Comutador e shutter

No desenvolvimento de uma impressora 3D com múltiplas cabeças de LENS é fundamental que cada cabeça manipule um feixe de laser em movimento. Para tal, cada cabeça necessita de uma fibra ótica e respetivos conectores. Este requisito pode ser respeitado se cada cabeça de impressão estiver ligada diretamente a uma fonte de potência. Porém, adotando esta estratégia compromete a rentabilidade do processo, principalmente a nível de custos. Pois, para múltiplas cabeças de impressão seriam necessárias múltiplas fontes de potência. Este problema pode ser ultrapassado recorrendo a um comutador. Uma fonte de potência pode ser ligada com uma fibra de alimentação a um comutador e, ligado a este, um certo número de fibras de processamento que distribui um feixe de laser para cada cabeça, consoante a aplicação e número de cabeças de impressão. No entanto, nesta situação o comutador está a funcionar como divisor do feixe. Isto é, a potência proveniente da fonte é igualmente dividida pelas cabeças de impressão. Como o processo de LENS é dinâmico, é necessário alterar a

Feixe de laser

Colimação e focagem do feixe

potência média durante o processamento em cada cabeça. Desta forma, pode-se instalar um shutter (Figura 3.5) por cada cabeça e permite controlar o feixe de laser. Este é montado entre cada saída do comutador e cada uma das cabeças.

Figura 3.5: Exemplo de configuração entre um shutter, uma fonte de potência e uma cabeça de processamento. Traduzido de [54]

Além da funcionalidade e redução de custos, o comutador e o shutter providenciam uma fácil substituição das fibras de processamento, seja para alteração de parâmetros, por dano na fibra ou modificação da estrutura da impressora. Caso ocorra dano, a fonte de potência permanece intacta e operacional nos restantes canais. Como exemplo, a IPG Photonics disponibiliza comutadores com 2, 3, 4, ou 6 canais de saída. Cada componente encontra-se disponível em múltiplas configurações dependendo da escolha da fonte de potência, série e tamanho. Todos os comutadores e shutters possuem um sistema de proteção que monitoriza constantemente a posição dos espelhos, ligações e luz no interior e o fluxo de arrefecimento de água para diversos componentes [48]. A Figura 3.6 ilustra um exemplo de configuração e respetivas ligações de um comutador de 4 canais de saída com uma fonte de potência e quatro cabeças de processamento.

3.2.

Sistema ótico

O sistema ótico é responsável essencialmente pelas operações de colimação e focagem do feixe. Com a existência de diferentes gamas de lentes obtém-se diversos parâmetros de processamento, consoante o pretendido. Deste modo, a troca entre lentes é mais fácil que a troca entre fibras óticas. Portanto, é adicionado um sistema ótico constituído, primeiramente, por (1) uma lente colimadora e (2) uma lente focal. Como a alimentação do metal se dá na forma de pequenas partículas de pó é acrescentada (3) uma lente protetora. Esta lente retém as partículas e evita a contaminação das restantes lentes. Consoante a potência média do laser, o sistema ótico pode ou não incluir (4) um subsistema de refrigeração para as lentes.

Fonte de potência

Cabeça de processamento

Figura 3.6: Exemplo de configuração e ligações com um comutador de 4 canais de saída. Adaptado de [54].

3.2.1. Lente colimadora

Para garantir um desempenho consistente do feixe pode ser utilizado uma lente colimadora, independentemente da sua distância com a lente focal. O colimador é responsável pela paralelização do feixe de laser [52]. A Figura 3.7 ilustra o feixe colimado após a passagem da lente colimadora.

Figura 3.7: Esquematização do fenómeno de colimação. Adaptado de [55].

3.2.2. Lente focal

O diâmetro do feixe desejado é o parâmetro com maior influencia na determinação do tipo de lente necessária. Os parâmetros geométricos mais importantes de uma lente são: espessura da aresta, distancia focal efetiva e distancia focal traseira. O desempenho de uma lente é medido pela sua distância focal. A distância focal é a distância entre o centro da lente e o ponto focal. A distância focal efetiva é a distância desde o plano de abertura e o plano focal. Trata-se da distância desde o plano principal no qual o feixe é defletido até o ponto focal. A distância focal efetiva é a distância usada para calcular a curvatura da lente. A distância entre o ponto da superfície traseira ao ponto focal, medido ao longo do eixo ótico, é designada por distância focal traseira [52]. A Figura 3.8 esquematiza alguns dos parâmetros assinalados.

Lentes óticas com uma distância focal superior apresentam uma maior profundidade de campo, permitindo uma maior tolerância para irregularidades na superfície. A lente pode ser colocada a uma grande distância de trabalho reduzindo a probabilidade de dano e fornece mais espaço para outros componentes. Por um lado, uma distância focal superior produz maiores pontos focais com menor densidade de potência. Por outro, uma lente com uma distância focal inferior leva a menores pontos

Fibra de alimentação Fibras de processamento Comutador Fonte de potência Cabeças de processamento Feixe colimado Lente colimadora

focais e dificulta o acesso. Logo, é necessário uma precisão extrema para se alcançar uma densidade de potência essencial ao processo [52].

EC Espessura ao centro EA Espessura da aresta DFT Distância focal traseira DFE Distância focal efetiva

Figura 3.8: Representação de parâmetros de uma lente focal plano-convexa. Adaptado de [56].

De acordo com a sua função, as lentes podem ser classificadas em convergente ou divergente. Como se pretende convergir o feixe de laser, a maioria das lentes focais usadas são plano-convexa ou côncavo-convexa (Figura 3.9). As lentes plano-convexas são caracterizadas por uma superfície plana e outra convexa. Estas lentes são as mais económicas pela facilidade e por uma quantidade reduzida de material no seu fabrico. São a escolha ideal para distâncias focais superiores a 20 cm, apesar de se encontrarem disponíveis com distâncias focais efetivas de 2.5 – 25 cm. A espessura da aresta é tipicamente de 3 – 4 mm. O lado convexo deve estar posicionado na direção de entrada do feixe. Relativamente às lentes côncavo-convexas, estas são caracterizadas por duas superfícies esféricas. Produzem um ponto focal menor comparativamente às lentes plano-convexa, à mesma distância focal. Encontram-se disponíveis também com distâncias focais efetivas de 2.5 – 25 cm. Contudo, apresentam um custo superior quando comparadas às primeiras [52].

a) Lente plano-convexa b) Lente côncavo-convexa Figura 3.9: Lentes convergentes: a) plano-convexa e b) côncavo-convexa [52].

3.3.

Sistema de alimentação

O sistema de alimentação é responsável pelo transporte das partículas de pó até à zona de deposição. O sistema é constituído por (1) um alimentador de pós, (2) tubos de alimentação e (3) um nozzle que pode ter três configurações: lateral, coaxial contínuo ou coaxial descontínuo.

3.3.1. Alimentador de pós

As partículas de pó são caracterizadas por diversos tamanhos, formas e propriedades físicas e mecânicas. Por isto, é quase impossível de transportar um fluxo de pó estacionário utilizando apenas um único tipo de alimentador. Com a diminuição do tamanho de grão de pó, isto é, para pós ultrafinos

EC EA

DFT DFE

com tamanhos inferiores a 15 µm, a sua fluidez também diminui, levando a problemas de transporte. A fluidez também diminui com a coesão dos pós ao longo do seu percurso. A razão entre o volume de ar e a quantidade pó também apresenta um papel importante. Por estas razões, são necessários diferentes alimentadores para diferentes tipos de pó. Por conseguinte, um alimentador deve proporcionar um fluxo de pó contínuo e uniforme, com elevada precisão de taxa de deposição de material [28].

Em geral, existem quatro tipos de alimentadores consoante os seus princípios de operação: (1) gravidade, (2) roda mecânica, (3) camada de fluido e (4) vibração. Há alguns casos em que os alimentadores se baseiam numa combinação de diversos princípios. Em todos é injetado um gás de suspensão para transporte do pó, desde o alimentador até à zona de deposição [28].

O alimentador por gravidade baseia-se num mecanismo de pesagem eletrónico por células de carga com pratos rotativos. A velocidade de rotação e a dimensão da ranhura do prato controlam a taxa de alimentação do pó [28]. Este tipo de alimentadores são os mais comuns comercialmente. A Figura 3.10 mostra um alimentador baseado em gravidade da empresa OR Laser. Este alimentador apresenta dois contentores independentes sendo possível recorrer a ambos durante o processo dependendo da aplicação: (1) processamento com dois metais diferentes, (2) com um só material e taxas de deposição superiores, ou (3) com duas cabeças de impressão.

Figura 3.10: Sistema de alimentador baseado por gravidade com dois subsistemas independentes [57]. O alimentador com roda mecânica baseia-se num fuso rotativo com diferentes diâmetros que transportam o pó desde o contentor até a injeção do respetivo pó. Uma das desvantagens é o desgaste mecânico dos componentes devido à abrasão das partículas [28].

O alimentador de camada de fluido baseia-se nos princípios da mecânica de fluidos, eliminando componentes mecânicos móveis. O sistema é desenhado de modo que um predeterminado caudal de gás seja injetado num contentor. O contentor é projetado para que o gás se misture com o pó e depois transportado para o tubo de alimentação [28].

O alimentador vibracional é constituído por uma travessa plana e um funil. O pó viaja desde o funil até à travessa. Esta está ligada a um mecanismo de vibração, deixando cair o pó com um taxa de deposição controlável [28].

A implementação de uma impressora com múltiplas cabeças, relativamente à alimentação do pó, apresenta as mesmas dificuldades que o sistema de laser. Isto é, cada cabeça de impressão implica a sua ligação com, pelo menos, um tubo de alimentação e respetivo alimentador. Na Figura 3.10, como exemplo, o alimentador possui dois contentores, sendo apenas possível a sua ligação com duas cabeças. A introdução de quatro cabeças implica a implementação de dois alimentadores destes. O raciocínio sucede-se para casos com mais cabeças. Uma solução a ter em conta seria a implantação dos contentores independentes na estrutura da impressora, ou hipoteticamente cada subsistema possuir múltiplos tubos de alimentação.

3.3.2. Nozzle

O avanço da tecnologia de nozzles permite distribuir as partículas sobre o banho de fusão de forma regular e eficiente. No processo de LENS, os nozzles de distribuição de partículas podem ter uma configuração lateral ou coaxial, e este último pode ainda ser contínuo ou descontínuo. Como a sua designação o indica, um nozzle coaxial encontra-se montado coaxialmente com o feixe de laser, imediatamente a seguir ao sistema ótico. Já no caso de um nozzle lateral, este é montado lateralmente, sendo necessário alinhar e fazer coincidir o feixe de laser e o fluxo de pó na zona de processamento. A Figura 3.11 representa as configurações dos nozzles e a Tabela 3.1 apresenta as vantagens e desvantagens das referidas configurações.

a) Nozzle lateral b) Nozzle coaxial contínuo c) Nozzle coaxial descontínuo Figura 3.11: Diferentes configurações de nozzles no processo de LENS [31].

Analisando a Tabela 3.1, nomeadamente as características associadas à direção de deposição, reconhece-se que o nozzle lateral se encontra limitado, pois a sua deposição não é axialmente simétrica. Consequentemente este nozzle não é omnidirecional [58]. Para depositar em todas as direções é necessário acrescentar um eixo de rotação na cabeça ou na mesa de impressão, o que torna a impressora 3D mais complexa. O recurso a este nozzle é mais vantajoso em sistemas com uma mesa rotativa através de um sistema de coordenadas polares. Por conseguinte, a aplicação de um nozzle coaxial é o mais adequado em impressoras 3D com múltiplas cabeças de impressão para metais. A escolha entre contínuo ou descontínuo remete-se à aplicação em causa. O nozzle coaxial contínuo permite depositar cordões mais precisos com largura inferior e eficiência superior, mas com potências médias do laser inferiores. Também se encontra limitado a um ângulo máximo de 20º de inclinação em relação à vertical, comparativamente ao nozzle coaxial descontínuo em que este limite não existe.

Tabela 3.1: Vantagens e desvantagens das configurações de nozzles. Traduzido de [31].

Configuração Vantagens Desvantagens Aplicações

Lateral

• Acessibilidade • Largura do cordão:

0.5 – 25 mm

• Potência do laser até 20 kW • Deposição unidirecional • Eficiência inferior • Alinhamento entre o pó e feixe de laser • Não integrado com

gás protetor • Deposição unidirecional • Requisitos específicos em termos de acessibilidade da peça Coaxial contínuo • Deposição multidirecional • Largura do cordão: 0.3 – 5 mm

• Potência do laser até 3 kW • Eficiência até 90%

(diâmetro mínimo de fluxo de 400 µm)

• Integrado com gás protetor

• Acessibilidade restrita • Influência da gravidade (ângulo de deposição < 20º) • Deposição 3D com inclinação de deposição até 20º • O melhor com integração de gás protetor Coaxial descontínuo • Deposição multidirecional • Largura do cordão: 2 – 7 mm

• Potência do laser até 5 kW • Sem influência da

gravidade

• Integrado com gás protetor

• Acessibilidade restrita • Eficiência inferior (diâmetro mínimo de fluxo de 2.5 mm) • Deposição 3D sem limite de inclinação

No mercado atual, o Fraunhofer Institute for Laser Technology (ILT) dispõe de uma gama de nozzles standard ou personalizados consoante a aplicação desejada. A Tabela 3.2 e a Figura 3.12 apresentam as especificações e ilustrações, respetivamente, de dois dos nozzles coaxiais de Fraunhofer ILT: os nozzles COAX 8 e COAX 9.

Tabela 3.2: Especificações dos nozzles coaxiais contínuos COAX 8 e COAX 9, Fraunhofer ILT. Adaptado de [59], [60].

COAX 8 COAX 9

Potência do laser (máx)., kW 8 4

Largura do cordão, mm 2 – 10 1 – 4

a) COAX 8 b) COAX 9

Figura 3.12: Nozzle coaxial contínuo a) COAX 8 e b) COAX 9, Fraunhofer ILT [59], [60].

3.4.

Guias motorizadas

O fabrico de peças 3D por AM requer, no mínimo, três graus de liberdade. Adicionalmente, existem no mercado impressoras com complexidade superior e com mais que três graus de liberdade, como é o caso da impressora LENS 850-R da Optomec que possui cinco graus de liberdade de movimento. Portanto, o movimento na impressora 3D com três graus de liberdade pode ser controlado através de coordenadas polares (RθZ) ou cartesianas (XYZ). Um sistema de coordenadas polares é caracterizado por um movimento radial (movimento R), um movimento vertical (movimento Z), ambos lineares, e um movimento angular (movimento θ). Por sua vez, um sistema de coordenadas cartesianas é caracterizado por um movimento linear nos três eixos (X, Y e Z).

Como em coordenadas cartesianas os graus de liberdade são exclusivamente lineares, estas impressoras utilizam guias motorizadas lineares. Tipicamente, estas guias são constituídas por fusos e carros com chumaceiras que deslizam sobre um carril. A Figura 3.13a mostra a guia linear LTM 80F-150 da OWIS, enquanto que a Figura 3.13b apresenta uma das arquiteturas de guia linear aplicada pela Titan Robotics na impressora The Cronus. Adicionalmente, as guias lineares do conceito de Boto segundo X são composta por cremalheiras e rodas dentadas.

a) Guia linear OWIS LTM 80F-150 [61] b) Guia linear da impressora The Cronus [46] Figura 3.13: Exemplos de guias lineares.

Por sua vez e em impressoras de coordenadas polares, duas guias motorizadas são lineares, enquanto que a terceira é giratória. Neste último caso, é frequente a mesa de impressão ser dotada de um movimento giratório. Na Figura 3.14 encontra-se a mesa giratória HRT160 da Haas, como exemplo.

Figura 3.14: Mesa giratória HRT160 da HAAS [62].

Geralmente, as impressoras que funcionam em coordenadas cartesianas são compostas por mesas de impressão retangulares. De modo a melhor aproveitarem a área de impressão, as impressoras de coordenadas polares são constituídas por mesas circulares.

As guias motorizadas são responsáveis pela parametrização da velocidade, aceleração, trajetória e o incremento em Z e influencia a precisão do processo. Adicionalmente, qualquer guia deve ser capaz de suportar os esforços a que se sujeita.

Da Secção 2.4, apenas a arquitetura de Jian é caracterizada por um sistema de coordenadas polares. As restantes seis possuem um sistema de coordenadas cartesianas. Daqui pode-se assumir que o desenvolvimento de impressoras 3D com múltiplas cabeças de impressão caracterizada por um sistema de coordenadas cartesianas apresenta um maior interesse industrial comparativamente a um sistema de coordenadas polares. A grande vantagem de uma impressora de coordenadas polares poderá ser a precisão superior em processar peças de perfil circular.

Por fim, é de notar que os dois sistemas de coordenadas são capazes de processar a generalidade das formas 3D. Porém, um sistema pode ser preferível relativamente ao outro, consoante a aplicação.

3.5.

Configurações de uma impressora 3D com múltiplas cabeças