MANUFACTURING FIVE AXIS CNC HOT WIRE STYROFOAM CUTTING MACHINE

Year 2024, , 20 - 31, 30.04.2024

Onur Ceylan , Ahmet Kabul

https://doi.org/10.46519/ij3dptdi.1374711

Abstract

In this study, the design and prototype production of a five axis Computer Numerical Control (CNC) hot wire styrofoam cutting machine has been investigated. The styrofoam cutting machines which are available in the market has been investigated firstly. Then the proposed machine has been designed to overcome of the shortcomings of the existence machines. The easiest cutting method of styrofoam is the hot wire cutting method. If the hot wire moves through the styrofoam, the styrofoam will be melt. The proposed machine uses hot wire, too. The parameters such as; how much the wire should be warmed, the moving speed of wire, the width of the notch, should also be considered. In order to achieve accurate and smooth cutting process, these parameters should be set carefully. The fundamental manufacturing process of machine includes the adjustment of speed and temperature. While the temperature can be adjusted with a direct current (DA) voltage regulator, the speed can be adjusted by using Mach3 program. The most important disadvantage of two axis styrofoam cutting machines is the unavailability of three dimensional (3D) cutting. In contrast of two dimensional cutting machines, the proposed machine has an ability to cut 3D. Straight motion of the prototype CNC machine has been represented with x-axes and y-axes. The movement process has been achieved like four-axes by the regardless movement of two axes. A rotary table is mounted on the machine chasis to obtain rotational A-axis. By adding this rotational axis, the number of axes of the proposed CNC machine has been upgraded to five axes. The structure of the machine consists of materials which are produced in 3D printer, sigma profiles and Medium-Density Fiberboard (MDF) table. The movement has provided with the usage of ball screw and belt pulleys. Five step motors and their drivers have been used in the machine. The control of the machine has been provided with Mach3 control card. The dimensions of the processed styrofoam are 900 mmx900 mmx390 mm. The machine is capable of cutting 2 cm styrofoam with 0.3 mm nichrome wire with adjustable temperature. The proposed machine can be operated both with a rotary table and without a rotary table. Conical, star-pentagon, vase and twisted cutting process has been applied successfully with the prototype machine.

Keywords

CNC Styrofoam Cutting, Hot Wire, Five Axis, Rotary Table

BEŞ EKSEN CNC SICAK TEL STRAFOR KESİM MAKİNESİ İMALATI

Abstract

Bu çalışmada, beş eksen Bilgisayarlı Sayısal Kontrol (CNC) sıcak tel strafor kesme makinesinin tasarımı ve prototip üretimi gerçekleştirilmiştir. Tasarlanacak makine için öncelikle piyasada bulunan strafor kesme makineleri incelenmiş ve bu makinelerin eksiklerine göre yeni bir makine tasarlanmıştır. Straforun en kolay kesim yöntemi sıcak telli kesim yöntemidir. Sıcak tel straforun içerisinde ilerlerken straforu eritmektedir. Tasarlanan makine de sıcak teli kullanmaktadır. Makine imalatı sırasında telin ne kadar ısıtılacağı, hareket hızı, çentik genişliği gibi dikkat edilmesi gereken birtakım parametreler mevcuttur. Kesimin hatasız ve düzgün yapılabilmesi için bu parametrelere dikkat edilmelidir. Sıcaklığın ve hızın ayarlanması makine imalatındaki en temel etmendir. Makinenin sıcaklık ayarı doğru akım (DA) gerilim regülatörü ile hız ayarı ise Mach3 programıyla sağlanmaktadır. Piyasada kullanılan iki eksenli strafor kesim makinelerinin en önemli eksiği, üç boyutlu (3D) ürünleri kesememeleridir. Geleneksel iki boyutlu ürün kesebilen makinelerin aksine, tasarlanan makine ürünleri 3D şekilde kesebilmektedir. Prototipi üretilen CNC makinenin kolları x ve y eksenlerini temsil etmektedir. Kolların bağımsız şekilde hareket edebilmesi makinenin dört eksenli gibi davranmasını sağlamaktadır. Makine tablasının üstüne yerleştirilen döner tabla sayesinde döner bir A ekseni de elde edilmiştir. Döner bir eksenin ilave edilmesiyle makine beş eksenli olarak da çalışabilmektedir. Makinenin gövdesi 3D yazıcıdan basılan parçalar, sigma profiller ve Orta Yoğunluktaki Lif Levha (MDF) tabladan oluşmaktadır. Hareket, vidalı mil ve kayış kasnak ile sağlanmaktadır. Makinede beş adet step motor ve motor sürücüleri kullanılmıştır. Makinenin kontrolü Mach3 kontrol kartı ile sağlanmaktadır. Makinenin köpüğü işleme ölçüleri 900 mmx900 mmx390 mm’dir. Makine ile ayarlanabilir tel sıcaklığında 0,3 mm nikrom tel ile 2 cm kalınlığında strafor kesimi yapılabilmektedir. Tasarlanan makine hem döner tablalı hem de döner tabla olmadan kullanılabilmektedir. Prototip üretimi yapılan makine ile konik kesim, yıldız-beşgen kesim, vazo kesim ve burgulu kesim çalışmaları başarılı bir şekilde uygulanmıştır.

Keywords

CNC Strafor Kesim, Sıcak Tel, Beş Eksen, Döner Tabla

References

• 1. Koc, K.H., Erdinler, E.S., Hazir, E., Öztürk, E., “Effect of CNC application parameters on wooden surface quality”, Measurement, Vol. 107, Pages 12-18, 2017.
• 2. Cesur E., Cesur M.R., Aydoğan B.N., “CNC Tezgahlarının Dijital İkiz Modeli ile Komut Tamamlanma Sürelerinin Tahmin Edilmesi” Int. J. of 3D Printing Tech. Dig. Ind., Vol. 7, No. 2, Pages 303-321, 2023.
• 3. Bal, B.C., “CNC makinelerinin bazı ayarlarının parça işleme süresi ve lif levhanın yüzey pürüzlülüğü üzerine etkileri”, Malzeme Bölümü. Mobilya ve Ahşap Malzeme Araştırmaları Dergisi, Cilt 2018 -1, Sayı 1, Sayfa 21-30, 2018.
• 4. Aydoğmuş, D., “Doğaltaş CNC Makinelerinin çok kriterli karar verme yöntemleri kullanılarak seçimi”, Yüksek Lisans Tezi, Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Afyonkarahisar, 2021.
• 5. Li, J., Wang Y., Li, Y., Luo W., “Reference trajectory modification based on spatial iterative learning for contour control of two-axis NC systems, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 25, No. 3, Pages 1266-1275, 2020.
• 6. Naqvi, S.Y.A., “Design, prototype, and control of 5-axis desktop CNC milling machne”, Master of Science, Graduate School of Natural and Applied Sciences of Karabuk University, Karabük, 2014.
• 7. Gün, M.S., Kaygısız, H., Çetinkaya, K., “Beş eksenli beşik sistemli CNC tasarımı ve imalatı”, I. Uluslararası Endüstriyel Tasarım Mühendisliği Sempozyumu (ISIDE14), Sayfa 6-11, Karabük, 2014.
• 8. Bakar, M.H.A., Samsudin, M.H., Zamri, M.N., Abdullah, R.I.R., Kasim, M.S., Abdullah, A., “Development of three-axis mini milling machine for small scale production”, Applied Mechanics and Materials, Vol. 761, Pages 273-276, 2015.
• 9. Rahman, Z.A., Mohamed, S.B., Minhat, M., Rahman, Z.A., “Design and development of 3-axis Benchtop CNC milling machine for educational purpose”, International Journal of Integrated Engineering, Vol. 15, No. 1, Pages 145-160, 2023.
• 10. Kuncan, M., Kaplan, K., Ertunç, H.M., & Küçükateş, S., “Design, production and novel NC tool path generation of CNC tire mold processing machine”, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, Vol. 33, No. 3, Pages 1183-1999, 2018.
• 11. Öztürk, S., & Kuncan, M., “Kameradan alınan görüntünün CNC tezgâhında gerçek zamanlı olarak işlenmesi”, BEÜ Fen Bilimleri Dergisi, Cilt 9, Sayı. 3, Sayfa 1251-1263, 2020.
• 12. Brooks, H., “Plastic foam cutting mechanics for rapid prototyping and manufacturing purposes”, Doctor of Philosophy, University of Canterbury, Christchurch, 2009.
• 13. Abeysinghe, A., Abeysiriwardena, S., Nanayakkarawasam, R., Wimalsiri, W., Lalitharatne, T.D., Tennakoon, S., “Development of a numerically controlled hot wire foam cutting machine for wing mould construction”, Moratuwa Engineering Research Conference (MERCon), Sayfa 60–65, Moratuwa, 2016.
• 14. Mohammed, I.Q., Kadhum, A.H., “Optimizing the parameters of hot-wire CNC machine to enhance the cutting of plastic foam”, Al-Khwarizmi Engineering Journal, Vol. 15, No. 3, Pages 29-37, 2019.
• 15. Petkov, K.P., Hattel, J.H., “A thermo-electro-mechanical simulation model for hot wire cutting of EPS foam”, International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol. 107, Pages 50-59, 2016.
• 16. Karmakar, N., Subbiah, S., “Investigating bowing of hot wire during cutting of EPS”, Procedia Manufacturing, Vol. 26, Pages 671-680, 2018.
• 17. Memon, S., Kalwar, I.H., Memon, A.H., Shakir, M., Mustafa, H., Rehman, S.U., “Hot wire thermopol cutting using CNC machine”, Mehran University Research Journal of Engineering and Technology, Vol. 42, No. 4, Pages 19-27, 2023.
• 18. Syahriza, Aulia, U., Muspika, L., “Design and development wire cutter CNC for styrofoam product”, Materials Science and Engineering, Vol. 931, Pages 1-9, 2020.
• 19. Fahrizal F., Aslam M.F., Anwar N., Isminarti I., Fitriati A., “Design of styrofoam cutting machine based on CNC 2 axis using hot wire, Journal of Computer Engineering, Electronics and Information Technology, Vol. 1, Issue 2, Pages 63-74, 2022.
• 20. Ivanovskis, L., “Four axis hot-wire foam cutter controlled by mindstorms EV3”, Undergraduate Thesis, Saimaa University of Applied Sciences Faculty of Technology, Lappeenranta, 2017.
• 21. Figliolini, G., Rea, P., Cocomello, C., “Mechatronic design and prototype of a 4-DOFs hot-wire CNC cutting machine”, RAAD: International Conference on Robotics in Alpe-Adria Danube Region, Pages 591-598, Torino, 2017.
• 22. Şefkatlıoğlu, E., “CNC strafor kesme makinesi tasarımı ve imalatı”, Yüksek Lisans Tezi. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Kayseri, 2015.
• 23. Bird, J., Electrical circuit theory and technology”, 5th Edition, Page 19, Routledge Taylor&Franscis Group, Abingdon, 2014.