Prototipagem rapida.

Universidade de Caxias do Sul

Mestrado Profissional em Engenharia Mecânica

Prof. Marcos Alexandre Luciano

Disciplina: Projeto - Métodos e Ferramentas

PROTOTIPAGEM RÁPIDA

Realizado por: Maicon Geremia ([email protected])

2014

2





1. Introdução

Na fase de desenvolvimento de produtos dispõe-se de programas gráficos 2D e 3D para inicio de projeto de produtos,

mas não é o bastante na maioria dos casos, para isso usamos o protótipo ou prototipagem como recurso de analise

física e de detalhes construtivos. Também promove uma melhor percepção do que é possível e o que não é possível,

aumentando o nível de analise de viabilidade produtiva eliminando incertezas.

Protótipo é um objeto, produto ou componente em fase de testes e/ou planejamento de um projeto com grande

importância no processo de desenvolvimento de produtos, que tem a finalidade de avaliar alguns requisitos

importantes nessa fase, como:

Funcionalidade;

Análise de sua forma ou design;

Testes em Laboratório;

Ergonomia;

Dimensional;

Padrão mestre de produção de ferramentas;

Testes de montagem e encaixe;

Entre outros.

3





Figura 1. Objetivos com protótipos. Fonte: Wholers Report, 2006.

Figura 2. Principais Aplicações dos Protótipos em Prototipagem Rápida.(Fonte: Saura (2003))

Este levantamento no Brasil, representado na figura 2, revela que a construção de protótipo atende com percentuais

semelhantes, as percepções mais subjetivas (design) dos produtos em desenvolvimento e as necessidades mais

objetivas dos projetos. Enquanto no levantamento representado na figura 1, com mais países pesquisados, os

protótipos são executados de forma a atender principalmente os aspectos mais objetivos do projeto.

4





O protótipo pode ser constituído por inúmeros processos, podendo ser através de seu processo usual de fabricação ou

por outros processos alternativos, sendo por Remoção de material ou Adição de material.

1.1. Remoção de material

Uma ferramenta ‘subtrai’ material, através da utilização de uma variedade de diferentes tipos de fresas, geralmente de

um bloco de madeira ou espuma, que é gradualmente reduzido para a réplica física do modelo original desenhado em

CAD.

1.2. Adição de material

O modelo físico é construído sequencialmente, uma camada sobre a outra, até formar uma cópia analógica de seu

original digital em CAD, também chamada de prototipagem rápida (RP).

1.3. Porque e Quando Fazer Protótipos?

Quando se trata de produtos que serão fabricados em serie, que necessitam de moldes e equipamentos específicos,

geralmente, os investimentos são maiores, logo a prototipagem se torna extremamente importante para redução de

riscos nas tomadas de decisões.

Segundo Baxter (1998), o volume do investimento em um projeto do produto é sempre menor nas fases iniciais do

desenvolvimento do que quando na fase inicial deste produto na economia de escala, segundo ele protótipo é o

primeiro de uma série de produtos. Identificando um problema na fase de projeto e desenvolvimento deste produto, é

possível reduzir significativamente os riscos do projeto. E apresenta isso de forma clara na abaixo.

5





Figura 3. Variação do Investimento em um Produto.(Fonte: BAXTER (1998))

2. Prototipagem Rápida

A prototipagem rápida é uma tecnologia inovadora desenvolvida nas últimas duas décadas. Ela visa produzir protótipos

de forma relativamente rápida para a produção de ferramentas para auxiliar na redução de tempo do processo de

desenvolvimento de produtos (CHOI e CHAN, 2004).

A forma escolhida para fabricação do protótipo varia conforme a necessidade, viabilidade e tempo, dependendo do

objetivo do protótipo e o que será analisado, considerando as informações a serem avaliadas para aprovação dos

requisitos analisados no projeto e no desenvolvimento de produto.

A prototipagem rápida tem por objetivo construir objetos físicos por adição ou deposição de material em camadas

planas sucessivas, a partir de fontes de dados gerados em projeto de modelagem 3D auxiliado por computador (CAD).

6





Todos os processos de prototipagem rápidas atualmente existentes são constituídos por cinco etapas básicas:

Criação de um modelo CAD da peça que está sendo projetada;

Conversão do arquivo CAD em formato STL;

Fatiamento do arquivo STL em finas camadas transversais e programação da maquina via Software;

Construção física do modelo, empilhando-se uma camada sobre a outra;

Limpeza, cura, remoção de apoios e acabamento do protótipo.

Para cada equipamento ou processo, existem pequenas variações nesse processo. Segundo Volpato (2007),

“atualmente, existem mais de 20 sistemas de RP no mercado que, apesar de usarem diferentes tecnologias de adição de

material, se baseiam no mesmo princípio de manufatura por camada.”

Figura 4. Representação das camadas na prototipagem Rápida(Fonte: VOLPATO (2007))

2.1. Características da prototipagem rápida no Brasil

Existem outras tecnologias de deposição de materiais ou RP, entretanto a tabela 1 mostra quais são as mais utilizadas e

difundidas no Brasil. Para melhor compreensão, a tabela resume algumas características das tecnologias de RP

disponíveis no país.

7





Figura 5. Características da Prototipagem Rápida no Brasil(Fonte: SELHORST, 2008)

8





2.2. Linha do tempo da impressora 3d

1984 - Charles Hull desenvolveu a tecnologia de imprimir objetos físicos a partir de dados digitais.

1986 - Charles Hull nomeou sua técnica de "Estereolitografia" e conseguiu patentear a sua invenção.

1986 - Charles Hull fundou a 3D Systems e desenvolveu sua primeira impressora 3D comercial, que foi chamada de

Stereolithography Apparatus.

1988 - A 3D Systems desenvolveu o modelo SLA-250, que foi a primeira versão disponibilizada para o público em geral.

1988 - Scott Crump inventou o FDM (Fused Deposition Modeling).

1989 - Scott Crump foundou a Stratasys.

1991 - Helisys vendeu seu primeiro sistema LOM (laminated object manufacturing).

1992 - Stratasys vendeu sua primeira máquina baseado no FDM, a "3D Modeler".

1992 - DTM vendeu seu primeiro sistema SLS (selective laser sintering).

1993 - Solidscape foi fundada para produzir uma máquina jato de tinta que pudesse construir pequenas peças com um

excelente acabamento (mas em um ritmo relativamente lento).

1993 - O Instituo de Tecnologia de Massachusetts (MIT) patenteou "técnicas de Impressão de 3 dimensões". É similar a

tecnologia jato de tinta usada nas impressoras 2D.

1995 - A Z Corporation obteve uma licença exclusiva do MIT para usar a tecnologia e começou a desenvolver

impressoras 3D baseadas na tecnologia 3DP.

1996 - Stratasys apresentou a "Genisys".

1996 - Z Corporation apresentou a "Z402".

1996 - 3D Systems apresentou a "Actua 2100". O termo "Impressora 3D" foi usado pela primeira vez para referenciar

máquinas de prototipagem rápida.

1997 - EOS vendeu seu negócio de estereolitografia para a 3D Systems mas continuou como a maior produtora da

Europa.

9





2005 - Z Corp. lançou a Spectrum Z510. Essa foi a primeira impressora 3D de alta definição com cores lançada.

2006 - Um projeto open-source é iniciado com o objetivo de desenvolver uma impressora 3D auto-replicável. O projeto,

chamado de Reprap, é distribuído sob os termos da GNU General Public Licence.

2008 - Objet Geometries Ltd. anunciou seu revolucionário sistema de prototipação rápida, o Connex500™. Ele foi o

primeiro sistema do mundo a permitir a impressão de produtos em 3D usando diferentes materiais ao mesmo tempo.

2008 - A primeira versão do Reprap é lançada. Ele consegue fabricar cerca de 50% das suas partes.

Novembro de 2010 - Urbee é apresentado. Ele é o primeiro carro a ter todo o seu chassi feito por uma impressora 3D

gigante. Todos os componentes exteriores - incluindo os vidros - foram criados usando a Dimension 3D Printers e a

Fortus 3D Production Systems, na Stratasys.

Dezembro de 2010 - Organovo, Inc., uma empresa de medicina regenerativa focada na tecnologia de bio-impressão,

anunciou a data de lançamento dos seus primeiros vasos sanguíneos completamente impressos em 3D.

Janeiro de 2011 - A fabricante alemã Ultimaker (de impressoras 3D), atingiu a velocidade de impressão de 300mm por

segundo.

Janeiro de 2011 - Pesquisadores na Universidade de Cornell começam a construir uma impressora de comida 3D.

Junho de 2011 - Shapeways e Continuum Fashion anunciaram o primeiro biquini impresso em 3D.

Julho de 2011 - Pesquisadores do Reino Unido apresentaram a primeira impressora 3D de chocolate.

Agosto de 2011 - A primeira aeronave impressa em 3D foi criada por engenheiros da Universidade de Southampton.

Setembro de 2011 - Uma impressora 3D mais esperta, mais bonita e mais barata começa a ser desenvolvida na

Universidade de Tecnologia de Vienna. A menor impressora do mundo pesa 1.5 quilogramas e custa por volta de 1200

euros.

3. Tipos de prototipagem rápida

10





Os processos de Prototipagem Rápida podem ser classificados segundo o estado ou a forma inicial da matéria-prima

utilizada na fabricação. Sendo assim, podem-se classificar as tecnologias de PR em processos baseados em líquido,

sólido e pó. Conforme Volpato (2007) tem-se a seguinte classificação: Líquidos, Sólidos e Pó.

3.1. Baseados em Líquidos

3.1.1. Estereolitografia (SLA)

Este sistema foi o pioneiro na impressão 3D e é denominado SLA (Stereo Litography Apparatus). Consiste numa

plataforma perfurada logo abaixo de uma cuba contendo um polímero líquido que se cura sob efeito fotoquímico, ou

seja, ela solidifica sob efeito da luz. A luz neste caso é um feixe de laser Ultravioleta, que ilumina o polímero nos pontos

onde a figura deverá ser solidificada na primeira camada ou fatia da figura 3D. A plataforma é então rebaixada

milimétricamente cobrindo a primeira camada. Novo feixe de laser ilumina a segunda camada que se solidifica e assim

por diante. Após a drenagem do polímero, temse a figura tridimensional sobre a plataforma. Esta técnica é a mais

popular nas aplicações de precisão, que permite figuras com fatias até 60 microns, mas também de custo mais elevado.

Atualmente podem-se obter figuras 3D coloridas, utilizando polímeros que se curam em cores diferentes de acordo com

a potência do feixe de luz.

11





Figura 6. Ilustração do princípio de funcionamento do processo de estereolitografia.(Fonte: www.custompartnet.com)

Figura 7. Exemplo de peça feita através de Estereolitografia (fonte: http://www.impresora3d.com.mx/)

Figura 8. Exemplo de peça feita através de Estereolitografia(fonte: www.impresora3d.com.mx)

3.1.2. Polyjet

A Polyjet se refere a um processo de fabricação aditiva utilizada em prototipagem rápida. Na prototipagem rápida,

assim como a estereolitografia, a Polyjet também faz uso de fotopolímeros líquidos que endurecem por exposição a um

raio laser ultra-violeta. As impressoras Polyjet possuem duas cabeças de impressão: uma responsável por distribuir o

fotopolímero líquido e outra responsável por ativar o laser colocado como recipiente que contém o líquido (o laser é

12





necessário para a solidificação do líquido, a fim de criar as camadas do objeto a ser impresso). O processo é

significativamente menos complicado em comparação com a estereolitografia, devido ao fato de que não é necessário

utilizar receptáculos durante a impressão do objeto, por causa da presença de duas cabeças de impressão. Como

resultado, as impressoras Polyjet têm uma semelhança mais próxima às impressoras jato de tinta do que as impressoras

de SLA.

Figura 9. Ilustração do processo de PolyJet(fonte: http://blog.nus.edu.sg/)

Figura 10. Exemplo de peça feita por PolyJet(fonte: http://blog.nus.edu.sg/)

13





3.2. Baseados em Sólido

Nesse processo o material pode estar na forma de filamento ou lâmina. Alguns desses processos fundem o material,

antes de sua deposição, como o FDM – Deposição por Material Fundido, enquanto outros somente recortam uma

lâmina do material adicionado, como no caso da Manufatura Laminar de Objetos.

3.2.1. Modelagem por fusão de material (FDM)

Através de um bico que se move nos eixos X e Y, sai uma resina termoplástica, que é depositada primariamente sobre

uma mesa de temperatura inferior a do material. Devido a esta diferença entre as temperaturas, o material se solidifica

rapidamente. Através de um elevador, a plataforma desloca-se no eixo Z, e uma nova camada de resina é depositada

sobre o material solidificado, de forma a formar novas camadas até que se obtenha o modelo desejado. (VOLPATO,

2007)

Para facilitar a construção do modelo, é necessário que se tenha um segundo bico injetando um material de base, para

servir de apoio quando as camadas não forem apoiadas sobre a superfície anterior, como por exemplo, a modelagem de

um aeromodelo, onde o material de base é depositado abaixo das asas, para dar suporte para a deposição da resina

permanente. (VOLPATO, 2007)

14





Figura 11. Princípio de funcionamento do processo FDM(fonte: www.moldesinjecaoplasticos.com.br)

Figura 12. Equipamento FDM em funcionamento (fonte: www.tecnocurioso.com.br)

15





Figura 13. Exemplo de peça feita por FDM(Fonte: cienciahoje.uol.com.br)

Figura 14. Exemplo de peça feita por FDM(Fonte: cienciahoje.uol.com.br)

3.3. Baseados em Pó

Pode ser utilizado laser para o seu processamento como no exemplo da Sinterização Seletiva a Laser, ou um aglutinante

aplicado por um cabeçote tipo jato de tinta, utilizado na Impressão Tridimensional.

3.3.1. Selective Laser Sintering (SLS)

Uma tecnologia de impressão 3D, muito bem estabelecida é a SLS (Selective Laser Sintering). O objeto é criado através

da deposição de uma camada do material em forma de pó, e em seguida, os grânulos deste pó, são fundidos

seletivamente. Atualmente, as impressoras 3D com tecnologia SLS podem criar objetos utilizando uma grande variedade

de materiais em pó. Estes incluem cera, poliestireno, nylon, vidro, cerâmica, aço inoxidável, titânio, alumínio e diversas

16





ligas, incluindo cromocobalto. Durante a impressão, os grânulos de pó não fundidos são usados para apoiar o objeto

durante a construção. Quando terminar a impressão, quase todo o excesso de material em pó pode ser reciclado.

Figura 15. Ilustração do processo SLS(www.custompartnet.com)

Figura 16. Exemplo de peça feito por SLS.(gpiprototype.com)

17





Figura 17. Exemplo de peça feito por SLS.(gpiprototype.com)

3.3.2. Direct Metal Laser Sintering (DMLS)

Quando SLS é usado para produzir objetos de metal diretamente o processo é também chamado de DMLS (Direct Metal

Laser Sintering). Objetos metálicos criados por uma impressora 3D DMLS tem densidade próxima de 99,99 por cento, e,

portanto, podem ser utilizados no lugar de peças metálicas tradicionais na grande maioria das aplicações.

Enquanto o DMLS 3D imprime objetos de metal diretamente, também é comum o uso de sinterização a laser para

produzir objetos de cera, que depois são usados como moldes para serem sacrificados em um processo de fundição

tradicional. Aqui, uma vez que o objeto 3D de cera é impresso, um molde de gesso é obtido através dele. Quando o

molde é aquecido, a cera derrete e é retirado do molde de gesso, que é preenchido por um metal líquido. Quando o

metal se solidifica, o gesso é removido, gerando um objeto metálico, que de alguma forma, começou em uma

impressora 3D.

18





Figura 18. Ilustração do processo de DMLS(www.custompartnet.com)

Figura 19. Exemplo de peça feito por DMLS(http://gpiprototype.com)

19





Figura 20. Exemplo de peça feito por DMLS(http://gpiprototype.com)

4. Vantagens da prototipagem rápida.

Capacidade de produzir formas tridimensionais complexas e detalhadas;

Redução de lead times para peças únicas;

Os processos ocorrem em um compartimento fechado, com baixa geração de ruídos ou desperdícios;

Redução substancial do tempo de lançamento do novo produto no mercado;

Melhoria na manufaturabilidade e redução de custos no projeto de produtos;

Não requerem dispositivos ou ferramental especial para a fixação. Quando houver a necessidade de suportes,

esses são criados pela própria tecnologia da máquina;

Geralmente, não é necessária troca de ferramenta de trabalho;

O componente é fabricado em uma única etapa de processo;

Não são necessários cálculos complexos de trajetórias de ferramentas.

20





5. Desvantagens da prototipagem rápida.

Nem sempre a prototipagem é rápida, em alguns casos, a velocidade de produção do protótipo é muito lenta.

Dependendo do nível de precisão requerido e do tamanho do objeto, o processo pode levar algumas horas ou alguns

dias;

O volume do protótipo geralmente é limitado, variando de equipamento para equipamento;

Os materiais e suas propriedades mecânicas não são as mesmas dos metais e plásticos geralmente usados no

produto final;

A precisão e o acabamento superficial são inferiores aos das peças obtidas por usinagem;

A qualidade final da superfície do protótipo rápido gerado normalmente necessita de um acabamento

secundário.

6. Áreas de Aplicação.

A PR através de impressão 3D tem aplicações em vários segmentos, desde alimentos a armas de fogo. A tecnologia

transforma matérias-primas como plástico, resina, metal e até células cultivadas artificialmente em produtos que em

breve estarão disponíveis ao grande público.

Abaixo alguns destes segmentos.

6.1. Engenharia

Essa é uma das áreas que mais podem ser exploradas pela impressão 3D, porque o equipamento tem condições de

produzir componentes funcionais de qualquer objeto, aparelho ou dispositivo. Atualmente, a maior utilização é para a

criação de protótipos de objetos, como telefones celulares mais ergonômicos, mas já foram construídas bicicletas e até

armas de fogo. Em alguns anos, qualquer oficina poderá imprimir os componentes de um automóvel e montá-lo com

praticidade.

21





6.2. Arquitetura

Moldes e maquetes de edifícios, pontes e qualquer monumento arquitetônico podem ser completamente montados e

pintados em terceira dimensão, bem como objetos decorativos. Espera-se que, futuramente, casas inteiras sejam

construídas com peças impressas.

6.3. Geoespacial

Esta indústria é uma das grandes beneficiadas com os dispositivos, uma vez que os protótipos são indispensáveis para

seu desenvolvimento. Já foram produzidos diversos aeromodelos e drones que obtiveram sucesso em testes de voo

com funcionamento semelhante aos tradicionais.

6.4. Medicina

A impressão 3D já é uma realidade nesse setor com a produção de próteses, tanto para deficientes físicos quanto placas

para o crânio. A tecnologia promete acabar em alguns anos com a falta de doadores de órgãos: experimentos já

imprimiram uma orelha e um rim perfeitamente funcional através de células cultivadas artificialmente, e pesquisas

tentam recriar vasos sanguíneos a partir de açúcar.

6.5. Odontologia

Bem como no ramo médico, essa tecnologia já é bastante efetiva nos dias de hoje para a produção de moldes em cera e

próteses dentárias em resina.

6.6. Moda

Uma grande variedade de peças de roupas, entre blusas, vestidos e biquínis, é confeccionada em 3D com materiais que

diferenciados, com maior leveza e menor custo do que roupas costuradas à mão.

6.7. Calçados

Sapatos e sandálias também já são desenvolvidos por meio dos dispositivos de terceira dimensão, como cintos, bolsas e

braceletes. Da mesma forma que o mundo da moda, esses produtos são econômicos e podem também ser reciclados.

22





6.8. Jóias

Designers de joalherias são alguns dos profissionais que utilizam a tecnologia há mais tempo, projetando peças valiosas

– pedras, anéis e correntes – em formatos diferentes e belos.

6.9. Entretenimento

As animações de Hollywood e o mundo dos games já utilizam protótipos de personagens e até de cenários. Muitos

elementos computadorizados precisam de modelos físicos para uma primeira filmagem, e os moldes em 3D são de

grande utilidade. Também são utilizados para a criação de réplicas, itens colecionáveis e brinquedos.

6.10. Educação

A rápida evolução a acessibilidade tornarão as impressoras 3D em ferramentas essenciais de trabalho em poucos anos.

A importância da qualificação da mão de obra para a utilização do equipamento e de seus softwares para criação faz

com que a modelagem já faça parte do currículo de diversas instituições de ensino. Além disso, protótipos de esqueletos

e planetas já são utilizados em aulas de Biologia e Ciências, por exemplo.

7. Bibliografia

architecture. Automation in Construction, No. 14, p. 215-224, 2005.

BATISTA, Leonardo Carreira. A prototipagem rápida como ferramenta auxiliar no Desenvolvimento de produtos,

um estudo de caso envolvendo implantes ortopédicos. Piracicaba – SP, 2012

BAXTER, M. Projeto de Produto. Editora Edgard Blucher; São Paulo, 1998;

CHOI, S. H. e CHAN, A. M. M. A virtual prototyping system for rapid product development. Computer-Aided

de desenvolvimento de produtos em pequenas e médias

Design, No. 36, p. 401-412, 2004.

empresas.Campinas, SP, 2003.

23





Linha do tempo http://www.3ders.org/3d-printing/3d-printing-history.html acessado em 07/06

MODEEN, Thomas. CADCAMing. The use of rapid prototyping for the conceptualization and fabrication of

Olhar Digital http://olhardigital.uol.com.br/pro/noticia/39435/39435 ACESSADO EM 07/06/2014

PUJOL, Camila Ardais Medeiros. Proposta de um modelo integrado ao PDP para o desenvolvimento de

embalagem. Porto Alegre, RS. 2012

SAURA, C. E. Aplicação da prototipagem rápida na melhoria do processo

SELHORST JUNIOR, Aguilar. Análise comparativa entre os processo de prototipagem rápida na concepção de

novos produtos: um estudo de caso para determinação do processo mais indicado. Curitiba, PR, 2008.

TAKAGAKI, Luiz Koiti. Tecnologia de impressão 3D, São Paulo, SP

WOHLERS, Terry. Wohlers Report. 2006.

Sites acessados entre 05/06/2014 à 15/06/2014.

o www.custompartnet.com

o www.impresora3d.com.mx

o blog.nus.edu.sg

o www.moldesinjecaoplasticos.com.br

o www.tecnocurioso.com.br

o cienciahoje.uol.com.br

o www.custompartnet.com

o gpiprototype.com

o olhardigital.uol.com.br

o www.3ders.org

Prototipagem rapida.

Documents

Transcript of Prototipagem rapida.