2. Fundamentação Teórica

  Nesta sessão será apresentada a fundamentação teórica necessária para compreender este projeto.

  Primeiramente será explicado o que é um equipamento de controle numérico computadorizado, seguido dos tipos comuns de impressoras 3D, e dos componentes normalmente utilizados na montagem de impressoras 3D.

  Após serão expostos conceitos sobre cinemática, utilizados para fundamentar em seguida um levantamento dos tipos comuns de cinemática utilizados em impressoras 3D.

  Em seguida será exposto como ocorre o controle de impressoras 3D, de forma que elas gerem um objeto tridimensional a partir de um programa, e como podem ser obtidos os modelos a serem impressos.

  Por fim será efetuada uma breve explicação sobre hidráulica para estabelecer uma fundamentação sobre a movimentação de fluídos do sistema de refrigeração.

2.1 CNC (Controle Numérico Computadorizado)

  Controle Numérico Computadorizado é um método de controle de máquinas onde, ao invés de um operador efetuar o controle manual ou utilizar de gabaritos, um controlador eletrônico efetua o planejamento e comanda os motores, servomotores e/ou ferramentas de atuação para realizar uma operação.

  Segundo MARCICANO (2014), equipamentos CNC utilizam um micro-computador embarcado no próprio equipamento, que executa instruções geradas por um sistema integrado de projeto e fabricação, ou através da própria entrada de instruções da máquina, atingindo grande precisão e repetibilidade do processo, o que permite que mesmo peças complexas sejam fabricadas com alta produtividade.

  Tipos comuns de equipamentos CNC são:

  - Tornos
  - Fresadoras
  - Entalhadeira
  - Punsionadeiras
  - Retificadora
  - Corte: Oxi-corte / Plasma / Laser / Jato-d'água
  - Impressoras 3D

2.2 Manufatura Aditiva / Impressão 3D

  A manufatura aditiva, chamada popularmente de impressão 3D, é um conjunto de processos de fabricação onde as peças são formadas através da adição de material, em vez da retirada de material como em processos usuais como fresamento e torneamento. Esta fabricação normalmente é executada por camadas, onde após a formação da camada inferior, uma nova camada é criada sobreposta a anterior, continuando este processo até o término da fabricação da peça.

  A norma ISO/ASTM 52900:2015 separa os processos por similaridade em 7 categorias:

  • Binder Jetting (Jateamento de Ligação): Também chamada de 3DP, nesta tecnologia uma camada de material em pó é depositada em uma cuba de construção e um cabeçote de impressão passa por cima, depositando de forma seletiva um agente ligante que une as partículas de pó. Após a cura do agente ligante uma nova camada de pó é depositada em cima da camada anterior, e este processo se repete.
  • Directed Energy Deposition (Deposição de Energia Direcionada): Um consumível do material a ser depositado é direcionado ao local onde será adicionado através de um equipamento CNC, onde no braço oposto existe um dispositivo (laser, canhão de elétrons ou arco de plasma) que direciona energia ao ponto onde o material deve ser adicionado, fundindo o material.
  • Material Extrusion (Extrusão de Material): Nesta tecnologia, também chamada de FFF (Fused Filament Fabrication - Fabricação por Filamento Fundido) ou FDM (Fused Deposition Modeling - Deposição de Modelagem Fundida), um filamento de material polimérico é aquecido até a temperatura de fusão e depositado através de um bico de forma seletiva para formar camadas da peça a ser fabricada, que são empilhadas verticalmente para formar a peça.
  • Material Jetting (Jateamento de Material): Microgotas de material foto-polimerizante são depositadas de forma seletiva, e após a conclusão da camada são curadas através de uma lampada ultra-violeta.
  • Powder Bed Fusion (Fusão de Pó em Cuba): Nesta categoria se encontram várias tecnologias distintas de fabricação, sendo as mais notáveis:
    • SLS - Selective Laser Sintering (Sinterização Seletiva a Laser): Material polimérico é aquecido em uma cuba e um laser adiciona energia às particulas seletivamente para fazer elas chegarem próximas ao ponto de fusão, se unindo em um processo de sinterização.
    • DMLS - Direct Metal Laser Sintering (Sinterização Direta de Metais a Laser): Mesmo processo do SLS, porém em temperatura mais elevada e utilizando metais.
    • SLM – Selective Laser Melting (Derretimento Seletivo por Laser): Mesmo processo do SLS, porém alcança a temperatura de fusão do polímero, fundindo o material que forma a peça.
    • EBM - Electron Beam Melting (Derretimento por Feixes de Elétron): Mesmo processo do SLM, porém utilizando vácuo e feixes de elétron no lugar do laser para fundir pó de metais.
  • Sheet Lamination (Laminação de Chapas): Chapas finas de material metálico são cortadas no formato da camada e coladas ou soldadas na camada anterior formando a peça.
  • Photopolymerization (Foto-polimerização): Resina fotopolimerizável e despejada em um tanque e é curada de forma seletiva através de luz. Nesta categoria se encontram as tecnologias:
    • DLP: Toda a camada é formada de uma única vez através da projeção digital da região a ser foto-polimerizada.
    • SLA: Um laser percorre a toda a região a ser foto-polimerizada.


2.3 Componentes de Impressoras 3D FFF

  Esta sessão apresenta componentes comuns a impressoras 3D, para fundamentar e auxiliar o entendimento das escolhas de projeto nas próximas sessões.

2.3.1 Motores Elétricos

  Segundo Yu e Zhao (2011), motores elétricos são dispositivos que transformam energia elétrica em energia mecânica utilizando princípios eletromagnéticos. Estes dispositivos são responsáveis por gerar os movimentos de operação de diversos equipamentos.

   2.3.1.1 Motor Universal

      Motores universais são amplamente utilizados devido sua versatilidade (trabalham tanto em corrente contínua quanto alternada), quanto por seu custo relativamente baixo. A figura 1 mostra um motor funcional de uso em demonstrações acadêmicas, onde é possível observar a atuação dos componentes durante o movimento.

Fig. 1 - Motor Universal cortado para utilização em explicações acadêmicas

WORKING-CUT-SECTION-OF-DC-MOTOR.jpg

Fonte: BENN ELECTRICALS PVT. LTD.


      Segundo WOODFORD (2017), quando alimentados por corrente contínua um conjunto de escovas transmite a energia por contatores para as bobinas do rotor, que ao serem acopladas magneticamente ao estator através de um campo gerado eletricamente por bobinas ou magneticamente por imãs permanentes, gera um movimento de rotação no rotor. Este movimento leva ao acoplamento de um novo conjunto de contatores no comutador, mantendo o giro do motor.

      Já quando alimentados por correntes alternadas a corrente correndo pela bobina do rotor é inversa à corrente do estator, gerando movimento rotativo em uma direção. Como a corrente sempre será inversa entre o rotor e o estator, a inversão da direção da corrente alternada não influencia na direção do movimento.

      Desta forma enquanto houver corrente nos terminais o motor permanece em giro, não sendo possível manter o motor estático enquanto energizado.

      Por este motivo em impressoras 3D este tipo de motor é utilizado principalmente em operações onde a posição rotacional não seja relevante ao processo ou em controles de sistema fechado onde é possível efetuar a correção contínua da posição através do uso de encoders para medir a posição incremental ou absoluta e efetuar a correção (como em servo-motores).

   2.3.1.2 Motor BLDC

      Motores BLDC são motores de corrente contínua sem escovas. Neste tipo de motor o rotor possui imãs permanentes e o estator possui diversas bobinas. Um controlador faz a comutação entre as bobinas gerando um fluxo magnético rotativo que se acopla aos imãs do rotor e causa um movimento rotativo, conforme a figura 1, desta forma não sendo necessária a utilização de escovas para fazer a comutação, tornando o sistema mais eficiente e com menor necessidade de manutenção. O controle de velocidade deste tipo de motor é feito pelo controlador, já que para completar o giro o motor depende que as bobinas sejam excitadas em uma ordem específica. Este tipo de motor é muito utilizado em ventiladores para refrigeração forçada.

Fig. 2 - Rotação de um motor BLDC de três fases

BLDC%20rotation.png

Fonte: Adaptado de YU e ZHAO (2011)


      Ao alimentar um par de contatos deste motor o mesmo acopla em uma posição específica, sendo capaz de segurar torque nesta posição enquanto a bobina estiver ativa, diferentemente de motores universais. A força máxima que o motor consegue segurar antes de perder o posicionamento é chamado de Torque de Retenção.

   2.3.1.3 Motor de Passo

      Motores BLDC são capazes de manter o posicionamento mantendo corrente em uma das bobinas. Contudo, motores BLDC são projetados para ter uma transição homogênea entre as fases, permitindo grandes velocidades, e não para ter repetibilidade na posição.

      Motores de passo são, essencialmente, semelhantes aos motores BLDC. Contudo, confome pode ser visualizado na figura 3, a disposição dos polos das bobinas é menos espaçada e a quantidade e disposição magnética no rotor é maior, fazendo com que as comutações entre as bobinas causem apenas um pequeno incremento na rotação, chamado de passo. Essa característica torna o motor de passo ideal para aplicações onde seja necessário um alto grau de precisão no posicionamento.

Fig. 3 - Elementos internos de um motor de passo

inside%20a%20stepper%20motor.png

Fonte: Adaptado de EARL (2015)


      A quantidade de giro, medida em graus, está descrita na carcaça e na especificação do motor, sendo possível encontrar motores com diversos ângulos de passo. Em impressoras 3D são comuns o uso de motores de 0.9º e 1.8º, ou seja, a cada comutação entre bobinas o motor se desloca neste ângulo. Esta informação também pode estar descrita pelo número de passos para completar uma revolução, por exemplo em um motor de 1.8º são necessários 200 passos para completar uma revolução, enquanto em um motor de 0,9º são necessários 400 passos.

      A informação é importante não apenas por configurar a precisão do motor, mas também porque a capacidade máxima do controlador em gerir a comutação entre os passos determinará a velocidade máxima teórica do conjunto movido. Desta forma é necessário balancear entre precisão e velocidade, de acordo com o objetivo do projeto.

      Embora Motores de Passo sejam usualmente classificados pela norma NEMA ICS-16(2001) que define numerações de acordo o tamanho da face frontal, em décimos de polegada, fabricantes frequentemente utilizam de variações que diferem da norma, exceto quanto aos furos de montagem. Tal norma permite que motores de fabricantes diferentes possam ser montados no mesmo suporte, garantindo intercambialidade, porém a utilização fora da norma gera uma grande variação de possibilidades quanto, entre outros parâmetros, ao diâmetro de eixos, comprimento do motor e temperatura de operação.

      Os motores mais usuais em impressoras 3D são os NEMA17, com face frontal de 1,7"x1,7" (ou mais usualmente 1,67”x1,67”), e os NEMA23, com face frontal de 2,3"x2,3" para situações que necessitem de maior torque (embora o tamanho do motor não determine o torque, motores maiores usualmente são capazes da acomodar conjuntos magnéticos mais potentes). A figura 4 mostra as dimensões padrões usuais para um motor NEMA17 em milímetros e polegadas.

Fig. 4 - Motor Minebea NEMA17 da família 17PM-K

minebea%20familia%2017PM-K.png

Fonte: Adaptado de MINEBEA CO. LTD.


      Alguns parâmetros que devem ser analisados na seleção de um motor de passo são:

  • Padrão de montagem: Usualmente NEMA17 ou NEMA23;
  • Padrão das bobinas: Em impressoras 3D são utilizados somente motores bipolares de 4 fios;
  • Ângulo de passo: Usualmente 1.8º ou 0,9º;
  • Diâmetro do eixo: Usualmente 5mm para NEMA17 e 6,35mm para NEMA23, porém varia conforme modelo;
  • Torque de retenção / Torque detentor: Capacidade máxima do motor se manter estático com as bobinas ativas com uma carga aplicada;
  • Torque Dinâmico: Capacidade de torque do motor a uma determinada velocidade. Conforme a figura 5, podemos verificar que quanto mais rápido ocorre o giro, menor é o torque dinâmico do motor;

Fig. 5 - Curva de Torque Dinâmico

torquedinamico.jpg

Fonte: KALATEC AUTOMAÇÃO

  • Corrente das bobinas: Os motores são acionados através de corrente constante, sendo necessário que o controle tenha capacidade de fornecer a corrente necessária para que o motor entregue o máximo de torque;
  • Resistência: Determina a tensão de operação através da corrente fornecida, utilizando a lei de ohm (1). Em impressão 3D usualmente se utilizam tensões várias vezes superiores a tensão de operação do motor, pois os controladores utilizam corte de corrente para controlar os passos, em vez de tensão constante.
(1)
\begin{equation} V = I*R \end{equation}

Onde:

V = Tensão de operação

I = Corrente da bobina

R = Resistência

  • Indutância: Motores de passo possuem elevado torque em baixas velocidades, porém torque menor em altas velocidades, o que significa que para este tipo de motor é mais difícil carregar uma carga em alta velocidade. Motores com altos valores de indutância tem como característica um maior torque em baixas velocidades, sendo ideal para transporte de cargas de peso elevado em baixas velocidade, enquanto motores com baixos valores de indutância conseguem ter maior torque em altas velocidades, conseguindo carregar pequenas cargas a uma alta velocidade. Para utilização em impressoras 3D normalmente se utilizam motores com indutância abaixo de 15mH.


2.3.2 Mecanismos de Transmissão

   Esta sessão demonstrará os mecanismos que mais usualmente são utilizados para transmitir o movimento gerado pelo motor para as partes que devem ser movidas.
   O estudo desses mecanismos é importante porque interferem diretamente na resolução, precisão e folgas estáticas e dinâmicas do sistema.

   2.3.2.1 Conjunto Polias e Correias Sincronizadoras

         Segundo BUDYNAS e NISBETT (2011), correias sincronizadoras são um elemento fabricado em tecido emborrachado revestido de Nylon com dentes que se encaixam nas polias para permitir que o movimento de rotação da polia seja estendido a todo o perímetro da correia, tendo alta eficiência (97% a 99%), não precisando de lubrificação e sendo mais silenciosas que outras opções como correntes, desta forma sendo ótimas opções para transmissão de precisão.

         O conjunto de polias e correias sincronizadoras é o mecanismo de transmissão mais utilizado em impressoras 3D pois polias são componentes flexíveis, permitindo que sejam utilizadas cinemáticas onde a distância axial é variável, por possuir baixas folgas, além de ser facilmente encontrada com facilidade para comercialização, tendo um custo relativamente baixo.

         Vários padrões industriais foram historicamente utilizados em modelos de impressoras 3D, como GT2, MXL, T2.5, T5 e XL. Contudo o uso de correias padrão GT2-2M passou a ser adotado por um grande número de fabricantes pois são correias sincronizadoras de movimento linear, que possuem uma folga menor que correias trapezoidais, e como possuem passo curto e dente de padrão curvilíneo permitem a utilização em polias de baixo diâmetro, o que contribui para o aumento da precisão máxima da máquina. A figura 6 demonstra a diferença entre correias e polias de padrão trapezoidal e padrão curvilíneo, onde é possivel identificar que devido ao encaixe mais justo é possível obter menores folgas. O Handbook da SPD/SI também afirma que devido a profundidade dos sulcos serem proporcionalmente maiores, correias com este padrão também tem menor tendência de pular de posição, além de distribuir melhor as forças por ter uma área de contato maior, o que significa que com uma mesma largura a correia curvilínea é capaz de carregar cargas maiores, ou trabalhar com carga reduzida aliviando a tensão nos rolamentos.

Fig. 6 - Geometria de Correias Sincronizadoras e Polias

pulley%20belt%20geometry.png

Fonte: Adaptado de SPD/SI

         Segundo a Norma ISO 13050:2014 as características mais importantes de uma correia sincronizadora são:

  • Dimensões nominais dos dentes;
  • Espaçamento de passo entre os dentes;
  • Dimensões e tolerâncias de Largura e comprimento;
  • Especificações de medida de comprimento;
  • Dimensões e tolerâncias do sulco da polia;
  • Dimensões e tolerâncias de diâmetro e comprimento da polia;
  • Especificação de qualidade da polia.

         O Manual de Design de Transmissão Gates PowerGrip® GT®2 ainda informa a importância de definir o material da alma da correia, sendo este um reforço que permite que a correia consiga suportar cargas maiores sem sofrer deformação elástica. Contudo dependendo do material da alma (aço, kevlar ou fibra de vidro) também há uma redução no diâmetro mínimo da polia, para não causar o rompimento prematuro da alma. Desta forma é importante balancear entre a capacidade de carga e o material da alma (ou ausência deste) para definir o tipo de correia a ser usada, pois o aumento do diâmetro da polia reduz a precisão máxima da máquina. A figura 7 mostra a construção da correia, onde é possivel visualizar a alma servindo de reforço para cargas no sentido de tração da correia.

Fig. 7 - Construção da Correia

belt%20construction.png

Fonte: Adaptado de Gates PowerGrip® GT®2 Drive Design Manual (2000)


   2.3.2.2 Fusos



         BUDYNAS e NISBETT (2011) definem que fusos são categorizados como parafusos helicoidais de potência, por serem capazes de transmitir potências grandes com precisão, permitindo que sejam usados para transformar movimentos angulares em movimentos lineares. Os fusos mais utilizados em Impressão 3D são fusos de trapezoidais e fusos de esferas recirculantes.

         Fusos trapezoidais são formados por um eixo com roscas em formato trapezoidal. Tem como vantagem o baixo custo (quando comparados com fusos de esfera), não precisam de lubrificação ao utilizar castanhas de bronze e são mais silenciosos. Contudo são menos eficientes que fusos de esferas, esquentando mais e precisando de substituição mais frequentemente quando submetidos a grandes cargas. A figura 8 mostra uma visão em corte de um fuso trapezoidal, onde é possível ver como a castanha se fixa ao fuso.

Fig. 8 - Visão em corte de um Fuso Trapezoidal

fuso%20trapezoidal.png

Fonte: Adaptado de THOMSON LINEAR MOTION (2017)


         Fusos de esferas recirculantes são formados por um eixo com roscas em formato circular, formadas por usinagem ou rolagem. Tem como vantagem a alta eficiência, necessitando de menos torque para gerar o movimento linear, menor fricção, trabalho mais frio e menor desgaste. Contudo fazem mais ruído devido a recirculação das esferas e necessitam sempre de lubrificação. A figura 9 mostra uma visão em corte de um fuso de esferas recirculantes, sendo possível notar como a interface entre o fuso e a castanha se dá por uma constante circulação das esferas.

Fig. 9 - Visão em corte de um Fuso de Esferas Recirculantes

fuso%20esferas.png

Fonte: Adaptado de THOMSON LINEAR MOTION (2017)


2.3.3 Componentes de Deslocamento

   2.3.3.1 Eixos Lineares

         Os eixos lineares são as guias de deslocamento mais comuns em Impressoras 3D, pois são facilmente encontrados no mercado e podem ser fabricados com uma boa precisão.
         Eles servem para permitir o deslocamento de buchas e rolamentos em apenas dois graus de liberdade, translação no sentido do eixo e rotação sobre o eixo. Quando usado em pares paralelos, restringem o movimento de rotação e permitem apenas a translação no sentido do eixo, o que é desejado para várias aplicações de controle linear de posição. A figura 10 demonstra o uso de eixos paralelos para deslocamento linear em uma impressora 3D.

Fig. 10 - Eixos Lineares do eixo X

eixo%20linear.png

Fonte: Adaptado de PRUSA RESEARCH S.R.O (2015)

   2.3.3.2 Guias Lineares

   2.3.3.3 Trilhos

   2.3.3.4 Mancais, Buchas e Rolamentos


2.3.4 Componentes de Aquecimento

   2.3.4.1 Hotend

   2.3.4.2 Mesa Aquecida

   2.3.4.3 Câmara Aquecida


2.3.5 Componentes Estruturais

   2.3.5.1 Barras Roscadas

   2.3.5.2 Madeiras e MDF

   2.3.5.3 Perfis de Alumínio Extrudado

   2.3.5.4 Chapas Metálicas


2.3.6 Eletrônica Embarcada

   2.3.6.1 Controlador

   2.3.6.2 Eletrônica Auxiliar

   2.3.6.3 Drivers e Pontes H

   2.3.6.4 Fontes Chaveadas

   2.3.6.5 TRIAC


2.4 Conceitos de Cinemática

[cinemática e inversa / velocidade máxima teórica / Precisão / vibrações/alinhamento]

2.5 Modelos Cinemáticos de Impressoras 3D FFF

[Cartesianas / Delta / Polar / SCARA / Variadas]

2.6 Controle de Impressoras 3D

[fatiador / gcode / suportes/pontes/overhangs/perímetros/raft/infill/ firmware]

2.7 Fontes de modelos para impressão

[Modelagem por Escultura e Orgânica / CAD / Sites de Compartilhamento]

2.8 Materiais utilizados para impressão 3D

termoplásticos principais [ABS / PLA / PETG / Nylon / ASA / PVA / PC / HIPS / POM / adicionados FC, metais e Madeira / TPU /]

2.9 Hidráulica

[perda de carga]

Topo

Salvo indicação em contrário, o conteúdo desta página é licenciado sob Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 License