Prototiparea rapida

Prototiparea rapida

Generalitati

In ultimii 40 de ani ingineria a luat un avant considerabil. Acesta a fost impus de schimbarile survenite in majoritatea mediilor cu care ingineria interactioneaza in general cat si de avansarea tehnologica pe care a adus-o folosirea computerelor care au devenit din ce in ce mai performante si acum sunt indispensabile tehnicii. Tendinta din aceasta perioada a fost de consum deoarece preturile au scazut drept consecinta a globalizarii, tehnica a evoluat, standardele au devenit foarte riguroase, iar legile au inceput sa protejeze mai mult cosumatorul. Competitia astfel s-a intensificat deoarece firmele trebuie sa se conformeze cat mai repede precizarilor clientilor care pot fi foarte vagi sau care se pot schimba foarte repede, iar dorinta ca un produs sa aiba si un aspect placut, pe cat posibil sa fie unul inovativ, cat si o functionalitate buna este mai mare ca niciodata.

Proiectarea asistata de calculator(CAD) a fost introdusa in anii 1970. Acest lucru nu a fost la inceput foarte inovativ in afara de faptul ca plansa a fost inlocuita cu monitorul unui calculator, dar cu timpul aceasta a permis integrarea normelor impuse de client mult mai repede in productie, designul produsului a putut fi stabilit din timp pentru a-l face cat mai atragator cu putinta pentru a se putea vinde in cantitati mari, pentru a placea diferitei clientele si pentru a-l distinge de restul produselor concurente.

Un sistem CAD foloseste diverse elemente si structuri de date pentru a defini un detaliu, dar geometria este doar o parte din datele pe care se retin, urmand altele ca materialul, calitatea suprafetei, ciclul de productie etc.

Aceste elemente pot fi :

0D- punctele ce definesc colturile

1D- liniile ce definesc un model liniar

2D- model format numai din contur

3D- modelul solid

Modelele solide sunt cele optime folosite in prototiparea rapida chiar daca

in principiu orice sistem CAD ce poate realiza modele 2D poate fi folosit.

Cerintele la care trebuie sa se supuna un sistem CAD sunt:

Parametrizarea desenelor 3D astfel in loc de masuratori precise elementele vor fi interconectate prin functii matematice

Realizarea de modele hibrid care reprezinta combinatii intre modele solide si de suprafata pentru un efect optim

Baza de date continua si lipsita de date stocate in mod inutil de mai multe ori pentru a imbunatati capacitatea de stocare si viteza programului

Posibilitatea de conectare la un sistem de prototipare rapida

Intre CAD si prototiparea rapida s-a creat o conexiune care ofera avantaje in privinta multor aspecte legate de imbunatatirea producerii de prototipuri mai mult sau mai putin complexe, de timpul in care acestea pot fi realizate astfel imbunatatind timpul total al ciclului de postproductie apoi realizandu-se si serii mici de piese sau matrite pentru producerea de alte piese.

Prototiparea rapida este un procedeu tehnologic in contrast cu procedeele abrasive cum ar fi eroziunea, gaurirea, polizarea si asa mai departe. Acest procedeu tehnologic este unul generativ sau de adaugare de material prin care un produs se formeaza prin adaugarea de elemente volumice spre deosebire de cele abrasive prin care produsul este realizat prin indepartarea de material.

Termenul de prototipare rapida este cel mai uzitat pentru a descrie acest proces generativ, chiar daca acesta nu este si cel mai corect din punct de vedere semantic.

Cuvantul 'rapid' descrie ceva relativ deoarece trebuie sa fie corelat cu alti termeni pentru a descrie 'viteza' cu care se desfasoara procesul care depinde foarte mult de forma si complexitatea produsului.  La fel si termenul de prototipare nu este cel mai exact deoarece procedeul nu se ocupa exclusiv cu realizarea de prototipuri, in afara de modele executate pentru demonstratii practice si cele care prezinta designul produsului se realizeaza unelte si matrite chiar si in serii mici. Cu toate acestea termenul de 'prototipare rapida' este cel consacrat si intiparit in memoria tuturor deci si cel mai folosit.

Mai exact prototiparea rapida reprezinta procese 2½D care sunt adaugate pe contururi 2D cu grosime constanta. Stratul este conturat intr-un plan x-y pe 2 dimensiuni, a treia dimensiune va rezulta din multimea de straturi depuse unul peste celalalt, dar nu va fi o coordonata constanta z. Astfel modelele sunt formate din parti 3D dispuse foarte exact pe planul de lucru pe directia x-y care copiaza mai fidel produsul dorit cu cat inaintarea pe directia z se face in mai multe straturi.

Prin prototiparea rapida se pot produce atat modele pozitive cat si negative. Negativele sunt reprezentate de matrite si de stante pentru a produce alte pozitive, acest proces fiind numit si proces generativ de creare de scule sau prototiparea rapida a sculelor

Prototiparea rapida are doua componte fundamentale:

• Generarea informatiei matematice despre straturi
• Generarea fizica (efectiva) a straturilor

Generarea de informatii despre straturi este bazata doar pe un desen in CAD. Acest desen va fi taiat in straturi prin metode matematice, care vor fi ulterior folosite de masina de prototipat pentru a ridica modelul real prin suprapunerea acestora in ordinea corespunzatoare

Fig.1.1 Ciclul realizarii unei piese prototipate rapid

Producerea de modele si de prototipuri folosind prototiparea rapida necesita ca geometria produsului sa fie disponibila ca o inregistrare 3D a datelor. Acest lucru este cel mai des realizat printr-un model virtual realizat intr-un sistem CAD in 3D. Daca incercam sa examinam fluxul de informatii, realizam ca aceasta se imparte in doua. Astfel avem o parte care deserveste designului, acesta fiind realizat de sofwear-ul programului CAD iar cea de-a doua parte care deserveste prototipatorul are nevoie de un soft specializat.

Fig.1.2 Fluxul de date la prototiparea rapida

In practica avem nevoie de informatii precise pentru a realiza produse prin acest procedeu generativ, deoarece modelul realizat pe baza acestor date va corespunde sau nu cerintelor in functie de calitatea acestora.

Procedee de prototipare rapida

2.1 Fotopolimerizare-Stereolitografia (SL)

Stereolitografia sau fotopolimerizarea reprezinta aplicatia in industrie a solidificarii monomerilor lichizi.

Stereolitografia sta la baza tuturor proceselor de prototipare rapida folosite in industrie, avand mai mult de 2500 de aparate (la sfarsitul anului 2001) in toata lumea numai 600 din ele fiind in Japonia. 

Teoretic functionarea masinilor de stereolitografiere ce folosesc rasina lichida consta dintr-un container ce are atat rol de camera de formare, cat si de depozitare, umpluta cu monomer lichid. Este echipata cu o platforma de constructie deplasabila pe directia z si un laser care proiecteaza datele primite de la computer pe suprafata rasinii astfel realizand un strat. Platforma apoi transporta modelul pe suporti ce tin proiectii si parti ale modelului care nu sunt conectate si faciliteaza coborarea modelului pe platforma de constructie si scoaterea de pe platforma si il coboara cu grosimea unui strat dupa ce un strat s-a solidificat. Apoi un nou strat este pregatit, expus si solidificat si asa mai departe. In acest fel modelul se va mari strat cu strat de jos in sus.

2.2 Prototiparea din straturi laminate (LLM)

In LLM sau LOM (laminated object modeling) un laser CO₂ va taia un contur coordonat de scanner. Procesul consta atat in generarea modelului dar si in taierea acestuia. Modelul 3D se realizeaza prin conectarea (lipirea) straturilor succesive. Lipirea straturilor se face prin folosirea de materiale ce au deja un strat de adeziv pe baza de polietilena sau adezivul se adauga in timpul generarii de straturi. Nu este nevoie de suporti. In functie de proces partile ce nu apartin modelului vor fi aschiate dupa ce fiecare strat este conturat sau vor ramane in model pentru a fi scoase mai tarziu. In acest ca sunt taiate in patrate mici rezultand niste reziduuri cubice in model. Dupa ce modelul va fi scos afara din masina partile trebuie scoase.

Modelarea prin aplicarea de material topit (FDM)

FDM (Fused Deposition Modeling). Procedeul consta in topirea unui material plastic care are forma de fir cu ajutorul unei duze incalzite si aplicarea materialului topit si pastos pe model. Generarea de straturi consta din racirea prin conductie termica. Avantajul folosirii acestui procedeu este varietatea mare de materiale polimerice care pot fi folosite. Un alt avantaj este multitudinea de culori care pot fi folosite datorita faptului ca materialul poate fi schimbat in timpul procesului. Si acest procedeu de PR are nevoie de suporti

Printare tridimensionala (3DP)

Procedeul consta din injectarea unui lichid pe baza de apa intr-o masa de pulbere de amidon printr-un cap de imprimata pe baza de tus, rezultand o solidificare locala, apoi generand elementele unui nou strat si unindu-l cu anteriorul. Pulberea care nu este udata ramane in camera de constructie si are rol de suport pentru model. Modelul trebuie infiltrat cu ceara sau rasina epoxidica altfel neputand fi rezistent la tensiuni mecanice. Acest procedeu este redus pentru a respecta cerintele de viteza si de utilizare cat mai usoara. Gradul de reproducere a detaliilor este scazut, fara utilizarea unui infiltrator special modelele nu rezista la tensiuni mecanice, dar materialul folosit este ecologic.

Sinterizarea laser

Pulberile dispuse ca pat sunt materialele necesare pentru formarea de straturi de solid unde acestea sunt topite de fasciculul laser. Acest procedeu se numeste sinterizare deoarece topirea voita seamana cu un procedeu clasic de sinterizare realizata prin difuzie controlata. Termenul sinterizare este imprumutat din metalurgia pulberilor si descrie cum o pulbere capata forma solida a matritei, atunci cand este supus incalzirii la o temperatura ridicata ,aplicandu-se asupra lui si o presiune mare.

3.1 Sinterizarea selectiva cu laser (SLS)

Prin incalzirea particulelor la o temperatura inalta si aplicarea in acelasi timp a unei presiuni mari intre particulele vecine se vor forma punti ele astfel unindu-se.

Sinterizarea laser folosita ca un procedeu de prototipare rapida nu va depinde de presinune si de timp ca in cazul sinterizarii clasice, avand loc numai o activare termica a particulelor pentru o scurta perioada de timp.

Particulele sunt libere in patul de pulbere, acestea sunt topite selectiv de raza laser astfel unindu-se intr-un strat. De fapt acesta este un procedes de topire partiala si solidificare numit sinterizare slectiva cu laser sau sinterizare lichida cu laser.

Deoarece conditiile clasice de a avea o presiune ridicata si de a avea un timp de mentinere mare nu mai trebuie indeplinite, trebuie sa presupunem ca sinterizarea laser nu presupune difuzia, ci o topire in faza incipienta sau o fuziune a particulelor de pulbere.

Procedeele de sinterizare cu laser se bazeaza pe proprietatea pulberilor de a avea o suprafata de contact mai mare decat cea a solidelor si ca fiecare sistem tinde spre energia libera minima. In consecinta particulele vecine vor fi topite incipient doar pe suprafata, iar suprafata totala va scadea prin lipirea suprafetelor particulelor.

Procesul de sinterizare este cel mai bine descris ca fiind o interactiune dintre vascozitatea particulei la inceputul fuziunii si tensiunii superficiale. Ambele depind de temperatura si de material.

Drept materiale pentru sinterizarea selectiva cu laser putem folosi:

Pulberi din materiale polimerice

Acestea au avantajul ca au o temperatura de topire mica, aceasta fiind in jurul celei de 200sC ceea ce avantajeaza sinterizarea si ca au o contuctivitate termica ridicata.

Materialele polimerice cristaline si amorfe se comporta foarte diferit. Cele amorfe sunt caracterizate ca au o plaja vasta de valori ale temperaturii in care se inmoaie sau trec in alta stare de agregare fara modificari bruste ale proprietatilor mecanico-tehnologice ale acestora, pe cand cele cristaline isi modifica aceste proprietati intr-un timp foarte scurt, Poliamida (nylon) este polimerul cristalin ce se foloseste cel mai des ca material pentru sinterizarea cu laser si dintre polimerii amorfi se folosesc policarbonatul si polistirenul.

Pulbere Metal-Polimer

Primul pas in sinterizarea pulberii metalice este facut cu ajutorul pulberilor metalice legate prin polimeri. Acest procedeu nu este radical diferit de sinerizarea particulelor polimerice, astfel invelisurile polimerice ce ascund pulberile metalice sunt sinterizate si 'lipesc' particulele metalice din interiorul lor formand astfel asa numitul produs crud.

Al doilea pas consta in indepartarea particulelor polimerice prin incalzire, iar al treilea pas sunt infiltrate cu un metal cu temperatura de topire mica de exemplu cuprul intr-un cuptor cu atmosfera reducatoare. Acest procedeu este unul ce necesita tehnologii si instalatii de un standard ridicat.

Pulbere metal-metal

Atunci cand o pulbere metalica care are o temperatura de topire mica este amestecata mecanic cu alta pulbere care are o temperatura de topire ridicata procedeul este accelerat si devine mai sigur. Functia de liant este preluata de catre pulberea care are punctul de topire mai mic. Un model produs astfel nu are aceleasi proprietati ca si cele produse din aliaje folosite la productia in serie si deci pot fi folosite numai la o fractiune din potentialul lor.

Pulbere metal

La inceput sinterizarea a fost folosita indeosebi pentru polimeri, dar acesta acum poate fi folosita si pentru metale care in stare topita au o tensiune de suprafata mai mare si o vascozitate mai mica decat a materialelor plastice.

Forta activa este deci tensiunea de suprafata iar cea reactiva este vascozitatea, ambele fiind mai favorabile decat in cazul materialelor plastice, dar totusi temperatura la care se desfasoara procesul si implicit complexitatea constructiva sunt mult mai ridicate.

Acest procedeu este inca in faza de dezvoltare in centre ca : Universitatea din Texas si Institutul de tehnologie laser si Institutul de tehnologie a productiei din Aachen.

In principiu se urmeaza doua cai : sinterizearea directa a materialelor metalice ca in cazul sinterizarii selective cu laser si o generatie ce are la baza suportul laser derivat din procesul de acoperire. Se urmareste extinderea procesului de sinterizare si pentru materialele ceramice

3.2 Avanatjele sinterizarii laser 

Imbinarea prin incalzirea cu fascicul laser ii confera avantajul de a putea fi folosit in mult mai multe aplicatii si o arie mult mai mare de selectie a materialelor folosite fata de stereolitografiere. Modelele rezultate sunt rezistente din punct de vedere mecanic si termic, depinzand totusi de materialul folosit, in unele cazuri fiind foarte aproape ca proprietati de modelele functionale produse.

Pulberea ce nu a fost folosita poate fi reciclata si folosita din nou

Curatarea, teoretic, nu necesita decat o perie si o masina de sablat, nu este nevoie de solventi

Este in esenta un proces format dintr-un singur pas, nu avem nevoie de suporti sau de o elaborare ulterioara

Modelele pot fi folosite imediat ce au fost produse

3.3 Dezavantajele sinterizarii laser

Precizia care se poate obtine este in esenta limitata de marimea particulelor folosite, iar materialul si proprietatile sale de absorbtie cat si conductivitatea termica determina viteza maxima de realizare a modelului si puterea laserului necesare

Modelele tind sa nu isi pastreze forma ceruta initial, acestea 'cresc' in functie de relatia dintre pulberea folosita si conductivitatea termica. Astfel particule din materiale ce nu apartin pulberii sau pulberilor folosite la sinterizare sunt inglobate prin conductie termica, modelul capatand pe suprafata un aspect asemuit cu o 'blana'

Porii din interior sunt mai greu de eliminat decat in cazul stereolitografierii, fiind inevitabil ca in interiorul modelului sa nu existe particule libere sau foarte putin legate de cele vecine. Aceste particule scad precizia si se pot detasa mai tarziu cand modelul este deja folosit, deci aceste modele nu pot fi sterilizate si folosite apoi in domeniul medical.

Pentru a evita oxidarea, sinterizarea are loc intr-o incinta in care exista un gaz inert, de obicei azot

Deoarece sinterizarea are loc intr-un punct apropiat de cel de topire, intregul pat de pulbere trebuie sa fie preincalzit uniform aproape de acesta temperatura pentru ca procesul sa fie eficient.Temperatura trebuie continuta in limita a cateva grade celsius, iar incalzirea si racirea se fac destul de incet.

Principii legate de aparatura folosita

Principiul generarii de straturi

In sinterizarea cu laser particule care de obicei au dimensiuni intre 50 si 100 m sunt dispuse sub forma de pat fiind aproape una de cealalta, pot fi chiar presate putin daca este necesar. Acestea sunt topite partial de un fascicul laser, solidificandu-se prin racirea datorita conductivitatii termice si unindu-se intre ele formand astfel un strat compact. Prin coborarea acestui strat si realimentarea cu pulbere in analogie cu primul strat, cel de-al doilea se solidifica si se conecteaza cu primul.

Fig.1.5 Actiunea fascicolului laser  Fig.1.6 Alimentarea cu pulbere cu ajutorul

rolei asupra patului de pulbere

Fig.1.7 Inlaturarea surplusului de pulbere

Design

Este important pentru functionalitatea tehnica a acestui procedeu de a construi camera in care are loc sinterizarea in asa fel incat poate fi preincalzita pana aproape de temperatura de topire a materialului de sinterizat, astfel raza laser trebuie doar sa faca mica diferenta de energie pentru a se realiza sinterizarea. Temperatura trebuie mentinuta cu o precizie de cateva grade celsius, iar oxidarea materialului trebuie evitata ;acest lucru de obicei se face prin folosirea unui gaz inert (azot) .

Sinterizarea laser functioneaza fara suporti deoarece pulberea nesinterizata este asezata sub forma de pat si sustine modelul.

In practica aproape toate modelele sunt pozitionate in aparat fara o baza datorita criteriilor de precizie si economie. Atunci cand parametrii sunt corect alesi rezultatele vor fi excelente.

4.3 Materiale

Cele mai bune materiale pentru sinterizarea laser sunt considerate la ora actuala materialele polimerice, si pulberile metalice dar procesul poate fi executat in principiu cu orice materiale care pot fi topite intr-o faza incipienta si apoi sinterizate, solidificandu-se apoi din nou dupa ce sunt racite .Se folosesc particule de 20..100 m. Materialele cristaline ce se topesc in totalitate formeaza suprafete cu un grad mai mare de finisare decat materialele amorfe, dar datorita tensiunii superficiale se formeaza si mici cavitati care inrautatesc aspectul.

Datorita faptului ca in procesul de sinterizare nu se aplica presiune, densitatea pieselor produse va fi mai mica decat a pieselor produse prin injectare in matrite. Exista si o diferenta intre tendinta de scadere in volum intre materialele cristaline si cele amorfe. Materialele cristaline isi modifica semnificativ volumul in timpul topirii si astfel au tendinta de a-si micsora volumul, materialele amorfe sunt considerate mai rezistente la modificarile de volum functie de densitatea obtinuta. Aceasta tendinta este deja luata in considerare aplicandu-se un coeficient de scadere volumica determinat empiric astfel ca volumul este determinat cu o precizie ridicata inca de la inceput.

Timpul de elaborare si precizia

Acestea depind de geometria pieselor si deci de pozitionarea acestora in camera de constructie. Timpul de elaborare a piesei pe directia x-y este mult mai mare decat in constructia pe axa z. In general viteza aproximativa este de 10mm/h. Precizia este data de diametrul fasciculului laser. Diametre ale razei de aproximativ 0,4mm dau o acuratete de ± 0,15 pana la 0,2 mm.

Post-productia

Dupa ce procesul de elaborare este incheiat modelul este acoperit complet de pulbere. Majoriatea sinerizarilor au loc la temperaturi intre 170 si 200sC, mai ales cand sinterizam materiale polimerice. Pentru a asigura o racire uniforma este necesar ca dupa ce ultimul strat a fost ridicat, peste acesta se va aplica un strat aditional de pulbere gros de cativa centimetri. Dupa ce modelul s-a racit complet, ceea ce poate dura si cateva ore datorita conductivitatii slabe a caldurii pulberea nesinterizata se va indeparta cu grija incepand cu partea exterioara. Chiar daca teoretic piesa este foarte putin inglobata in pulberea nesinterizata si aceasta poate fi indepartata usor prin suflarea cu un gaz, este de preferat sa se faca cu mare prudenta aceasta operatiune deoarece piesa poate fi usor lovita pentru ca pozitia ei nu este cunoscuta cu exactitate si de obicei in jurul piesei sunt zone mai puternic sinterizate care trebuie indepartate cu multa grija si folosind unelte speciale. Este nevoie de indemanare si rabdare pentru a curata modele sinterizate in special modele care au goluri interioare, gauri si detalii de mare precizie.

Dupa ce modelul este curatat in procesul de post-productie, suprafata este in continuare polisata manual sau sablata. Diferite parti ale modelului sau bucati care s-au desprins pot fi lipite cu rasini epoxidice sau adezivi pe baza de cianoacrilat.

Fig.1.8 Indepartarea pragului Fig.1.9 Indepartarea pulberii nesinterizate

 

Fig.1.10 Indepartarea excesului de pulbere cu ajutorul aerului comprimat

Sinterizarea selectiva cu laser-3D systems /DTM 

DTM a creat o familie de masini de prototipat care sunt folosite pentru sinterizarea materialelor plastice si a metalelor .Acestea folosesc principiul scanarii laser asftel un laser CO₂ scaneaza suprafata unui pat de pulberi si incepe sa topeasca intr-un stadiu incipient particulele ce vor forma modelul dupa ce se vor raci. Nu este nevoie de suporti aditionali datorita acestei tehnici.

Se comercializeaza din 1992 fiind vandute aproximativ 300 de aparate in lume.

Activitatile de sinterizare ale firmei 3D-Systems dateaza din timpul corporatiei DTM din Austin ,TX. Corporatia DTM a fost infiintata in anul 1987 de catre Carl Decker. Procesul de sintarizare cu laser este denumit sinterizare selectiva cu laser de catre DTM fiind patentata de catre Carl Decker. Prima masina de sinterizat, Sinerization 125 a fost folosita in anul 1989. Prima masina folosita in industrie in scopul siterizarii laser a fost Sinterization 2000. Vanzarea a inceput in SUA in 1992 si in Europa in 1993, iar urmatorul aparat dezvoltat a fost Sinterization 2500 avand o camera de formare drepunghiulara. Acesta a aparut in 1997. Actualul Sinerization 2500^plus a aparut in 1998, iar Vanguard ,aparut in 2001, este bazat pe Sinterization 2500^plus cu unele imbunatatiri aduse scannerelor, incalzirii si controlului procesului, soft-ul fiind upgradat. In anul 2001 DTM a fost preluata de 3D Systems.

Scopul companiei este de a putea folosi orice material pe o singura masina de prototipat. Pachetele de soft au fost dezvoltate astfel incat sa fie corelate fiecare cu materialul de sinterizat. Partenerul de dezvoltare este ISG, St. Gallen din Elvetia. Dezvoltatorii s-au abtinut optimizarii aparatului pentru o clasa speciala de materiale, astfel utilizatorul putand alege dintr-o varietate de materiale, dar in practica ramane la latitudinea utilizatorului daca va folosi sau nu acest avantaj. Datorita costurilor pachetelor de soft, a timpului necesar resetarii masinii si a trainingului necesar de obicei se utilizeaza o singura clasa de materiale.

Obiectivul prezent al companiei 3D Systems este de a patrunde pe pe piata construind modele functionale prin prototipare rapida din pulberi polimerice si metalice.

Principiul generarii de straturi consta intr-o scanare pe orizontala si verticala a sectiunii transversale relevante. Efectul "stair stepping" sau formarea de trepte are loc atunci cand modelul este generat fara limite aditionale. Pentru a face acest efect mai putin vizibil directia de scanare este schimbata dupa fiecare cursa dupa generarea fiecarui strat, raspandind pragurile mai uniform pe suprafata modelului. In caz ca aceasta trebuie evitate ,in special in cazul peretilor subtiri, strategii de scanare ce incep prin a scana conturul si apoi de a scana restul pe orizontala si verticala sunt de preferat. Pentru a evita neconcordante termice scanarea are loc alternativ pe directiile +y si -y adica din fata sau din spate. Computerul calculeaza cate un strat in timp ce precedentul este construit. Acesta tehnica este eficienta atat timp cat timpul de generare a unui strat este egal cu cel de calculare a urmatorului, deoarece altfel masina trebuie sa astepte urmatoarea parte din algoritm. Acest lucru se poate intampla daca exista o geometrie complicata si daca exista multe date de procesat ca in cazul bazei unui model de craniu folosit in domeniul medical.

Camera in care are loc procesul consta din doua rezervoare si doua containere de surplus intre care este fixata camera de constructie in care este patul de pulbere. In constructia masinii Sinterization 2500^plus recipientele cu material sunt dispuse deasupra patului de pulberi. Materialul este transportat de catre o rola transportoare din recipientul in care se afla materialul pe patul de pulbere. Materialul va trece in containerul cu material de pe partea opusa, sau spre containerul pentru surplus. Cele doua containere cu materiale permit o reinoire a stratului bidirectionala, care este mai rapida. Camera de constructie este dotata cu un piston reglabil care este coborat cu cate o grosime de strat dupa generarea fiecarui strat si inainte de reinoirea cu pulbere a acestuia. Acesta camera a fost una circulara in constructia modelului precedent acum fiind dreptunghiulara. Intregul aparat este preincalzit la o temperatura mai mica cu 4sC decat temperatura de topire a materialului utilizat, apoi masina este inundata cu azot. Un jet continuu de azot care trece prin patul de pulbere uniformizeaza temperatura din camera de constructie. In figura este reprezentat principiul de functionare al aparatului Sinterization 2000, diferenta dintre acesta si modelele 2500 si 2500^plus consta in camera de formare dreptunghiulara. Sistemul laser si scannerul sunt separate de camera de formare. Fasciculul laser (laser CO2) patrunde in camera de formare printr-o fereastra speciala (ZnS) care poate fi scoasa atunci cand aparatul va fi curatat. Azotul isi mentine temperatura constanta deoarece este preincalzit iar apoi racit in timp ce se propaga in jurul ferestrei mentinand-o curata. O fereastra de dimensiuni mari este interpusa intre camera de formare si mediul exterior, acesta avand rol de protectie si permitand observarea procesului de prototipare. Pentru a obtine modele perfecte este foarte important ca temperatura si distribuirea uniforma a acesteia sa fie ajustata minutios si sa fie urmarita cu atentie. Variatii de doar cateva grade a temperaturii pot duce la crearea de modele inutilizabile, care pot fi sinterizate defectuos sau din cauza temperaturii ridicate pot fi curbate, unele pot avea si o culoare diferita functie de materialul folosit. Dinamica temperaturii joaca un rol foarte important, de aceea s-a creat un model superior lui Sintrerization 2000. Acest model este mai usor si mult mai rapid din punct de vedere termic decat precedentul. Optimizarea incalzirii de deasupra patului de pulbere si incalzirea partii superioare a peretilor cilindrului de formare impreuna cu un control rapid dau o uniformizare a campurilor termice. Sursa de azot este introdusa printr-o instalatie de separare a aerului din interiorul aparatului, ceea ce asigura faptul ca sursa de azot nu se va termina in timpul procesului de constructie. Daca acest lucru ar avea loc procesul va trebui sistat, modelul rezultat fiind inutilizabil. Inainte ca modelul terminat sa fie scos aparatul trebuie racit. Racirea poate dura si cateva ore in functie de material. In consecinta masina trebuie reincalzita cand va avea loc urmatoarea operatie de prototipare. Acesti timpi fac parte din timpul de formare, dar trebuie inclusi in timpul total de prototipare si in calculele preturilor de cost.

Datorita designului, intregul aparat trebuie sa fie expus la conditiile unei atmosfere normale atunci cand modele sunt scoase, deci pentru a porni din nou constructia unui nou model va trebui din nou introducerea unei atmosfere inerte.

Masina este calibrata prin expunerea unei folii speciale pe care sunt marcaje, interpretarea acestora este facuta doar de catre producatorul din S.U.A.

Fig.1.11 Masina de prototipat rapid Sinterization 2500 ^plus

5.1 Materiale

Materiale plastice

Doua poliamide sunt disponibile pentru sinterizarea pe Sinterization 2000/2500^plus. Acestea sunt cunoscute sub denumirea de DuraForm, cea de nylon pur sau DuraFormGF cea umpluta cu sticla. Marimea grauntilor este in 90% din cazuri < 50μm. Fibra de sticla nu poate fi folosita dar globuri de sticla pot fi amestecate cu pulberea. Acestea impiedica extinderea crescand astfel stabilitatea mecanica.    

Pentru modelele elastice se foloseste un elastomer termoplastic cunoscut sub numele de DMS-Somos. Acesta este folosit pentru simularea cauciucurilor. Comportarea materialului difera considerabil intre temperaturi scazute sub -30sC si temperaturi ridicate de peste 50sC.

TrueForm PM (TrueForm II) pe o baza de polistiren a inlocuit policarbonatul in alegerea materialului pentru turnare de precizie.

Proprietatile sale de suprafata sunt superioare celor ale poliamidei fine. Este in principiu un copolimer de tipul acrilatilor care nu poate fi polimerizat in continuare. Micsoarea dimensiunilor pe fond de temperatura este comparabila cu cea a acrilatilor. TrueForm I a avut succes in randul turnatoriilor americane dar nu a fost apreciat in randul celor din Europa. TrueForm PM sau TrueForm II a fost imbunatatit din punct de vedere al reproductibilitatii si a punctului de topire. Compania DTM a produs insa un material imbunatatit CastForm PS care este folosit la turnarea de precizie a aluminiului si a titanului. Acest produs a inlocuit deja TrueForm PM.

Metale

Compania DTM a dezvoltat un proces in mai multi pasi de sinterizare indirecta a pulberilor metalice pe baza pulberilor metalice acoperite cu polimeri pentru producerea de modele metalice si de matrite. Acest proces este bazat pe faptul ca toate masinile de sinterizat existente pot sinteriza orice material atat timp cat este acoperit in plastic. Pe acesta baza s-a devoltat procesul in mai multi pasi de sinterizare indirecta a pulberilor metalice pe baza pulberilor metalice acoperite  cu polimeri.

Ca un prim pas modelul este sinterizat intr-o masina de prototipat dintr-o pulbere metalica acoperita cu material plastic. Modelul va dobandi o stabilitate datorita particulelor metalice acoperite cu material plastic care se lipesc una de alta prin sinterizare. Modelul este apoi incalzit intr-o atmosfera reducatoare de hidrogen inauntrul unui cuptor cu o temperatura ridicata inlaturand materialul plastic. Acesta este deosebit de important deoarece se elimina si oxidul, care ar influenta negativ umectarea pulberilor sinterizate. Al treilea pas al procesului, un metal cu punct de topire scazut, de obicei cuprul, este infiltrat in golurile materialului poros. Infiltrarea se realizeaza in acelasi cuptor daca materialul infiltrat are un punct de topire corespunzator. Materialul ce urmeaza a fi infiltrat ar trebui pozitionat in imediata apropiere a modelului pentru ca procesul de infiltrare sa aiba loc drept consecinta a fortelor capilare.

Acesta este un proces destul de complicat care necesita experienta si o investitie aditionala. Cu atat mai mult, acest proces are marele dezavantaj ca datorita multiplelor tratamente termice asupra produsului nesinterizat cat si a produsului sinterizat, factorii de scadere a dimensiunilor care nu pot fi ignorati, devin atat de complicati incat este imposibil sa fie controlati in mod satisfacator fara a avea valori empirice dupa care sa ne ghidam. Acest proces este si unul de durata.

Pentru Sinterization 2000^plus s-a calculat o viteza de constructie de aproximativ 11,5mm/h. Acesta este de 1,6 ori mai rapid decat Sinterization 2000 si de aproximativ 1,3 ori mai rapid decat Sinterization 2500. Precizia in 90% din cazuri este mai mica de ±0,12 mm deci de aproximativ 1,3 ori mai mare decat cea a Sinterization 2000.

In functie de materialul folosit spatiul utilizabil in camera de formare poate deveni cu usurinta mai mic datorita distantelor minime specificate dintre pereti si model.

Etapele de post-productie sunt identice cu cele folosite in sinterizarea laser. Dupa ce prototiparea a luat sfarsit si masina s-a racit modelul inglobat in pulbere este extras, iar dupa ce si acesta s-a racit suficient va fi extras si curatat.

Prototiparea rapida a sculelor(Rapid tooling)

Rapid tooling se traduce prin prototiparea rapida a sculelor. Acest concept a aparut inca de la inceputul prototiparii rapide si prin el se creaza in special scule folosite la injectarea maselor plastice folosind aceeasi tehnologie ca in cazul prototiparii rapide.

Termenul de "scule" se refera la componente folosite ca matrite permanente pentru injectarea materialelor plastice sau ca matrite pentru turnarea materialelor metalice.

Chiar daca majoritatea pieselor create prin acest procedeu sunt folosite la injectarea maselor plastice, acest lucru nu inseamna ca aria de folosire a RT se limiteaza numai la acestea.

Toate procedeele de injectare in matrite au in comun temperaturile ridicate si presiunile mari la care se lucreaza, ceea ce inseamna ca sculele trebuie optimizate pentru a putea face fata acestora.

In practica pot aparea probleme in RT:

Geometria matritei si cea a produsului realizat prin folosirea acesteia difera destul de mult. Trebuie sa se tina cont de contractie si scoaterea din matrita, ejctor, debit, ventilatie si racire. Pentru a defini geometria unei unelte trebuie sa avem si softwear-ul necesar cat si know-how-ul producerii acestor piese. Soft-ul este bazat pe modelul CAD al piesei.

Majoritatea masinilor de prototipat de astazi sunt construite pentru a procesa materiale polimerice si in cele mai multe cazuri materialele de care se dispune nu pot face fata tensiunilor termice si mecanice ce au loc in timpul injectarii. Proprietatile materialelor metalice nu sunt identice cu acelea ale sculelor din otel.

Piesele ce au doua componente sunt destul de neobisnuite in sensul ca in mod normal sunt relizate cu ajutorul unor piese produse prin injectare in matrita si unelte standard prin asamblare clasica sau parti singulare ce au aceleasi proprietati mecanice.

6.1 Prototiparea rapida a sculelor cu ajutorul pulberilor metalice

Primul procedeu de RT a componentelor metalice a fost Indirect Selective a companiei DTM devenita acum 3D-Systems. Indirect Selective este denumit in prezent "Rapid Tool". Acest procedeu poate folosi una din aceste doua combinatii de materiale:

Cupru-poliamida

Otel inoxidabi-bronz

Pulberile metalice sunt acoperite cu plastic astfel incat in masina de sinterizat numai stratul de plastic fuzioneaza la fiecare granula. Este generat un produs crud destul de fragil, iar apoi liantul este eliminat intr-un proces format din mai multi pasi. In final se aplica o rasina si produsul este infiltrat cu cupru sau polimeri.

Acest procedeul dureaza mai mult de 40 de ore si implica raciri si incalziri pentru a evita deformatiile. Prin folosirea acestui procedeu, insa se pot crea pereti subtiri si alte forme geometrice complexe ce nu pot fi realizate prin aschiere. Se pot realiza de la cateva sute la cateva mii de piese, deci matritele pot fi produse in serie.

Calitatea suprafetei a fost imbunatatita, dezavantajele care raman sunt fragilitatea produsului crud, riscul deformatiilor si durata mare a procesului. In functie de geometrie, o piesa se poate realiza intre 20 si 30 de ore, post-procesarea in mai putin de 40 de ore iar finisarea intre 10 si 40 de ore ceea ce inseamna ca durata totala se invarte in jurul a 100 de ore.

6.1.1 Sinterizarea laser a pulberilor metalice multicomponent

Un pas in aceasta directie este o tehnologie in cadrul pulberilor multicomponent in care o mixtura de metale cu puncte de topire ridicate si scazute care a fost conceputa in asemenea fel incat componenta cu punctul de topire scazut este topita in masina de sinterizat si este pe post de liant pentru componenta cu punct de topire ridicat iar cand acesta se topeste se solidifica. Marimea particulelor si coeficientii de expansiune a metalelor implicate sunt grupate in asemenea fel incat contractia sa fie cat mai mica posibil. Compania EOS-Electrolux foloseste in pricipiu o pulbere bronz-nichel cu aditivi. Procesul este denumit DMLS (sinterizare directa cu laser a metalelor). Pentru a obtine o precizie dorita sinterizarea trebuie efectuata atent si va rezulta o porozitate de 30%. Stabilitatea nu este destul de ridicata pentru a fi folosita in procedee de injectare in matrita, astfel componentele vor fi infiltrate cu un metal cu punct de topire mic sau cu rasina epoxidica.

Prin aceasta metoda porozitatea rezultata va fi mai mica de 15%, iar proprietatile mecanico-tehnologice sunt asemanatoare aluminiului.

6.1.2 Sinterizarea laser a pulberilor matalice unicomponent

Procedee de sinterizare directa folsind pulberi metalice din oteluri de scule sau alte materiale cu punct de topire ridicat sunt in curs de dezvoltare pe tot mapamondul pentru a evita limitarile impuse de folosirea pulberilor multicomponent.

Nu numai temperatura ridicata de sinterizare este greu de stapanit ci si unele din efectele fizice care cauzeaza o porozitate mai ridicata decat in cazul sinterizarii plasticelor.

Tensiunea superficiala superioara a metalelor in stare lichida cauzeaza formarea de picaturi mari ceea ce va da o porozitate mare a produsului dupa solidificare. In plus fata de asta un strat de oxid apare si scade umectarea. Este foarte nefezabil din punct de vedere tehnic ca pulberea metalica sa fie incalzita cu cateva grade sub temperatura de topire ca in cazul materialelor polimerice daca temperatura este intre 800 si 1000sC.

Pe baza tehnologiei dezvoltata pentru sinterizarea pulberilor multicomponent firma EOS-Electrolux a introdus in anul 1998 masina EOSINT M250Xtended si pulberea metalica DirectSteel 50V1. Materialul folosit este un aliaj din otel devoltat special pentru a avea proprietati similare cu ale otelului turnat dupa procesare. Scopul de a produce in mod direct a pieselor din otel de scule a fost aproape realizat odata cu adoptarea tehnologiei si rezolvarea problemelor legate de infiltratii. Tensiunile interne cauzeaza inca deformatii, modelele fiind construite pe suporti solizi.

Parametrii optimizati ai procesului cat si tehnologii de scanare imbunatatite ajuta la rezolvarea problemelor. Folosind acest procedeu matrite formate din doua parti pot fi produse si folosite in injectarea materialelor polimerice. Dezavatajul consta insa in rugozitatea suprafetelor.

6.2 Rapid Tooling prin EBM(Electron Beam Melting)

Prototiparea rapida din topitura sau EBM (Electron Beam Melting) este o metoda de prototipare ce foloseste in special pulbere metalica. Prin aceasta tehnologie se produc piese metalice prin topirea pulberii metalice si aplicarea unui strat de topitura deasupra altuia. Topirea se realizeaza cu ajutorul unui fascicol de electroni intr-un mediu vidat. Spre deosebire de alte tehnici de sinterizare a metalelor piesele sunt complet solide, nu au pori si sunt exterm de rezistente.

Prin aceasta metoda de prototipare se produc piese care au densitatea si proprietatile materialului de baza. Masina de prototipat citeste datele unui model CAD 3D si apoi aseaza succesiv straturi de pulbere metalica unul deasupra celuilalt. Aceste straturi sunt apoi topite impreuna folosind un fascicol de elctroni controlat de un computer, fiind astfel realizate piesele. Procesul are loc in vid ceea ce permite utilizarea de pulberi din materiale cu o mare afinitate pentru oxigen.

Materialul folosit se transforma din starea de pulbere in starea topita si apoi se solidifica in forma finala, dar are proprietatile materialului folosit ceea ce inseamna ca nu mai trebuie infiltrat, iar aceasta tehnica nu mai presupune tratamente termice aditionale pentru a obtine proprietatile mecanice dorite. In comparatie cu SLS si DMLS, EBM are o viteza mai mare de lucru datorita densitatii superioare de energie si metodei de scanare imbunatatita.

Grosimea minima de strat depus este de 0.05 mm, iar toleranta este de +/- 0.4 mm.

Aceasta tehnologie a fost dezvoltata de firma Arcam AB din Suedia.

Aliajele de titan sunt foarte utilizate ca materie prima, realizandu-se astfel implanturi folosite in medicina.

Un sistem EBM Arcam este format din :

Panou electric

Camera de vid

Sistem touch screen

Tun de electroni

Camera de formare

Panoul electric contine:

Computer industrial de control

Ecran LCD touch-screen

Sistem de amortizare a zgomotului

Tastatura

Unitate de tensiune ridicata

Diferite relee si sigurante automate

Cateva surse de 24V in CC

Diferite circuite ce controleaza focalizarea, deviatia etc.

Sistemul touch-screen si tastatura sunt folosite pentru a opera sistemul. Pentru a putea functiona sistemul are nevoie de un software operational. Prin utilizarea sistemului touch-screen sau a tastaturii operatorul poate naviga prin diferitele meniuri ale soft-ului si se pot initia functii din cadrul acestuia. De la acest pas inainte se poate porni sau sista constructia, se poate controla containerul de constructie si transportul pulberii metalice printre altele.

Corpul ce contine camera de vid, aici fiind si camera de formare, contine:

Camera de vid

Tunul de elctroni

Pompa de vid

2 turbo pompe

1 pompa de vid pentru sigilarea usii

Diferite supape pentru sistemul de vid

Camera video

Servo motoare pentru actionarea mesei si a greblei

Sistem de control al vidului

Geam pentru observarea procesului

Alimentator film de protectie

Camera de vid contine majoritatea partilor mecanice ce deservesc alimentarii si distribuirii pulberii si contine piesa ce urmeaza a fi construita.

Piesele sunt formate in interiorul containerului de constructie. Acesta poate fi demontat pentru a scoate piesa sau in scop de mentenanta.

Un scut termic protejeaza camera de raze x si protejeaza componentele sistemului de supraincalzire si metalizare.

Alimentatorul de film de protectie trage in mod continuu si cu o viteza redusa o pelicula de film protector din plastic prin fata ferestrei camerei video. Acest lucru permite o buna observare a procesului pe display chiar daca vapori de metal acopera suprafetele interioare ale aparatului in cadrul formarii.

Nivelatorul se deplaseaza in mormanul de pulbere si face ca pulberea sa curga deasupra ei, apoi se deplaseaza peste containerul de formare lasand in urma un strat uniform de pulbere deasupra suprafetei in lucru. Acest lucru se repeta din partea opusa cand stratul este gata. Miscarea acesti mecanism este reglata de un servomotor. Pozitia finala a mecanismului determina cantitatea de pulbere ce curge pe nivelator. Regulatorul ajusteaza cantitatea de pulbere din fata greblei prin absorbirea unei cantitati de pulbere printr-o duza si ajustarea pozitiei pana este obtinut un nivel optim.

Camera video este folosita pentru monitorizarea procesului.

Tunul de electroni genereaza raza de elctroni. Tunul este pozitionat in partea de sus a camerei de vid. Acesta este compus din 3 coloane :

Coloana superioara

Coloana mediana

Coloana inferioara

Coloana superioara consta din:

Unitatea de control a electrodului

Filamentele

Diferite elemente de etansare, conexiuni si dispozitive de racire pentru aceste parti

Coloana inferioara consta din:

Conexiunea anod-tubul anodului

Conexiunea turbopompei

Coloana inferioara consta din:

Locasuri pentru bobinele ce au ca rol concentrarea, devierea sau corectie astigmatica a razei si racirea circuitelor pentru aceste parti

Aparatul are si diferite butoane si intrerupatoare ale caror functii trebuie stiute inaintea utilizarii sistemului. Acestea sunt:

Oprire de urgenta

Interupator principal

Resetarea opririi de urgenta

Oprirea de urgenta se activeaza prin actionarea butonului destinat acesteia si se foloseste cand apar situatii de urgenta pentru oprirea completa a sistemului.

Resetarea opririi de urgenta are functia de a repune masina in stand-by dupa ce a fost inchisa sau dupa ce a fost actionat butonul de oprire de urgenta.

Interupatorul principal conecteaza si deconecteaza curentul electric la sistem.

6.3 Principiul fascicolului de electroni

Procesul EBM are loc atunci cand energia cinetica dintr-o raza concentrata de electroni este accelerata pana atinge o viteza extrem de mare si folosita pentru a topi pulberea metalica.

Raza de electroni este generata in interiorul tunului de electroni. In interiorul acestuia aflandu-se si un filament de wolfram. Filamentul este incalzit la peste 2000sC de catre curentul din filament, iar la o temperatura asa de mare electronii se pot desprinde din filament. Electronii emisi sunt accelerati intr-un camp electric obtinut prin aplicarea unei tensiuni ridicate de aproimativ 60000V intre filament si anod. Curentul razei este controlat cu ajutorul bobinei electromagnetice (bobina de concentrare).

Electronii sunt accelerati la viteze cuprinse intre 0,1 si 0,4 din viteza luminii, iar densitatea de energie din raza de electroni poate atinge 106kW/cm². Pentru a impiedica deplasarea razei de electroni datorita atomilor de gaz presiunea din camera de vid este foarte mica, undeva in jurul a mbar.

Cand elctronii penetreaza suprafata pulberii si inainteaza in interiorul particulelor de pulbere, viteza lor scade. Din acest motiv energia lor cinetica se transforma in energie termica si pulberea atinge punctul de topire. Pentru a activa raza de elctroni, tunurile de electroni folosesc bobine deflectoare permitand razei de electroni sa examineze si sa topeasca pulberea in locurile unde este necesar acest lucru.

Cand electronii din fascicol lovesc suprafata pulberii din containerul de formare din camera de formare sunt emise raze X, dar cand tunul este inchis nu se mai intampla acest lucru si nu mai raman emisii in interiorul camerei.

Avantajele folosirii acestei tehnologii sunt:

Densitate mare de energie pe parcursul intregului proces

Posibilitatea de a obtine o viteza foarte ridicata de topire

Nivel scazut de energie emis meduilui sub forma de radiatii

Eficienta ridicata

Topire curata prin folosirea vidului

Consum minim de energie

Pot fi folosite diferite combinatii de pulberi metalice pentru materialul de formare

Echipamentul periferic este compus din:

Sistem de recuperare a pulberii pentru purificarea si curatarea pulberii

Dispozitiv de racire al apei ce merge la tun