Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2015 / Made available in DSpace on 2015-12-29T03:03:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 336506.pdf: 2765423 bytes, checksum: fbef761564cfd9cef66f13833b50d1af (MD5) Previous issue date: 2015 / A automação é uma das ferramentas utilizadas na adequação de uma estrutura produtiva para possibilitar melhorias e avanços tecnológico que torna-se cada vez mais importante. Neste trabalho são abordados os aspectos da automação existentes entre um sistema de Comando Numérico Computadorizado (CNC) baseado em Computador Pessoal (PC Â Personal Computer) e o processo de fabricação por impressão 3D. O aprimoramento de um posicionador é focado principalmente na integração entre os componentes mecânicos, eletroeletrônicos e computacionais com objetivo de garantir a flexibilidade de uso do sistema. Para conferir versatilidade ao CNC foi desenvolvido um Dispositivo Microcontrolado Auxiliar (DMA) para o sensoriamento e controle do processo. Baseado em projetos do tipo open source, o DMA é uma ferramenta com capacidade de ser modificada e adequada a diferentes utilizações em um ambiente de pesquisa. Para validar as soluções propostas para o posicionador optou-se pela aplicação do processo denominado Modelagem por Fusão e Deposição (FDM Â Fused Deposition Modeling), comumente associada ao termo impressão 3D. Neste processo um material termoplástico aquecido é extrudado através de um orifício e depositado camada a camada, permitindo a construção de modelos geométricos complexos. São apresentadas também soluções de automação para o processo de impressão 3D, que visam o baixo custo e fácil disponibilidade, bem como a possibilidade de integração com software e hardware existentes. Os resultados obtidos mostram que a programação orientada ao uso do DMA o torna uma ferramenta essencial para flexibilidade do equipamento CNC. Por meio dele é possível implementar funções como a leitura de sensores, processamento de informações e ações de controle sobre variáveis de processo. Os testes realizados com o equipamento mostram que as soluções apresentadas são capazes de executar o processo de impressão 3D. Dentro das limitações inerentes do processo é possível fabricar peças com geometrias variadas e com diferentes materiais. Conclui-se que o sistema proposto permite a automação de um processo produtivo como a impressão 3D e que as características finais obtidas são favoráveis ao uso em outros processos.<br> / Abstract : Automation is one of the tools used in the production suitability of a structure to enable technological advancements and improvements becomes increasingly important. This work discussed aspects of existing automation between a Computer Numerical Control (CNC) based on Personal Computer (PC) and the manufacturing process for 3D printing. The improvement of a positioner is primarily focused on the integration between the mechanical components, electronics and computer in order to ensure the flexibility of system use. To give versatility to the CNC we developed an Auxiliary Microcontrolled Device (DMA) for the sensing and control of the process. Based on the open source type projects, the DMA is a tool capable of being modified and suitable for different uses in a research environment. To validate the proposed solutions to the positioner was decided to process the application called Modeling Fused Deposition (FDM), commonly associated with the term 3D printing. In this process a heated thermoplastic material is extruded through a nozzle and deposited layer by layer, allowing the construction of complex geometric models. Also presented are automation solutions for the 3D printing process, aimed at low cost and easy availability as well as the possibility of integration with existing software and hardware. The results show that the programming oriented to the use of DMA makes it an essential tool for CNC machine's flexibility. Through it is possible to implement functions such as reading sensors, information processing and control actions on process variables. Tests conducted with the equipment show that the solutions are able to run the 3D printing process. Within the inherent limitations of the process it is possible to manufacture parts with different geometries and with different materials. It is concluded that the proposed system enables automation of a production process as 3D printing and that the final characteristics obtained are favorable for use in other processes.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2016. / Made available in DSpace on 2017-06-27T04:02:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 345563.pdf: 3131739 bytes, checksum: 6e347fdbdb145d0552cbc07501d0b18d (MD5) Previous issue date: 2016 / Esta dissertação explora a utilização de uma técnica de manufatura aditiva definida como impressão tridimensional (3DP) para a fabricação de peças porosas de fosfato tricálcico (ß-TCP) e com diferentes concentrações de sílica (SiO2) provenientes de um polímero pré-cerâmico (polimetilsilsesquioxano - MK), através do jateamento deste pelo cabeçote de impressão, visando a aplicação futura em áreas como a regeneração de tecidos ósseos. Para tal foi necessário sintetizar o ß-TCP, utilizado na forma de pó, a partir dos reagentes carbonato de cálcio (CaCO3) e monetita (CaHPO4) utilizando uma rota de síntese no estado sólido. Para a fabricação, o pó de ß-TCP necessitou ser misturado a um pó de polimetilmetacrilato (PMMA) que atuou como ligante no processo de impressão, melhorou a escoabilidade e é, posteriormente, agente formador de poros. Durante a fabricação o polímero pré-cerâmico foi depositado sobre as camadas de pó através do processo de jateamento, onde a quantidade deste polímero pode ser aumentada com diversas repetições deste processo. Foi necessário desenvolver uma solução deste polímero dissolvido em um solvente orgânico, uma mistura de 1-hexanol (CH3(CH2)5OH) e acetato de hexila (C8H16O2), com características reológicas compatíveis com o processo. Os resultados de viscosidade mostraram que é possível utilizar uma solução contendo 30 % em peso de MK para o jateamento direto no processo de 3DP através do cabeçote de impressão, produzindo peças com adequada estabilidade a verde. Após a fabricação, as amostras foram submetidas a tratamento térmico para eliminação da parte polimérica e transformação do polímero pré-cerâmico em SiO2. Técnicas de caracterização como DRX e FTIR foram utilizadas para verificar se houve interação química entre os materiais após tratamento térmico. Já a análise de MEV mostrou que a sílica proveniente do polímero pré-cerâmico se encontra na superfície das partículas de ß-TCP. As propriedades físicas também foram analisadas e mostraram uma baixa resistência mecânica (0,66 MPa ± 0,15) e elevada porosidade (68% ±3).<br> / Abstract : This dissertation explores the use of an additive manufacturing technique defined as three-dimensional printing (3DP) for the manufacture of porous parts of tricalcium phosphate (ß-TCP) and different concentrations of silica (SiO2) from a polymer derived ceramic (polymethylsilsesquioxane - MK), by jetting this polymer through the printhead, aiming for future application in areas such as the regeneration of bone tissues. It was necessary to synthesize ß-TCP, used in powder form, from the calcium carbonate (CaCO3) and monetite (CaHPO4) reagents using a solid-state synthesis route. For manufacturing, the ß-TCP powder needed to be mixed with a polymethylmethacrylate (PMMA) powder which acted as a binder in the printing process, improved the flowability and is thereafter a pore forming agent. During manufacture the pre-ceramic polymer was deposited on the powder layers through the jettinh process where the amount of this polymer can be increased with several repetitions of this process. It was necessary to develop a solution of this polymer dissolved in an organic solvent, a mixture of 1-hexanol (CH3 (CH2) 5 OH) and hexyl acetate (C8H16O2), with rheological characteristics compatible with the process. The viscosity results showed that it is possible to use a solution containing 30% by weight of MK for direct jetting in the 3DP process through the printhead, producing parts with adequate green stability. After the fabrication, the samples were submitted to thermal treatment to eliminate the polymer part and to transform the pre-ceramic polymer into SiO2. Characterization techniques such as XRD and FTIR were used to verify if there was a chemical interaction between the materials after thermal treatment. The SEM analysis showed that the silica from the pre-ceramic polymer is on the surface of the ß-TCP particles. The physical properties were also analysed and showed low mechanical strength (0.66 MPa ± 0.15) and high porosity (68% ± 3).

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2016. / Made available in DSpace on 2017-06-27T04:11:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 347846.pdf: 19200174 bytes, checksum: 189c2de9284355e57ed9e87ac62514a0 (MD5) Previous issue date: 2016 / A sinterização seletiva a laser (SLS) é considerada uma das mais versáteis tecnologias de manufatura aditiva devido a sua habilidade para processar muitos tipos de materiais. Dentre os materiais poliméricos a Poliamida 12 é a mais utilizada. Resultados de pesquisas publicadas na literatura especializada evidenciam que as propriedades finais das peças obtidas por esta técnica dependem de uma composição de variáveis (parâmetros), ajustadas no equipamento, que influenciam o processo de sinterização. Igualmente, as características geométricas e propriedades da PA12 empregada também são apontadas como condições capazes de influenciar na dinâmica de sinterização. Contudo, o conhecimento até aqui obtido a respeito do processo de fabricação com este material baseia-se fundamentalmente em estudos realizados com matérias-primas desenvolvidas especificamente para uso em um dado equipamento comercial. Com a recente expiração dos prazos de proteção de patentes deste tipo de tecnologia, novos fabricantes de equipamentos e de PA12 para SLS tem surgido no mercado, abrindo oportunidade de novas pesquisas e aprimoramento da tecnologia. Este trabalho investigou a influência da densidade de energia, para diferentes potências aplicadas por um laser de CO2 e diferentes velocidades de varredura, na qualidade (propriedades mecânicas e microestrutura) de corpos de prova fabricados em um equipamento SLS nacional. Foram empregadas PA12 de três diferentes fornecedores. Os resultados foram avaliados em termos de: módulo de elasticidade, tensão máxima, deformação total, densidade aparente e microestrutura. Os resultados mostraram que se mantendo constante a densidade de energia aplicada, aumentando-se simultaneamente os valores de velocidade de varredura e de potência do laser, as propriedades mecânicas apresentaram diferenças em relação à mudança nos valores de módulo de elasticidade, na tensão máxima, na deformação e na densidade aparente. A diferença morfológica das PA12 escolhidas se mostrou como o fator mais influente para as propriedades mecânicas neste estudo.<br> / Abstract : Selective laser sintering (SLS) is considered one of the most versatile additive manufacturing technologies due its ability to process many types of materials. Among the polymeric materials, Polyamide 12 is the most commonly used. Research results published in the literature show that the final properties of the parts obtained by this technique depends on a composition of variables (parameters) set in the equipment, which influence the sintering process. Also, the geometric characteristics and properties of PA12 employed are also identified as conditions that can influence the sintering dynamics. However, the knowledge obtained so far about the manufacturing process with this material is based fundamentally in raw materials dedicated to manufacture in a specific commercial equipment. With the recent patent protection expiration for this type of technology, new equipment manufacturers as well as PA12 material suppliers emerged in the market, opening new opportunities to research and technology improvement. This study investigated the energy density influence of different powers applied by a CO2 laser and different scanning speeds, in quality (mechanical properties and microstructure) of specimens manufactured in a national SLS equipment. PA12 from three different suppliers were employed. The results were evaluated in terms of: tensile modulus, maximum stress, total strain, apparent density and microstructure. The results showed that maintaining the applied energy density, increasing simultaneously the scan speed and laser power values, mechanical properties showed differences in terms of tensile modulus, maximum stress, total strain and apparent density. The morphological differences between the PA12 employed was shown to be the most influential factor for the mechanical properties in this study.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2015 / Made available in DSpace on 2016-04-19T04:20:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 336485.pdf: 3810278 bytes, checksum: 46f3a10a1b5813edb5168cbf536d3c2a (MD5) Previous issue date: 2015 / A recente expansão na manufatura aditiva ou tecnologia de impressão 3D de baixo custo é decorrente, em partes, da expiração das patentes iniciais baseadas na tecnologia FDM e do crescimento dos chamados movimentos open source, disseminados através da internet. Diferentemente dos modelos comerciais, os modelos de baixo custo permitem maior flexibilidade e adaptações para pesquisas, já que, muitas vezes, permitem acesso aos protocolos de controle e funcionamento da tecnologia utilizada. Estas impressoras 3D, como são conhecidas, estão ganhando popularidade principalmente para uso em prototipagem rápida ou manufatura em pequena escala. Apesar disto, pouco se sabe sobre a qualidade das peças fabricadas por nestes equipamentos, e as limitações de seu desempenho. O objetivo deste trabalho foi avaliar uma impressora 3D de código aberto a partir da construção de peças em Poli Ácido Lático (PLA). A pesquisa foi dividida em três etapas. Inicialmente foram realizados estudos para caracterização dos filamentos de PLA por meio de calorimetria diferencial de varredura (DSC), análise termogravimétrica (TGA), espectroscopia por infravermelho (FTIR) e medição da densidade. Em seguida, foram conduzidos dois estudos de caso para avaliar a máquina na fabricação de peças com variação de parâmetros de processo e de materiais. As peças produzidas foram avaliadas através de microscopia óptica, medição da massa e ensaio mecânico de flexão. A terceira etapa da pesquisa caracterizou-se pela avaliação da confiabilidade do cabeçote extrusor do equipamento, através de um estudo de extrusão livre, onde foi monitorada a alimentação de filamento ao sistema. Verificou-se que o equipamento não possui repetibilidade na construção de peças fabricadas com os mesmos parâmetros de processo, o que fez com que as variáveis analisadas não fossem significativas sobre as respostas. Por fim, o estudo do módulo extrusor indicou como uma das principais causas para as variações na qualidade das peças o comportamento heterogêneo do cabeçote extrusor na função de fornecimento de material para a deposição. A ação foi influenciada por efeitos como o escorregamento do filamento sobre a polia ranhurada do módulo de tracionamento do sistema de deposição e por efeitos de perda de comando de acionamento proporcionais ao aumento da velocidade de extrusão. <br> / Abstract : Additive manufacturing, or 3D printing, is currently expanding due to the patent´s expiration of many FDM technologies and to the growth of open source communities widespread on Internet. Unlike commercial models, low cost ones allow more flexibility and adaptations for research, as, many times, allow access to the control protocols. These printers are becoming popular specially for rapid prototyping or small scale manufacturing use. Nevertheless, very little is known about the quality of the parts built with these equipments and about its performance limitations. This research goal was to evaluate an open source 3D printer by its capacity of building Poly-Lactic Acid (PLA) parts. The research was divided in three stages. First were made studies to characterize the PLA filaments using Differential Scanning Calorimetry (DSC), Thermogravimetric Analysis (TGA), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) and density measurement. Next, two case studies were conducted to analyze the machine capability of building samples made with different building parameters and materials. The parts produced were evaluated using optical microscopy, mass measurement and bending test. The third stage consisted on the reliability evaluation of the extruder head through a free extrusion study, where the system´s feed stock was monitored. It was observed that the equipment does not have repeatability when building samples with the same parameters, which made the variables analyzed unsignificant for the answers. Finally, the extrusion module study showed that the extrusion head heterogeneous behavior while supplying material for deposition was one of the main causes for part´s quality variation. This action was influenced by thes filament´s slippage over the hobbed pulley of the traction module and effects caused by the lost of the driving command, proportional to the extrusion speed increasing.