Processos de fabricação: Estudo avançados sobre a prototipagem rápida

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Esse trabalho concentra-se no estudo do processo de fabricação mecânica por prototipagem rápida, com objetivo de aprofundar em sua história, princípios do processo, seus equipamentos, quais são seus parâmetros, qual a capacidade do processos, quais suas vantagens, quais suas desvantagens, alguns exemplos de aplicação e presenciar o processo em si, e a sua aplicabilidade, aprimorando o conhecimento das características e tipos de processos existentes e utilizados na indústria.

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Processos de fabricação: Estudo avançados sobre a prototipagem rápida

  1. 1. PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS Programa de Graduação em Engenharia Mecânica Ênfase em Mecatrônica TRABALHO DE TÓPICOS ESPECIAIS I Processo de Fabricação por Prototipagem Rápida César Gomes Martins Júnior Felipe Duarte Soares Jackson Júnio Pereira Tironi Rafael de Almeida Lial Belo Horizonte 2012
  2. 2. César Gomes Martins Júnior Felipe Duarte Soares Jackson Júnio Pereira Tironi Rafael de Almeida Lial TRABALHO DE TÓPICOS ESPECIAIS I Processo de Fabricação por Prototipagem Rápida Trabalho apresentado à disciplina Tópicos Especiais I do programa de Graduação em Engenharia Mecânica ênfase Mecatrônica da Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, como requisito parcial para obtenção do título de engenheiro. Belo Horizonte 2012
  3. 3. César Gomes Martins Júnior Felipe Duarte Soares Jackson Júnio Pereira Tironi Rafael de Almeida Lial TRABALHO DE TÓPICOS ESPECIAIS I Processo de Fabricação por Prototipagem Rápida Trabalho apresentado a Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, como parte das exigências da disciplina de Tópicos Especiais I da Graduação em Engenharia Mecânica (ênfase em Mecatrônica) ________________________________________________ Prof. Breno Ferreira Lizardo – Orientador - PUC Minas Belo Horizonte, 06 de Junho de 2012
  4. 4. A Deus, meus familiares, amigos e companheiros de classe que muito nos ajudaram na realização deste projeto...
  5. 5. AGRADECIMENTOS A todos que contribuíram para a realização deste trabalho, fica expressa aqui a minha gratidão, especialmente: A Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, pela oportunidade de cursar Engenharia Mecânica (ênfase em Mecatrônica). Ao professor Breno Ferreira Lizardo, pela orientação, pelo aprendizado e apoio em todos os momentos necessários nesta caminhada. A todos que, de alguma forma, contribuíram para esta construção.
  6. 6. “Nenhum caminho é longo demais quando um amigo nos acompanha”. (Autor Desconhecido)
  7. 7. RESUMO Esse trabalho concentra-se no estudo do processo de fabricação mecânica por prototipagem rápida, com objetivo de aprofundar em sua história, princípios do processo, seus equipamentos, quais são seus parâmetros, qual a capacidade do processos, quais suas vantagens, quais suas desvantagens, alguns exemplos de aplicação e presenciar o processo em si, e a sua aplicabilidade, aprimorando o conhecimento das características e tipos de processos existentes e utilizados na indústria. Palavras-chave: Prototipagem Rápida, Fabricação e Modelos.
  8. 8. ABSTRACT This work focuses on the study of the mechanical manufacturing by rapid prototyping, in order to delve into its history, principles, process, equipment, what are its parameters, the capability of the process, what their advantages, disadvantages which, some examples of application and witness the process itself, and its applicability to enhance the knowledge of the characteristics and types of existing processes and used in industry. Keywords: Rapid Prototyping, Manufacturing and Models.
  9. 9. SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ..............................................................................................01 2. HISTÓRIA .....................................................................................................02 3. PRINCÍPIOS DO PROCESSO ......................................................................04 4. EQUIPAMENTO ...........................................................................................06 5. PARÂMETROS.............................................................................................17 6. CAPACIDADES DOS PROCESSOS ...........................................................19 7. VANTAGENS................................................................................................20 8. DESVANTAGENS ........................................................................................21 9. EXEMPLOS DE APLICAÇÃO ......................................................................22 9.1. Avaliação de Forma ...................................................................... 22 9.2. Avaliação de encaixe .................................................................... 20 9.3. Avaliação de Função .................................................................... 20 9.4. Avaliação de Ergonomia .............................................................. 21 9.5. Moldes para Injeção a Frio ........................................................... 21 9.6. Vacum Casting .............................................................................. 22 9.7. Aplicações para Saúde ................................................................. 22 9.7.1. Cirurgia Bucomaxilofacial ........................................ 23 9.7.2. Implantodontia ........................................................... 26 9.7.3. Ortodontia .................................................................. 27 9.7.4. Neurocirurgia ............................................................. 28 9.7.5. Ortopedia ................................................................... 28 9.7.6. Oncologia ................................................................... 29 9.8. Outras aplicações ......................................................................... 22 10. CONCLUSÃO .............................................................................................30 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................31
  10. 10. LISTA DE FIGURAS FIGURA 1 - Máquina de Estereolitografia .....................................................07 FIGURA 2 - Manufatura de objetos em laminas............................................08 FIGURA 3 - Sinterização seletiva a laser .......................................................09 FIGURA 4 - Modelagem por deposição de material fundido .......................10 FIGURA 5 - Cura solida na base ....................................................................11 FIGURA 6 - Impressão por jato de tinta ........................................................12 FIGURA 7 - Técnica de LENS .........................................................................13 FIGURA 8 - Vazamento a vácuo .....................................................................14 FIGURA 9 - Máquina moldagem por injeção ................................................15 FIGURA 10 - Processo de rapid tool..............................................................16 FIGURA 11 - Insertos fabricados pelo processo Direct AIM .......................17 FIGURA 12 - Avaliação de Forma ..................................................................23 FIGURA 13 - Avaliação de encaixe ................................................................23 FIGURA 14 - Avaliação de função..................................................................24 FIGURA 15 - Avaliação de ergonomia ...........................................................24 FIGURA 16 - Moldes para injeção a Frio .......................................................25 FIGURA 17 - Vacum Casting ..........................................................................25 FIGURA 18 - Cirurgia Bucomaxilofacial ........................................................26 FIGURA 19 - Implantodontia ..........................................................................27 FIGURA 20 - Ortodontia ..................................................................................27 FIGURA 21 - Neurocirurgia .............................................................................28 FIGURA 22 - Ortopedia ...................................................................................28 FIGURA 23 - Oncologia...................................................................................29 FIGURA 24 - Valores dos protótipos .............................................................29
  11. 11. 1 1. INTRODUÇÃO A Prototipagem rápida é a construção automática de objetos físicos que usam fabricação de forma livre sólida. As primeiras técnicas para prototipagem rápida ficaram disponíveis nos anos oitenta e foram usadas para produzir modelos e partes de protótipo. Hoje, eles são usados para uma gama muito mais ampla de aplicações e são usados mesmo para fabricar produção de qualidade em números relativamente pequenos. Alguns escultores usam a tecnologia para produzir formas complexas para exibições de belas-artes. Em resumo, prototipagem rápida emprega design virtuais design computadorauxiliado (CAD) ou de software modelação de animação que os transforma em seções de cortes transversais, ainda virtual, e então cria cada seção transversal no espaço físico, um depois do próximo até que o modelo é acabado. É um processo de WYSIWYG onde o modelo virtual e o modelo físico correspondem quase identicamente. Em fabricação aditiva, a máquina lê os dados de um desenho CAD, e coloca camadas sucessivas de líquido ou material pulverizado e deste modo constrói o modelo com uma série longa de seções transversais. São coladas juntadas estas camadas que correspondem à seção transversal virtual do modelo de CAD, ou são fundidas (usando freqüentemente um laser) automaticamente para criar a forma final. A vantagem primária para construção aditiva é sua habilidade para criar quase qualquer geometria (incluindo volumes negativos fechados). A interface standard entre software de CAD e máquinas de prototipagem de rápida é o formato de arquivos STL.
  12. 12. 2 2. HISTÓRIA Sistemas de Prototipagem rápida surgiram inicialmente em 1987 com o processo de estereolitografia (StereoLithography - SL) da empresa americana 3D Systems, processo que solidifica camadas (layers) de resina foto-sensível por meio de laser. O sistema SLA-1, o primeiro sistema de prototipagem disponível comercialmente foi um precursor da máquina SLA - 250, bastante popular nos dias de hoje. Após a empresa 3D Systems iniciar a comercialização de máquinas SL nos EUA, as empresas japonesas NTT Data e Sony/D-MEC passaram a comercializar suas versões de máquinas de estereolitografia em 1988 e 1989, respectivamente. Em seguida, em 1990, a empresa Eletro Optical Systems - EOS na Alemanha, passou a comercializar o sistema conhecido como Stereos. Logo após vieram as tecnologias conhecidas como Fused Deposition Modeling (FDM) da empresa americana Stratasys, Solid Ground Curing (SGC) da israelense Cubital e Laminated Object Manufacturing (LOM), todas em 1991. A tecnologia FDM faz a extrusão de filamentos de materiais termoplásticos camada por camada, semelhante à estereolitografia, só que utilizando um cabeçote de fusão do material em vez de cabeçote laser. SGC , também trabalha com resina foto-sensível a raios UV, só que solidifica cada camada numa única operação a partir da utilização de máscaras criadas com tinta eletrostática numa placa de vidro. LOM solidifica e corta folhas de papel (atualmente folhas de termoplásticos reforçado com fibras) usando laser controlado por computador. Sistemas de sinterização (Selective Laser Sintering - SLS) da empresa americana DTM e o sistema Soliform de estereolitografia da japonesa Teijin Seiki tornaram-se disponíveis em 1992. Usando calor gerado pelo laser, SLS funde pós metálicos e pode ser utilizado para obtenção direta de matrizes de injeção. Em 1993, a americana Soligen comercializou o produto conhecido por Direct Shell Production Casting (DSPC), que utiliza um mecanismo de jato de tinta para depositar líquido agregante em pós cerâmicos para produção de cascas que podem por sua vez serem utilizados na produção de moldes e peças injetadas em Alumínio, processo este desenvolvido e patenteado pelo MIT (Massachussets Institute of Technology).
  13. 13. 3 Em 1994 muitas outras tecnologias e sistemas surgiram: • ModelMaker da empresa americana Sanders Prototype, usando sistema de jato de cera ( ink-jet wax); • Solid Center da empresa japonesa Kira Corp., utilizando um sistema laser guiado e um plotter XY para produção de moldes e protótipos por laminação de papel; • Sistema de estereolitografia da empresa Fockele & Schwarze (Alemanha); • Sistema EOSINT, da empresa alemã EOS, baseado em sinterização; • Sistema de estereolitografia da empresa japonesa Ushio O sistema Personal Modeler 2100 da empresa BPM Technology (EUA) foi vendido comercialmente a partir de 1996 (BPM significa Ballistic Particle Manufacturing). A máquina produz peças a partir de um cabeçote a jato de cera. No mesmo ano a empresa Aaroflex (EUA) passou a comercializar o sistema SOMOS em estereolitografia da multinacional DuPont, e a empresas Stratasys (EUA) lançou seu produto Genisys, baseado em extrusão , similar ao processo de FDM, mas utilizando sistema de prototipagem desenvolvido no Centro de Desenvolvimento IBM (IBM´s Watson Research Center). No mesmo ano, após oito anos comercializando produtos em esterolitografia, a empresa 3D Systems (EUA) comercializou pela primeira vez seu sistema Atual 2100, sistema baseado em impressão a jato de tinta 3D. O sistema deposita materiais em cera camada por camada através de 96 jatos. No mesmo ano, Z Corp. (EUA) lançou o sistema Z402 3D para prototipagem baseado na deposição de pós metálicos em 3D.
  14. 14. 4 3. PRINCÍPIOS DO PROCESSO O termo prototipagem rápida designa um conjunto de tecnologias usadas para se fabricar objetos físicos diretamente a partir de fontes de dados gerados por sistemas de projeto auxiliado por computador (C.A.D). Tais métodos são bastante peculiares, uma vez que eles agregam e ligam materiais, camada a camada, de forma a constituir o objeto desejado. Eles oferecem diversas vantagens em muitas aplicações quando comparados aos processos de fabricação clássicos baseados em remoção de material, tais como fresamento ou torneamento. A natureza aditiva deste processo permite a criação de objetos com características internas complicadas que não podem ser obtidas através de outros processos como, por exemplo, usinagem (fresamento, furação, torneamento, etc.), que são processos "subtrativos", ou seja, removem material a partir de um bloco sólido. Mas, como tudo na vida, a prototipagem rápida não é perfeita. O volume do protótipo é geralmente limitado a 0,125 m3 ou até menos, dependendo do equipamento disponível. Ainda é difícil fazer protótipos de metal, embora se acredite que isso deverá mudar num futuro próximo com o desenvolvimento da técnica. No momento as técnicas convencionais de manufatura ainda são mais econômicas que as de prototipagem rápida em se tratando de modelos de metal. Todos os processos de prototipagem rápida atualmente existentes, são constituídos por cinco etapas básicas: 1. Criação de um modelo CAD da peça que está sendo projetada; 2. Conversão do arquivo CAD em formato STL, próprio para estereolitografia; 3. Fatiamento do arquivo STL em finas camadas transversais; 4. Construção física do modelo, empilhando-se uma camada sobre a outra; 5. Limpeza e acabamento do protótipo.
  15. 15. 5 4. EQUIPAMENTO Os principais sistemas de prototipagem rápida usados na fabricação de modelos estão descritos a seguir:  Estereolitografia (SLA, Stereolithography): Este processo pioneiro, patenteado em 1986, deflagrou a revolução da prototipagem rápida. Ele constrói modelos tridimensionais a partir de polímeros líquidos sensíveis à luz, que se solidificam quando expostos à radiação ultravioleta. O modelo é construído sobre uma plataforma situada imediatamente abaixo da superfície de um banho líquido de resina epóxi ou acrílica. Uma fonte de raio laser ultravioleta, com alta precisão de foco, traça a primeira camada, solidificando a seção transversal do modelo e deixando as demais áreas líquidas. A seguir, um elevador mergulha levemente a plataforma no banho de polímero líquido e o raio laser cria a segunda camada de polímero sólido acima da primeira camada. O processo é repetido sucessivas vezes até o protótipo estar completo. Uma vez pronto, o modelo sólido é removido do banho de polímero líquido e lavado. Os suportes são retirados e o modelo é introduzido num forno de radiação ultravioleta para ser submetido a uma cura completa. Uma vez que a estereolitografia foi a primeira técnica bem sucedida de prototipagem rápida ela se tornou um padrão de avaliação (benchmarking) para as demais, que surgiram (e continuam surgindo) posteriormente. Figura 1 - Máquina de Estereolitografia Fonte: LAFRATTA, Fernando. Prototipagem Rápida
  16. 16. 6  Manufatura de Objetos em Lâminas (LOM, Laminated Object Manufacturing): Nesta técnica camadas de material, na forma de tiras revestidas de adesivo, são grudadas umas nas outras formando-se o protótipo. O material original consiste de bobinas de papel laminado com cola ativada pelo calor. Um rolo coletor avança a tira de papel sobre a plataforma de construção, onde há uma base feita de papel e fita com espuma nas duas faces. A seguir, um rolo aquecido aplica pressão para fixar o papel à base. Uma fonte de raio laser com alta precisão de foco corta o contorno da primeira camada sobre o papel e então quadricula a área em excesso, ou seja, o espaço negativo do protótipo. Esse quadriculado rompe o material extra, tornando fácil sua remoção durante o processamento posterior. Esse material em excesso proporciona um excelente suporte para projeções, saliências e seções com paredes finas durante o processo de construção. Após o corte da primeira camada a plataforma é abaixada, liberando o caminho para que o rolo coletor avance a tira de papel e exponha material novo. Então a plataforma se eleva até um ponto ligeiramente inferior à altura original, o rolo aquecido liga a segunda camada a primeira e a fonte de raio laser corta a segunda camada. Este processo é repetido tantas vezes quantas forem necessárias para construir a peça, a qual apresentará textura similar à de madeira. Uma vez que os modelos são feitos de papel, eles devem ser selados e revestidos com tinta ou verniz para se evitar eventuais danos provocados pela umidade. Os mais recentes desenvolvimentos deste processo permitem o uso de novos tipos de materiais, incluindo plástico, papel hidrófobo e pós cerâmicos e metálicos. Estes materiais pulverulentos geram no final do processo uma peça "verde" que deve ser posteriormente sinterizada para que se alcance máxima resistência mecânica.
  17. 17. 7 Figura 2 - Manufatura de objetos em laminas Fonte: GÓIS, José Miguel – Prototipagem Rápida – Curso de Design na UA  Sinterização Seletiva a Laser (SLS, Selective Laser Sintering): Esta técnica, patenteada em 1989, usa um raio de laser para fundir, de forma seletiva, materiais pulverulentos, tais como náilon, elastômeros e metais, num objeto sólido. As peças são construídas sobre uma plataforma a qual está imediatamente abaixo da superfície de um recipiente preenchido com o pó fusível por calor. O raio laser traça a primeira camada, sinterizando o material. A plataforma é ligeiramente abaixada, reaplica-se o pó e o raio laser traça a segunda camada. O processo continua até que a peça esteja terminada. O pó em excesso ajuda a dar suporte ao componente durante sua construção. Figura 3 - Sinterização seletiva a laser Fonte: Fonte: GÓIS, José Miguel – Prototipagem Rápida – Curso de Design na UA
  18. 18. 8  Modelagem por Deposição de Material Fundido (FDM, Fused Deposition Modeling): Nesse processo filamentos de resina termoplástica aquecida são extrudadas a partir de uma matriz em forma de ponta que se move num plano X-Y. Da mesma maneira que um confeiteiro enfeita um bolo usando um saco de confeitar, a matriz de extrusão controlada deposita filetes de material muito finos sobre a plataforma de construção, formando a primeira camada do componente. A plataforma é mantida sob uma temperatura inferior à do material, de forma que a resina termoplástica endurece rapidamente. Após esse endurecimento a plataforma se abaixa ligeiramente e a matriz de extrusão deposita uma segunda camada sobre a primeira. O processo é repetido até a construção total do protótipo. São construídos suportes durante a fabricação para segurar o protótipo durante sua fabricação. Tais suportes são fixados ao protótipo usando-se um segundo material, mais fraco, ou uma junção perfurada. As resinas termoplásticas adequadas a esse processo incluem poliéster, polipropileno, ABS, elastômeros e cera usada no processo de fundição por cera perdida. Figura 4 - Modelagem por deposição de material fundido Fonte: GÓIS, José Miguel – Prototipagem Rápida – Curso de Design na UA
  19. 19. 9  Cura Sólida na Base (SGC, Solid Ground Curing): É um processo bastante similar a estereolitografia, pois ambos usam radiação ultravioleta para endurecer, de forma seletiva, polímeros fotossensíveis. Contudo, ao contrário da estereolitografia, este processo cura uma camada inteira de uma vez. Em primeiro lugar, a resina foto-sensível é borrifada sobre a plataforma de construção. A seguir, a máquina gera uma foto-máscara (como um estêncil) correspondente à camada a ser gerada. Esta foto-máscara é impressa sobre uma placa de vidro acima da plataforma de construção, usando-se um processo similar ao das fotocopiadoras. A seguir a máscara é exposta à radiação ultravioleta, a qual passa apenas através das porções transparentes da máscara, endurecendo seletivamente as porções desejadas de polímero correspondentes à camada atual. Após a cura da camada, a máquina succiona por vácuo o excesso da resina líquida e borrifa cera em seu lugar para dar suporte ao modelo durante sua construção. A superfície superior é fresada de forma a ficar plana e o processo é repetido para se construir a próxima camada. Assim que a peça ficar pronta é necessário remover a cera nela presente, através de sua imersão num banho de solvente. Essas máquinas são de grande porte e podem produzir modelos de grande tamanho. Figura 5 - Cura solida na base Fonte: LAFRATTA, Fernando. Prototipagem Rápida
  20. 20. 10  Impressão por Jato de Tinta (MJT, Multi Jet Modeling; BPM, Ballistic Particle Manufacturing): Ao contrário das técnicas expostas anteriormente, esta aqui se refere a uma classe inteira de equipamentos que usam a tecnologia de jato de tinta. Os protótipos são construídos sobre uma plataforma situada num recipiente preenchido com material pulverulento. Um cabeçote de impressão por jato de tinta "imprime" seletivamente um agente ligante que funde e aglomera o pó nas áreas desejadas. O pó que continua solto permanece na plataforma para dar suporte ao protótipo que vai sendo formado. A plataforma é ligeiramente abaixada, adiciona-se mais material pulverulento e o processo é repetido. Ao se terminar o processo a peça "verde" é sinterizada, removendo-se o pó que ficou solto. Podem ser usados pós de materiais poliméricos, cerâmicos e metálicos. Figura 6 - Impressão por jato de tinta Fonte: LAFRATTA, Fernando. Prototipagem Rápida
  21. 21. 11  Conformação Próxima ao Formato Final via Laser (LENS, Laser Engineered Net Shaping): Processo relativamente novo, que apresenta a vantagem de produzir protótipos de metal plenamente densos, com boas propriedades metalúrgicas e sob velocidades razoáveis de construção. Aqui um gerador de raio laser de alta potência é usado para fundir pó metálico fornecido coaxialmente ao foco do raio laser, através de um cabeçote de deposição. O raio laser passa através do centro do cabeçote e é focado para um pequeno ponto através de uma lente ou conjunto e lentes. Uma mesa X-Y é movida por varredura de forma a gerar cada camada do objeto. O cabeçote é movido para cima à medida que cada camada é completada. Mesmo nos casos onde não se necessitar de uma corrente de gás para se transportar o pó metálico é necessário ter uma corrente de gás inerte para se proteger a poça de metal líquido do oxigênio atmosférico, de forma a se garantir as propriedades metalúrgicas e promover melhor adesão entre camadas através de melhor molhamento superficial. Podem ser usados pós de diversas ligas metálicas, tais como aço inoxidável, inconel, cobre, alumínio e titânio. Os protótipos produzidos requerem usinagem para acabamento, apresentando densidade plena, boa microestrutura e propriedades similares ou melhores ao metal convencional. Figura 7 - Técnica de LENS Fonte: LAFRATTA, Fernando. Prototipagem Rápida
  22. 22. 12 Já as técnicas de prototipagem aplicadas para a ferramentaria rápida podem ser divididas em duas classes principais. A primeira delas, por sinal a mais usada atualmente, é a ferramentaria indireta: protótipos feitos usando-se as técnicas de prototipagem rápida são usados como modelos para se produzir moldes e matriz. Tais modelos podem ser usados em vários processos de manufatura:  Vazamento a vácuo: Esta técnica, a mais simples e antiga dentro da ferramentaria rápida, consiste em suspender um modelo positivo feito por prototipagem rápida num tanque cheio de silicone líquido ou borracha vulcanizável a temperatura ambiente (RTV rubber, room-temperature vulcanizing rubber). Quando o elastômero endurece o ferramental é cortado em duas metades, removendo-se o modelo feito por prototipagem rápida. O molde de borracha resultante pode ser usado para se vazar até vinte réplicas de poliuretano do modelo original feito por prototipagem rápida. Uma variante deste processo, mais útil, usa moldes de borracha para se produzir ferramental metálico. Ele envolve o preenchimento dos moldes de borracha com aço ferramenta em pó mais um ligante a base de epóxi. Assim que o ligante sofre cura a ferramenta "verde" de metal é removida do molde de borracha, sendo posteriormente sinterizado. Nesta etapa o metal apresenta apenas 70% de seu valor original de densidade, requerendo uma infiltração com cobre para que a peça apresente um valor de densidade mais próximo de um componente maciço. Essas ferramentas apresentam precisão muito boa, mas seu tamanho é limitado a um valor máximo de 25 cm.
  23. 23. 13 Figura 8 - Vazamento a vácuo Fonte: LAFRATTA, Fernando. Prototipagem Rápida  Moldagem por Injeção: Nesse processo pode-se produzir moldes para injeção feitos de um compósito de metal e cerâmica. Neste processo, uma máquina de estereolitografia é usada para produzir um modelo positivo da peça a ser moldada. A seguir esse modelo é revestido com níquel, o qual é reforçado com um material cerâmico rígido. As duas metades do molde são separadas para se remover o modelo, obtendo-se então um molde que pode produzir dezenas de milhares de peças injetadas. Figura 9 - Máquina moldagem por injeção Fonte: LAFRATTA, Fernando. Prototipagem Rápida
  24. 24. 14 Já os processos de ferramentaria direta, que permitem produzir diretamente ferramental com alta dureza diretamente de arquivos CAD, constituem o Santo Graal das técnicas de ferramentaria rápida. Acredita-se que ainda serão necessários vários anos para que essas técnicas se tornem plenamente comerciais, mas já há alguns desenvolvimentos animadores:  Rapid Tool É um processo que sinteriza seletivamente grânulos de aço revestidos de polímero de forma a produzir um molde metálico. A seguir o molde é colocado num forno onde se queima o ligante polimérico e a peça é infiltrada com cobre. O molde resultante pode produzir até 50.000 peças injetadas. Em 1996 a Rubbermaid produziu 30.000 organizadores de mesa feitos de plástico usando um molde construído por sinterização seletiva a laser. Figura 10 - Processo de rapid tool Fonte: LAFRATTA, Fernando. Prototipagem Rápida
  25. 25. 15  Direct AIM: Nesta técnica machos produzidos por estereolitografia são usados com moldes para injeção tradicionais de metal normalmente empregados na produção de peças de PEAD, PEBD, PS, PP e ABS. Pode-se produzir até 200 peças com boa precisão. Contudo, são requeridos tempos de ciclo relativamente longos (da ordem de cinco minutos) para se permitir que a peça moldada resfrie o suficiente de forma a não colar no macho feito por estereolitografia. Figura 11 - Insertos fabricados pelo processo Direct AIM Fonte: LAFRATTA, Fernando. Prototipagem Rápida 5. PARÂMETROS O protótipo pode permitir testes prévios como, por exemplo, ensaios em túnel de vento para componentes aeronáuticos ou análise fotoelástica para se verificar pontos de concentração de tensões na peça. Os processos de prototipagem rápida permitem que eles sejam feitos mais depressa e de forma mais barata. De fato, estima-se que a economias de tempo e de custos proporcionada pela aplicação das técnicas de prototipagem rápida na construção de modelos sejam da ordem de 70 a 90%. As mesmas técnicas de prototipagem rápida podem ser usadas para a fabricação de ferramentais, um processo também conhecido como ferramentaria
  26. 26. 16 rápida, ou seja, a fabricação automática de ferramentas para uso na produção em série. A produção de ferramentas é uma das etapas mais lentas e caras no processo de manufatura, em função da qualidade extremamente alta que se exige delas. Ferramentas geralmente apresentam geometrias complexas e precisam ser dimensionalmente precisas, em torno de centésimos de milímetro. Além disso, elas devem ser duras, resistentes ao desgaste e apresentar baixa rugosidade, em torno de 0,5 mm RMS. Por isso matrizes e moldes são tradicionalmente são feitos por usinagem CNC, eletroerosão ou mesmo manualmente. Todos esses processos são caros e demorados, o que torna a implementação das técnicas de prototipagem rápida muito bem vinda. Estima-se que essas técnicas permitam economizar 75% do tempo e custos envolvidos na fabricação das ferramentas. Elas também permitem a obtenção de peças com mesmo nível de qualidade da produção em série, na chamada manufatura rápida. De fato, a prototipagem rápida é o melhor processo de manufatura possível quando se precisa produzir pequenos lotes de peças e ou no caso de componentes complicados. A construção de alguns protótipos pode levar de 3 a 72 horas, dependendo do tamanho e complexidade do objeto. Ainda assim esses processos são bem mais rápidos que os métodos tradicionais, tais como usinagem, que podem requerer dias ou mesmo meses para fabricar um único protótipo. 6. CAPACIDADE DOS PROCESSOS O método de Prototipagem Rápida permite ao projetista criar rapidamente protótipos concretos a partir de seus projetos, ao invés de figuras bidimensionais. Esses modelos apresentam diversos usos. Eles constituem um auxílio visual excelente durante a discussão prévia do projeto com colaboradores ou clientes. Além disso, o protótipo pode permitir testes prévios como, por exemplo, ensaios em túnel de vento para componentes aeronáuticos ou análise fotoelástica para se verificar pontos de concentração de tensões na peça. A verdade é que os projetistas sempre construíram protótipos; os processos de prototipagem rápida permitem que eles sejam feitos mais depressa e de forma mais barata. De fato,
  27. 27. 17 estima-se que a economias de tempo e de custos proporcionada pela aplicação das técnicas de prototipagem rápida na construção de modelos sejam da ordem de 70 a 90%. As mesmas técnicas de prototipagem rápida podem ser usadas para a fabricação de ferramentais, um processo também conhecido como ferramentaria rápida, ou seja, a fabricação automática de ferramentas para uso na produção em série. A produção de ferramentas é uma das etapas mais lentas e caras no processo de manufatura, em função da qualidade extremamente alta que se exige delas. Ferramentas geralmente apresentam geometrias complexas e precisam ser dimensionalmente precisas, em torno de centésimos de milímetro. Além disso, elas devem ser duras, resistentes ao desgaste e apresentar baixa rugosidade, em torno de 0,5 mm RMS. Por isso matrizes e moldes são tradicionalmente são feitos por usinagem CNC, eletroerosão ou mesmo manualmente. Todos esses processos são caros e demorados, o que torna a implementação das técnicas de prototipagem rápida muito bem vinda. Estima-se que essas técnicas permitam economizar 75% do tempo e custos envolvidos na fabricação das ferramentas. Elas também permitem a obtenção de peças com mesmo nível de qualidade da produção em série, na chamada manufatura rápida. De fato, a prototipagem rápida é o melhor processo de manufatura possível quando se precisa produzir pequenos lotes de peças e ou no caso de componentes complicados. 7. VANTAGENS DO PROCESSO A seguir são listadas as principais vantagens do processo de Prototipagem Rápida:  Alta velocidade na criação de um modelo da peça que se deseja criar;
  28. 28. 18  Permite a criação de um protótipo que pode ser utilizado em testes fluidomecânicos, como por exemplo em um túnel de vento, ou fotoelástica, para se avaliar a concentração de tensões;  É um processo de criação de protótipos mais barato que os processos de retirada de material, como fresagem e usinagem;  Alta precisão, isto é, permite a criação de peças de geometria complexa, o que é muito difícil se realizado em outros processos;  No critério custos a prototipagem rápida foi 65% mais barata que o método tradicional  No critério qualidade foi atendido de forma tão significativa que as peças confeccionadas em SLS serviram de modelo para os moldes de Vacuum Casting.  Os prazos de entrega superaram em muito os processos tradicionais, como o da injeção de plásticos em moldes provisórios, sendo a redução de prazo da ordem de 83%  No critério flexibilidade, a prototipagem rápida possibilitou à empresa a montar os seus protótipos, pelo menos, 5 meses antes do prazo previsto. Esta vantagem permitiu a antecipação do lançamento do produto.  Quanto à inovação, a prototipagem rápida mostrou a facilidade em que as empresas podem gerar novos protótipos ou modelos aumentando a gama de opções na hora da escolha do novo produto. 8. DESVANTAGENS DO PROCESSO O software ou pacotes utilizados para fabricar o protótipo podem por vezes ser caros ou o sistema objeto por ele produzido pode revelar-se pouco eficiente e terá então de ser reescrito para a versão final do produto. O cliente pode revelar-se desapontado com as versões iniciais e corre-se o risco de ao ver tais versões, pura
  29. 29. 19 e simplesmente, este cancelar o produto. Os protótipos são de fato difíceis de gerir e controlar. Há que ter em consideração múltiplos aspectos, como o bastante difícil o prototificar de grandes sistemas de informação que necessitam de manusear grandes quantidades de informação e muitos utilizadores. a) Falha para completar o protótipo como uma aplicação apropriada. b) Má interpretação, por parte do cliente, do sistema. c) Desenvolvimento com compromissos de implementação. d) Elevado custo da matéria prima utilizado na prototipagem. Críticas ao modelo de prototipagem caiem geralmente nas seguintes categorias: a) Falsas expectativas: A prototipagem cria habitualmente uma situação onde o cliente acredita que o sistema está “acabado” quando definitivamente não o está. Mais especificamente, quando se usa este modelo as versões de préimplementação, o teste, e contrastes de eficiência. Assim o suporte básico para o sistema não está feito. b) Sistemas mal desenhados: Como o objetivo principal da prototipagem é o desenvolvimento rápido, o desenho do sistema pode por vezes sofrer devido a este ser constituído numa série de “camadas” sem consideração global da integração dos restantes componentes. A tentativa de retroativamente produzir um sólido desenho do sistema pode por vezes ser problemático. 9. EXEMPLOS DE APLICAÇÃO 9.1. Avaliação de Forma A Prototipagem Rápida permite a materialização de qualquer tipo de forma projetada em ambiente CAD por mais complexa que esta possa parecer, por isso torna-se um instrumento de grande valia na avaliação física da forma da peça.
  30. 30. 20 Figura 12 – Avaliação de Forma Fonte: ARTIS TECNOLOGIA - Prototipagem rápida na saúde e na engenharia. 9.2. Avaliação de encaixe Algumas tecnologias de prototipagem chegam a uma precisão de aproximadamente 0,1mm. Isso faz com que esse tipo de tecnologia seja utilizada em muitos casos para avaliação de encaixes e detecção de interferências no design de novas peças. Figura 13 – Avaliação de encaixe Fonte: ARTIS TECNOLOGIA - Prototipagem rápida na saúde e na engenharia. 9.3. Avaliação de Função É possível avaliar funcionalmente um protótipo, eliminando com isso, dúvidas sobre o projeto original e aprimorando o produto ao máximo para eliminar problemas durante a fase de produção.
  31. 31. 21 Figura 14 – Avaliação de função Fonte: ARTIS TECNOLOGIA - Prototipagem rápida na saúde e na engenharia. 9.4. Avaliação de Ergonomia Sendo utilizada para materializar com precisão os modelos tridimensionais criados em ambientes CAD, a tecnologia de prototipagem rápida torna-se uma grande aliada na avaliação ergonômica de novas peças. Construindo uma peça em apenas algumas horas, o projeto virtual pode então ser finalmente testado fisicamente. Figura 15 – Avaliação de ergonomia Fonte: ARTIS TECNOLOGIA - Prototipagem rápida na saúde e na engenharia.
  32. 32. 22 9.5. Moldes para Injeção a Frio Ao invés de prototiparmos uma peça diretamente, podemos também prototipar um molde para injeção a frio, como por exemplo, pequenas peças de silicone. Dessa maneira criamos de forma rápida e simples um ferramental para injeção de uma quantidade reduzida de peças. Figura 16 – Moldes para injeção a Frio Fonte: ARTIS TECNOLOGIA - Prototipagem rápida na saúde e na engenharia. 9.6. Vacum Casting Podemos utilizar também a tecnologia de prototipagem rápida para criar uma espécie de molde para vacum casting, o que nos permite criar de forma rápida e precisa embalagens com os mais variados formatos. Figura 17 – Vacum Casting Fonte: ARTIS TECNOLOGIA - Prototipagem rápida na saúde e na engenharia.
  33. 33. 23 9.7. Aplicações para Saúde 9.7.1. Cirurgia Bucomaxilofacial Os modelos permitem a percepção tátil da anatomia da região e da patologia em estudo, possibilitam a confirmação das informações obtidas através do diagnóstico por imagem e oferecem as seguintes vantagens: a) Comunicação entre a equipe cirúrgica b) Simulação e planejamento cirúrgico c) Implantes personalizados d) Preservação Figura 18 – Cirurgia Bucomaxilofacial Fonte: ARTIS TECNOLOGIA - Prototipagem rápida na saúde e na engenharia. 9.7.2. Implantodontia O planejamento dos implantes dentários osteointegrados são fundamentais para o sucesso da reabilitação oral, seja esta simples ou complexa. Em busca de planejamentos cada vez mais precisos, novas técnicas e tecnologias estão sendo introduzidas na Implantodontia. Com o avanço nas técnicas radiográficas podemos avaliar as limitações anatômicas, qualidade e quantidade óssea e transferir estas informações para o ato cirúrgico.
  34. 34. 24 Com a confecção de um protótipo da região que irá receber o implante podemos confeccionar guias justa ósseos que irão auxiliar o cirurgião no momento da cirurgia, minimizando os riscos. Figura 19 – Implantodontia Fonte: ARTIS TECNOLOGIA - Prototipagem rápida na saúde e na engenharia. 9.7.3. Ortodontia É possível separar os dentes do osso através do estudo tomográfico e criar um protótipo apenas dos dentes, o que permite a avaliação da dentição do paciente, inclusive o posicionamento exato de dentes inclusos, o que auxilia na elaboração do diagnóstico e plano de tratamento do paciente. Figura 20 – Ortodontia Fonte: ARTIS TECNOLOGIA - Prototipagem rápida na saúde e na engenharia.
  35. 35. 25 9.7.4. Neurocirurgia A prototipagem pode ser utilizada para se confeccionar modelos anatômicos precisos da anatomia óssea do paciente baseada nos dados da tomografia e a partir deste protótipo gerado, pode-se determinar a extensão das lesões, utilizar o lado oposto espelhado para restabelecer a simetria, planejar próteses personalizadas, medir e moldar placas e parafusos. Figura 21– Neurocirurgia Fonte: ARTIS TECNOLOGIA - Prototipagem rápida na saúde e na engenharia. 9.7.5. Ortopedia Através da confecção de um protótipo da anatomia óssea do paciente, é possível avaliar com precisão a extensão de lesões, fraturas e traumatismos, o que leva um diagnóstico e tratamento mais precisos. Figura 22– Ortopedia Fonte: ARTIS TECNOLOGIA - Prototipagem rápida na saúde e na engenharia.
  36. 36. 26 9.7.6. Oncologia Sabemos que muitas vezes as cirurgias oncológicas são extremamente multiladoras. Com a utilização da prototipagem rápida, pode-se gerar um modelo da anatomia óssea do paciente e confeccionar próteses personalizadas antes mesmo da cirurgia multiladora, melhorando com isso a qualidade de vida do paciente e otimizando os resultados estéticos e funcionais da cirurgia. Figura 23– Oncologia Fonte: ARTIS TECNOLOGIA - Prototipagem rápida na saúde e na engenharia. 9.1. Outras aplicações Figura 24 – Valores dos protótipos Fonte: LAFRATTA, Fernando. Prototipagem Rápida
  37. 37. 27 10. Conclusão Durante o decorrer desta pesquisa, foram inúmeras as novidades colhidas, o que tornou a busca de informações muito motivadora. Os primeiros contatos, com a Prototipagem Rápida, demonstraram a grande flexibilidade desta inovação tecnológica, causadora de aumento na vantagem competitiva, esse processo de fabricação é parte integrante do ciclo de desenvolvimento de novos produtos nas grandes empresas, principalmente nas automobilísticas. A prototipagem rápida proporciona, com a sua facilidade em produzir modelos e protótipos, uma interação entre a Engenharia de Produto e a Engenharia de Manufatura que não existia anteriormente. Como tecnologia de ruptura, a RP, adiciona significativas vantagens competitivas à cadeia produtiva conforme mostrado ao longo deste texto, e sua relevância aumenta quanto mais os conhecimentos e o desenvolvimento de materiais e processos, ainda em fase de pesquisa forem a ela agregados. Há indicadores de que a RP venha ser largamente empregada no setor industrial e inclusive fora dele.
  38. 38. 28 Referências Bibliográficas [1] CUNHA, HELENICE REGO. – Padrão PUC Minas de normalização: Normas da ABNT para apresentação de teses, dissertações, monografias e trabalhos acadêmicos. PUC-MINAS- Sistema de bibliotecas da PUC Minas – Belo Horizonte 2011 [2] MIETTI, MARCO; VENDRAMETO, ODUVALDO – Uso de prototipagem rápida como fator de competividade. UNIP – Universidade Paulista [3] DIGITAL LABORATORY LabGraph – RP – Prototipagem Rápida - Disponível em: <http://www.factoryoffactories.com/fof_br/rapidprotot_br.htm#FOTOPOL> Acesso em 05 Junho.2012. [4] GORNI, ANTÔNIO. Introdução à prototipagem rápida e seus processos. Disponível em:< http://www.gorni.eng.br/textpol.html > [5] IPESI – A evolução dos equipamentos de prototipagem rápida. Site CIMM Disponível em:<http://www.cimm.com.br/portal/noticia/exibir_noticia/2683-aevolucao-dos-equipamentos-de-prototipagem-rapida> Acesso em 05 junho.2012. [6] NASCIMENTO, GUSTAVO; BARBOSA, MIGUEL – Modelo de Prototipagem – Departamento de Informática Gestão – UALG – 02, Outubro de 2002.
  39. 39. 29 [7] ARTIS TECNOLOGIA - Prototipagem rápida na saúde e na engenharia. Disponível em: < http://www.ar tis.com.br/prototipagem/index_prototipagem.php > [8] CARVALHO, JONAS – Prototipagem Rápida - Disponível em: <http://www.numa.org.br/conhecimentos/conhecimentos_port/pag_conhec/prototipagem.html > Acesso em 05 Junho.2012. [9] LAFRATTA, FERNANDO HUMEL – Protipagem rápida. Curso de Engenharia Mecânica – UDESC -Joinville [10] NETO, RUI J. ; LINO, F. JORGE. Artigo – A Protipagem rápida na indústria cerâmica, comparação com outros sectores industriais. – FEUP – Faculdade de Engenharia da Univerdade do Porto. Porto, Portugal. – INEGI – Instituto de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial. Porto, Portugal. (2003)

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