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AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE UMA PLATAFORMA DE CONSTRUÇÃO OPEN SOURCE PARA O PROCESSO FDM Silveira, G. B. 2 Hinkel, L. B 3 Santana, L. 4 Sabino, A. C 1 2 3 4
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Graduando em Engenharia Mecatrônica, IFSC,
[email protected]. Graduando em Engenharia Mecatrônica, IFSC,
[email protected]. Mestrando em Engenharia Mecânica, UFSC,
[email protected]. Doutor em Engenharia Mecânica, IFSC,
[email protected].
Resumo A fusão e deposição de materiais (FDM) é um processo de manufatura aditiva mundialmente mais utilizado. Neste processo, é fundamental que a primeira camada seja construída de forma adequada e apresente uma boa adesão à plataforma de construção para que se obtenha uma peça com boa qualidade. Neste sentido, a temperatura da plataforma de construção é um importante parâmetro a ser controlado. Caso o valor da temperatura esteja fora da faixa apropriada para o material que se está processando, pode ocorrer o desprendimento das bordas da peça e resultar em desvios de forma na geometria construída. Este problema é amplamente relatado em fóruns de discussões sobre impressoras 3D baseadas em plataformas open source. O objetivo deste trabalho foi avaliar o desempenho de uma plataforma de construção para o processo FDM. Nos estudos foi empregada uma plataforma de construção open source com resistência plana, modelo MK2. Para a operacionalização e aquisição de dados foi utilizado um controlador baseado em Arduino ATMEGA com termistor de 100kΩ, um sistema CompactDAQ e termopares tipo K. Foram realizados testes de forma a analisar a amplitude térmica em diferentes regiões da resistência ao longo do tempo de trabalho da plataforma de construção. Foi verificado que a plataforma de construção estudada apresenta problemas que afetam a manutenção da temperatura. Com base nas análises, foram propostas soluções para melhorar o desempenho da plataforma de construção, como a utilização de pasta térmica e a modificação na estrutura da mesa aquecida. Palavras-chave: Manufatura aditiva; Processo FDM; Plataforma de construção; Controle de temperatura. EVALUATION OF THE THERMAL PERFORMANCE OF A CONSTRUCTION PLATFORM FOR THE OPEN SOURCE FDM PROCESS Abstract The Fused Deposition Modeling (FDM) is the most used process of additive manufacturing. In this process, the first layer must be build in a adequate form to present good adhesion with the heated build platform, resulting in a model with good quality. On this way, the temperature of the build platform is a important parameter to be controlled. If the temperature value is outside the range appropriate for the processing material, the detachment of the edges of the bottom layer may occur and
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result in form deviations. This problem is widely reported in forums of discussions about 3D printers based on open source projects. The aim of this study was to evaluate the performance of a building platform for the FDM process. Studies were realized using a open source platform with flat resistance, model MK2. For the operation and data acquisition was employed an microcontroller based on Arduino ATMEGA with a 100kΩ thermistor, besides an CompactDAQ system and thermocouples. Along the working time of the build platform, the tests was performed in order to assess the temperature ranges at different regions of the resistance. With the analysis was found that the build platform presents issues affecting temperature maintenance. Based on the studies, solutions to improve the performance of the build platform, such as the use of thermal grease and the modifications to the structure of the heated bed were proposed. Key words: Additive manufacturing; FDM process; Heat build platform; Temperature control. 1 INTRODUÇÃO No processo de manufatura aditiva por fusão e deposição de materiais (FDM), a matéria prima é aquecida ao longo de um canal extrusor até atingir sua temperatura de processamento. Nesse estado de transição em que o filamento é extrudado, deposita-se o material em camadas que dão forma a peça. Na tecnologia FDM, é de grande relevância que a primeira camada de uma peça possa ser construída de maneira adequada, ou seja, sua primeira camada deve ter uma boa adesão à plataforma de construção. Para garantir a qualidade da peça, parâmetros de extrusão como a velocidade com que o material é depositado, a dimensão do filamento extrudado e temperatura do filamento precisam ser levados em consideração(1). Para que todas as camadas de filamento extrudado possam apresentar uma boa adesão entre si, diversos parâmetros de construção precisam ser considerados. Além da temperatura de extrusão e da dimensão do filamento, a temperatura da câmara de construção também afeta a união de filetes adjacentes. O controle das condições de resfriamento também repercute nas propriedades mecânicas da peça(2). A temperatura da câmara de construção em que uma peça é fabricada pode influenciar ainda mais nas propriedades mecânicas do material, dependendo da estratégia de deposição em que o filamento é extrudado. Deste modo tanto a temperatura da câmara de construção quanto as condições de extrusão causam efeitos na qualidade geral e na ligação entre os filamentos(3). Com base nas informações citadas, tem-se a temperatura da câmara de construção onde a peça está sendo fabricada como um fator que influencia em todas as camadas. Sendo assim torna-se necessário o controle da temperatura ao longo de toda a impressão com o intuito de melhorar as propriedades mecânicas e evitar o surgimento de desvios na geometria das peças fabricadas. O equipamento FDM — comumente chamado de Impressora 3D — utilizado no presente estudo, foi desenvolvido em um projeto de iniciação cientifica no Instituto Federal de Santa Catarina (IFSC), tendo como base o modelo de máquina open source MendelMax, disponível na comunidade online RepRap (Figura 1).
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Figura 1. Impressora 3D.
Como pode ser visto na Figura 1, a impressora 3D não possui uma câmara de construção isolada, ou seja, executa suas operações em um sistema aberto. Sendo assim, assume-se que a plataforma de construção, que é aquecida ao longo do processo de fabricação das peças, exerce função semelhante à câmara de aquecimento, e portanto influencia na qualidade dos componentes fabricados. Diante deste contexto, busca-se avaliar a eficiencia térmica da plataforma de construção.
2 MATERIAL E MÉTODOS Neste estudo foram utilizadas duas configurações distintas de plataforma de construção para avaliar a eficiência térmica do sistema. Uma delas foi montada no equipamento desenvolvido pelo grupo de iniciação científica (Figura 2) e a outra em um simulador de aquecimento, baseado na estrutura das máquinas MendelMax convencionais (Figura 3).
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Vidro
Resistência Celeron (isolante)
Estrutura
Carro
Sistema de Movimentação
Figura 2. Estrutura da plataforma de construção - Impressora 3D.
Vidro Resistência MDF (isolante) Carro
Sistema de Movimentação
Figura 3. Estrutura da plataforma de construção - simulador de aquecimento.
Ambos usam o mesmo modelo de resistência responsável por aquecer a plataforma de construção. Tal resistência é comumente tratada pelos membros da comunidade RepRap como mesa aquecida e deste ponto em diante, será assim mencionada no texto. A mesa aquecida utilizada na fabricação das peças e nos ensaios de aquecimento corresponde ao modelo de circuito impresso da marca MK2 (PCB
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Heatbed MK2), com dimensões de 214x214mm e uma resistência de 1 a 1.2Ω, alimentada por uma fonte de 12V com 350W de potência. O sensor utilizado para a medição de temperatura foi um termistor modelo 135-104-LAG-J01 de 100kΩ, que faz a leitura de tensão gerada pela variação de temperatura na plataforma de construção. O micro controlador lê e interpreta os valores analógicos de tensão que vem do termistor, enviando comandos para o módulo controlador. O módulo controlador por sua vez executa os comandos do microcontrolador, enviando tensão para a plataforma de construção (Figura 4). O microcontrolador também informa ao software de interface com o usuário a temperatura atual da mesa aquecida, sendo utilizado neste caso o software Repetier Host V095F.
Figura 4. Esquemático do sistema de controle.
Na impressora 3D foi utilizado o micro controlador Atmega 2560 (Arduino Mega) e o módulo controlador RAMPS 1.4, enquanto que no simulador de aquecimento usa-se o microcontrolador Atmega 1280 em conjunto do módulo controlador CPU Sethi3D-1E. Analisou-se a eficiência dos sistemas de aquecimento, medindo a variação de temperatura ao longo do tempo. Para verificar as variações térmicas, e com isso a eficiência da mesa aquecida, a temperatura na região de trabalho foi monitorada em 5 pontos (Figura 5) por um sistema de aquisição externo. A utilização do monitoramento em cinco regiões da mesa aquecida tem por intuito averiguar o comportamento dos pontos externos em relação ao ponto central, onde fica alojado o termistor. O microcontrolador baseia seu comando de aquecimento apenas no ponto central da mesa, o que pode repercutir negativamente nos ensaios caso as demais regiões da mesa não apresentem uma temperatura semelhante a que está sendo lida pelo termistor.
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Figura 5. Regiões de monitoramento de temperatura.
Os sensores utilizados para estas medições foram termopares do tipo K. A aquisição dos dados, fornecidos pelos termopares, foi realizada por um do módulo de aquisição de temperatura NI9124 da National Instruments em conjunto com o software LabView. O procedimento realizado constituiu em aquecer a mesa até 70°C — temperatura de trabalho recomendada em impressões com o polímero poli ácido lático (PLA) —, cronometrando o tempo e adquirindo os valores de temperatura nos 5 pontos. Com a mesa na temperatura de trabalho, a tomada de dados foi feita ao longo de 20 minutos, tendo intervalos de 2,5 segundos entre as aquisições de temperatura. Os primeiros testes mediram a temperatura diretamente na mesa aquecida. Nos demais ensaios os termopares foram posicionados sobre a placa de vidro, tanto no conjunto da impressora 3D como no simulador de aquecimento. Todos os testes com a plataforma de construção sem movimentação foram desenvolvidos com os 5 termopares dispostos nas posições já citadas. Nos últimos ensaios, que envolvem a construção de peças, foram fabricados dois diferentes tipos de componentes, o que modificou a posição dos sensores na plataforma de construção (Figuras 6 e 7). Nesses testes foram utilizados quatro termopares ao redor da área de trabalho, soma-se ainda a este experimento perturbações no sistema gerados pelo movimentação e a influência do bico extrusor a temperatura de 210ºC.
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Figura 6. Posição dos sensores na impressão de peça simples.
Figura 7. Posição dos sensores na impressão de duas peças.
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO Foram adquiridas informações de ensaios com e sem a placa de vidro tanto no simulador de aquecimento quanto na plataforma de construção montada na impressora 3D. Também foram analisados os dados gerados pelos testes onde peças foram fabricadas. Tem-se primeiramente, os dados dos testes sem a placa de vidro (Tabela 1).
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Tabela 1. Ensaios sem a placa de vidro.
Tempo (s) 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 960 1020 1080 1140 1200 1260 1320 1380 1440 1500
Ponto 1 26,4 40,1 65,3 70,1 69,5 69,6 68,2 67,8 67,8 67,8 67,4 67,2 67,3 67,2 67,1 67,3 66,9 66,8 67,0 67,0 66,9 66,6 66,4 66,5 66,9 66,4
Temperatura (°C) Ponto 2 Ponto 3 Ponto 4 26,3 26,1 26,2 39,0 41,4 43,9 57,9 65,1 66,0 60,4 68,1 67,5 60,4 67,5 66,4 60,4 67,3 65,6 60,0 67,1 65,6 60,1 66,8 65,3 60,0 66,6 65,2 60,1 66,4 65,3 60,0 66,4 65,5 60,3 66,3 65,6 60,2 66,2 65,1 60,5 66,5 65,3 59,7 65,7 64,9 59,5 65,8 65,1 60,0 66,3 65,1 60,0 65,8 65,0 60,1 66,0 64,7 59,7 65,5 64,4 59,7 65,4 64,0 59,4 64,8 64,6 59,3 65,1 64,4 59,1 65,4 64,2 59,0 64,7 64,3 59,4 64,8 63,8
Ponto 5 28,0 41,4 57,4 58,7 58,9 58,6 58,9 58,7 59,3 59,2 59,3 59,2 59,2 59,3 58,4 57,9 57,6 57,3 58,1 58,0 57,9 58,1 58,7 58,6 58,4 57,7
Pode-se observar que, tanto para o simulador de aquecimento quanto para a impressora 3D, os pontos 2 e 5 não alcançam a temperatura de trabalho quando a plataforma de construção é aquecida. Tais regiões apresentam uma temperatura em torno dos 10ºC abaixo do estipulado, o que pode vir a influenciar na construção da peça. Os testes com a impressora 3D apresentaram picos e oscilações maiores de temperatura, em relação aos testes realizados com o simulador de aquecimento. Mesmo apresentando padrões de comportamento semelhantes, o simulador de aquecimento tende a estabilizar a temperatura da plataforma de construção em um tempo menor que o da impressora 3D (Figuras 8 e 9).
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Figura 8. Simulador de aquecimento sem placa de vidro.
Figura 9. Impressora 3D sem placa de vidro.
Em seguida foram analisados os ensaios em que é utilizada placa de vidro. Nota-se um drecréssimo de temperatura, em relação aos ensaios anteriores, ao longo de toda a plataforma de construção. Estes valores mais baixos indicam que a temperatura na superfície do vidro não atinge o valor estipulado de 70ºC, o que também pode vir a influênciar de maneira negativa a construção da peça (Tabela 2).
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Tabela 2. Ensaios com a placa de vidro.
Tempo (s) 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 960 1020 1080 1140 1200 1260 1320 1380 1440 1500
Ponto 1 20,7 31,0 42,7 51,0 58,1 61,3 59,9 59,4 58,4 58,1 57,8 58,6 59,0 59,5 59,5 59,6 59,7 59,6 59,8 59,4 59,4 59,2 59,2 59,3 59,6 59,7
Temperatura (°C) Ponto 2 Ponto 3 Ponto 4 20,6 19,9 20,3 28,0 29,1 33,1 36,2 40,8 46,0 42,3 49,9 54,8 48,1 58,1 63,0 50,9 63,0 66,6 50,6 63,1 65,4 50,1 63,1 64,5 49,7 62,7 63,6 49,8 62,3 63,3 50,2 62,4 63,1 50,1 62,2 62,9 50,1 62,1 62,4 50,8 62,3 62,3 51,1 62,1 61,9 50,8 62,2 62,1 50,5 61,9 62,1 50,6 61,8 62,0 50,6 61,9 61,2 50,9 62,1 61,5 51,3 62,0 61,6 50,7 62,0 61,8 50,8 61,6 61,5 51,0 62,0 61,1 50,9 62,0 61,9 51,3 62,2 61,1
Ponto 5 20,0 26,7 35,4 42,3 48,5 52,5 52,7 52,8 52,5 52,5 52,6 52,4 51,7 51,7 51,6 51,8 51,6 51,8 51,5 51,6 51,4 51,6 50,7 51,2 51,2 51,0
Em relação aos testes sem a placa de vidro, os resultados no simulador de aquecimento e na impressora 3D apresentaram um comportamento mais semelhante. A temperatura se estabiliza por volta de 2 minutos, sem apresentar grandes oscilações a partir deste tempo (Figuras 10 e 11).
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Figura 10. Módulo de aquecimento com placa de vidro.
Figura 11. Impressora 3D com placa de vidro.
Para os útimos testes, monitorou-se a temperatura ao redor da área de impressão, enquanto uma peça era construída. Imprimiu-se primeiramente uma peça simples (Figura 12) e por fim foi realizada uma impressão com duas peças (Figura 13). Nestes ensaios, os registros começaram junto com o início da impressão, já partindo da temperatura de trabalho. Ao ser construído o modelo de peça simples, os pontos 2 e 5 continuam a apresentar uma temperatura inferior as demais regiões. No modelo com duas peças, devido ao posicionamento dos sensores em função do dimensionamento das peças, apenas o ponto 2 demostrou um temperatura inferior as demais. Também é notado uma variação maior da temperatura, em relação aos ensaios anteriores (Figuras 12 e 13).
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Figura 12. Impressão de peça simples.
Figura 13. Impressão de peça dupla.
4 CONCLUSÃO A partir dos experimentos realizados, notou-se uma defasagem de temperatura por certas regiões da mesa aquecida, podendo assim ocasionar num desprendimento das bordas da peça ou numa deformação da geometria da mesma. Também é visível que após atingir a temperatura de trabalho, o microcontrolador tende a manter tal temperatura com pequenas oscilações, estando próximo ao desempenho desejado.
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A plataforma de construção apresentar pouca oscilação após atingir a temperatura de trabalho é uma característica favorável para a impressão 3D. Contudo existem regiões da mesa aquecida que ainda não alcançaram a temperatura ideal, o que faz com que tais pontos tendam a se manter com valores de temperatura menores que o estipulado. Com base nas análises, considerando o ponto da plataforma de construção onde o termistor esta alojado e o contato que o mesmo faz com a mesa aquecida, é proposto a utilização de pasta térmica nesta região. Tal solução tem por intuito auxiliar no tempo de resposta do micro controlador, diminuindo a dispariedade entre a temperatura real e a temperatura lida pelo termistor e evitar grandes oscilações durante a impressão, além de picos de temperatura durante o aquecimento. Em relação a defesagem de temperatura em certas regiões da plataforma de construção, leva-se em consideração que o problema foi constatado em duas mesas do mesmo tipo, descartando um possível defeito em uma mesa em específico. Sendo assim, uma modificação na resistência, trocando o modelo MK2, torna-se uma solução viável para a construção de peças com maior qualidade. Para peças de fabricação crítica, recomenda-se a utilização de uma plataforma de construção onde possa ser realizado o monitoramento e controle de temperatura por toda a superfície da mesa aquecida.
Agradecimentos Os autores agradecem ao Instituto Federal de Santa Cataria, pela infraestrutura e pelos recursos disponibilizados.
REFERÊNCIAS 1
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Q, Sun. M, Rizvi. C, Bellehumeur. Effect of processing conditions of the bonding quality of FDM polymer filaments, Rapid Prototyping Journal (2008) 72-80.
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