ESTUDO DE VIABILIDADE DE TECNOLOGIA DE PROTOTIPAGEM RÁPIDA BASEADA EM MATERIAIS FOTOPOLIMÉRICOS...
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7/25/2019 ESTUDO DE VIABILIDADE DE TECNOLOGIA DE PROTOTIPAGEM RPIDA BASEADA EM MATERIAIS FOTOPOLIMRICOS E
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UNIVERSIDADE TECNOLGICA FEDERAL DO PARAN
PR
UNIVERSIDADE TECNOLGICA FEDERAL DO PARANCAMPUS DE CURITIBA
GERNCIA DE PESQUISA E PS-GRADUAO
PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA
E DE MATERIAIS - PPGEM
MARLON WESLEY MACHADO CUNICO
ESTUDO DE VIABILIDADE DE TECNOLOGIA DEPROTOTIPAGEM RPIDA BASEADA EM MATERIAIS
FOTOPOLIMRICOS EXTRUDADOS
CURITIBA
DEZ - 2008
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MARLON WESLEY MACHADO CUNICO
ESTUDO DE VIABILIDADE DE TECNOLOGIA DE
PROTOTIPAGEM RPIDA BASEADA EM MATERIAIS
FOTOPOLIMRICOS EXTRUDADOS
Dissertao apresentada como requisito parcial obteno do ttulo de Mestre em Engenharia,
do Programa de Ps-Graduao em
Engenharia Mecnica e de Materiais, rea de
Concentrao em Engenharia de Manufatura,
do Gerncia de Pesquisa e Ps-Graduao, do
Campus de Curitiba, da UTFPR.
Orientador: Prof. Neri Volpato, Ph.D.
CURITIBA
DEZEMBRO 2008
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TERMO DE APROVAO
MARLON WESLEY MACHADO CUNICO
ESTUDO DE VIABILIDADE DE TECNOLOGIA DE
PROTOTIPAGEM RPIDA BASEADA EM MATERIAIS
FOTOPOLIMRICOS EXTRUDADOS
Esta Dissertao foi julgada para a obteno do ttulo de mestre em engenharia,
rea de concentrao em engenharia de manufatura, e aprovada em sua forma final
pelo Programa de Ps-graduao em Engenharia Mecnica e de Materiais.
_________________________________
Prof. Giuseppe Pintade, D.Sc.
Coordenador de Curso
Banca Examinadora
______________________________ ______________________________
Prof. Neri Volpato, Ph.D. Prof. Jonas de Carvalho, Ph.D.(UTFPR) (EESC-USP)
______________________________ ______________________________
Prof. Jos Aguiomar Foggiatto, Dr. Eng Prof. Carlos Marcus Gomes da SilvaCruz, D.Sc.
(UTFPR) (UTFPR)
Curitiba, 02 de fevereiro de 2009
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Dedicatria minha querida e amada noiva Jennifer,
pelo amor, carinho, pacincia e dedicao,apoiando e incentivando ao longo deste trabalho
Aos meus pais, Edimar e Miriam semprepresentes com muito amor.Ao meu irmo Malton e familiares, pelas
palavras de apoio e de companheirismo.
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AGRADECIMENTOS
A Deus, que em sua infinda bondade, forneceu foras e manteve minha mente aberta
para a realizao deste trabalho. Aos meus colegas, pelo grande apoio e suporte. minha
famlia pelas palavras de conforto e incentivo. minha noiva pelo carinho, amor e suporte
nos momentos difceis.
Ao meu orientador pelos conselhos e crticas construtivas, que me conduziu
realizao deste trabalho, conseqentemente obteno de ttulo de Mestre em Engenharia
pela Universidade Tecnolgica Federal do Paran.
Aos professores Snia Faria Zawadizk e Carlos Marcus Gomes da Silva Cruz, que me
orientaram no decorrer deste trabalho, auxiliando tecnicamente a fim de alcanar os
objetivos planejados.
Universidade Tecnolgica Federal do Paran, que, atravs de seus professores
laboratrios e programas de pesquisa, proporcionou condies para a realizao deste
trabalho.
A todos, que direta ou indiretamente contriburam para o desenvolvimento deste
trabalho.
Deus abenoe a todos.
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"A falsa cincia gera ateus; a verdadeira
cincia leva os homens a se curvarem diante
da divindade."
Voltaire
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CUNICO, Marlon Wesley Machado, Estudo de Viabilidade de Tecnologia de
Prototipagem Rpida Baseada em Materiais Fotopolimricos Extrudados, 2009,
Dissertao (Mestrado em Engenharia) - Programa de Ps-graduao em
Engenharia Mecnica e de Materiais, Universidade Tecnolgica Federal do Paran,
Curitiba, 204p.
RESUMO
Em funo do aumento da exigncia dos consumidores, as empresas so
obrigadas a dimunuir o tempo de desenvolvimento de produtos assim como reduzir
custos criando valor agregado a seus produtos. Para realizar estas mudanas foram
desenvolvidas diversas solues, sendo que uma delas a prototipagem rpida.
Embora a utilizao desta tecnologia tenha aumentando nos ltimos anos, no
existe fabricante nacional. Em funo desta carncia, o objetivo deste trabalho
iniciar o desenvolvimento de uma tecnologia nacional, realizando estudos de
viabilidade da proposta apresentada neste trabalho. Para realizao destes, foram
estudados materiais fotopolimricos e tecnologias de prototipagem rpida. Atravs
destes, foram encontradas caractersticas de fotopolmeros e mtodos de
caracterizao destes materiais. Da mesma forma, foram relacionadas
caractersticas de tecnologias de prototipagem rpida a fim de fundamentar o
desenvolvimento da concepo de uma nova tecnologia. Foi estudado o
comportamento do filamento em funo de parmetros de controle do processo
atravs de um planejamento fatorial de quatro fatores de resposta em funo de trs
fatores de controle. Foram encontradas janelas de processo que possibilitam
relacionar caractersticas finais do filamento com parmetros de controle e a
interao entre os mesmos. Com o estudo realizado, pode-se concluir que os testes
iniciais apontam para uma viabilidade do sistema proposto. No entanto, em funo
da originalidade e do carter inicial deste trabalho, mais estudos relacionados ao
processo e aos materiais so necessrios.
Palavras-chave: Prototipagem Rpida, Fotopolimerizao, Desenvolvimento de
Produto
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CUNICO, Marlon Wesley Machado, Viability study of Rapid Prototyping
Technology Based on extruded photopolymeric Materiais, 2009, Dissertation
(Master in Engeneering) - Programa de Ps-graduao em Engenharia Mecnica e
de Materiais, Universidade Tecnolgica Federal do Paran, Curitiba, 204p.
ABSTRACT
As consequence of increasing of customer`s needs, time of product development are
obligated to be reduced by enterprises, which also intent to created products whose
differential attend those needs. Therefore, several solutions had to be developed tosupport those changes, as such rapid prototyping. In spite of the growth of this
technology, there is no national supplier. In face of that gap, the main goal of this
work is to start the development of a national technology, studying the feasibility of
the new conception proposed in this work. In order to achieve this, photopolymeric
materials and rapid prototyping technologies were studied. It was found both
photopolymer characteristics and characterization methods of these materials. In the
same way, through characteristics of current rapid prototyping it was defined
parameters that support the development of a new conception. It was studied the
behavior of deposited filament in function of control parameters applying the factorial
design method, which defined four response factors and three control factors. It was
created contour diagrams that show the relationship between characteristics of final
process, the control parameters and their interactions. Through the study done, it
was concluded that the results of the prelimilary test point to feability of the proposed
system. Nevertheless, due to the originality and the initial stage of this work, its
necessary to carry out farther studies related to process and materials.
Keywords: Rapid Prototyping, Photopolymerization, Product Development
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SUMRIO
AGRADECIMENTOS ................................................................................................. iv
RESUMO.................................................................................................................... viABSTRACT ............................................................................................................... viiSUMRIO..................................................................................................................viii LISTA DE FIGURAS .................................................................................................. xiLISTA DE TABELAS ................................................................................................xxiiLISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS .................................................................. xxvLISTA DE SMBOLOS.............................................................................................xxvi1 INTRODUO......................................................................................................1
1.1 Contextualizao..................................................................................................................... 1
1.2 Apresentao do problema ..................................................................................................... 31.3 Relevncia do problema.......................................................................................................... 3
1.4 Proposta .................................................................................................................................. 5
1.5 Objetivos.................................................................................................................................. 6
1.5.1 Objetivo geral ...................................................................................................................... 6
1.5.2 Objetivos especficos........................................................................................................... 7
1.6 Organizao do Trabalho........................................................................................................ 7
2 REVISO BIBLIOGRFICA .................................................................................82.1 Tecnologias RP ....................................................................................................................... 8
2.1.1 Modelagem por Fuso e Deposio (FDM) ........................................................................ 8
2.1.2 Estereolitografia (SL)......................................................................................................... 16
2.1.3 Inkjet Print(IJP)................................................................................................................. 19
2.1.4 Comparativo entre tecnologias RP.................................................................................... 21
2.2 Materiais Fotopolimricos ..................................................................................................... 23
2.2.1 Definies.......................................................................................................................... 23
2.2.2 Compostos ........................................................................................................................ 24
2.2.3 Monmeros........................................................................................................................ 24
2.2.4 Oligmero .......................................................................................................................... 25
2.2.5 Fotoiniciadores e Co-iniciadores....................................................................................... 252.2.6 Aditivos.............................................................................................................................. 27
2.2.7 Fabricantes........................................................................................................................ 27
2.2.8 Fases da polimerizao .................................................................................................... 28
2.2.9 Parmetros de controle de fotopolimerizao................................................................... 32
2.3 DoE(Design of Experiments) ................................................................................................ 36
2.3.1 Conceitos Gerais de Experimentao............................................................................... 36
2.3.2 Tcnicas para Definio da Seqncia de Ensaios.......................................................... 37
2.3.3 Planejamento Fatorial........................................................................................................ 38
2.4 Discusso sobre a Reviso................................................................................................... 42
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3 MATERIAL E MTODOS ...................................................................................443.1 Materiais ................................................................................................................................ 44
3.1.1 Monmeros e Oligmeros ................................................................................................. 44
3.1.2
Iniciadores ......................................................................................................................... 46
3.1.3 Solvente e No-Solvente................................................................................................... 50
3.1.4 Cmara de conteno e Reflexo..................................................................................... 51
3.1.5 Lmpada de vapor de mercrio ........................................................................................ 51
3.1.6 Lmpada UV...................................................................................................................... 52
3.1.7 Balana eletrnica............................................................................................................. 54
3.1.8 Molde de Vidro .................................................................................................................. 54
3.1.9 Interface de Controle de Intensidade Luminosa ............................................................... 55
3.1.10 Equipamento de Prototipagem Rpida ............................................................................. 57
3.2 Caracterizao de Material ................................................................................................... 603.3 Parmetros e Controle do Processo RP Proposto................................................................ 61
3.3.1 Controle de Intensidade Luminosa.................................................................................... 61
3.3.2 Velocidade de Extruso .................................................................................................... 62
3.3.3 Velocidade de Deposio.................................................................................................. 64
3.3.4 Sintaxe de Programao CNC.......................................................................................... 67
3.3.5 Procedimento experimental............................................................................................... 69
4 PARTE EXPERIMENTAL ...................................................................................714.1 Estudo do Material................................................................................................................. 71
4.1.1 Caracterizao de Material 1 ......................................................................................... 71
4.1.2 Caracterizao de Material 2 ......................................................................................... 72
4.1.3 Caracterizao de Material 3 ......................................................................................... 73
4.1.4 Caracterizao de Material 4 ......................................................................................... 74
4.1.5 Caracterizao de Material 5 ......................................................................................... 75
4.1.6 Caracterizao de Material 6 ......................................................................................... 76
4.2 Estudo do Processo de Prototipagem Rpida ...................................................................... 77
4.2.1 Caracterizao de Filamento 1 ...................................................................................... 77
4.2.2 Caracterizao de Filamento 2 ...................................................................................... 78
4.2.3 Interao entre Filamentos................................................................................................ 82
4.2.4 Viabilidade Funcional ........................................................................................................ 83
4.3 Resumo de Estudo de Material do Processo........................................................................ 85
5 RESULTADOS E DISCUSSES........................................................................875.1 Estudo do Material................................................................................................................. 87
5.1.1 Caracterizao de Material 1 ......................................................................................... 87
5.1.2 Caracterizao de Material 2 ......................................................................................... 88
5.1.3 Caracterizao de Material 3 ......................................................................................... 90
5.1.4 Caracterizao de Material 4 ......................................................................................... 935.1.5 Caracterizao de Material 5 ......................................................................................... 95
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5.1.6 Caracterizao de Material 6 ......................................................................................... 96
5.1.7 Resumo de Resultados do Estudo do Material................................................................. 98
5.2 Estudo do Processo de Prototipagem Rpida ...................................................................... 98
5.2.1 Caracterizao de Filamento 1 ...................................................................................... 99
5.2.2 Caracterizao de Filamento 2 .................................................................................... 101
5.2.3 Interao entre filamento................................................................................................. 151
5.2.4 Viabilidade funcional........................................................................................................ 155
5.2.5 Resumo de resultados do Estudo do Processo de RP................................................... 157
5.3 Anlise Comparativa ........................................................................................................... 158
6 CONCLUSES.................................................................................................161 6.1 Consideraes finais ........................................................................................................... 161
6.2 Concluses.......................................................................................................................... 162
6.3 Estudos propostos............................................................................................................... 164
PRODUO CIENTFICA NO PERODO (Set 2006 Set 2008)...........................166REFERNCIAS.......................................................................................................167
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 - Representao genrica do processo de adio de camadas, princpio
de RP (VOLPATOet al., 2004) ............................................................................2
Figura 1.2 - Comparao entre tempo de comunicao na fase de projeto utilizando
desenhos 2D, modelos CAD 3D e prottipos fsicos (VOLPATO, 2007) .............4
Figura 1.3 - Ilustrao por quartil dos investimentos em RP de 2003 a 2005
(3DSYSTEMS, 2006) ...........................................................................................4
Figura 1.4 - Representao de proposta de nova concepo de RP..........................6
Figura 2.1- Representao do funcionamento de uma mquina FDM (AHN, 2002) ...9
Figura 2.2 - Ilustrao esquemtica de concepo de sistema de deposio (GENG
et al., 2005) ........................................................................................................10
Figura 2.3 Ilustrao esquematica de concepo de sistema de deposio
FDM (CRUMP, 1989).........................................................................................10
Figura 2.4 - Ilustrao esquemtica de concepo de sistema de deposio deFDM (CRUMP, 1989).........................................................................................11
Figura 2.5 - Ilustrao esquemtica de concepo de sistema de deposio de
FDM (BATCHELDER e JACKSON, 1995 ) ........................................................11
Figura 2.6 - Ilustrao esquemtica de concepo de sistema de deposio de
FDM (CRUMPet al., 1994) ................................................................................12
Figura 2.7 - Ilustrao esquemtica de concepo de sistema de deposio deFDM (GENGet al., 2005; BATCHELDER, 2006)...............................................12
Figura 2.8 - Ilustrao esquemtica de concepo de sistema de deposio de
FDM (CRUMP, 1989).........................................................................................12
Figura 2.9 Ilustrao de tipos de preenchimento onde: a) contorno (contour) e
b) varedura (raste)r(BELLINI e GERI, 2003)................................................13
Figura 2.10 - Ilustrao de seo transversal de filamentos, onde apresentada a
interao entre filamentos e vazios (BATCHELDER, 1995)...............................14
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Figura 2.11 - Foto de seo transversal de pea (AHN, 2002) .................................14
Figura 2.12 Ilustrao de vazios gerados em regio entre contorno e
preenchimento raster(HOLZWARTH, 2006) .....................................................14
Figura 2.13 - Sistema FDM Fab@home (MALONE e LIPSON, 2006) ......................15
Figura 2.14 - Sistema FDM RepRap (BOWYER, 2008)............................................15
Figura 2.15 - Exemplo de peas construidas em silicone por Fab@home (LIPSON e
MALONE, 2008).................................................................................................16
Figura 2.16 Exemplos de peas construdas em policaprolactona por RepRap
(BOWYER, 2008)...............................................................................................16
Figura 2.17 Esquema de funcionamento de Estereolitografia (VANDRESEN, 2004)
...........................................................................................................................17
Figura 2.18 - Representao de seo transvesal de uma linha nica gerada por
SLA (JACOBS, 1992; TANG, 2005)...................................................................18
Figura 2.19 - Esquema de funcionamento de IJP (OBJET, 2008).............................19
Figura 2.20 Formao de linhas em funo de frequncia de deposio
(MARGOLIN, 2006)............................................................................................20
Figura 2.21 - Comparativo entre tempo mdio de fabricao de peas fabricadas por
FDM, IJP e SL (GRIMM, 2003) ..........................................................................21
Figura 2.22 - Comparativo entre desvios dimensionais de peas fabricadas por FDM,
IJP e SL (GRIMM, 2003)....................................................................................22
Figura 2.23 - Comparativo entre qualidade superficial de peas fabricadas por FDM,
IJP e SL (GRIMM, 2003)....................................................................................23
Figura 2.24 - Exemplo dos principais grupos funcionais apropriados fotocura: a)
dupla-ligao entre oxignio e carbono; b) dupla-ligao entre tomos de
carbono; c) anel epxi (ODIAN, 2004) ...............................................................24
Figura 2.25 - Representao de gerao de fotofragmentao (MATYJASZEWSKI e
DAVIS, 2002) .....................................................................................................25
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Figura 2.26 - Representao de gerao de ons utilizados em fotocura
(MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002)..................................................................26
Figura 2.27 - Exemplo de amina terciria, Benzophenone/ N,N-dimethyl aniline
(MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002)..................................................................26
Figura 2.28 Fases e tipos de de fotopolimerizao radicalar, onde
fotofragmentao e abstrao so referntes ao Tipo I e a transferncia de
eletrons ao Tipo II (KRICHELDORFet al., 2005)...............................................29
Figura 2.29 - Representao de tipos de quebra de ligao, onde a)heteroltica;
b)dupla ligao; c)homoltica (ODIAN, 2004).....................................................30
Figura 2.30 - Representao de fases de polimerizao inica, propagao,
transferncia e terminao, respectivamente (RODRIGUES e NEUMANN, 2003)
...........................................................................................................................30
Figura 2.31 - Exemplos de grupos funcionais de polimerizao por abertura de anis
(ODIAN, 2004) ...................................................................................................31
Figura 2.32 - Representao da propagao proveniente da abertura do anl epxi
(ODIAN, 2004) ...................................................................................................32
Figura 2.33 - Espectro de absoro de IRGACURE 651, 99,9%(JASTY, 1999).......34
Figura 3.1 - Representao grfica da estrutura molecular do metacrilato de
metila(SIGMA-ALDRICH, 2008a).......................................................................45
Figura 3.2 - Representao grfica da estrutura molecular do CN501(SIGMA-
ALDRICH, 2008b) ..............................................................................................46
Figura 3.3 - Ilustrao da estrutura molecular do Perxido de benzoila
(MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002)..................................................................47
Figura 3.4 Curva de absoro de luz e representao grfica da estrutura molecular
do Irgacure 184, 99,9% (JASTY, 1999) .............................................................48
Figura 3.5 - Curva de absoro de luz e representao grfica da estrutura molecular
do Irgacure 651, 99% (JASTY, 1999) ................................................................49
Figura 3.6 - Curva de absoro e representao grfica da estrutura molecular de
benzofenona, 99% (JASTY, 1999).....................................................................50
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Figura 3.7 - Caixa de conteno e reflexo...............................................................51
Figura 3.8 - Foto de lmpada de vapor de mercrio (400W) sem bulbo ...................52
Figura 3.9 - Distribuio espectral de lmpada de vapor de mercrio 400W combulbo (filtro) (GE, 2007)......................................................................................52
Figura 3.10 Foto e ilustrao de Lampada UV PL-S 9W 10/2p UNP, onde
A=129mm; B= 144.5 mm; C= 167.5 mm; D= 28mm; D1= 13mm.......................53
Figura 3.11 - Espectro emisso de luminosa por comprimento de onda de lmpada
PL-S 9W 10/2P UNP (PHILIPS, 2008)...............................................................53
Figura 3.12- Foto de balana eletrnica de10mg de preciso ..................................54
Figura 3.13 - Ilustrao de molde de vidro utilizado em experimentos de tempo de
polimerizao .....................................................................................................55
Figura 3.14 Esquema eletrnico da interface de controle de intensidade luminosa
desenvolvida, onde R potencimetro de calibrao e T um LDR (Light
Divisor Resistor) .................................................................................................56
Figura 3.15 - Foto de Mquina CNC com controle XYZ ............................................57
Figura 3.16 - Foto de cabeote extrusor ...................................................................58
Figura 3.17 Layout de interface de controle desenvolvido para controle de
equipamento de RP ...........................................................................................60
Figura 3.18 - Fluxograma de procedimento de experimento de determinao de
tempo de polimerizao .....................................................................................61
Figura 3.19 Grfico da vazo( s
mm3
) em funo do perodo (segundos),
considerando a preciso do atuador linear de 0,0006mm,.................................64
Figura 3.20 - Ilustrao do comportamento mdio do filamento em regime..............65
Figura 3.21 - Representao de parmetros de processo, onde P (segundos) a
entrada e Vc (mm/min) a sada, e h (0,15mm), Ps (0,0006mm/passo),
Db (0,45mm) eDi (10mm) as constantes previamente fixadas ........................66
Figura 3.22 -Fluxograma de processo experimental .................................................70
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Figura 4.1 - Ilustrao de trajetria de deposio do estudo de filamentos realizado
por planejamento fatorial, experimento 2. ..........................................................80
Figura 4.2 - Ilustrao de tomada de medida de trajetria de deposio,
considerando largura de filamento de 1,5mm ....................................................81
Figura 4.3 - Ilustrao de trajetria de deposio do experimento 3, tendo 4
diferentes distncias entre filamentos, para observar o comportamento entre
filamentos...........................................................................................................83
Figura 4.4 - Dimenses de corpos de provas............................................................84
Figura 4.5 - Ilustrao de trajetria de deposio de corpo de prova 3.....................84
Figura 4.6 - Ilustrao de trajetria de deposio de corpo de prova 4.....................85
Figura 5.1 - Curva de converso de fotopolimerizao de MMA em 1% perxido de
benzoila, utilizando fonte UV de 400W ..............................................................88
Figura 5.2 - Taxa de polimerizao de cola BE 20 sem fotoiniciador em fonte UV(9W)
...........................................................................................................................89
Figura 5.3 - Diagrama de Efeitos principais de fatores de controle sobre fator de
resposta Converso...........................................................................................91
Figura 5.4 - Diagrama de Pareto de efeitos das interaes entre fatores sobre a
converso, considerando coeficiente de erro de 0,05........................................91
Figura 5.5 - Diagrama de contorno de taxa de converso de cola BE 20 contra
concentrao de solvente (tetracloreto de carbono), e tempo de exposio pela
luz UV (9W)........................................................................................................92
Figura 5.6 - Foto da soluo aps exposio em UV no no-solvente etanol (5ml)com 28,47% de converso.................................................................................94
Figura 5.7 - Curva de converso de fotopolimerizao de soluo de MMA (1ml),
CN501(1ml) em 2% de Irgacure 184..................................................................94
Figura 5.8 Foto da soluo aps exposio em UV no no-solvente etanol (5ml)
com 91% de converso......................................................................................95
Figura 5.9 Curva de converso de fotopolimerizao de soluo de MMA (1ml) e
CN501(1ml) em mistura de 4% de Irgacure 651 ...............................................96
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xv i
Figura 5.10 Curva de converso de fotopolimerizao de soluo de MMA (0,5ml)
e CN501(1ml) em mistura de 4% de Irgacure 184 e 4% de benzofenona ........97
Figura 5.11 Fotos de filamentos tiradas em microscpio tico 50 x, onde cada
filamento representa o grupo de filamentos construdos com velocidade de
cabeote extrusor de: 40mm/min (filamento 1), 60mm/min (filamento 2) e
90mm/min (filamento 3)......................................................................................99
Figura 5.12 Curva de comportamento de filamento .............................................100
Figura 5.13 - Foto de trajetria de deposio de experimento H.............................102
Figura 5.14 - Diagrama de Box-Whisker das amostras do experimento A..............103
Figura 5.15 - Foto de amostra 1 de experimento A.................................................103
Figura 5.16 - Foto da amostra 2 do experimento A.................................................104
Figura 5.17 - Foto da amostra 3 do experimento A.................................................104
Figura 5.18 - Ilustrao da regio do filamento que recebe maior intensidade
luminosa em funo da incidncia e distncia .................................................105
Figura 5.19 Ilustrao de ponta de bico extrusor onde representada a incidncia
de raios de luz provenientes da fonte luminosa, gerando uma regio com maior
incidncia de luz...............................................................................................105
Figura 5.20 - Diagrama de Box-Whisker das amostras do experimento B..............106
Figura 5.21 - Foto de amostra 1 do experimento B.................................................107
Figura 5.22 - Foto de amostra 2 de experimento B.................................................107
Figura 5.23 - Foto de amostra 3 de experimento B.................................................108
Figura 5.24 - Diagrama de Box-Whisker de amostras do experimento C ...............108
Figura 5.25 - Foto de amostra 1 do experimento C.................................................109
Figura 5.26 - Foto de amostra 2 do experimento C.................................................109
Figura 5.27 - Foto de amostra 3 de do experimento C............................................110
Figura 5.28 - Diagrama de Box-Whisker das amostras do experimento D..............110
Figura 5.29 - Foto de amostra 1 do experimento D.................................................111
-
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xvii
Figura 5.30 - Foto de amostra 2 do experimento D.................................................111
Figura 5.31 - Foto de amostra 3 do experimento D.................................................112
Figura 5.32 - Diagrama de Box-Whisker das amostras do experimento E..............112
Figura 5.33 - Foto de amostra 1 do experimento E.................................................113
Figura 5.34 - Foto de amostra 2 do experimento E.................................................113
Figura 5.35 - Foto de amostra 3 do experimento E.................................................114
Figura 5.36 - Ilustrao de etapas de quebra de continuidade devido a perda de
contato do filamento com superfcie.................................................................115
Figura 5.37 - Diagrama de Box-Whisker das amostras do experimento F ..............115
Figura 5.38 - Foto de amostra 1 do experimento F .................................................116
Figura 5.39 - Foto de amostra 3 do experimento F .................................................116
Figura 5.40 - Foto de regio de quebra de continuidade de filamento do
experimento F ..................................................................................................117
Figura 5.41 - Diagrama de Box-Whisker de amostras do experimento H ...............117
Figura 5.42 - Foto de amostra 1 do experimento H.................................................118
Figura 5.43 - Foto de amostra 2 do experimento H.................................................118
Figura 5.44 - Foto de amostra 3 do experimento H.................................................119
Figura 5.45 Representao grfica de resultados de fatores de resposta em funo
de seus respectivos fatores de controle...........................................................120
Figura 5.46 - Grfico de efeitos principais de fatores de controle sobre respostas
mdias dos experimentos relacionados largura de filamento (Rm)...............121
Figura 5.47 - Regresso de PLS dos efeitos das interaes sobre Rm, considerando
probabilidade de erro de 0,05 ..........................................................................122
Figura 5.48 - Diagrama de Pareto de efeitos das interaes entre fatores sobre Rm,
considerando probabilidade de erro de 0,05....................................................122
Figura 5.49- Diagrama de contorno de Rm em funo de Ve e Vc, considerando
valor esttico de h=0,15mm.............................................................................123
-
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xviii
Figura 5.50 - Diagrama de contorno de Rm em funo de Ve e Vc, considerando
valor esttico de h=0,175mm...........................................................................124
Figura 5.51 - Diagrama de contorno de Rm em funo de Ve e Vc, considerando
valor esttico de h=0,2m..................................................................................124
Figura 5.52 - Diagrama de contorno de Rm em funo de Vc e h, considerando valor
esttico de Ve=0,0012mm/s.............................................................................125
Figura 5.53 - Diagrama de contorno de Rm em funo de Vc e h, considerando valor
esttico de Ve=0,00125mm/s...........................................................................126
Figura 5.54 - Diagrama de contorno de Rm em funo de Vc e h, considerando valor
esttico de Ve=0,0013mm/s.............................................................................126
Figura 5.55 - Diagrama de contorno de Rm em funo de Ve e h, considerando valor
esttico de Vc=120mm/min..............................................................................127
Figura 5.56 - Diagrama de contorno de Rm em funo de Ve e h, considerando valor
esttico de Vc=135mm/min..............................................................................127
Figura 5.57 - Diagrama de contorno de Rm em funo de Ve e h, considerando valor
esttico de Vc=150mm/min..............................................................................128
Figura 5.58 - Representao grfica de valores de fatores de resposta Cd(mm) em
relao a fatores de controle Vc(mm/min), h(mm) e Ve(mm/s)........................129
Figura 5.59 - Diagrama de efeitos principais dos fatores de controle Ve, Vc e h sobre
caracterstica dimensional da trajetria de deposio(Cd)...............................130
Figura 5.60 Regresso de PLS dos efeitos das interaes sobre Cd, considerando
probabilidade de erro de 0,05 ..........................................................................131
Figura 5.61 - Diagrama de Pareto de efeitos das interaes entre fatores sobre Cd,
considerando probabilidade de erro de 0,05....................................................131
Figura 5.62 - Diagrama de contorno de Cd em funo de Ve e Vc, considerando
valor esttico de h=0,15mm.............................................................................132
Figura 5.63 - Diagrama de contorno de Cd em funo de Ve e Vc, considerando
valor esttico de h=0,175mm...........................................................................132
-
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xix
Figura 5.64 - Diagrama de contorno de Cd em funo de Ve e Vc, considerando
valor esttico de h=0,2mm ...............................................................................133
Figura 5.65 - Diagrama de contorno de Cd em funo de Ve e h, considerando valor
esttico de Vc=120mm/min..............................................................................133
Figura 5.66 - Diagrama de contorno de Cd em funo de Ve e h, considerando valor
esttico de Vc=135mm/min..............................................................................134
Figura 5.67 - Diagrama de contorno de Cd em funo de Ve e h, considerando valor
esttico de Vc=150mm/min..............................................................................134
Figura 5.68 - Diagrama de contorno de Cd em funo de Vc e h, considerando valor
esttico de Ve=0,0012mm/s.............................................................................135
Figura 5.69 - Diagrama de contorno de Cd em funo de Vc e h, considerando valor
esttico de Ve=0,00125mm/s...........................................................................136
Figura 5.70 - Diagrama de contorno de Cd em funo de Vc e h, considerando valor
esttico de Ve=0,0013mm/s.............................................................................136
Figura 5.71 - Representao grfica dos resultados relacionados com o fator de
resposta Qualidade..........................................................................................138
Figura 5.72 - Diagrama de efeitos principais de fatores de controle Vc, h e Ve sobre
fator de resposta Qualidade.............................................................................139
Figura 5.73 - Regresso de mnimos quadrados parciais de efeitos interao entre
fatores de controle sobre fator resposta Qualidade, considerando probabilidade
de erro de 0,05.................................................................................................139
Figura 5.74 - Diagrama de Pareto de efeitos das interaes entre fatores sobre
Qualidade, considerando probabilidade de erro de 0,05..................................140
Figura 5.75 - Diagrama de contorno de Qualidade em funo de Vc e h,
considerando valor esttico de Ve=0,0012mm/s..............................................141
Figura 5.76 - Diagrama de contorno de Qualidade em funo de Vc e h,
considerando valor esttico de Ve=0,00125mm/s............................................141
Figura 5.77 - Diagrama de contorno de Qualidade em funo de Vc e h,
considerando valor esttico de Ve=0,0013mm/s..............................................142
-
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xx
Figura 5.78 - Diagrama de contorno de Qualidade em funo de Vc e Ve,
considerando valor esttico de h=0,15mm.......................................................143
Figura 5.79 - Diagrama de contorno de Qualidade em funo de Vc e Ve,
considerando valor esttico de h=0,175mm.....................................................143
Figura 5.80 - Diagrama de contorno de Qualidade em funo de Vc e Ve,
considerando valor esttico de h=0,2mm.........................................................144
Figura 5.81 - Diagrama de contorno de Qualidade em funo de Ve e h,
considerando valor esttico de Vc=120mm/min...............................................144
Figura 5.82 - Diagrama de contorno de Qualidade em funo de Ve e h,
considerando valor esttico de Vc=135mm/min...............................................145
Figura 5.83 - Diagrama de contorno de Qualidade em funo de Ve e h,
considerando valor esttico de Vc=135mm/min...............................................145
Figura 5.84 - Representao grfica de valores do fator de resposta Continuidade
em relao a Ve, h e Ve...................................................................................147
Figura 5.85 - Diagrama de Efeitos principais de fatores de controle sobre fator de
resposta Continuidade .....................................................................................147
Figura 5.86 Regresso PLS de efeitos interao entre fatores de controle sobre
fator resposta Continuidade, considerando probabilidade de erro de 0,05 ......148
Figura 5.87 - Diagrama de Pareto de efeitos das interaes entre fatores sobre
Continuidade, considerando probabilidade de erro de 0,05.............................148
Figura 5.88 - Diagramas de contorno de Continuidade em funo de (Vc;h) e (Vc;Ve)
.........................................................................................................................149
Figura 5.89 - Diagrama de Contorno de continuidade em funo de Ve e h, tendo Ve
com valor esttico Vc=120mm/min ..................................................................149
Figura 5.90 - Compilao de diagramas de contorno de Largura de filamento; Cd;
Qualidade em funo de Ve e Vc, e diagrama de contorno de continuidade em
funo de h e Vc ..............................................................................................150
Figura 5.91 - Diagrama de contorno de Rm, Cd, Qualidade ...................................151
-
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Figura 5.92 Representao de trajetria de deposio, considerando largura de
filamento de 1,2mm, e medidas de referncia .................................................152
Figura 5.93 - Fotos de trajetrias de deposio de estudo de interao entre
filamentos.........................................................................................................153
Figura 5.94 Representao de regies de inicio de deposio, falha de deposio
e de deposio em regime...............................................................................154
Figura 5.95 Foto de Corpo de prova 3 .................................................................156
Figura 5.96 Foto de Corpo de prova 4 .................................................................157
Figura 5.97 - Imagem de superfcie de filamento gerado por tecnologia 3DP
(ULBRICH, 2007) .............................................................................................159
Figura 5.98 - Imagem de deposio de filamentos gerados por FDM (MONTEROet
al., 2001) ..........................................................................................................159
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1.1 - Relao de caractersticas satisfatrias observadas em trs tecnologias
de RP ...................................................................................................................5
Tabela 2.1 - Tabela de tipos de interaes entre filamentos de SL (TANG, 2005) ...18
Tabela 2.2 - Relao de fabricantes de monmeros e oligmeros (RADTECH, 2008)
...........................................................................................................................27
Tabela 2.3 - Relao de fabricantes de aditivos (RADTECH, 2008).........................27
Tabela 2.4 - Relao de fabricantes de fotoiniciadores para polimerizao
(RADTECH, 2008) .............................................................................................28
Tabela 2.5 - Tabela de classificao de tipos de modelos estatsticos para realizao
de planejamento fatorial (ERIKSSONet al., 2000) ............................................39
Tabela 2.6 - Tabela exemplo de tipos de experimentos (ERIKSSONet al., 2000) ...41
Tabela 3.1 - Especificao tcnica de cola acrlica BE 20 ........................................45
Tabela 3.2 - Lista de principais comandos de controle utilizados no processo.........68
Tabela 4.1 - Tabela de amostras por tempos de exposio de caracterizao de
material - 1 .........................................................................................................71
Tabela 4.2 - Tabela de grupos amostrais e seus respectivos tempos de exposio a
luz UV - Caracterizao de material -2..............................................................72
Tabela 4.3 - Tabela de nveis de fatores de controle - Caracterizao de material -3
...........................................................................................................................73
Tabela 4.4 - Matriz de experimentos do planejamento fatorial da cola BE-20 -
Caracterizao de material -3 ...........................................................................74
Tabela 4.5 - Tabela de grupos amostrais em relao aos seus tempos de exposio
luz UV - Caracterizao de material -4...........................................................75
Tabela 4.6 - Tabela de grupos amostrais em relao aos seus tempos de exposio
luz UV Caracterizao de material 5.........................................................75
-
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Tabela 4.7 - Tabela de grupos amostrais em relao aos seus tempos de exposio
luz UV Caracterizao de material 6.........................................................76
Tabela 4.8 Lista de valores de velocidade do cabeote.........................................78
Tabela 4.9 Tabela de nveis e valores de fatores de controle Caracterizao de
filamento 2.......................................................................................................78
Tabela 4.10 - Matriz de experimento de planejamento fatorial de processo de
prototipagem rpida - Caracterizao de filamento 2......................................79
Tabela 4.11 Escala quantificativa de parmetros qualitativos, qualidade e
continuidade.......................................................................................................81
Tabela 4.12 Tabela de parmetros de processo utilizados no estudo de interao
entre filamento ...................................................................................................82
Tabela 4.13 Tabela resumo de experimentos relacionados ao desenvolvimento de
material ..............................................................................................................85
Tabela 4.14 - Tabela resumo de experimentos relacionados ao estudo do processo
RP proposto .......................................................................................................86
Tabela 5.1 Tabela de valores mdios de fatores de resposta dos experimentos...90
Tabela 5.2 Tabela resumo de resultados do estudo do material............................98
Tabela 5.3 Tabela de anlise estatstica descritiva de grupos amostrais da largura
de filamento da caracterizao de filamento 1.................................................101
Tabela 5.4 - Matriz de experimento de planejamento fatorial de processo de
prototipagem rpida .........................................................................................102
Tabela 5.5 Relao de valores de prova e deciso sobre a hiptese dos valores
amostras seguirem distribuio normal............................................................120
Tabela 5.6 - Tabela de valores mdios dimensionais e de caracterstica dimensional
.........................................................................................................................129
Tabela 5.7 - Escala relativa de qualidade de superfcie de filamento......................137
Tabela 5.8 Tabela de valores de resposta de fator de resposta Qualidade .........138
Tabela 5.9 - Tabela de valores de resposta de fator de resposta Continuidade .....146
-
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Tabela 5.10 Tabela de valores de medies estimadas e de valores encontrados
fisicamente nas amostras.................................................................................153
Tabela 5.11 - Relao de corpos de prova, estratgias de deposio, nmero de
camadas, e dimenses de corpos de prova.....................................................156
Tabela 5.12 Tabela resumo de resultados do estudo do processo RP proposto .158
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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
2D - Bidimensional
3D - Tridimensional3DP - Impresso 3D (3D Print)ABS - Acrilonitrila Butadieno EstirenoABSi - Acrilonitrila Butadieno Estireno EsterelizvelCAD - Projeto Auxiliado por Computador (Computer Aided Design)CAM - Manufatura Auxiliada por Computador (Computer Aided Manufacturing)CNC - Controle Numrico Computadorizado (Computer Numerical Control)DoE - Design of ExperimentEB - Feixe de Eltrons (Electron Beam)FDM - Modelagem por fuso e deposioHDPE - Polietileno de Alta DensidadeIJP - Impresso Jato de Tinta (Ink Jet Print)IR - InfravermelhoLDR - Light Divisor ResistorLED - Light Emissor DiodeMMA - Metacrilato de MetilaNC - Controle Numrico (Numerical Control)OS - PoliestirenoPC - PolicarbonatoPCL - PolicaprolactonaPDP - Processo de Desenvolvimento de Produto
PLS - Quadrados Mnimos Parciais (Partial Least Square)PMMA - Poli(metacrilato de metila)PPSF - PolifenilsulfonaPSAI - Poliestireno de Alto ImpactoRMN - Ressonncia Magntica NuclearRP - Prototipagem rpida (Rapid Prototyping)SL - Estereolitografia (Stereolithography)STL - STereoLithography formatTMPTA - Trimethylolpropane TriacrylateUFPR - Universidade Federal do ParanUTFPR - Universidade Tecnolgica Federal do Paran
UV - Ultravioleta
-
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LISTA DE SMBOLOS
W - Largura de filamento depositado
t - Espessura de camadaLw - Largura da seo de trajetria nica
Cp - Altura de seo de trajetria nicaRi - Taxa de iniciaoIa - Intensidade de absoro de luz - Nmero de molculas excitadas por fton absorvido[C] - Concentrao de fotoiniciadorl - Espessura de camada
'aI - Intensidade de absoro de luz
0
I - Intensidade de absoro de luz baseado em rea - Coeficiente de extino - Coeficiente de absoroRp - Taxa de propagao
pk - Coeficiente de propagao[M] - Concentrao de monmero
tk - Coeficiente de terminaoT - Tempo de polimerizao[P] - Concentrao de polmeroI - Intensidade luminosa
- Comprimento de onday - Fator de resposta
0 - Efeito de cada fator de controle sobre fator de resposta
1x - Fator de controle
+R - Mdia dos valores de resposta obtidos com valores altos (+) do fator
R - Mdia dos valores de resposta obtidos com valores baixos (-) do fatora
b - Nmero total de experimentos do planejamento
y - Mdia dos efeitos individuais da medida, (+) e (-) corresponde ao nvelalto e nvel baixo
s - Erro na medida (desvio padro)k - Nmero de fatores experimentais no planejamento fatorialVe - Velocidade de extruso do materialP - Resoluo0
Ve - Vazo do extrusor
f - FreqnciaP - PerodoVc - Velocidade de deposioh - Altura de deposioRp - Velocidade de polimerizao
Db - Dimetro do bico extrusor
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0
Vb - Vazo de extruso no bico extrusor
A - rea de exposio
maxP - Perodo mximo gerado pela interface de controle
maxVc - Velocidade mxima de deslocamento do cabeote extrusorG91 - Define deslocamento relativo
G90 - Define deslocamento absolutoG71 - Define sistema mtricoM03 - Liga extrusor sentido deposioM04 - Liga extrusor sentido sucoM05 - Desliga extrusorM08 - Liga lmpadaM09 - Desliga lmpadaG04 - Liga tempo de espera
P - Determina tempo de espera em segundosG00 - Deslocamento em velocidade mximaG01 - Deslocamento em velocidade de deposio
F- Determina velocidade de deslocamento do cabeote extrusor emmm/min
S - Determina velocidade de deposio (no implementado)T1 - Tempo de espera de liga extrusorT2 - Tempo de espera de liga lmpadaT3 - Tempo de espera de desliga extrusorCd - Desvio dimensional da trajetria de deposio
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Captulo 1 - INTRODUO 1
1 INTRODUO
Com o passar dos anos, a exigncia dos consumidores vem aumentando
gradativamente, levando empresas a diminuir o ciclo de desenvolvimento de produto
assim como reduzir custos criando diferencial agregado a seus produtos. Desta
forma, torna-se cada vez mais indispensvel para o xito de empresas perante o
mercado a realizao de pesquisas relacionadas ao desenvolvimento de novos
produtos (KOSHAL, 1993; LEONDES, 2001; ROZENFELDet al., 2006 ).
Desta forma, ao levar em considerao que a empresa pode se tornar mais
competitiva em termos de desenvolvimento de produto, foi desenvolvida a pesquisa
apresentada nesta dissertao. Nesta apresentada a problemtica do tema,
fundamentos tericos, proposta e objetivos da pesquisa, experimentos e concluses
desta pesquisa, cujo tema relacionado com processos de Prototipagem
Rpida (RP).
Uma forma de otimizar o Processo de desenvolvimento de Produto (PDP),
reduzindo tempos de desenvolvimento, custos, erros de projeto e riscos de inovao,em fases de: a) desenvolvimento; b) produo; c) e operao; (CIMDATA, 2002;
BOSWELL, 2005) a construo de prottipos fsicos, sendo uma das formas mais
eficazes de obteno destes o processo de RP (VOLPATO, 2007).
1.1 Contextualizao
As tecnologias RP nasceram no final dos anos 80 tendo sido utilizadas para a
construo de prottipos de forma direta ou de forma indireta. Ou seja, os prottipos
podem ser fabricados diretamente por estas tecnologias, ou atravs de ferramentas
fabricadas pelo RP, como por exemplo, moldes (LAFRATTA, 2003).
Embora a procura por tecnologias RP tenha aumentado nos ltimos anos,
ainda no h nem fabricantes nacionais, nem tecnologias nacionais completamente
desenvolvidas (VOLPATO, 2007).
-
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Captulo 1 - INTRODUO 2
Esta tecnologia basicamente consiste na fabricao do prottipo atravs de
modelos computacionais 3D por adio de material camada sobre camada, diferindo
de outros processos convencionais, baseados em remoo de material, como
usinagem (SOUZAet al., 2004; VANDRESEN, 2004).
Na Figura 1.1 so apresentadas, de forma esquemtica, as fases da RP, onde
so geradas camadas bidimensionais (2D) computacionalmente, via programas
CAM (Manufatura Auxiliada por Computador), que so construdas e empilhadas de
forma a fabricar a pea. Estas camadas so geradas atravs do fatiamento de
modelos tridimensionais (3D) CAD (Projeto Auxiliado por Computador), que seguem,
normalmente, o formato de arquivo chamado STereoLithography (STL) (SOUZA et
al., 2004; VANDRESEN, 2004; BOSWELL, 2005).
Figura 1.1 - Representao genrica do processo de adio de camadas, princpio
de RP (VOLPATOet al., 2004)
Para contemplar todas as etapas de fabricao por adio de camada as
tecnologias RP envolvem diversas reas de pesquisa, como eletrnica, ptica,
materiais e processos de fabricao, entre outros (KHALIL et al., 2005; XU et al.,
-
7/25/2019 ESTUDO DE VIABILIDADE DE TECNOLOGIA DE PROTOTIPAGEM RPIDA BASEADA EM MATERIAIS FOTOPOLIMRICOS E
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Captulo 1 - INTRODUO 3
2006). Entretanto, a rea de concentrao da dissertao ser focada em processos
e materiais.
1.2 Apresentao do prob lema
Em funo da velocidade de resposta na obteno de prottipos das
tecnologias RP ser maior que as dos processos tradicionais, estas tecnologias vem
sendo procuradas de forma mais intensa, visto que, atravs destas, diversas fases
do PDP so encurtadas, assim como so reduzidos erros de projeto (FOGGIATTO
et al., 2004; VOLPATO, 2007).
Atravs destas tecnologias, podem ser auxiliadas as fases de planejamento
estratgico, projeto conceitual, projeto detalhado e pr-fabricao, conforme PDP,
medida que se manipula modelos fsicos para realizao de testes funcionais, testes
ergonmicos, planejamento de montagem e fabricao. Contudo, apesar das
vantagens geradas por estas tecnologias, no h fabricantes nacionais de
tecnologias RP. Isto torna cara sua utilizao, gerando dependncia estrangeira. Em
funo disto, a disseminao destas difcil (VOLPATO, 2007).
Desta forma, destaca-se a importncia do desenvolvimento de uma tecnologia
nacional com finalidade de reduzir o custo de fabricao de peas por RP, reduzindo
dependncia estrangeira e tornando, por conseqncia, o mercado nacional mais
competitivo.
1.3 Relevncia do prob lema
Existem diversas vantagens para o PDP na utilizao de tecnologias RP, como
otimizao, reduo de tempo e custo de desenvolvimento, reduo de riscos de
inovao, auxlio manufatura (FOGGIATTO et al., 2004; VOLPATO, 2007). Uma
destas vantagens pode ser observada quando comparado a utilizao de sistemas
CAD 2D, CAD 3D e prottipos fsicos em funo do tempo de comunicao e
tomada de decises entre os envolvidos no projeto, como clientes, fornecedores e
equipes de projeto (Figura 1.2).
-
7/25/2019 ESTUDO DE VIABILIDADE DE TECNOLOGIA DE PROTOTIPAGEM RPIDA BASEADA EM MATERIAIS FOTOPOLIMRICOS E
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Captulo 1 - INTRODUO 4
Nos ltimos anos a demanda de utilizao de RP globalmente ampliou
significantemente, mostrando a importncia desta tecnologia e seu impacto, como
apresentado na Figura 1.3.
Figura 1.3 - Ilustrao por quartil dos investimentos em RP de 2003 a 2005(3DSYSTEMS, 2006)
Figura 1.2 - Comparao entre tempo de comunicao na fase de projeto utilizando
desenhos 2D, modelos CAD 3D e prottipos fsicos (VOLPATO, 2007)
-
7/25/2019 ESTUDO DE VIABILIDADE DE TECNOLOGIA DE PROTOTIPAGEM RPIDA BASEADA EM MATERIAIS FOTOPOLIMRICOS E
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Captulo 1 - INTRODUO 5
Apesar deste aumento, o cenrio nacional no contm nenhum fabricante de
tecnologias de RP (VOLPATO, 2007).
Isto faz com que o estudo e desenvolvimento destas tecnologias em mbito
nacional contribuam para o progresso tecnolgico do pas, assim como para a
gerao de novos negcios, em funo da deficincia nacional desta rea.
1.4 Proposta
A partir da grande demanda de tecnologias RP baseadas em materiaisfotopolimricos (RODRIGUES e NEUMANN, 2003) como Estereolitografia (SL) e
Inkjet Print (IJP), aliada ao baixo custo de tecnologias RP baseadas em material
fundido, como a Modelagem por Fuso e Deposio (FDM), foram pesquisadas
caractersticas destes processos, j consolidados, para formar uma proposta de uma
nova tecnologia de RP nacional, que seja diferenciada, em relao s j existentes
no mercado. Algumas das caractersticas destas tecnologias, que podem ser
utilizadas para desenvolver e caracterizar um novo processo RP, podem ser
observadas na Tabela 1.1.
Tabela 1.1 - Relao de caractersticas satisfatrias observadas em trs tecnologiasde RP
Caractersticas Processo de origem
Deposio por filamentos FDM
Materiais fotopolimricos SL
Cura por lmpada UV IJP
Para concepo desta combinao de caractersticas, um sistema eletro-
mecnico movimenta o bico extrusor nos eixos X e Y, gerando camadas, enquanto o
em Z para a construo da prxima camada, como representado na Figura 1.4.
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Captulo 1 - INTRODUO 6
Figura 1.4 - Representao de proposta de nova concepo de RP
Esta pesquisa visa definir caractersticas que fundamentem o desenvolvimento
de uma nova concepo de RP, sendo estudados: a) caracterizao de materiais;
b) caracterizao de processo; e c) alguns parmetros de controle.
O desenvolvimento do material utilizado na deposio necessrio para o
processo de RP, tanto em relao viscosidade do material antes de polimerizar e
tempo de cura, quanto aos parmetros de processo apresentados na seo 2.1.4,
que refletem no estado final da pea, como a interao entre filamentos depositados.
Vistas estas caractersticas, possvel desenvolver tecnologias com novos
processos de deposio de material.
1.5 Objetivos
1.5.1 Objetivo geral
Como objetivo geral, pretende-se realizar um estudo da viabilidade funcional deuma tecnologia de RP baseada em materiais fotopolimricos extrudados e
polimerizados simultaneamente por lmpada UV. Desta forma, pretende-se
apresentar uma nova concepo de tecnologia RP como contribuio para o
desenvolvimento de uma tecnologia nacional.
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Captulo 1 - INTRODUO 7
1.5.2 Objetivos especficos
Os objetivos especficos deste trabalho contemplam:
Desenvolver um material adequado para a sua utilizao em tecnologias
RP proposta;
Desenvolver e construir equipamento prottipo adequado para
realizao dos experimentos relacionados tecnologia RP proposta,
adaptando parte mecnica de um CNC XYZ j existente;
Realizar testes de viabilidade do princpio funcional, deposio de
filamentos com polimerizao simultnea;
Estudar comportamento do filamento do material depositado;
Estudar a interao entre filamentos depositados;
1.6 Organizao do Trabalho
Este trabalho estruturado de forma a apresentar uma nova proposta detecnologia RP, assim como o desenvolvimento de material utilizado e caracterizao
de processo, subsidiando desenvolvimento de tecnologia de prototipagem rpida
baseada em materiais fotopolimricos.
Desta forma, o Captulo 1 apresenta a problemtica da proposta e objetivos do
trabalho, enquanto o Captulo 2, alm de apresentar uma reviso de literaturas
relacionadas aos processos RP, como SL, IJP e FDM, apresenta uma reviso sobre
materiais fotopolimricos e mtodos estatsticos e experimentais relacionados aotema. No Captulo 3 so expostos materiais e mtodos utilizados na realizao da
pesquisa, assim como os procedimentos experimentais so apresentados no
Captulo 4. No Captulo 5 so apresentados os resultados relacionados aos
experimentos descritos no captulo anterior, assim como discusses e anlises
referentes a estes. Por fim, no Captulo 6, so expostas concluses sobre a
viabilidade do desenvolvimento de tecnologias RP baseadas em materiais
fotopolimricos extrudados, objetivo geral desta dissertao.
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Captulo 2- REVISO BIBLIOGRFICA 8
2 REVISO BIBLIOGRFICA
Neste captulo ser apresentada uma reviso das reas relacionadas a
Prototipgem Rpida (RP Rapid Prototyping), tanto referentes ao princpio de
processamento, quanto aos materiais empregados, assim como as tecnologias e
princpios de processos RP. Adicionalmente, sero apresentados os mtodos de
anlise utilizados na pesquisa.
2.1 Tecnologias RP
Nesta seo, sero apresentadas as principais tecnologias de RP relacionadas
proposta deste trabalho, assim como um comparativo entre estas.
2.1.1 Modelagem por Fuso e Deposio (FDM)
Apesar dos princpios de construo de peas das tecnologias de RP serem osmesmos, existem vrios processos e tecnologias relacionados RP. Um destes
processos o FDM, cujo princpio de processamento a deposio de materiais
atravs de um bico extrusor que aquece e funde o material enquanto se movimenta
nos eixos do X e Y contornando e preenchendo a camada da pea previamente
calculada (TSENG e TANAKA, 2001; AHN et al., 2002; QIU e LANGRANA, 2002;
GONALVESet al., 2007; VOLPATO, 2007).
Aps completada cada camada, uma plataforma onde foi depositada a primeiracamada se movimenta para baixo, afim de que se possa depositar a prxima
camada sobre a recm depositada, como apresentado na Figura 2.1 (TSENG e
TANAKA, 2001; AHN et al., 2002; QIU e LANGRANA, 2002; GONALVES et al.,
2007; VOLPATO, 2007).
Os materiais que esto disponveis, comercialmente, neste processo so: cera,
polister, ABS (Acrilonitrila Butadieno Estireno), ABSi (ABS Esterizvel),
policarbonato (PC) e polifenilsulfona (PPSF) (VOLPATO, 2007).
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Captulo 2- REVISO BIBLIOGRFICA 9
Contudo, conforme reivindicao 39 da patente referente inveno FDM,
citada abaixo, so tambm abrangidos metais, resinas termoplsticas, cera e
materiais capazes de ser solidificados em condies de ambiente (CRUMP, 1989):
dispensing a solidifiable material in a fluid state from a dispensing head having a tip with a discharge
orifice therein, said tip having a substantially planar bottom surface, said material being one of which will
solidify at ambient conditions; (CRUMP, 1989).
Figura 2.1- Representao do funcionamento de uma mquina FDM (AHN, 2002)
Para deposio do material utilizado no FDM, podem ser utilizados diversos
tipos de sistemas de deposio. Desta forma, podem ser observados 7 exemplos de
concepes de sistemas de deposio, apresentados da Figura 2.2 a Figura 2.8.
Entre estes, so contemplados sistemas com orifcio nico de deposio sendoabastecidos de materiais em forma de filamentos slidos flexveis, fragmentos
slidos e fludos solidificveis (CRUMP, 1989).
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Captulo 2- REVISO BIBLIOGRFICA 10
Figura 2.2 - Ilustrao esquemtica de concepo de sistema de deposio (GENGet al., 2005)
Figura 2.3 Ilustrao esquematica de concepo de sistema de deposioFDM (CRUMP, 1989)
Esta tecnologia gera basicamente filamentos de forma cilndrica numa
velocidade mdia entre 19,6 e 36,75 mm/s. A faixa de largura destes filamentos se
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Captulo 2- REVISO BIBLIOGRFICA 11
encontra entre 0,254 e 2,54 mm (NG et al., 2002), e a altura de deposio
normalmente se encontram entre 0,12 e 0,36 mm (COOPER, 2001).
Figura 2.4 - Ilustrao esquemtica de concepo de sistema de deposio deFDM (CRUMP, 1989)
Figura 2.5 - Ilustrao esquemtica de concepo de sistema de deposio deFDM (BATCHELDER e JACKSON, 1995 )
Para a construo de cada camada so utilizadas trajetrias de deposio de
contorno e de preenchimento, sendo que o preenchimento pode ser do tipo contour,
raster e uma combinao das duas, como apresentado na Figura 2.9 (BELLINI e
GERI, 2003; VOLPATO, 2007).
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Captulo 2- REVISO BIBLIOGRFICA 12
Figura 2.6 - Ilustrao esquemtica de concepo de sistema de deposio deFDM (CRUMPet al., 1994)
Figura 2.7 - Ilustrao esquemtica de concepo de sistema de deposio deFDM (GENGet al., 2005; BATCHELDER, 2006)
Figura 2.8 - Ilustrao esquemtica de concepo de sistema de deposio deFDM (CRUMP, 1989)
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Captulo 2- REVISO BIBLIOGRFICA 13
Nestes tipos de preenchimento so depositadas trajetrias que podem ser
controladas atravs dos parmetros, distncia entre filamentos e ngulo de
preenchimento. O ngulo de preenchimento amplamente utilizado para aumentar a
resistncia mecnica da pea quando construda uma camada com preenchimento
com ngulo de 90 defasado em relao camada anterior(VOLPATO, 2007).
Figura 2.9 Ilustrao de tipos de preenchimento onde: a) contorno (contour)eb) varedura (raste)r(BELLINI e GERI, 2003)
A interao entre os filamentos depositados so apresentados na Figura 2.10,
onde podem ser observados vazios entre filamentos gerados em funo dasgeometrias dos filamentos e distncias entre filamentos depositados
(BATCHELDER, 1995). Da mesma forma, estes vazios podem ser observados na
Figura 2.11, onde apresentada uma foto da seo transversal de uma pea onde
foram depositadas camadas sem defasagem de ngulo de preenchimento.
Outra regio que normalmente apresenta vazios em peas fabricadas por FDM
a transio entre contorno e preenchimento, como pode ser observado na Figura
2.12 (HOLZWARTH, 2006).
Tambm cabe ressaltar a existncia de outros equipamentos, alm dos
desenvolvidos pela empresa Stratasys, USA, que apresentam mesmo princpio
funcional de FDM. Entre estes, est um projeto open-source chamado Fab@home,
apresentado na Figura 2.13, que deposita materiais como, silicone, alimentcios
(chocolate, queijo,...), cola entre outros (MALONE e LIPSON, 2006). A deposio
realizada atravs de sistema de deposio por seringa similar ao patenteado pela
empresa Stratasys, USA (BATCHELDER, 2006).
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Captulo 2- REVISO BIBLIOGRFICA 14
Figura 2.10 - Ilustrao de seo transversal de filamentos, onde apresentada a
interao entre filamentos e vazios (BATCHELDER, 1995)
Figura 2.11 - Foto de seo transversal de pea (AHN, 2002)
Figura 2.12 Ilustrao de vazios gerados em regio entre contorno epreenchimento raster(HOLZWARTH, 2006)
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Captulo 2- REVISO BIBLIOGRFICA 15
Outro projeto open-source que utiliza o mesmo princpio funcional do FDM a
RepRap, como apresentado na Figura 2.14. O tipo de material utilizado nesta
tecnologia , normalmente, ABS, HDPE (Polietileno de alta densidade), poli(acido
ltico) e PCL (policaprolactona) (BOWYER, 2008).
Figura 2.13 - Sistema FDM Fab@home (MALONE e LIPSON, 2006)
Exemplos de peas fabricadas pelas tecnologias Fab@Home e RepRap soapresentadas na Figura 2.15 e na Figura 2.16, onde possvel observar uma baixa
preciso, em comparao com FDM comercial fabricado pela empresa Stratasys.
Figura 2.14 - Sistema FDM RepRap (BOWYER, 2008)
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Captulo 2- REVISO BIBLIOGRFICA 16
Figura 2.15 - Exemplo de peas construidas em silicone por Fab@home (LIPSON eMALONE, 2008)
Figura 2.16 Exemplos de peas construdas em policaprolactona por RepRap(BOWYER, 2008)
2.1.2 Estereol itografia (SL)
Um dos tipos de RP mais difundidos a SL (KREITH, 1999; BARTON e
FULTON, 2000; VOLPATO, 2007), que um dos processos RP baseado em
materiais fotopolimricos cujo funcionamento depende do movimento de um feixe de
laser sobre um recipiente inundado de material. Este feixe percorre os eixos Xe Ya
fim de construir a camada previamente criada e calculada computacionalmente.
Logo aps concluir a camada, como representado na Figura 2.17, a
plataforma que suporta a camada de material polimerizado inicial abaixada para a
construo da prxima camada sobre a anterior. Ao final da construo de todas as
camadas a pea sofre uma ps-polimerizao em forno externo, onde ganha
resistncia mecnica, visto que a polimerizao resultante deste processo gera
taxas de polimerizao entre 80 e 95% (KREITH, 1999; BARTON e FULTON, 2000;
VOLPATO, 2007).
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Captulo 2- REVISO BIBLIOGRFICA 17
Os materiais mais utilizados nesta tecnologia so baseados, basicamente, em
materiais fotopolimricos, como acrlicos e epxis (BARTON e FULTON, 2000;
VOLPATO, 2007). Contudo, a concepo do principio funcional desta tecnologia
fundamentada em materiais susceptveis solidificao em funo de: feixes de
eltrons; radiao, feixe de partculas de alta energia, raio-x e feixe de luz UV
(HULL, 1984 ).
Isto pode ser observado na reivindicaes 4, 5, 6, 7 e 8 da patente relacionada
SL (HULL, 1984 ), como apresentado abaixo.
4. A system as set forth in claim 2, wherein said reaction means includes: a beam of impinging radiation.
5. A system as set forth in claim 2, wherein said reaction means includes: an electron beam. 6. A system
as set forth in claim 2, wherein said reaction means includes: a beam of high energy particles.
7. A system as set forth in claim 2, wherein said reaction means includes: a beam of light.
8. A system as set forth in claim 2, wherein said reaction means includes: x-rays.
9. A system as set forth in claim 2, wherein said reaction means includes: a beam of ultraviolet light
(HULL, 1984 ).
Figura 2.17 Esquema de funcionamento de Estereolitografia (VANDRESEN, 2004)
Ao analisar a seo transversal de uma linha nica gerada por esta tecnologia,
pode-se observar um formato cilndrico parablico, conforme apresentado na Figura
2.18, sendo que a largura desta seo (Lw) normalmente se encontra entre 0,13 e
0,27mm, em funo do dimetro do feixe de laser, enquanto e a altura (Cp) em
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Captulo 2- REVISO BIBLIOGRFICA 18
relao profundidade de penetrao do material normalmente se apresenta entre
0,1 e 0,5mm (JACOBS, 1992; TANG, 2005; SIMet al., 2007).
Figura 2.18 - Representao de seo transvesal de uma linha nica gerada porSLA (JACOBS, 1992; TANG, 2005)
O tipo de laser geralmente utilizado nesta tecnologia tem potncia entre 10 e
20mW, tendo comprimento de onda de 325nm (JACOBS, 1992; TANG, 2005; SIMet
al., 2007).
Desta forma, pode-se observar a interao entre filamentos no sentido vertical
e horizontal, conforme apresentado na Figura 2.1. Contudo, em funo do processode ps-cura, no so gerados vazios na pea (VOLPATO, 2007).
Tabela 2.1 - Tabela de tipos de interaes entre filamentos de SL (TANG, 2005)
Filamento nicoFilamentos nahorizontal
Filamentos navertical
Tipode
Interao
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Captulo 2- REVISO BIBLIOGRFICA 19
2.1.3 Inkjet Print(IJP)
Outra tecnologia que utiliza o princpio de fotopolimerizao a IJP, sendo
desenvolvida inicialmente pela PolyJet, da Objet Geometries, em 2002 (VOLPATO,
2007; OBJET, 2008), seguido pela Invision, da 3d System, em 2003.
Embora utilizem materiais semelhantes ao SL, baseados em materiais
fotopolimricos, como acrlicos e epxi, seus princpios de funcionamento diferem.
O processo utilizado pela Polyjet consiste no depsito seletivo de material
fotopolimrico atravs de gotculas geradas por um cabeote de impresso, que se
move no sentido X e Y. Simultaneamente a este depsito, as gotculas sopolimerizadas por lmpadas ultravioleta (UV), ao invs de utilizar laser UV, como no
SL. Aps depositada cada camada, a mesma nivelada atravs de uma lmina de
corte e, ento, a plataforma deslocada no sentido Zpara construo de uma nova
camada (GOTHAIT, 1999; MARGOLIN, 2006; VOLPATO, 2007; OBJET, 2008). Na
Figura 2.19 ilustrado processo de RP da Polyjet.
Figura 2.19 - Esquema de funcionamento de IJP (OBJET, 2008)
Alm de depositar o material de construo da pea, a resina fotocurvel, o
cabeote deposita outro material, de suporte para regies vazias, cujas propriedades
so inferiores ao primeiro, possibilitando a construo de uma camada sobre esta
regio (GOTHAIT, 1999; MARGOLIN, 2006; VOLPATO, 2007; OBJET, 2008).
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Captulo 2- REVISO BIBLIOGRFICA 20
Segundo GRIMM (2005), este processo tem faixa mdia de desvio dimensional
entre 0,28 e 1,715mm.
O processo utilizado pela Invision, que a segunda gerao da famlia de
produtos Multi-Jet Modelingda 3d Systems, deposita de forma seletiva o material,
cuja polimerizao do material fotoiniciada por flashes de luz UV (SCHMIDT, 2002;
MARGOLIN, 2006).
Este processo dividido, em duas etapas, sendo que na primeira o material
no curado depositado seletivamente em gotculas, sobre um substrato, sendo
modificada sua estrutura para um estado no escoavel em funo da temperatura.
Num segundo momento, este curado (SCHMIDT, 2002).
O interao entre as gotculas depositadas seletivamente por este tipo de
processo, em ambos os casos (Invision e Polyjet), pode ser observado na Figura
2.20.
Figura 2.20 Formao de linhas em funo de frequncia de deposio(MARGOLIN, 2006)
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Captulo 2- REVISO BIBLIOGRFICA 21
2.1.4 Comparativo entre tecnologias RP
Em funo da existncia de vantagens e desvantagens em cada tecnologia
apresentada neste captulo, apresenta-se um comparativo entre estas, baseadas no
estudo realizado por GRIMM (2003), assim como uma discusso sobre as mesmas.
Neste estudo, foram analisados aspectos dimensionais, de processo e de qualidade,
criando uma idia de comparao entre estas tecnologias.
Em relao s caractersticas de processo analisadas, a Figura 2.21 apresenta
um comparativo entre os tempos mdios de fabricao (processamento) de mesmas
peas construdas atravs de FDM (Dimension - Stratasys), SL (Viper Si2 3D
Systems) e IJP (QuadraTempo Objet Geometries), assim como o tempo de
ps-processamento das mesmas (GRIMM, 2003).
0
1
2
3
4
5
6
7
FDM IJP SL
Tempo(h)
processamento ps-processamento
Figura 2.21 - Comparativo entre tempo mdio de fabricao de peas fabricadas porFDM, IJP e SL (GRIMM, 2003)
A partir deste grfico, pode-se observar que a tecnologia que apresentou maior
tempo para construo de peas (processamento + ps-processamento) foi a SL,
apesar de ter tempo de processamento menor que o FDM. Isto se deve ps cura
de peas aps o processamento.
Entre as tecnologias analisadas, a que teve melhor desempenho em relao ao
tempo de fabricao de peas foi a IJP.
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Captulo 2- REVISO BIBLIOGRFICA 22
Em relao caracterstica dimensional, a mdia de desvios dimensionais
mdios e desvios padro de peas fabricadas em FDM, IJP e SL so apresentados
na Figura 2.22 (GRIMM, 2003). Neste grfico, possvel observar que, apesar de ter
menor tempo de fabricao de peas, a IJP obtm valores de desvio dimensional
superiores ao de SL e FDM.
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
FDM IJP SL
Desvioabsoluto(mm)
Figura 2.22 - Comparativo entre desvios dimensionais de peas fabricadas por FDM,IJP e SL (GRIMM, 2003)
Adicionalmente, em ambos os casos analisados, o FDM obteve valores
intermedirios entre SL e IJP, tanto para o tempo de fabricao quanto para o desviodimensional.
Outro aspecto analisado no referido estudo foi qualidade superficial das
peas fabricadas por FDM, IJP e SL. Para anlise quantitativa deste parmetro entre
as tecnologias analisadas, foi observada a rugosidade superficial mdia, sendo
apresentada na Figura 2.23. Nesta figura, a tecnologia que obteve maior rugosidade
foi o FDM, enquanto os valores de IJP e SL mantiveram-se inferiores a 1 m.
Isto se deve, em funo do tipo de material e processo utilizado para a
construo da pea. Onde possvel diferenciar o processo FDM, que baseado
em materiais slidos, do IJP e SL, que utilizam materiais fotopolimricos lquidos.
Desta maneira, possvel associar o alto v