Integração eletroeletrônica em impressora 3D com cinemática delta invertida

Abstract

O processo de Manufatura Aditiva tendo como matéria prima polímeros de engenharia, como o Politereftalato de etileno (PET), polieterimida (PEI) ou o poli- éter-éter-cetona (PEEK), requer temperatura de extrusão maior do que as impressoras 3D de baixo custo pode alcançar. Fator também determinante à Manufatura Aditiva dos materiais citados é o controle de temperatura da câmara de impressão, pois o alto coeficiente de expansão térmica dificulta a aderência do material na superfície a ser depositada e entre as camadas sobrepostas. Pesquisas acerca das características de polímeros de engenharia após processamento por impressão 3D requerem impressoras de alto custo, fator que dificulta o aprofundamento de grupos de pesquisa na área. O presente estudo objetivou integrar componentes eletroeletrônicos necessários à manufatura aditiva de polímeros de engenharia em uma máquina, a fim de disponibilizar uma solução de baixo custo para pesquisa de tais materiais. Tendo como referência um projeto de código aberto de uma impressora 3D delta invertida, a máquina utilizada apresentava enclausuramento da área de impressão e mesma configuração cinemática, o que manteve o calor do ambiente concentrado ao redor da peça. Além de um microcontrolador, utilizou-se um extrusor de alta potência, um termopar tipo K acoplado a uma placa conversora e duas placas periféricas de transistores para fornecer potência aos aquecedores. Optou-se também pela utilização de programas gratuitos para o gerenciamento da máquina e para o controle de impressão. O controle da temperatura da câmara foi realizado por um termostato integrado a um relé para acionamento do componente aquecedor. Nos testes de funcionamento dos aquecedores, constatou-se que o extrusor alcançou temperaturas acima de 300ºC, possibilitando a extrusão de alguns polímeros de engenharia. Já a mesa alcançou 100ºC e a câmara 55ºC, ainda insuficientes apesar da efetividade do controle de ambas. Peças impressas em PLA e ABS apresentaram boa qualidade visual e fidelidade ao modelo 3D, e cálculos estatísticos realizados constataram que em 95% dos casos o erro aleatório dimensional estará dentro da faixa de ± 0,27 mm.

The Additive Manufacturing process using engineering polymers as raw material, such as polyethylene terephthalate (PET), polyetherimide (PEI) or polyether ether ketone (PEEK), requires a higher extrusion temperature than low costs 3D printers can achieve. In addition, a determining factor in the Additive Manufacturing of these materials is the temperature control of the printing chamber, since the thermal expansion high coefficient makes it difficult for the material to adhere to the deposited surface and between the overlapping layers. Research on the characteristics of engineering polymers after 3D printing processing requires high- cost printers, a factor that makes it difficult to groups deepen research in the area. The present study aimed to integrate in a machine the necessary electronic components for the additive manufacture of engineering polymers, in order to provide a low cost solution for researching such materials. Taking as a reference an open source project of an inverted 3D delta printer, the used machine presented enclosure of the printing area and the same kinematic configuration, which kept the heat of the environment concentrated around the piece. In addition to a microcontroller, were used a high-power extruder, a K-type thermocouple with a converter and two transistor peripheral plates to power supply the heaters. It was also opted for the use of free software for the management of the machine and for the printing control. A thermostat integrated with a relay to activate the heating component carried out the temperature control of the chamber. In heaters tests, it was found that the extruder reached temperatures above 300ºC, allowing the extrusion of some engineering polymers. The printing table reached 100ºC and the chamber 55ºC, still insufficient despite the effectiveness of the control of both. Parts printed in PLA and ABS showed good visual quality and fidelity to the 3D model, and statistical calculations performed found that in 95% of the cases the dimensional random error would be within the range of ± 0.27 mm.