Impressora 3D Final Design Review

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. 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

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 = 0,054 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 10 6 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

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

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/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

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). 4430 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 = 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. 5 Francisco Cerdeira nº 45311, Natália Marques nº 45870, Silvestre Piedade nº 45867

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

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

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

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

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

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

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 12 Francisco Cerdeira nº 45311, Natália Marques nº 45870, Silvestre Piedade nº 45867