PROJETO DE DESENVOLVIMENTO E PRODUÇÃO DE UMA IMPRESSORA 3D

PROJETO DE DESENVOLVIMENTO E PRODUÇÃO DE UMA IMPRESSORA 3D Marco Antônio da Cunha Dutra cunhadutra@hotmail.com UNIVERSIDADE CATÓLICA DOM BOSCO Centro de Ciências Exatas e da Terra Engenharias Mecânica, Controle e Automação e Elétrica Av. Tamandaré, 6000 - Jardim Seminário. 79117-900 Campo Grande - MS Guilherme Henrique Carvalho de Oliveira guilherme_henrique_388@hotmail.com UNIVERSIDADE CATÓLICA DOM BOSCO Centro de Ciências Exatas e da Terra Engenharias Mecânica, Controle e Automação e Elétrica Av. Tamandaré, 6000 - Jardim Seminário. 79117-900 Campo Grande - MS Dr. Dejahyr Lopes Junior dejahyr@ucdb.br UNIVERSIDADE CATÓLICA DOM BOSCO Centro de Ciências Exatas e da Terra Engenharias Mecânica, Controle e Automação e Elétrica Av. Tamandaré, 6000 - Jardim Seminário. 79117-900 Campo Grande - MS Resumo: Com a atual demanda das empresas por peças com um custo-benefício atrativo e rapidez de fabricação; a prototipagem por impressoras 3D tem aumentado. Assim, o presente trabalho propõe desenvolver um projeto de máquina de prototipagem rápida, onde possa criar objetos a partir de plásticos ABS/PLA, para serem usados em diversas áreas, e com custo baixo. Este projeto pretende esclarecer sobre os tipos de impressoras 3D existentes, o funcionamento de uma impressora 3D, desde sua concepção até sua montagem e também da modelagem de um objeto virtual até a impressão do objeto real. O projeto em discussão será desenvolvido em alumínio, porem para futuras melhorias iremos desenvolver peças impressas que irão substituir alguma pecas de alumínio, principalmente partes moveis, com a intenção de diminuir o peso da estrutura, ou seja, após a conclusão do projeto, será possível, de certa forma, replicar a impressora 3D. Destacamos que este trabalho está inserido num projeto maior, intitulado Clube de Ciências da UCDB, cujo objetivo principal é proporcionar a divulgação e discussão de temas relacionados às engenharias. Neste sentido, estamos oportunizando o conhecimento e a prática de estudantes, de escolas públicas e privadas de Campo Grande-MS, na impressão 3D. Palavras-chave: Impressão 3D; Prototipagem; G-code; RepRap;

1. INTRODUÇÃO Impressão 3D de baixo custo, apesar de ser uma tecnologia recente, sua evolução ocorre rapidamente e com potencial aparentemente ilimitado. Com a habilidade de replicar infinitamente objetos 3D como artefatos arqueológicos, superfícies matemáticas complexas, protótipos, e ate próteses médicas, esta tecnologia retém um futuro particularmente promissor para a ciência, a educação e o desenvolvimento sustentável. Nesse sentido, buscamos inserir a discussão desta tecnologia num grupo de trabalho do projeto de extensão Clube de Ciências da UCDB, formados por acadêmicos de Engenharia Mecânica e de Controle e Automação. O presente artigo pretende apresentar as etapas técnicas de desenvolvimento da impressora 3D que futuramente será levada às escolas públicas e privadas de Campo Grande-MS como instrumento didático e também como possibilidade de divulgação dos cursos de Engenharia Mecânica e de Controle e Automação. A indústria de impressão 3D, com origem em meados dos anos 80, teve uma violenta expansão na última década com o desenvolvimento de novas tecnologias 3D. A liberação da patente de FDM (Fused Deposition Modeling) para o domínio público, onde objetos são construídos camada por camada com a extrusão de plástico fundido também foi responsável pelo aumento do interesse no estudo dessa tecnologia pela comunidade amadora, esta mesma comunidade (software e hardware) compartilhando inúmeras ferramentas de desenvolvimento faz da tecnologia de replicação 3D uma das tecnologias de produção de maior crescimento no mercado hoje. Desta forma, este projeto tem como objetivo estudar o processo de fabricação de uma impressora 3D do tipo FDM, hardware e software visando colher dados do processo de produção e utilizar esses dados para o desenvolvimento de um equipamento que possa ser considerado de baixo custo e elevada precisão. É de compreensão da comunidade científica a necessidade de se diminuir o preço de tais impressoras, a fim de transformá-la em um utensílio doméstico assim trazendo para dentro de casa a praticidade da prototipagem rápida e proximidade das pessoas com conceitos matemáticos e de programação. 2. ESTRUTURA. A estrutura é onde todos os elementos da impressora serão fixados, este corpo deve ser resistente e leve para suportar a vibração produzida pela operação da impressora, portanto foi definido que a estrutura seria feita em barras quadradas de 30x30x500mm de alumínio com travas de pressão. Foi decidido pelo grupo que para diminuir as vibrações a melhor configuração para a caixa seria um cubo (CANDIDO, JUNIOR, 2009), fixado tanto nos pontos superiores quanto inferiores, tendo uma base sólida para os sistemas, foi maximizada a precisão e a diminuição de interferência causada pelo funcionamento dos motores, sendo instalada uma plataforma para os eixos X e Y que irá acomodar o Extrusor. A referida plataforma se moverá pelo eixo Z através do rotacionamento de uma barra roscada por um motor localizado na base inferior dos suportes laterais. A seguir detalharemos as etapas do processo de construção. 3. ELEMENTOS DE HARDWARE. Os elementos que compõe esta máquina de impressão 3D serão descritos nos tópicos a seguir, assim como suas etapas de montagem.

3.1. Extrusor. O Extrusor é responsável por fundir o material para a deposição em camadas, o extrusor é composto por 3 partes sendo estas: o Bico de Extrusão, Termistor e Motor de Extrusão. O Bico de Extrusão possui um orifício de deposição de 0,3mm revestido de teflon e se acopla a um difusor de calor que evita que o excesso de calor chegue à área do motor; é esse elemento que é aquecido fundindo o polímero. O polímero é comprimido contra as paredes internas do bico de extrusão forçando a saída do material pelo orifício, depositando na camada desejada. Sua temperatura de trabalho varia de 185⁰C a 230⁰C, sendo considerada o ideal para uma melhor conformação do polímero. O Bico Extrusor é aquecido através de uma resistência de cartucho de cerâmica de 12V 40W com uma temperatura de operação de -40ºC a 350º C, fazendo com que o bico aqueça a temperatura ideal escolhida pelo operador para conformação do material na mesa. Um Termistor de 100K é inserido dentro do bloco de aquecimento para o monitoramento da curva de aquecimento do Bico de Extrusão, esse Termopar é controlado por um sensor AD597 que é integrado na placa PCB Ultimaker 1.5.7 P1 que faz o controle dos sistemas da impressora. O referido dispositivo é do tipo NTC e possui um valor Beta de 3950 e resistência de 100kΩ a temperatura ambiente (~25C). NTC é um acrônimo para Negative Temperature Coefficient, o que significa que a resistência do Termistor decresce conforme a temperatura aumenta. A equação de Steinhart Hart para o Termistor NTC é. 1 T 1 T 0 1 ln B R R 0 (1) Onde T 0 é a temperatura ambiente em Kelvin (~300K), B = 3950 é o coeficiente, R 0 é a resistência do Termistor a temperatura ambiente esta sendo R 0 = 100kΩ, portando dada a temperatura T em Kelvin podemos encontrar a resistência do Termistor ou dada a resistência podemos achar a temperatura. A equação de Steinhart Hart é uma equação Não-Linear, porém, é possível usar uma função linear simples para aproximar a equação Steinhart Hart com uma variação pequena de temperatura.

Tabela 1 - : Curva de Temperatura do Termistor NTC. Um Motor de Extrusão é acoplado na parte posterior do dissipador de calor bico de extrusão, esse motor de modelo Nema 17 irá pressionar o filamento contra a parede interna do bico de extrusão, auxiliando na fusão do material e sua expulsão pelo bico. A montagem final do sistema é acoplado no trilho superior onde será comandado por um motor Nema 17 auxiliado por uma correia. A correta calibração da altura do bico de impressão em relação à base de impressão é crucial para a adesão da primeira camada do objeto que está sendo impresso. Como referência, pode-se usar um cartão de visitas para medir a altura ideal entre o bico de extrusão e a base. Para que esteja bem calibrado, o bico deve pressionar o cartão contra a base, no ponto em que ele começa a impedir a movimentação do cartão. 3.2. Heated Bed. Uma Heated Build Platform (HBP) melhora a qualidade de impressão prevenindo que haja empenamento pois, quando o plástico extrudido resfria, ele encolhe levemente. Quando esse processo de encolhimento não ocorre pela peça impressa uniformemente, o resultado pode ser uma peça empenada. Essa deformação pode ser observada nas extremidades do objeto impresso que tendem a se desgrudar da plataforma de impressão. Quando a impressão é feita em uma Heated Bed a peça tende a se manter aquecida evitando assim que a mesma se deforme. Para que a Heated Bed tenha o efeito desejado a mesma deve ser instalada na parte inferior de uma placa de aço e para que não haja problemas de aderência, uma peça de vidro deve ser instalada na parte superior onde o bico extrusor irá fazer contato, a mesa tem dimensões de 200 x 200mm, atinge temperatura máxima é de 130º C e leva em torno de 10 minutos para ser atingida, consumindo 13A para aquecer. Depois, consequentemente, seu consumo cai. A superfície de impressão em vidro garante a adesão da peça à base de impressão durante o processo. Uma peça nunca deve ser impressa sem que o vidro esteja instalado, antes do uso, o vidro deve estar totalmente livre de gordura, pó ou quaisquer outros resíduos.

Durante o uso, o vidro da base jamais deve ser manuseado ou tocado em sua superfície, manchas de gordura, ou até mesmo pó, podem atrapalhar a impressão e facilitar o descolamento das peças. Na impressão com ABS, pode ser necessário aplicar uma fita sobre o vidro, essa fita também deve ser trocada de tempos em tempos, sempre que o vidro for lavado. 3.3. Motores Nema 17. O Nema 17 é um motor de passo com 43.2 x 43.2mm de face, o referido motor é maior e mais pesado que outro comumente utilizado Nema 14, mas isso também significa que ele possui mais espaço para produzir um torque maior, entretando, seu tamanho não é indicativo de sua potência (KENJO & SUGAWARA 1984). Os motores de passo apresentados são responsáveis pelo controle do Extrusor nos eixos X, Y e Z. Para o eixo Z foi determinado dois motores de modo que sua montagem seja executada de forma cruzada pra garantir uma subida da Plataforma do Extrusor de maneira uniforme. Esses motores fariam a movimentação da Plataforma através do rotacionamento de barras roscadas de 8mm de diâmetro e um curso de 350mm. A estrutura também conta com o suporte de outras duas barras guias para garantir estabilidade. Para os eixos X e Y apena um motor foi instalado em cada eixo, esse motor gera o movimento no Extrusor auxiliado por uma correia, os motores são fixados na Plataforma por suportes de alumínio. 3.4. Stepper Driver A4988. O Stepper Driver A4988 é uma placa de controle tipo Pololu; módulos plugáveis a uma placa mãe. A vantagem desse design é que ele oferece a praticidade de se trocar um módulo com extrema rapidez caso a placa sofra algum dano. A placa Allegro s A4988 de micro passo bipolar oferece limitador de corrente ajustável, proteção de corrente e temperatura e uma resolução de micro passo de até 1/16. Esse módulo opera desde 8V até 35V e pode oferecer até 1A por fase sem dissipador de calor ou fluxo de ar concentrado. O módulo permite o controle de um motor de passo bipolar com até 2A por bobina. Foi adicionado 5 módulos A4988 para o controle dos motores de passo, o motor do Extrusor e os 4 motores responsáveis pelo movimento nos eixo X, Y e Z. 3.5. Correia. Uma correia sincronizadora de 6mm de borracha GT2 e uma polia GT2 de 20 dentes foram instaladas para auxiliar no movimento do Extrusor no eixo X e Y. Defeitos na impressão podem ocorrer caso haja deslizamento nas correias dos eixos X e Y, para que isso não ocorra às correias devem ser devidamente tensionadas, caso tenha folga entre na corrente entre o motor e a polia um deslizamento vai ocorrer acarretando um defeito na impressão, caso a correia esteja tensionada de forma excessiva a vibração na correia pode causar defeitos e acarretar na falha da própria correia, para que a tensão esteja em níveis aceitáveis vamos utilizar um programa open source chamado SoundCard Oszilloscope que com o auxilio de um microfone poderá detectar a frequência em que a correia oscila, a correia se comporta como uma corda de violão, portanto, quanto maior a tensão na correia maior será a frequência. Sabendo a frequência da correia podemos sabe qual é a tensão que esta sendo exercida na polia, pela equação.

2 2 T 4ml f (2) Onde T(N) é a tensão na correia, m(kg/m) a massa especifica da correia, l(m) é o comprimento entre a polia e o motor e f(hz) é a frequência. Após achar a tensão na correia, para encontrar a carga radial na polia basta multiplicar a tensão encontrada por 2. (Para a correia GT2 de 6mm foi encontrado a massa especifica de 0,0252kg/m) 3.6. Placa PCB Ultimaker 1.5.7. Essa placa é muito similar a outras implementações eletrônicas baseadas em Pololu, incluindo RAMPS, porém a referida placa pode suportar até 5 motores de passo e pode-se ser adicionado quantos Stepper Drivers forem necessários. Foi desenvolvida para funcionar com tensões superiores a 12V, isso permite que o usuário gere ate 90W de um MOSFET e operar o motor de passo com um torque maior e velocidades máximas maiores. A placa serve como ponte entre o Arduino Mega e os demais componentes da impressora, todos os componentes serão conectados da seguinte maneira. Figura 1 Montagem dos Componentes na Placa Ultimaker 1.5.7.

3.7. Arduino Mega 2560 R3. A placa Arduino Mega 2560 é mais uma placa da plataforma Arduino que possui recursos para prototipagem e projetos mais elaborados. Baseada no microcontrolador ATmega2560, possui 54 pinos de entradas e saídas digitais onde 15 destes podem ser utilizados como saídas PWM. Possui 16 entradas analógicas, 4 portas de comunicação serial. Além da quantidade de pinos, ela conta com maior quantidade de memória que Arduino UNO, sendo uma ótima opção para projetos que necessitem de muitos pinos de entradas e saídas além de memória de programa com maior capacidade. A alimentação da placa Arduino Mega, pode ser feita tanto pela USB, como por uma alimentação externa de 6V a 20V. O Arduino Mega 2560 ir servir de controlador (Shield) da impressora será onde a Firmware vai ser escrita e gerenciada. O Arduino Mega2560 possui várias facilidades para se comunicar com um computador, com outro Arduino ou outros microcontroladores. O ATmega2560 fornece quatro portas de comunicação serial UARTs para TTL (5V). Um chip FTDI FT232RL direciona uma destas portas para a conexão USB e os drivers FTDI (que acompanham o software do Arduino) fornecem uma porta com virtual para softwares no computador. O software do Arduino inclui um monitor serial que permite que dados simples de texto sejam enviados de e para a placa Arduino. Os LEDs RX e RT piscarão enquanto dados estiverem sendo transmitidos pelo chip FTDI e pela conexão USB ao computador (mas não para comunicação serial nos pinos 0 e 1). Uma biblioteca SoftwareSerial permite comunicação serial em qualquer um dos pinos digitais do Mega2560. O Mega2560 pode ser programado com o software do Arduino. O ATmega2560 no Arduino Mega2560 vem com o bootloader pré-gravado o possibilita o envio de novos códigos sem o uso de um programador de hardware externo. Ele se comunica usando o protocolo original STK500. 4. ELEMENTOS DE SOFTWARE. O software é a parte lógica, o conjunto de instruções e dados processado pelos circuitos eletrônicos do hardware. Toda interação dos usuários de computadores modernos é realizada através do software, que é a camada acima da camada de hardware, esta transforma a linguagem do computador em algo mais útil ao ser humano (NASCIMENTO, 2013). A seguir veremos os diversos softwares que compõe o projeto assim como seu firmware. 4.1. Marlin. Marlin é firmware para RepRap eletrônicos de processador único, compatível com RAMPS, Rambo, Ultimaker, BQ, e várias outras impressoras 3D baseados no Arduino. Ele suporta a impressão através de USB ou a partir de cartões SD com pastas, e usa planejamento de trajetória lookahead. Marlin está licenciado sob a GPL v3 GNU. Baseia-se no Sprinter firmware, licenciado sob a GPL v2. Marlin tem tipo empurrão look-ahead. Sem ele, pararia após cada movimento, somente no termino do comando ela iniciaria o processo de aceleração novamente. Lookahead só irá acelerar e desacelerar a alguma velocidade diferente de zero, de modo que a alteração em magnitude vectorial da velocidade é menor que o max_xy_jerk. Isso só é possível, se alguns movimentos futuros já são processados, daí o nome look-ahead. Isso leva a menos excesso de deposição de material no fim de cada instrução, especialmente em ângulos planos. Também é compatível com aspectos de Apoio de Arco, o Programa de Slicer (que transforma STL em G-code) pode encontrar curvas que, embora dividido em segmentos,

foram feitos para descrever um arco. Marlin é capaz de imprimir esses arcos. A vantagem é que o firmware pode escolher a resolução, e pode executar o arco com uma velocidade quase constante, resultando em um acabamento agradável. Além disso, menos comunicação serial é necessária. Se o G-code contém um vasto leque de velocidades de extrusão, ou o usuário quer, em tempo real, alterar a velocidade de construção, a temperatura deve ser alterada em conformidade. Normalmente, uma velocidade mais elevada exige uma temperatura mais elevada. Isso pode agora ser realizada pela função AutoTemp. Ative o modo de AutoTemp com M109 STF e desativá-lo com M109 (sem qualquer valor F). Quando ativo, a taxa de extrusão de passo máxima de todos os movimentos em buffer é calculada e nomeada "maxerate" [passos / seg]. A temperatura desejada é então ajustada para t = fator de tempmin + maxerate, mantendo-se entre tempmin e tempmax. Se a temperatura alvo for configurada manualmente ou por G-code para um valor inferior a tempmin, ele será mantido sem alterações. Idealmente, o G-code pode ser completamente livre de controles de temperatura, além de um STF M109 no start.gcode, e uma S0 M109 na end.gcode. Se o usuário estabeleceu constantes conhecidas de trabalho PID, aceleração, e as configurações para a velocidade máxima para a máquina, você pode armazená-los na EEPROM. A cada boot-up, Marlin irá carregar automaticamente esses valores de EEPROM, independente do que o seu compilado Configuration.h diz. Apesar de ter muitas funcionalidades o firmware Marlim é apenas uma template para o qual a impressora devera ser configurada e calibrada, portanto a escrita desse firmware deve ser minuciosa para que defeitos de impressão não ocorram. Assim como qualquer funcionalidade adicionada posteriormente deve ser checada para que não haja conflito entre as funcionalidades. O firmware é escrito em linguagem de Arduino C++. 4.2. PronterFace (Calibração e Testes). Para realizar os testes lógicos e calibrar os estímulos dos motores e dos elementos de aquecimento. Para estes teste optamos por utilizar o software PronterFace que comanda ao impressora através de Printrun, Printrun é um conjunto de aplicativos de envio de G-code. Ele consiste de printcore (emissor G-code burro ), pronsole (linha de comando destaque G- code de remetente), pronterface (apresentado transmissor G-code com interface gráfica do usuário), e uma pequena coleção de scripts úteis. É amplamente utilizado por entusiastas por ser facilmente customizavel. Este software é amplamente utilizado pela facilidade e praticidade de controle do G- code que pode ser inserido manualmente, testando os estímulos e cruzando com os resultados obtidos com os sensores pode-se calibrar devidamente a impressora. 4.3. Cura Este software foi escolhido como Slicer pela característica de ser uma solução completa para todas as necessidades, o Cura possui a habilidade também de adicionar suportes caso a geometria da peça seja muito complexa, entende pontos fracos e os retifica de acordo com as necessidade do operador. O software pode também transformar uma peça maciça em oca, assim diminuindo a quantidade de material para fabricação, caso a peça se torne muito frágil o software ainda tem a opção de adicionar estruturas de suporte interno para o aumento da resistência da peça.

5. CONCLUSÕES. Ao observar o processo de fabricação de impressora foram constatados vários pontos de instabilidade na estrutura, o que nos levou a execução de melhorias que podem ser implementadas para fazer a estrutura mais resistente e menos propensa a vibrações. Nesse sentido, foi verificado que é de suma importância, para atingirmos uma precisão aceitável, manter a estrutura o mais sólida possível. Foi observado também que ao diminuir o peso das peças a impressora se torna muito mais ágil, portanto se observou que é de grande interesse que algumas peças de alumínio sejam substituídas por peças impressas pela própria impressora que se encontra na fase de protótipo, essas peças podem ser impressas com uma geometria mais complexa auxiliando a fixação da estrutura. Também foi notada a necessidade do enclausuramento da área de impressão para prevenir deformações nas peças, esse enclausuramento é importante para manter uma atmosfera protetora e evitar a rápida e desigual mudança de temperatura, foi estudado que ao manter uma atmosfera de mais ou menos 55ºC uniformes ajuda com que as camadas depositadas pelo Extrusor se fundam com maior facilidade, produzindo assim, uma peça de maior resistência, acabamento e qualidade. Agradecimentos Gostaríamos de agradecer aos nossas famílias e amigo pelo apoio, assim como nossos mestres e educadores por compartilhar de seu conhecimento e experiência. Gostaríamos também de agradecer a nossa instituição de ensino UCDB Universidade Caótica Dom Bosco por todo o apoio que tem nos dado em todos esses anos de conquistas acadêmicas. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CANDIDO, A. H. L.; JUNIOR, K W,. Design de produto e a pratica de construção de modelos e protótipos. Ed. 2009. Publicado em LDSM Laboratório de Design e Seleção de Materias. CARVALHO, J., e VOLPATO, N,. Prototipagem Rápida como processo de fabricação: Prototipagem Rápida Tecnologias e Aplicações, Ed. Volpato, N., Edgar Blucher, São Paulo. GORNI, A. A. Introdução à prototipagem rápida e seus processos, Ed. Março 2001, pág 230 239. Editor Técnico: Revista Plástico Industrial. JUNIOR, A. S., JUNIOR, O.C., NETO, A. I., Análise comparativa entre os processos de prototipagem rápida por deposição ou remoção de material na concepção de novos produtos. In: IV COBEF, 2007, São Paulo. Disponível em: http://www.grimma.ufsc.br/cobef4/files/121001084.pdf. Acesso em 23 de Maio. 2016. NASCIMENTO, A. A., Tendências Tecnológicas em Prototipagem Rápida e Manufatura Aditiva, 2013. Tese (Graduação em Engenharia Mecânica) Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio de Janeiro. Rio de Janeiro.

LINO, V. M., Impressão 3D 2014. Tese (Graduação em Bacharel em Sistema de Informações) Escola de Informática Aplicada, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro. KENJO, T., SUGAWARA, A., Stepping Motors and Their Microprocessor Controls, Clarendon Press; Oxford, 1984. 252 p. ISBN 0-19-859326-0 JAMES, F., PEREIRA, K., Escola de Educação Profissional SENAI Porto Alegre, 2013. Trabalho de Conclusão (Técnico em Eletrônica) Escola de Educação Profissional, SENAI, Porto Alegre. REPRAP WIKI. HEATED BED. Disponível em: http://reprap.org/wiki/heated_bed Acesso em: 24 de Maio. 2016. PROJECT OF DEVELOPMENT AND PRODUCTION OF A 3D PRINTER Abstract: P Key-words: 3D Printing; prototyping; G-code; RepRap;