Desenvolvimento de plataforma de construção para impressora 3D(1) Guilherme Bueno Silveira(2); Victor Manoel Andrade dos Santos(3); Larozan Breigeron Hinkel(4); Leonardo Santana(5); Gustavo Schneider Vieira(6); Cassiano Bonin (7); Diovani Castoldi Lencina (8); Aurélio da Costa Sabino Netto(9) Resumo Expandido (1)
Trabalho executado com recursos do Edital Nº 14, da Pró-Reitoria de Pesquisa, Pós-Graduação e Inovação. (3) Bolsista; Instituto Federal de Santa Catarina; Florianópolis, SC;
[email protected]; Bolsista; Instituto (4) Federal de Santa Catarina; Florianópolis, SC;
[email protected]; Bolsista; Instituto Federal de Santa Catarina; (5) Florianópolis, SC;
[email protected]; Pesquisador; Instituto Federal de Santa Catarina; Florianópolis, SC; (6)
[email protected]; Pesquisador; Instituto Federal de Santa Catarina; Florianópolis, SC; (7)
[email protected]; Pesquisador; Instituto Federal de Santa Catarina; Florianópolis, SC; (8)
[email protected]; Professor; Instituto Federal de Santa Catarina; Florianópolis, SC;
[email protected]; (9) Professor; Instituto Federal de Santa Catarina; Florianópolis, SC;
[email protected]. (2)
RESUMO: A plataforma de construção é responsável por fixar a primeira camada e por receber as sucessivas camadas para a construção das peças na tecnologia de fusão e deposição de materiais (FDM). O projeto baseado em iniciativas opensource e apresenta limitações e observa-se problemas na fabricação de peças de grandes dimensões. Teste preliminares apontaram que a plataforma RepRap não apresenta planicidade suficiente. O objetivo deste trabalho foi desenvolver uma nova plataforma de construção para impressora 3D. Foram realizados testes para avaliação do aquecimento e dimensional com duas plataformas. A nova plataforma apresentou um tempo de aquecimento próximo e temperaturas de estabilização média superior ao modelo RepRap. Por conta do projeto e melhores materiais empregados, a nova plataforma apresentou melhor planicidade superiores com desvio inferior a 0,1mm. Palavras Chave: Manufatura aditiva; Processo FDM; Plataforma de construção; Controle de temperatura.
INTRODUÇÃO A modelagem por fusão e deposição de materiais (FDM) é uma técnica de manufatura aditiva muito popular entre fórums open source dedicados a impressão 3D, onde o matérial é aquecido e extrudado ao longo do bico extrusor (hot end). Tal tecnologia é utilizada para a fabricação de peças no equipamento FDM do presente estudo, comumente chamado de impressora 3D. O equipamento utilizado foi desenvolvido pelo Núcleo de Manufatura Aditiva (Nema) do IFSC, com base no modelo de máquina MendelMax, disponível na comunidade online RepRap. Para se dar forma a peça, o bico extrusor deposita o material em camadas, que são construídas uma a uma sobre uma plataforma de construção aquecida. Para que a peça fabricada apresente condições satisfatórias deve-se levar em consideração os seguintes parâmetros de processamento como: velocidade com que o material é depositado, temperatura de trabalho e geometria do filamento (PENNINGTON, 2005). As condições de extrusão afetam a qualidade geral da peça, bem como influenciam na ligação entre as camadas de filamento (Sun, 2008). Observou-se na impressora 3D do Nema defeitos na geometria da peça fabricada, provenientes da má adesão da primeira camada extrudada à plataforma de construção. O problema surge a partir do deslocamento de uma parte da peça e tal erro se intensifica a medida que as camadas subsequentes são depositadas (Figura 1).
Figura 1- Peça com defeito por descolamento da plataforma de construção
Por meio de análise do desempenho térmico da resistência da plataforma de construção, comprovou-se não uniformidade na temperatura de certas extremidades da resistência em relação ao seu centro (SILVEIRA, 2014). Estudos complementares revelaram também que a plataforma atual apresenta problemas de planicidade. Tais efeitos são apontados como causadores de empenamento, sendo observados principalmente nas regiões mais afastadas do centro da plataforma de construção, fazendo com que se evite a construção de peças com maiores dimensões. O objetivo deste trabalho foi desenvolver um novo conceito de plataforma de construção de modo a ampliar a área útil de fabricação e melhorar a fabricação de peças por manufatura aditiva.
PROJETO DA PLATAFORMA DE CONSTRUÇÃO
METODOLOGIA
Impressoras baseadas no conceito open source tendem a utilizar o modelo de plataforma de construção composto por um sistema de movimentação, um carro responsável pela comunicação do sistema de movimentação com o restante da estrutura, uma placa de MDF para isolamento térmico, a resistência responsável pelo aquecimento da plataforma e uma placa de vidro onde o material será depositado (Figura 1).
Foram utilizadas as duas configurações distintas de plataforma de construção (estrutura RepRap e o novo conceito) para avaliar a eficiência térmica do sistema. Ambos usam a mesma resistência responsável por aquecer a plataforma de construção, modelo de circuito impresso PCB Heatbed MK2 com dimensões de 214×214mm e resistência de 1 a 1,2Ω. Analisou-se a eficiência dos sistemas de aquecimento, avaliando a mudança de temperatura ao longo do tempo. Para medir as variações térmicas, e com isso a eficiência da mesa aquecida, a temperatura na região de trabalho foi monitorada em 5 pontos por um sistema de aquisição externo.
Figura 2- Modelo RepRap de plataforma de construção.
Em relação ao modelo RepRap, este novo conceito de plataforma de construção apresenta isolamento térmico feito uma placa de Celeron que é um material com maior estabilidade térmica e a possibilidade do nivelamento da estrutura em três pontos da estrutura, ao contrário dos quatro pontos utilizados anteriormente.
Figura 4 - Regiões de monitoramento de temperatura.
Monitorando-se cinco regiões da mesa aquecida torna-se possível 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 acaba por repercutir negativamente na fabricação das peças caso as demais regiões da mesa não apresentem uma temperatura semelhante a que está sendo lida pelo termistor. Para a avaliação dimensional foi utilizada uma máquina de medição por coordenadas LK G80C Renishaw Retroffit. Foram realizadas medições de planicidade sequenciais, com cada modelo de plataforma de construção, para comparação e levantamento de dados. Foram estabelecidos 25 pontos equidistantes de medição sobre a placa de vidro numa área de 170×180 mm.
RESULTADOS E DISCUSSÔES Figura 3- Novo modelo de plataforma de construção.
A estrutura do novo modelo de plataforma foi fabricada em a partir de um bloco de alumínio. Para não sobrecarregar o sistema de movimentação da máquina, a estrutura é dotada de nervuras que mantém a rigidez estrutural do componente.
Avaliação do desempenho térmico As curvas de aquecimento da plataforma RepRap estão apresentadas na figura 5. Foi possível observar que as regiões 2 e 5 não alcançam a mesma temperatura de trabalho dos demais que foi
regulada com uma temperatura de referência de 70°C. Tais pontos apresentam uma temperatura em torno de 10°C abaixo das demais, o que acaba por influenciar na construção da peça. O tempo necessário para que a plataforma alcançasse a estabilidade térmica foi em torno de 300s e apresentou uma temperatura média de 57,8ºC.
Avaliação dimensional Tendo levantado os dados referentes a planicidade (Tabela 1), é possível constatar que o novo conceito apresenta um valor médio bastante inferior ao observado na plataforma RepRap. Tabela 1- Resultado da medição da planicidade. RepRap Nova Média DP Média DP Planicidade 0,3611 0,00049 0,0700 0,00096 Plataforma
Com base na distribuição das medições ao longo da plataforma (Tabela 2), o novo conceito se mostra mais uniforme de suas dimensões, além de estar dentro da faixa aceitável de 0,1mm, estabelecido nos testes de planicidade, em todos os pontos medidos. Tabela 2- Resultado da medição dos pontos de controle.
Figura 5 – Curvas de aquecimento da plataforma RepRap.
No estudo com a plataforma nova, destacam-se também a disparidade de temperaturas nas regiões 2 e 5 da plataforma. O tempo necessário para que a plataforma alcançasse a estabilidade térmica foi em próximo de 320s e apresentou uma temperatura média de 60,1ºC.
Figura 6 - Curvas de aquecimento da plataforma nova.
Foi notável que a plataforma nova apresentou oscilações de temperatura durante curtos períodos de tempo, enquanto as variações de temperatura do modelo RepRap destacam-se ao longo de maiores períodos de tempo. Tais variações afetaram a média de temperatura ao longo dos ensaios de maneira mais significante na estrutura antiga.
Posição x y 30 20 72,5 20 115 20 157,5 20 200 20 200 65 157,5 65 115 65 72,5 65 30 65 30 110 72,5 110 115 110 157,5 110 200 110 200 155 157,5 155 115 155 72,5 155 30 155 30 200 72,5 200 115 200 157,5 200 200 200
RepRap Média DP 0,0220 0,00025 0,1753 0,00012 0,2240 0,00036 0,1011 0,00025 0,1484 0,00031 0,0441 0,00021 0,0702 0,00045 0,1379 0,00017 0,1126 0,00021 0,0401 0,00040 0,0401 0,00040 0,0697 0,00026 0,0740 0,00384 0,0304 0,00488 0,0489 0,00021 0,1407 0,00026 0,0413 0,00021 0,0238 0,00025 0,0218 0,00021 0,0153 0,00045 0,1110 0,00114 0,0153 0,00201 0,0029 0,00103 0,1676 0,00025 0,4282 0,00107
Nova Média DP 0,0049 0,00100 0,0167 0,00006 0,0198 0,00010 0,0122 0,00045 0,0148 0,00045 0,0154 0,00023 0,0106 0,00025 0,0213 0,00006 0,0226 0,00029 0,0095 0,00050 0,0192 0,00066 0,0269 0,00006 0,0183 0,00031 0,0009 0,00050 0,0271 0,00045 0,0530 0,00023 0,0183 0,00021 0,0083 0,00026 0,0237 0,00006 0,0235 0,00050 0,0195 0,00146 0,0171 0,00078 0,0051 0,00045 0,0445 0,00021 0,0909 0,00026
As figuras 7 e 8 apresentam graficamente as distribuições dos afastamentos nos pontos avaliados ao longo das direções X e Y das plataformas avaliadas. Os afastamentos na plataforma RepRap corroboram com as dificuldades apresentadas na construção de peças fora da região central. Já para o novo conceito os afastamentos foram menores, sendo verificado uma maior variação em somente um dos cantos da plataforma.
CONCLUSÕES Com base nos ensaios realizados, avalia-se a nova estrutura de plataforma construção como mais eficiente que o modelo anterior. A estrutura atende os requisitos aos quais foi projetada, apresentando um desempenho compatível com a aplicação. Em relação ao desempenho térmico, a nova plataforma de construção apresenta um tempo de aquecimento próximo e temperaturas de estabilização média superior ao modelo RepRap. Por conta do projeto e melhores materiais empregados, destaca-se o fato da nova estrutura apresentar parâmetros de melhor planicidade, com desvio inferior a 0,1mm que colabora para uma melhor adesão da camada inicial. Figura 7 – Distribuição ao longo da plataforma RepRap.
AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao Instituto Federal de Santa Catarina, pela infraestrutura e pelos recursos disponibilizados.
REFERÊNCIAS PENNINGTON, R. C.; HOEKSTRA, N. L.; NEWCOMER, J. L. Significant factors in the dimensional accuracy of fused deposition modeling. Journal of Process Mechanical Engineering, 89-92, 2005. SILVEIRA, G. B.; HINKEL, L. B.; SANTANA, L; SABINO, A. C. Avaliação do desempenho térmico de uma plataforma de construção Open Source para o processo FDM. In: 3° Seminário de Inovação e Tecnologia do IFSul. Sapucaia do Sul, 2014. Anais. Instituto Federal Sul Rio Grandense.
Figura 8 - Distribuição ao longo da plataforma nova.
SUN, Q.; RIZVI, M.; BELLEHUMEUR, C. Effect of processing conditions of the bond of FDM polymer filaments. Rapid Prototyping Journal 72-80, 2008.
