Seis variáveis ​​de controle de processo que são vitais para o sucesso da manufatura aditiva

Os processos de manufatura aditiva operam em escalas muito mais complexas e intrincadas do que os operadores de máquinas humanas são capazes de controlar sem assistência. Métodos baseados em camadas, como modelagem de deposição fundida (FDM), podem ser configurados de acordo com uma ampla gama de variáveis, incluindo escala de pixel e ângulo de impressão, que são difíceis, se não impossíveis, de validar manualmente. Por esse motivo, os fabricantes precisam de métodos comprovados para garantir que os processos de produção aditiva sejam precisos, exatos, econômicos e seguros, tanto dentro como entre os trabalhos de impressão.

De um modo geral, esses métodos - conhecidos como controles de processo - são sistemas industriais que permitem que os engenheiros gerenciem processos complexos para que produzam resultados consistentes. Por exemplo, os controles do processo de manufatura aditiva podem ajudar a otimizar vários parâmetros de produção críticos para garantir que as peças atinjam padrões semelhantes de precisão geométrica, características de desempenho, propriedades mecânicas, tolerância dimensional e qualidades.

A maioria das impressoras 3D industriais - incluindo a maioria das máquinas de fusão em leito de pó a laser (LBPF) - agora incluem sistemas de monitoramento de circuito fechado, que usam câmeras, sensores térmicos e de posição para coletar dados sobre a saída da impressora e detectar desvios em tempo real .

Também conhecidos como sistemas de feedback, esses controles de processo in situ fazem ajustes com base na saída para atingir as condições ou propriedades desejadas, refinando assim a consistência e a qualidade da produção da peça. Embora menos comuns, algumas impressoras 3D apresentam ferramentas de simulação “feed-forward” que inserem feedback diretamente no sistema de circuito fechado do dispositivo, o que permite o controle do processo em tempo real e impressões mais consistentes.

Variáveis ​​críticas de controle de processo aditivo

A precisão e a qualidade das peças impressas em 3D são influenciadas por dezenas de variáveis ​​que devem ser rigorosamente controladas para obter resultados consistentes. Em geral, essas variáveis ​​se alinham com uma das seis categorias.

1. Ambiente

Controlar as condições físicas do espaço onde as peças são criadas é fundamental para garantir impressões consistentes. Fatores como umidade, qualidade do ar e temperatura podem afetar significativamente a forma como o material é extrudado e se liga entre as camadas. Saber como cada um desses fatores afeta a qualidade de impressão é fundamental.

2. Máquina

A tecnologia utilizada durante a produção introduz uma série de variáveis ​​que devem ser consideradas.

A qualidade de uma máquina pode aliviar alguns desses fatores. Por exemplo, a tolerância que você pode alcançar será tão boa quanto a peça menos precisa da máquina; não importa quão cara seja uma extrusora se os controladores e motores que a acionam forem imprecisos. Fatores adicionais, como a força de extrusão e a temperatura da impressora e da plataforma, têm efeitos diretos na força de adesão do material e na estabilidade da interface.

3. Materiais

Embora as diferentes características do material afetem o desempenho e a função da peça final, essas qualidades também devem ser levadas em consideração no processo de produção. Se os materiais têm requisitos específicos de armazenamento ou manuseio, ou precisam ser preparados de uma maneira específica antes da impressão, os controles de processo devem ser estabelecidos para cada variável para garantir que um trabalho possa ser repetido com resultados semelhantes.

4. Geometria e orientação da peça

Além de otimizar o design da peça para fabricação, os engenheiros devem definir como a peça será produzida dentro da câmara de construção das impressoras. Fatores como a orientação da peça em relação à placa de construção, o design do material de suporte e o alinhamento de recursos críticos ao plano de impressão mais preciso da máquina contribuem para a eficiência e a qualidade da produção.

5. Pós-processamento

Após a conclusão da impressão, as peças podem precisar passar por processos adicionais antes da pós-produção por vários motivos. Caso tenha sido utilizado material de apoio, será necessário removê-lo. Certos recursos podem precisar ser perfurados para aumentar a precisão do produto final. As etapas secundárias também podem ser sensíveis ao tempo. Em todos os casos, esses processos devem ser padronizados.

6. Garantia de qualidade

A otimização do pós-processamento ajuda a garantir a precisão da peça e a alcançar as qualidades estéticas desejadas. Parâmetros semelhantes devem ser estabelecidos para como os suportes são removidos, como as superfícies são acabadas e como qualquer detalhe cosmético, como estampagem a quente ou chapeamento, é aplicado. Finalmente, os métodos usados ​​para medir, validar e qualificar peças – uma prática conhecida como metrologia – devem ser consistentes.

Otimização dos processos de produção aditiva para variáveis ​​críticas

Depois de identificar as variáveis ​​envolvidas em um determinado trabalho de produção, o próximo passo para as equipes de produto é projetar um processo que permita o gerenciamento eficaz de variáveis. A calibração do processo exigirá tentativa e erro, mas uma vantagem significativa dos processos de manufatura aditiva é que eles são iterativos, permitindo atualizações rápidas de projetos digitais sem a necessidade de mudanças de ferramentas caras e demoradas.

A otimização dos processos de produção aditiva para exatidão e precisão geralmente deve envolver as seguintes etapas:

1. Colete extensos conjuntos de dados com base nas variáveis ​​de controle do processo
2. Execute análises estatísticas e de correlação dos conjuntos de dados para estabelecer a dependência entre variáveis ​​e entradas
3. Com base em dependências variáveis, realize projetos direcionados de experimentos (DOEs) para esclarecer as principais causas de inconsistências ou desvios
4. Alterar o processo de produção para obter maior exatidão e precisão

Este ciclo deve ser repetido até que o processo produza de forma confiável peças de alta qualidade com as características desejadas e tolerâncias dimensionais. No entanto, os testes devem ser realizados continuamente para garantir que o processo seja consistente e eficaz.

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Os controles de processo são essenciais para garantir que os métodos de produção permaneçam eficientes e consistentes, e os desenvolvimentos nas tecnologias de controle de processo de manufatura aditiva têm sido rápidos e significativos. A maior incorporação de sensores IoT e algoritmos de aprendizado de máquina em sistemas de impressoras 3D está permitindo que as equipes de produtos criem peças com maior precisão e velocidade. Além disso, novas tecnologias inovadoras, como análise de simulação, projeto experimental e industrialização de sistemas de controle, têm o potencial de otimizar e refinar o setor de manufatura aditiva.

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