Aplicando o conhecimento adquirido e exposto anteriormente ao longo deste documento, o autor apresenta dois conceitos de arquitetura de impressoras 3D de LENS com múltiplas cabeças de impressão independentes para fabrico de peças em metal.
6.1.
Requisitos e especificações iniciais
A definição dos requisitos e especificações de qualquer equipamento depende da sua aplicação. No caso de uma impressora 3D de LENS com múltiplas cabeças, prende-se principalmente à quantidade e dimensões de cada módulo, velocidade, potência média do laser, taxa de deposição e precisão. Não havendo uma aplicação particular para o desenvolvimento de um conceito de impressora 3D de LENS com múltiplas cabeças, os requisitos apresentados são definidos considerando as impressoras 3D de LENS com uma cabeça existentes no mercado atual.
Analisando o mercado, existem três gamas de impressoras com envelopes de trabalho para aplicações de peças pequenas, médias e grandes. Estes envelopes podem assumir formas cúbicas, paralelepipédicas ou cilíndricas. Aproximadamente, registam-se envelopes de trabalho com dimensões de 100 × 100 × 100 mm, 400 × 400 × 400 mm e 1000 × 1000 × 1000 mm para peças de pequenas, médias e grandes dimensões, respetivamente.
Um módulo com uma gama de envelope de 100 × 100 × 100 mm é demasiado pequeno, pois provocaria múltiplas colisões entre cabeças de impressão vizinhas ao longo do processo e, consequentemente, obrigaria a múltiplas paragens de uma das cabeças (Secção 3.5). Relativamente à gama de 1000 × 1000 × 1000 mm, comercialmente não há interesse numa impressora 3D com múltiplas cabeças e mesas de impressão com envelopes de trabalho individuais com estas dimensões. Efetivamente, o que se pretende é obter envelopes de trabalho finais perto desta gama de trabalho. Assim, basta acrescentar múltiplos módulos médios consoante o tamanho da peça grande. Deste modo, resume-se que a gama de envelope de peças médias é a mais adequada para impressoras 3D de LENS com múltiplas cabeças de impressão. No entanto, é necessário ter em especial consideração as dimensões da cabeça de impressão (Secção 3.5).
Deste modo, os requisitos e especificações apresentados são baseados na impressora 3D LENS MR-7 da Optomec com uma cabeça de impressão. Esta impressora possui um envelope de trabalho de 300 × 300 × 300 mm. Este valor é inferior, mas é considerado como sendo um envelope de trabalho de peças médias [95].
Adicionalmente, como apontado na Secção 3.7.1, é fundamental a partilha do envelope de trabalho pelas cabeças de impressão vizinhas. Não foram encontradas referências para este valor para metais. Portanto, é definido o valor de 50 mm. Assim, é adicionado o valor de 50 mm ao envelope de trabalho particular de cada cabeça de impressão na direção da cabeça vizinha.
Relativamente à cabeça de impressão, pelo trabalho desenvolvido no sistema de deposição de pó assistida por laser do CeFEMA, os conceitos apresentados nas secções seguintes são constituídos por esta cabeça. Devido à regulação da altura do nozzle da cabeça de impressão, esta apresenta as dimensões máximas e mínimas de 72 × 102 × 344 mm e 72 × 102 × 306.5 mm, respetivamente, excluindo a fibra ótica e os tubos de alimentação de pó. Isto é, a cabeça possui um curso segundo Z de 37.5 mm. Note-se que esta cabeça apresenta dimensões menores que as da empresa KUKA, sendo um aspeto importante no desenvolvimento deste tipo de impressora 3D (Secção 3.5). A Tabela 6.1 resume as especificações anteriormente indicadas.
Tabela 6.1: Especificações definidas para uma impressora 3D com múltiplas cabeças para metais. Adaptado de [95].
Tipo de sistema LENS
Cabeça de impressão Sistema de deposição assistida por laser do CeFEMA Dimensões do envelope de trabalho
particular, mm 300 × 300 × 300
Partilha do envelope de trabalho, mm 50
Velocidade (X e Y), mm/s 60
Potência média, W 500
Taxa de deposição (máx.), g/min 300
Precisão posicional, mm ±0.015
6.2.
Conceitos de arquitetura
Com as justificações apresentadas na Secção 3.5, o autor apresenta dois conceitos de arquitetura de impressoras 3D de LENS com múltiplas cabeças de impressão independentes. Cada um dos conceitos é baseado nas duas configurações E e F da Figura 3.15.
6.2.1. Conceito de arquitetura com a configuração E
Os conceitos de Wachsmuth e Boto (Secção 2.4) também se apoiam na configuração E de Groover (Secção 3.5). O conceito que o autor expõe (Figura 6.1) é baseado no conceito de Boto. Este é dotado de uma liberdade em remover e permutar cabeças de impressão para zonas da peça que requerem maior tempo de fabrico. Porém, esta funcionalidade apresenta folgas devido ao movimento segundo X ser caracterizado pela combinação de rodas dentadas e cremalheiras. Apesar desta funcionalidade aumentar a rapidez de fabrico, o autor ignorou-a pela razão de a precisão ser um requisito de projeto. Para mostrar o conceito, este é caracterizado por um valor mínimo de quatro cabeças e mesas de impressão: duas em cada direção X e Y. Para respeitar as especificações definidas, as mesas de impressão têm uma área de trabalho de 300 × 300 mm. Considerando a partilha do envelope de trabalho, cada cabeça apresenta um mínimo de envelope de trabalho de 350 × 350 × 300 mm. Considerando as dimensões da cabeça, o fuso na direção X tem curso mínimo de 672 mm. Cada cabeça de impressão é capaz de se deslocar num total de 528 mm ao longo do eixo X. O fuso na
direção Y, como é particular a cada cabeça, tem um curso mínimo de 402 mm. Contrariamente à configuração E da Figura 3.15, a mesa de impressão é responsável pelo movimento segundo Z. O alívio de peso na parte superior da estrutura e na cabeça facilita o seu movimento e aumenta a precisão da impressora 3D. Devido ao curso do nozzle coaxial, o curso mínimo do fuso na direção Z é de 337.5 mm. Naturalmente, aos cursos mínimos são acrescentados a contribuição dos restantes componentes constituintes do conceito, nomeadamente das travessas e dos restantes componentes de suporte. Em suma, este conceito possibilita o processamento de peças metálicas com dimensões máximas de 600 × 600 × 337.5 mm.
Figura 6.1: Conceito do autor baseado no conceito de Boto.
A grande diferença entre este conceito e o conceito de Boto é a substituição das cremalheiras por fusos roscados. No entanto, o conceito do autor também recorre a rodas dentadas, mas coaxiais com os fusos roscados, tais como ilustrados na Figura 3.13b. Por conseguinte, as folgas entre os pares de rosca são inferiores às existentes do conceito de Boto.
6.2.2. Conceito de arquitetura com a configuração F
Os conceitos de Zhang e Khoshnevis e a impressora The Cronus (Secção 2.4) também se apoiam na configuração F de Groover (Secção 3.5). O conceito de arquitetura do autor (Figura 6.2) é baseado na impressora The Cronus. O facto de a impressora ser constituída por pórticos independentes facilita a (des)montagem de cada um, consoante cada aplicação. Cada movimento segundo X, Y e Z é efetuado com o auxílio de fusos roscados, igualmente como os da Figura 3.13b. Os fusos segundo X são
y x z
partilhados pelos diversos pórticos, mas os fusos responsáveis pelos movimentos em Y e Z são particulares a cada um.
Para mostrar o funcionamento do conceito, este apresenta o valor mínimo de duas cabeças de impressão na direção X. Contrariamente ao conceito da Figura 6.1, o conceito da Figura 6.2 é composto por uma mesa de impressão imóvel. Isto permite que este conceito seja capaz de fabricar peças distintas com uma secção máxima no plano XY de 300 × 300 mm sem que ocorre perigo de colisão. Para isto, basta que as dimensões mínimas da mesa de impressão sejam 672 × 300 mm. Os cursos mínimos dos três fusos são 744, 402 e 337.5 mm para os fusos X, Y e Z, respetivamente. Cada cabeça é capaz de se deslocar num total de 672 mm ao longo do eixo X. Naturalmente, aos cursos mínimos são acrescentados a contribuição dos restantes componentes constituintes do conceito, nomeadamente dos pórticos e das travessas de suporte. Por fim, o conceito da Figura 6.2 possibilita o processamento de peças metálicas com dimensões máximas de 672 × 300 × 337.5 mm.
Figura 6.2: Conceito do autor baseado na impressora The Cronus da Titan Robotics.
Como ilustrado na Figura 4.10 sobre os efeitos da nuvem de pó, efetuou-se uma alteração no conceito original da impressora The Cronus que se prende com a posição do fuso segundo X. No conceito do autor, este fuso encontra-se abrigado da nuvem de pó pela mesa de impressão. Esta alteração ajuda a mitigar a contaminação dos fusos segundo X.
6.2.3. Considerações finais entre conceitos
O conceito da Figura 6.1 permite uma disposição teoricamente infinita no plano XY. Na realidade, a presença de colunas interiores pode causar interferências com o processo em aplicações de grandes
y x z
dimensões. Para aplicações de peças com dimensões elevadas é possível remover as colunas da estrutura entre a mesa de impressão e os módulos e apoiar os últimos no teto da fábrica, por exemplo. No entanto, o acesso à(s) peça(s) pode ser dificultado pelas dimensões elevadas no plano XY. Relativamente ao conceito da Figura 6.2, a impressora apenas é teoricamente infinita na direção X. Por um lado, a acessibilidade à(s) peça(s) é facilitada. Por outro, a(s) peça(s) são limitadas de acordo com as dimensões de cada pórtico. Por outras palavras, são limitadas pelas dimensões Y e Z.
Em suma, a escolha entre os dois conceitos apresentados pelo autor depende da aplicação em causa. Para aplicações cujas peças apresentam duas das suas dimensões semelhantes e superiores à terceira, o autor recomenda o desenvolvimento de uma impressora 3D de LENS com múltiplas cabeças de impressão independentes baseado no conceito da Figura 6.1. Por outro lado, para aplicações cujas peças apresentam uma dimensão bastante superior às restantes, o autor recomenda o desenvolvimento de uma impressora 3D de LENS com múltiplas cabeças de impressão independentes baseado no conceito da Figura 6.2.