“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