Impressora 3D Final Design Review

(1)

1 – Francisco Cerdeira nº 45311, Natália Marques nº 45870, Silvestre Piedade nº 45867

Impressora 3D – Final Design Review

Projetámos uma impressora a 3D que usa como material um pó de Titânio Ti-6A-4V (Retirado de http://asm.matweb.com/search/SpecificMaterial.asp?bassnum=MTP641 - material customizado. Ver Figura 1) e com um laser leva à fusão do

mesmo, em várias camadas repetitivas, de maneira a criar o objeto pretendido.

A impressora (ver Figura 2, Figura 4, Figura 3 e Figura 5) é composta por dois reservatórios: um para o pó (que no início da impressão tem o alvo em baixo e está todo preenchido) e um para o objeto em construção (que no início tem o alvo em cima e está vazio). Através de um sistema de motores a contrapesos (ver Figura 4 e Figura 5. A explicação do seu funcionamento encontra-se na página 5), os dois alvos movem-se em conjunto – o do pó ligeiramente para cima, debitando certa quantidade do material, e o do objeto ligeiramente para baixo. De seguida um sistema de calha com um motor, associados por um fio dentado, leva ao movimento de um cilindro (ver Figura 4 e Figura 3) para um lado e de volta, que varre o pó para a área de impressão de maneira uniforme. É fornecido uma potência por determinado tempo, a partir de um laser, que vai derreter o pó de acordo com o que se quer imprimir (definido por um programa no computador que controla o laser de acordo com a figura desejada). Quando acabar, os alvos de ambos os reservatórios voltam a deslocar-se, e todo o processo repete-se até que o objeto esteja pronto.

O material da estrutura da impressora é o Alumínio 1060 Alloy e o sistema de contrapesos é de chumbo.

Figura 1 – Características do material customizado.

(2)

Cada reservatório é constituído por uma caixa e um alvo (retangulares), sendo que o último é o que se desloca com o motor. Os alvos são compostos por um placa superior (que é a que entra em contato com o material), dois suportes (liga as placas) e uma placa inferior (onde se encontram as argolas que fazem a ligação ao sistema de contrapeso). De maneira a assegurar a estabilidade e a não-deformação destes quando têm o máximo de carga, realizámos duas simulações na qual o alvo tinha uma pressão correspondente à “carga completa”, primeiro na placa superior (com a inferior fixa. Ver Figura 7) e depois nas argolas da placa inferior (com a superior fixa. Ver Figura 6), e outra simulação na caixa, com a pressão distribuída em 4 pontos e fixo nos locais da base suportadas na estrutura da impressora (ver Figura 8). Para o cálculo da “carga completa”, começámos por calcular o volume da caixa 𝑉 = 0,4 × 0,45 × 0,30 = 0,054 𝑚3, e sabendo que a densidade do titânio é 𝜌 = 4430 𝑘𝑔. 𝑚−3, então a sua massa máxima será 𝑀 = 0,054 × 4430 = 239,22 𝑘𝑔 ≈ 240 𝑘𝑔. Assim, na primeira simulação aplicámos 240 𝑘𝑔 e na segunda 60 𝑘𝑔 em cada uma das quatro argolas. Uma vez que a Yield Strenght do alumínio é 2,757 × 106 𝑁. 𝑚−2 e os valores da simulações são inferiores, então podemos concluir que não ocorrem deformações.

Figura 3 - Impressora vista de cima. Pormenor do sistema de calha com cilindro.

Figura 4 - Impressora vista na diagonal.

Figura 5 - Impressora vista de lado. Pormenor do sistema de contrapesos.

(3)

Figura 7 - Resultados da simulação de pressão 240 𝑁/𝑚2_{na placa}

superior, com a inferior fixa.

Figura 6 - Resultados da simulação de pressão 240 𝑁/𝑚2_nas

argolas da placa inferior, com a superior fixa.

(4)

Criando um bloco de 10 × 10 × 5 𝑚𝑚 de material do pó, fizemos um estudo térmico no qual simulámos a aplicação de um laser tanto como uma potência fornecida de 20 𝑊 (ver Figura 9) numa área circular de raio 0,5 𝑚𝑚. Foi considerado a existência de convecção do ar de 20 𝑊/𝑚2𝐾 e a temperatura inicial do bloco de 30 𝐾. Nos resultados do estudo fizémos também

Section (ver Figura 10) e Iso Clipping (ver Figura 11)

de maneira a compreender melhor a propagação do calor. É de notar que a temperatura de fusão do titânio é 𝑇𝑓 = 1660 𝐾 e a de sublimação é 𝑇_𝑠 > 3000 𝐾, logo pelos resultados podemos dizer que o pó, de facto, chega a derreter, sem ultrapassar o ponto de sublimação, e isto ocorre apenas na área onde a potência foi aplicada, levando a concluir que a impressão dos objetos terá uma boa precisão.

Figura 9 – Simulação térmica com uma potência fornecida de 20 W.

Figura 11 – Iso Clipping. Figura 10 – Section Clipping no plano yz (que passa pelo centro da área circular) visto de frente.

(5)

5 – Francisco Cerdeira nº 45311, Natália Marques nº 45870, Silvestre Piedade nº 45867 Funcionamento do Sistema de Contrapesos:

Como já foi referido, a “carga completa” de uma caixa corresponde a 240 𝑘𝑔. Uma vez que cada caixa conta com dois sistemas de contrapesos, então cada um deles terá um peso máximo de 120 𝑘𝑔.

Usando a fórmula de densidade 𝜌 =𝑀

𝑣, e portanto 𝑀 = 𝑣. 𝜌, podemos calcular quanto o alvo terá de subir para que perca uma massa de 40 𝑘𝑔 de pó: 40 = (0,40 × 0,45 × ℎ). 4430 → ℎ = 5 𝑐𝑚. Se dividirmos o alvo em incrementos de 40 𝑘𝑔, então teremos 240₄₀ = 6 incrementos. Como existem dois contrapesos por alvo, cada um destes incrementos terá 20 𝑘𝑔, e o espaçamento entre cada um deles será dado por ℎ (com um espaçamento máximo então de 5 𝑐𝑚).

Uma vez que o sistema de contrapesos encontra-se no Suporte Lateral da impressora (Item 2, ver Figura 13), este terá um comprimento de 42 𝑐𝑚 e uma largura de 3,62 𝑐𝑚. Para descobrir a altura 𝐻 de cada bloco, usamos novamente a fórmula da densidade, sendo que 𝜌𝑃𝑏 = 11000 𝑘𝑔. 𝑚−3: 20 = (0,0362 × 0,42 × 𝐻). 11000 → 𝐻 = 0,1195 𝑚 ≈ 12 𝑐𝑚.

Quando a caixa está completamente cheia, os blocos estão com o espaçamento máximo; com a diminuição da massa da caixa, os blocos vão se empilhando, até que quando esta fica vazia, estes ficam todos empilhados, estando o sistema com desvios máximos de 40 𝑘𝑔 do estado de equilíbrio.

(6)

Por fim, temos o Drawing da impressora com a respetiva Bill of Materials (ver Figura 12) e das restantes peças (ver Figura 13, Figura 14, Figura 15, Figura 16, Figura 17, Figura 18, Figura 19, Figura 20, Figura 21 e Figura 22). Ainda não temos o orçamento, uma vez que o Engenheiro João Martins ainda não teve a oportunidade de analisar o projeto e o fornecê-lo.

(7)

Figura 12 - Drawing da impressora com a respetiva Bill of Materials.

(8)

Figura 16 - Drawing da caixa (item 6). Figura 15 - Drawing do Suporte das Caixas (item 4) e do Tabuleiro (item 5).

(9)

Figura 17 - Drawing do Contra Peso (item 8) e do Elo do Contra Peso (item 7). Figura 18 - Drawing do Alvo (item 7).

(10)

(11)

Figura 21 - Drawing do Suporte do Sistema de Movimento do Cilindro (item 16). Figura 22 - Drawing do Eixo do Cilindro (item 13) e do Cilindro (item 14) .

(12)

Na construção desta impressora em adição à manufaturação dos componentes acima descritos existem ainda alguns que seriam comprados como produtos finais e simplesmente adicionados ao conjunto final. Segue-se então a lista destes:

 8 roldanas – http://www.e-rigging.com/three-sixteenths-inch-stainless-flat-mount-block  Cabo de aço – http://www.e-rigging.com/three-sixteenths-X-250-foot-Galvanized-Cable  16 braçadeiras de aluminio – http://www.e-rigging.com/three-sixteenths-inch-Sleeve  10 Steppers –

http://www.ptrobotics.com/motores-steppers/4215-stepper-motor-125-ozin-200-stepsrev-600mm-wire.html

 4 Rolamentos lineares – https://www.adafruit.com/products/1181  12 Rolamentos radiais – https://www.adafruit.com/products/1178  20 polias – https://www.adafruit.com/products/1251