Desenvolvimento e projeto de impressora DMF para impressão multicolor

Abstract

O trabalho aqui reportado visa a conceção, projeto, desenvolvimento e realização de uma impressora 3D, com recurso à tecnologia de Deposição de Material Fundido (DMF), capaz de imprimir peças multicolores a partir de um número limitado de cores base, sendo esta a principal diferenciação relativamente às impressoras deste tipo comercialmente disponíveis. O processo de desenvolvimento passou por uma análise competitiva deste tipo de impressoras, onde foram identificados os principais requisitos dos clientes, assim como as principais especificações técnicas associadas a integração das novas funcionalidades. No passo seguinte procedeu-se ao projeto detalhado ao nível térmico e de automação da cabeça de extrusão e estrutura da impressora. Por forma a avaliar a robustez do projeto desenvolvido, utilizaram-se ferramentas de simulação numérica com recursos ao método dos elementos finitos para uma avaliação do desempenho estrutural e térmico da impressora. Estes resultados computacionais foram, posteriormente, comparados e validados com os resultados obtidos experimentalmente para as duas fases de condicionamento térmico da cabeça de extrusão. Para esta parte experimental foi ainda fabricada uma cabeça de extrusão protótipo. Foram igualmente realizados testes do ponto de vista do sistema de controlo e automação da cabeça de extrusão, que visaram assegurar o correto funcionamento do sistema de controlo de temperatura e motorização dos filamentos de PLA das cores base. Posteriormente procedeu-se à realização dos desenhos técnicos de conjunto e definição dos elementos principais da cabeça de extrusão e estrutura da impressora. Finalmente, e por forma a avaliar na prática todo o trabalho desenvolvido, foi realizado um teste de impressão, com a cabeça de extrusão protótipo, de uma peça multicolor recorrendo a um centro de maquinagem CNC convencional. Os resultados obtidos neste teste de impressão evidenciaram que o projeto desenvolvido é capaz de proporcionar a impressão de uma peça multicolor a partir das cores base. No entanto, algumas limitações associadas à mistura da cor e sua homogeneidade na peça impressa revelam a necessidades de trabalhos futuros. Deve mencionar-se que o objetivo inicialmente preconizado foi alcançado, reportando-se aqui o desenvolvimento levado a efeito desde a fase de conceção à de realização do dispositivo e ensaio funcional deste.

The project reported here aims at the design, development and conception of a 3D printer, using the Fused Material Deposition (FDM) technology. The printer should be capable of printing multicolour parts from a limited number of base colours, a feature capable of rendering to this printer the novelty which distinguishes it from commercial available ones. The development process started with a competitive analysis of this type of printers, in which the main customer requirements were identified, as well as the main technical specifications associated with this type of equipment with the integration of new features. The next step consisted on a detailed thermal design and automation of the extrusion head as well as the development of the printer frame. In order to assess the structural and thermal integrity of the developed project, numerical simulation tools where used and validated through dedicated testing. Moreover, tests to ensure the correct functioning of the temperature control system, as well as the motors of the PLA filament base colours were carried out. At a later stage technical drawings of the main elements of the extrusion head and printer frame were produced. Finally, and in order to test all the carried out work, a multicolour test piece was printed by the extrusion head prototype by using a conventional CNC machining centre. The results of this test demonstrated that the developed project is capable of printing a multicolour piece from base colours, however some limitations associated with the colour mixing and homogeneity in the printed piece, revealed the need for future work to improve these features. It should also be mentioned that the originally established goal was achieved and a totally function prototype was produced.