Impressora 3D Final Design Review

Transcrição

1 Impressora 3D Final Design Review Projetámos uma impressora a 3D que usa como material um pó de Titânio Ti-6A-4V (Retirado de - 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. Figura 1 Características do material customizado. O material da estrutura da impressora é o Alumínio 1060 Alloy e o sistema de contrapesos é de chumbo. Figura 2 - Impressora vista de frente. 1 Francisco Cerdeira nº 45311, Natália Marques nº 45870, Silvestre Piedade nº 45867

2 Figura 3 - Impressora vista de cima. Pormenor do sistema de calha com cilindro. 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 m 3, e sabendo que a densidade do titânio é ρ = 4430 kg. m 3, então a sua massa máxima será M = 0, = 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, N. m 2 e os valores da simulações são inferiores, então podemos concluir que não ocorrem deformações. Figura 4 - Impressora vista na diagonal. Figura 5 - Impressora vista de lado. Pormenor do sistema de contrapesos. 2 Francisco Cerdeira nº 45311, Natália Marques nº 45870, Silvestre Piedade nº 45867

3 Figura 7 - Resultados da simulação de pressão 240 N/m 2 na placa superior, com a inferior fixa. Figura 6 - Resultados da simulação de pressão 240 N/m 2 nas argolas da placa inferior, com a superior fixa. Figura 8 - Resultados da simulação de pressão 240 N/m 2 na caixa. 3 Francisco Cerdeira nº 45311, Natália Marques nº 45870, Silvestre Piedade nº 45867

4 Criando um bloco de 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/m 2 K 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 T f = 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. 4 Francisco Cerdeira nº 45311, Natália Marques nº 45870, Silvestre Piedade nº 45867

5 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, e portanto M = v. ρ, podemos calcular quanto o v alvo terá de subir para que perca uma massa de 40 kg de pó: 40 = (0,40 0,45 h) h = 5 cm. Se dividirmos o alvo em incrementos de 40 kg, então teremos 240 = 6 incrementos. 40 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 ρ Pb = kg. m 3 : 20 = (0,0362 0,42 H) 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. 5 Francisco Cerdeira nº 45311, Natália Marques nº 45870, Silvestre Piedade nº 45867

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. 6 Francisco Cerdeira nº 45311, Natália Marques nº 45870, Silvestre Piedade nº 45867

7 Figura 12 - Drawing da impressora com a respetiva Bill of Materials. Figura 14 Drawing da Base (item 1) e da Parede (item 3). Figura 13 Drawing do Suporte Lateral (item 2). 7 Francisco Cerdeira nº 45311, Natália Marques nº 45870, Silvestre Piedade nº 45867

8 Figura 16 - Drawing da caixa (item 6). Figura 15 - Drawing do Suporte das Caixas (item 4) e do Tabuleiro (item 5). 8 Francisco Cerdeira nº 45311, Natália Marques nº 45870, Silvestre Piedade nº 45867

9 Figura 18 - Drawing do Alvo (item 7). Figura 17 - Drawing do Contra Peso (item 8) e do Elo do Contra Peso (item 7). 9 Francisco Cerdeira nº 45311, Natália Marques nº 45870, Silvestre Piedade nº 45867

10 Figura 19 - Drawing da Base das Calhas (item 10) e das Calhas (item 11). Figura 20 - Drawing da Base do Cilindro (item 12). 10 Francisco Cerdeira nº 45311, Natália Marques nº 45870, Silvestre Piedade nº 45867

11 Figura 22 - Drawing do Eixo do Cilindro (item 13) e do Cilindro (item 14). Figura 21 - Drawing do Suporte do Sistema de Movimento do Cilindro (item 16). 11 Francisco Cerdeira nº 45311, Natália Marques nº 45870, Silvestre Piedade nº 45867

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 Cabo de aço 16 braçadeiras de aluminio 10 Steppers ozin-200-stepsrev-600mm-wire.html 4 Rolamentos lineares 12 Rolamentos radiais 20 polias 12 Francisco Cerdeira nº 45311, Natália Marques nº 45870, Silvestre Piedade nº 45867