UNIVERSIDADE PAULISTA

Trabalho de Conclusão de Curso

Eng. Mecatrônica

UNIP - Limeira

IMPRESSORA DE PROTOTIPAGEM RÁPIDA

“Impressora 3D”

Limeira

2013

Construção de uma impressora de prototipagem rápida 3D de baixo custo como trabalho de conclusão de curso de Engenharia Mecatrônica na Universidade Paulista – UNIP.

Cleber Rodrigues Silva

Weslei Miri

Franklin Arisson Rodrigues Dos Santos https://www.linkedin.com/in/franklinarisson

Daniel Tarifa Morão

Lincon Souza Ferreira de Lima

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Dedicatória

Dedicamos esse trabalho a todos aqueles que, se esforçando em adquirir conhecimento, contribuem não somente para o seu próprio bem, mas também produz o bem a todos aqueles que estão a sua volta.

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Agradecimentos

A Deus por nos ter dado força e coragem para vencer os desafios. Aos nossos familiares por suportarem com paciência nossas ausências. Ao Prof.° Ms Odair Mesquita pela orientação e dedicação à nossa classe. A todos os professores da UNIP que nos ajudaram em todas as fases de nosso curso. Aos amigos que nos incentivaram durante nossos estudos.

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RESUMO

Em um mercado cada vez mais competitivo, a velocidade com a qual uma companhia detecta uma necessidade e lança um produto voltado para o atendimento desta necessidade, antes de seu concorrente, é por muitas vezes um fator determinante do sucesso. Os estágios de desenvolvimento e testes com protótipos geralmente encarecem o processo de criação de novos produtos, além de gerar atrasos que muitas vezes ocasionam perdas de fatias importantes no nicho ao qual a empresa se dedica; os mercados de telefonia celular, tecnologia, automotivo e de informática são exemplos de mercados que sofrem com atrasos no desenvolvimento de produtos.

Atualmente um novo equipamento tem ocupado espaço nos departamentos

de engenharia de grandes empresas por fornecer agilidade no processo criativo, facilidade nos testes de peças em tamanho real e até mesmo gerando parâmetros para os departamentos de marketing quando um protótipo pode ser avaliado por clientes em potencial: A impressora de prototipagem 3D.

Este equipamento permite que um desenho tridimensional desenvolvido pelos

softwares de engenharia seja convertido já em uma peça pronta ou quase pronta, caso seja apenas um protótipo, com essa peça pode-se executar testes, avaliações de funcionamento, pesquisas de mercado, dentre outras necessidades em tempo recorde, com um baixo custo de desenvolvimento e evitando etapas caras, que requerem profissionais altamente capacitados. Caso a peça já seja um produto final, ele pode ser comercializado por um custo bem menor, visto que diversas etapas do processo produtivo foram evitadas.

Devido às inúmeras possibilidades, a impressora 3D ocasionará uma

revolução de alguns mercados, por isso é muito importante que estudos sejam feitos para reduzir o custo de produção destes equipamentos, e a realização deste trabalho vem demonstrar que em breve alcançaremos a possibilidade de construirmos em nossas próprias casas essas tão desejadas impressoras 3D.

Palavras Chaves: Prototipagem Rápida, Impressoras 3D

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ABSTRACT

In an increasingly competitive market, the speed with which a company finds a need and launches a product designed to meet this need before your competitor, it is often a determining factor of success. The stages of development and testing of prototypes usually become more expensive the process of creating new products, and create delays that often cause loss of slices of important niche in which the company is engaged; mobile, technology, automotive and computer are examples of markets that suffer from delays in product development.

Nowadays new equipment has occupied space in the engineering

departments of large companies to provide flexibility in the development process, ease testing-sized pieces and even generating parameters for the marketing departments when a prototype can be evaluated by potential customers: The prototyping 3D printer.

This equipment allows a three-dimensional design project developed by an

engineering software to be converted in one part ready or nearly ready, while it is a prototype, it´s possible to run tests, functioning assessments, market research, and others needs in record time, with a low development cost and avoiding costly steps, which require highly trained professionals. If the piece has to be a final product, it can be sold for a much lower cost, since different stages of the production process were avoided.

With a planty of possibilities, the 3D printer will cause a revolution in some

markets, so it is very important that studies be made to reduce the production cost of these devices, and this work demonstrates that we will soon attain the possibility to build in our own homes such as desired 3D printers

Key Words: Rapid Prototyping, 3D Printers

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SUMÁRIO

RESUMO ..................................................................................................... 4

ABSTRACT .................................................................................................. 5

LISTA DE FIGURAS .................................................................................... 8

LISTA DE TABELAS .................................................................................. 10

LISTA DE ABREVIAÇÕES ........................................................................ 11

1. INTRODUÇÃO À PROTOTIPAGEM RÁPIDA ..................................... 12

1.1 Características de Processos de Prototipagem .......................... 12

1.2 Princípios de Funcionamento ...................................................... 13

2. TECNOLOGIAS DE PROTOTIPAGEM RÁPIDA ................................. 14

2.1 Fused Deposition Modeling - Modelagem por Fusão e Depósito 15

2.2 Selective Laser Sintering - Sinterização Seletiva a Laser .......... 16

2.3 Stereolithography - Estereolitografia (SLA) ................................. 17

3. MATERIAIS UTILIZADOS PARA A IMPRESSÃO. .............................. 18

3.1 ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) ......................................... 18

3.2 PLA (Polylatic Acid - Ácido Polilático) ......................................... 18

3.3 PVA (Polyvinyl alcohol - Álcool de Polivinila) .............................. 19

3.4 PC (Polycarbonate - Policarbonato) ............................................ 20

3.5 Nylon ........................................................................................... 20

3.6 Laywood ...................................................................................... 21

4. MERCADO DE IMPRESSÃO 3D......................................................... 22

5. A IMPRESSORA 3D CONSTRUIDA PARA O TCC ............................ 24

6. MONTAGEM ....................................................................................... 25

6.1 Estruturas auxiliares .......................................................................... 28

7. DESCRIÇÃO DO PROCESSO DE MONTAGEM ................................ 30

8. SISTEMAS ELETROELETRÔNICOS .................................................. 34

8.1 Controle do Processo .................................................................. 34

8.2 Objetivos de um Sistema de Controle ......................................... 34

8.3 Malhas de Controle ..................................................................... 34

8.4 Processos de controle em Malha aberta e Malha Fechada ........ 34

8.5 Controle e Funcionamento do Projeto ......................................... 35

8.6 Fluxograma do Circuito Elétrico .................................................. 36

8.7 Descrição dos Componentes ...................................................... 37

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9. PROCESSO E FERRAMENTAS PARA IMPRESSÃO ........................ 39

9.1 Modelo 2D (Bidimensional) ................................................................ 39

9.2 Modelo em 3D (Tridimensional) ......................................................... 39

9.3 Extensão STL ............................................................................. 40

9.4 Análise de Elementos Finitos (Opcional) ..................................... 41

9.5 Replicator G ................................................................................ 44

9.6 Skeinforge ................................................................................... 45

9.7 G-code ........................................................................................ 46

10. FLUXOGRAMA DE IMPRESSÃO (SOFTWARE): ............................... 49

11. MATRIZ DE CUSTOS ......................................................................... 50

12. CONCLUSÃO ...................................................................................... 52

13. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................... 54

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Impressora Industrial modelo Object 1000 da empresa Object/Stratasys ............. 13

Figura 2: Impressora residencial modelo Thing-o-Matic ....................................................... 13

Figura 3: Tecnologias de impressão 3D mais utilizadas ....................................................... 14

Figura 4: Prototipagem por tecnologia FDM ......................................................................... 15

Figura 5: Prototipagem por tecnologia SLS .......................................................................... 16

Figura 6: Materiais para prototipagem rápida ....................................................................... 19

Figura 7: Filamento de Policarbonato e peça produzida com este material .......................... 20

Figura 8: Filamento de Nylon e peça produzida com este material ...................................... 20

Figura 9: Filamento de Laywood e peça produzida com este material ................................. 21

Figura 10: Impressoras da empresa Stratasys ..................................................................... 22

Figura 11: Impressora da empresa Cliever .......................................................................... 22

Figura 12: Impressoras amadoras com componentes RepRap ............................................ 23

Figura 13: Base das hastes do motor Z ............................................................................... 27

Figura 14: Base frontal ......................................................................................................... 27

Figura 15: Base do transformador........................................................................................ 27

Figura 16: Base traseira ....................................................................................................... 27

Figura 17: Base principal da impressora. ............................................................................. 28

Figura 18: Suporte do rolo de ABS ...................................................................................... 29

Figura 19: Mesa base para produção de peças ................................................................... 30

Figura 20: Primeira estrutura da impressora a ser montada, o carro xy. .............................. 30

Figura 21: Base do eixo Z com bico extrusor de material ABS para produção peças .......... 31

Figura 22: Bobina de ABS e seu suporte ............................................................................. 32

Figura 23: Base e cooler de resfriamento de peças ............................................................. 32

Figura 24: Gabinete com placas eletrônicas ........................................................................ 33

Figura 25: Transformador de Alimentação ........................................................................... 33

Figura 26: Diagrama Elétrico ............................................................................................... 36

Figura 27: Logo da UNIP desenhado no Catia. .................................................................... 39

Figura 28: Modelo tridimensional do logo. ............................................................................ 39

Figura 29: Modelo 3D concluído. ......................................................................................... 40

Figura 30: Modelo no formato STL. ...................................................................................... 40

Figura 31: Analise de elementos finitos 1° passo ................................................................. 41

Figura 32: Análise de elementos finitos 2° passo ................................................................. 42

Figura 33: Análise de elementos finitos 3° passo ................................................................. 42

Figura 34: Resultados gráficos do teste ............................................................................... 43

Figura 35: Resultado final do teste de elementos finitos ...................................................... 44

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Figura 36: Tela do software Replicator G ............................................................................. 44

Figura 37: Tela de configuração de impressão (parâmetros). ............................................. 45

Figura 38: Skeinforge .......................................................................................................... 46

Figura 39: Peça final acabada, impressão em 20min ........................................................... 48

Figura 40: Fluxograma do processo de impressão .............................................................. 49

Figura 41: Vista frontal da impressora finalizada .................................................................. 51

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Materiais Utilizados .............................................................................................. 26

Tabela 2: Matriz de custos do Projeto .................................................................................. 50

Tabela 3: Custos por tipo de investimento ........................................................................... 51

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LISTA DE ABREVIAÇÕES

2D Bidimencional. 3D Tridimensional. ABS Acrylonitrile Butadiene Styrene: Polímero termoplástico CAD Software de desenho industrial. FDM Fusão por Depósito de Material. MDF Medium Density Fiberboard - Fibra de Média Densidade. PLA Polyatic Acid - Ácido Poliático. PVA Polyvinyl Alcohol - Álcool de Polivinila. PC Policarbonato. SLS Seletive Laser Sintering - Sinterização Seletiva a Laser. SLA Estereolitografia: Tecnologia de solidificação de líquidos poliméricos. STL Tipo de extensão usada em arquivos eletrônicos de desenhos

industriais.

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1. INTRODUÇÃO À PROTOTIPAGEM RÁPIDA Durante o desenvolvimento de alguns tipos de produtos, é necessária a

confecção de protótipos, seja para estudo de design, testes em túneis de vento, testes dinâmicos, de resistência, de aceitação de mercado, de viabilidade técnica, dentre outros. Estes protótipos são construídos em madeira, resina, isopor, gesso e outros tipos de materiais, para tal, é necessária uma mão de obra especializada e cara, além de tempo hábil para a execução da tarefa da construção quase artesanal do protótipo. Porém o desenvolvimento tecnológico das últimas décadas permitiu a criação de um tipo específico de impressora, aliada á robótica essa impressora mescla diversas técnicas de manuseio de diferentes materiais, para construir ela mesma, um protótipo, em muitos casos após a confecção do protótipo pela impressora, pouco ou nenhum trabalho subsequente é necessário, o protótipo se encontra pronto para uso. Em determinados casos a impressora é responsável pela confecção de produto final, seja ele de plástico, de resina ou até mesmo de metal, desta forma a impressão 3D permite que inúmeras etapas de um processo produtivo convencional não sejam mais necessárias, como etapas de usinagem e montagem, assim o preço do produto final ao consumidor pode diminuir em muito, ocasionando uma mudança no mercado no qual esse tipo de tecnologia esta inserido.

1.1 Características de Processos de Prototipagem A utilização de processos de construção de protótipos remonta a um período

por volta do ano 2.500 A.C. No passado, um modelo era, obrigatoriamente, uma réplica de um determinado objeto, construído a partir de moldagem direta, com materiais como gesso, argila, silicones, entre outros. O gesso era amplamente utilizado devido ser facilmente moldado pelos artesãos, à prototipagem era utilizada até mesmo para a construção de coroas e tronos, sendo testados pelo rei que deveria aprovar ou solicitar ajustes antes da construção da peça final, objetos de adoração também eram construídos inicialmente em gesso ou outro material antes de serem construídos em rocha ou outro material final.

Atualmente prototipagens se utilizam de materiais como plásticos e resinas moldáveis, gesso, cera e outros materiais mais modernos, no entanto o desenvolvimento de protótipos manuais é essencialmente um trabalho artesanal, com a utilização de poucas ferramentas. Eventualmente, devido à complexidade e exigências dos clientes, os processos de construção de protótipos podem utilizar a usinagem, respeitando as realidades de formas geométricas, nível de acabamento superficial, impacto visual além da execução de testes funcionais. O custo nesse caso é ainda mais alto.

A necessidade de dar mais velocidade ao processo de criação de protótipos começou a ser prioridade nas últimas décadas, a robótica aliada a informática, permitiram que a prototipagem fosse revolucionada com a criação de equipamentos que praticamente imprimem as peças desejadas em 3D, dando assim, a tão desejada velocidade no desenvolvimento de produtos.

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1.2 Princípios de Funcionamento O conceito de prototipagem rápida utilizando impressoras 3D sempre visa à

produção de um objeto detalhado com altura, largura e profundidade, para atingir este objetivo existem diversas tecnologias diferentes, porém todas as impressoras se assemelham na quantidade de eixos de deslocamento e na necessidade de se fatiar a imagem tridimensional em inúmeras imagens bidimensionais. As impressoras comuns possuem deslocamento linear em dois eixos diferentes, x e y; enquanto o papel se desloca em um eixo a cabeça de impressão se desloca em outro eixo criando a imagem no papel. Nas impressoras de prototipagem rápida acrescenta-se o eixo z e após um deslocamento correspondente a uma imagem em duas dimensões, há um avanço em z e o início de uma nova impressão nos eixos x e y, desta forma camadas e camadas de impressão vão se sobrepondo e criando o objeto tridimensional.

Para que o processo de impressão em 3D seja possível, softwares específicos são responsáveis pelo fatiamento em inúmeras camadas de uma imagem tridimensional, criando assim de dezenas a milhares de imagens bidimensionais, que serão impressas uma a uma, sobrepondo-se uma sobre a outra criando o objeto desejado. A qualidade do acabamento e o detalhamento da peça a ser impressa depende do avanço do eixo z, quanto maior a resolução no movimento deste eixo, um melhor acabamento superficial e detalhamento podem ser obtidos. Os materiais utilizados na prototipagem rápida são diversos, desde plásticos, gesso, ligas metálicas e fluídos fotossensíveis.

Figura 1: Impressora Industrial modelo Object 1000 da empresa Object/Stratasys (Fonte: http://www.wired.com/design/2012/11/big-3d-printers-euromold-2012/)

Figura 2: Impressora residencial modelo Thing-o-Matic da empresa MarkerBot Industries (Fonte: http://the-gadgeteer.com)

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2. TECNOLOGIAS DE PROTOTIPAGEM RÁPIDA Há três tecnologias mais utilizadas para prototipagem rápida, que baseadas

no mesmo conceito de três eixos de deslocamento e de sobreposição de inúmeras imagens fatiadas, porém diferem na forma que a fusão é produzida e nos materiais utilizados, abaixo vemos um infográfico que descreve as técnicas e a seguir temos a descrição detalhada dos processos de impressão.

Figura 3: Tecnologias de impressão 3D mais utilizadas (Fonte: www.tecmundo.com.br)

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2.1 Fused Deposition Modeling - Modelagem por Fusão e Depósito (FDM)

Este é o modelo mais simples de prototipagem rápida, a impressora 3D que

emprega essa tecnologia funde um polímero pelo processo de extrusão e o deposita camada a camada formando a peça desejada, é uma impressora de baixo custo, já muito utilizada por aficionados por essa tecnologia, e muitas das peças mecânicas da própria impressora FDM pode ser fabricada por ela mesma. Porém sua limitação se restringe a plásticos, estes são disponibilizados em bobinas com bitolas na escala de décimos de milímetro.

O componente principal desta impressora e o que define a tecnologia utilizada é o cabeçote de impressão, este é formado por um conjunto de resistências que aquece um molde perfurado, um fio de polímero de pequeno diâmetro será forçado a entrar neste molde por um motor que o desenrola da bobina e o direciona para o molde, o fio de polímero irá se fundir e escorrer pela cavidade interna do molde vindo a se depositar no local onde se forma a peça desejada. Este modelo de impressora possui uma base metálica aquecida que é o local onde o material extrusado é depositado, é sobre esta base que a peça é formada, o intuito dessa base aquecida é evitar a aderência do polímero à placa base, caso ela fosse fria, e também reduzir a taxa de resfriamento do polímero, que no caso do plástico ABS evita o empenamento do mesmo.

Algumas impressoras FDM colocam o cabeçote de impressão nos eixos x e y, sendo então ele que se desloca bidimensionalmente, e a base térmica onde a peça é formada movimenta-se no eixo z, assim a base irá descer alguns milímetros toda vez que uma fatia da imagem for impressa e uma nova fatia foi iniciar a impressão. Outras impressoras funcionam de forma inversa, o cabeçote de impressão não se movimenta nos eixos x e y, mas somente no eixo z, os movimentos x e y são executados pela base, e a cada término de impressão de uma fatia, o cabeçote movimenta-se para cima no sentido de z formando a peça desejada.

Figura 4: Prototipagem por tecnologia FDM, (Fonte da imagem: divulgação/ Penn)

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2.2 Selective Laser Sintering - Sinterização Seletiva a Laser (SLS) A Sinterização Seletiva a Laser é outro processo de impressão 3D, neste

processo é utilizado um laser para esculpir os objetos em uma espécie de pó extremamente fino, que pode ser de plástico, metal ou outros materiais. O pó a ser fusionado é colocado pela própria maquina em uma câmara de impressão e sua superfície é nivelada por um braço próprio, dessa forma uma camada milimétrica de pó é depositado na câmara, em seguida, um laser de altíssima potência é projetado no pó e vai desenhando a fatia correspondente àquela face da peça a ser impressa; o material entra em fusão, criando a primeira camada. Após o termino dessa etapa, a câmara de impressão sobe alguns milímetros permitindo que uma nova camada de pó seja depositada, a impressora deposita e nivela automaticamente o pó a ser fusionado, e o laser novamente passa sobre o pó aquecendo e sinterizando a nova camada. O processo de elevar a câmara de impressão, depositar pó, nivelar e o laser sinterizar uma nova camada se repete até que o objeto esteja completamente pronto.

No final é preciso remover todo o excesso de pó do objeto impresso. É possível fazer isso com um jato de ar comprimido ou escovas próprias para esse propósito. É importante lembrar que todo o excesso de material pode ser reutilizado mais tarde, portanto o desperdício é mínimo.

Dentre as vantagens dessa tecnologia de impressão pode se destacar a versatilidade em poder trabalhar com uma grande variedade de materiais diferentes, desde polímeros e plásticos até metais, também é possível imprimir objetos já pintados, pois cada camada pode ser colorizada separadamente no momento da impressão. A precisão do laser também permite a criação de objetos mais complexos e detalhados, contendo, inclusive, partes móveis. No entanto o custo desta tecnologia impede a construção dessas impressoras por entusiastas, como ocorre com a tecnologia FDM.

Figura 5: Prototipagem por tecnologia SLS, (Fonte da imagem: Reprodução/Axis)

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2.3 Stereolithography - Estereolitografia (SLA) Stereolithography ou “fotossolidificação” é semelhante ao processo SLS,

porém ao invés de utilizar pó é utilizado um liquido sensível a luz ou duas resinas que reagem entre si quando expostas a luz, o principio básico nesta técnica de impressão é a solidificação de um líquido quando exposto a luz ultravioleta. Na impressora SLA há um recipiente que é preenchido com um líquido especial, uma espécie de resina plástica que pode ser “curada” com luz ultravioleta, ou seja, a resina solidifica ao ser bombardeada por um feixe de luz ultravioleta, criando uma peça com uma excelente resistência mecânica, antes do processo de impressão a resina é depositada na câmara de impressão, no centro da câmara de impressão há uma plataforma que fica elevada e a poucos milímetros abaixo da superfície do líquido, o laser inicia o processo de bombardeamento do material na região desta plataforma, o liquido então se solidifica somente no local onde o laser foi projetado formando a primeira camada de impressão. Depois disso, a plataforma central desce poucos milímetros e o líquido cobre a primeira camada já impressa formando uma película sobre essa, o laser inicia o bombardeamento novamente formando mais uma camada. Esse processo de bombardeamento pelo laser, descida da plataforma, cobertura da parte impressa por uma película de líquido e inicio de um novo bombardeamento continua até o final da impressão da peça.

O outro método SLA consiste na aplicação de jatos de polímeros fotossensíveis em pó por meio de um cartucho de impressão, que são unidos de forma seletiva por outro cartucho com conteúdo adesivo. Esta é a tecnologia de impressão tridimensional mais rápida existente atualmente, além de ser também a única que permite a aplicação de finalização colorida nos objetos (simulando a pintura). Depois que o objeto está concluído, é preciso remover o excesso de material da peça e posicioná-la dentro de uma espécie de “forno” ultravioleta que serve para completar o processo de cura dos polímeros dos diferentes matérias plásticos.

Esse tipo de equipamento pode criar modelos complexos e resistentes de maneira relativamente rápida, porém as máquinas são relativamente mais caras e o custo do litro da resina plástica líquida pode ultrapassar as centenas de dólares, o que torna o processo de fabricação ligeiramente mais caro do que o de outros modelos.

Por fim — e voltada especialmente à produção de objetos realmente pequenos — temos a micro-fabricação tridimensional em gel, que utiliza lasers focados em diferentes pontos e distâncias para tratar o material até um ponto em que ele se torne sólido. Todo o restante que não foi focado é simplesmente lavado ao fim do procedimento, se desprendendo da peça. Componentes com tamanhos inferiores a 100 nanômetros são facilmente produzidos. Outro exemplo, novamente, são as peças interligadas com partes móveis.

Fica claro que cada uma delas possui suas próprias vantagens e problemas, cabendo a quem compra o equipamento definir as prioridades e necessidades, dentre questões como: custo dos materiais de impressão, maleabilidade, velocidade de impressão, capacidades (para um usuário ou vários compartilhados), qualidade e resolução (para impressão detalhada) e necessidade de cores.

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3. MATERIAIS UTILIZADOS PARA A IMPRESSÃO. Os materiais utilizados em prototipagem rápida variam conforme o tipo de

tecnologia de fusão da impressora e o tipo de utilização ao qual o protótipo se destina; os termoplásticos para impressões FDM mais utilizados estão disponíveis no mercado com diâmetros de filamento da ordem de 0,3mm, são vendidos em bobinas com dezenas de metros de comprimento, e com diversas cores, são os mais acessíveis para os iniciantes nessa tecnologia ou que prefiram ter uma impressora de pequeno porte para solução à confecção de pequenas peças, abaixo listamos os materiais de impressão mais utilizados para essa técnica de impressão:

3.1 ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) O ABS é da família dos plásticos sendo então um derivado do petróleo, é o

plástico mais utilizado em impressoras de prototipagem 3D FDM de baixo custo, o ABS é um material amplamente utilizado na indústria, ele é encontrado em para choques de carros, mesas, eletrodomésticos, dentre outros utensílios. Tem boas propriedades mecânicas, é rígido, leve, flexível, resistente na absorção de impactos, isolante eléctrico e possui um acabamento brilhante.

A temperatura de extrusão do ABS situa-se entre 210°C e 240ºC dependendo de características do próprio fabricante do ABS, ao ser extrusado, o ABS libera um odor característico que pode ocasionar desconforto em algumas pessoas.

A grande dificuldade em se trabalhar com o ABS é a adesão do plástico na mesa, o ABS tende a se contrair no processo de resfriamento, portanto as peças tendem a descolar da mesa, nem sempre a peça sai da mesa, mas fica com a base bastante deformada (com os cantos levantados), a solução mais comum é utilizar uma mesa aquecida, geralmente entre 100 e 120ºC, recoberta por fita Kapton. Outras soluções incluem utilizar uma câmara de impressão aquecida.

3.2 PLA (Polylatic Acid - Ácido Polilático) O PLA é um material biodegradável, feito a partir do milho, ou da cana-de-

açúcar, sendo da família do poliéster, é amplamente utilizado em embalagens biodegradáveis, e também em muitos produtos do dia a dia.

Também é uma matéria prima comum e amplamente utilizada na prototipagem rápida com impressoras FDM; como vantagem pode-se destacar a facilidade de impressão, a possibilidade de imprimir sem a necessidade da mesa aquecida, temperatura de fusão sensivelmente menor (é extrusado entre 170°C e 200ºC) e o seu apelo ecológico. As propriedades mecânicas do PLA também são boas: é mais rígido que o ABS e resiste um pouco mais a tensões de flexão/torção. Um dos pontos negativos é a resistência térmica, o PLA não suporta temperaturas muito altas. Algumas pesquisas têm desenvolvido misturas de PLA com alguns aditivos que buscam melhorar as suas propriedades.

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3.3 PVA (Polyvinyl alcohol - Álcool de Polivinila) O PVA é um plástico pouco conhecido se comparado ao PLA e ABS, a

grande vantagem do PVA é sua capacidade de se dissolver em água, logo existe um enorme campo de aplicação para esse plástico na prototipagem rápida, especialmente como material de suporte, responsável por auxiliar a impressão de volumes que ficariam suspensos e se deformariam antes de solidificar. Máquinas dotadas de duas cabeças de extrusão imprimem a peça em ABS ou PLA e o suporte em PVA, depois a peça é imersa em água e o suporte de PVA se dissolve. Uma das desvantagens do PVA é ser sensível a altas temperaturas, quando exposto a temperaturas acima de 200ºC por um longo período de tempo ocorre a formação de aglutinados que entopem o bico de extrusão e dificilmente são removidos, para evitar esse problema, a temperatura de extrusão deve estar entre a faixa de 160°C a 190ºC.

Figura 6: Materiais para prototipagem rápida. O ABS, PVA e PLA são visualmente semelhantes, mas com características termoplásticas diferentes (Fonte da imagem: Divulgação: G&L Technology Co.Ltd.)

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3.4 PC (Polycarbonate - Policarbonato) O policarbonato é um termoplástico maleável que aceita ser dobrado, é

transparente e muito resistente, sua utilização é ampla, incluindo desde o modelismo até na manufatura de vidros a prova de bala. O PC tem algumas peculiaridades, é extrusado entre 260 e 310ºC, e é muito sensível a umidade, portanto para se obter peças transparentes é preciso ter um ambiente bem seco e o plástico deve ser seco também. Sua utilização em prototipagem rápida com impressoras 3D ainda não é muito comum, mas novos métodos de impressão estão sendo aprimorados para o uso desse termoplástico.

3.5 Nylon Um material muito interessante para se imprimir uma vez que produz peças

flexíveis, e muito resistentes. As desvantagens do Nylon são relacionadas com a adesão entre camadas, a temperatura de extrusão e a umidade absorvida. Recentemente surgiram novas variantes de Nylon voltadas para impressão 3D, muito promissoras, porém o nylon ainda não tem a popularidade do ABS no mundo da prototipagem rápida.

Figura 7a e 7b: Filamento de Policarbonato e peça produzida com este material. (Fonte das imagens: https://ultimachine.com)

Figura 8a e 8b: Filamento de Nylon e peça produzida com este material. (Fonte da imagem: 8a :http://www.sz-wholesaler.com; 8b: http://www. octave.com)

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3.6 Laywood

O Laywood é uma mistura de polímeros com madeira, é um material com propriedades semelhantes ao PLA, mas com acabamento igual a madeira, criando um efeito visual muito interessante, outra característica desse material é a capacidade de alterar a cor e o acabamento das peças de acordo com a temperatura de extrusão, que pode ser entre 170 e 250ºC.

Figura 9a e 9b:Filamento de Laywood e peça produzida com este material. (Fonte da

imagem: 9a :www.plastic2print.com; 9b:www. 3dprintworld.org)

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4. MERCADO DE IMPRESSÃO 3D

Apesar de não ser mais uma novidade, as impressoras 3D possuem poucos representantes no mercado interno brasileiro, as impressoras 3D mais difundidas e utilizadas são as “artesanais”, produzidas pelos próprios usuários baseadas em softwares livres, porém sem aplicação industrial.

Para as indústrias estão disponíveis impressoras de alto padrão de sofisticação, mas que chegam a cobrar mais de uma centena de milhares de Reais por isso. Como fornecedores de impressoras no mercado nacional, em nível industrial, podemos citar as companhias: Unique, Dimension, Stratasys e a Desktop Factory. Há também impressoras de pequeno porte industriais, cuja marca mais proeminente no nosso mercado é a Cliever, a “carro chefe” da marca é a CL1 que custa em torno de R$4.500,00 e possui precisão de 0,1mm.

Quando o assunto são impressoras amadoras, de pequeno porte e para aplicações leves e residenciais as principais empresas que fornecem são: RepRap, Marker bot e a Formlabs. O valor de uma Marquerbot é de US$ 2.199 (R$ 4.400), seu custo fica muito próximo a Cliever nacional, mas é preciso adicionar a esse valor o custo do frete, os impostos e a matéria-prima. A Formlabs oferece sua impressora por US$ 3.299 (R$ 6.600). Porém, também é preciso calcular o valor do frete, dos impostos de importação e da matéria-prima. Tanto a impressora da Marker Bot quanto a da Formlabs já vem pronta para utilização.

Já a empresa RepRap fornece materiais para amadores que queiram montar sua impressora em casa, porém esses amadores não devem ser leigos no assunto, pois não são Kits prontos de montagem que são fornecidos, mas motores, correias, cabeça de impressão, mesa aquecida e circuitos eletrônicos.

Figura 10: Impressoras da empresa Stratasys. (Fonte da imagem: http://www.stratasys.com/3d-printers)

Figura 11: Impressora da empresa Brasileira Cliever. (Fonte da imagem: www.clievertecnologia.webstorelw.com.br)

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Todo o restante do projeto deve ser desenvolvido pelo usuário, assim como a instalação, montagem, testes e desenvolvimento de toda a parte de software do equipamento. Desta forma são montadas diversas impressoras baseadas em diferentes soluções para os problemas encontrados, gerando assim um grupo de estudo em impressão 3D, permitindo que as soluções mais simples e baratas sejam difundidas entre os entusiastas e sejam mais amplamente aplicadas. Esse “movimento” amador é o principal motor do desenvolvimento e popularização do mercado de impressão 3D hoje no Brasil. Vale ressaltar que as peças básicas para a montagem de uma impressora 3D baseadas nos equipamentos da Reprap não sai por menos de R$2.000,00 e ainda são necessários inúmeros outros componentes para que a impressora fique funcional.

Figura 12a e 12b:Impressoras amadoras com componentes RepRap. (Fonte da imagem: 12a: http://ikmaak.nl/eenblog/tag/reprap/; 12b: http://www.3ders.org/articles/20121123-meet-metalbot-new-all-metal-reprap-compatible-3d-printer.html)

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5. A IMPRESSORA 3D CONSTRUIDA PARA O TCC A ideia de se construir uma impressora de prototipagem rápida surgiu quando

membros do grupo pesquisaram sobre o assunto em sites especializados e viram a carência desse tipo de tecnologia no mercado nacional. Em locais como os Estados Unidos e Europa, o uso dessa tecnologia em nível acadêmico e amadorismo já esta relativamente bem difundida, mas no Brasil essa tecnologia de prototipagem ainda é pouco conhecida, sendo seu uso restrito a grandes empresas. Se as faculdades adotassem esse tipo de equipamento como instrumento didático nos cursos de engenharia e robótica, o conhecimento sobre microcontroladores, servo mecanismos e eletroeletrônica seria incrementando de forma significativa, porém sempre houve a barreira do custo. Partindo dessa ótica nos propomos a construir com o menor custo que pudéssemos uma impressora de prototipagem rápida 3D.

Baseados nas informações que obtivemos pela pesquisa prévia que

realizamos, visando a construção de uma impressora de baixo custo, traçamos algumas diretrizes para o projeto:

A tecnologia a ser utilizada será FDM, (Fusão por depósito de material);

Localizar fornecedores de materiais eletroeletrônicos, como servomotores e placas aquecidas, para que adquiríssemos os materiais que não podemos construir;

Utilizar o MDF para como estrutura do equipamento devido o menor custo e a facilidade de se trabalhar com esse tipo de madeira;

Desenhar as partes mecânicas que deveriam ser usinadas e solicitar o serviço às empresas de usinagem;

Fazer download dos softwares que a impressora necessita para funcionar e aprender a utiliza-los;

Definir um cronograma de montagem e dividir entre os membros do grupo todas as tarefas necessárias para que o cronograma fosse obedecido;

O Projeto depois de concluído resultou em uma impressora 3D de ABS com

tecnologia de impressão FDM com as seguintes características:

A peça de maior dimensão que pode ser impressa é equivalente ao volume de um cubo com 120 mm de lado;

Velocidade de construção, (Build Speed) até 10 camadas por minuto;

Material de fusão é o ABS com diâmetro nominal de 1,75 mm;

Diâmetro do furo do bico é 0,3 mm que é a precisão da impressão;

Peso total da máquina é de 41 KG

Todas as informações do projeto estão disponíveis nos próximos tópicos e disponíveis para aqueles que desejarem construir uma impressora semelhante.

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6. MONTAGEM Para se iniciar a montagem do equipamento, uma listagem completa com

todos os materiais necessários foi elaborada conforme a tabela abaixo.

Lista de Materiais Utilizados

Equipamento / Material Quant.

Anéis elásticos para travar os rolamentos 6

Arduino atmega 2560 1

Arruela 3 mm 14

Arruela 4 mm 4

Arruela 5 mm 2

Arruela 6 mm 24

Bico de cerâmica diâmetro cônico de 13x6mm 1

Bobina de ABS de 1 km com espessura de 1.75mm

1

Cabo de rede RJ45 1

Cabo impressora macho x macho 1

Cabo USB macho x fêmea para impressora 1

Cooler para resfriamento transparente 80x80mm 3

Correia de impressora com passo de 1,5mm com largura de 6 mm

2

Dissipador de calor com cooler 1

End stop para arduino xyz (fim de curso) 3

Fonte 350 w atari modelo atx sem proteção 1

Gabinete CPU para computador de 4 baias 1

Hastes guias eixos x, y e z. 6

Macarrão para acabamento 10metros 1

Madeira de espessura 6 mm 210x180mm 1

Madeira de espessura 6 mm 40x135mm 2

Madeira de espessura 6 mm 40x180mm 2

Madeira de espessura 4 mm 40x75mm 2

Madeira de espessura 6 mm 45x210mm 1

Madeira de espessura 4 mm 65x250mm 2

Madeira de espessura 4 mm 65x75mm 2

Madeira de espessura 4 mm 67x250mm 1

Madeira de espessura de 15 mm 280x400mm(tabua churrasco)

1

MDF de espessura 18,5mm placa de 2800x2000mm

1

“Motor de passo Mercury de 1.8” - 12 v - 0,8A - 4 fios - 40x40mm

4

Parafuso M3x16 52

Parafuso M3x20 20

26

Parafuso M3x25 4

Parafuso M3x30 2

Parafuso M3x40 2

Parafuso M3x45 2

Parafuso M3x50 8

Parafuso M4x35 4

Parafuso M5x20 2

Parafuso M5x40 2

Parafuso M6x25 4

Parafuso M6x40 14

Parafuso M6x45 4

Parafuso M6x50 4

Parafuso M6x60 2

Placa de alumínio espessura 2 mm 120x120mm 1

Placa de madeira mdf espessura 4 mm 120x120mm

1

Placa de resistência com filamentos espessura 1,5mm 120x120mm

1

Placa mãe e controlador de extrusão shield empresa makerboot

1

Plataforma de aquecimento 120x120mm heatbed hot plate

1

Polia e esticador do eixo Y 1

Polias de alumínio do carro x e y 4

Porca M3 58

Porca M4 4

Porca M5 4

Porca M6 26

Presilhas Hellermann 4

Resistência do bico cadridge heater 40 w 1

Rolamento axial eixo y 1

Rolamento linear KB16 Ø interno 8 mm Ø externo 16 mm

6

Rolamento radial eixo x,y 2

Rolo de kapton com largura de 120 mm x 22 m 1

Shield makerboot control extruder 1

Suporte do rolo de ABS aço 1020 2

Suportes de aço 1020 para os micros 3

Termopar tipo k 1

Trafo 500VA de 127/220v marca kitec modelo AT500VA

1

Varões M6x400 mm 2 Tabela 1: Materiais Utilizados

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Bases de madeira

Diversas bases de madeira MDF de espessura 18,5 mm foram utilizadas como estrutura principal das partes mais importantes do corpo da impressora.

Base Principal da Máquina

A base foi construída a partir de uma placa de madeira MDF de espessura 18,5mm com uma dimensão de 1100x900mm, sobre essa as outras estruturas foram sendo parafusadas.

Figura 13: Base das hastes do motor Z Figura 14: Base frontal

Figura 16: Base Traseira Figura 15: Base do Transformador

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Figura 17: Base principal da impressora.

6.1 Estruturas auxiliares Uma quantidade total de equivalente a uma placa de 1475mmx656mm de

madeira de MDF de espessura 4 mm foi utilizada na montagem, sendo que foi comprada uma placa de 1800x1000mm que foi cortada com uma serra tico-tico.

A placa foi usada nos seguintes componentes:

Carro do eixo X e Y madeira MDF de 4mm: Madeira de espessura 4 mm 65x250mm = 2 peças; Madeira de espessura 4 mm 65x75mm = 2 peças; Madeira de espessura 4 mm 67x250mm = 1 peças; Madeira de espessura 4 mm 40x75mm = 2 peças;

Carro eixo Z madeira MDF 6 mm: Madeira de espessura 6 mm 210x180mm = 1 peça; Madeira de espessura 6 mm 45x210mm = 1 peça; Madeira de espessura 6 mm 40X135mm = 2 peças; Madeira de espessura 6 mm 40x180mm = 2 peças;

Base da montagem da Máquina de Prototipagem: Tábua de churrasco da Tramontina; Madeira de espessura de 15 mm 280X400 mm;

Placa da mesa da máquina onde é fundida a peça:

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Placa de madeira mdf espessura 4 mm 120x120 mm; Placa de alumínio espessura 2 mm 120x120 mm; Placa de resistência com os filamentos espessura 1,5 mm

120x120 mm;

Suporte do rolo de ABS: Duas cantoneiras de aço 1020 pintada com spray, cor preta

Figura 18: Suporte do rolo de ABS

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7. DESCRIÇÃO DO PROCESSO DE MONTAGEM A montagem do projeto foi iniciada com a confecção do carro matricial do

projeto, o que executa os movimentos em x e y para a produção das peças, foram utilizados madeira MDF para a confecção do carro, base e todas as estruturas de suporte, as guias principais do carro foram fixadas em uma base de madeira densa, mais precisamente uma tábua de cortar carne da marca Tramontina. A partir dessa primeira parte da impressora foram sendo construídas as demais, primeiramente a fixação do sistema do carro xy na estrutura de madeira densa, e depois a montagem da estrutura do eixo z e de outros componentes de fixação, como se a impressora fosse “crescendo” a partir do carro principal.

Figura 19: Mesa base para produção de peças

Figura 20: Primeira estrutura da impressora a ser montada, o carro xy.

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O carro, possui 2 dois motores de passo um em cada eixo x e y para sua

respectiva movimentação com precisão em torno de +/-1mm, dependendo do modelo da peça pode-se chegar há uma precisão de até 0,3mm devido as hastes lineares com rosca M6 conseguindo a precisão do conjunto como citado anteriormente, o carro possui duas correias para movimento em seus respectivos eixos de trabalho x e y. Fixado em uma plataforma fixa de madeira MDF com base de altura de 365mm onde esta fixado o eixo z junto com o bico extrusor de material ABS onde acontece a fusão do material para a confecção da peça desejada tendo como base dois eixos fixos de rosca sem fim para movimento preciso do bico em relação ao eixo z, sendo a base fixa do bico sendo toda em MDF sendo movimentada também por um motor de passo, sendo planejada conforme a imagem à seguir:

Figura 21: Base do eixo Z com bico extrusor de material ABS para produção peças

Para a alimentação do bico extrusor é utilizado uma bobina de filamento

plástico ABS, o servomotor da extrusora não pode travar durante o processo de impressão, sendo então de vital importância que a bobina possa desenrolar facilmente, desta forma optou-se pela construção de um suporte que fosse leve e com baixo atrito, para tal tarefa foram adquiridas cantoneiras de aço 1020 sendo utilizadas como suporte, um eixo principal, onde se da o movimento de rotação, passa pelo centro da bobina e possui 2 rolamentos fixados nas extremidade da cantoneira para não forçar o motor do bico extrusor durante o processo de desenrolar o filamento de ABS.

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Figura 22: Bobina de ABS e seu suporte

Há uma base lateral com suporte no formato de cantoneira de 20x20mm para

a mesa de produção e resfriamento da peça, onde está localizado o cooler de resfriamento, onde o instalamos devido a necessidade de se evitar o empenamento da peça e aumentar a velocidade para resfriamento da mesma.

Figura 23: Base e cooler de resfriamento de peças

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As placas eletrônicas estão localizadas em um gabinete de PC, local onde está armazenado todos os componentes e controladores eletrônicos da impressora, esta ideia veio a partir da necessidade de armazenamento em um local seguro e com resfriamento adequado.

Figura 24: Gabinete com placas eletrônicas

Os circuitos elétricos de potência que alimentam a impressora foram fixados

na lateral da placa-base principal, eles são compostos por um transformador de 127 volts para 220 volts, barra de tomadas e disjuntor de proteção.

Figura 25: Transformador de Alimentação

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8. SISTEMAS ELETROELETRÔNICOS Embora seja de montagem relativamente simples a impressora 3D é um

equipamento que dispõe dos mais avançados dispositivos e malhas de controle, para entender satisfatoriamente o funcionamento de equipamento, se faz necessário uma compreensão sobre os tipos de controles de processo e suas características básicas.

8.1 Controle do Processo Os processos industrias são operadores que funcionam em ambientes

adversos, e para garantir a máxima qualidade e eficiência de qualquer processo, as industrias investem cada vez mais em sistema automatizados que garantam esse resultado. Essa dinâmica é realizada pelas malhas de controle que garantem a estabilidade da operação e atende as especificações do processo. Existem dois tipos de processos para se automatizar uma planta.

PROCESSO CONTINUO – as variáveis são reguladas ou ajustadas através

de um valor de referencia ou set-point. PROCESSO DESCONTINUO - São processos que funcionam de acordo com

a sequencia de operações programáveis, que dependem de sinais de entrada do processo e da unidade de controle.

8.2 Objetivos de um Sistema de Controle

Proteger o sistema de perturbações externas ou da natureza.

Garantir a estabilidade de funcionamento do processo.

Fazer a otimização de desempenho do processo.

8.3 Malhas de Controle A estratégia de controle de um processo pode ser composta por quatro

etapas. A primeira delas é o processo, é a partir dele que conheceremos cada fase do funcionamento do processo e assim ter condições de levantar informações necessárias para automatiza-lo. A segunda etapa é a Instrumentação de Medição, que fazem as medições das variáveis do processo e informam de modo contínuo. A terceira parte são os Instrumentos de Controle que fazem a tomada de decisão e consequentemente a atuação no processo. A quarta parte são os Instrumentos de Atuação que fazem a correção da atuação da terceira parte (Instrumentos de Controle) do processos.

8.4 Processos de controle em Malha aberta e Malha Fechada

MALHA ABERTA – Tipo de sistema que não possui realimentação,

consiste em aplicar um sinal na entrada para se ter uma reposta na

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saída já esperada (Variável controlada). Como a entrada não depende da saída não é possível se ter uma resposta da evolução do processo, a desvantagem desse processo que só teremos uma saída esperada se não tivermos perturbações externas.

MALHA FECHADA – É um tipo de sistema que funciona ao contrário do sistema de Malha Fechada, é aplicado um sinal na entrada e esperasse que a saída (Variável Controlada) atinja um determinado valor ou apresente um determinado comportamento. Com esse tipo de processo conseguimos medir a evoluçao do processo e com isso melhora-lo; dieferente do sistema de Malha Aberta com esse Processo de Controle conseguimos uma saída de resposta mesmo com pertubações externas, pois essas ja estarão calculada no sistema.

8.5 Controle e Funcionamento do Projeto

A alimentação elétrica é feita por meio de um tranformador que eleva a tensão

da ede para 220 volts e alimenta uma fonte tipo ATX própria para computadores, esta fonte disponibiliza tensões elétricas em corrente contínua de 12 e 5 volts, que são utilizadas por todas as placas eletrônicas da impressora. A Placa Mãe é conecta ao Arduino que controla os motores de Passo movendo a plataforma de acordo com a programação feita em C ou C++ e enviada a o arduino pela porta USB via cabo, as End Stops fazem a limitação do avanço dos motores.

O sistema eletroeletrônico possui uma placa de processamento Arduíno com

microcontrolador AT-Mega, esta placa é conectada com uma placa extra, chamada de Shield, que faz o controle do aquecimento da mesa de impressão e do bico extrusor. Também conectados ao Arduíno estão as placas dos motores de passo dos eixos e do alimentador do bico extrusor.

O controle dos motores de Passo é feita em Malha Aberta, pois os motores de

Passo não possuem sensores que fazem medições e corrijam o seu posicionamento. O posicionamento é feito através dos pulsos enviado ao motor que energizam cada uma de suas bobinas internas, devido a precisão do seu funcionamento um amalha fechada não se faz necessária.

O controle do quecimento das resistências, tanto da mesa quanto do bico, é

feito em Malha Fechada, pois se trata de um processo que deve seguir limites mínimos e máximos de temperatura para se obter a qualidade desejada. Somente através desse método de controle conseguimos monitorar todos os pontos do processo fazendo melhorias se necessário.

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8.6 Fluxograma do Circuito Elétrico

Figura 26: Diagrama Elétrico

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8.7 Descrição dos Componentes

1 - Transformador Dispositivo que tem a função de transmitir energia e potência elétrica de um

circuito a outro, transformando ou modificando valores de impedâncias de um circuito. 2 - Fonte

Uma fonte de alimentação tem a finalidade de transformar energia elétrica na forma de corrente Alternada em corrente Continua. 3 - Coolers 1 e 2

Dissipador de calor, constante ventilador que remove o excesso de calor do gabinete. 4 - USB

Dispositivo que permite a entrada e saída de dados e facilita a conexão de aparelhos e periféricos.

5 - Arduino

É uma plataforma eletrônica de hardware livre, com um microcontrolador com entradas e saídas, programada em linguagem C ou C++.

6 - Placa Mãe

É responsável por conectar todos os componentes, além de expandir as portas digitais e analógicas conforme a necessidade do projeto. 7 - Motores de Passo (X, Y, Z, B)

Motor DC de precisão, torque e velocidade muito utilizado em otimização de máquinas para garantir o controle do processo. 8 - Driver (X, Y, Z, B)

É responsável por controlar o acionamento dos motores de passo, este controle é feito por meio de circuitos eletrônicos chamados de acionadores ou Driver adequando os pulsos do motor de acordo com aplicação. 9 - End Stop X, Y, Z (fim de Cursos)

Comutador elétrico atuado por uma força física muito pequena limitando os cursos de cada eixo

10 - Shield Control Extruder

É uma plataforma eletrônica que controla as resistências da mesa e bico de acordo com a leitura feita pelos termopares. 11 - Heater (Resistência) da Mesa e Bico

As resistências elétricas (um fio elétrico com resistividade elevada; resistividade é uma grandeza elétrica). A passagem da corrente elétrica num fio dá origem à produção de calor.

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12 - Termopar São sensores utilizados em diversos processos de medição de temperatura. É

constituído por dois metais com suas extremidades curto-circuitadas gerando uma força eletromotriz (FEM), que ligada a um aparelho de medição consegue realizar leituras dos termopares. 13 - Cooler Fan (Cooler de resfriamento)

Tem a finalidade de resfriar a peça após ser impressa para garantir a qualidade e velocidade do processo final.

14 - Coolers do Bico e da Mesa

Dissipadores de calor que a função de retirar o excesso de calor gerado durante o processo.

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9. PROCESSO E FERRAMENTAS PARA IMPRESSÃO A seguir segue a descrição detalhada dos paços de impressão de uma peça

com o nome da faculdade (UNIP).

9.1 Modelo 2D (Bidimensional) Inicialmente devemos construir um modelo utilizando um software cad, este

modelo deverá ser uma figura “fechada” ou seja com todos as curvas e retas unidas por pontos, para esse exemplo adotamos o logo da Unip(universidade paulista) para demonstrar o sketch (croqui) no Catia V5.

Figura 27: Logo da UNIP desenhado no Catia.

9.2 Modelo em 3D (Tridimensional) Depois que o modelo em 2D estiver pronto, devemos adicionar mais um

terceiro eixo no sketch, ou seja devemos dar volume para o logo, no exemplo abaixo o logo terá a espessura de 5mm.

Figura 28: Modelo tridimensional do logo.

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Figura 29: Modelo 3D concluído.

9.3 Extensão STL Ao termino do modelamento tridimensional o modelo deverá ser salvo na

extensão STL (Stereolithograph) Esse formato transforma um modelo CAD em uma malha de triângulos. O arquivo contém informação dos vértices e normais da figura. Para a conversão de arquivos aconselha-se fechar todos os “furos” na malha; Orientar as normais para fora; Exportar o modelo com o parâmetro binário.

Figura 30: Modelo no formato STL.

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9.4 Análise de Elementos Finitos (Opcional) Com o modelo tridimensional em mãos podemos fazer simulações das

propriedades físicas de nossa peça através de um software CAE de análise de estruturas , para nosso exemplo o ensaio foi feito com módulo GSA “Generative structural analysis” da Dassault Systemes. Segue abaixo um modelo de ensaio de elementos finitos utilizando a nossa peça (logo - unip).

Figura 31: Analise de elementos finitos 1° passo

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Figura 32: Análise de elementos finitos 2° passo

Figura 33: Análise de elementos finitos 3° passo

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Figura 34: Resultados gráficos do teste

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Figura 35: Resultado final do teste de elementos finitos

Conclusão do ensaio: Conforme relatório acima o material utilizado no ensaio

foi o termoplástico ABS (Acrilonitrila butadieno estireno),a peça foi recebeu uma carga de 80 kgf no eixo “x” e apresentou um estiramento ao longo dos demais eixos gerando assim momento resultantes nos 3 eixos, foi constatado também que a tensão do materialaté o limite da deformação (Ruptura ou estiramento) é de aproximadamente 2,27e+008 N/m².

9.5 Replicator G Esse é um software open source 3D construído para plataforma Arduino,

inicialmente o mesmo foi desenvolvido para máquinas do tipo CNC, atualmente o software adaptado para prototipagem, com ele conseguimos ler o modelo tridimensional no formato STL e posiciona-lo na matriz referencia da mesa de impressão, o mesmo envia as instruções através de compilação para o controlador Arduino que as recebe na linguagem de programação c/c++.

Figura 36: Tela do software Replicator G

Peça posicionada na matriz 120x120 da placa de impressão previamente configurada.

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Através Replicator, configuramos os parâmetros de impressão como demonstrado abaixo:

Figura 37: Tela de configuração de impressão (parâmetros).

Segue alguns exemplos de configuração traduzidos: Object infill (%) = porcentagem de preenchimento do solido. Layer Height (mm) = altura de cada camada. Number of shells = número de camada por avanço Feedrate (mm/s) = velocidade de injeção do mateira no bico. Material type: tipo de material Nozzle Diameter (mm) = Diâmetro do bico

9.6 Skeinforge É uma cadeia de ferramentas composto de scripts em Python que converte o seu modelo 3D em instruções G-código para que o Replicator consiga compilar as informações ao controlador, é o skeinforge que “fatia” o objeto, ou seja, divide em camadas pré-definidas.

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Figura 38: Skeinforge , modelo de fatiamento de uma engrenagem,(esquerda) com os devidos

parâmetros (direita).

9.7 G-code GCodes é um protocolo baseado em texto, que é gerado com base em um

modelo 3D. Estas instruções podem ser enviados para uma máquina que irá interpretar estas linhas e executá-los, um por um. As instruções Gcode freqüentemente têm um X, Y e Z de coordenadas, são estes os pontos no espaço 3D que a cabeça de impressão se moverá dentro Além disso, não há uma definição de velocidade, o chamado 'avanço'.

Aqui está um exemplo pedaço de Gcode:

G1 X0.0 Y0.0 Z0.0

G1 X10.0 Y10.0 Z0.0 F1000

Através deste pedaço de Gcode, a ferramenta será movido de sua posição atual para X, Y e Z posição 0.0. Isso acontecerá na última configuração de velocidade (velocidade de avanço, F) que foi enviado. Em seguida, ele irá se mover para a posição 10, 10, 0 (X, Y, Z) em avanço de 1000. As distâncias são em milímetros ou centímetros, dependendo da configuração da máquina. O avanço é mm / min ou polegadas / min.

Alguns códigos G úteis são:

G0 - Rapid Motion - Movimento Rápido G1 - Coordinated Motion - Movimento Coordenado G2 - Arc - Clockwise – sentido horário G3 - Arc - Counter Clockwise – sentido anti-horário G4 - Dwell

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G10 - Create Coordinate System Offset from the Absolute one - Criar Sistema de Coordenadas Offset do Absoluto

G17 - Select XY plane (default) G18 - Select XZ plane (not implemented) G19 - Select YX plane (not implemented) G20 - Inches as units - polegadas como unidades G21 - Millimeters as units - Milímetros como unidades G28 - Home given Axes to maximum – máxima distancia do eixo selecionado G30 - Go Home via Intermediate Point (not implemented) G31 - Single probe (not implemented) G32 - Probe area (not implemented) G53 - Set absolute coordinate system G54-G59 - Use coordinate system from G10 P0-5 G90 - Absolute Positioning – posicionamento absoluto G91 - Relative Positioning – posicionamento relativo G92 - Define current position on axes - Definir a posição atual em eixos G94 - Feed rate mode (not implemented) - Modo de Avanço G97 - Spindle speed rate - Taxa de Velocidade de rotação G161 - Home negative G162 - Home positive

X absolute position - posição absoluta Y absolute position - posição absoluta Z absolute position - posição absoluta A position (rotary around X) B position (rotary around Y) C position (rotary around Z) U Relative axis parallel to X V Relative axis parallel to Y W Relative axis parallel to Z M code (another "action" register or Machine code(*)) (otherwise referred to as

a "Miscellaneous" function") F feed rate S spindle speed N line number R Arc radius or optional word passed to a subprogram/canned cycle P Dwell time or optional word passed to a subprogram/canned cycle T Tool selection I Arc data X axis J Arc data Y axis. K Arc data Z axis, or optional word passed to a subprogram/canned cycle D Cutter diameter/radius offset H Tool length offset

Segue abaixo um exemplo de código G:

G1 X5 Y-5 Z6 F3300.0 (mova para posição <x,y,z>=<5,-5,6> na velocidade de 3300.0)

G21 (muda as unidades para milímetro)

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G90 (posiciona a peça na posição absoluta) G92 X0 Y0 Z0 (posiciona a peça na posição de calibragem <x,y,z>=<0,0,0>)

Figura 39: Peça final acabada, impressão em 20min

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10. FLUXOGRAMA DE IMPRESSÃO (SOFTWARE):

Figura 40: Fluxograma do processo de impressão

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11. MATRIZ DE CUSTOS

Tabela 2: Matriz de custos do Projeto

Matriz de custo TCC

Preço

indice Equipamento Quant. Unitário Valor total Acumulado

1 Termopar tipo k 1 42,00R$ 42,00R$ 42,00R$

2 Placa mae e controlador de extrusão shield empresa makerboot 1 170,00R$ 170,00R$ 212,00R$

3 End stop para arduino xyz (fim de curso) 3 30,00R$ 90,00R$ 302,00R$

4 Arduino atmega 1 130,00R$ 130,00R$ 432,00R$

5 Cooler para resfriamento transparente 80x80mm 3 20,00R$ 60,00R$ 492,00R$

6 Fonte 350w atari modelo atx sem proteção 1 53,00R$ 53,00R$ 545,00R$

7 Shield makerboot control struder 1 200,00R$ 200,00R$ 745,00R$

8 Plataforma de aquecimento 120x120mm heatbed hot plate 1 100,00R$ 100,00R$ 845,00R$

9 Resistência do bico cadridge heater 40w 1 10,00R$ 10,00R$ 855,00R$

10 Bico feito de cerâmica com saída de 0,3mm feito de bronze com diâmetro conico de 13x6mm e peso de 2 gramas 1 3,00R$ 3,00R$ 858,00R$

11 Dissipador de calor com cooler 1 23,00R$ 23,00R$ 881,00R$

12 Trafo 500VA de 127/220v marca kitec modelo AT500VA 1 50,00R$ 50,00R$ 931,00R$

13 Motor de passo Mercury de 1.8” - 12v - 0,8A - 4 fios - 40x40mm 4 65,00R$ 260,00R$ 1.191,00R$

14 Rolo de kapton com largura de 120mm x 22metros 1 150,00R$ 150,00R$ 1.341,00R$

15 Bobina de ABS de 1Km com espessura de1.75mm 1 120,00R$ 120,00R$ 1.461,00R$

16 Gabinete CPU para computador de 4 baias 1 420,00R$ 420,00R$ 1.881,00R$

17 Macarrão para acabamento 10metros 1 4,00R$ 4,00R$ 1.885,00R$

18 Cabo de rede RJ45 1 12,00R$ 12,00R$ 1.897,00R$

19 Cabo usb macho x femea para impressora 1 15,00R$ 15,00R$ 1.912,00R$

20 Cabo impressora macho x macho 1 15,00R$ 15,00R$ 1.927,00R$

21 Correia de impressora com passo de 1,5mm com largura de 6mm 2 2,50R$ 5,00R$ 1.932,00R$

22 Parafuso M3x16 52 0,10R$ 5,20R$ 1.937,20R$

23 Parafuso M3x20 20 0,11R$ 2,20R$ 1.939,40R$

24 Parafuso M3x25 4 0,12R$ 0,48R$ 1.939,88R$

25 Parafuso M3x30 2 0,14R$ 0,28R$ 1.940,16R$

26 Parafuso M3x40 2 0,14R$ 0,28R$ 1.940,44R$

27 Parafuso M3x45 2 0,14R$ 0,28R$ 1.940,72R$

28 Parafuso M3x50 8 0,14R$ 1,12R$ 1.941,84R$

29 Parafuso M4x35 4 0,43R$ 1,72R$ 1.943,56R$

30 Parafuso M5x20 2 0,26R$ 0,52R$ 1.944,08R$

31 Parafuso M5x40 2 0,38R$ 0,76R$ 1.944,84R$

32 Parafuso M6x25 4 0,47R$ 1,88R$ 1.946,72R$

33 Parafuso M6x40 14 0,60R$ 8,40R$ 1.955,12R$

34 Parafuso M6x45 4 0,78R$ 3,12R$ 1.958,24R$

35 Parafuso M6x50 4 0,73R$ 2,92R$ 1.961,16R$

36 Parafuso M6x60 2 0,64R$ 1,28R$ 1.962,44R$

37 Porca M3 58 0,04R$ 2,32R$ 1.964,76R$

38 Porca M4 4 0,04R$ 0,16R$ 1.964,92R$

39 Porca M5 4 0,05R$ 0,20R$ 1.965,12R$

40 porca M6 26 0,08R$ 2,08R$ 1.967,20R$

41 Arruela 6mm 24 0,13R$ 3,12R$ 1.970,32R$

42 Arruela 5mm 2 0,12R$ 0,24R$ 1.970,56R$

43 Arruela 4mm 4 0,06R$ 0,24R$ 1.970,80R$

44 Arruela 3mm 14 0,08R$ 1,12R$ 1.971,92R$

45 Presilhas hellermann 4 0,10R$ 0,40R$ 1.972,32R$

46 Rolamento radial eixo x,y 2 7,00R$ 14,00R$ 1.986,32R$

47 Rolamento axial eixo y 1 15,00R$ 15,00R$ 2.001,32R$

48 Rolamento linear KB16 Ø interno 8mm Ø externo 16mm 6 17,00R$ 102,00R$ 2.103,32R$

49 Suportes de aço 1020 para os micros de referências dos eixos 3 1,00R$ 3,00R$ 2.106,32R$

50 Suporte do rolo de ABS aço 1020 2 15,00R$ 30,00R$ 2.136,32R$

51 MDF de espessura 18,5mm placa de 2800x2000mm 1 145,60R$ 145,60R$ 2.281,92R$

52 Madeira de espessura 4mm 65x250mm 2 0,17R$ 0,34R$ 2.282,26R$

53 Madeira de espessura 4mm 65x75mm 2 0,05R$ 0,10R$ 2.282,36R$

54 Madeira de espessura 4mm 67x250mm 1 0,17R$ 0,17R$ 2.282,53R$

55 Madeira de espessura 4mm 40x75mm 2 0,03R$ 0,06R$ 2.282,59R$

56 Madeira de espessura 4mm 210x180mm 1 0,40R$ 0,40R$ 2.282,99R$

57 Madeira de espessura 4mm 45x210mm 1 0,10R$ 0,10R$ 2.283,09R$

58 Madeira de espessura 4mm 40X135mm 2 0,06R$ 0,12R$ 2.283,21R$

59 Madeira de espessura 4mm 40x180mm 2 0,08R$ 0,16R$ 2.283,37R$

60 Madeira de espessura de 15mm 280X400mm(tabua churrasco) 1 25,00R$ 25,00R$ 2.308,37R$

61 Placa de madeira mdf espessura 4mm 120x120mm 1 0,15R$ 0,15R$ 2.308,52R$

62 Placa de alumínio espessura 2mm 120x120mm 1 12,00R$ 12,00R$ 2.320,52R$

63 Placa de resistência com filamentos espessura 1,5mm 120x120mm 1 5,00R$ 5,00R$ 2.325,52R$

64 Varões M6x400mm 2 1,75R$ 3,50R$ 2.329,02R$

65 Aneis elástico para travar os rolamentos 6 1,00R$ 6,00R$ 2.335,02R$

66 Polias de alumínio do carro x e y 4 7,00R$ 28,00R$ 2.363,02R$

67 Polia e esticador do eixo Y 1 20,00R$ 20,00R$ 2.383,02R$

68 Hastes guias eixos x,y e z 6 4,00R$ 24,00R$ 2.407,02R$

69 Disjuntor unipopolar e bipolar (2A) + caixa de passagem 1 R$ 49,90 R$ 49,90 2.456,92R$

TOTAL 2.456,92R$

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Tabela 3: Custos por tipo de investimento

Após o término do projeto, os custos foram recalculados e o valor total de

gastos com o processo de montagem da impressora ficou em 2.456,92 Reais, um custo considerado ainda alto para um equipamento final, mas que é excelente para um protótipo construído por alunos de um curso de engenharia. Certamente esse valor irá cair na construção de novos protótipos ou impressoras finais, devido o refinamento do sistema mecânico e eletroeletrônico, algo que é possível de se alcançar pelo aperfeiçoamento do protótipo já construído.

Figura 41: Vista frontal da impressora finalizada

Elétrica Mecânica Total

Série1 R$ 1.981,90 R$ 475,02 R$ 2.456,92

R$ -

R$ 500,00

R$ 1.000,00

R$ 1.500,00

R$ 2.000,00

R$ 2.500,00

R$ 3.000,00

Série1

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12. CONCLUSÃO Com as inúmeras informações obtidas a respeito do universo de prototipagem

rápida em impressoras 3D durante o desenvolvimento desse projeto, podem-se fazer algumas afirmações sobre a real capacidade de utilização dessa nova tecnologia e suas limitações. Com certeza a impressão 3D irá substituir uma gama de processos que hoje são feitos usando tecnologias mais caras e trabalhosas, como o desenvolvimento de protótipos de futuros produtos, nesta área a utilização esse tipo de tecnologia ainda é escassa, devido o custo do equipamento de prototipagem, mas seu uso deve crescer ao longo dos próximos anos, para que isto ocorra é necessário que sejam reduzidos os custos e construção e operação de uma impressora 3D, este foi justamente o propósito deste trabalho. As impressoras 3D terão ainda uma aplicação mais nobre, que será a de criar um novo ramo de tecnologia que é a confecção de dispositivos altamente personalizados, especialmente na área médica, envolvendo polímeros naturais e artificiais com o propósito de substituir partes danificadas do corpo humano, ou criar dispositivos que permitam a cura ou sobrevida de pessoas com alguma moléstia, sejam artérias artificiais ou válvulas móveis para o coração.

Outro lado dessa mesma realidade demonstra que as qualidades da

prototipagem rápida são supervalorizadas, os mais afoitos defendem que a impressão 3D irá substituir processos de usinagem e até de fundição de metais, mas isso é uma supervalorização do potencial dessa tecnologia, pois as características mecânicas do aço ainda não podem ser substituídas por nenhum dos materiais que são utilizados pelas impressoras 3D. Se houver um avanço significativo no estudo de novos materiais poliméricos com alta resistência mecânica após o processo de fusão, essa realidade pode ficar mais próxima, do contrário a utilização dessa tecnologia será limitada pelo tipo de material que ela utiliza.

Durante o desenvolvimento da impressora enfrentamos problemas

relacionados com o desperdício de materiais, pois desconhecíamos algumas técnicas de construção e precisamos refinar essas habilidades durante a montagem do equipamento, mas mesmo diante desses custos inesperados, utilizando equipamentos disponíveis no mercado e softwares gratuitos, foi possível construir um equipamento confiável e de baixo custo. Sendo assim, acreditamos que a popularização da prototipagem 3D é questão de tempo e, em curto prazo, essa tecnologia estará disponível para usuários que não dispõem de centenas de reais para adquirir uma impressora 100% industrial.

A montagem e operação desse tipo de impressora são relativamente simples,

alguma companhia que desejasse adquirir uma impressora bastaria contratar uma empresa de automação, apresentar as especificações necessárias para esse fornecedor e a impressora poderia ser construído por encomenda ou por demanda de pedidos, personalizada ao processo e as dimensões que o cliente necessita, usando materiais disponíveis no mercado e softwares livres.

No caso da impressora construída nesse Trabalho, o valor de R$ 2407,02 é

um preço significativo, porém esse custo pode facilmente diminuir refinando o

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processo de montagem do equipamento, caso se deseje padronizar um único tipo de modelo, a estrutura de MDF poderia ser trocada por placas de alumínio de 3 a 4 mm de espessura, assim a montagem seria mais rápida e o custo dessa etapa seria menor. O intuito de se utilizar o MDF foi a facilidade de moldagem e a possibilidade de se testar diversas configurações até que uma fosse determinada como definitiva, o que foi muito útil na construção desse protótipo mas não se aplicaria a uma impressora comercial.

Avaliando o funcionamento da impressora e a precisão mecânica da mesma,

podemos afirmar que os objetivos traçados no início deste projeto foram alcançados e que é possível construir uma impressora de prototipagem com poucos materiais, de custo bem inferior as disponíveis no mercado, adaptada as características próprias do cliente e por pessoas com conhecimentos básicos sobre os processos de prototipagem; durante as etapas de construção, o conhecimento a respeito dessas técnicas foi significativo, e ao término da montagem, a pessoa ou grupo que a construiu tem total capacidade de operar e efetuar quaisquer futuras alterações ou manutenção na impressora.

No futuro podemos esperar a popularização desse equipamento, com clientes

residenciais se utilizando desse produto, seja para lazer ou mesmo para uma renda extra, visto a facilidade de operação e a montagem simples do equipamento; se a revolução em todos os processos produtivos que os aficionados por impressão 3D esperam não vier a ocorrer, com certeza esse fato não ofuscará o brilhante futuro que esses equipamentos de prototipagem rápida terão.

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13. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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[5] GADGETEER. Disponível em < http://the-gadgeteer.com >. Acesso em: 14 Jul. 2013

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[7] AXYS PROTOTYPES. Disponível em <http://www.axisproto.com/>. Acesso em: 14 Jul. 2013

[8] ULTIMACHINE. Disponível em <https://ultimachine.com/>. Acesso em: 21 Jul. 2013

[9] 3DERS. Disponível em < http://www.3ders.org/ >. Acesso em: 21 Jul. 2013

[10] WHOLESALER. Disponível em < http://www.sz-wholesaler.com >. Acesso em: 21 Jul. 2013

[11] OCTAVE SYSTEMS INCORPORATED. Disponível em < http://www.octave.com/ >. Acesso em: 21 Jul. 2013

[12] PLASTIC2PRINT. Disponível em < http://www.plastic2print.com >. Acesso em: 22 Jul. 2013

[13] 3DPRINTWORLD. Disponível em < http://www. 3dprintworld.org >. Acesso em: 22 Jul. 2013

[14] REPLICATOR. Disponível em <http://www.replicator.org/ >. Acesso em: 06 out. 2013

[15] SEACAM. Disponível em <http://www.seacam.com.br/?seaservicos =prototipagem-rapida-3d-%E2%80%93-impressao-3d>. Acesso em: 06 out. 2013

[16] DESIGNOTECA. Disponível em <http://site.designoteca.com/2012/02/16/ como-preparar-arquivos-para-fabricacao-digital/>. Acesso em: 06 out. 2013

[17] GCODES. Disponível em <http://replicat.org/ gcodes>. Acesso em: 06 out. 2013

[18] SKEINFORGE. Disponível em <http://reprap.org/wiki/Skeinforge>. Acesso em: 06 out. 2013