Trabalho de TCC realizado na graduação em Engenharia de Controle e Automação no ano de 2013, descreve a construção de uma Impressora 3D de baixo custo utilizando Arduíno.
1. UNIVERSIDADE PAULISTA
Trabalho de Conclusão de Curso
Eng. Mecatrônica
UNIP - Limeira
IMPRESSORA DE PROTOTIPAGEM RÁPIDA
“Impressora 3D”
Limeira
2013
Construção de uma impressora
de prototipagem rápida 3D de
baixo custo como trabalho de
conclusão de curso de
Engenharia Mecatrônica na
Universidade Paulista – UNIP.
Cleber Rodrigues Silva
Weslei Miri
Franklin Arisson Rodrigues Dos Santos
https://www.linkedin.com/in/franklinarisson
Daniel Tarifa Morão
Lincon Souza Ferreira de Lima
2. 2
Dedicatória
Dedicamos esse trabalho a todos
aqueles que, se esforçando em
adquirir conhecimento, contribuem não
somente para o seu próprio bem, mas
também produz o bem a todos aqueles
que estão a sua volta.
3. 3
Agradecimentos
A Deus por nos ter dado força e coragem para vencer os desafios.
Aos nossos familiares por suportarem com paciência nossas ausências.
Ao Prof.° Ms Odair Mesquita pela orientação e dedicação à nossa classe.
A todos os professores da UNIP que nos ajudaram em todas as fases de
nosso curso.
Aos amigos que nos incentivaram durante nossos estudos.
4. 4
RESUMO
Em um mercado cada vez mais competitivo, a velocidade com a qual uma
companhia detecta uma necessidade e lança um produto voltado para o
atendimento desta necessidade, antes de seu concorrente, é por muitas vezes
um fator determinante do sucesso. Os estágios de desenvolvimento e testes com
protótipos geralmente encarecem o processo de criação de novos produtos, além
de gerar atrasos que muitas vezes ocasionam perdas de fatias importantes no
nicho ao qual a empresa se dedica; os mercados de telefonia celular, tecnologia,
automotivo e de informática são exemplos de mercados que sofrem com atrasos
no desenvolvimento de produtos.
Atualmente um novo equipamento tem ocupado espaço nos departamentos
de engenharia de grandes empresas por fornecer agilidade no processo criativo,
facilidade nos testes de peças em tamanho real e até mesmo gerando
parâmetros para os departamentos de marketing quando um protótipo pode ser
avaliado por clientes em potencial: A impressora de prototipagem 3D.
Este equipamento permite que um desenho tridimensional desenvolvido pelos
softwares de engenharia seja convertido já em uma peça pronta ou quase pronta,
caso seja apenas um protótipo, com essa peça pode-se executar testes,
avaliações de funcionamento, pesquisas de mercado, dentre outras
necessidades em tempo recorde, com um baixo custo de desenvolvimento e
evitando etapas caras, que requerem profissionais altamente capacitados. Caso
a peça já seja um produto final, ele pode ser comercializado por um custo bem
menor, visto que diversas etapas do processo produtivo foram evitadas.
Devido às inúmeras possibilidades, a impressora 3D ocasionará uma
revolução de alguns mercados, por isso é muito importante que estudos sejam
feitos para reduzir o custo de produção destes equipamentos, e a realização
deste trabalho vem demonstrar que em breve alcançaremos a possibilidade de
construirmos em nossas próprias casas essas tão desejadas impressoras 3D.
Palavras Chaves: Prototipagem Rápida, Impressoras 3D
5. 5
ABSTRACT
In an increasingly competitive market, the speed with which a company finds a
need and launches a product designed to meet this need before your competitor,
it is often a determining factor of success. The stages of development and testing
of prototypes usually become more expensive the process of creating new
products, and create delays that often cause loss of slices of important niche in
which the company is engaged; mobile, technology, automotive and computer are
examples of markets that suffer from delays in product development.
Nowadays new equipment has occupied space in the engineering
departments of large companies to provide flexibility in the development process,
ease testing-sized pieces and even generating parameters for the marketing
departments when a prototype can be evaluated by potential customers: The
prototyping 3D printer.
This equipment allows a three-dimensional design project developed by an
engineering software to be converted in one part ready or nearly ready, while it is
a prototype, it´s possible to run tests, functioning assessments, market research,
and others needs in record time, with a low development cost and avoiding costly
steps, which require highly trained professionals. If the piece has to be a final
product, it can be sold for a much lower cost, since different stages of the
production process were avoided.
With a planty of possibilities, the 3D printer will cause a revolution in some
markets, so it is very important that studies be made to reduce the production cost
of these devices, and this work demonstrates that we will soon attain the
possibility to build in our own homes such as desired 3D printers
Key Words: Rapid Prototyping, 3D Printers
6. 6
SUMÁRIO
RESUMO ..................................................................................................... 4
ABSTRACT.................................................................................................. 5
LISTA DE FIGURAS .................................................................................... 8
LISTA DE TABELAS.................................................................................. 10
LISTA DE ABREVIAÇÕES ........................................................................ 11
1. INTRODUÇÃO À PROTOTIPAGEM RÁPIDA ..................................... 12
1.1 Características de Processos de Prototipagem .......................... 12
1.2 Princípios de Funcionamento...................................................... 13
2. TECNOLOGIAS DE PROTOTIPAGEM RÁPIDA................................. 14
2.1 Fused Deposition Modeling - Modelagem por Fusão e Depósito 15
2.2 Selective Laser Sintering - Sinterização Seletiva a Laser .......... 16
2.3 Stereolithography - Estereolitografia (SLA)................................. 17
3. MATERIAIS UTILIZADOS PARA A IMPRESSÃO............................... 18
3.1 ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene)......................................... 18
3.2 PLA (Polylatic Acid - Ácido Polilático) ......................................... 18
3.3 PVA (Polyvinyl alcohol - Álcool de Polivinila) .............................. 19
3.4 PC (Polycarbonate - Policarbonato)............................................ 20
3.5 Nylon........................................................................................... 20
3.6 Laywood...................................................................................... 21
4. MERCADO DE IMPRESSÃO 3D......................................................... 22
5. A IMPRESSORA 3D CONSTRUIDA PARA O TCC ............................ 24
6. MONTAGEM ....................................................................................... 25
6.1 Estruturas auxiliares .......................................................................... 28
7. DESCRIÇÃO DO PROCESSO DE MONTAGEM................................ 30
8. SISTEMAS ELETROELETRÔNICOS.................................................. 34
8.1 Controle do Processo.................................................................. 34
8.2 Objetivos de um Sistema de Controle......................................... 34
8.3 Malhas de Controle ..................................................................... 34
8.4 Processos de controle em Malha aberta e Malha Fechada ........ 34
8.5 Controle e Funcionamento do Projeto......................................... 35
8.6 Fluxograma do Circuito Elétrico .................................................. 36
8.7 Descrição dos Componentes ...................................................... 37
7. 7
9. PROCESSO E FERRAMENTAS PARA IMPRESSÃO........................ 39
9.1 Modelo 2D (Bidimensional)................................................................ 39
9.2 Modelo em 3D (Tridimensional)......................................................... 39
9.3 Extensão STL............................................................................. 40
9.4 Análise de Elementos Finitos (Opcional)..................................... 41
9.5 Replicator G ................................................................................ 44
9.6 Skeinforge................................................................................... 45
9.7 G-code ........................................................................................ 46
10. FLUXOGRAMA DE IMPRESSÃO (SOFTWARE):............................... 49
11. MATRIZ DE CUSTOS ......................................................................... 50
12. CONCLUSÃO...................................................................................... 52
13. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................... 54
8. 8
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Impressora Industrial modelo Object 1000 da empresa Object/Stratasys ............. 13
Figura 2: Impressora residencial modelo Thing-o-Matic....................................................... 13
Figura 3: Tecnologias de impressão 3D mais utilizadas....................................................... 14
Figura 4: Prototipagem por tecnologia FDM......................................................................... 15
Figura 5: Prototipagem por tecnologia SLS.......................................................................... 16
Figura 6: Materiais para prototipagem rápida....................................................................... 19
Figura 7: Filamento de Policarbonato e peça produzida com este material.......................... 20
Figura 8: Filamento de Nylon e peça produzida com este material ...................................... 20
Figura 9: Filamento de Laywood e peça produzida com este material ................................. 21
Figura 10: Impressoras da empresa Stratasys..................................................................... 22
Figura 11: Impressora da empresa Cliever .......................................................................... 22
Figura 12: Impressoras amadoras com componentes RepRap............................................ 23
Figura 13: Base das hastes do motor Z ............................................................................... 27
Figura 14: Base frontal......................................................................................................... 27
Figura 15: Base do transformador........................................................................................ 27
Figura 16: Base traseira....................................................................................................... 27
Figura 17: Base principal da impressora.............................................................................. 28
Figura 18: Suporte do rolo de ABS ...................................................................................... 29
Figura 19: Mesa base para produção de peças ................................................................... 30
Figura 20: Primeira estrutura da impressora a ser montada, o carro xy. .............................. 30
Figura 21: Base do eixo Z com bico extrusor de material ABS para produção peças .......... 31
Figura 22: Bobina de ABS e seu suporte ............................................................................. 32
Figura 23: Base e cooler de resfriamento de peças ............................................................. 32
Figura 24: Gabinete com placas eletrônicas ........................................................................ 33
Figura 25: Transformador de Alimentação........................................................................... 33
Figura 26: Diagrama Elétrico ............................................................................................... 36
Figura 27: Logo da UNIP desenhado no Catia..................................................................... 39
Figura 28: Modelo tridimensional do logo............................................................................. 39
Figura 29: Modelo 3D concluído. ......................................................................................... 40
Figura 30: Modelo no formato STL....................................................................................... 40
Figura 31: Analise de elementos finitos 1° passo................................................................. 41
Figura 32: Análise de elementos finitos 2° passo................................................................. 42
Figura 33: Análise de elementos finitos 3° passo................................................................. 42
Figura 34: Resultados gráficos do teste............................................................................... 43
Figura 35: Resultado final do teste de elementos finitos ...................................................... 44
9. 9
Figura 36: Tela do software Replicator G............................................................................. 44
Figura 37: Tela de configuração de impressão (parâmetros). ............................................. 45
Figura 38: Skeinforge .......................................................................................................... 46
Figura 39: Peça final acabada, impressão em 20min........................................................... 48
Figura 40: Fluxograma do processo de impressão .............................................................. 49
Figura 41: Vista frontal da impressora finalizada.................................................................. 51
10. 10
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Materiais Utilizados.............................................................................................. 26
Tabela 2: Matriz de custos do Projeto.................................................................................. 50
Tabela 3: Custos por tipo de investimento ........................................................................... 51
11. 11
LISTA DE ABREVIAÇÕES
2D Bidimencional.
3D Tridimensional.
ABS Acrylonitrile Butadiene Styrene: Polímero termoplástico
CAD Software de desenho industrial.
FDM Fusão por Depósito de Material.
MDF Medium Density Fiberboard - Fibra de Média Densidade.
PLA Polyatic Acid - Ácido Poliático.
PVA Polyvinyl Alcohol - Álcool de Polivinila.
PC Policarbonato.
SLS Seletive Laser Sintering - Sinterização Seletiva a Laser.
SLA Estereolitografia: Tecnologia de solidificação de líquidos poliméricos.
STL Tipo de extensão usada em arquivos eletrônicos de desenhos
industriais.
12. 12
1. INTRODUÇÃO À PROTOTIPAGEM RÁPIDA
Durante o desenvolvimento de alguns tipos de produtos, é necessária a
confecção de protótipos, seja para estudo de design, testes em túneis de vento,
testes dinâmicos, de resistência, de aceitação de mercado, de viabilidade
técnica, dentre outros. Estes protótipos são construídos em madeira, resina,
isopor, gesso e outros tipos de materiais, para tal, é necessária uma mão de obra
especializada e cara, além de tempo hábil para a execução da tarefa da
construção quase artesanal do protótipo. Porém o desenvolvimento tecnológico
das últimas décadas permitiu a criação de um tipo específico de impressora,
aliada á robótica essa impressora mescla diversas técnicas de manuseio de
diferentes materiais, para construir ela mesma, um protótipo, em muitos casos
após a confecção do protótipo pela impressora, pouco ou nenhum trabalho
subsequente é necessário, o protótipo se encontra pronto para uso. Em
determinados casos a impressora é responsável pela confecção de produto final,
seja ele de plástico, de resina ou até mesmo de metal, desta forma a impressão
3D permite que inúmeras etapas de um processo produtivo convencional não
sejam mais necessárias, como etapas de usinagem e montagem, assim o preço
do produto final ao consumidor pode diminuir em muito, ocasionando uma
mudança no mercado no qual esse tipo de tecnologia esta inserido.
1.1 Características de Processos de Prototipagem
A utilização de processos de construção de protótipos remonta a um período
por volta do ano 2.500 A.C. No passado, um modelo era, obrigatoriamente, uma
réplica de um determinado objeto, construído a partir de moldagem direta, com
materiais como gesso, argila, silicones, entre outros. O gesso era amplamente
utilizado devido ser facilmente moldado pelos artesãos, à prototipagem era
utilizada até mesmo para a construção de coroas e tronos, sendo testados pelo
rei que deveria aprovar ou solicitar ajustes antes da construção da peça final,
objetos de adoração também eram construídos inicialmente em gesso ou outro
material antes de serem construídos em rocha ou outro material final.
Atualmente prototipagens se utilizam de materiais como plásticos e resinas
moldáveis, gesso, cera e outros materiais mais modernos, no entanto o
desenvolvimento de protótipos manuais é essencialmente um trabalho artesanal,
com a utilização de poucas ferramentas. Eventualmente, devido à complexidade
e exigências dos clientes, os processos de construção de protótipos podem
utilizar a usinagem, respeitando as realidades de formas geométricas, nível de
acabamento superficial, impacto visual além da execução de testes funcionais. O
custo nesse caso é ainda mais alto.
A necessidade de dar mais velocidade ao processo de criação de protótipos
começou a ser prioridade nas últimas décadas, a robótica aliada a informática,
permitiram que a prototipagem fosse revolucionada com a criação de
equipamentos que praticamente imprimem as peças desejadas em 3D, dando
assim, a tão desejada velocidade no desenvolvimento de produtos.
13. 13
1.2 Princípios de Funcionamento
O conceito de prototipagem rápida utilizando impressoras 3D sempre visa à
produção de um objeto detalhado com altura, largura e profundidade, para atingir
este objetivo existem diversas tecnologias diferentes, porém todas as
impressoras se assemelham na quantidade de eixos de deslocamento e na
necessidade de se fatiar a imagem tridimensional em inúmeras imagens
bidimensionais. As impressoras comuns possuem deslocamento linear em dois
eixos diferentes, x e y; enquanto o papel se desloca em um eixo a cabeça de
impressão se desloca em outro eixo criando a imagem no papel. Nas
impressoras de prototipagem rápida acrescenta-se o eixo z e após um
deslocamento correspondente a uma imagem em duas dimensões, há um
avanço em z e o início de uma nova impressão nos eixos x e y, desta forma
camadas e camadas de impressão vão se sobrepondo e criando o objeto
tridimensional.
Para que o processo de impressão em 3D seja possível, softwares
específicos são responsáveis pelo fatiamento em inúmeras camadas de uma
imagem tridimensional, criando assim de dezenas a milhares de imagens
bidimensionais, que serão impressas uma a uma, sobrepondo-se uma sobre a
outra criando o objeto desejado. A qualidade do acabamento e o detalhamento
da peça a ser impressa depende do avanço do eixo z, quanto maior a resolução
no movimento deste eixo, um melhor acabamento superficial e detalhamento
podem ser obtidos. Os materiais utilizados na prototipagem rápida são diversos,
desde plásticos, gesso, ligas metálicas e fluídos fotossensíveis.
Figura 1: Impressora Industrial modelo Object 1000
da empresa Object/Stratasys
(Fonte: http://www.wired.com/design/2012/11/big-
3d-printers-euromold-2012/)
Figura 2: Impressora residencial modelo
Thing-o-Matic da empresa MarkerBot
Industries (Fonte: http://the-gadgeteer.com)
14. 14
2. TECNOLOGIAS DE PROTOTIPAGEM RÁPIDA
Há três tecnologias mais utilizadas para prototipagem rápida, que baseadas
no mesmo conceito de três eixos de deslocamento e de sobreposição de
inúmeras imagens fatiadas, porém diferem na forma que a fusão é produzida e
nos materiais utilizados, abaixo vemos um infográfico que descreve as técnicas e
a seguir temos a descrição detalhada dos processos de impressão.
Figura 3: Tecnologias de impressão 3D mais utilizadas (Fonte: www.tecmundo.com.br)
15. 15
2.1 Fused Deposition Modeling - Modelagem por Fusão e Depósito (FDM)
Este é o modelo mais simples de prototipagem rápida, a impressora 3D que
emprega essa tecnologia funde um polímero pelo processo de extrusão e o
deposita camada a camada formando a peça desejada, é uma impressora de
baixo custo, já muito utilizada por aficionados por essa tecnologia, e muitas das
peças mecânicas da própria impressora FDM pode ser fabricada por ela mesma.
Porém sua limitação se restringe a plásticos, estes são disponibilizados em
bobinas com bitolas na escala de décimos de milímetro.
O componente principal desta impressora e o que define a tecnologia utilizada
é o cabeçote de impressão, este é formado por um conjunto de resistências que
aquece um molde perfurado, um fio de polímero de pequeno diâmetro será
forçado a entrar neste molde por um motor que o desenrola da bobina e o
direciona para o molde, o fio de polímero irá se fundir e escorrer pela cavidade
interna do molde vindo a se depositar no local onde se forma a peça desejada.
Este modelo de impressora possui uma base metálica aquecida que é o local
onde o material extrusado é depositado, é sobre esta base que a peça é
formada, o intuito dessa base aquecida é evitar a aderência do polímero à placa
base, caso ela fosse fria, e também reduzir a taxa de resfriamento do polímero,
que no caso do plástico ABS evita o empenamento do mesmo.
Algumas impressoras FDM colocam o cabeçote de impressão nos eixos x e y,
sendo então ele que se desloca bidimensionalmente, e a base térmica onde a
peça é formada movimenta-se no eixo z, assim a base irá descer alguns
milímetros toda vez que uma fatia da imagem for impressa e uma nova fatia foi
iniciar a impressão. Outras impressoras funcionam de forma inversa, o cabeçote
de impressão não se movimenta nos eixos x e y, mas somente no eixo z, os
movimentos x e y são executados pela base, e a cada término de impressão de
uma fatia, o cabeçote movimenta-se para cima no sentido de z formando a peça
desejada.
Figura 4: Prototipagem por tecnologia FDM, (Fonte da imagem: divulgação/ Penn)
16. 16
2.2 Selective Laser Sintering - Sinterização Seletiva a Laser (SLS)
A Sinterização Seletiva a Laser é outro processo de impressão 3D, neste
processo é utilizado um laser para esculpir os objetos em uma espécie de pó
extremamente fino, que pode ser de plástico, metal ou outros materiais. O pó a
ser fusionado é colocado pela própria maquina em uma câmara de impressão e
sua superfície é nivelada por um braço próprio, dessa forma uma camada
milimétrica de pó é depositado na câmara, em seguida, um laser de altíssima
potência é projetado no pó e vai desenhando a fatia correspondente àquela face
da peça a ser impressa; o material entra em fusão, criando a primeira camada.
Após o termino dessa etapa, a câmara de impressão sobe alguns milímetros
permitindo que uma nova camada de pó seja depositada, a impressora deposita
e nivela automaticamente o pó a ser fusionado, e o laser novamente passa sobre
o pó aquecendo e sinterizando a nova camada. O processo de elevar a câmara
de impressão, depositar pó, nivelar e o laser sinterizar uma nova camada se
repete até que o objeto esteja completamente pronto.
No final é preciso remover todo o excesso de pó do objeto impresso. É
possível fazer isso com um jato de ar comprimido ou escovas próprias para esse
propósito. É importante lembrar que todo o excesso de material pode ser
reutilizado mais tarde, portanto o desperdício é mínimo.
Dentre as vantagens dessa tecnologia de impressão pode se destacar a
versatilidade em poder trabalhar com uma grande variedade de materiais
diferentes, desde polímeros e plásticos até metais, também é possível imprimir
objetos já pintados, pois cada camada pode ser colorizada separadamente no
momento da impressão. A precisão do laser também permite a criação de objetos
mais complexos e detalhados, contendo, inclusive, partes móveis. No entanto o
custo desta tecnologia impede a construção dessas impressoras por entusiastas,
como ocorre com a tecnologia FDM.
Figura 5: Prototipagem por tecnologia SLS, (Fonte da imagem: Reprodução/Axis)
17. 17
2.3 Stereolithography - Estereolitografia (SLA)
Stereolithography ou “fotossolidificação” é semelhante ao processo SLS,
porém ao invés de utilizar pó é utilizado um liquido sensível a luz ou duas resinas
que reagem entre si quando expostas a luz, o principio básico nesta técnica de
impressão é a solidificação de um líquido quando exposto a luz ultravioleta. Na
impressora SLA há um recipiente que é preenchido com um líquido especial, uma
espécie de resina plástica que pode ser “curada” com luz ultravioleta, ou seja, a
resina solidifica ao ser bombardeada por um feixe de luz ultravioleta, criando uma
peça com uma excelente resistência mecânica, antes do processo de impressão
a resina é depositada na câmara de impressão, no centro da câmara de
impressão há uma plataforma que fica elevada e a poucos milímetros abaixo da
superfície do líquido, o laser inicia o processo de bombardeamento do material
na região desta plataforma, o liquido então se solidifica somente no local onde o
laser foi projetado formando a primeira camada de impressão. Depois disso, a
plataforma central desce poucos milímetros e o líquido cobre a primeira camada
já impressa formando uma película sobre essa, o laser inicia o bombardeamento
novamente formando mais uma camada. Esse processo de bombardeamento
pelo laser, descida da plataforma, cobertura da parte impressa por uma película
de líquido e inicio de um novo bombardeamento continua até o final da
impressão da peça.
O outro método SLA consiste na aplicação de jatos de polímeros
fotossensíveis em pó por meio de um cartucho de impressão, que são unidos de
forma seletiva por outro cartucho com conteúdo adesivo. Esta é a tecnologia de
impressão tridimensional mais rápida existente atualmente, além de ser também
a única que permite a aplicação de finalização colorida nos objetos (simulando a
pintura). Depois que o objeto está concluído, é preciso remover o excesso de
material da peça e posicioná-la dentro de uma espécie de “forno” ultravioleta que
serve para completar o processo de cura dos polímeros dos diferentes matérias
plásticos.
Esse tipo de equipamento pode criar modelos complexos e resistentes de
maneira relativamente rápida, porém as máquinas são relativamente mais caras
e o custo do litro da resina plástica líquida pode ultrapassar as centenas de
dólares, o que torna o processo de fabricação ligeiramente mais caro do que o de
outros modelos.
Por fim — e voltada especialmente à produção de objetos realmente
pequenos — temos a micro-fabricação tridimensional em gel, que utiliza lasers
focados em diferentes pontos e distâncias para tratar o material até um ponto em
que ele se torne sólido. Todo o restante que não foi focado é simplesmente
lavado ao fim do procedimento, se desprendendo da peça. Componentes com
tamanhos inferiores a 100 nanômetros são facilmente produzidos. Outro
exemplo, novamente, são as peças interligadas com partes móveis.
Fica claro que cada uma delas possui suas próprias vantagens e problemas,
cabendo a quem compra o equipamento definir as prioridades e necessidades,
dentre questões como: custo dos materiais de impressão, maleabilidade,
velocidade de impressão, capacidades (para um usuário ou vários
compartilhados), qualidade e resolução (para impressão detalhada) e
necessidade de cores.
18. 18
3. MATERIAIS UTILIZADOS PARA A IMPRESSÃO.
Os materiais utilizados em prototipagem rápida variam conforme o tipo de
tecnologia de fusão da impressora e o tipo de utilização ao qual o protótipo se
destina; os termoplásticos para impressões FDM mais utilizados estão
disponíveis no mercado com diâmetros de filamento da ordem de 0,3mm, são
vendidos em bobinas com dezenas de metros de comprimento, e com diversas
cores, são os mais acessíveis para os iniciantes nessa tecnologia ou que
prefiram ter uma impressora de pequeno porte para solução à confecção de
pequenas peças, abaixo listamos os materiais de impressão mais utilizados para
essa técnica de impressão:
3.1 ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene)
O ABS é da família dos plásticos sendo então um derivado do petróleo, é o
plástico mais utilizado em impressoras de prototipagem 3D FDM de baixo custo,
o ABS é um material amplamente utilizado na indústria, ele é encontrado em para
choques de carros, mesas, eletrodomésticos, dentre outros utensílios. Tem boas
propriedades mecânicas, é rígido, leve, flexível, resistente na absorção de
impactos, isolante eléctrico e possui um acabamento brilhante.
A temperatura de extrusão do ABS situa-se entre 210°C e 240ºC dependendo
de características do próprio fabricante do ABS, ao ser extrusado, o ABS libera
um odor característico que pode ocasionar desconforto em algumas pessoas.
A grande dificuldade em se trabalhar com o ABS é a adesão do plástico na
mesa, o ABS tende a se contrair no processo de resfriamento, portanto as peças
tendem a descolar da mesa, nem sempre a peça sai da mesa, mas fica com a
base bastante deformada (com os cantos levantados), a solução mais comum é
utilizar uma mesa aquecida, geralmente entre 100 e 120ºC, recoberta por fita
Kapton. Outras soluções incluem utilizar uma câmara de impressão aquecida.
3.2 PLA (Polylatic Acid - Ácido Polilático)
O PLA é um material biodegradável, feito a partir do milho, ou da cana-de-
açúcar, sendo da família do poliéster, é amplamente utilizado em embalagens
biodegradáveis, e também em muitos produtos do dia a dia.
Também é uma matéria prima comum e amplamente utilizada na
prototipagem rápida com impressoras FDM; como vantagem pode-se destacar a
facilidade de impressão, a possibilidade de imprimir sem a necessidade da mesa
aquecida, temperatura de fusão sensivelmente menor (é extrusado entre 170°C e
200ºC) e o seu apelo ecológico. As propriedades mecânicas do PLA também são
boas: é mais rígido que o ABS e resiste um pouco mais a tensões de
flexão/torção. Um dos pontos negativos é a resistência térmica, o PLA não
suporta temperaturas muito altas. Algumas pesquisas têm desenvolvido misturas
de PLA com alguns aditivos que buscam melhorar as suas propriedades.
19. 19
3.3 PVA (Polyvinyl alcohol - Álcool de Polivinila)
O PVA é um plástico pouco conhecido se comparado ao PLA e ABS, a
grande vantagem do PVA é sua capacidade de se dissolver em água, logo existe
um enorme campo de aplicação para esse plástico na prototipagem rápida,
especialmente como material de suporte, responsável por auxiliar a impressão de
volumes que ficariam suspensos e se deformariam antes de solidificar. Máquinas
dotadas de duas cabeças de extrusão imprimem a peça em ABS ou PLA e o
suporte em PVA, depois a peça é imersa em água e o suporte de PVA se
dissolve. Uma das desvantagens do PVA é ser sensível a altas temperaturas,
quando exposto a temperaturas acima de 200ºC por um longo período de tempo
ocorre a formação de aglutinados que entopem o bico de extrusão e dificilmente
são removidos, para evitar esse problema, a temperatura de extrusão deve estar
entre a faixa de 160°C a 190ºC.
Figura 6: Materiais para prototipagem rápida. O ABS, PVA e PLA são visualmente
semelhantes, mas com características termoplásticas diferentes (Fonte da imagem:
Divulgação: G&L Technology Co.Ltd.)
20. 20
3.4 PC (Polycarbonate - Policarbonato)
O policarbonato é um termoplástico maleável que aceita ser dobrado, é
transparente e muito resistente, sua utilização é ampla, incluindo desde o
modelismo até na manufatura de vidros a prova de bala. O PC tem algumas
peculiaridades, é extrusado entre 260 e 310ºC, e é muito sensível a umidade,
portanto para se obter peças transparentes é preciso ter um ambiente bem seco
e o plástico deve ser seco também. Sua utilização em prototipagem rápida com
impressoras 3D ainda não é muito comum, mas novos métodos de impressão
estão sendo aprimorados para o uso desse termoplástico.
3.5 Nylon
Um material muito interessante para se imprimir uma vez que produz peças
flexíveis, e muito resistentes. As desvantagens do Nylon são relacionadas com a
adesão entre camadas, a temperatura de extrusão e a umidade absorvida.
Recentemente surgiram novas variantes de Nylon voltadas para impressão 3D,
muito promissoras, porém o nylon ainda não tem a popularidade do ABS no
mundo da prototipagem rápida.
Figura 7a e 7b: Filamento de Policarbonato e peça
produzida com este material. (Fonte das imagens:
https://ultimachine.com)
Figura 8a e 8b: Filamento de Nylon e peça produzida com este material. (Fonte da imagem: 8a
:http://www.sz-wholesaler.com; 8b: http://www. octave.com)
21. 21
3.6 Laywood
O Laywood é uma mistura de polímeros com madeira, é um material com
propriedades semelhantes ao PLA, mas com acabamento igual a madeira,
criando um efeito visual muito interessante, outra característica desse material é
a capacidade de alterar a cor e o acabamento das peças de acordo com a
temperatura de extrusão, que pode ser entre 170 e 250ºC.
Figura 9a e 9b:Filamento de Laywood e peça produzida com este material. (Fonte da
imagem: 9a :www.plastic2print.com; 9b:www. 3dprintworld.org)
22. 22
4. MERCADO DE IMPRESSÃO 3D
Apesar de não ser mais uma novidade, as impressoras 3D possuem poucos
representantes no mercado interno brasileiro, as impressoras 3D mais difundidas
e utilizadas são as “artesanais”, produzidas pelos próprios usuários baseadas em
softwares livres, porém sem aplicação industrial.
Para as indústrias estão disponíveis impressoras de alto padrão de
sofisticação, mas que chegam a cobrar mais de uma centena de milhares de
Reais por isso. Como fornecedores de impressoras no mercado nacional, em
nível industrial, podemos citar as companhias: Unique, Dimension, Stratasys e a
Desktop Factory. Há também impressoras de pequeno porte industriais, cuja
marca mais proeminente no nosso mercado é a Cliever, a “carro chefe” da marca
é a CL1 que custa em torno de R$4.500,00 e possui precisão de 0,1mm.
Quando o assunto são impressoras amadoras, de pequeno porte e para
aplicações leves e residenciais as principais empresas que fornecem são:
RepRap, Marker bot e a Formlabs. O valor de uma Marquerbot é de US$ 2.199
(R$ 4.400), seu custo fica muito próximo a Cliever nacional, mas é preciso
adicionar a esse valor o custo do frete, os impostos e a matéria-prima. A
Formlabs oferece sua impressora por US$ 3.299 (R$ 6.600). Porém, também é
preciso calcular o valor do frete, dos impostos de importação e da matéria-prima.
Tanto a impressora da Marker Bot quanto a da Formlabs já vem pronta para
utilização.
Já a empresa RepRap fornece materiais para amadores que queiram montar
sua impressora em casa, porém esses amadores não devem ser leigos no
assunto, pois não são Kits prontos de montagem que são fornecidos, mas
motores, correias, cabeça de impressão, mesa aquecida e circuitos eletrônicos.
Figura 10: Impressoras da empresa
Stratasys. (Fonte da imagem:
http://www.stratasys.com/3d-printers)
Figura 11: Impressora da empresa Brasileira
Cliever. (Fonte da imagem:
www.clievertecnologia.webstorelw.com.br)
23. 23
Todo o restante do projeto deve ser desenvolvido pelo usuário, assim como a
instalação, montagem, testes e desenvolvimento de toda a parte de software do
equipamento. Desta forma são montadas diversas impressoras baseadas em
diferentes soluções para os problemas encontrados, gerando assim um grupo de
estudo em impressão 3D, permitindo que as soluções mais simples e baratas
sejam difundidas entre os entusiastas e sejam mais amplamente aplicadas. Esse
“movimento” amador é o principal motor do desenvolvimento e popularização do
mercado de impressão 3D hoje no Brasil. Vale ressaltar que as peças básicas
para a montagem de uma impressora 3D baseadas nos equipamentos da Reprap
não sai por menos de R$2.000,00 e ainda são necessários inúmeros outros
componentes para que a impressora fique funcional.
Figura 12a e 12b:Impressoras amadoras com componentes RepRap. (Fonte da imagem: 12a:
http://ikmaak.nl/eenblog/tag/reprap/; 12b: http://www.3ders.org/articles/20121123-meet-
metalbot-new-all-metal-reprap-compatible-3d-printer.html)
24. 24
5. A IMPRESSORA 3D CONSTRUIDA PARA O TCC
A ideia de se construir uma impressora de prototipagem rápida surgiu quando
membros do grupo pesquisaram sobre o assunto em sites especializados e viram
a carência desse tipo de tecnologia no mercado nacional. Em locais como os
Estados Unidos e Europa, o uso dessa tecnologia em nível acadêmico e
amadorismo já esta relativamente bem difundida, mas no Brasil essa tecnologia
de prototipagem ainda é pouco conhecida, sendo seu uso restrito a grandes
empresas. Se as faculdades adotassem esse tipo de equipamento como
instrumento didático nos cursos de engenharia e robótica, o conhecimento sobre
microcontroladores, servo mecanismos e eletroeletrônica seria incrementando de
forma significativa, porém sempre houve a barreira do custo. Partindo dessa ótica
nos propomos a construir com o menor custo que pudéssemos uma impressora
de prototipagem rápida 3D.
Baseados nas informações que obtivemos pela pesquisa prévia que
realizamos, visando a construção de uma impressora de baixo custo, traçamos
algumas diretrizes para o projeto:
A tecnologia a ser utilizada será FDM, (Fusão por depósito de
material);
Localizar fornecedores de materiais eletroeletrônicos, como
servomotores e placas aquecidas, para que adquiríssemos os materiais
que não podemos construir;
Utilizar o MDF para como estrutura do equipamento devido o menor
custo e a facilidade de se trabalhar com esse tipo de madeira;
Desenhar as partes mecânicas que deveriam ser usinadas e solicitar o
serviço às empresas de usinagem;
Fazer download dos softwares que a impressora necessita para
funcionar e aprender a utiliza-los;
Definir um cronograma de montagem e dividir entre os membros do
grupo todas as tarefas necessárias para que o cronograma fosse
obedecido;
O Projeto depois de concluído resultou em uma impressora 3D de ABS com
tecnologia de impressão FDM com as seguintes características:
A peça de maior dimensão que pode ser impressa é equivalente ao
volume de um cubo com 120 mm de lado;
Velocidade de construção, (Build Speed) até 10 camadas por minuto;
Material de fusão é o ABS com diâmetro nominal de 1,75 mm;
Diâmetro do furo do bico é 0,3 mm que é a precisão da impressão;
Peso total da máquina é de 41 KG
Todas as informações do projeto estão disponíveis nos próximos tópicos e
disponíveis para aqueles que desejarem construir uma impressora semelhante.
25. 25
6. MONTAGEM
Para se iniciar a montagem do equipamento, uma listagem completa com
todos os materiais necessários foi elaborada conforme a tabela abaixo.
Lista de Materiais Utilizados
Equipamento / Material Quant.
Anéis elásticos para travar os rolamentos 6
Arduino atmega 2560 1
Arruela 3 mm 14
Arruela 4 mm 4
Arruela 5 mm 2
Arruela 6 mm 24
Bico de cerâmica diâmetro cônico de 13x6mm 1
Bobina de ABS de 1 km com espessura de
1.75mm
1
Cabo de rede RJ45 1
Cabo impressora macho x macho 1
Cabo USB macho x fêmea para impressora 1
Cooler para resfriamento transparente 80x80mm 3
Correia de impressora com passo de 1,5mm com
largura de 6 mm
2
Dissipador de calor com cooler 1
End stop para arduino xyz (fim de curso) 3
Fonte 350 w atari modelo atx sem proteção 1
Gabinete CPU para computador de 4 baias 1
Hastes guias eixos x, y e z. 6
Macarrão para acabamento 10metros 1
Madeira de espessura 6 mm 210x180mm 1
Madeira de espessura 6 mm 40x135mm 2
Madeira de espessura 6 mm 40x180mm 2
Madeira de espessura 4 mm 40x75mm 2
Madeira de espessura 6 mm 45x210mm 1
Madeira de espessura 4 mm 65x250mm 2
Madeira de espessura 4 mm 65x75mm 2
Madeira de espessura 4 mm 67x250mm 1
Madeira de espessura de 15 mm
280x400mm(tabua churrasco)
1
MDF de espessura 18,5mm placa de
2800x2000mm
1
“Motor de passo Mercury de 1.8” - 12 v - 0,8A - 4
fios - 40x40mm
4
Parafuso M3x16 52
Parafuso M3x20 20
26. 26
Parafuso M3x25 4
Parafuso M3x30 2
Parafuso M3x40 2
Parafuso M3x45 2
Parafuso M3x50 8
Parafuso M4x35 4
Parafuso M5x20 2
Parafuso M5x40 2
Parafuso M6x25 4
Parafuso M6x40 14
Parafuso M6x45 4
Parafuso M6x50 4
Parafuso M6x60 2
Placa de alumínio espessura 2 mm 120x120mm 1
Placa de madeira mdf espessura 4 mm
120x120mm
1
Placa de resistência com filamentos espessura
1,5mm 120x120mm
1
Placa mãe e controlador de extrusão shield
empresa makerboot
1
Plataforma de aquecimento 120x120mm heatbed
hot plate
1
Polia e esticador do eixo Y 1
Polias de alumínio do carro x e y 4
Porca M3 58
Porca M4 4
Porca M5 4
Porca M6 26
Presilhas Hellermann 4
Resistência do bico cadridge heater 40 w 1
Rolamento axial eixo y 1
Rolamento linear KB16 Ø interno 8 mm Ø externo
16 mm
6
Rolamento radial eixo x,y 2
Rolo de kapton com largura de 120 mm x 22 m 1
Shield makerboot control extruder 1
Suporte do rolo de ABS aço 1020 2
Suportes de aço 1020 para os micros 3
Termopar tipo k 1
Trafo 500VA de 127/220v marca kitec modelo
AT500VA
1
Varões M6x400 mm 2
Tabela 1: Materiais Utilizados
27. 27
Bases de madeira
Diversas bases de madeira MDF de espessura 18,5 mm foram utilizadas
como estrutura principal das partes mais importantes do corpo da impressora.
Base Principal da Máquina
A base foi construída a partir de uma placa de madeira MDF de espessura
18,5mm com uma dimensão de 1100x900mm, sobre essa as outras
estruturas foram sendo parafusadas.
Figura 13: Base das hastes do motor Z Figura 14: Base frontal
Figura 16: Base Traseira
Figura 15: Base do Transformador
28. 28
Figura 17: Base principal da impressora.
6.1 Estruturas auxiliares
Uma quantidade total de equivalente a uma placa de 1475mmx656mm de
madeira de MDF de espessura 4 mm foi utilizada na montagem, sendo que foi
comprada uma placa de 1800x1000mm que foi cortada com uma serra tico-tico.
A placa foi usada nos seguintes componentes:
Carro do eixo X e Y madeira MDF de 4mm:
Madeira de espessura 4 mm 65x250mm = 2 peças;
Madeira de espessura 4 mm 65x75mm = 2 peças;
Madeira de espessura 4 mm 67x250mm = 1 peças;
Madeira de espessura 4 mm 40x75mm = 2 peças;
Carro eixo Z madeira MDF 6 mm:
Madeira de espessura 6 mm 210x180mm = 1 peça;
Madeira de espessura 6 mm 45x210mm = 1 peça;
Madeira de espessura 6 mm 40X135mm = 2 peças;
Madeira de espessura 6 mm 40x180mm = 2 peças;
Base da montagem da Máquina de Prototipagem:
Tábua de churrasco da Tramontina;
Madeira de espessura de 15 mm 280X400 mm;
Placa da mesa da máquina onde é fundida a peça:
29. 29
Placa de madeira mdf espessura 4 mm 120x120 mm;
Placa de alumínio espessura 2 mm 120x120 mm;
Placa de resistência com os filamentos espessura 1,5 mm
120x120 mm;
Suporte do rolo de ABS:
Duas cantoneiras de aço 1020 pintada com spray, cor preta
Figura 18: Suporte do rolo de ABS
30. 30
7. DESCRIÇÃO DO PROCESSO DE MONTAGEM
A montagem do projeto foi iniciada com a confecção do carro matricial do
projeto, o que executa os movimentos em x e y para a produção das peças,
foram utilizados madeira MDF para a confecção do carro, base e todas as
estruturas de suporte, as guias principais do carro foram fixadas em uma base de
madeira densa, mais precisamente uma tábua de cortar carne da marca
Tramontina. A partir dessa primeira parte da impressora foram sendo construídas
as demais, primeiramente a fixação do sistema do carro xy na estrutura de
madeira densa, e depois a montagem da estrutura do eixo z e de outros
componentes de fixação, como se a impressora fosse “crescendo” a partir do
carro principal.
Figura 19: Mesa base para produção de peças
Figura 20: Primeira estrutura da impressora a ser montada, o carro xy.
31. 31
O carro, possui 2 dois motores de passo um em cada eixo x e y para sua
respectiva movimentação com precisão em torno de +/-1mm, dependendo do
modelo da peça pode-se chegar há uma precisão de até 0,3mm devido as hastes
lineares com rosca M6 conseguindo a precisão do conjunto como citado
anteriormente, o carro possui duas correias para movimento em seus respectivos
eixos de trabalho x e y. Fixado em uma plataforma fixa de madeira MDF com
base de altura de 365mm onde esta fixado o eixo z junto com o bico extrusor de
material ABS onde acontece a fusão do material para a confecção da peça
desejada tendo como base dois eixos fixos de rosca sem fim para movimento
preciso do bico em relação ao eixo z, sendo a base fixa do bico sendo toda em
MDF sendo movimentada também por um motor de passo, sendo planejada
conforme a imagem à seguir:
Figura 21: Base do eixo Z com bico extrusor de material ABS para produção peças
Para a alimentação do bico extrusor é utilizado uma bobina de filamento
plástico ABS, o servomotor da extrusora não pode travar durante o processo de
impressão, sendo então de vital importância que a bobina possa desenrolar
facilmente, desta forma optou-se pela construção de um suporte que fosse leve e
com baixo atrito, para tal tarefa foram adquiridas cantoneiras de aço 1020 sendo
utilizadas como suporte, um eixo principal, onde se da o movimento de rotação,
passa pelo centro da bobina e possui 2 rolamentos fixados nas extremidade da
cantoneira para não forçar o motor do bico extrusor durante o processo de
desenrolar o filamento de ABS.
32. 32
Figura 22: Bobina de ABS e seu suporte
Há uma base lateral com suporte no formato de cantoneira de 20x20mm para
a mesa de produção e resfriamento da peça, onde está localizado o cooler de
resfriamento, onde o instalamos devido a necessidade de se evitar o
empenamento da peça e aumentar a velocidade para resfriamento da mesma.
Figura 23: Base e cooler de resfriamento de
peças
33. 33
As placas eletrônicas estão localizadas em um gabinete de PC, local onde
está armazenado todos os componentes e controladores eletrônicos da
impressora, esta ideia veio a partir da necessidade de armazenamento em um
local seguro e com resfriamento adequado.
Figura 24: Gabinete com placas eletrônicas
Os circuitos elétricos de potência que alimentam a impressora foram fixados
na lateral da placa-base principal, eles são compostos por um transformador de
127 volts para 220 volts, barra de tomadas e disjuntor de proteção.
Figura 25: Transformador de Alimentação
34. 34
8. SISTEMAS ELETROELETRÔNICOS
Embora seja de montagem relativamente simples a impressora 3D é um
equipamento que dispõe dos mais avançados dispositivos e malhas de controle,
para entender satisfatoriamente o funcionamento de equipamento, se faz
necessário uma compreensão sobre os tipos de controles de processo e suas
características básicas.
8.1 Controle do Processo
Os processos industrias são operadores que funcionam em ambientes
adversos, e para garantir a máxima qualidade e eficiência de qualquer processo,
as industrias investem cada vez mais em sistema automatizados que garantam
esse resultado. Essa dinâmica é realizada pelas malhas de controle que
garantem a estabilidade da operação e atende as especificações do processo.
Existem dois tipos de processos para se automatizar uma planta.
PROCESSO CONTINUO – as variáveis são reguladas ou ajustadas através
de um valor de referencia ou set-point.
PROCESSO DESCONTINUO - São processos que funcionam de acordo com
a sequencia de operações programáveis, que dependem de sinais de entrada do
processo e da unidade de controle.
8.2 Objetivos de um Sistema de Controle
Proteger o sistema de perturbações externas ou da natureza.
Garantir a estabilidade de funcionamento do processo.
Fazer a otimização de desempenho do processo.
8.3 Malhas de Controle
A estratégia de controle de um processo pode ser composta por quatro
etapas. A primeira delas é o processo, é a partir dele que conheceremos cada
fase do funcionamento do processo e assim ter condições de levantar
informações necessárias para automatiza-lo. A segunda etapa é a
Instrumentação de Medição, que fazem as medições das variáveis do processo e
informam de modo contínuo. A terceira parte são os Instrumentos de Controle
que fazem a tomada de decisão e consequentemente a atuação no processo. A
quarta parte são os Instrumentos de Atuação que fazem a correção da atuação
da terceira parte (Instrumentos de Controle) do processos.
8.4 Processos de controle em Malha aberta e Malha Fechada
MALHA ABERTA – Tipo de sistema que não possui realimentação,
consiste em aplicar um sinal na entrada para se ter uma reposta na
35. 35
saída já esperada (Variável controlada). Como a entrada não
depende da saída não é possível se ter uma resposta da evolução
do processo, a desvantagem desse processo que só teremos uma
saída esperada se não tivermos perturbações externas.
MALHA FECHADA – É um tipo de sistema que funciona ao
contrário do sistema de Malha Fechada, é aplicado um sinal na
entrada e esperasse que a saída (Variável Controlada) atinja um
determinado valor ou apresente um determinado comportamento.
Com esse tipo de processo conseguimos medir a evoluçao do
processo e com isso melhora-lo; dieferente do sistema de Malha
Aberta com esse Processo de Controle conseguimos uma saída de
resposta mesmo com pertubações externas, pois essas ja estarão
calculada no sistema.
8.5 Controle e Funcionamento do Projeto
A alimentação elétrica é feita por meio de um tranformador que eleva a tensão
da ede para 220 volts e alimenta uma fonte tipo ATX própria para computadores,
esta fonte disponibiliza tensões elétricas em corrente contínua de 12 e 5 volts,
que são utilizadas por todas as placas eletrônicas da impressora. A Placa Mãe é
conecta ao Arduino que controla os motores de Passo movendo a plataforma de
acordo com a programação feita em C ou C++ e enviada a o arduino pela porta
USB via cabo, as End Stops fazem a limitação do avanço dos motores.
O sistema eletroeletrônico possui uma placa de processamento Arduíno com
microcontrolador AT-Mega, esta placa é conectada com uma placa extra,
chamada de Shield, que faz o controle do aquecimento da mesa de impressão e
do bico extrusor. Também conectados ao Arduíno estão as placas dos motores
de passo dos eixos e do alimentador do bico extrusor.
O controle dos motores de Passo é feita em Malha Aberta, pois os motores de
Passo não possuem sensores que fazem medições e corrijam o seu
posicionamento. O posicionamento é feito através dos pulsos enviado ao motor
que energizam cada uma de suas bobinas internas, devido a precisão do seu
funcionamento um amalha fechada não se faz necessária.
O controle do quecimento das resistências, tanto da mesa quanto do bico, é
feito em Malha Fechada, pois se trata de um processo que deve seguir limites
mínimos e máximos de temperatura para se obter a qualidade desejada.
Somente através desse método de controle conseguimos monitorar todos os
pontos do processo fazendo melhorias se necessário.
37. 37
8.7 Descrição dos Componentes
1 - Transformador
Dispositivo que tem a função de transmitir energia e potência elétrica de um
circuito a outro, transformando ou modificando valores de impedâncias de um
circuito.
2 - Fonte
Uma fonte de alimentação tem a finalidade de transformar energia elétrica na
forma de corrente Alternada em corrente Continua.
3 - Coolers 1 e 2
Dissipador de calor, constante ventilador que remove o excesso de calor do
gabinete.
4 - USB
Dispositivo que permite a entrada e saída de dados e facilita a conexão de
aparelhos e periféricos.
5 - Arduino
É uma plataforma eletrônica de hardware livre, com um microcontrolador com
entradas e saídas, programada em linguagem C ou C++.
6 - Placa Mãe
É responsável por conectar todos os componentes, além de expandir as portas
digitais e analógicas conforme a necessidade do projeto.
7 - Motores de Passo (X, Y, Z, B)
Motor DC de precisão, torque e velocidade muito utilizado em otimização de
máquinas para garantir o controle do processo.
8 - Driver (X, Y, Z, B)
É responsável por controlar o acionamento dos motores de passo, este controle é
feito por meio de circuitos eletrônicos chamados de acionadores ou Driver
adequando os pulsos do motor de acordo com aplicação.
9 - End Stop X, Y, Z (fim de Cursos)
Comutador elétrico atuado por uma força física muito pequena limitando os
cursos de cada eixo
10 - Shield Control Extruder
É uma plataforma eletrônica que controla as resistências da mesa e bico de
acordo com a leitura feita pelos termopares.
11 - Heater (Resistência) da Mesa e Bico
As resistências elétricas (um fio elétrico com resistividade elevada; resistividade é
uma grandeza elétrica). A passagem da corrente elétrica num fio dá origem à
produção de calor.
38. 38
12 - Termopar
São sensores utilizados em diversos processos de medição de temperatura. É
constituído por dois metais com suas extremidades curto-circuitadas gerando uma
força eletromotriz (FEM), que ligada a um aparelho de medição consegue realizar
leituras dos termopares.
13 - Cooler Fan (Cooler de resfriamento)
Tem a finalidade de resfriar a peça após ser impressa para garantir a qualidade e
velocidade do processo final.
14 - Coolers do Bico e da Mesa
Dissipadores de calor que a função de retirar o excesso de calor gerado
durante o processo.
39. 39
9. PROCESSO E FERRAMENTAS PARA IMPRESSÃO
A seguir segue a descrição detalhada dos paços de impressão de uma peça
com o nome da faculdade (UNIP).
9.1 Modelo 2D (Bidimensional)
Inicialmente devemos construir um modelo utilizando um software cad, este
modelo deverá ser uma figura “fechada” ou seja com todos as curvas e retas
unidas por pontos, para esse exemplo adotamos o logo da Unip(universidade
paulista) para demonstrar o sketch (croqui) no Catia V5.
Figura 27: Logo da UNIP desenhado no Catia.
9.2 Modelo em 3D (Tridimensional)
Depois que o modelo em 2D estiver pronto, devemos adicionar mais um
terceiro eixo no sketch, ou seja devemos dar volume para o logo, no exemplo
abaixo o logo terá a espessura de 5mm.
Figura 28: Modelo tridimensional do logo.
40. 40
Figura 29: Modelo 3D concluído.
9.3 Extensão STL
Ao termino do modelamento tridimensional o modelo deverá ser salvo na
extensão STL (Stereolithograph) Esse formato transforma um modelo CAD em
uma malha de triângulos. O arquivo contém informação dos vértices e normais da
figura. Para a conversão de arquivos aconselha-se fechar todos os “furos” na
malha; Orientar as normais para fora; Exportar o modelo com o parâmetro
binário.
Figura 30: Modelo no formato STL.
41. 41
9.4 Análise de Elementos Finitos (Opcional)
Com o modelo tridimensional em mãos podemos fazer simulações das
propriedades físicas de nossa peça através de um software CAE de análise de
estruturas , para nosso exemplo o ensaio foi feito com módulo GSA “Generative
structural analysis” da Dassault Systemes. Segue abaixo um modelo de ensaio
de elementos finitos utilizando a nossa peça (logo - unip).
Figura 31: Analise de elementos finitos 1° passo
42. 42
Figura 32: Análise de elementos finitos 2° passo
Figura 33: Análise de elementos finitos 3° passo
44. 44
Figura 35: Resultado final do teste de elementos finitos
Conclusão do ensaio: Conforme relatório acima o material utilizado no ensaio
foi o termoplástico ABS (Acrilonitrila butadieno estireno),a peça foi recebeu uma
carga de 80 kgf no eixo “x” e apresentou um estiramento ao longo dos demais
eixos gerando assim momento resultantes nos 3 eixos, foi constatado também
que a tensão do materialaté o limite da deformação (Ruptura ou estiramento) é
de aproximadamente 2,27e+008 N/m².
9.5 Replicator G
Esse é um software open source 3D construído para plataforma Arduino,
inicialmente o mesmo foi desenvolvido para máquinas do tipo CNC, atualmente o
software adaptado para prototipagem, com ele conseguimos ler o modelo
tridimensional no formato STL e posiciona-lo na matriz referencia da mesa de
impressão, o mesmo envia as instruções através de compilação para o
controlador Arduino que as recebe na linguagem de programação c/c++.
Figura 36: Tela do software Replicator G
Peça posicionada na matriz 120x120 da placa de impressão previamente configurada.
45. 45
Através Replicator, configuramos os parâmetros de impressão como
demonstrado abaixo:
Figura 37: Tela de configuração de impressão (parâmetros).
Segue alguns exemplos de configuração traduzidos:
Object infill (%) = porcentagem de preenchimento do solido.
Layer Height (mm) = altura de cada camada.
Number of shells = número de camada por avanço
Feedrate (mm/s) = velocidade de injeção do mateira no bico.
Material type: tipo de material
Nozzle Diameter (mm) = Diâmetro do bico
9.6 Skeinforge
É uma cadeia de ferramentas composto de scripts em Python que converte o
seu modelo 3D em instruções G-código para que o Replicator consiga compilar
as informações ao controlador, é o skeinforge que “fatia” o objeto, ou seja, divide
em camadas pré-definidas.
46. 46
Figura 38: Skeinforge , modelo de fatiamento de uma engrenagem,(esquerda) com os devidos
parâmetros (direita).
9.7 G-code
GCodes é um protocolo baseado em texto, que é gerado com base em um
modelo 3D. Estas instruções podem ser enviados para uma máquina que irá
interpretar estas linhas e executá-los, um por um. As instruções Gcode
freqüentemente têm um X, Y e Z de coordenadas, são estes os pontos no espaço
3D que a cabeça de impressão se moverá dentro Além disso, não há uma
definição de velocidade, o chamado 'avanço'.
Aqui está um exemplo pedaço de Gcode:
G1 X0.0 Y0.0 Z0.0
G1 X10.0 Y10.0 Z0.0 F1000
Através deste pedaço de Gcode, a ferramenta será movido de sua posição
atual para X, Y e Z posição 0.0. Isso acontecerá na última configuração de
velocidade (velocidade de avanço, F) que foi enviado. Em seguida, ele irá se
mover para a posição 10, 10, 0 (X, Y, Z) em avanço de 1000. As distâncias são
em milímetros ou centímetros, dependendo da configuração da máquina. O
avanço é mm / min ou polegadas / min.
Alguns códigos G úteis são:
G0 - Rapid Motion - Movimento Rápido
G1 - Coordinated Motion - Movimento Coordenado
G2 - Arc - Clockwise – sentido horário
G3 - Arc - Counter Clockwise – sentido anti-horário
G4 - Dwell
47. 47
G10 - Create Coordinate System Offset from the Absolute one - Criar Sistema
de Coordenadas Offset do Absoluto
G17 - Select XY plane (default)
G18 - Select XZ plane (not implemented)
G19 - Select YX plane (not implemented)
G20 - Inches as units - polegadas como unidades
G21 - Millimeters as units - Milímetros como unidades
G28 - Home given Axes to maximum – máxima distancia do eixo selecionado
G30 - Go Home via Intermediate Point (not implemented)
G31 - Single probe (not implemented)
G32 - Probe area (not implemented)
G53 - Set absolute coordinate system
G54-G59 - Use coordinate system from G10 P0-5
G90 - Absolute Positioning – posicionamento absoluto
G91 - Relative Positioning – posicionamento relativo
G92 - Define current position on axes - Definir a posição atual em eixos
G94 - Feed rate mode (not implemented) - Modo de Avanço
G97 - Spindle speed rate - Taxa de Velocidade de rotação
G161 - Home negative
G162 - Home positive
X absolute position - posição absoluta
Y absolute position - posição absoluta
Z absolute position - posição absoluta
A position (rotary around X)
B position (rotary around Y)
C position (rotary around Z)
U Relative axis parallel to X
V Relative axis parallel to Y
W Relative axis parallel to Z
M code (another "action" register or Machine code(*)) (otherwise referred to as
a "Miscellaneous" function")
F feed rate
S spindle speed
N line number
R Arc radius or optional word passed to a subprogram/canned cycle
P Dwell time or optional word passed to a subprogram/canned cycle
T Tool selection
I Arc data X axis
J Arc data Y axis.
K Arc data Z axis, or optional word passed to a subprogram/canned cycle
D Cutter diameter/radius offset
H Tool length offset
Segue abaixo um exemplo de código G:
G1 X5 Y-5 Z6 F3300.0 (mova para posição <x,y,z>=<5,-5,6> na
velocidade de 3300.0)
G21 (muda as unidades para milímetro)
48. 48
G90 (posiciona a peça na posição absoluta)
G92 X0 Y0 Z0 (posiciona a peça na posição de calibragem
<x,y,z>=<0,0,0>)
Figura 39: Peça final acabada, impressão em 20min
50. 50
11. MATRIZ DE CUSTOS
Tabela 2: Matriz de custos do Projeto
Matriz de custo TCC
Preço
indice Equipamento Quant. Unitário Valor total Acumulado
1 Termopar tipo k 1 42,00R$ 42,00R$ 42,00R$
2 Placa mae e controlador de extrusão shield empresa makerboot 1 170,00R$ 170,00R$ 212,00R$
3 End stop para arduino xyz (fim de curso) 3 30,00R$ 90,00R$ 302,00R$
4 Arduino atmega 1 130,00R$ 130,00R$ 432,00R$
5 Cooler para resfriamento transparente 80x80mm 3 20,00R$ 60,00R$ 492,00R$
6 Fonte 350w atari modelo atx sem proteção 1 53,00R$ 53,00R$ 545,00R$
7 Shield makerboot control struder 1 200,00R$ 200,00R$ 745,00R$
8 Plataforma de aquecimento 120x120mm heatbed hot plate 1 100,00R$ 100,00R$ 845,00R$
9 Resistência do bico cadridge heater 40w 1 10,00R$ 10,00R$ 855,00R$
10 Bico feito de cerâmica com saída de 0,3mm feito de bronze com diâmetro conico de 13x6mm e peso de 2 gramas 1 3,00R$ 3,00R$ 858,00R$
11 Dissipador de calor com cooler 1 23,00R$ 23,00R$ 881,00R$
12 Trafo 500VA de 127/220v marca kitec modelo AT500VA 1 50,00R$ 50,00R$ 931,00R$
13 Motor de passo Mercury de 1.8” - 12v - 0,8A - 4 fios - 40x40mm 4 65,00R$ 260,00R$ 1.191,00R$
14 Rolo de kapton com largura de 120mm x 22metros 1 150,00R$ 150,00R$ 1.341,00R$
15 Bobina de ABS de 1Km com espessura de1.75mm 1 120,00R$ 120,00R$ 1.461,00R$
16 Gabinete CPU para computador de 4 baias 1 420,00R$ 420,00R$ 1.881,00R$
17 Macarrão para acabamento 10metros 1 4,00R$ 4,00R$ 1.885,00R$
18 Cabo de rede RJ45 1 12,00R$ 12,00R$ 1.897,00R$
19 Cabo usb macho x femea para impressora 1 15,00R$ 15,00R$ 1.912,00R$
20 Cabo impressora macho x macho 1 15,00R$ 15,00R$ 1.927,00R$
21 Correia de impressora com passo de 1,5mm com largura de 6mm 2 2,50R$ 5,00R$ 1.932,00R$
22 Parafuso M3x16 52 0,10R$ 5,20R$ 1.937,20R$
23 Parafuso M3x20 20 0,11R$ 2,20R$ 1.939,40R$
24 Parafuso M3x25 4 0,12R$ 0,48R$ 1.939,88R$
25 Parafuso M3x30 2 0,14R$ 0,28R$ 1.940,16R$
26 Parafuso M3x40 2 0,14R$ 0,28R$ 1.940,44R$
27 Parafuso M3x45 2 0,14R$ 0,28R$ 1.940,72R$
28 Parafuso M3x50 8 0,14R$ 1,12R$ 1.941,84R$
29 Parafuso M4x35 4 0,43R$ 1,72R$ 1.943,56R$
30 Parafuso M5x20 2 0,26R$ 0,52R$ 1.944,08R$
31 Parafuso M5x40 2 0,38R$ 0,76R$ 1.944,84R$
32 Parafuso M6x25 4 0,47R$ 1,88R$ 1.946,72R$
33 Parafuso M6x40 14 0,60R$ 8,40R$ 1.955,12R$
34 Parafuso M6x45 4 0,78R$ 3,12R$ 1.958,24R$
35 Parafuso M6x50 4 0,73R$ 2,92R$ 1.961,16R$
36 Parafuso M6x60 2 0,64R$ 1,28R$ 1.962,44R$
37 Porca M3 58 0,04R$ 2,32R$ 1.964,76R$
38 Porca M4 4 0,04R$ 0,16R$ 1.964,92R$
39 Porca M5 4 0,05R$ 0,20R$ 1.965,12R$
40 porca M6 26 0,08R$ 2,08R$ 1.967,20R$
41 Arruela 6mm 24 0,13R$ 3,12R$ 1.970,32R$
42 Arruela 5mm 2 0,12R$ 0,24R$ 1.970,56R$
43 Arruela 4mm 4 0,06R$ 0,24R$ 1.970,80R$
44 Arruela 3mm 14 0,08R$ 1,12R$ 1.971,92R$
45 Presilhas hellermann 4 0,10R$ 0,40R$ 1.972,32R$
46 Rolamento radial eixo x,y 2 7,00R$ 14,00R$ 1.986,32R$
47 Rolamento axial eixo y 1 15,00R$ 15,00R$ 2.001,32R$
48 Rolamento linear KB16 Ø interno 8mm Ø externo 16mm 6 17,00R$ 102,00R$ 2.103,32R$
49 Suportes de aço 1020 para os micros de referências dos eixos 3 1,00R$ 3,00R$ 2.106,32R$
50 Suporte do rolo de ABS aço 1020 2 15,00R$ 30,00R$ 2.136,32R$
51 MDF de espessura 18,5mm placa de 2800x2000mm 1 145,60R$ 145,60R$ 2.281,92R$
52 Madeira de espessura 4mm 65x250mm 2 0,17R$ 0,34R$ 2.282,26R$
53 Madeira de espessura 4mm 65x75mm 2 0,05R$ 0,10R$ 2.282,36R$
54 Madeira de espessura 4mm 67x250mm 1 0,17R$ 0,17R$ 2.282,53R$
55 Madeira de espessura 4mm 40x75mm 2 0,03R$ 0,06R$ 2.282,59R$
56 Madeira de espessura 4mm 210x180mm 1 0,40R$ 0,40R$ 2.282,99R$
57 Madeira de espessura 4mm 45x210mm 1 0,10R$ 0,10R$ 2.283,09R$
58 Madeira de espessura 4mm 40X135mm 2 0,06R$ 0,12R$ 2.283,21R$
59 Madeira de espessura 4mm 40x180mm 2 0,08R$ 0,16R$ 2.283,37R$
60 Madeira de espessura de 15mm 280X400mm(tabua churrasco) 1 25,00R$ 25,00R$ 2.308,37R$
61 Placa de madeira mdf espessura 4mm 120x120mm 1 0,15R$ 0,15R$ 2.308,52R$
62 Placa de alumínio espessura 2mm 120x120mm 1 12,00R$ 12,00R$ 2.320,52R$
63 Placa de resistência com filamentos espessura 1,5mm 120x120mm 1 5,00R$ 5,00R$ 2.325,52R$
64 Varões M6x400mm 2 1,75R$ 3,50R$ 2.329,02R$
65 Aneis elástico para travar os rolamentos 6 1,00R$ 6,00R$ 2.335,02R$
66 Polias de alumínio do carro x e y 4 7,00R$ 28,00R$ 2.363,02R$
67 Polia e esticador do eixo Y 1 20,00R$ 20,00R$ 2.383,02R$
68 Hastes guias eixos x,y e z 6 4,00R$ 24,00R$ 2.407,02R$
69 Disjuntor unipopolar e bipolar (2A) + caixa de passagem 1 R$ 49,90 R$ 49,90 2.456,92R$
TOTAL 2.456,92R$
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Tabela 3: Custos por tipo de investimento
Após o término do projeto, os custos foram recalculados e o valor total de
gastos com o processo de montagem da impressora ficou em 2.456,92 Reais, um
custo considerado ainda alto para um equipamento final, mas que é excelente
para um protótipo construído por alunos de um curso de engenharia. Certamente
esse valor irá cair na construção de novos protótipos ou impressoras finais,
devido o refinamento do sistema mecânico e eletroeletrônico, algo que é possível
de se alcançar pelo aperfeiçoamento do protótipo já construído.
Figura 41: Vista frontal da impressora finalizada
Elétrica Mecânica Total
Série1 R$ 1.981,90 R$ 475,02 R$ 2.456,92
R$ -
R$ 500,00
R$ 1.000,00
R$ 1.500,00
R$ 2.000,00
R$ 2.500,00
R$ 3.000,00
Série1
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12. CONCLUSÃO
Com as inúmeras informações obtidas a respeito do universo de prototipagem
rápida em impressoras 3D durante o desenvolvimento desse projeto, podem-se
fazer algumas afirmações sobre a real capacidade de utilização dessa nova
tecnologia e suas limitações. Com certeza a impressão 3D irá substituir uma
gama de processos que hoje são feitos usando tecnologias mais caras e
trabalhosas, como o desenvolvimento de protótipos de futuros produtos, nesta
área a utilização esse tipo de tecnologia ainda é escassa, devido o custo do
equipamento de prototipagem, mas seu uso deve crescer ao longo dos próximos
anos, para que isto ocorra é necessário que sejam reduzidos os custos e
construção e operação de uma impressora 3D, este foi justamente o propósito
deste trabalho. As impressoras 3D terão ainda uma aplicação mais nobre, que
será a de criar um novo ramo de tecnologia que é a confecção de dispositivos
altamente personalizados, especialmente na área médica, envolvendo polímeros
naturais e artificiais com o propósito de substituir partes danificadas do corpo
humano, ou criar dispositivos que permitam a cura ou sobrevida de pessoas com
alguma moléstia, sejam artérias artificiais ou válvulas móveis para o coração.
Outro lado dessa mesma realidade demonstra que as qualidades da
prototipagem rápida são supervalorizadas, os mais afoitos defendem que a
impressão 3D irá substituir processos de usinagem e até de fundição de metais,
mas isso é uma supervalorização do potencial dessa tecnologia, pois as
características mecânicas do aço ainda não podem ser substituídas por nenhum
dos materiais que são utilizados pelas impressoras 3D. Se houver um avanço
significativo no estudo de novos materiais poliméricos com alta resistência
mecânica após o processo de fusão, essa realidade pode ficar mais próxima, do
contrário a utilização dessa tecnologia será limitada pelo tipo de material que ela
utiliza.
Durante o desenvolvimento da impressora enfrentamos problemas
relacionados com o desperdício de materiais, pois desconhecíamos algumas
técnicas de construção e precisamos refinar essas habilidades durante a
montagem do equipamento, mas mesmo diante desses custos inesperados,
utilizando equipamentos disponíveis no mercado e softwares gratuitos, foi
possível construir um equipamento confiável e de baixo custo. Sendo assim,
acreditamos que a popularização da prototipagem 3D é questão de tempo e, em
curto prazo, essa tecnologia estará disponível para usuários que não dispõem de
centenas de reais para adquirir uma impressora 100% industrial.
A montagem e operação desse tipo de impressora são relativamente simples,
alguma companhia que desejasse adquirir uma impressora bastaria contratar
uma empresa de automação, apresentar as especificações necessárias para
esse fornecedor e a impressora poderia ser construído por encomenda ou por
demanda de pedidos, personalizada ao processo e as dimensões que o cliente
necessita, usando materiais disponíveis no mercado e softwares livres.
No caso da impressora construída nesse Trabalho, o valor de R$ 2407,02 é
um preço significativo, porém esse custo pode facilmente diminuir refinando o
53. 53
processo de montagem do equipamento, caso se deseje padronizar um único
tipo de modelo, a estrutura de MDF poderia ser trocada por placas de alumínio
de 3 a 4 mm de espessura, assim a montagem seria mais rápida e o custo dessa
etapa seria menor. O intuito de se utilizar o MDF foi a facilidade de moldagem e a
possibilidade de se testar diversas configurações até que uma fosse determinada
como definitiva, o que foi muito útil na construção desse protótipo mas não se
aplicaria a uma impressora comercial.
Avaliando o funcionamento da impressora e a precisão mecânica da mesma,
podemos afirmar que os objetivos traçados no início deste projeto foram
alcançados e que é possível construir uma impressora de prototipagem com
poucos materiais, de custo bem inferior as disponíveis no mercado, adaptada as
características próprias do cliente e por pessoas com conhecimentos básicos
sobre os processos de prototipagem; durante as etapas de construção, o
conhecimento a respeito dessas técnicas foi significativo, e ao término da
montagem, a pessoa ou grupo que a construiu tem total capacidade de operar e
efetuar quaisquer futuras alterações ou manutenção na impressora.
No futuro podemos esperar a popularização desse equipamento, com clientes
residenciais se utilizando desse produto, seja para lazer ou mesmo para uma
renda extra, visto a facilidade de operação e a montagem simples do
equipamento; se a revolução em todos os processos produtivos que os
aficionados por impressão 3D esperam não vier a ocorrer, com certeza esse fato
não ofuscará o brilhante futuro que esses equipamentos de prototipagem rápida
terão.
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13.REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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preparar-arquivos-para-fabricacao-digital/>. Acesso em: 06 out. 2013
[17] GCODES. Disponível em <http://replicat.org/ gcodes>. Acesso em: 06 out. 2013
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