INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE

SÃO PAULO CAMPUS SÃO JOSÉ DOS CAMPOS

Rafael Franco Sisternas Fiorenzo do Nascimento

MESA PARA PROTOTIPAGEM A LASER

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo – Campus São José dos Campos, como requisito para obtenção do Título de Técnico em Mecânica sob orientação do Professor Cláudio Luis dos Santos.

São José dos Campos 2014

1

2

Aos meus familiares, amigos e professores.

3

SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS ................................................................................................................. 4

LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS ........................................................................... 5

RESUMO ................................................................................................................................... 6

ABSTRACT ............................................................................................................................... 7

1. INTRODUÇÃO ...................................................................................................................... 8

2. OBJETIVO ............................................................................................................................ 9

3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................................... 9

3.1. A HISTÓRIA DO LASER ............................................................................................ 10

3.2. UTILIDADES E APLICAÇÕES .................................................................................. 11

3.3. A IDÉIA DA MESA DE PROTOTIPAGEM ................................................................. 12

3.4. A MESA ......................................................................................................................... 12

3.4.1. - O projeto em Solidworks...................................................................................... 12

3.4.2 - A fabricação ........................................................................................................... 14

3.4.3 - O PROCESSO DE FABRICAÇÃO ...................................................................... 16

3.5. - FUNCIONAMENTO .................................................................................................. 16

4. MATERIAIS E MÉTODOS ................................................................................................. 17

4.1. - MATERIAIS UTILIZADOS PARA FABRICAÇÃO DA MESA .............................. 17

4.1.1 Bronze Fosforoso ..................................................................................................... 17

4.1.2 Aço Inox .................................................................................................................. 17

4.1.3 Alumínio 7075 ......................................................................................................... 17

4.1.4 Parafusos e arruelas ................................................................................................. 17

4.1.5 Corrente de rolos ..................................................................................................... 17

4.2. - MATERIAIS UTILIZADOS PARA FABRICAÇÃO DAS AMOSTRAS PARA TESTES DE PROTOTIPAGEM .......................................................................................... 18

4.2.1. Aço inoxidável ....................................................................................................... 18

4.3. - MÉTODOS .................................................................................................................. 18

4.3.1 Cilindros de bronze .................................................................................................. 18

4.3.2 Estruturas laterais e suporte para o cilindro em alumínio 7075 .............................. 18

4.3.3 Suportes com altura regulável em alumínio 7075 ................................................... 18

4.3.4 Suporte regulável para depósito de pó em alumínio 7075....................................... 18

4.3.5. - Laser e Scan Head ................................................................................................ 18

4.3.6 - Deslocamento da mesa no eixo Z .......................................................................... 19

5. RESULTADOS E DISCUSSÕES ........................................................................................ 19

5.1. TESTES DO EIXO Z COM O RELÓGIO COMPARADOR ....................................... 19

5.2. TESTE DO RESERVATÓRIO DE PÓ .......................................................................... 19

5.3. TESTE DE FABRICAÇÃO DAS PEÇAS .................................................................... 19

6. CONCLUSÃO ...................................................................................................................... 20

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 20

4

LISTA DE FIGURAS

Figura 1a. Projeto da mesa............................................................................ 13

Figura 1b. Vista explodida.............................................................................. 13

Figura 2. Cilindro........................................................................................... 14

Figura 3a. Reservatório de pó........................................................................

Figura 3b. Mesa no início da montagem........................................................

Figura 3c. Eixo Z ............................................................................................

14

15

15

Figura 3d. Mesa concluída.............................................................................. 16

5

LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS

Powder bed laser deposition.....................................Deposição a laser por leito de pó

CO2 ................................................................................................Dióxido de carbono

CAD CCCCCCCCCCCCCCCCCCC...Desenho auxiliado por computador

Direct laser sintering ............................................................Sinterização direta a laser

SLSC................................................................................Sinterização seletiva a laser

He-Ne ..........................................................................................................Hélio-Neon

Nd: YAG.........................................................Neodímio dopado – Ítrio alumínio garnet

Garnet ...................................Um mineral de silicato de profundidade vítreo vermelho

IFSP .............................................................................Instituto Federal de São Paulo

IEAv ............................................................................Instituto de Estudos Avançados

Rpm ...............................................................................................Rotação por minuto

Scan Head ........................................................................................Cabeça de leitura

Stent.............................................................Pequena prótese para vasos sanguíneos

Visual Basic.......................Linguagem de programação desenvolvida pela Microsoft®

6

RESUMO

Esta monografia apresenta uma mesa de prototipagem a laser. Esta mesa

possui um sistema de movimentação de precisão no eixo Z e sistema automatizado

para a deposição de pó sobre o cilindro, utilizado como apoio do substrato para a

aplicação do laser. Foi construída com a utilização de diversos materiais, sendo o

alumínio utilizado em sua maior parte, também foi utilizado bronze fosforoso para a

fabricação do cilindro e aço inox para a superfície da mesa. O funcionamento se dá

pela deposição do pó sobre o cilindro através de um reservatório automatizado,

aplicação do laser sobre o pó, movimentação do eixo Z, movendo o cilindro para

baixo (neste momento que se faz necessário o movimento de precisão, pois cada

camada pode possuir 20 µm), e o reservatório de pó volta a depositar mais uma

cada sobre o cilindro formando assim um ciclo de fabricação. O campo de aplicação

da tecnologia para a qual esta mesa foi desenvolvida é muito grande, que pode ir

desde a área médica, passando pela fabricação de joias e chegando até a indústria

aeronáutica. A grande vantagem deste tipo de fabricação de peças, é devido à

facilidade de conseguir fabricar peças com geometrias complexas, e em materiais já

próprios para a aplicação, sem a necessidade de um tratamento posterior e nem de

um processo de usinagem.

Palavras Chave: Laser, Prototipagem, sinterização.

7

ABSTRACT

This monograph presents a prototyping laser table. This table has a precision drive

system in Z axis and automated system for the deposition of powder on the cylinder,

used as a substrate support for the laser application. Was constructed with the use of

various materials, being the aluminum used for the most part, also phosphor bronze

was used for manufacturing the cylinder and stainless steel to the table surface. The

operation takes place by deposition of the powder through an automated system on

the cylinder, laser application over the powder, the Z axis drive cylinder moving down

(at this point that the movement precision is required because each layer may have

20 microns), and the reservoir of powder to deposit another layer on the cylinder thus

forming a manufacturing cycle. The scope of the technology to which this table was

developed is very large, which can range from the medical field, through

manufacturing of jewelry and reaching the aircraft industry. The advantage of this

type of manufacturing parts, is the ease to obtain manufacture parts with complex

geometries, and materials already own for application, without needed for

subsequent treatment or a machining process.

Key words: Laser, Prototyping, sintering.

8

1. INTRODUÇÃO

A globalização da economia criou em todos os setores industriais uma

crescente necessidade de atendimento rápido às solicitações do mercado. Este

atendimento se faz na redução drástica do tempo de colocação no mercado de

novos produtos, e também a redução no custo e tempo de fabricação, sendo um

fator para a competitividade e agressividade comercial das empresas, determinando

assim a sua capacidade de subsistência.

Uma das tecnologias mais determinantes na mudança radical de

funcionamento das empresas perante estes novos desafios foi a introdução do

sistema de CAD e da capacidade de modelação CAD 3D. Dentre as maiores

inovações recentes chegou ao mercado o processo de prototipagem rápida, onde os

modelos são construídos progressivamente em camadas sem necessidade do uso

de qualquer ferramenta (Whitney, 2004).

Uma das áreas de interesse desta tecnologia é a biomedicina, que pode

utilizar este meio de fabricação para produzir próteses com alta qualidade e rapidez,

feita de forma a ser o modelo ideal para cada paciente, como por exemplo, o stent

(pequena prótese em formato de tubo que é colocada no interior de uma artéria para

evitar uma possível obstrução total dos vasos) (FrançaI, 2008).

Outra área de grande interesse é a aviação, uma vez que com este processo,

diminuem o tempo e o custo de fabricação de uma determinada peça. Um exemplo é

o das palhetas utilizadas nas turbinas dos aviões, que além de possuírem uma

geometria complexa, também precisam ser fabricadas em um material com alta

resistência a temperatura, e através do processo de prototipagem, esta peça poderia

ser fabricada de forma rápida e já em um material apropriado para suportas tais

temperaturas.

Devido a outro estudo que seria realizado, surgiu a necessidade do uso de

uma mesa com esta tecnologia, e a partir disto, a idéia de fabricar esta mesa.

9

2. OBJETIVO

Construção de uma mesa de deposição a laser que será automatizada, através

de motores de passo e programa em Visual Basic desenvolvido pelos alunos do

curso de Automação Industrial do IFSP, trabalhando em conjunto com o laser da

marca Synrad e com o programa Winmark que é responsável pelo acionamento do

laser, e também realizar testes de aplicações na fabricação de peças a partir de pós

metálicos. Esta construção deverá ter um baixo custo, que é um critério a ser

seguido para a realização deste trabalho.

3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

A tecnologia de sinterização em leito (Powder bed laser deposition) envolve o

uso de um laser de alta potência (por exemplo, um laser de CO2) para fundir as

pequenas partículas de metal, cerâmica, ou pós para uma forma tridimensional

desejada. O laser funde seletivamente material em pó, digitalizando secções

transversais geradas a partir de uma descrição digital de 3-D da parte (por exemplo

a partir de um ficheiro de dados de verificação ou CAD) sobre a superfície de um

leito de pó. Depois de cada secção transversal é digitalizada, uma nova camada de

material é aplicado em cima, e o processo é repetido até que a peça seja concluída

(Laouib, 2006).

Existe também a tecnologia de sinterização direta (Direct laser sintering) onde

dentro da área de construção da câmara, existe uma plataforma de distribuição de

material e uma plataforma de construção, juntamente com uma lâmina usada para

mover o pó sobre a plataforma de construção, e usando o feixe de laser de maneira

focada. As peças são construídas de forma aditiva camada por camada, tipicamente

utilizam-se camadas de 20 micrómetros de espessura. Este processo permite que

peças de geometrias altamente complexas sejam criadas diretamente de arquivos

de CAD 3D, de forma totalmente automática, sem necessidade de utilização de

ferramentas, com alta precisão e resolução de detalhes, e também com boa

qualidade de superfície (Khainga, 2001).

Devido a esses processos envolvendo esta tecnologia, surgiram estudos de

aplicações em diversas áreas, como por exemplo, na área de biomedicina, onde foi

10

constatado que, nos últimos anos, o número total de pessoas com idade avançada

aumentou bruscamente. Prevê-se que existe uma imensa demanda de biomateriais

no futuro. Atualmente, os biomateriais metálicos são largamente utilizados como

implante cirúrgico, incluindo aço inoxidável, ligas de cobalto-cromo, titânio puro e Ti-

6Al-4V. E como a sinterização seletiva a laser (SLS), tal como a prototipagem rápida

podem gerar de forma livre, geometrias complexas, esta tecnologia pode ajudar de

forma considerável o futuro da biomedicina, criando próteses de forma rápida e de

alta eficiência (Shunli, 2013).

Esta tecnologia, além de poder ser utilizada na fabricação de diversos

segmentos (como por exemplo, na indústria aeroespacial, aviação, etc., e como foi

relatado anteriormente para implantes médicos), como também pode ser utilizada na

reparação de peças danificadas (Dey, 2013).

3.1. A HISTÓRIA DO LASER

Laser é uma abreviação das seguintes palavras: ”Light Amplification by

Stimulated Emission of Radiation", ou seja, amplificação da luz por emissão

estimulada de radiação.

O estudo e desenvolvimentos dos conhecimentos das radiações

eletromagnéticas tiveram grande apogeu no final do século passado, com as

invenções dos raios catódicos, raios x, radioisótopos, ondas de rádios e luz

incandescente (Steen, 2013; Mazumder, 2013).

A teoria de Einstein (1915-1916) sobre a emissão estimulada de luz teve

como base a teoria quântica proposta por Planck (1900). Essa teoria analisava as

relações entre a quantidade de energia liberada por processos atômicos. Assim,

Einstein discorreu sobre a interação de átomos, íons e moléculas com a radiação

eletromagnéticas em termos de absorção e emissão espontânea de radiação e,

concluiu que o terceiro processo de interação, a emissão estimulada, deveria existir

e nela, a radiação eletromagnética deveria ser produzida por um processo atômico

(Ion, 2006).

11

Na primeira metade do século XX, muitas pesquisas foram desenvolvidas e

em 1960, Theodore Maiman apresentou o primeiro Maser (microwave amplification

by stimulated emission of radiation), onde o autor conseguiu, pela primeira vez a

emissão estimulada de radiação pela excitação do rubi. Essa emissão estimulada

obtida com rubi estava localizada na faixa visível do espectro eletromagnético (Ion,

2006).

No ano seguinte, muitas novidades surgiram, pois Javan, Bennett e Herriot

apresentaram o laser de He-Ne , Johnson desenvolveu o laser de Nd:YAG e em

1964, Patel e colaboradores apresentaram o laser de Dióxido de Carbono, CO2 (Ion,

2006).

Quanto à interação do laser com a matéria pode-se dizer que a radiação laser

tem um número de propriedades únicas: alta densidade de potência, direcionamento

preciso, monocromaticidade e coerência. Essas propriedades possibilitam

concentrações de energia com densidades de potência variando de valores

extremamente baixos, e transferência rápida de quantidade de energia precisa para

o material sem contato físico. A transferência intensa de energia provoca a

ocorrência de modificações estruturais na camada superficial do material (Steen,

2013; Mazumder, 2013).

A prototipagem utiliza o laser para fusão de forma seletiva. 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. Sendo o laser o responsável para a

fundição não só de cada camada, como também para fundir uma camada à outra

(Steen, 2013; Mazumder, 2013).

3.2. UTILIDADES E APLICAÇÕES

A mesa é utilizada para a fabricação de objetos por prototipagem a laser, ou

seja, sinterização a laser que é uma técnica de fabricação que utiliza um laser como

12

fonte de energia para sinterizar o material em pó (normalmente metálico), a fim de

criar uma estrutura sólida. É uma tecnologia relativamente nova que até agora tem

sido principalmente utilizado para prototipagem rápida e de produção de baixo

volume de componentes. Podem-se fabricar peças de praticamente qualquer

geometria e alto grau de complexidade. Em comparação com outros métodos de

fabricação (como por exemplo o método de usinagem convencional, que possuem

limitações de geometria e material a serem fabricadas as peças, e dependendo da

utilização desta, se faz necessário algum tipo de tratamento, como por exemplo o de

têmpera) este pode produzir peças a partir de uma gama relativamente ampla de

materiais em pó disponíveis comercialmente. Pode se conseguir com que as

propriedades dos materiais sejam bem superiores, comparáveis com as dos

processos de fabricação convencionais. Os pós são geralmente produzidos por

moagem por esferas (Khainga, 2001).

3.3. A IDÉIA DA MESA DE PROTOTIPAGEM

A idéia da mesa de prototipagem surgiu quando foi constatada sua

necessidade, após dar início ao projeto "Desenvolvimento da tecnologia de

aplicação de revestimentos cerâmicos micro e nano-particulados via laser de CO2", a

partir disto foi elaborado um projeto mostrado a seguir, pela aluna de Graduação

Jéssica Azevedo, o qual foi seguido para que este projeto fosse posto em prática, e

então foi iniciada a sua fabricação.

3.4. A MESA

3.4.1. - O projeto em Solidworks

O projeto da mesa de prototipagem foi realizado pela aluna de Graduação

Jéssica Azevedo. As Figuras 1.a e 1.b mostram o projeto da máquina desenvolvido

em Solidworks 2012 e a vista explodida das peças que compõe a mesa. As

dimensões deste projeto podem variar conforme a necessidade de uso, neste caso,

a necessidade exige um cilindro com 90 milímetros de diâmetro e 100 milímetros de

curso verticalmente. As outras peças devem ser fabricadas de forma proporcional

13

para que atenda a necessidade de dimensões do cilindro.

Figura 1a. Projeto da mesa (Funcionamento desta, no item 3.5, pag. 16)

Figura 1b. Vista explodida

14

3.4.2 - A fabricação

A fabricação foi realizada nas oficinas do IFSP e IEAv.

A Figura 2 mostra o cilindro e a camisa de bronze fosforoso que são utilizados no

eixo z. Estas peças foram fabricadas no Torno semi-automático (marca Veker,

modelo FEL-1440GWM) do IFSP.

Figura 2. Cilindro

A Figura 3a mostra o sistema do reservatório de pó após a etapa de montagem.

Figura 3a. Reservatório de pó

15

A Figura 3b mostra a mesa no início do processo de montagem.

Figura 3b. Mesa no início da montagem

A Figura 3c mostra o sistema de eixo Z da mesa.

Figura 3c. Eixo Z

16

A Figura 3d mostra a mesa concluída.

Figura 3d. Mesa concluída

3.4.3 - O PROCESSO DE FABRICAÇÃO

A fabricação da mesa foi dividida, sendo uma parte do projeto, realizado por

alunos do curso de automação industrial, no IFSP, que fizeram a programação (em

Visual Basic), que faz com que a mesa interaja com o computador para o

deslocamento do eixo Z, e a parte de usinagem e montagem foi realizada nas

oficinas do IFSP e IEAv.

3.5. - FUNCIONAMENTO

Esta funciona de forma automatizada, em conjunto com o laser e o

computador responsável por controlar ambos.

17

A mesa possui movimentação no eixo Z, e também no reservatório de pó,

sendo a movimentação nos eixos X e Y executada pelo laser.

As camadas de pós são sinterizadas sobre um substrato, que se trata de uma

base metálica (sendo o caso do objetivo da construção, o uso de pó metálico), onde

após o comando ser executado pelo operador, e com o substrato já posicionado, o

eixo Z descerá, para que o reservatório de pó deposite uma camada sobre o

substrato, e esta será sinterizada através da aplicação do laser, neste caso, de CO2,

e assim se tornará um ciclo, para que se construa uma camada sobre a outra.

O desenho da peça a ser sinterizada, é colocado no software que comanda o

cabeçote do laser, chamado Winmark, que será responsável por sinterizar a peça

camada a camada, de forma que no final ela atinja a geometria desejada.

4. MATERIAIS E MÉTODOS

4.1. - MATERIAIS UTILIZADOS PARA FABRICAÇÃO DA MESA

4.1.1 Bronze Fosforoso

O bronze foi utilizado para a confecção dos cilindros que servem de leito para a

deposição do pó.

4.1.2 Aço Inox

Utilizado na superfície da mesa devido a sua resistência e durabilidade, eixos

de deslocamento do depósito de pó e fuso do eixo Z.

4.1.3 Alumínio 7075

Em toda a estrutura e suportes da mesa.

4.1.4 Parafusos e arruelas

Responsáveis pela união das peças.

4.1.5 Corrente de rolos

Para o deslocamento do depósito de pó.

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4.2. - MATERIAIS UTILIZADOS PARA FABRICAÇÃO DAS AMOSTRAS PARA TESTES DE PROTOTIPAGEM

4.2.1. Aço inoxidável

4.3. - MÉTODOS

4.3.1 Cilindros de bronze

Os cilindros foram usinados em um torno marca Veker, modelo FEL-

1440GWM, no Instituto Federal de São Paulo, utilizando a rotação de 460rpm e

avanço de 0,018mm/rotação, sendo a ferramenta, um inserto de metal duro de

geometria W, classe P.

4.3.2 Estruturas laterais e suporte para o cilindro em alumínio 7075

Foram usinadas em uma fresa marca Manrod modelo MR 9400 VC, no IEAv,

utilizando a rotação de 1200rpm e avanço de 200 mm/minuto, fazendo uso de uma

ferramenta de aço rápido com diâmetro de 10 mm.

4.3.3 Suportes com altura regulável em alumínio 7075

Usinados em uma fresa marca Nardini modelo ND 250, no IEAv, utilizando a

rotação de 1200rpm e avanço de 200 mm/minuto, fazendo uso de uma ferramenta

de aço rápido com diâmetro de 07 mm.

4.3.4 Suporte regulável para depósito de pó em alumínio 7075

Fabricados em uma fresa marca Nardini modelo ND 250, no IEAv, utilizando a

rotação de 1200rpm e avanço de 200 mm/minuto, utilizando uma ferramenta de aço

rápido com diâmetro de 07 mm.

4.3.5. - Laser e Scan Head

O laser utilizado é de CO2, da marca Synrad com potência de 125 watts, e é

utilizado com o Scan Head FH "Flyer", onde as marcas tem velocidades de até 450

19

caracteres por segundo.

4.3.6 - Deslocamento da mesa no eixo Z

O deslocamento da mesa no eixo Z, se mostrou necessário ser de no máximo

20 µm devido à espessura das camadas de prototipagem. Esse deslocamento foi

alcançado utilizando um motor de passo com 400 passos por revolução.

5. RESULTADOS E DISCUSSÕES

5.1. TESTES DO EIXO Z COM O RELÓGIO COMPARADOR

Foram realizados testes por cinco vezes consecutivas com o relógio

comparador no eixo Z, colocando este apoiado no suporte de deslocamento do

cilindro e utilizando o motor de passo em sua máxima resolução, e foi constatado

que a movimentação do eixo se dava a cada 12 µm ± 1 µm em todas as vezes que o

teste foi realizado, ou seja, mais do que o necessário para a realização da

prototipagem.

5.2. TESTE DO RESERVATÓRIO DE PÓ

Foram realizados testes na movimentação e deposição, no reservatório de pó,

que se mostrou adequado para a operação, depositando conforme projetado, a

camada de pó após cada passagem do laser sobre a camada depositada

anteriormente.

5.3. TESTE DE FABRICAÇÃO DAS PEÇAS

Após todos os testes da mesa serem realizados, obteve-se os resultados

esperados na construção de peças a partir de pós metálicos.

As amostras fabricadas com a mesa foram lixadas e polidas, para assim

serem analisadas no microscópio marca Zeiss, modelo SteREO Discovery.V8, que

mostrou uma excelente densidade, e as espessuras de camadas obtidas foram de

20

20 µm, mostrando que a mesa atende aos requisitos para a fabricação por

deposição.

6. CONCLUSÃO

Conclui-se que a mesa atende a todos os requisitos para a operação de

prototipagem. As peças fabricadas com ela mostraram excelentes resultados após

serem analisadas. A fabricação da mesa mostrou-se extremamente viável com um

custo abaixo de R$ 10.000,00 (Dez mil Reais), e realizando com exatidão o trabalho

para o qual foi idealizada.

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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