Analiza

O nouă treaptă în evoluția imprimării 3D

• Bookmarks: 3421


La începutul anilor ’90, tehnologiile de producție convenționale erau revoluționate de Additive Layer Manufacturing, proces de fabricare prin depunere de aditivi. Cu timpul s-au ramificat mai multe tehnologii din familia ALM, iar aplicabilitatea lor s-a extins la mai multe piețe. Acum, domeniul parcurge o mutație impresionantă – imprimarea 3D de mare format. Aflându-se abia la primii pași, tehnologia ridică o serie de întrebări, dar ambițiile și promisiunile sale sunt nelimitate.

Procesul de fabricare prin depunere de aditivi, denumit generic imprimare 3D, este similar cu cel al imprimantelor pe bază de laser. Tehnologia este utilizată pentru crearea unui obiect solid prin suprapunerea unor straturi. Sistemele de imprimare prin depunere de aditivi prezintă o serie de avantaje comparativ cu metodele de producție tradiționale. “În primul rând, timpul de realizare este foarte scurt, pentru că nu mai există etape intermediare între etapa de proiectare și cea de fabricare”, subliniază Laurențiu Iosipescu, directorul diviziei Echipamente – Tehnologie – Service a furnizorului Mons Medius. ETS distribuie utilaje de imprimare 3D Dimension și Fortus, ale producătorului american Stratasys, bazate pe tehnologia Fused Deposition Modeling – modelare prin depunere termică.

Procesul de modelare prin depunere termică începe cu încălzirea a două materiale, unul de modelare și unul de suport, urmând ca acestea să alimenteze duzele de depunere ale utilajului și să fie depuse în straturi consecutive pe o suprafață de modelare.

Un alt atu important al tehnologiei de imprimare prin depunere de aditivi este capacitatea de a construi de la zero modele cu o geometrie complexă contra unor costuri de producție sensibil reduse față de procesele convenționale, minimizând totodată deșeurile aferente acestora. De exemplu, dacă tehnologiile clasice se dispensează de 95% din materiile prime în stadiul de finalizare a produsului, sistemele 3D folosesc doar materialul de care au nevoie pentru fabricarea sa. Procedeele tradiționale fac uz de aluminiu și titanit și antrenează investiții majore în procesele de termo-tratare, rulare, reîncălzire și decupare, dublate de cheltuielile logistice aferente. În plus, marea parte a materialului achiziționat și prelucrat este eliminat în faza de finisare a produsului. Prin contrast, imprimarea prin depunerea de aditivi face posibilă exploatarea unui volum de materie primă de 26 de ori mai redus.

Materia primă aflată la baza tehnologiei de imprimare prin depunere de aditivi este pudra, care poate fi termopolimer sau metal – aluminiu, oțel inoxidabil sau titanit. Spațiul de imprimare este încălzit, în general, până la o temperatură cu 10ºC sub punctul de topire a materialului, pentru ca laserul utilizat la încălzirea pudrei să îl topească rapid. În cazul metalelor, preîncălzirea elimină presiunea reziduală din procesul de prelucrare, fapt care facilitează îndoirea în timpul procesului de sudură.
Imprimarea 3D începe cu proiectarea componentei în trei dimensiuni, într-un fișier CAD. După ce prototipul este conceput, producătorii trebuie să decidă orientarea straturilor din care va fi constituită componenta – aspect care ține mai mult de aprecieri subiective. Apoi, imprimantele 3D împart modelul în straturi a căror grosime depinde de tipul de mașină și de material utilizate – de exemplu, 0.1 mm pentru polimeri și 30 de microni pentru metale. O lamă poziționată pe un braț în mișcare depune un strat de pulbere uniform deasupra suprafeței, apoi un laser cu o capacitate de 200 W scanează suprafața, topind pudra și transformând-o într-un prim strat. Suprafața de lucru este apoi coborâtă, pe parcursul depunerii succesive a straturilor.

Unele echipamente ALM utilizează unde de electroni în locul laserului, deoarece acestea sunt apte să transmită mai multă energie și să topească pudra mai rapid. Ele operează la temperatura camerei, dar au dezavantajul că produc bucăți cu o suprafață dură, care necesită o prelucrare ulterioară, iar tensiunea reziduală nu este eliminată.
O altă tehnologie de imprimare 3D frecventă este stereolitografia, care utilizează rășină lichidă solidificată și depusă în straturi cu un laser UV.

Care este însă frontiera dintre prototip și obiect? “Granița dintre model și produsul de sine stătător nu este foarte bine definită – cel puțin în cazul tehnologiei FDM. Putem afirma cu tărie că se pot produce piese ori obiecte ce pot fi utilizate în ambele ipostaze, în funcție de aplicație. De exemplu, elementele de fixare și control, aplicatoare și tije pentru roboții manipulatori, obiecte pentru crearea matrițelor de turnare”, explică Laurențiu Iosipescu.

De la mic la mare

Potrivit lui Laurențiu Iosipescu, în România sunt instalate 40-50 de imprimante 3D, care utilizează diverse materiale și tehnologii.
Probabil că zona imprimării 3D ar fi intrat în rutină dacă producătorul german Voxeljet nu ar fi inventat primul sistem de imprimare 3D de mare format, VX 4000.
În acest stadiu, tehnologia de imprimare 3D large format nu este foarte cunoscută. Laurențiu Iosipescu opinează că principiile de bază ar fi aceleași ca la imprimarea ALM de format mic. “Doar mărimea diferă. În rest, procesele de imprimare sunt identice”, susține Stefanie Feneberg, director de marketing al Voxeljet. Voxeljet are un sediu de producție la comandă a mulajelor de nisip pentru piese turnate, iar VX 4000 poate imprima prototipuri la dimensiuni de 4 x 2 x 1 metri. Echipamentul măsoară 20 m lungime, 7 m înălțime și 4 m lățime și a fost astfel proiectat încât să permită un flux de lucru continuu, în trei ture. Potrivit lui Stefanie Feneberg, utilajul este apt să producă atât prototipuri individuale la dimensiuni impresionante – maximum 8 metri cubi – cât și componente mici. Are un cap de imprimare larg ce permite imprimarea unui la 120 micrometri grosime în două etape, aspect care ajută la diminuarea timpului și a bugetelor de producție.

Tobias King, directorul de vânzări al companiei, declară că Voxeljet operează unicul său echipament VX 4000 la centrul de service din Friedberg din primul semestru al acestui an. Sistemul este utilizat pentru acordarea de servicii, nefiind plasat deocamdată în circuitul de vânzare. “Durează mult să comercializăm imprimantele noastre, din moment ce companiile își planifică bugetele și au nevoie de produse-eșantion pentru teste. De aceea, procesul de vânzare al unui echipament VX 4000 necesită multă răbdare. Deși vrem să ne comercializăm sistemele, momentan ne concentrăm pe oferirea de servicii și componente pentru clienți”, povestește Tobias King, directorul de vânzări al Voxeljet.
După spusele oficialilor Voxeljet, domeniile cărora se adresează echipamentul sunt industria energiei și cea automotivă. “Regiunile cele mai active în zona imprimării 3D de mare format sunt Africa, Brazilia, SUA, China, Germania și Rusia. Considerăm că piața europeană încă nu este suficient de matură pentru aceste tehnologii”, declară Stefanie Feneberg.

Unul dintre colaboratorii tradiționali ai Voxeljet este producătorul de pompe olandez Nijhuis, care fabrică, pe lângă carcase de pompe, roți de maximum 800 kilograme la sediul din Winterwijk. Procesul clasic de fabricare a prototipurilor în această zonă de producție se întinde pe o durată de trei-patru luni, începând cu desenarea acestuia și sfârșind cu etapa de turnare propriu-zisă. În mod uzual, fabricarea unui model de lemn poate dura două sau trei luni, fiind necesare câteva zile în plus pentru ca nisipul să fie adus la o formă. Însă imprimarea 3D de mare format scurtează timpii de producție, întrucât se pot crea prototipuri fără să fie implicate alte instrumente, în sistem complet automatizat și în detalii realiste și exacte. Procesul durează o zi sau două, în funcție de dimensiunea piesei.

Luke Vrielink, sales manager Nijhuis, companie producătore de pompe hidraulice, care a achiziționat un echipament VoxelJet

De la 3D la SF

Industria aviatică este una dintre clientele predilecte ale sistemelor de imprimare 3D, utilizându-le pentru fabricarea de prototipuri și componente deopotrivă. Proiectanții activi pe această piață pot lua ca punct de reper, de exemplu, un tren de aterizare fabricat prin mijloace tradiționale, pentru a efectua o analiză de presiune computerizată și o optimizare topologică care să determine porțiunile unde sunt concentrate greutatea și presiunea. Pornind de la aceste informații, ei pot concepe apoi o componentă care să cuprindă numai acele secțiuni ce poartă greutatea, cu o masă cu 50% mai mică raportată la cea a originalului, dar întrunind aceleași funcții. De altfel, piața aviatică este familiarizată de 10 ani cu procesele ALM. Boeing a integrat conducte de răcire obținute prin tehnologia de sinterizare laser pe F18, iar în componența modelului Dreamliner 787 au intrat elemente de importanță – și risc – minoră obținute prin același procedeu. Airbus testează, în prezent, fiabilitatea unor suprafețe de control, sisteme de răcire și trenuri de aterizare ușoare produse prin procese ALM.

Chris Turner, membru CALM, Center for Additive Layer Manufacturing, lucrează în prezent la fabricarea componentelor unui satelit de comunicare Astrium, subsidiară a celui mai mare concern aerospațial, WMW. Printre obiectele aflate în producție se numără un mecanism de menținere a panourilor solare într-o poziție înclinată de-a lungul satelitului în timpul lansării. Acesta se va substitui unui ansamblu grupat în 6 părți, având un volum mult mai scăzut.

O tehnologie în construcție

Fiind într-o fază incipientă, materialele și calitatea proceselor de imprimare 3D încă nu fac subiectul unor reglementări. Una dintre probleme este precaritatea – sau relativitatea – echipamentelor actuale. Experții din industrie punctează că menținerea temperaturii este dificilă, iar proprietățile mecanice ale unor tehnologii ALM, bunăoară, sinterizarea laser, diferă în funcție de aplicații, zile și suprafețe de producție. Prin urmare, se impune găsirea unor soluții pentru controlarea și subscrierea lor unor principii de funcționare comune. Un alt inconvenient îl reprezintă limitările softurilor de design. Sistemele CAD și instrumentele de proiectare tradiționale nu răspund cerințelor unor proiecte mai complexe, fiind chiar depășite de tehnologiile de fabricare ALM propriu-zise.

Similar Posts:

3 recommended
comments icon0 comments
0 notes
421 views
bookmark icon

Write a comment...