajutătoare, prelucrarea pieselor făcându-se prin suprapunere de straturi de material a căror formă şi dimensiuni este stabilită şi comandată la execuţie de calculator.

Consum redus de energie

Lanţul tehnologic în cazul PS nu e numai mult mai lung decât cel al PA, dar şi mult mai energofag. PS, având mai multe faze tehnologice în procesul de execuţie decât PA, de la materia primă până la produsul finit şi consumul de energie este mult mai mare.

Costuri reduse

Toate avantajele menţionate mai sus conduc la costuri mult mai mici ale PA, faţă de PS, cât şi durate mult mai mici ale PA, cu efecte economice însemnate. Firme de mare prestigiu au început să fabrice în serie mică şi mijlocie piese de mare răspundere. În acest sens, o convingătoare ilustrare o oferă EADS (Airbus). Firma a produs, prin PA, 188 componente în 4 săptămâni şi le-a asamblat în 2,5 săptămâni, ciclul total de execuţie fiind de 6,5 săptămâni. Folosind procedee convenţionale de PS cum sunt turnarea şi prelucrarea prin aşchiere (cu resurse interne şi externe), ciclul de prelucrare ar fi trebuit să dureze cel puţin 9 luni.

Folosind PA, cu resursele interne ale firmei, costurile totale ale pieselor prelucrate au fost de 25.000 dolari, faţă de costurile calculate pentru execuţia aceloraşi piese prin PS - 800.000 dolari. Aceste cifre reprezintă o reducere de 97% a costurilor de producţie şi de 83% a duratei ciclului de fabricaţie.

Fără excepţie, toţi analiştii industriali au ajuns la concluzia că utilizarea tot mai răspândită a PA se datorează avantajelor sale economice.

Execuţie integrală a pieselor în cadrul firmei producătoare

Spre deosebire de PS la care în cele mai multe cazuri se apelează la externalizări ale unor faze din ciclul de producţie, în cazul PA prelucrarea pieselor are loc numai în cadrul firmei producătoare, micşorându-se atât costurile cât şi durata ciclului de prelucrare.

Limite şi dezavantaje ale PA

Prelucrarea aditivă este o tehnologie relativ nouă care nu s-a stabilizat ca utilizare stabilă a hardware-lui dar şi a software-lui. Această tehnologie are însă şi limitări ale utilizării ei şi dezavantaje care nu vor putea fi modificate în viitor. Mai jos prezentăm o parte din acestea:

  • Timpii de prelucrare pe maşină sunt lungi, comparativ cu timpii de prelucrare PS în producţia de masă şi de serie mare.
  • Actualele maşini folosite pentru PA trebuie să echilibreze doi factori antagonici, precizia de prelucrare şi viteza de prelucrare. Deseori se preferă mărirea vitezei de prelucrare în dauna preciziei.

  • Diferenţe semnificative de formă la prelucrarea unor piese identice pe maşini diferite.

  • Operarea instalaţiilor de PA (maşini şi computere), necesită personal de înaltă calificare.

  • Multe din maşinile pentru PA, au o fiabilitate redusă.

  • Maşinile oferite de diferitele firme constructoare au o structură închisă care nu uşurează realizarea unor variante de piese prelucrate.

  • Chiar şi cele mai simple instalaţii pentru PA costă mai mult de 10.000 dolari ceea ce împiedică utilizarea lor pe scară largă pentru şcoli.

  • Deşi în principiu procesele de PA pot utiliza simultan mai multe tipuri de materiale, puţine sunt firmele producătoare care să ofere maşini dotate pentru acest tip de prelucrări.

  • Materiile prime folosite pentru PA sunt mult mai puţin numeroase decât cele ce pot fi utilizate în preluccrările convenţionale PS.

  • Suprafeţele pieselor prelucrate prin PA sunt uneori insuficient de fine, necesitând prelucrări ulterioare pe maşini unelte-convenţionale.

Domenii de utilizare ale PA şi prognoze privind dezvoltarea lor

Industria aeronautică

Este industria care are cea mai rapidă dezvoltare a utilizării PA. Piesele cele mai frecvent executate prin PA sunt cele de la motor, turbină, dar şi cele din interiorul cabinei. Principalele avantaje ale PA în acest domeniu sunt costurile reduse în cazul unor serii mici de fabricaţie şi faptul că aceste costuri sunt reduse chiar dacă piesele au o geometrie complicată. Alte avantaje ce măresc atractivitatea PA pentru această industrie sunt capacitatea de a reduce greutatea pieselor şi uşurinţa cu care se pot face modificări de formă a pieselor prelucrate, foarte necesare la realizarea cabinelor în diverse variante. Analiştii industriali prognozează o extindere a folosirii PA la excuţia pieselor de avion în următorii 2-3 ani, ca peste 10 ani să devină o practică obişnuită.

Autovehicule comerciale şi de curse

De mai mulţi ani firme ca Toyota, Bentley, Rover şi Williams F1 folosesc PA pentru prelucrarea de piese unicat şi de serie mică, atât pentru automobilele de Formula 1 cât şi a celor comerciale, particularizate conform cerinţelor clienţilor individuali. PA permite execuţia economică a pieselor, indiferent dacă sunt complicate, unicat sau cu greutatea mult redusă.

Arhitectură

Arhitecţii au început să folosească tot mai mult PA pentru a realiza şi prezenta diferite variante de construcţii foarte sofisticate, modele, executate din materiale plastice. Costul lor relativ redus şi permisiunea de a imagina cele mai neobişnuite soluţii arhitecturale atrag tot mai mult arhitecţii dispuşi să inoveze metodele de proiectare şi prezentare.

Industria militară

Multe din piesele diverselor ,,maşini” militare sunt complexe, scumpe şi necesare ca unicat sau pentru serii mici şi unele din aceste piese trebuiesc schimbate deestul de des. Aceste piese fac parte din produse ca vehiculele aeronautice fără pilot, dispozitivele uşoare ce se află în raniţa soldaţilor, aparatură portabilă de alimentare cu electricitate şi dispozitivele mobile de comunicare, spitale mobile şi altele. Toate aceste produse necesită piese de schimb realizabile în unicat sau serie mică, unde PA este recomandabilă. Analiştii industriali prevăd şi pentru acest domeniu, că în 10-12 ani industria militară va deveni un important utilizator al PA.

Bunuri de larg consum

PA permite o inimaginabilă varietate de forme şi dimensiuni ce pot fi realizate în mod economic, testate pe piaţă şi la nevoie, modificate rapid. Numeroase firme au început să utilizeze PA pentru execuţia de obiecte de iluminat, bijuterii, gemantane, scaune şi ochelari de soare. Industria producătoare de pantofi a început să utilizeze PA pentru a executa o parte a pantofilor din titan şi chiar să fabrice pantofi bazaţi pe relevarea formei picioarelor unor clienţi individuali. O totală libertate de creaţie stă şi la dispoziţia producătorilor de bijuterii, unde caracterul unic al bijuteriei are o mare importanţă, ca şi în cel al execuţiei de pantofi, poşete şi multe alte obiecte a căror formă depinde în mod hotărâtor de modă.

În loc de concluzii

  • Prelucrarea aditivă beneficiază de multiple şi importante avantaje, în special pentru producţia de unicate şi de serie mică.

  • Aceste avantaje crează posibilitatea utilizării cu success a PA în numeroase domenii.

  • Ca orice nouă tehnologie, PA mai are limite şi dezavantaje care necesită destul de multe activităţi de cercetare experimentală, ceea ce frânează utilizare pe scară largă, industrială a PA.

  • Numai ţările şi firmele ce încep în mod activ implementarea PA în producţie, vor putea beneficia de avantajele economice ale deschizătorilor de noi căi şi procedee industriale. În acest sens este demn de remarcat efortul financiar considerabil practicat de organe guvernamentale şi firme particulare din SUA, Comunitatea Europeană, Japonia şi China pentru pentru dezvoltarea utilizării PA.

  • În ciuda prezicerilor multor ,,Nostradamuşi industriali” PA nu va elimina tehnologiile convenţionale şi utilizarea maşinilor-unelte, ci va funcţiona în paralel cu ele, chiar dacă va restrânge în oarecare măsură folosirea lor la producţia de unicate şi de serii mici.

Prelucrarea aditivă poate fi considerată o Nirvana pentru proiectanţi, o revoluţie pentru executanţi dar şi o ,,tehnologie la modă” pentru toţi.


Dragoş Cîrţu inginer


 


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