Post on 12-Dec-2014
description
“UNIVERSITATEA TEHNICA” DIN CLUJ-NAPOCAFACULTATEA DE CONSTRUCTII MASINISECTIA DESIGN INDUSTRIAL
Proiect Rapid Prototiping
GHITULESCU MIHAIANUL 4
Cuprins
Desenul piesei………………………………………….....2
Tehnologia clasica…………………………………….….4
Fabricarea matritei prin metoda clasica ……………..…...4
Sinterizarea selectiva cu laser SLS…………………...…..7
Alte tehnologi asemanatoare SLS………………………...8
Argumentare alegeri metodei SLS…………......................9
Principiu de lucru…………………………………………10
Companii care produc utilaje pentru SLS………………...11
Materiale………………………………………………..…14
Sinterizarea cu laser a matritelor pentru injective…………16
Finisarea pieselor prin Sinterizare Selectiva cu Laser.........18
Avantaje..............................................................................22
Comparare TN cu TC……………………………………..23
Concluzi…………………………………………………...24
Biblografie………………………………………………...25
1
Proiect de semestru
Sa se proiecteze tehnologia de prototipare rapida a piesei “carcasa de telefon”, fabricat din plastic,
seria de fabricatie 20000de bucati.
2
1.Desenul piesei
3
2.Tehnologia clasica de fabricatie
2.1Fabricarea matritei prin metoda clasica
Intinerar tehnologic de fabricatie
De obicei pentru placile componente ale pachetului superior si inferior intinerarul
tehnologic este urmatorul:
-turnarea de material in placi de diferite grosimi
-debitare material din placile turnate
-rabotarea placa la dimensiunile dorite
-rectificare placa pe masina de rectificat plan
-prelucrare pe masina de gaurit in coordinate unde se dau gaurile pt miezuri ,etc
-frezarea lacasurilor sau cuiburilor daca este cazul
-la lacatuserie se finiseaza anumite neregularitati aparute in procesul de fabricatie
Pentru coloanele si bucsile de ghidare intinerarul tehnologic va fi urmatorul :
-debitare material
-strunjire material la dimensiunile date de desenul de executie
-tratament termic pentru inbunatatirea duritatii
-rectificare
-montarea acestora in placile aferente
-dupa montarea bucselor de ghidare in placa acestea se rectifica pana ajung la nivelu placii pentru a
nu impiedica matrita sa se inchida perfect
Componenta matritei:
-pachetul superior compus din placa de baza placa port cuiburi in functie de piesa cuiburile se
pot face in pastille interschimbabile .In cazul nostrum deoarece piesa este destul de mare si
dreptunghiulara si un numar limitat pe piese(20.000)nu se vor folosi cuiburi interschimbabile
-in functie de masina pe care se injecteaza se alge inelul de ghidare pe masina si bucse de injectare
-pachetul inferior care se realizeaza in functie de tipul de matrita sau de cum se realizeaza matrita
si are in component :placa port cuiburi ,miezuri ,o placa de presiune ,distantiere si placa de baza
-placa port miezuri
-pachetul aruncator care are in componenta extractoarele cu aruncatoarele pentru piesa si
reductoarele care la inchiderea matritei aduc pachetul aruncator in pozitia de injectare
4
-placile din pachetul superior ,inferior si aruncator sunt ghidate de stifturi si prinse cu suruburi
-pachetul superior fata de pachetul inferior se ghideaza pe coloane asfel ca in pozitia deschis
pachetului superior sa nu iasa de pe coloane
-matrita se prinde pe placile masinii cu bride
5
3.Sinterizarea selectivă cu laser, SLS
Procedeele sinterizării selective (SLS – Selective Laser Sinering) dezvoltate
după anul 1992 se
bazează pe experienţa de proiectare şi fabricaţie dobândită pe echipamentele
stereolitografice (STL)
dar şi pe extinderea cercetărilor tehnologice asupra altor grupe de materiale cu
proprietăţi mecanice şi tehnologice mai apropiate de necesităţile ansamblelor
funcţionale din construcţia de maşini (material ceramice, feroase şi neferoase).
În acest mod s-a reuşit să se demonstreze că un strat subţire din anumite
amestecuri de pulberi,
sub acţiunea razei laser poate atinge local, în funcţie şi de durata de expunere,
temperatura de topire
care marchează trecerea stratului de pulberi în faza lichidă.
Pe baza proprietăţilor fizice ale pulberilor utilizate, imediat după încetarea
acţiunii razei laser are loc aproape instantaneu solidificarea locală, obţinând un
cordon compact, realizat după direcţiile
lanţurilor moleculare, înconjurat de un volum de pulberi neexpuse razelor
amintite.
Pulberile metalice care pot fi utilizate cuprind o mare varietate de materiale
care includ oţelul
inoxidabil implantabil sau de uz general, superaliaje de cobalt sau nichel, aliaje
de titan sau titan pur.
Toate aceste materiale au calităţi fizice şi mecanice deosebite, mai bune
decât materialele turnate
sau forjate, astfel încât sunt recomandate pentru implanturi biomedicale, piese
pentru industria
aeronauticî sau industria auto.
6
3.1Alte tehnologi asemanatoare SLS
Tehnologia Selective Laser Melting(SLM) a fost descoperita in 1995 ,ea este o metoda de
rapid prototyping care foloseste pulberi metalice cu graunti de 10 pana la 30 de micrometri pentru a
crea suprafete dense
Este folosita in special pentru a creea scule din metal cu o rezistenta foarte mare .Imediat
dupa terminarea procesului SLM piesele pot avea o duritate de aproximativ 550HV
Topirea selective cu laser foloseste un fascicol laser care topeste pulberea metalica in totalitate strat
cu strat obtinaduse piesa dorita
In 1997 sa inceput creeare matritelor pentru injective de mase plastic cu un potential foarte
ridicat in folosirea in seri medi productie
Post procesarea care este folosita la SLS ca sa mareasca duritatea pieselor nu mai este folosita si in
procedeul SLM cea ce prezinta un avantaj major
Precizia si rugozitatea pieselor facute cu procedeul SLM este mult mai buna decat la SLS
7
In comparatie cu SLS SLM are mult mai multe firme producatoare de echipament SLM printre
acestia se pot numara MTT(Germania),ARCAM(Suedia),Concept Laser(Germania),ITL
Fraunhofer(Germania),Ino shape(Germania),Realizer SLM
3.2Argumentare alegeri metodei SLS
Sinterizarea selectiva cu laser este solutia ideala pentru :
Prototipuri complet funcţionale cu proprietăţi mecanice comparabile cu cele de injectare piese turnate
Serie de elemente componente mici, ca alternative eficiente-cost pentru turnare prin injecţie
Piese mari si complexe functionale pana la 700x380x580 mm, într-o singură bucată
Fabricatie personalizată adică pentru producţia de unicate, modele complexe, personalizate construit ca produse doar o dată sau în loturi mici.
De ce sa alegi SLS :
8
Unele motive întemeiate de a alege SLS:
-rapid
-economic
-piese de folosinţă îndelungată şi funcţionale
- piese de mari şi complexe
-producţia directă de proiecte de volum redus
-libertate in constructie(nu necesita structura de sustinere)
-o gamă largă de grade de finisaje
- pot fi sigilate etanş
3.3Principiu de lucru
Selective Laser sintering este bine cunoscută ca una din tehnologiile care asigură cea mai
rapidă cale de la ideea de produs la lansarea pe piaţa a acestuia. Compani inovative din intreaga
9
lume folosesc această tehnologie pentru execuţia foarte rapidă, flexibilă şi cu costuri minime de
piese, direct din format electronic în orice fază a ciclului de fabricaţie.
Laserul este o emisie stimulata de fotoni. Pentru ca o raza de lumina sa fie un laser trebuie sa
aiba urmatoarele caracteristic principale:
1. Puritate spectrala, adica lumina sa fie monocromatica;
2. Sa aiba directivitate;
3. Sa aiba densitate de putere.
La o masina de prelucrare cu laser putem regla distanta focala astfel incat sa obtinem
diametrul dorit al fasciculului laser in planul de lucru.
Sinterizarea Selectiva cu Laser este un proces prin care se pot fabrica atat piese din material
plastic cat piese metalice.
SLS este un proces ciclic care este format din :
4. aplicarea stratului subtire de pulbere ;
5. expunerea patului de pulbere la fascicolul laser ;
6. coborarea platformei pentru depunerea unui nou strat de pulbere.
Ratele ciclice de depunere depind de tipul masinii, tipul pulberii, puterea fascicolului laser.
Grosimea stratului indiacta este de 0,1 mm pentru pulbere din poliamida si 0,08 mm pentru pulberea
metalica
Poate fi indicata de asemenea viteza rolei, cantitatea de material care va fii depusa din
tancurile de alimentare precum si timpul de asteptare intre doua straturi succesive.
Grosimea minima a peretelui piesei realizate este de 1,5 – 2 mm. Procedeul SLS simplifica
mult activitatea de proiectare a formei de turnare. Nu mai sunt necesare suprafete inclinate pentru
extragerea materialului din forma, deasemenea sunt realizabile si forme netehnologice. Totodata
numarul miezurilor este redus semnificativ.
3.4Companii care produc utilaje pentru SLS
Utilajele sunt produse de către doi fabricanţi majori; EOS GmbH situat pe lângă München şi
DTM (acum deţinută de 3D Systems din California) şi suntem capabili în mod unic de a construi pe
ambele prototipuri EOS şi maşini DTM. Suita noastră de maşini are unele dintre cele mai mari
maşini de SLS - trei EOS P700, două EOS P360 şi aDTM HiQ 2500 Plus - prin urmare, ne permit
să ofere masini optime pentru a satisface cerinţele clienţilor noştri.
10
în mare parte, sunt construite în bucăţi unică de până la un volum de a construi pe
700x380x580mm P700 lui; reducerea nevoii de articulaţii şi de post-montaj sporind în mod
semnificativ funcţionalitatea acestora. P360 permite de piese care urmează să fie construite până la
620x340x340mm, şi părţi mai mici, cu mai fine detalii pot fi realizate pe DTM.
Compania 3DSystems ofera tehnologia producerii pieselor din polistiren prin tehnologia
SLS. Astfel se pot realiza piese cu dimensiuni complexe. Timpul de productie este scazut si deci
timpul de iesire pe piata a unui produs nou se reduce si asigura posibilitatea de testare a
prototipurilor in faza initiala de proiectare
3D systems Vanguard
11
EOS a dezvoltat tehnologii si procedee de Prototipizare Rapida inca din 1989. In prezent
compania este unul din principalii producatori mondiali de sisteme SLS in RP, RT si RM (Rapid
Prototyping, Rapid Tooling si Rapid Manufacturing).
Tehnologia sinterizarii laser este cunoscuta ca si o tehnologie a posibilitatilor multiple
datorita faptului ca se asigura traseul cel mai scurt de la ideea produsului la lansarea pe piata.
EOSINT P 760 este un sistem foarte productiv pentru realizarea pieselor termoplastice.
Realizeaza piese de plastic complet functionale. Sistemul poate realiza piese fara a avea nevoie de
structuri de suport. Capacitatea maxima pe inaltime este de 580 mm ceea ce favorizeaza sinterizarea
unor componenete de plastic de dimensiuni considerabile, fara a avea nevoie de procese de
imbinare ulterioara.
Caracteristicile distinctive ale sistemului Eosint P 760 se reflecta in calitatea piselor
produse, productivitate, gradul inalt de automatizare, managmentul materialelor profesionale,
conceptia ergonomica a perifericelor si deci sistemul este perefect integrabil intr-un mediu
industrial
12
3.5Materiale
Există o gamă largă de materiale disponibile pentru producţia de prototipuri,cele mai
utilizate sunt prezentate in tabelul de mai jos:
Pentru realizarea matritei vom folosi LaserForm A6.Aceasta este o mixtura de fier,crom si
liant organic.Are excelente proprietati mecanice ,o suprafata de pana la 5 microniplus o buna
rezistenta la coroziune este recomandat pt o gama larga de aplicatii
13
Specificati tehnice:
14
3.6Sinterizarea cu laser a matritelor pentru injectie
15
Ultimul trend in fabricarea matritelor pentru injectie de mase plastice este fabricarea lor prin
Rapid Prototiping prin tehnologia Selective Laser Sintering (SLS) si Direct Metal Laser
Sintering(DMLS)
Unele cazuri industriale din procesul de fabricaţie rapidă sunt matrite pt injectie care vor fi
discutate. Principalele puncte de interes în timpul cercetărilor au fost costul de producţie şi
obţinerea preciziei dimensionale şi rugozitatea suprafeţei.Exista mai multe tehnici tipice pentru a
termina cavitatea şi inserţii care au fost investigate. O explorare scurta de conformare a fost facuta
la canale de răcire
Dealungul anilor evolutia materialelor matritelor pt injectie fabricate prin sinterizare
selectiva cu laser au fost facute pe masina DTM Sinterstation 2000 ,ele sunt urmatoarele:
Rapidsteel 1.0 (avg Ø 55 µm)Rapidsteel 2.0 (avg Ø 34 µm)
Laserform ST-100 (avg Ø 23 µm)
16
Evoluţia costurilor (1999-2002).Pentru a obţine o indicaţie a evoluţiei costurilor de
fabricatie rapidă de scule se compara preţul de fabricatie si costul total de producţie (material +
forţei de muncă) între ani consecutivi, iar, de asemenea, preţul unui produse în mod convenţional a
matritelor este indicat ca un punct de referinţă.
Rugozitatea: În general, rugozitatea suprafeţei depinde de direcţia de măsurare. selectivă cu
laser sinterizare care creează straturi succesive, cu ogrosime constantă. grosimea este facuta cu paşi
mici, în special pe o suprafaţă înclinată. Fascicul laser (paralel cu straturi) are o rezoluţie mai bună
Este necesar să se îmbunătăţească suprafaţa cavitati şi mai multe tratamente au fost testate:
Sablarea îmbunătăţeşte rugozitatea suprafeţei considerabil
Electro descărcarea de gestiune pentru prelucrare (EDM) ajută la îmbunătăţirea rugozitati
17
Acuratetea:este prezentata in tabelul de mai jos:
Concluzie: Cercetarea prezentata arată că este posibil să se facă cu matrite prin SLS si nu
exista nici o limitare acestui proces,matritele sunt potrivite pentru seri de produse medi Cu
echipamente disponibile numai in laborator si oameni cu experienta cu toate acestea nu se obtine o
precizie mai buna de 0,1mm si o calitatea suprafetei de 4mmRA
18
3.7Finisarea pieselor prin Sinterizare Selectiva cu Laser
In aceasta lucrare este prezinta metode de finisat suprafete prin (SLS)In present unul din
principalele dezavantaje este rugozitatea suprafetelor rezultate prin (SLS)Prin urmare suprafetele
trebue sa fie lustruite manual cu materiale abrazive
Cu toate acestea, în lucrarea de faţă,avem o suprafaţă de lustruit metodă bazată privind
iradierea laser este prezentat. Fascicul laser topeste un strat microscopice pe suprafaţa, care re-
solidifică sub protectia de gaz, rezultând într-o suprafaţă mai netedă.
Testele lustruire laser pentru linii, suprafeţe plane şi planuri înclinate au fost efectuate, cu
rezultate satisfăcătoare, în toate cazurile.teste experimentale au fost efectuate pe piese de încercare
sinterizate cu o rugozitate iniţială de 7.5 - 7.8 mm Ra. Materialul testat este un aliaj comercial
LaserForm ST-100, compus de oţel inoxidabil şi bronz sinterizat infiltrat care este utilizat în
principal pentru constituirea de matrite de injectie
Rezultatele experimentale prezinta rugozitatea suprafeţei finale de mai jos 1.49 mm Ra, care
reprezintă o 80.1% reducerea rugozitatea medie. În cele din urmă, o analiză completă de sonde de
testare şi a compoziţiei sale metalurgice este prezentat. Luând în considerare că materialul prezintă
o structuri non-omogene, cu feţele lustruite prezenta valori uşor mai ridicate duritate şi sunt mai
omogene decât cele iniţiale. Astfel, suprafeţele lustruite nu prezinte nici căldură in zonă afectată sau
fisuri, care ar putea provoca insuficienţă în timpul operaţiunii
19
Teste experimentale si rezultate
Materialul pe care s-au facut testele este LaserForm ST-100 un aliaj care este compus din
60% otel(AISI 420)si 40% bronz.El este optim pt aplicatile de turnare prin injectie
Sa inceput cu construirea piesei pe masina SLS rezultand o suprafata poroasa apoi a fost
infiltrat bronz in scopul de a reduce porozitatea si cresterea proprietatilor mecanice Puterea laserului
este de 2500W
Testele experimentale au fost împărţite în trei grupe: simple în linie de teste de lustruire
plane, suprafaţă plană lustruire teste şi teste 3D-lustruire. În Fig. 2 testate
piese de geometrie sunt afişate.
20
În primul rând, pentru a verifica viabilitatea procesului, o serie de teste simple linie au fost
efectuate în suprafeţe plane. Testul părţi a fost fabricate de SLS cu o grosime de strat 0.15 mm,
rezultând pe o rugozitatea medie iniţială de 7,5 mm Ra, care este o valoare comună pentru suprafete
sinterizate. Testat Zona a fost un LaserForm ST-100 25 90mm suprafaţă plană. Parametrii testelor
experimentale sunt prezentate în tabelul 1. Pentru toate testele, argon a fost injectat coaxial ca gaz
de protectie
21
Rezultatele arată reduceri clare de rugozitate exprimate LaserForm material ST-100, care
constă pe sinterizate AISI 420 din otel inoxidabil infiltrat cu bronz. Reducerile măsurate sunt
reduceri de până la 80% în Ra parametru. Asta înseamnă o rugozitate final de 1.2 - 1.3 mm Ra
întrucât, rugozitatea suprafeţei iniţială a fost în intervalul de 7,5 mm Ra.
Lustruirea a fost efectuata linear, în scopul de a validarea procesului şi pentru a găsi
parametrii optimi Acest studiu a fost efectuat prin utilizarea unui DoE, în plus
la procedura experimental. Odată ce parametrii optimi au fost găsite, lustruirea suprafetelor plane a
fost testat prin suprapunerea de teste liniar.
Rezultatele experimentale arată că indicele optim suprapuse este de aproximativ 15-30%. În
cele din urmă, o parte test 3D, în formă de trei planuri înclinate a fost proiectat şi testat. Testele de
polisare au fost programate cu ajutorul unui sistem CAM şi rezultatele experimentale arată că
procesul poate fi aplicat pentru orice geometrie, în timp ce densitatea de energie este menţinută
În cele din urmă, se poate concluziona că procesul de laser-lustruire implică doar un strat
microscopic de zona tratată, aceasta înseamnă că rugozitatea suprafeţei este doar afectat în timp ce
formularul sau erori si macrogeometry originală nu este afectată.
22
3.8Avantaje
Părţi şi / sau ansambluri care se mişcă şi de a lucra, care au un finisaj de suprafaţă bună şi
detaliu caracteristică
sinterizare selectiva cu laser (SLS) oferă capacitatea de a snaps flexibile şi balamale viaţă,
precum şi de stres ridicat si toleranta de căldură
larga varietate de materiale, cum ar fi materiale plastice rigide şi flexibile, materiale
elastomerice, densă şi turnarea metalelor pe deplin modelele
Strânse toleranţe dimensionale tot drumul până la miimi dintr-un inch
capabilităţi de finisare care includ pictura pentru prezentari, de tarodat sau filetat de utilizare
şi inserţii pentru ansambluri
Rapid timp de livrare de cele mai multe părţi şi / sau modele, în câteva zile
Dezavantaje
Imposibilitatea reluari procesului daca se ia curentul
Procesul in sine este destul de scump
Se preteaza numai pt seri mici si unicat
23
3.9 Comparare TN cu TC
Tehnologia clasica este costisitoare si complicata si se recomanda doar in cazul in care se
doreste realizarea unor piese in serie mare si foarte mare. Odata realizate matritele de injectare,
piesele obtinute au un cost mic, iar cand seria de productie este foarte mare costul matritelor de
injectie se amortizeaza pe parcurs.
Tehnologia neconventionala se recomanda pentru piese in serie mica. Realizarea pieselor
nu presupune folosirea unor scule, masini, dispozitive de masurare speciale, altele decat masina
SLS propriu-zisa. De asemenea, munca operatorului se reduce la realizarea modelului CAD,
stabilirea parametrilor de lucru ai masini, iar de aici masina lucreaza singura fara a avea nevoie de
efortul operatorului.
Nu exista pierderi de material. Pulberea nefolosita de masina SLS poate fi reutilizata
ulterior la fabricarea altor piese, deci nu exista pierderi sau pierderile sunt minimale. Prin
tehnologia clasica se pierde mult material (aschiere, finisare).
Sculele folosite in tehnologia clasica sunt costisitoare, este necesara inlocuirea si verificarea
lor periodica.
In tehnologia clasica pot aparea erori de prelucrare datorita factorului uman. Odata aparute
aceste erori in majoritatea cazurilor se reia procesul de fabricatre de la 0 deci costurile se maresc.
Precizia dimensionala a masinii SLS este buna, comparativ cu tehnologia conventionala de
realizare a matritelor de injectie.
Piesele cu suprafete complexe (freeform) nu pot fi realizate prin tehnologia clasica sau
necesita costuri 24heoret de mari. In schimb, tehnologia neconventionala permite realizarea unor
piese complexe geometric la acelasi cost cu piese foarte simple.
24
Ca si gabarit al pieselor de realizat, tehnologia neconventionala este limitata de 25heoret de
lucru al masinii SLS, in timp ce 25heoretic tehnologia clasica permite realizarea unor piese de
orice dimensiuni.
4.Concluzi
Aplicatii ale tehnologiei de prototipizare rapida in design:
-proiectantii pot sa vizualizeze rapid si sa confirme designul unui produs nou prin realizarea unui
model fizic in timp minim prin tehnologia RP
-reducerea timpului de producere a prototipurilor
-imbunatateste abilitatea de a vizualiza geometria produsului proiectat
-detectarea tn faza iniala a erorilor de design, inainte de inceperea productiei de serie
-in cazul ansamblurilor de piese se poate determina daca piesele componente pot fi montate
impreuna inca din faza initiala si astfel se pot remedia unele defecte de proiectare din faza timpurie
Aplicatii in fabricatie
-in producerea unor piese de plastic in serie mica care prin procedee traditionale de injectie in
matrita nu pot fi realizate datorita costului ridicat de realizare a matritei
-piese cu geometrie complicata care nu pot fi realizate fara realizarea unor subansamble prin
procedee conventionale
-unicate, cum ar fi protipurile pentru realizarea de implanturi de inlocuire a structurii osoase.
Consider ca tehnologiile neconventionale vor inlocui tehnologiile conventionale in viitor.
Un aspect care ar favoriza utilizarea tehnologiilor neconventionale pe scara larga ar putea fi realizat
prin reducerea costurilor materialelor si a utilajelor folosite, marirea suprafetelor de lucru ale
masinilor de prototipizare rapida pentru a permite realizarea unor modele de dimensiuni mari,
diversificarea gamei de materiale folosite.
25
BIBLIOGRAFIE
www.3dsystems.com
BERCE, P., BÂLC, N., s.a., Fabricarea rapida a prototipurilor, Editura Tehnica, Bucuresti, 2000
www.Sciencedirect.com
http://www.protocam.com/html/materials-sls.html
http://www.lasersintering.com/sls-information.php#sls
http://www.custompartnet.com/wu/InjectionMolding
www.scholar.google.com
http://books.google.ro/books?id=9T5kd-
ewRE8C&pg=PA762&lpg=PA762&dq=vacuum+casting+vs+metal+spraying&source=bl&ots=5e
U0rCurLD&sig=0gjoMRbEz4jQSXrxcWo3e9VTaSE&hl=ro&ei=splBTa7kMYLDswb-
yuDDDg&sa=X&o#v=onepage&q&f=false
http://www.materialise.com/why-laser-sintering
26
27