Modelagem e controle de temperatura da fase de preaquecimento de sistemas de sinterização seletiva a laser

Abstract

A sinterização seletiva a laser (SSL) é uma técnica de prototipagem rápida que utiliza um raio laser de alta potência para sinterizar materiais em pó. É uma tecnologia ascendente no contexto industrial, muito por conta da possibilidade da criação de peças com geometrias complexas em um único estágio de fabricação, além de evitar o desperdício excessivo de material. Contudo, é uma tecnologia complexa que envolve diferentes fenômenos físicos, o que dificulta a otimização e o controle de suas variáveis, e, consequentemente, a qualidade das propriedades mecânicas do objeto manufaturado. Neste sentido, esta dissertação tem como objetivo o desenvolvimento de um sistema de controle de temperatura de pré aquecimento para uma impressora 3D baseada na tecnologia SSL. O sistema de controle deve manter a temperatura do material em pó em um valor próximo à temperatura de sinterização, evitando assim, defeitos e irregularidades causados pelo choque térmico. Para tanto, foi desenvolvido um modelo fenomenológico que representa as principais características do processo, além de um controlador LQR (do inglês Linear Quadratic Regulator), projetado a partir deste modelo. Os resultados foram validados experimentalmente em um protótipo e comparados com um controlador PI clássico. Os resultados mostraram que a lei de controle obtida com o controlador PI mantém a temperatura do material em pó mais próxima do valor de referência, se comparado com os resultados obtidos com o controlador LQR.

Abstract: Selective Laser Sintering (SLS) is a rapid prototyping technique that uses a high power laser beam to sinterize powder materials. It is an upward technology in the industrial context, mainly because of the possibility of creating parts with complex geometries in a single manufacturing stage, as well as avoiding excessive material waste. However, it is a complex technology that involves different physical phenomena, which makes it difficult to optimize and control its variables and, consequently, the mechanical properties quality of the manufactured object. In this sense, this dissertation aims to develop a preheat temperature control system for a 3D printer based on SLS technology. The control system must keep the temperature of the powder material close to the sintering temperature, thus avoiding defects and irregularities caused by thermal shock. To this end, we developed a phenomenological model that represents the main characteristics of the process and designed a linear quadratic regulator (LQR) controller from the obtained model. The results were experimentally validated on a prototype and compared with a classical PI controller. The results showed that the control law obtained with the PI controller keeps the temperature of the powder material closer to the reference value compared to the results obtained with the LQR controller.