Desenvolvimento de Máquina para Manufatura Aditiva(1) Aurélio Costa Sabino Netto(2); Leonardo Santana(3); Gustavo Souza Santos(4); Victor Manoel Andrade dos Santos(5); Fernando Henrique de Souza Santos(6).
Resumo Expandido (1)
Trabalho executado com recursos do Edital 12/2012/PRPPGI, da Pró-Reitoria de Pesquisa, Pós-Graduação e Inovação, IFSC. (2) Professor; Instituto Federal de Santa Catarina; Florianópolis, Santa Catarina;
[email protected]; (3) Mestrando; Universidade Federal de Santa Catarina; Florianópolis, Santa Catarina;
[email protected]; (4) Graduando; (5) Instituto Federal de Santa Catarina; Florianópolis, Santa Catarina;
[email protected]; Graduando; Instituto (6) Federal de Santa Catarina; Florianópolis, Santa Catarina;
[email protected]; Graduando; Instituto Federal de Santa Catarina; Florianópolis, Santa Catarina;
[email protected].
RESUMO: Atualmente vive-se um momento de forte expansão das Impressoras 3D que utilizam a tecnologia de modelagem por fusão e deposição de materiais poliméricos. A difusão desta tecnologia devese sobretudo ao uso de softwares livres, baixo custo de obtenção dos componentes para montagem da máquina e fácil operação da mesma. A partir de uma avaliação dos modelos mais difundidos, constatou-se que alguns problemas apresentados nas máquinas existentes poderiam ser minimizados com um projeto mecânico mais adequado. Este trabalho teve como objetivo, o desenvolvimento de um módulo mecânico para a utilização em impressora 3D. O projeto visa a melhoria da estrutura, controle de temperatura ambiental, a fim de atender os requisitos de projeto. A partir do projeto do módulo mecânico foi desenvolvido um protótipo funcional utilizando o controlador RAMPS 1.4 com Arduino Mega 2560, módulo extrusor Greg's Wade reloaded e bico extrusor Budaschnozzle 1.3. Foram realizados testes preliminares para validação do módulo fabricado, obtendo-se bons resultados. Palavra Chave: Manufatura aditiva, Prototipagem rápida, Modelagem por fusão e deposição.
INTRODUÇÃO No final da década de 80 surgiram os primeiros processos comerciais de prototipagem rápida. Via de regra os processos adotam o método de fabricação conhecido como manufatura aditiva ou manufatura por adição de camadas (VOLPATO et al., 2007). Estes processos visavam a fabricação de protótipos de forma rápida, a partir de um arquivo CAD 3D, com pouca ou nenhuma intervenção humana, em um equipamento automatizado (SOUZA e ULBRICH, 2009). O termo impressora 3D surgiu a partir da difusão das tecnologias de manufatura aditiva, sobretudo dos processos mais baratos. Nos últimos anos surgiram várias iniciativas open source, com a disponibilização gratuita de soluções de hardware, software e projeto mecânico, após o término do período de vigência da patente que restringia o uso da tecnologia (STRATASYS, 1992; KRETSCHEK; 2012). Vive-se um momento de grande expansão e popularização das impressoras 3D baseadas na tecnologia FDM (Fused Deposition Moldeling). Essas máquinas apresentam preços consideravelmente baixos e podem ser adquiridas prontas ou serem montadas em casa. No entanto, essas impressoras de baixo custo possuem limitações estruturais. Dentre os problemas mais relatados em fóruns de usuários das máquinas de baixo custo, podem ser destacados: baixa rigidez, falha dos componentes plásticos, vibração excessiva, desalinhamentos frequentes e histerese
na movimentação dos eixos. Este artigo apresenta o desenvolvimento de uma máquina para manufatura aditiva. O módulo mecânico foi baseado nas configurações dos modelos RepRap, mas apresenta melhorais na movimentação nos eixos XYZ, na parte estrutural e nos sistemas de acionamentos. Optou-se por utilizar o módulo eletrônico de controle RAMPS 1.4 com Arduino Mega 2560, o módulo extrusor Greg's Wade reloaded com bico extrusor Budaschnozzle 1.3, a fim de comparar os resultados com os modelos presentes no mercado. DESENVOLVIMENTO O desenvolvimento do projeto utilizou a metodologia PRODIP (BACK et al., 2008). Foram realizadas pesquisas para o levantamento dos principais problemas mecânicos mais encontrados nas máquinas open source, e a partir daí, desenvolver uma solução aplicável aos mesmos, a fim de diminuir as manutenções e melhorar a qualidade na fabricação das peças. Módulo Mecânico Adotou-se uma configuração paralelepipédica para facilitar isolamento e o controle de temperatura interna da máquina que deverá ser implementado posteriormente em uma processo de melhoria da máquina (figura 1). Como os maiores problemas encontrados nas máquinas de baixo custo eram a
falta de rigidez e a quebra de peças plásticas, optou-se por utilizar perfis de alumínio 20×20mm para compor a estrutura da máquina e as peças plásticas foram substituídas por componentes usinados em alumínio. Para manter a fixação dos perfis foram utilizados dois tipos de peças, uma delas são cantoneiras que permitem prender os perfis em seus extremos e a mão-francesa que é utilizada somente na parte superior, para manter uma rigidez melhor, pois a cantoneira da parte superior são menores. Com intuito de diminuir a vibração da máquina foram utilizados pés niveladores, sendo ajustáveis, permitindo que a impressora fique sobre superfícies não planas sem sair do seu prumo.
32 dentes. Em cada extremidade do fuso há rolamentos que tem função de facilitar o giro do fuso e manter o mesmo com o menor nível de ruído possível. Para auxiliar os fusos e receber os esforços da estrutura o eixo Z conta com barras retificadas com diâmetro de 10mm, e rolamentos lineares para guiar o eixo X que faz o movimento de subida e decida sobre o eixo Z.
Figura 2 - Eixos X e Z de movimentação.
Figura 1 - Estrutura básica do módulo mecânico.
O eixo X atua junto ao eixo Z e são ambos que efetuam o deslocamento do bico extrusor (Figura 2). O eixo X possui seu acionamento feito por um motor de passo NEMA17 e por meio de um sistema de polia (GT2, 20 dentes e passo 2mm) e correia, esse acionamento é o mesmo utilizado nas impressoras 3D de baixo custo e apresentam boa resolução, no caso do acionamento ser realizado em micro passo (1/32). Também se manteve o sistema de guias, que adota duas barras retificadas com rolamentos lineares. Essas barras possuem 8mm de diâmetro. Ao todo, na movimentação do bico extrusor, foram utilizados quatro rolamentos lineares garantindo um deslocamento suave da mesma. O eixo Z foi o eixo com mais adaptações, pois não conta com acionamento direto, como observado nas demais máquinas, e nem usa barra roscada M8 como fuso de potência. As alterações feitas no mesmo aperfeiçoaram a parte mecânica, tornando-a mais rígida e confiável e melhoraram a confiabilidade do sistema. Para acionar o fuso esfera de passo 5mm o motor usa uma redução de 1:2, onde no motor é fixada uma polia HTD 5M com 16 dentes, e no fuso de esfera tem-se uma polia de
Assim como o eixo X, o eixo Y não possui muitas alterações no seu acionamento, ele inclusive usa o mesmo motor de passo NEMA17 e polia GT2. Como guia usa barras retificas de diâmetro 10mm, os mesmos presente no eixo Z e possui quatro rolamentos lineares para garantir o deslocamento suave dos componentes móveis (Figura 3). Na parte de fixação deste módulo foram desenvolvidas peças para manter as guias sempre afastadas de forma igual, esse componente também possui um furo central para que a correia que faz transmissão de movimento do sistema transpasse sem sofrer interferências. Os componentes da mesa móvel citados são: mesa aquecida, placa de isolamento térmico da mesa, mesa aquecida e vidro para prototipagem da peça. Esses componentes são dispostos em forma de sanduíche onde o vidro é a camada superior e a base da mesa fica sendo a parte inferior.
Figura 3 - Eixo Y de movimentação.
Com a estrutura e os três eixos concluídos, na
figura 4, tem-se a concepção final do projeto apresentando a montagem em CAD.
Figura 4 - Concepção final do projeto em CAD.
Módulo Extrusor O módulo extrusor Greg's Wade reloaded com o bico extrusor Budaschnozzle 1.3 foram utilizados na pesquisa, os mesmo não sofreram mudanças. Este sistema realiza a extrusão a partir de um orifício com saída de 0,3 mm. Como matéria-prima, utiliza ABS ou PLA em carretel com 3mm de diâmetro. A temperatura do bico varia de acordo com o material plástico utilizado.
impressora conectada a um computador utilizando como interface o software Pronterface, o Sprinter, ou sem o mesmo, por meio de um firmware de controle chamado Marlin. Com o auxílio de um módulo LCD click encoder, juntamente com um cartão SD, é possível controlar e configurar a máquina para uso. Ambos módulos partilham de configurações singulares tornando-os extremamente aplicáveis. O kit RAMPS utilizado no projeto conta com 4 drivers A4988(POLULU), para acionamento dos motores do eixo XYZ e bico extrusor. Esse driver permite a utilização do micro passo (1/32), para os motores de passo, fornecendo no máximo 2A melhorando significativamente a resolução dos sistemas de transmissão. O Arduino por meio de duas das suas portas lógicas lê e interpreta os sinais provenientes dos termistores, ao todo dois, presentes na mesa aquecida e no bico extrusor. Esse componente é responsável por informar se a temperatura das partes aquecidas condizem com o valor prédeterminado nas configurações do sistema, permitindo um controle de temperatura mais aprimorado. Para atender melhor o módulo mecânico foi desenvolvido um fim de curso mais apropriado, onde descartou-se o fim de curso mecânico utilizado e passou-se a utilizar um de interrupção óptico (Figura 6).
Módulo Eletrônico O módulo eletrônico utilizado é o mesmo das impressoras RepRap, um micro controlador Arduino Mega 2560 em conjunto com a placa RAMPS 1.4, pois possuem vasta utilização em pesquisa e desenvolvimento (Figura 5).
Figura 6 - Diagrama de ligações do fim de curso.
RESUTADOS E DISCUSSÕES Os resultados obtidos por meio das adaptações e melhorias do projeto satisfizeram os objetivos iniciais em melhorar a robustez, rigidez e resolução mecânica do projeto (Figura7).
Figura 5 - Módulo eletrônico RAMPS e Arduino.
O conjunto do Arduino com a placa RAMPS serve para controlar e acionar os motores e controlar a temperatura da mesa e do bico, identificar sinais e interpretar os códigos de impressão provenientes do software Slic3r, responsável por converter arquivos CAD para o código G. Pesquisas mostraram ser possível utilizar a
fabricação de componentes simples, de fácil usinagem e que permitem ajustes para o alinhamento da máquina. O uso de estrutura em perfis de alumínio proporcionou uma montagem rápida e a instalação de painéis de acrílico para controlar a temperatura no interior da máquina. Os testes preliminares indicaram um bom desempenho da máquina, com uma boa movimentação dos eixos sem a ocorrência de perda de passo. O módulo eletrônico mostrou-se adequado ao projeto, permitindo ainda controlar a impressora por meio de um computador ou na sua ausência. AGRADECIMENTOS
Figura 7 - Montagem final do módulo mecânico.
As resoluções dos eixos foram satisfatórias, na tabela1 são apresentados os valores para os eixos utilizando os drivers e motores com micro passo 1/32. Os sistemas que utilizam barra roscada como fuso de potência apresentam menor resolução, mas pode apresentar folgas e necessitam de uma porca anti-backlash para que se possa ter um acionamento razoavelmente bom, já com o fuso esfera a castanha diminui muito essa folga e diminui a histerese. Tabela 1 - Resolução dos eixos com micro passo.
Eixo X Y Z
Resolução 11,25 µm 11,25 µm 0,39 µm
Foram realizados testes preliminares para avaliar a movimentação dos eixos. Todos os eixos apresentaram fácil movimentação decorrente do boa fabricação dos componentes por usinagem. Os testes para avaliar o posicionamento dos eixos verificaram que a máquina consegue realizar as movimentações e não se observou perda de passo. Ensaios complementares estão sendo realizados para medição do posicionamento linear, o posicionamento espacial e repetitividade. Com base nestas informações, será possível construir uma matriz de erros sistemáticos da máquina, visando uma posterior integração de um módulo de compensação destes erros, o que irá melhorar significativamente o desempenho da máquina com relação à exatidão dos protótipos modelados por ela. CONCLUSÃO O módulo mecânico desenvolvido alcançou os objetivos propostos de melhorar robustez, rigidez e precisão mantendo-se ainda em um patamar de impressora de baixo custo. O projeto proporcionou a
Os autores agradecem o apoio financeiro e bolsas concedidas pelo CNPq e pelo Instituto Federal de Santa Catarina através do Edital Universal 2012-2013. REFERÊNCIAS BACK, N.; OLIGARI, A.; DIAS, A.; SILVA, J. Projeto Integrado de Produtos: Planejamento, Concepção e Modelagem. Manole, 2008. KRETSCHEK, D. Desenvolvimento de um cabeçote de extrusão por êmbolo para polipropileno granulado visando a manufatura aditiva. 127f. Dissertação (Mestrado). Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curso de Pós-graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais, Curitiba, 2012. SOUZA, A.; ULBRICH, C. Engenharia Integrada por Computador e Sistemas CAD/CAM/CNC: Princípios e Aplicações. São Paulo: Artliber Editora. 2009. STRATASYS INC. (Minneapolis). Steven Scott Crump. Apparatus and method for creating three-dimensional objects. US n. 5121329, 30 out.1989, 09 junho 1992. VOLPATO, N.; et al. Prototipagem Rápida: Tecnologias e Aplicações. São Paulo: Edgard Blücher, 2007.
