Processos de fabricação: Estudo avançados sobre a prototipagem rápida

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




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




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

A Deus, meus familiares, amigos e companheiros de
classe que muito nos ajudaram na realização deste projeto...

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.

“Nenhum caminho é longo demais quando um amigo
nos acompanha”. (Autor Desconhecido)

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.

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.

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

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

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.

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).

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.

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.

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

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.

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

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

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


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


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


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.

13

Figura 8 - Vazamento a vácuo




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


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


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


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

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,

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;

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

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.

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


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.

21

Figura 14 – Avaliação de função


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


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


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


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


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.

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


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


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


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


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


9.1. Outras aplicações

Figura 24 – Valores dos protótipos


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.

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.

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)

Processos de fabricação: Estudo avançados sobre a prototipagem rápida

Recomendados

Recomendados

Mais conteúdo relacionado

Destaque

Destaque (7)

Semelhante a Processos de fabricação: Estudo avançados sobre a prototipagem rápida

Semelhante a Processos de fabricação: Estudo avançados sobre a prototipagem rápida (20)

Mais de Rafael Lial

Mais de Rafael Lial (7)

Processos de fabricação: Estudo avançados sobre a prototipagem rápida