UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
CAMPUS DE CURITIBA
GERÊNCIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
E DE MATERIAIS - PPGEM
MARLON WESLEY MACHADO CUNICO
ESTUDO DE VIABILIDADE DE TECNOLOGIA DE PROTOTIPAGEM RÁPIDA BASEADA EM MATERIAIS
FOTOPOLIMÉRICOS EXTRUDADOS
CURITIBA
DEZ - 2008
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MARLON WESLEY MACHADO CUNICO
ESTUDO DE VIABILIDADE DE TECNOLOGIA DE
PROTOTIPAGEM RÁPIDA BASEADA EM MATERIAIS
FOTOPOLIMÉRICOS EXTRUDADOS
Dissertação apresentada como requisito parcial à obtenção do título de Mestre em Engenharia, do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais, Área de Concentração em Engenharia de Manufatura, do Gerência de Pesquisa e Pós-Graduação, do Campus de Curitiba, da UTFPR.
Orientador: Prof. Neri Volpato, Ph.D.
CURITIBA
DEZEMBRO – 2008
TERMO DE APROVAÇÃO
MARLON WESLEY MACHADO CUNICO
ESTUDO DE VIABILIDADE DE TECNOLOGIA DE PROTOTIPAGEM RÁPIDA BASEADA EM MATERIAIS
FOTOPOLIMÉRICOS EXTRUDADOS
Esta Dissertação foi julgada para a obtenção do título de mestre em engenharia, área de concentração em engenharia de manufatura, e aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais.
_________________________________ Prof. Giuseppe Pintaúde, D.Sc.
Coordenador de Curso
Banca Examinadora
______________________________ ______________________________ Prof. Neri Volpato, Ph.D. Prof. Jonas de Carvalho, Ph.D. (UTFPR) (EESC-USP)
______________________________ ______________________________ Prof. José Aguiomar Foggiatto, Dr. Eng Prof. Carlos Marcus Gomes da Silva
Cruz, D.Sc. (UTFPR) (UTFPR)
Curitiba, 02 de fevereiro de 2009
iii
Dedicatória À minha querida e amada noiva Jennifer,
pelo amor, carinho, paciência e dedicação, apoiando e incentivando ao longo deste trabalho
Aos meus pais, Edimar e Miriam sempre presentes com muito amor.
Ao meu irmão Malton e familiares, pelas palavras de apoio e de companheirismo.
iv
AGRADECIMENTOS
A Deus, que em sua infinda bondade, forneceu forças e manteve minha mente aberta
para a realização deste trabalho. Aos meus colegas, pelo grande apoio e suporte. À minha
família pelas palavras de conforto e incentivo. À minha noiva pelo carinho, amor e suporte
nos momentos difíceis.
Ao meu orientador pelos conselhos e críticas construtivas, que me conduziu à
realização deste trabalho, conseqüentemente à obtenção de título de Mestre em Engenharia
pela Universidade Tecnológica Federal do Paraná.
Aos professores Sônia Faria Zawadizk e Carlos Marcus Gomes da Silva Cruz, que me
orientaram no decorrer deste trabalho, auxiliando tecnicamente a fim de alcançar os
objetivos planejados.
À Universidade Tecnológica Federal do Paraná, que, através de seus professores
laboratórios e programas de pesquisa, proporcionou condições para a realização deste
trabalho.
A todos, que direta ou indiretamente contribuíram para o desenvolvimento deste
trabalho.
Deus abençoe a todos.
v
"A falsa ciência gera ateus; a verdadeira
ciência leva os homens a se curvarem diante
da divindade."
Voltaire
vi
CUNICO, Marlon Wesley Machado, Estudo de Viabilidade de Tecnologia de Prototipagem Rápida Baseada em Materiais Fotopoliméricos Extrudados, 2009,
Dissertação (Mestrado em Engenharia) - Programa de Pós-graduação em
Engenharia Mecânica e de Materiais, Universidade Tecnológica Federal do Paraná,
Curitiba, 204p.
RESUMO
Em função do aumento da exigência dos consumidores, as empresas são
obrigadas a dimunuir o tempo de desenvolvimento de produtos assim como reduzir
custos criando valor agregado a seus produtos. Para realizar estas mudanças foram
desenvolvidas diversas soluções, sendo que uma delas é a prototipagem rápida.
Embora a utilização desta tecnologia tenha aumentando nos últimos anos, não
existe fabricante nacional. Em função desta carência, o objetivo deste trabalho é
iniciar o desenvolvimento de uma tecnologia nacional, realizando estudos de
viabilidade da proposta apresentada neste trabalho. Para realização destes, foram
estudados materiais fotopoliméricos e tecnologias de prototipagem rápida. Através
destes, foram encontradas características de fotopolímeros e métodos de
caracterização destes materiais. Da mesma forma, foram relacionadas
características de tecnologias de prototipagem rápida a fim de fundamentar o
desenvolvimento da concepção de uma nova tecnologia. Foi estudado o
comportamento do filamento em função de parâmetros de controle do processo
através de um planejamento fatorial de quatro fatores de resposta em função de três
fatores de controle. Foram encontradas janelas de processo que possibilitam
relacionar características finais do filamento com parâmetros de controle e a
interação entre os mesmos. Com o estudo realizado, pode-se concluir que os testes
iniciais apontam para uma viabilidade do sistema proposto. No entanto, em função
da originalidade e do caráter inicial deste trabalho, mais estudos relacionados ao
processo e aos materiais são necessários.
Palavras-chave: Prototipagem Rápida, Fotopolimerização, Desenvolvimento de
Produto
vii
CUNICO, Marlon Wesley Machado, Viability study of Rapid Prototyping Technology Based on extruded photopolymeric Materiais, 2009, Dissertation
(Master in Engeneering) - Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica e
de Materiais, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 204p.
ABSTRACT
As consequence of increasing of customer`s needs, time of product development are
obligated to be reduced by enterprises, which also intent to created products whose
differential attend those needs. Therefore, several solutions had to be developed to
support those changes, as such rapid prototyping. In spite of the growth of this
technology, there is no national supplier. In face of that gap, the main goal of this
work is to start the development of a national technology, studying the feasibility of
the new conception proposed in this work. In order to achieve this, photopolymeric
materials and rapid prototyping technologies were studied. It was found both
photopolymer characteristics and characterization methods of these materials. In the
same way, through characteristics of current rapid prototyping it was defined
parameters that support the development of a new conception. It was studied the
behavior of deposited filament in function of control parameters applying the factorial
design method, which defined four response factors and three control factors. It was
created contour diagrams that show the relationship between characteristics of final
process, the control parameters and their interactions. Through the study done, it
was concluded that the results of the prelimilary test point to feability of the proposed
system. Nevertheless, due to the originality and the initial stage of this work, it’s
necessary to carry out farther studies related to process and materials.
Keywords: Rapid Prototyping, Photopolymerization, Product Development
viii
SUMÁRIO
AGRADECIMENTOS ................................................................................................. iv RESUMO.................................................................................................................... vi ABSTRACT ............................................................................................................... vii SUMÁRIO..................................................................................................................viii LISTA DE FIGURAS .................................................................................................. xi LISTA DE TABELAS ................................................................................................xxii LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS .................................................................. xxv LISTA DE SÍMBOLOS.............................................................................................xxvi 1 INTRODUÇÃO......................................................................................................1
1.1 Contextualização..................................................................................................................... 1 1.2 Apresentação do problema ..................................................................................................... 3 1.3 Relevância do problema.......................................................................................................... 3 1.4 Proposta .................................................................................................................................. 5 1.5 Objetivos.................................................................................................................................. 6
1.5.1 Objetivo geral ...................................................................................................................... 6 1.5.2 Objetivos específicos........................................................................................................... 7
1.6 Organização do Trabalho........................................................................................................ 7 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................................8
2.1 Tecnologias RP ....................................................................................................................... 8 2.1.1 Modelagem por Fusão e Deposição (FDM) ........................................................................ 8 2.1.2 Estereolitografia (SL)......................................................................................................... 16 2.1.3 Inkjet Print (IJP) ................................................................................................................. 19 2.1.4 Comparativo entre tecnologias RP.................................................................................... 21
2.2 Materiais Fotopoliméricos ..................................................................................................... 23 2.2.1 Definições.......................................................................................................................... 23 2.2.2 Compostos ........................................................................................................................ 24 2.2.3 Monômeros........................................................................................................................ 24 2.2.4 Oligômero .......................................................................................................................... 25 2.2.5 Fotoiniciadores e Co-iniciadores ....................................................................................... 25 2.2.6 Aditivos .............................................................................................................................. 27 2.2.7 Fabricantes........................................................................................................................ 27 2.2.8 Fases da polimerização .................................................................................................... 28 2.2.9 Parâmetros de controle de fotopolimerização................................................................... 32
2.3 DoE (Design of Experiments) ................................................................................................ 36 2.3.1 Conceitos Gerais de Experimentação............................................................................... 36 2.3.2 Técnicas para Definição da Seqüência de Ensaios.......................................................... 37 2.3.3 Planejamento Fatorial........................................................................................................ 38
2.4 Discussão sobre a Revisão................................................................................................... 42
ix
3 MATERIAL E MÉTODOS ...................................................................................44 3.1 Materiais ................................................................................................................................ 44
3.1.1 Monômeros e Oligômeros ................................................................................................. 44 3.1.2 Iniciadores ......................................................................................................................... 46 3.1.3 Solvente e Não-Solvente................................................................................................... 50 3.1.4 Câmara de contenção e Reflexão..................................................................................... 51 3.1.5 Lâmpada de vapor de mercúrio ........................................................................................ 51 3.1.6 Lâmpada UV...................................................................................................................... 52 3.1.7 Balança eletrônica............................................................................................................. 54 3.1.8 Molde de Vidro .................................................................................................................. 54 3.1.9 Interface de Controle de Intensidade Luminosa ............................................................... 55 3.1.10 Equipamento de Prototipagem Rápida ............................................................................. 57
3.2 Caracterização de Material ................................................................................................... 60 3.3 Parâmetros e Controle do Processo RP Proposto................................................................ 61
3.3.1 Controle de Intensidade Luminosa.................................................................................... 61 3.3.2 Velocidade de Extrusão .................................................................................................... 62 3.3.3 Velocidade de Deposição.................................................................................................. 64 3.3.4 Sintaxe de Programação CNC.......................................................................................... 67 3.3.5 Procedimento experimental............................................................................................... 69
4 PARTE EXPERIMENTAL ...................................................................................71 4.1 Estudo do Material................................................................................................................. 71
4.1.1 Caracterização de Material – 1 ......................................................................................... 71 4.1.2 Caracterização de Material – 2 ......................................................................................... 72 4.1.3 Caracterização de Material – 3 ......................................................................................... 73 4.1.4 Caracterização de Material – 4 ......................................................................................... 74 4.1.5 Caracterização de Material – 5 ......................................................................................... 75 4.1.6 Caracterização de Material – 6 ......................................................................................... 76
4.2 Estudo do Processo de Prototipagem Rápida ...................................................................... 77 4.2.1 Caracterização de Filamento – 1 ...................................................................................... 77 4.2.2 Caracterização de Filamento – 2 ...................................................................................... 78 4.2.3 Interação entre Filamentos................................................................................................ 82 4.2.4 Viabilidade Funcional ........................................................................................................ 83
4.3 Resumo de Estudo de Material do Processo........................................................................ 85 5 RESULTADOS E DISCUSSÕES........................................................................87
5.1 Estudo do Material................................................................................................................. 87 5.1.1 Caracterização de Material – 1 ......................................................................................... 87 5.1.2 Caracterização de Material – 2 ......................................................................................... 88 5.1.3 Caracterização de Material – 3 ......................................................................................... 90 5.1.4 Caracterização de Material – 4 ......................................................................................... 93 5.1.5 Caracterização de Material – 5 ......................................................................................... 95
x
5.1.6 Caracterização de Material – 6 ......................................................................................... 96 5.1.7 Resumo de Resultados do Estudo do Material................................................................. 98
5.2 Estudo do Processo de Prototipagem Rápida ...................................................................... 98 5.2.1 Caracterização de Filamento – 1 ...................................................................................... 99 5.2.2 Caracterização de Filamento – 2 .................................................................................... 101 5.2.3 Interação entre filamento................................................................................................. 151 5.2.4 Viabilidade funcional........................................................................................................ 155 5.2.5 Resumo de resultados do Estudo do Processo de RP................................................... 157
5.3 Análise Comparativa ........................................................................................................... 158 6 CONCLUSÕES.................................................................................................161
6.1 Considerações finais ........................................................................................................... 161 6.2 Conclusões.......................................................................................................................... 162 6.3 Estudos propostos............................................................................................................... 164
PRODUÇÃO CIENTÍFICA NO PERÍODO (Set 2006 – Set 2008) ...........................166 REFERÊNCIAS.......................................................................................................167
xi
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 - Representação genérica do processo de adição de camadas, princípio
de RP (VOLPATO et al., 2004) ............................................................................2
Figura 1.2 - Comparação entre tempo de comunicação na fase de projeto utilizando
desenhos 2D, modelos CAD 3D e protótipos físicos (VOLPATO, 2007) .............4
Figura 1.3 - Ilustração por quartil dos investimentos em RP de 2003 a 2005
(3DSYSTEMS, 2006) ...........................................................................................4
Figura 1.4 - Representação de proposta de nova concepção de RP..........................6
Figura 2.1- Representação do funcionamento de uma máquina FDM (AHN, 2002) ...9
Figura 2.2 - Ilustração esquemática de concepção de sistema de deposição (GENG
et al., 2005) ........................................................................................................10
Figura 2.3 – Ilustração esquematica de concepção de sistema de deposição
FDM (CRUMP, 1989) .........................................................................................10
Figura 2.4 - Ilustração esquemática de concepção de sistema de deposição de
FDM (CRUMP, 1989) .........................................................................................11
Figura 2.5 - Ilustração esquemática de concepção de sistema de deposição de
FDM (BATCHELDER e JACKSON, 1995 ) ........................................................11
Figura 2.6 - Ilustração esquemática de concepção de sistema de deposição de
FDM (CRUMP et al., 1994) ................................................................................12
Figura 2.7 - Ilustração esquemática de concepção de sistema de deposição de
FDM (GENG et al., 2005; BATCHELDER, 2006)...............................................12
Figura 2.8 - Ilustração esquemática de concepção de sistema de deposição de
FDM (CRUMP, 1989) .........................................................................................12
Figura 2.9 – Ilustração de tipos de preenchimento onde: a) contorno (contour) e
b) varedura (raste)r (BELLINI e GÜÇERI, 2003)................................................13
Figura 2.10 - Ilustração de seção transversal de filamentos, onde é apresentada a
interação entre filamentos e vazios (BATCHELDER, 1995)...............................14
xii
Figura 2.11 - Foto de seção transversal de peça (AHN, 2002) .................................14
Figura 2.12 – Ilustração de vazios gerados em região entre contorno e
preenchimento raster (HOLZWARTH, 2006) .....................................................14
Figura 2.13 - Sistema FDM Fab@home (MALONE e LIPSON, 2006) ......................15
Figura 2.14 - Sistema FDM RepRap (BOWYER, 2008) ............................................15
Figura 2.15 - Exemplo de peças construidas em silicone por Fab@home (LIPSON e
MALONE, 2008).................................................................................................16
Figura 2.16 – Exemplos de peças construídas em policaprolactona por RepRap
(BOWYER, 2008)...............................................................................................16
Figura 2.17 – Esquema de funcionamento de Estereolitografia (VANDRESEN, 2004)
...........................................................................................................................17
Figura 2.18 - Representação de seção transvesal de uma linha única gerada por
SLA (JACOBS, 1992; TANG, 2005) ...................................................................18
Figura 2.19 - Esquema de funcionamento de IJP (OBJET, 2008).............................19
Figura 2.20 – Formação de linhas em função de frequência de deposição
(MARGOLIN, 2006)............................................................................................20
Figura 2.21 - Comparativo entre tempo médio de fabricação de peças fabricadas por
FDM, IJP e SL (GRIMM, 2003) ..........................................................................21
Figura 2.22 - Comparativo entre desvios dimensionais de peças fabricadas por FDM,
IJP e SL (GRIMM, 2003) ....................................................................................22
Figura 2.23 - Comparativo entre qualidade superficial de peças fabricadas por FDM,
IJP e SL (GRIMM, 2003) ....................................................................................23
Figura 2.24 - Exemplo dos principais grupos funcionais apropriados à fotocura: a)
dupla-ligação entre oxigênio e carbono; b) dupla-ligação entre átomos de
carbono; c) anel epóxi (ODIAN, 2004) ...............................................................24
Figura 2.25 - Representação de geração de fotofragmentação (MATYJASZEWSKI e
DAVIS, 2002) .....................................................................................................25
xiii
Figura 2.26 - Representação de geração de íons utilizados em fotocura
(MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002)..................................................................26
Figura 2.27 - Exemplo de amina terciária, Benzophenone/ N,N-dimethyl aniline
(MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002)..................................................................26
Figura 2.28 – Fases e tipos de de fotopolimerização radicalar, onde
fotofragmentação e abstração são referêntes ao Tipo I e a transferência de
eletrons ao Tipo II (KRICHELDORF et al., 2005)...............................................29
Figura 2.29 - Representação de tipos de quebra de ligação, onde a)heterolítica;
b)dupla ligação; c)homolítica (ODIAN, 2004) .....................................................30
Figura 2.30 - Representação de fases de polimerização iônica, propagação,
transferência e terminação, respectivamente (RODRIGUES e NEUMANN, 2003)
...........................................................................................................................30
Figura 2.31 - Exemplos de grupos funcionais de polimerização por abertura de anéis
(ODIAN, 2004) ...................................................................................................31
Figura 2.32 - Representação da propagação proveniente da abertura do anél epóxi
(ODIAN, 2004) ...................................................................................................32
Figura 2.33 - Espectro de absorção de IRGACURE 651, 99,9%(JASTY, 1999) .......34
Figura 3.1 - Representação gráfica da estrutura molecular do metacrilato de
metila(SIGMA-ALDRICH, 2008a).......................................................................45
Figura 3.2 - Representação gráfica da estrutura molecular do CN501(SIGMA-
ALDRICH, 2008b) ..............................................................................................46
Figura 3.3 - Ilustração da estrutura molecular do Peróxido de benzoila
(MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002). .................................................................47
Figura 3.4 –Curva de absorção de luz e representação gráfica da estrutura molecular
do Irgacure 184, 99,9% (JASTY, 1999) .............................................................48
Figura 3.5 - Curva de absorção de luz e representação gráfica da estrutura molecular
do Irgacure 651, 99% (JASTY, 1999) ................................................................49
Figura 3.6 - Curva de absorção e representação gráfica da estrutura molecular de
benzofenona, 99% (JASTY, 1999).....................................................................50
xiv
Figura 3.7 - Caixa de contenção e reflexão...............................................................51
Figura 3.8 - Foto de lâmpada de vapor de mercúrio (400W) sem bulbo ...................52
Figura 3.9 - Distribuição espectral de lâmpada de vapor de mercúrio 400W com
bulbo (filtro) (GE, 2007)......................................................................................52
Figura 3.10 – Foto e ilustração de Lampada UV PL-S 9W 10/2p UNP, onde
A=129mm; B= 144.5 mm; C= 167.5 mm; D= 28mm; D1= 13mm.......................53
Figura 3.11 - Espectro emissão de luminosa por comprimento de onda de lâmpada
PL-S 9W 10/2P UNP (PHILIPS, 2008) ...............................................................53
Figura 3.12- Foto de balança eletrônica de10mg de precisão ..................................54
Figura 3.13 - Ilustração de molde de vidro utilizado em experimentos de tempo de
polimerização .....................................................................................................55
Figura 3.14 – Esquema eletrônico da interface de controle de intensidade luminosa
desenvolvida, onde R é potenciômetro de calibração e T é um LDR (Light
Divisor Resistor) .................................................................................................56
Figura 3.15 - Foto de Máquina CNC com controle XYZ ............................................57
Figura 3.16 - Foto de cabeçote extrusor ...................................................................58
Figura 3.17 – Layout de interface de controle desenvolvido para controle de
equipamento de RP ...........................................................................................60
Figura 3.18 - Fluxograma de procedimento de experimento de determinação de
tempo de polimerização .....................................................................................61
Figura 3.19 – Gráfico da vazão(s
mm3
) em função do período (segundos),
considerando a precisão do atuador linear de 0,0006mm,.................................64
Figura 3.20 - Ilustração do comportamento médio do filamento em regime..............65
Figura 3.21 - Representação de parâmetros de processo, onde P (segundos) é a
entrada e Vc (mm/min) a saída, e h (0,15mm), Ps (0,0006mm/passo),
Db (0,45mm) e Di (10mm) as constantes previamente fixadas ........................66
Figura 3.22 -Fluxograma de processo experimental .................................................70
xv
Figura 4.1 - Ilustração de trajetória de deposição do estudo de filamentos realizado
por planejamento fatorial, experimento 2. ..........................................................80
Figura 4.2 - Ilustração de tomada de medida de trajetória de deposição,
considerando largura de filamento de 1,5mm ....................................................81
Figura 4.3 - Ilustração de trajetória de deposição do experimento 3, tendo 4
diferentes distâncias entre filamentos, para observar o comportamento entre
filamentos...........................................................................................................83
Figura 4.4 - Dimensões de corpos de provas............................................................84
Figura 4.5 - Ilustração de trajetória de deposição de corpo de prova 3.....................84
Figura 4.6 - Ilustração de trajetória de deposição de corpo de prova 4.....................85
Figura 5.1 - Curva de conversão de fotopolimerização de MMA em 1% peróxido de
benzoila, utilizando fonte UV de 400W ..............................................................88
Figura 5.2 - Taxa de polimerização de cola BE 20 sem fotoiniciador em fonte UV(9W)
...........................................................................................................................89
Figura 5.3 - Diagrama de Efeitos principais de fatores de controle sobre fator de
resposta Conversão ...........................................................................................91
Figura 5.4 - Diagrama de Pareto de efeitos das interações entre fatores sobre a
conversão, considerando coeficiente de erro de 0,05........................................91
Figura 5.5 - Diagrama de contorno de taxa de conversão de cola BE 20 contra
concentração de solvente (tetracloreto de carbono), e tempo de exposição pela
luz UV (9W)........................................................................................................92
Figura 5.6 - Foto da solução após exposição em UV no não-solvente etanol (5ml)
com 28,47% de conversão.................................................................................94
Figura 5.7 - Curva de conversão de fotopolimerização de solução de MMA (1ml),
CN501(1ml) em 2% de Irgacure 184..................................................................94
Figura 5.8 – Foto da solução após exposição em UV no não-solvente etanol (5ml)
com 91% de conversão......................................................................................95
Figura 5.9 – Curva de conversão de fotopolimerização de solução de MMA (1ml) e
CN501(1ml) em mistura de 4% de Irgacure 651 ...............................................96
xvi
Figura 5.10 – Curva de conversão de fotopolimerização de solução de MMA (0,5ml)
e CN501(1ml) em mistura de 4% de Irgacure 184 e 4% de benzofenona ........97
Figura 5.11 – Fotos de filamentos tiradas em microscópio ótico 50 x, onde cada
filamento representa o grupo de filamentos construídos com velocidade de
cabeçote extrusor de: 40mm/min (filamento 1), 60mm/min (filamento 2) e
90mm/min (filamento 3)......................................................................................99
Figura 5.12 – Curva de comportamento de filamento .............................................100
Figura 5.13 - Foto de trajetória de deposição de experimento H.............................102
Figura 5.14 - Diagrama de Box-Whisker das amostras do experimento A..............103
Figura 5.15 - Foto de amostra 1 de experimento A .................................................103
Figura 5.16 - Foto da amostra 2 do experimento A .................................................104
Figura 5.17 - Foto da amostra 3 do experimento A .................................................104
Figura 5.18 - Ilustração da região do filamento que recebe maior intensidade
luminosa em função da incidência e distância .................................................105
Figura 5.19 – Ilustração de ponta de bico extrusor onde é representada a incidência
de raios de luz provenientes da fonte luminosa, gerando uma região com maior
incidência de luz...............................................................................................105
Figura 5.20 - Diagrama de Box-Whisker das amostras do experimento B..............106
Figura 5.21 - Foto de amostra 1 do experimento B .................................................107
Figura 5.22 - Foto de amostra 2 de experimento B .................................................107
Figura 5.23 - Foto de amostra 3 de experimento B .................................................108
Figura 5.24 - Diagrama de Box-Whisker de amostras do experimento C ...............108
Figura 5.25 - Foto de amostra 1 do experimento C.................................................109
Figura 5.26 - Foto de amostra 2 do experimento C.................................................109
Figura 5.27 - Foto de amostra 3 de do experimento C............................................110
Figura 5.28 - Diagrama de Box-Whisker das amostras do experimento D..............110
Figura 5.29 - Foto de amostra 1 do experimento D.................................................111
xvii
Figura 5.30 - Foto de amostra 2 do experimento D.................................................111
Figura 5.31 - Foto de amostra 3 do experimento D.................................................112
Figura 5.32 - Diagrama de Box-Whisker das amostras do experimento E..............112
Figura 5.33 - Foto de amostra 1 do experimento E .................................................113
Figura 5.34 - Foto de amostra 2 do experimento E .................................................113
Figura 5.35 - Foto de amostra 3 do experimento E .................................................114
Figura 5.36 - Ilustração de etapas de quebra de continuidade devido a perda de
contato do filamento com superfície.................................................................115
Figura 5.37 - Diagrama de Box-Whisker das amostras do experimento F ..............115
Figura 5.38 - Foto de amostra 1 do experimento F .................................................116
Figura 5.39 - Foto de amostra 3 do experimento F .................................................116
Figura 5.40 - Foto de região de quebra de continuidade de filamento do
experimento F ..................................................................................................117
Figura 5.41 - Diagrama de Box-Whisker de amostras do experimento H ...............117
Figura 5.42 - Foto de amostra 1 do experimento H.................................................118
Figura 5.43 - Foto de amostra 2 do experimento H.................................................118
Figura 5.44 - Foto de amostra 3 do experimento H.................................................119
Figura 5.45 – Representação gráfica de resultados de fatores de resposta em função
de seus respectivos fatores de controle ...........................................................120
Figura 5.46 - Gráfico de efeitos principais de fatores de controle sobre respostas
médias dos experimentos relacionados à largura de filamento (Rm)...............121
Figura 5.47 - Regressão de PLS dos efeitos das interações sobre Rm, considerando
probabilidade de erro de 0,05 ..........................................................................122
Figura 5.48 - Diagrama de Pareto de efeitos das interações entre fatores sobre Rm,
considerando probabilidade de erro de 0,05. ...................................................122
Figura 5.49- Diagrama de contorno de Rm em função de Ve e Vc, considerando
valor estático de h=0,15mm .............................................................................123
xviii
Figura 5.50 - Diagrama de contorno de Rm em função de Ve e Vc, considerando
valor estático de h=0,175mm ...........................................................................124
Figura 5.51 - Diagrama de contorno de Rm em função de Ve e Vc, considerando
valor estático de h=0,2m ..................................................................................124
Figura 5.52 - Diagrama de contorno de Rm em função de Vc e h, considerando valor
estático de Ve=0,0012mm/s.............................................................................125
Figura 5.53 - Diagrama de contorno de Rm em função de Vc e h, considerando valor
estático de Ve=0,00125mm/s...........................................................................126
Figura 5.54 - Diagrama de contorno de Rm em função de Vc e h, considerando valor
estático de Ve=0,0013mm/s.............................................................................126
Figura 5.55 - Diagrama de contorno de Rm em função de Ve e h, considerando valor
estático de Vc=120mm/min..............................................................................127
Figura 5.56 - Diagrama de contorno de Rm em função de Ve e h, considerando valor
estático de Vc=135mm/min..............................................................................127
Figura 5.57 - Diagrama de contorno de Rm em função de Ve e h, considerando valor
estático de Vc=150mm/min..............................................................................128
Figura 5.58 - Representação gráfica de valores de fatores de resposta Cd(mm) em
relação a fatores de controle Vc(mm/min), h(mm) e Ve(mm/s)........................129
Figura 5.59 - Diagrama de efeitos principais dos fatores de controle Ve, Vc e h sobre
característica dimensional da trajetória de deposição(Cd)...............................130
Figura 5.60 –Regressão de PLS dos efeitos das interações sobre Cd, considerando
probabilidade de erro de 0,05 ..........................................................................131
Figura 5.61 - Diagrama de Pareto de efeitos das interações entre fatores sobre Cd,
considerando probabilidade de erro de 0,05. ...................................................131
Figura 5.62 - Diagrama de contorno de Cd em função de Ve e Vc, considerando
valor estático de h=0,15mm .............................................................................132
Figura 5.63 - Diagrama de contorno de Cd em função de Ve e Vc, considerando
valor estático de h=0,175mm ...........................................................................132
xix
Figura 5.64 - Diagrama de contorno de Cd em função de Ve e Vc, considerando
valor estático de h=0,2mm ...............................................................................133
Figura 5.65 - Diagrama de contorno de Cd em função de Ve e h, considerando valor
estático de Vc=120mm/min..............................................................................133
Figura 5.66 - Diagrama de contorno de Cd em função de Ve e h, considerando valor
estático de Vc=135mm/min..............................................................................134
Figura 5.67 - Diagrama de contorno de Cd em função de Ve e h, considerando valor
estático de Vc=150mm/min..............................................................................134
Figura 5.68 - Diagrama de contorno de Cd em função de Vc e h, considerando valor
estático de Ve=0,0012mm/s.............................................................................135
Figura 5.69 - Diagrama de contorno de Cd em função de Vc e h, considerando valor
estático de Ve=0,00125mm/s...........................................................................136
Figura 5.70 - Diagrama de contorno de Cd em função de Vc e h, considerando valor
estático de Ve=0,0013mm/s.............................................................................136
Figura 5.71 - Representação gráfica dos resultados relacionados com o fator de
resposta Qualidade ..........................................................................................138
Figura 5.72 - Diagrama de efeitos principais de fatores de controle Vc, h e Ve sobre
fator de resposta Qualidade .............................................................................139
Figura 5.73 - Regressão de mínimos quadrados parciais de efeitos interação entre
fatores de controle sobre fator resposta Qualidade, considerando probabilidade
de erro de 0,05.................................................................................................139
Figura 5.74 - Diagrama de Pareto de efeitos das interações entre fatores sobre
Qualidade, considerando probabilidade de erro de 0,05..................................140
Figura 5.75 - Diagrama de contorno de Qualidade em função de Vc e h,
considerando valor estático de Ve=0,0012mm/s..............................................141
Figura 5.76 - Diagrama de contorno de Qualidade em função de Vc e h,
considerando valor estático de Ve=0,00125mm/s............................................141
Figura 5.77 - Diagrama de contorno de Qualidade em função de Vc e h,
considerando valor estático de Ve=0,0013mm/s..............................................142
xx
Figura 5.78 - Diagrama de contorno de Qualidade em função de Vc e Ve,
considerando valor estático de h=0,15mm.......................................................143
Figura 5.79 - Diagrama de contorno de Qualidade em função de Vc e Ve,
considerando valor estático de h=0,175mm.....................................................143
Figura 5.80 - Diagrama de contorno de Qualidade em função de Vc e Ve,
considerando valor estático de h=0,2mm.........................................................144
Figura 5.81 - Diagrama de contorno de Qualidade em função de Ve e h,
considerando valor estático de Vc=120mm/min...............................................144
Figura 5.82 - Diagrama de contorno de Qualidade em função de Ve e h,
considerando valor estático de Vc=135mm/min...............................................145
Figura 5.83 - Diagrama de contorno de Qualidade em função de Ve e h,
considerando valor estático de Vc=135mm/min...............................................145
Figura 5.84 - Representação gráfica de valores do fator de resposta Continuidade
em relação a Ve, h e Ve...................................................................................147
Figura 5.85 - Diagrama de Efeitos principais de fatores de controle sobre fator de
resposta Continuidade .....................................................................................147
Figura 5.86 – Regressão PLS de efeitos interação entre fatores de controle sobre
fator resposta Continuidade, considerando probabilidade de erro de 0,05 ......148
Figura 5.87 - Diagrama de Pareto de efeitos das interações entre fatores sobre
Continuidade, considerando probabilidade de erro de 0,05 .............................148
Figura 5.88 - Diagramas de contorno de Continuidade em função de (Vc;h) e (Vc;Ve)
.........................................................................................................................149
Figura 5.89 - Diagrama de Contorno de continuidade em função de Ve e h, tendo Ve
com valor estático Vc=120mm/min ..................................................................149
Figura 5.90 - Compilação de diagramas de contorno de Largura de filamento; Cd;
Qualidade em função de Ve e Vc, e diagrama de contorno de continuidade em
função de h e Vc ..............................................................................................150
Figura 5.91 - Diagrama de contorno de Rm, Cd, Qualidade ...................................151
xxi
Figura 5.92 – Representação de trajetória de deposição, considerando largura de
filamento de 1,2mm, e medidas de referência .................................................152
Figura 5.93 - Fotos de trajetórias de deposição de estudo de interação entre
filamentos.........................................................................................................153
Figura 5.94 – Representação de regiões de inicio de deposição, falha de deposição
e de deposição em regime...............................................................................154
Figura 5.95 – Foto de Corpo de prova 3 .................................................................156
Figura 5.96 – Foto de Corpo de prova 4 .................................................................157
Figura 5.97 - Imagem de superfície de filamento gerado por tecnologia 3DP
(ULBRICH, 2007) .............................................................................................159
Figura 5.98 - Imagem de deposição de filamentos gerados por FDM (MONTERO et
al., 2001) ..........................................................................................................159
xxii
LISTA DE TABELAS
Tabela 1.1 - Relação de características satisfatórias observadas em três tecnologias
de RP ...................................................................................................................5
Tabela 2.1 - Tabela de tipos de interações entre filamentos de SL (TANG, 2005) ...18
Tabela 2.2 - Relação de fabricantes de monômeros e oligômeros (RADTECH, 2008)
...........................................................................................................................27
Tabela 2.3 - Relação de fabricantes de aditivos (RADTECH, 2008) .........................27
Tabela 2.4 - Relação de fabricantes de fotoiniciadores para polimerização
(RADTECH, 2008) .............................................................................................28
Tabela 2.5 - Tabela de classificação de tipos de modelos estatísticos para realização
de planejamento fatorial (ERIKSSON et al., 2000) ............................................39
Tabela 2.6 - Tabela exemplo de tipos de experimentos (ERIKSSON et al., 2000) ...41
Tabela 3.1 - Especificação técnica de cola acrílica BE 20 ........................................45
Tabela 3.2 - Lista de principais comandos de controle utilizados no processo .........68
Tabela 4.1 - Tabela de amostras por tempos de exposição de caracterização de
material - 1 .........................................................................................................71
Tabela 4.2 - Tabela de grupos amostrais e seus respectivos tempos de exposição a
luz UV - Caracterização de material -2..............................................................72
Tabela 4.3 - Tabela de níveis de fatores de controle - Caracterização de material -3
...........................................................................................................................73
Tabela 4.4 - Matriz de experimentos do planejamento fatorial da cola BE-20 -
Caracterização de material -3 ...........................................................................74
Tabela 4.5 - Tabela de grupos amostrais em relação aos seus tempos de exposição
à luz UV - Caracterização de material -4...........................................................75
Tabela 4.6 - Tabela de grupos amostrais em relação aos seus tempos de exposição
à luz UV – Caracterização de material – 5 .........................................................75
xxiii
Tabela 4.7 - Tabela de grupos amostrais em relação aos seus tempos de exposição
à luz UV – Caracterização de material – 6 .........................................................76
Tabela 4.8 – Lista de valores de velocidade do cabeçote.........................................78
Tabela 4.9 – Tabela de níveis e valores de fatores de controle – Caracterização de
filamento – 2.......................................................................................................78
Tabela 4.10 - Matriz de experimento de planejamento fatorial de processo de
prototipagem rápida - Caracterização de filamento – 2......................................79
Tabela 4.11 –Escala quantificativa de parâmetros qualitativos, qualidade e
continuidade.......................................................................................................81
Tabela 4.12 – Tabela de parâmetros de processo utilizados no estudo de interação
entre filamento ...................................................................................................82
Tabela 4.13 – Tabela resumo de experimentos relacionados ao desenvolvimento de
material ..............................................................................................................85
Tabela 4.14 - Tabela resumo de experimentos relacionados ao estudo do processo
RP proposto .......................................................................................................86
Tabela 5.1 – Tabela de valores médios de fatores de resposta dos experimentos...90
Tabela 5.2 – Tabela resumo de resultados do estudo do material............................98
Tabela 5.3 – Tabela de análise estatística descritiva de grupos amostrais da largura
de filamento da caracterização de filamento 1 .................................................101
Tabela 5.4 - Matriz de experimento de planejamento fatorial de processo de
prototipagem rápida .........................................................................................102
Tabela 5.5 – Relação de valores de prova e decisão sobre a hipótese dos valores
amostras seguirem distribuição normal............................................................120
Tabela 5.6 - Tabela de valores médios dimensionais e de característica dimensional
.........................................................................................................................129
Tabela 5.7 - Escala relativa de qualidade de superfície de filamento......................137
Tabela 5.8 – Tabela de valores de resposta de fator de resposta Qualidade .........138
Tabela 5.9 - Tabela de valores de resposta de fator de resposta Continuidade .....146
xxiv
Tabela 5.10 – Tabela de valores de medições estimadas e de valores encontrados
fisicamente nas amostras.................................................................................153
Tabela 5.11 - Relação de corpos de prova, estratégias de deposição, número de
camadas, e dimensões de corpos de prova.....................................................156
Tabela 5.12 – Tabela resumo de resultados do estudo do processo RP proposto .158
xxv
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
2D - Bidimensional 3D - Tridimensional 3DP - Impressão 3D (3D Print) ABS - Acrilonitrila Butadieno Estireno ABSi - Acrilonitrila Butadieno Estireno Esterelizável CAD - Projeto Auxiliado por Computador (Computer Aided Design) CAM - Manufatura Auxiliada por Computador (Computer Aided Manufacturing)CNC - Controle Numérico Computadorizado (Computer Numerical Control) DoE - Design of Experiment EB - Feixe de Elétrons (Electron Beam) FDM - Modelagem por fusão e deposição HDPE - Polietileno de Alta Densidade IJP - Impressão Jato de Tinta (Ink Jet Print) IR - Infravermelho LDR - Light Divisor Resistor LED - Light Emissor Diode MMA - Metacrilato de Metila NC - Controle Numérico (Numerical Control) OS - Poliestireno PC - Policarbonato PCL - Policaprolactona PDP - Processo de Desenvolvimento de Produto PLS - Quadrados Mínimos Parciais (Partial Least Square) PMMA - Poli(metacrilato de metila) PPSF - Polifenilsulfona PSAI - Poliestireno de Alto Impacto RMN - Ressonância Magnética Nuclear RP - Prototipagem rápida (Rapid Prototyping) SL - Estereolitografia (Stereolithography) STL - STereoLithography format TMPTA - Trimethylolpropane Triacrylate UFPR - Universidade Federal do Paraná UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do Paraná UV - Ultravioleta
xxvi
LISTA DE SÍMBOLOS
W - Largura de filamento depositado t - Espessura de camada Lw - Largura da seção de trajetória única Cp - Altura de seção de trajetória única Ri - Taxa de iniciação Ia - Intensidade de absorção de luz φ - Número de moléculas excitadas por fóton absorvido [C] - Concentração de fotoiniciador l - Espessura de camada
'aI - Intensidade de absorção de luz 0I - Intensidade de absorção de luz baseado em área ε - Coeficiente de extinção α - Coeficiente de absorção Rp - Taxa de propagação
pk - Coeficiente de propagação [M] - Concentração de monômero
tk - Coeficiente de terminação T - Tempo de polimerização [P] - Concentração de polímero I - Intensidade luminosa λ - Comprimento de onda y - Fator de resposta
0β - Efeito de cada fator de controle sobre fator de resposta 1x - Fator de controle
+R - Média dos valores de resposta obtidos com valores altos (+) do fator
−R - Média dos valores de resposta obtidos com valores baixos (-) do fator ab - Número total de experimentos do planejamento
y - Média dos efeitos individuais da medida, (+) e (-) corresponde ao nível alto e nível baixo
s - Erro na medida (desvio padrão) k - Número de fatores experimentais no planejamento fatorial Ve - Velocidade de extrusão do material P - Resolução
0Ve - Vazão do extrusor f - Freqüência
P - Período Vc - Velocidade de deposição h - Altura de deposição Rp - Velocidade de polimerização Db - Diâmetro do bico extrusor
xxvii
0Vb - Vazão de extrusão no bico extrusor A - Área de exposição
maxP - Período máximo gerado pela interface de controle maxVc - Velocidade máxima de deslocamento do cabeçote extrusor
G91 - Define deslocamento relativo G90 - Define deslocamento absoluto G71 - Define sistema métrico M03 - Liga extrusor sentido deposição M04 - Liga extrusor sentido sucção M05 - Desliga extrusor M08 - Liga lâmpada M09 - Desliga lâmpada G04 - Liga tempo de espera P - Determina tempo de espera em segundos G00 - Deslocamento em velocidade máxima G01 - Deslocamento em velocidade de deposição
F - Determina velocidade de deslocamento do cabeçote extrusor em mm/min
S - Determina velocidade de deposição (não implementado) T1 - Tempo de espera de liga extrusor T2 - Tempo de espera de liga lâmpada T3 - Tempo de espera de desliga extrusor Cd - Desvio dimensional da trajetória de deposição
Capítulo 1 - INTRODUÇÃO 1
1 INTRODUÇÃO
Com o passar dos anos, a exigência dos consumidores vem aumentando
gradativamente, levando empresas a diminuir o ciclo de desenvolvimento de produto
assim como reduzir custos criando diferencial agregado a seus produtos. Desta
forma, torna-se cada vez mais indispensável para o êxito de empresas perante o
mercado a realização de pesquisas relacionadas ao desenvolvimento de novos
produtos (KOSHAL, 1993; LEONDES, 2001; ROZENFELD et al., 2006 ).
Desta forma, ao levar em consideração que a empresa pode se tornar mais
competitiva em termos de desenvolvimento de produto, foi desenvolvida a pesquisa
apresentada nesta dissertação. Nesta é apresentada a problemática do tema,
fundamentos teóricos, proposta e objetivos da pesquisa, experimentos e conclusões
desta pesquisa, cujo tema é relacionado com processos de Prototipagem
Rápida (RP).
Uma forma de otimizar o Processo de desenvolvimento de Produto (PDP),
reduzindo tempos de desenvolvimento, custos, erros de projeto e riscos de inovação,
em fases de: a) desenvolvimento; b) produção; c) e operação; (CIMDATA, 2002;
BOSWELL, 2005) é a construção de protótipos físicos, sendo uma das formas mais
eficazes de obtenção destes é o processo de RP (VOLPATO, 2007).
1.1 Contextualização
As tecnologias RP nasceram no final dos anos 80 tendo sido utilizadas para a
construção de protótipos de forma direta ou de forma indireta. Ou seja, os protótipos
podem ser fabricados diretamente por estas tecnologias, ou através de ferramentas
fabricadas pelo RP, como por exemplo, moldes (LAFRATTA, 2003).
Embora a procura por tecnologias RP tenha aumentado nos últimos anos,
ainda não há nem fabricantes nacionais, nem tecnologias nacionais completamente
desenvolvidas (VOLPATO, 2007).
Capítulo 1 - INTRODUÇÃO 2
Esta tecnologia basicamente consiste na fabricação do protótipo através de
modelos computacionais 3D por adição de material camada sobre camada, diferindo
de outros processos convencionais, baseados em remoção de material, como
usinagem (SOUZA et al., 2004; VANDRESEN, 2004).
Na Figura 1.1 são apresentadas, de forma esquemática, as fases da RP, onde
são geradas camadas bidimensionais (2D) computacionalmente, via programas
CAM (Manufatura Auxiliada por Computador), que são construídas e empilhadas de
forma a fabricar a peça. Estas camadas são geradas através do fatiamento de
modelos tridimensionais (3D) CAD (Projeto Auxiliado por Computador), que seguem,
normalmente, o formato de arquivo chamado STereoLithography (STL) (SOUZA et
al., 2004; VANDRESEN, 2004; BOSWELL, 2005).
Figura 1.1 - Representação genérica do processo de adição de camadas, princípio
de RP (VOLPATO et al., 2004)
Para contemplar todas as etapas de fabricação por adição de camada as
tecnologias RP envolvem diversas áreas de pesquisa, como eletrônica, óptica,
materiais e processos de fabricação, entre outros (KHALIL et al., 2005; XU et al.,
Capítulo 1 - INTRODUÇÃO 3
2006). Entretanto, a área de concentração da dissertação será focada em processos
e materiais.
1.2 Apresentação do problema
Em função da velocidade de resposta na obtenção de protótipos das
tecnologias RP ser maior que as dos processos tradicionais, estas tecnologias vem
sendo procuradas de forma mais intensa, visto que, através destas, diversas fases
do PDP são encurtadas, assim como são reduzidos erros de projeto (FOGGIATTO
et al., 2004; VOLPATO, 2007).
Através destas tecnologias, podem ser auxiliadas as fases de planejamento
estratégico, projeto conceitual, projeto detalhado e pré-fabricação, conforme PDP, à
medida que se manipula modelos físicos para realização de testes funcionais, testes
ergonômicos, planejamento de montagem e fabricação. Contudo, apesar das
vantagens geradas por estas tecnologias, não há fabricantes nacionais de
tecnologias RP. Isto torna cara sua utilização, gerando dependência estrangeira. Em
função disto, a disseminação destas é difícil (VOLPATO, 2007).
Desta forma, destaca-se a importância do desenvolvimento de uma tecnologia
nacional com finalidade de reduzir o custo de fabricação de peças por RP, reduzindo
dependência estrangeira e tornando, por conseqüência, o mercado nacional mais
competitivo.
1.3 Relevância do problema
Existem diversas vantagens para o PDP na utilização de tecnologias RP, como
otimização, redução de tempo e custo de desenvolvimento, redução de riscos de
inovação, auxílio à manufatura (FOGGIATTO et al., 2004; VOLPATO, 2007). Uma
destas vantagens pode ser observada quando comparado a utilização de sistemas
CAD 2D, CAD 3D e protótipos físicos em função do tempo de comunicação e
tomada de decisões entre os envolvidos no projeto, como clientes, fornecedores e
equipes de projeto (Figura 1.2).
Capítulo 1 - INTRODUÇÃO 4
Nos últimos anos a demanda de utilização de RP globalmente ampliou
significantemente, mostrando a importância desta tecnologia e seu impacto, como é
apresentado na Figura 1.3.
Figura 1.3 - Ilustração por quartil dos investimentos em RP de 2003 a 2005 (3DSYSTEMS, 2006)
Figura 1.2 - Comparação entre tempo de comunicação na fase de projeto utilizando
desenhos 2D, modelos CAD 3D e protótipos físicos (VOLPATO, 2007)
Capítulo 1 - INTRODUÇÃO 5
Apesar deste aumento, o cenário nacional não contém nenhum fabricante de
tecnologias de RP (VOLPATO, 2007).
Isto faz com que o estudo e desenvolvimento destas tecnologias em âmbito
nacional contribuam para o progresso tecnológico do país, assim como para a
geração de novos negócios, em função da deficiência nacional desta área.
1.4 Proposta
A partir da grande demanda de tecnologias RP baseadas em materiais
fotopoliméricos (RODRIGUES e NEUMANN, 2003) como Estereolitografia (SL) e
Inkjet Print (IJP), aliada ao baixo custo de tecnologias RP baseadas em material
fundido, como a Modelagem por Fusão e Deposição (FDM), foram pesquisadas
características destes processos, já consolidados, para formar uma proposta de uma
nova tecnologia de RP nacional, que seja diferenciada, em relação às já existentes
no mercado. Algumas das características destas tecnologias, que podem ser
utilizadas para desenvolver e caracterizar um novo processo RP, podem ser
observadas na Tabela 1.1.
Tabela 1.1 - Relação de características satisfatórias observadas em três tecnologias de RP
Características Processo de origem
Deposição por filamentos FDM
Materiais fotopoliméricos SL
Cura por lâmpada UV IJP
Para concepção desta combinação de características, um sistema eletro-
mecânico movimenta o bico extrusor nos eixos X e Y, gerando camadas, enquanto o
em Z para a construção da próxima camada, como é representado na Figura 1.4.
Capítulo 1 - INTRODUÇÃO 6
Figura 1.4 - Representação de proposta de nova concepção de RP
Esta pesquisa visa definir características que fundamentem o desenvolvimento
de uma nova concepção de RP, sendo estudados: a) caracterização de materiais;
b) caracterização de processo; e c) alguns parâmetros de controle.
O desenvolvimento do material utilizado na deposição é necessário para o
processo de RP, tanto em relação à viscosidade do material antes de polimerizar e
tempo de cura, quanto aos parâmetros de processo apresentados na seção 2.1.4,
que refletem no estado final da peça, como a interação entre filamentos depositados.
Vistas estas características, é possível desenvolver tecnologias com novos
processos de deposição de material.
1.5 Objetivos
1.5.1 Objetivo geral
Como objetivo geral, pretende-se realizar um estudo da viabilidade funcional de
uma tecnologia de RP baseada em materiais fotopoliméricos extrudados e
polimerizados simultaneamente por lâmpada UV. Desta forma, pretende-se
apresentar uma nova concepção de tecnologia RP como contribuição para o
desenvolvimento de uma tecnologia nacional.
Capítulo 1 - INTRODUÇÃO 7
1.5.2 Objetivos específicos
Os objetivos específicos deste trabalho contemplam:
• Desenvolver um material adequado para a sua utilização em tecnologias
RP proposta;
• Desenvolver e construir equipamento protótipo adequado para
realização dos experimentos relacionados à tecnologia RP proposta,
adaptando parte mecânica de um CNC XYZ já existente;
• Realizar testes de viabilidade do princípio funcional, deposição de
filamentos com polimerização simultânea;
• Estudar comportamento do filamento do material depositado;
• Estudar a interação entre filamentos depositados;
1.6 Organização do Trabalho
Este trabalho é estruturado de forma a apresentar uma nova proposta de
tecnologia RP, assim como o desenvolvimento de material utilizado e caracterização
de processo, subsidiando desenvolvimento de tecnologia de prototipagem rápida
baseada em materiais fotopoliméricos.
Desta forma, o Capítulo 1 apresenta a problemática da proposta e objetivos do
trabalho, enquanto o Capítulo 2, além de apresentar uma revisão de literaturas
relacionadas aos processos RP, como SL, IJP e FDM, apresenta uma revisão sobre
materiais fotopoliméricos e métodos estatísticos e experimentais relacionados ao
tema. No Capítulo 3 são expostos materiais e métodos utilizados na realização da
pesquisa, assim como os procedimentos experimentais são apresentados no
Capítulo 4. No Capítulo 5 são apresentados os resultados relacionados aos
experimentos descritos no capítulo anterior, assim como discussões e análises
referentes a estes. Por fim, no Capítulo 6, são expostas conclusões sobre a
viabilidade do desenvolvimento de tecnologias RP baseadas em materiais
fotopoliméricos extrudados, objetivo geral desta dissertação.
Capítulo 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 8
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Neste capítulo será apresentada uma revisão das áreas relacionadas a
Prototipágem Rápida (RP – Rapid Prototyping), tanto referentes ao princípio de
processamento, quanto aos materiais empregados, assim como as tecnologias e
princípios de processos RP. Adicionalmente, serão apresentados os métodos de
análise utilizados na pesquisa.
2.1 Tecnologias RP
Nesta seção, serão apresentadas as principais tecnologias de RP relacionadas
à proposta deste trabalho, assim como um comparativo entre estas.
2.1.1 Modelagem por Fusão e Deposição (FDM)
Apesar dos princípios de construção de peças das tecnologias de RP serem os
mesmos, existem vários processos e tecnologias relacionados à RP. Um destes
processos é o FDM, cujo princípio de processamento é a deposição de materiais
através de um bico extrusor que aquece e funde o material enquanto se movimenta
nos eixos do X e Y contornando e preenchendo a camada da peça previamente
calculada (TSENG e TANAKA, 2001; AHN et al., 2002; QIU e LANGRANA, 2002;
GONÇALVES et al., 2007; VOLPATO, 2007).
Após completada cada camada, uma plataforma onde foi depositada a primeira
camada se movimenta para baixo, afim de que se possa depositar a próxima
camada sobre a recém depositada, como é apresentado na Figura 2.1 (TSENG e
TANAKA, 2001; AHN et al., 2002; QIU e LANGRANA, 2002; GONÇALVES et al.,
2007; VOLPATO, 2007).
Os materiais que estão disponíveis, comercialmente, neste processo são: cera,
poliéster, ABS (Acrilonitrila Butadieno Estireno), ABSi (ABS Esterizável),
policarbonato (PC) e polifenilsulfona (PPSF) (VOLPATO, 2007).
Capítulo 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 9
Contudo, conforme reivindicação 39 da patente referente à invenção FDM,
citada abaixo, são também abrangidos metais, resinas termoplásticas, cera e
materiais capazes de ser solidificados em condições de ambiente (CRUMP, 1989):
“dispensing a solidifiable material in a fluid state from a dispensing head having a tip with a discharge
orifice therein, said tip having a substantially planar bottom surface, said material being one of which will
solidify at ambient conditions; (CRUMP, 1989).”
Figura 2.1- Representação do funcionamento de uma máquina FDM (AHN, 2002)
Para deposição do material utilizado no FDM, podem ser utilizados diversos
tipos de sistemas de deposição. Desta forma, podem ser observados 7 exemplos de
concepções de sistemas de deposição, apresentados da Figura 2.2 a Figura 2.8.
Entre estes, são contemplados sistemas com orifício único de deposição sendo
abastecidos de materiais em forma de filamentos sólidos flexíveis, fragmentos
sólidos e fluídos solidificáveis (CRUMP, 1989).
Capítulo 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 10
Figura 2.2 - Ilustração esquemática de concepção de sistema de deposição (GENG et al., 2005)
Figura 2.3 – Ilustração esquematica de concepção de sistema de deposição FDM (CRUMP, 1989)
Esta tecnologia gera basicamente filamentos de forma cilíndrica numa
velocidade média entre 19,6 e 36,75 mm/s. A faixa de largura destes filamentos se
Capítulo 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 11
encontra entre 0,254 e 2,54 mm (NG et al., 2002), e a altura de deposição
normalmente se encontram entre 0,12 e 0,36 mm (COOPER, 2001).
Figura 2.4 - Ilustração esquemática de concepção de sistema de deposição de FDM (CRUMP, 1989)
Figura 2.5 - Ilustração esquemática de concepção de sistema de deposição de FDM (BATCHELDER e JACKSON, 1995 )
Para a construção de cada camada são utilizadas trajetórias de deposição de
contorno e de preenchimento, sendo que o preenchimento pode ser do tipo contour,
raster e uma combinação das duas, como é apresentado na Figura 2.9 (BELLINI e
GÜÇERI, 2003; VOLPATO, 2007).
Capítulo 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 12
Figura 2.6 - Ilustração esquemática de concepção de sistema de deposição de FDM (CRUMP et al., 1994)
Figura 2.7 - Ilustração esquemática de concepção de sistema de deposição de FDM (GENG et al., 2005; BATCHELDER, 2006)
Figura 2.8 - Ilustração esquemática de concepção de sistema de deposição de FDM (CRUMP, 1989)
Capítulo 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 13
Nestes tipos de preenchimento são depositadas trajetórias que podem ser
controladas através dos parâmetros, distância entre filamentos e ângulo de
preenchimento. O ângulo de preenchimento é amplamente utilizado para aumentar a
resistência mecânica da peça quando construída uma camada com preenchimento
com ângulo de 90° defasado em relação à camada anterior(VOLPATO, 2007).
Figura 2.9 – Ilustração de tipos de preenchimento onde: a) contorno (contour) e b) varedura (raste)r (BELLINI e GÜÇERI, 2003)
A interação entre os filamentos depositados são apresentados na Figura 2.10,
onde podem ser observados vazios entre filamentos gerados em função das
geometrias dos filamentos e distâncias entre filamentos depositados
(BATCHELDER, 1995). Da mesma forma, estes vazios podem ser observados na
Figura 2.11, onde é apresentada uma foto da seção transversal de uma peça onde
foram depositadas camadas sem defasagem de ângulo de preenchimento.
Outra região que normalmente apresenta vazios em peças fabricadas por FDM
é a transição entre contorno e preenchimento, como pode ser observado na Figura
2.12 (HOLZWARTH, 2006).
Também cabe ressaltar a existência de outros equipamentos, além dos
desenvolvidos pela empresa Stratasys, USA, que apresentam mesmo princípio
funcional de FDM. Entre estes, está um projeto open-source chamado Fab@home,
apresentado na Figura 2.13, que deposita materiais como, silicone, alimentícios
(chocolate, queijo,...), cola entre outros (MALONE e LIPSON, 2006). A deposição é
realizada através de sistema de deposição por seringa similar ao patenteado pela
empresa Stratasys, USA (BATCHELDER, 2006).
Capítulo 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 14
Figura 2.10 - Ilustração de seção transversal de filamentos, onde é apresentada a interação entre filamentos e vazios (BATCHELDER, 1995)
Figura 2.11 - Foto de seção transversal de peça (AHN, 2002)
Figura 2.12 – Ilustração de vazios gerados em região entre contorno e preenchimento raster (HOLZWARTH, 2006)
Capítulo 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 15
Outro projeto open-source que utiliza o mesmo princípio funcional do FDM é a
RepRap, como é apresentado na Figura 2.14. O tipo de material utilizado nesta
tecnologia é, normalmente, ABS, HDPE (Polietileno de alta densidade), poli(acido
lático) e PCL (policaprolactona) (BOWYER, 2008).
Figura 2.13 - Sistema FDM Fab@home (MALONE e LIPSON, 2006)
Exemplos de peças fabricadas pelas tecnologias Fab@Home e RepRap são
apresentadas na Figura 2.15 e na Figura 2.16, onde é possível observar uma baixa
precisão, em comparação com FDM comercial fabricado pela empresa Stratasys.
Figura 2.14 - Sistema FDM RepRap (BOWYER, 2008)
Capítulo 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 16
Figura 2.15 - Exemplo de peças construidas em silicone por Fab@home (LIPSON e MALONE, 2008)
Figura 2.16 – Exemplos de peças construídas em policaprolactona por RepRap (BOWYER, 2008)
2.1.2 Estereolitografia (SL)
Um dos tipos de RP mais difundidos é a SL (KREITH, 1999; BARTON e
FULTON, 2000; VOLPATO, 2007), que é um dos processos RP baseado em
materiais fotopoliméricos cujo funcionamento depende do movimento de um feixe de
laser sobre um recipiente inundado de material. Este feixe percorre os eixos X e Y a
fim de construir a camada previamente criada e calculada computacionalmente.
Logo após concluir a camada, como é representado na Figura 2.17, a
plataforma que suporta a camada de material polimerizado inicial é abaixada para a
construção da próxima camada sobre a anterior. Ao final da construção de todas as
camadas a peça sofre uma pós-polimerização em forno externo, onde ganha
resistência mecânica, visto que a polimerização resultante deste processo gera
taxas de polimerização entre 80 e 95% (KREITH, 1999; BARTON e FULTON, 2000;
VOLPATO, 2007).
Capítulo 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 17
Os materiais mais utilizados nesta tecnologia são baseados, basicamente, em
materiais fotopoliméricos, como acrílicos e epóxis (BARTON e FULTON, 2000;
VOLPATO, 2007). Contudo, a concepção do principio funcional desta tecnologia é
fundamentada em materiais susceptíveis à solidificação em função de: feixes de
elétrons; radiação, feixe de partículas de alta energia, raio-x e feixe de luz UV
(HULL, 1984 ).
Isto pode ser observado na reivindicações 4, 5, 6, 7 e 8 da patente relacionada
à SL (HULL, 1984 ), como é apresentado abaixo.
“4. A system as set forth in claim 2, wherein said reaction means includes: a beam of impinging radiation.
5. A system as set forth in claim 2, wherein said reaction means includes: an electron beam. 6. A system
as set forth in claim 2, wherein said reaction means includes: a beam of high energy particles.
7. A system as set forth in claim 2, wherein said reaction means includes: a beam of light.
8. A system as set forth in claim 2, wherein said reaction means includes: x-rays.
9. A system as set forth in claim 2, wherein said reaction means includes: a beam of ultraviolet light
(HULL, 1984 ).
Figura 2.17 – Esquema de funcionamento de Estereolitografia (VANDRESEN, 2004)
Ao analisar a seção transversal de uma linha única gerada por esta tecnologia,
pode-se observar um formato cilíndrico parabólico, conforme apresentado na Figura
2.18, sendo que a largura desta seção (Lw) normalmente se encontra entre 0,13 e
0,27mm, em função do diâmetro do feixe de laser, enquanto e a altura (Cp) em
Capítulo 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 18
relação à profundidade de penetração do material normalmente se apresenta entre
0,1 e 0,5mm (JACOBS, 1992; TANG, 2005; SIM et al., 2007).
Figura 2.18 - Representação de seção transvesal de uma linha única gerada por SLA (JACOBS, 1992; TANG, 2005)
O tipo de laser geralmente utilizado nesta tecnologia tem potência entre 10 e
20mW, tendo comprimento de onda de 325nm (JACOBS, 1992; TANG, 2005; SIM et
al., 2007).
Desta forma, pode-se observar a interação entre filamentos no sentido vertical
e horizontal, conforme apresentado na Figura 2.1. Contudo, em função do processo
de pós-cura, não são gerados vazios na peça (VOLPATO, 2007).
Tabela 2.1 - Tabela de tipos de interações entre filamentos de SL (TANG, 2005)
Filamento único Filamentos na horizontal
Filamentos na vertical
Tipo
de
Inte
raçã
o
Capítulo 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 19
2.1.3 Inkjet Print (IJP)
Outra tecnologia que utiliza o princípio de fotopolimerização é a IJP, sendo
desenvolvida inicialmente pela PolyJet, da Objet Geometries, em 2002 (VOLPATO,
2007; OBJET, 2008), seguido pela Invision, da 3d System, em 2003.
Embora utilizem materiais semelhantes ao SL, baseados em materiais
fotopoliméricos, como acrílicos e epóxi, seus princípios de funcionamento diferem.
O processo utilizado pela Polyjet consiste no depósito seletivo de material
fotopolimérico através de gotículas geradas por um cabeçote de impressão, que se
move no sentido X e Y. Simultaneamente a este depósito, as gotículas são
polimerizadas por lâmpadas ultravioleta (UV), ao invés de utilizar laser UV, como no
SL. Após depositada cada camada, a mesma é nivelada através de uma lâmina de
corte e, então, a plataforma é deslocada no sentido Z para construção de uma nova
camada (GOTHAIT, 1999; MARGOLIN, 2006; VOLPATO, 2007; OBJET, 2008). Na
Figura 2.19 é ilustrado processo de RP da Polyjet.
Figura 2.19 - Esquema de funcionamento de IJP (OBJET, 2008)
Além de depositar o material de construção da peça, a resina fotocurável, o
cabeçote deposita outro material, de suporte para regiões vazias, cujas propriedades
são inferiores ao primeiro, possibilitando a construção de uma camada sobre esta
região (GOTHAIT, 1999; MARGOLIN, 2006; VOLPATO, 2007; OBJET, 2008).
Capítulo 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 20
Segundo GRIMM (2005), este processo tem faixa média de desvio dimensional
entre 0,28 e 1,715mm.
O processo utilizado pela Invision, que é a segunda geração da família de
produtos Multi-Jet Modeling da 3d Systems, deposita de forma seletiva o material,
cuja polimerização do material é fotoiniciada por flashes de luz UV (SCHMIDT, 2002;
MARGOLIN, 2006).
Este processo é dividido, em duas etapas, sendo que na primeira o material
não curado é depositado seletivamente em gotículas, sobre um substrato, sendo
modificada sua estrutura para um estado não escoavel em função da temperatura.
Num segundo momento, este é curado (SCHMIDT, 2002).
O interação entre as gotículas depositadas seletivamente por este tipo de
processo, em ambos os casos (Invision e Polyjet), pode ser observado na Figura
2.20.
Figura 2.20 – Formação de linhas em função de frequência de deposição (MARGOLIN, 2006)
Capítulo 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 21
2.1.4 Comparativo entre tecnologias RP
Em função da existência de vantagens e desvantagens em cada tecnologia
apresentada neste capítulo, apresenta-se um comparativo entre estas, baseadas no
estudo realizado por GRIMM (2003), assim como uma discussão sobre as mesmas.
Neste estudo, foram analisados aspectos dimensionais, de processo e de qualidade,
criando uma idéia de comparação entre estas tecnologias.
Em relação às características de processo analisadas, a Figura 2.21 apresenta
um comparativo entre os tempos médios de fabricação (processamento) de mesmas
peças construídas através de FDM (Dimension - Stratasys), SL (Viper Si2 – 3D
Systems) e IJP (QuadraTempo – Objet Geometries), assim como o tempo de
pós-processamento das mesmas (GRIMM, 2003).
0
1
2
3
4
5
6
7
FDM IJP SL
Tem
po(h
)
processamento pós-processamento
Figura 2.21 - Comparativo entre tempo médio de fabricação de peças fabricadas por FDM, IJP e SL (GRIMM, 2003)
A partir deste gráfico, pode-se observar que a tecnologia que apresentou maior
tempo para construção de peças (processamento + pós-processamento) foi a SL,
apesar de ter tempo de processamento menor que o FDM. Isto se deve à pós cura
de peças após o processamento.
Entre as tecnologias analisadas, a que teve melhor desempenho em relação ao
tempo de fabricação de peças foi a IJP.
Capítulo 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 22
Em relação à característica dimensional, a média de desvios dimensionais
médios e desvios padrão de peças fabricadas em FDM, IJP e SL são apresentados
na Figura 2.22 (GRIMM, 2003). Neste gráfico, é possível observar que, apesar de ter
menor tempo de fabricação de peças, a IJP obtém valores de desvio dimensional
superiores ao de SL e FDM.
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
FDM IJP SL
Des
vio
abso
luto
(mm
)
Figura 2.22 - Comparativo entre desvios dimensionais de peças fabricadas por FDM, IJP e SL (GRIMM, 2003)
Adicionalmente, em ambos os casos analisados, o FDM obteve valores
intermediários entre SL e IJP, tanto para o tempo de fabricação quanto para o desvio
dimensional.
Outro aspecto analisado no referido estudo foi à qualidade superficial das
peças fabricadas por FDM, IJP e SL. Para análise quantitativa deste parâmetro entre
as tecnologias analisadas, foi observada a rugosidade superficial média, sendo
apresentada na Figura 2.23. Nesta figura, a tecnologia que obteve maior rugosidade
foi o FDM, enquanto os valores de IJP e SL mantiveram-se inferiores a 1 µm.
Isto se deve, em função do tipo de material e processo utilizado para a
construção da peça. Onde é possível diferenciar o processo FDM, que é baseado
em materiais sólidos, do IJP e SL, que utilizam materiais fotopoliméricos líquidos.
Desta maneira, é possível associar o alto valor de rugosidade apresentada pelo
FDM, em comparação com IJP e SL, com a alta quantidade de vazios gerados no
processo (entre camadas, entre filamentos, entre contorno e preenchimento,
conforme apresentado anteriormente.
Capítulo 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 23
0
1
2
3
4
5
6
7
8
FDM IJP SL
Ra(
um)
Figura 2.23 - Comparativo entre qualidade superficial de peças fabricadas por FDM, IJP e SL (GRIMM, 2003)
2.2 Materiais Fotopoliméricos
Esta revisão se divide em cinco partes relacionadas à caracterização de
materiais fotopoliméricos, aos compostos envolvidos em suas polimerizações, aos
parâmetros de controle e às propriedades.
2.2.1 Definições
Assim como outro polímero qualquer, materiais fotopoliméricos são
macromoléculas formadas por ligações intermoleculares de moléculas menores. No
caso de materiais fotopoliméricos estas ligações são ativadas por luz visível
(CALLISTER, 2003; ODIAN, 2004).
Sistemas de fotopolimerização geralmente envolvem alguns compostos que
alteram as propriedades mecânicas, físicas e químicas do material, devido a
porcentagem de cada composto na sua formulação. Normalmente são utilizados os
compostos: a) monômero (15-16% no peso); b) fotoiniciador (1-15% no peso); c) co-
iniciador (1-3% no peso); d) oligômero (25-90% no peso); e) e aditivos (1-50% no
peso) (RODRIGUES e NEUMANN, 2003; SARTOMER, 2004).
Capítulo 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 24
2.2.2 Compostos
2.2.3 Monômeros
Monômeros são compostos cujas moléculas ligam-se afim de formar uma
macromolécula. Um monômero pode ter seus meros interligados por diversos meios
(BRANDRUP et al., 1999; CALLISTER, 2003; ODIAN, 2004; SPERLING, 2006). Um
exemplo disso é o metacrilato de metila (MMA) que pode se polimerizar de forma
radicalar de adição ou iônica de adição, ambas detalhadas ao longo desta seção
(ANDREAJEWSKA, 2001; FOUASSIER et al., 2003; ODIAN, 2004; KRICHELDORF
et al., 2005).
Um monômero apropriado para utilização no processo de fotopolimerização
pode ser caracterizado pelos grupos funcionais com duplas ligações entre átomos de
carbono contidos em suas cadeias. Entretanto existem outros grupos funcionais
também apropriados, como epóxi, material amplamente utilizado em aplicações RP
(BARTON e FULTON, 2000; ODIAN, 2004). A Figura 2.24 representa os principais
grupos funcionais utilizados nos processos de fotopolimerização, segundo
Odian (2004).
Figura 2.24 - Exemplo dos principais grupos funcionais apropriados à fotocura: a)
dupla-ligação entre oxigênio e carbono; b) dupla-ligação entre átomos de carbono;
c) anel epóxi (ODIAN, 2004)
Capítulo 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 25
2.2.4 Oligômero
Oligômero é um composto viscoso que é também encontrado após os meros
começarem a se unir (CALLISTER, 2003; ODIAN, 2004; SARTOMER, 2004).
Embora a faixa de meros que compõe sua cadeia, que se encontra entre 2 e 20
meros por cadeia, o defina, seu peso molecular também o faz até o limite de
8000 g/mol (SARTOMER, 1998; JASTY, 1999).
O aumento de cadeia de moléculas de monômero ou oligômero depende de
outro composto chamado fotoiniciador. Este por sua vez é definido por ativar a
polimerização quando exposto a luzes visíveis, entre 250 e 400 nm (Jasty, 1999;
Matyjaszewski e Davis, 2002; Ciba, 2003; Rodrigues e Neumann, 2003; Odian,
2004).
2.2.5 Fotoiniciadores e Co-iniciadores
Fotoiniciadores que iniciam polimerizações radicalares, apresentadas na seção
2.2.8, podem ser divididos em duas classes Tipo I e Tipo II. O fotoiniciador Tipo I
gera radicais por fotofragmentação direta unimolecular, como pode ser observado na
Figura 2.25. O fotoiniciador do Tipo II o faz por reações bimoleculares, onde o
fotoiniciador somente gera radical quando em meio a outro componente, chamado
co-iniciador ou fotosensibilizador (JASTY, 1999; MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002;
YURTERI, SEDA et al., 2002; CIBA, 2003; RODRIGUES e NEUMANN, 2003;
ODIAN, 2004; KRICHELDORF et al., 2005).
Figura 2.25 - Representação de geração de fotofragmentação (MATYJASZEWSKI
e DAVIS, 2002)
Capítulo 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 26
Além dos fotoiniciadores baseados em polimerização radicalar, existem
fotoiniciadores que iniciam polimerizações iônicas, onde a luz gera íons que terão
função de acrescer meros à cadeia polimérica quando em presença de um
eletrodoador, (Figura 2.26). Este tipo de polimerização tem rápido crescimento de
cadeia, entretanto seu controle é muito difícil, com baixa repetibilidade
(Andreajewska, 2001; Archer, 2001; Rodrigues e Neumann, 2003; Odian, 2004;
Kabatc e Paczkowski, 2006).
Figura 2.26 - Representação de geração de íons utilizados em fotocura (MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002)
O co-iniciador é um composto necessário tanto para iniciadores Tipo II, quanto
para iniciadores iônicos, visto que esse necessita de eletrodoador. Normalmente, em
casos de fotoiniciadores Tipo II, utiliza-se aminas para, em conjunto com o iniciador,
iniciar a polimerização do monômero ou oligômero (JASTY, 1999;
ANDREAJEWSKA, 2001; MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002; ODIAN, 2004;
KRICHELDORF et al., 2005). A eficácia da polimerização Tipo II é em grande parte
influenciada pelo tipo de amina utilizada como co-iniciador, conforme exemplo da
Figura 2.27 (JASTY, 1999; ANDREAJEWSKA, 2001; MATYJASZEWSKI e DAVIS,
2002; ODIAN, 2004; KRICHELDORF et al., 2005).
Figura 2.27 - Exemplo de amina terciária, Benzophenone/ N,N-dimethyl aniline (MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002)
Capítulo 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 27
Outros co-iniciadores que também reagem com iniciadores Tipo II são: álcool,
amidas, aminoácidos e eters (ODIAN, 2004). Para fotocura iônica os mais comuns
co-iniciadores utilizados são sais de ônio (MALMSTRIJM et al., 1995; JASTY, 1999;
YURTERI, S. et al., 2002; CIBA, 2003; ODIAN, 2004; KABATC e PACZKOWSKI,
2006).
2.2.6 Aditivos
Aditivos são componentes químicos que auxiliam a aumentar propriedades
mecânicas e químicas dos materiais (RODRIGUES e NEUMANN, 2003;
SARTOMER, 2004).
2.2.7 Fabricantes
Entre companhias envolvidas com fotopolimerização, foram separadas
algumas que estão atuam na fabricação e fornecimento de matéria-prima para
processo de fotopolimerização, conforme apresentado na Tabela 2.2,Tabela 2.3 e
Tabela 2.4 (RADTECH, 2008).
Tabela 2.2 - Relação de fabricantes de monômeros e oligômeros (RADTECH, 2008)
Monômero/oligômero
Empresa Basf ag Cognis france
Hang cheung petrochemical
limited
Igm resins
bv Jobachem
gmbh Lambson group ltd
Mirage inks ltd
Rahn ag
Sartomer europe
Pais Alemanha França China Holanda Alemanha Inglaterra Inglaterra Suécia Itália
Tabela 2.3 - Relação de fabricantes de aditivos (RADTECH, 2008)
Aditivos
Empresas Byk-
chemie
Ciba spec.
Chemicals Cognis france
Degussa ag tego coating
Grace gmbh
Hang cheung petrochemical
limited Kromachem
ltd Lambson group ltd
Mirage inks ltd
Pais Alemanha Holanda França Alemanha Alemanha China Inglaterra Inglaterra Inglaterra
Capítulo 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 28
Além destas empresas citadas existem companhias que, embora não sejam
especializadas em fotopolimerização, são fabricantes de produtos químicos, e
conseqüentemente fabricantes de compostos utilizados em fotopolimerização.
Tabela 2.4 - Relação de fabricantes de fotoiniciadores para polimerização (RADTECH, 2008)
Fotoiniciador
Empresa Pais Empresa Pais Empresa Pais Empresa Pais
Akzo Nobel Dinamarca Lambson group ltd Inglaterra
Jobachem gmbh Alemanha
Ciba specialités chimiques sa França
Basf ag Alemanha Rahn ag Suécia Lamberti
spa Itália Ciba spec. Chemicals Brasil
Dow europe gmbh Suécia
Shinyoung rad. Chem.
Ltd. Coréa Lamberti
spa Itália Prod.chim.auxil.et
synthèse França
Igm resins bv Holanda Akzo nobel Dinamarca
Lamberti spa Itália
Ciba spec. Chemicals Holanda
Jobachem gmbh Alemanha
Ciba spec. Chemicals Itália
Lambson group ltd Inglaterra Lambson group ltd Inglaterra
2.2.8 Fases da polimerização
Em contraste com métodos de polimerização tradicionais, a fotopolimerização é
vantajosa em relação à: a) velocidade de polimerização; b) o alto peso molecular;
c) taxas de conversão próximas a 100%; d) fácil controle atmosférico; e) baixa
energia de polimerização. Entretanto a fotocura é limitada pela baixa penetração da
energia luminosa através da espessura de material (BRANDRUP et al., 1999;
MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002; RODRIGUES e NEUMANN, 2003; ODIAN,
2004). Um exemplo disto é o material Accura 10, utilizado na SL, que tem
profundidade de penetração de 0,18mm (3DSYSTEMS, 2007).
Em geral, os tipos de polimerização são divididos primeiramente em
polimerização por adição e por condensação. Entre estes tipos, a fotopolimerização
é classificada como polimerização por adição. Uma subclassificação divide os tipos
de fotopolimerizações em: a) radicalar; b) iônica, c) ou por abertura de anéis, devido
ao tipo de cinética que estas apresentam (BRANDRUP et al., 1999; JASTY, 1999;
MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002; FOUASSIER et al., 2003; ODIAN, 2004;
KRICHELDORF et al., 2005).
Capítulo 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 29
Fotopolimerização Radicalar
Esta classificação de polimerização pode ocorrer de duas formas, devido ao
tipo de fotoiniciador utilizado, a fotopolimerização radicalar do Tipo I ou Tipo II.
As fases do processo de polimerização podem ser divididas em: a) iniciação,
onde são geradas espécies ativas b) propagação, onde é realizada a quebra da
dupla ligação por fotofragmentação ou a abstração de átomos de hidrogênio (redox),
no caso da fotopolimerização do Tipo I, e por transferência de elétrons, no caso da
fotopolimerização do Tipo II; c) transferência, onde são acrescidas moléculas à
cadeia polimérica; d) terminação, onde são inibidas as espécies ativas; como pode
ser observada na Figura 2.28 (BRANDRUP et al., 1999; ANDREAJEWSKA, 2001;
MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002; FOUASSIER et al., 2003; ODIAN, 2004;
KRICHELDORF et al., 2005) .
Figura 2.28 – Fases e tipos de de fotopolimerização radicalar, onde fotofragmentação e abstração são referêntes ao Tipo I e a transferência de eletrons
ao Tipo II (KRICHELDORF et al., 2005)
Na Figura 2.28, PI é o fotoiniciador; PI* é a espécie ativa gerada pelo
fotoiniciador após exposição em luz; R1*, R2* e A* são radicais livres; M é o
monômero; AH é um co-iniciador; PIH é o radical livre resultante do fotoiniciador
após abstração de H.
Capítulo 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 30
Fotopolimerização Iônica
Em meio às diferenças entre polimerização radicalar e iônica está o tipo de
grupo funcional apropriado para polimerização, sendo que a quebra de ligações é de
forma heterolítica, em vez de homolítica, como é representado na Figura 2.29
(ANDREAJEWSKA, 2001; MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002; RODRIGUES e
NEUMANN, 2003; ODIAN, 2004; KRICHELDORF et al., 2005)
Figura 2.29 - Representação de tipos de quebra de ligação, onde a)heterolítica; b)dupla ligação; c)homolítica (ODIAN, 2004)
Embora ambos os casos apresentem alta velocidade de polimerização, a iônica
é muito mais rápida. Contudo a polimerização iônica tem difícil controle e baixa
repetibilidade em função da sensibilidade perante impurezas em concentrações
muito baixas (ANDREAJEWSKA, 2001; ARCHER, 2001; YURTERI, S. et al., 2002;
ODIAN, 2004).
Uma representação da cinética de fotopolimerização iônica é apresentada na
Figura 2.30.
Figura 2.30 - Representação de fases de polimerização iônica, propagação, transferência e terminação, respectivamente (RODRIGUES e NEUMANN, 2003)
Capítulo 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 31
Polimerização por abertura de anéis (Ring-opening polymerization)
A polimerização chamada de polimerização por abertura de anéis, cujos grupos
funcionais apropriados são éter, acetais, amidas (lactams), ésteres (lactones),
siloxanos, aminas, sulfetos, olefinas, como é apresentado na Figura 2.31
(MUKHERJEE, 1978; ANDREAJEWSKA, 2001; ARCHER, 2001; MATYJASZEWSKI
e DAVIS, 2002; ODIAN, 2004; KRICHELDORF et al., 2005).
Figura 2.31 - Exemplos de grupos funcionais de polimerização por abertura de anéis (ODIAN, 2004)
Este tipo de polimerização geralmente é iniciada pelos mesmos iniciadores
utilizados em polimerização iônica, gerando espécies ativas para as fases seguintes
da polimerização, propagação, transferência e terminação, como é representado na
Figura 2.32 (MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002; ODIAN, 2004; KRICHELDORF et
al., 2005). Estes tipos de polimerização são conhecidos por apresentarem taxas de
polimerização mais rápidas que os radicalares, tendo como principal material o
baseado em epóxi (éter) (DECKER et al., 2001).
Capítulo 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 32
Figura 2.32 - Representação da propagação proveniente da abertura do anél epóxi (ODIAN, 2004)
2.2.9 Parâmetros de controle de fotopolimerização
Através das leis fundamentais da fotoquímica, pode-se definir a intensidade de
luz absorvida por uma solução em um segundo, e assim o número de moléculas
iniciadas por segundo, conforme é apresentado na Equação 2.1 e Equação 2.2. A
partir destas definições pode-se encontrar a taxa de polimerização induzida por luz
(MUKHERJEE, 1978; COYLE, 1986; MEZAKI e MA, 1997; MATYJASZEWSKI e
DAVIS, 2002; RODRIGUES e NEUMANN, 2003; ODIAN, 2004)
aIRi ⋅⋅= φ2 Equação 2.1
)101(' ][0
lCa II ⋅⋅−⋅= ε Equação 2.2
Onde Ri é a taxa de iniciação, e aI é a intensidade de luz absorvida por mol
em 1 segundo e φ o número de moléculas excitadas por fóton absorvido.
Adicionalmente, ][C é a concentração de fotoiniciador, com unidade 3/ dmmol , e l é
a espessura de camada, em metros (MUKHERJEE, 1978; COYLE, 1986; MEZAKI e
MA, 1997; MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002; RODRIGUES e NEUMANN, 2003;
ODIAN, 2004).
Nestas fórmulas, 'aI e 0I , Equação 2.2, são intensidades baseadas em área
(com unidade scm
mol⋅2 ), aI , Equação 2.3, mostra intensidade baseada no volume
(com unidade scm
mol⋅3 ), onde ε é o coeficiente de extinção, coeficiente baseado no
coeficiente de absorção, Equação 2.4 (MUKHERJEE, 1978; COYLE, 1986; MEZAKI
Capítulo 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 33
e MA, 1997; MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002; RODRIGUES e NEUMANN, 2003;
ODIAN, 2004).
lCaa eIC
dldI
I ⋅⋅−⋅⋅⋅⋅== ][30 10][
' αα Equação 2.3
303.2αε = Equação 2.4
A partir destas definições, pode-se encontrar a taxa de polimerização baseada
na concentração de monômero, espessura ou volume, e intensidade de energia
luminosa, Equação 2.5 (MUKHERJEE, 1978; COYLE, 1986; MEZAKI e MA, 1997;
JASTY, 1999; LEMEE et al., 1999; MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002; RODRIGUES
e NEUMANN, 2003; ODIAN, 2004).
21
][ ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⋅⋅=
tpp k
RiMkR Equação 2.5
O tempo de polimerização pode ser encontrado a partir da Equação 2.6, onde
[P] é a concentração de polímero após exposição em UV.
pRPT ][
= Equação 2.6
Pela maioria das fontes luminosas definirem o fluxo de luz em
potência (sJW = ), e intensidade de luz definida nas fórmulas acima citadas em
quantum por área por segundo, pode-se relacionar estas duas unidades através das
fórmulas representadas na Equação 2.7, Equação 2.8 e Equação 2.9 (MUKHERJEE,
1978; COYLE, 1986; MEZAKI e MA, 1997; JASTY, 1999; LEMEE et al., 1999;
MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002; RODRIGUES e NEUMANN, 2003; ODIAN,
2004).
Capítulo 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 34
[ ] [ ]WPotêncianmsm
einsteinI ⋅⋅=⎥⎦⎤
⎢⎣⎡
⋅λ36,82 Equação 2.7
[ ] [ ]WPotêncianmsm
quantaI ⋅⋅⋅=⎥⎦⎤
⎢⎣⎡
⋅λ24
2 1003,5 Equação 2.8
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡
⋅⋅
=sm
einsteinI a 2
810196,1λ
Equação 2.9
Outra característica de grande importância no processo de fotopolimerização é
a faixa de comprimento de onda da luz, visto que cada iniciador reage de forma
diferente a cada faixa. Um exemplo disso é apresentado na Figura 2.33, onde o
comprimento de onda mais eficaz é 260 nm (MUKHERJEE, 1978; COYLE, 1986;
MEZAKI e MA, 1997; JASTY, 1999; LEMEE et al., 1999; MATYJASZEWSKI e
DAVIS, 2002; RODRIGUES e NEUMANN, 2003; ODIAN, 2004).
Figura 2.33 - Espectro de absorção de IRGACURE 651, 99,9%(JASTY, 1999)
Capítulo 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 35
Métodos de Caracterização
A Gravimetria é um método de determinação de taxa de polimerização que
consiste em encontrar a taxa de monômero convertido em polímero através de
amostras de material expostas à luz UV. Após a exposição destas amostras à UV
em tempos determinados, o polímero é isolado por precipitação através de adição de
um não-solvente à solução. A quantidade de polímero gerado é encontrada após
secagem de alíquotas destas amostras por meio de filtragem. Esta técnica é a mais
utilizada em pesquisas pela facilidade de realização do ensaio, apesar do tempo de
aquisição dos dados serem altos (MUKHERJEE, 1978; MATYJASZEWSKI e DAVIS,
2002; RODRIGUES e NEUMANN, 2003; ODIAN, 2004; SPERLING, 2006).
Outro método de aquisição de dados para determinação da velocidade de
polimerização é a espectrometria. Este método é baseado no aparecimento de
polímero ou desaparecimento de monômero através de infravermelho (IR), UV ou
ressonância magnética nuclear (RMN), entre outras espectrometrias. Um exemplo
disso é o escaneamento do desaparecimento de duplas ligações em um período de
tempo, no caso de polímeros vinílicos (MUKHERJEE, 1978; MATYJASZEWSKI e
DAVIS, 2002; JUNIOR et al., 2003; LEE et al., 2003; MIYASAKA et al., 2003;
RODRIGUES e NEUMANN, 2003; ODIAN, 2004; SPERLING, 2006).
Outros dois métodos também amplamente utilizados, tanto sozinhos quanto em
conjunto com outros métodos, como espectrometria, são a dilatometria, onde é
observada a dilatação da solução enquanto está polimerizando, e a calorimetria, que
relaciona a energia emanada pela solução em um período estipulado com a
concentração de polímero formada (MUKHERJEE, 1978; MATYJASZEWSKI e
DAVIS, 2002; RODRIGUES e NEUMANN, 2003; ODIAN, 2004; SPERLING, 2006).
Todavia, mais informações sobre os métodos apresentados podem ser
encontrados na literatura citada.
Capítulo 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 36
2.3 DoE (Design of Experiments)
Nesta seção é apresentada, de forma simplificada, a metodologia de
planejamento e análise de experimentos chamada DoE (Design of Experiments),
assim como os termos utilizados na mesma.
2.3.1 Conceitos Gerais de Experimentação
O DoE (Design of Experiments, DOE) é uma metodologia de planejamento e
análise de experimentos multivariados utilizada, principalmente, para investigar três
tipos essenciais de problemas: mapeamento, otimização e teste de robustez.
Através desta metodologia é possível identificar os principais efeitos das variáveis,
assim como suas faixas mais adequadas (ERIKSSON et al., 2000).
Para melhor entendimento da aplicação das técnicas de planejamento e
análise de experimentos, faz-se necessário apresentar alguns conceitos e termos
fundamentais (MONTGOMERY, 1991; GALDÁMEZ, 2002; BUTTON, 2005)
• Variáveis de Resposta: são as variáveis dependentes que sofrem algum efeito
nos testes, quando estímulos são introduzidos propositalmente nos fatores
que regulam ou ajustam os processos. Nos experimentos, podem existir uma
ou mais variáveis de resposta (y).
• Fatores de Controle: são os fatores alterados deliberadamente no experimento,
cujo principal objetivo é avaliar o efeito produzido nas variáveis de resposta e,
com isso pode-se determinar os principais fatores do processo experimental
(qualitativo ou quantitativo).
• Fatores de Ruído: são fatores conhecidos ou não, que influenciam as variáveis
de resposta do experimento, os quais deve-se e deseja-se evitar.
• Níveis dos Fatores: são as condições de operações de fatores de controle
experimentais. Geralmente são identificados por nível baixo (-1) e nível alto
(+1).
• Tratamento: é o resultado de cada combinação dos níveis de controle.
Capítulo 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 37
• Efeito Principal: é a diferença média observada na resposta quando se muda o
nível do fator de controle investigado.
• Efeito de Interação: é a metade da diferença entre os efeitos principais de um
fator nos níveis de outro fator.
• Matriz de Experimentos: matriz construída para conduzir os experimentos, na
qual os fatores de controle, os níveis e tratamentos do experimento estão
inseridos.
• Aleatorização: é o processo de definir a ordem dos tratamentos da matriz
experimental, através de sorteio ou por limitações específicas dos testes.
• Repetição: é o processo de repetir cada uma das combinações (linhas) da
matriz experimental sob as mesmas condições de experimentação, permitindo
encontrar uma estimativa do erro experimental que é utilizada para determinar
se as diferenças observadas entre os dados são estatisticamente
significativas.
• Blocos: porções do material experimental que têm como característica o fato de
serem mais homogêneos que o conjunto completo do material analisado. Tal
técnica é utilizada para controlar e avaliar a variabilidade pelos fatores
perturbadores (controláveis ou não controláveis) dos experimentos, e procura-
se criar um experimento (grupo ou unidades experimentais balanceadas) mais
homogêneo, aumentando-se a precisão das respostas que são analisadas.
2.3.2 Técnicas para Definição da Seqüência de Ensaios
Com objetivo de avaliar erros experimentais que afetam os resultados dos
experimentos, são feitas algumas recomendações para a elaboração do
planejamento dos experimentos do DoE: o uso de réplicas, aleatorização e criação
de blocos (ERIKSSON et al., 2000; BUTTON, 2005).
O uso de réplicas é caracterizado pela repetição de um ensaio com a finalidade
de observar a estimativa de como o erro experimental afeta os resultados dos
Capítulo 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 38
ensaios e se esses resultados diferem significativamente (ERIKSSON et al., 2000;
BUTTON, 2005).
A aleatorização: é uma ferramenta estatística do planejamento de
experimentos que determina a ordem de realização dos experimentos de forma
aleatória, com objetivo de prevenir erros provenientes de fatores de ruídos, como por
exemplo o aquecimento de equipamento numa seqüência de experimentos
(ERIKSSON et al., 2000; BUTTON, 2005).
A criação de blocos é utilizada para aumentar a precisão dos experimentos,
reduzindo a influência de variáveis de processo não tangíveis ou incontroláveis.
2.3.3 Planejamento Fatorial
Dentre os diversos tipos de metodologias existentes atreladas ao
DoE (Tratamento em pares, Tratamento em blocos, Quadrado Latino, Quadrado
Greco-Latino, Quadrado Hiper-Greco-Latino, Experimentos Fatoriais), o
Planejamento Fatorial se destaca, por ser utilizado para problemas de mapeamento
e otimização (ERIKSSON et al., 2000; BUTTON, 2005).
A formulação do problema, utilizando esta metodologia, é constituída de seis
itens a serem definidos: objetivo experimental, fatores de controle, fatores de
resposta, modelo estatístico, tipo de experimento e matriz de experimentos
(ERIKSSON et al., 2000).
Ao serem definidos os objetivos experimentais, que definem o propósito dos
experimentos, são definidos os fatores de controle e resposta do
problema (processo) a ser analisado. Em seguida, são definidos os modelos
estatísticos que nortearão a análise dos resultados dos experimentos, assim como o
tipo de experimento. Por fim, é gerada uma matriz de experimento, que norteará a
realização e coleta dos resultados dos experimentos (ERIKSSON et al., 2000;
BUTTON, 2005).
Capítulo 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 39
Os valores a serem definidos para os fatores de controle (x) podem ser
quantitativos ou qualitativos, podendo ser divididos por nível. Estes níveis
normalmente são identificados por nível baixo (-) e nível alto (+) (ERIKSSON et al.,
2000; BUTTON, 2005).
Os valores dos fatores de resposta (y) podem ser definidos como quantitativos,
qualitativos (tipo de resposta sim ou não), e semi-qualitativos (escala de qualidade)
(ERIKSSON et al., 2000; BUTTON, 2005).
Os modelos estatísticos podem ser do tipo linear, de interação ou quadrático,
como pode ser observado na Tabela 2.5, onde 0β , 1β , 2β ...ε são efeitos de cada
fator sobre a resposta (ERIKSSON et al., 2000).
Tabela 2.5 - Tabela de classificação de tipos de modelos estatísticos para realização de planejamento fatorial (ERIKSSON et al., 2000)
Modelo estatístico
Linear εβββ +⋅+⋅+= ...22110 xxy
Interação εββββ +⋅⋅+⋅+⋅+= ...211222110 xxxxy Tipo de modelo
estatístico Quadrático εββββββ +⋅⋅+⋅+⋅+⋅+⋅+= ...21122
222
1122110 xxxxxxy
Estes efeitos são caracterizados pela alteração ocorrida na resposta na
mudança dos fatores do nível baixo(-) para o nível alto(+), como apresentado na
Equação 2.10 (ERIKSSON et al., 2000; BUTTON, 2005).
−+ −= RRefeito Equação 2.10
Sendo:
+R a média dos valores de resposta obtidos com valores altos (+) do fator
−R a média dos valores de resposta obtidos com valores baixos (-) do fator
Capítulo 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 40
O efeito principal dos fatores é a diferença média observada na reposta quando
se muda o nível do fator de controle investigado (ERIKSSON et al., 2000; BUTTON,
2005).
Matematicamente o efeito principal pode ser representado pela Equação 2.11:
ab
yyEfeito
principal
)(2
∑ −−∑ +⋅= Equação 2.11
Sendo:
y a média dos efeitos individuais da medida, (+) e (-) corresponde ao nível alto
e nível baixo,
ab o número total de experimentos do planejamento.
Os efeitos de interação são definidos pela metade da diferença entre os efeitos
principais de um fator nos níveis de outro fator. Os valores de interação entre os
fatores também podem ser calculados. Para tal, o efeito de interação entre as
variáveis é obtido levando-se em consideração os sinais já atribuídos às variáveis
envolvidas, como se fosse uma operação matemática de multiplicação.
O erro padrão para os efeitos, também conhecido como erro na determinação
dos efeitos, é o mesmo, tanto para os efeitos principais quanto para os de interação,
e pode ser calculado por meio da equação Equação 2.12.
12 −=
kefeitosErroPadrão Equação 2.12
Sendo:
s o erro na medida (desvio padrão),
k o número de fatores experimentais no planejamento fatorial.
É importante salientar que por ser de valores médios, o erro nos efeitos é
menor que o da medida. Também cabe ressaltar que o erro de uma média de uma
Capítulo 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 41
amostragem é sempre menor que do individual de qualquer elemento da
amostragem.
Mínimos quadrados parciais (PLS – Partial Least Square) é um método de
regressão multivariada que permite mensurar a variação das respostas em relação
aos fatores. Este método permite analisar os dados mesmo em face a falta de até
10% dos dados de entrada. Em função desta característica, mesmo quando há uma
coluna de experimentos faltantes, esta coluna é excluída da análise, ou seja, quando
um dos experimentos não funciona, este método permite efetuar a análise geral das
informações.
A definição do tipo de experimento se deve à quantidade de fatores a serem
analisados, podendo ser um planejamento completo ( k2 ), fracionado ou composto
como pode ser observado na Tabela 2.6 (ERIKSSON et al., 2000; BUTTON, 2005).
Tabela 2.6 - Tabela exemplo de tipos de experimentos (ERIKSSON et al., 2000)
2 Fatores 3 Fatores 4 Fatores
Pla
neja
men
to
com
plet
o
Hipercubo
Pla
neja
men
to
fraci
onad
o
Fração balanceada do
Hipercubo
Pla
neja
men
to
com
post
o
Hipercubo + pontos axiais
Capítulo 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 42
Vantagens Apresentadas pela Utilização do Planejamento Fatorial de
Experimentos
Segundo Button (2005) e Eriksson (2000), dentre as diversas vantagens da
utilização do planejamento fatorial, cabe ressaltar:
• redução do número de ensaios sem prejuízo da qualidade da informação;
• estudo simultâneo de diversas variáveis, separando seus efeitos;
• determinação da confiabilidade dos resultados;
• realização da pesquisa em etapas, num processo interativo de acréscimo
de novos ensaios;
• seleção das variáveis que influenciam um processo com número
reduzido de ensaios;
• representação do processo estudado através de expressões
matemáticas;
• elaboração de conclusões a partir de resultados qualitativos.
2.4 Discussão sobre a Revisão
Em relação aos assuntos tratados neste capítulo, mostra-se importante o
conhecimento sobre tecnologias de prototipagem rápida (RP) já consolidadas, para
que, desta forma, seja possível realizar comparativos em relação a tecnologia
proposta.
O estudo de FDM se mostrou necessário, visto que esta tecnologia é uma das
mais consolidadas no mercado, assim como esta realiza a construção de peças
através de filamentos, situação parecida com a tecnologia proposta.
Capítulo 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 43
Também é possível observar a facilidade de construção e manuseio de
extrusor apresentado na Figura 2.7, visto que seus componentes (seringa e atuador
linear) são materiais fáceis de encontrar.
Já no estudo da SL e da IJP, o que se apresentou como ponto chave do estudo
foi o tipo de material utilizado nestas tecnologias, materiais fotopoliméricos, sendo
desta forma semelhante ao processo apresentado neste trabalho. Contudo, na IJP
pode ser observada uma característica peculiar em relação a SL, a utilização de
lâmpada UV ao invés de laser UV.
A utilização da lâmpada simplifica muito o processo, assim como reduz o custo
do mesmo. Isto acontece em função do custo da lâmpada ser baixo em comparação
com o laser, visto que o custo de aquisição e manutenção do laser ser elevado.
Da mesma forma, como o conhecimento dos processos de fotopolimerização
se mostra importante, em função do desenvolvimento e estudos de caracterização
de material realizados neste trabalho, mostrou-se necessário, para inicio deste
estudo, a realização de uma revisão bibliográfica sobre materiais e processos
envolvidos na fotopolimerização.
O estudo de DoE é importante em função da necessidade de caracterização de
processo, visto que este fundamenta os conceitos de metodologia multivariável
utilizada neste trabalho, possibilitando, desta forma, determinar janelas de processo,
assim como efeitos de fatores de controle sobre fatores de resposta.
Capítulo 3- MATERIAL E MÉTODOS 44
3 MATERIAL E MÉTODOS
Este capítulo apresenta a especificação de materiais, equipamentos e métodos
utilizados na definição e realização dos experimentos que compõem os estudos
apresentados neste trabalho.
3.1 Materiais
Ao serem estudados materiais fotopoliméricos, utilizados na tecnologia de
estereolitografia (SL), foi observado que os principais materiais eram baseados em
epóxi ou acrílico (BUHLER e BELLUG, 1995; BARTON e FULTON, 2000). Materiais
estes que foram investigados de forma mais detalhada no Capítulo 2.
Para a investigação da viabilidade deste projeto, foram realizados
experimentos objetivando o desenvolvimento de um material fotopolimérico cuja
polimerização é iniciada à presença de luz ultravioleta (UV) e com tempo de
polimerização adequado para utilização em tecnologias de prototipagem rápida (RP).
Este desenvolvimento ocorreu em parceria com o laboratório de polímeros do
departamento de Química da Universidade Federal do Paraná (UFPR) e o
Laboratório de eletroquímica do departamento de Química da Universidade
Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR).
3.1.1 Monômeros e Oligômeros
Os experimentos realizados para o desenvolvimento do material foram
baseados nos materiais metacrilato de metila, 99,9%, CN501 e a cola BE 20. A
escolha destes se deve por seguir o padrão de materiais comumente utilizados em
tecnologias RP baseadas em materiais fotopoliméricos, como SL e Inkjet Print(IJP),
conforme apresentado no Capítulo 2. O detalhamento destes materiais é
apresentado a seguir.
Capítulo 3- MATERIAL E MÉTODOS 45
Cola BE-20
A Cola BE-20 é um adesivo baseado em metacrilato de metila, fabricado pela
empresa Bérkel Chapas Acrílicas Ltda. Em função do seu tempo de secagem, esta é
utilizada para unir peças feitas de materiais acrílicos, assim como de
poliestireno (PS) e poliestireno de alto impacto (PSAI) (BERKEL, 2008).A
especificação desta é apresentadas na Tabela 3.1.
Tabela 3.1 - Especificação técnica de cola acrílica BE 20
ESPECIFICAÇÃO PROPRIEDADES VALORES*
Min. Max. MÉTODO
Cor, Pt-Co <5 15 DIN/ISO 6271
Pureza, % 99,8 99,9 GLC
Densidade 20oC, g/C3 1,3257 1,3190 1,3258 DIN 51757
Material não volátil, ppm <10 10 DIN 53172
Água, ppm 15 100 DIN 51777 Fonte:(BERKEL, 2008)
Metacrilato de Metila
O metacrilato de metila, apresentado na Figura 3.1, é também conhecido como
MMA (Methyl Methacrylate).
Figura 3.1 - Representação gráfica da estrutura molecular do metacrilato de metila(SIGMA-ALDRICH, 2008a)
Este componente químico é um monômero base para a fabricação de acrílico,
poli(metacrilato de metila), que é um material amplamente utilizado na substituição
Capítulo 3- MATERIAL E MÉTODOS 46
de vidro, em função de suas características ópticas, assim como na fabricação de
componentes microeletrônicos (MARK, 1999; ODIAN, 2004; SIGMA-ALDRICH,
2008a).
CN501
O CN501, apresentado na Figura 3.2, é também conhecido por
TMPTA (Trimethylolpropane triacrylate). Este é um oligômero multifuncional, visto
que tem mais de um grupo funcional, sendo estes, três acrilatos (SARTOMER, 2008;
SIGMA-ALDRICH, 2008b).
Figura 3.2 - Representação gráfica da estrutura molecular do CN501(SIGMA-ALDRICH, 2008b)
Por ser um oligômero de viscosidade muito baixa, tendo rápido tempo de
resposta de polimerização e alta reatividade em processos baseados em ultravioleta
(UV) e feixe de elétrons (EB), recomenda-se utilizar o CN501 em tintas em geral,
assim como para melhorar aderência, resistência química e dureza das composições
(SARTOMER, 2007; 2008; SIGMA-ALDRICH, 2008b).
3.1.2 Iniciadores
Para iniciar a fotopolimerização, foram analisados: a) peróxido de benzoila;
b) Irgacure 184 (1 Hydroxycyclohexyl phenyl ketone), c) Irgacure 651 (Alpha-
dimethoxy-alpha-phenylacetophenone); d) Darocur BP (benzofenona).
Estes representam três classes de iniciadores, fotoiniciador radicalar Tipo I,
fotoiniciador radicalar Tipo II e fotoiniciador iônico, cujas classificações foram
Capítulo 3- MATERIAL E MÉTODOS 47
detalhadas no Capítulo 2. O objetivo da análise destes é de mapear um material
adequado para aplicações em processos RP em geral, assim como para o RP
proposto.
Peróxido de Benzoila
O peróxido de benzoila, ilustrado na Figura 3.3, é um elemento químico
comumente utilizado na iniciação de termopolimerização, contudo este pode ser
utilizado como fotoiniciador (MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002; ODIAN, 2004).
Quando utilizado como fotoiniciador, o peróxido de benzoila é um fotoiniciador
radicalar do tipo I, cuja forma de geração de radicais livres se deve à abstração de
hidrogênio (ODIAN, 2004).
Irgacure 184
O Irgacure 184, também conhecido como 1 Hydroxycyclohexyl phenyl ketone, é
um foto-iniciador radicalar do tipo I, cuja taxa de absorção de luz e representação
gráfica da estrutura molecular são apresentadas na Figura 3.4.
Sua aplicação, que é amplamente explorada na fabricação de tintas baseadas
em fotopolimerização, se destina a cura de camadas de tinta entre mµ20020 − para
concentrações de 1 a 3% no peso da solução (CIBA, 2001a).
Figura 3.3 - Ilustração da estrutura molecular do Peróxido de benzoila (MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002).
Capítulo 3- MATERIAL E MÉTODOS 48
Figura 3.4 –Curva de absorção de luz e representação gráfica da estrutura molecular do Irgacure 184, 99,9% (JASTY, 1999)
Irgacure 651
O Irgacure 651, também conhecido como Alpha-dimethoxy-alpha-
phenylacetophenone, é um fotoiniciador do radicalar do tipo II, cuja taxa de absorção
de luz e representação gráfica da estrutura molecular são apresentadas na Figura
3.5.
Assim como o Irgacure 184, o Irgacure 651 é amplamente utilizado na
fabricação de tintas baseadas em fotopolimerização, sendo também utilizado como
material de preenchimento quando utilizado na concentração de 0,5 a 1% no peso
da solução (CIBA, 2001b).
Capítulo 3- MATERIAL E MÉTODOS 49
Figura 3.5 - Curva de absorção de luz e representação gráfica da estrutura molecular do Irgacure 651, 99% (JASTY, 1999)
Darocur BP
O Darocur BP, também conhecido como Benzofenona, 99%, é um fotoiniciador
do radicalar do tipo II, cuja taxa de absorção de luz e representação gráfica da
estrutura molecular são apresentadas na Figura 3.6.
O Darocur BP é um dos mais utilizados fotoiniciadores na indústria de tintas e
pintura, visto que tem baixo preço, e sua utilização auxilia na preservação da
coloração e odor das soluções (CIBA, 1998).
Capítulo 3- MATERIAL E MÉTODOS 50
Figura 3.6 - Curva de absorção e representação gráfica da estrutura molecular de benzofenona, 99% (JASTY, 1999)
3.1.3 Solvente e Não-Solvente
Como qualquer outro polímero, os fotopolímeros são suscetíveis à ação de
não solventes e de solventes, onde desta forma, pode-se precipitar ou solubilizar
polímeros e oligômeros (MUKHERJEE, 1978; MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002;
RODRIGUES e NEUMANN, 2003; ODIAN, 2004; SPERLING, 2006).
Sendo assim, foi selecionado, entre diversos solventes e não solventes
próprios para MMA, o etanol como composto solvente e tetracloreto de carbono
como composto não-solvente (MARK, 1999). Embora, a seleção destes tenha sido
feita em função da facilidade de aquisição destes, poderiam ser utilizados outros
componentes.
Capítulo 3- MATERIAL E MÉTODOS 51
3.1.4 Câmara de contenção e Reflexão
Para realização dos experimentos de desenvolvimento de material foi utilizada
uma câmara de contenção e reflexão, sendo esta constituída de uma fonte luminosa,
que é posicionada a 30mm das amostras no sentido vertical; uma caixa revestida de
material reflexivo, um sistema de acionamento externo e ventilação (Figura 3.7).
Figura 3.7 - Caixa de contenção e reflexão
3.1.5 Lâmpada de vapor de mercúrio
Componente principal da câmara de contenção e reflexão, a lâmpada de vapor
de mercúrio de 400W (Figura 3.8) é uma fonte luminosa que abrange faixas de
comprimento (λ ) entre 380 e 750 nm , conforme Figura 3.9 .
Para atingir estas faixas, foi preciso retirar o bulbo da lâmpada, visto que, além
de filtrar raios de luz com comprimentos de onda nocivos, o bulbo filtra raios de luz
onde cuja faixa de comprimentos de onda é utilizada no processo de
fotopolimerização (GE, 2007). Em função disto, a utilização desta lâmpada fica
limitada à câmara de contenção e reflexão.
Capítulo 3- MATERIAL E MÉTODOS 52
Figura 3.8 - Foto de lâmpada de vapor de mercúrio (400W) sem bulbo
Figura 3.9 - Distribuição espectral de lâmpada de vapor de mercúrio 400W com bulbo (filtro) (GE, 2007)
3.1.6 Lâmpada UV
Para estudo de caracterização de materiais e caracterização de processo RP,
foi utilizada a lâmpada UV de 9W potência, PL-S 9W 10/2P UNP, Figura 3.10. Seu
Capítulo 3- MATERIAL E MÉTODOS 53
espectro de emissão, Figura 3.11, concentra-se na faixa UVA, ou seja, entre 350 a
400 nm , faixa não nociva (PHILIPS, 2008).
Figura 3.10 – Foto e ilustração de Lampada UV PL-S 9W 10/2p UNP, onde
A=129mm; B= 144.5 mm; C= 167.5 mm; D= 28mm; D1= 13mm
Figura 3.11 - Espectro emissão de luminosa por comprimento de onda de lâmpada PL-S 9W 10/2P UNP (PHILIPS, 2008)
A seleção desta lâmpada foi realizada em função da faixa de comprimento de
onda desta lâmpada se apresentar dentro das faixas de absorção dos fotoiniciadores
que iniciam a polimerização de materiais, conforme apresentado na seção 3.1.2.
O objetivo da utilização desta lâmpada foi de permitir ao processo de
polimerização acontecer em ambiente externo, ou seja, num ambiente não
controlado pela câmara de contenção e reflexão, onde o operador pudesse
permanecer em exposição. Desta forma, viabilizando sua utilização no equipamento
RP desenvolvido.
Capítulo 3- MATERIAL E MÉTODOS 54
3.1.7 Balança eletrônica
Para medição de massa nos experimentos, foi utilizada uma balança eletrônica de 10mg de precisão,
Figura 3.12.
Figura 3.12- Foto de balança eletrônica de10mg de precisão
3.1.8 Molde de Vidro
Para controle de espessura de camada, parâmetro de controle do processo
RP, foram desenvolvidos e fabricados moldes de vidro cujas cavidades são limitadas
por lamínula de 0,12mm de espessura. Conseqüentemente, este molde apresenta
0,12mm de profundidade e 19,36cm2 de superfície de exposição, como é
representado na Figura 3.13. Este moldes foram utilizados somente em conjunto
com a lâmpada UV.
O objetivo da utilização deste molde de vidro é a realização de experimentos
sem a necessidade de utilizar a câmara de contenção e reflexão. Isto se deve à
Capítulo 3- MATERIAL E MÉTODOS 55
incidência de luz UV sobre as amostras ser unidirecional. Esta situação difere do
estudo onde foi utilizada a lâmpada de vapor de mercúrio, em conjunto com a caixa
de contenção e reflexão, pois neste, a incidência de raios de luz UV sobre as
amostras, contidas em tubos de ensaio, dá-se por todos os lados.
Figura 3.13 - Ilustração de molde de vidro utilizado em experimentos de tempo de polimerização
3.1.9 Interface de Controle de Intensidade Luminosa
Em função da variação de intensidade luminosa, tanto entre lâmpadas do
mesmo modelo, quanto ao longo da vida útil da lâmpada, foi desenvolvida uma
interface de controle de intensidade luminosa com o objetivo de garantir a
repetibilidade do processo. Este sistema é composto por potenciômetros,
termistores, LEDs, comutador Darling com inversor de sinal e fonte de 5V.
A interface, cujo esquema eletrônico é apresentado na Figura 3.14, tem
funcionamento com resultado baseado num comparativo entre duas medições de
intensidade luminosa, comparando a segunda medição com a primeira, chamada de
calibração. Desta forma, a interface mostrará se houve ou não redução de
intensidade luminosa, aumentando a confiabilidade do processo.
Capítulo 3- MATERIAL E MÉTODOS 56
De forma simplificada, a operação desta interface acontece realizando duas
medições, sendo que na primeira medição de intensidade luminosa, é regulada a
interface a ponto de manter ligadas tanto a luz a verde quanto a luz vermelha. Na
segunda medição, o sistema é exposto a uma intensidade luminosa que, ao se
mostrar inferior a da primeira medição, desliga a luz verde. Se este valor for superior
ao da primeira, a luz verde é mantida acesa e é desligada a luz vermelha. E, por
conseqüência, se este valor for igual, são mantidas acesas ambas as luzes.
Figura 3.14 – Esquema eletrônico da interface de controle de intensidade luminosa desenvolvida, onde R é potenciômetro de calibração e T é um LDR (Light Divisor
Resistor)
Esta interface foi utilizada na realização dos experimentos relacionados ao
processo de RP, visto que a quantidade de material envolvida é muito baixa,
fazendo com que a diferença de intensidade luminosa entre lâmpada nova e uma
lâmpada ao final de seu ciclo de vida influenciasse o processo.
Capítulo 3- MATERIAL E MÉTODOS 57
3.1.10 Equipamento de Prototipagem Rápida
Em função do estudo de processo RP proposto estar diretamente ligado à
realização de movimentos em tempo real em 2½ eixos, assim como à deposição de
material, ao longo da pesquisa foi necessário desenvolver um equipamento RP
protótipo.
Este equipamento é composto de máquina CNC com controle nos eixos XYZ,
cabeçote extrusor, computador, software de controle e interface de controle.
Entre estes, foi necessário desenvolver o cabeçote extrusor, software de
controle, interface de controle e controle XYZ da máquina CNC.
Máquina CNC com controle em XYZ
Para controle dos movimentos do cabeçote extrusor, foi utilizada uma máquina
CNC de laboratório cuja parte mecânica permite movimentos em 3 eixos, X, Y e Z
(Figura 3.15). Sobretudo, deve-se levar em consideração que o controle XYZ desta
máquina (parte elétrica e eletrônica) foi desenvolvido ao longo deste trabalho.
Figura 3.15 - Foto de Máquina CNC com controle XYZ
Capítulo 3- MATERIAL E MÉTODOS 58
Cabeçote Extrusor
Neste trabalho, foi construído um cabeçote extrusor, conforme a concepção
apresentada na Figura 2.7, constituído de um atuador linear fabricado pela Haydon
Switch and Instrument, Inc, com cuja precisão de 0,0006mm/passo, alojamento de
material (seringa), cujo volume máximo de armazenamento é de 5ml, êmbolo de
extrusão e bico extrusor de diâmetro 0,45mm. A lâmpada UV, mencionada
anteriormente, é fixada na parte estrutural do cabeçote extrusor, conforme é
apresentado na Figura 3.16.
Figura 3.16 - Foto de cabeçote extrusor
Esta concepção foi escolhida em função da facilidade de construção e de
controle do sistema, visto que os materiais utilizados neste trabalho se encontram na
forma líquida.
Capítulo 3- MATERIAL E MÉTODOS 59
Computador
Foi utilizado um computador padrão IBM, sendo sua especificação: Pentium III,
com clock de processamento de 600MHz, 256Mb de memória RAM, 4Gb de
memória de disco rígido, 2 entradas USB e uma saída de porta paralela.
Software de controle
Para controle dos movimentos da máquina CNC, assim como acionamento de
cabeçote extrusor e lâmpada UV, foi utilizado o programa TurboCNC, programa
shareware desenvolvido pela empresa DAK Engineering, onde utiliza linguagem ISO
NC para gerenciamento da interface de controle através da porta paralela do
computador (DAEKENG, 2008).
Software de planejamento de processo
Para o planejamento do processo de RP, onde são geradas as trajetórias de
deposição, foi utilizado o programa desenvolvido pela empresa VISCAM, chamado
de RPCAM (VISCAM, 2008). Através deste software é possível exportar as
trajetórias de deposição em código ISO NC.
Interface de Controle
Na Figura 3.17 é apresentada a interface de controle da máquina CNC. Esta
interface, que também foi desenvolvida e construída ao longo deste projeto é
composta por três drives de potência que controlam os motores dos eixos X, Y e do
atuador linear do cabeçote extrusor; um drive de controle de velocidade de
deposição, que controla o drive de potência do atuador linear; um drive de controle,
relês de acionamento de lâmpadas; e 3 entradas de sinal de chaves fim-de-curso.
Capítulo 3- MATERIAL E MÉTODOS 60
Além de fazer o controle do eixo Z, faz a interface do sistema com computador,
protegendo, desta forma, o sistema de ruídos externos. Para alimentação do sistema
foram necessárias: duas fontes de 5V/2A; uma fonte 12V/900mA e uma fonte
30V/10A.
Figura 3.17 – Layout de interface de controle desenvolvido para controle de equipamento de RP
3.2 Caracterização de Material
Os experimentos para caracterizar o material fotopolimérico foram realizados a
partir de procedimentos criados para permitir repetibilidade de resultados, conforme
esquematizado na Figura 3.18. Os procedimentos foram baseados no método de
obtenção de tempo de polimerização chamada gravimetria, exposto na seção 2.2.8,
Capítulo 3- MATERIAL E MÉTODOS 61
Esta técnica permite observar a quantidade de material (monômero) curado
(convertido em polímero) em função do tempo de exposição. Desta forma, esta se
mostra eficaz e independente da câmara de contenção e reflexão, e do molde de
vidro.
Inicio
Solubilizar iniciador
Material tem iniciador?
Individualizaramostras
Determinarnúmeros de pontos
Fazer experimento ecronometrar
Coletar amostras no tempo determinado
Precipitar polímeroem solvente (1 amostra)
Pesar filtro (tara)
Filtrar solução deamostra
Pesar polímero precipitado no filtro
Existe resíduode polímero?
Dissolver em não solvente
Calcular Massa depolímero
Achar taxa de conversão Mp/Mm
Determinarintervalo de tempo
Plotar GráficoMp/Mm X T
Fim
não
sim simnão
Figura 3.18 - Fluxograma de procedimento de experimento de determinação de tempo de polimerização
3.3 Parâmetros e Controle do Processo RP Proposto
Esta seção apresenta procedimentos, cálculos e definições de parâmetros
iniciais de experimentos de processo de deposição e polimerização.
3.3.1 Controle de Intensidade Luminosa
Visto que a intensidade da fonte luminosa é um dos principais parâmetros no
processo de fotopolimerização, antes do início de todos os experimentos
Capítulo 3- MATERIAL E MÉTODOS 62
relacionados ao processo de RP foi utilizada a interface de controle de intensidade
luminosa, conforme apresentado na seção 3.1.9.
Este equipamento foi desenvolvido com o intuito de garantir a repetibilidade
dos experimentos, visto que há grande redução de intensidade ao longo da vida útil
da fonte luminosa.
3.3.2 Velocidade de Extrusão
A velocidade de extrusão do material (Ve ) é determinada pelo deslocamento do
êmbolo da seringa, sendo que este está ligado ao eixo do atuador linear,
apresentado na Figura 2.7.
Como este atuador linear é composto por um motor de passo cuja
resolução ( P ) varia de 0,0003 a 0,000015 mm por passo, foi determinada a
freqüência dos pulsos de controle deste motor, gerada pela interface de controle,
baseando esta em função da vazão de saída no bico do extrusor e a precisão do
motor de passo
Ao considerar que o diâmetro interno da seringa, 10mm, apresenta-se como
uma constante a vazão do extrusor (0
Ve ) é uma função da freqüência, ou do período
dos pulsos de controle, conforme é apresentado na Equação 3.1, Equação 3.2,
Equação 3.3, Equação 3.4 e na Figura 3.19.
Capítulo 3- MATERIAL E MÉTODOS 63
fP 1= Equação 3.1
PsVef =
Equação 3.2
4
20 π⋅⋅=
DiVeVe Equação 3.3
4
20 π⋅⋅=
DiPPs
Ve
Equação 3.4
Onde:
Ve é a velocidade de extrusão (velocidade do êmbolo) (s
mm )
P é período ( segundos )
f é freqüência ( Hz )
Ps é precisão (passomm )
Di é diâmetro interno da seringa ( mm )
0Ve é vazão de extrusão no diâmetro interno da seringa (
smm3
)
Capítulo 3- MATERIAL E MÉTODOS 64
Figura 3.19 – Gráfico da vazão(s
mm3
) em função do período (segundos),
considerando a precisão do atuador linear de 0,0006mm,
3.3.3 Velocidade de Deposição
A velocidade de deposição (Vc ), ou seja, a velocidade de deslocamento do
cabeçote extrusor, foi determinada em função da velocidade de polimerização ( Rp ),
assim como da velocidade de extrusão (Ve ), o diâmetro do bico extrusor ( Db ) e a
altura de extrusão ( h ).
Para determinar o comportamento normal do sistema, foi determinado que o
escoamento, que gerará o filamento, segue um formato retangular, como
apresentado na Figura 3.20 e na Equação 3.5.
60
0 hDbVcVb ⋅⋅=
Equação 3.5
Onde:
Capítulo 3- MATERIAL E MÉTODOS 65
0Vb é a vazão de extrusão no bico extrusor (
smm3
)
Vc é a velocidade de deslocamento do cabeçote extrusor ( min/mm )
Db é o diâmetro do bico extrusor ( mm )
h é a altura de extrusão ( mm )
Figura 3.20 - Ilustração do comportamento médio do filamento em regime.
Considerando como valores constantes Db (0,45mm), Di (10mm) e a vazão
constante ao longo do sistema de extrusão, conforme Equação 3.6, encontramos
uma equação em função do período ( P ), da precisão ( Ps ) e da altura de
extrusão ( h ), como é apresentado na Equação 3.7 e Equação 3.8.
00VbVe = Equação 3.6
hDbPsPDiVc
⋅⋅⋅⋅⋅⋅
=4
602 π Equação 3.7
hPsPVc
⋅⋅⋅
=π56.55
Equação 3.8
Desta forma, ao fixarmos valores de altura de extrusão ( h ) e de precisão ( Ps )
podemos determinar graficamente janelas de processo, por exemplo, como, é
apresentado na Figura 3.21.
Capítulo 3- MATERIAL E MÉTODOS 66
Figura 3.21 - Representação de parâmetros de processo, onde P (segundos) é a entrada e Vc (mm/min) a saída, e h (0,15mm), Ps (0,0006mm/passo),
Db (0,45mm) e Di (10mm) as constantes previamente fixadas
A velocidade de polimerização do material ( Rp ) determina o valor máximo de
deslocamento do cabeçote extrusor ( maxVc ). Este valor pode ser encontrado quando
se determina Rp , Equação 3.9 e Equação 3.10, igualando-a à vazão de extrusão no
bico (0
Vb ), Equação 3.11 e Equação 3.12.
Desta mesma forma pode-se determinar a período ( maxP ) máximo gerado pela
interface de controle, conforme Equação 3.13.
Capítulo 3- MATERIAL E MÉTODOS 67
TPRp ][
= Equação 3.9
TkhARp ⋅⋅
= Equação 3.10
0VbRp = Equação 3.11
hDbRpVc⋅⋅
=60
max Equação 3.12
RpDiP
24
max1071.4 ⋅⋅
=−
Equação 3.13
Onde:
][P é o volume de polímero ( 3mm )
Rp é a velocidade de polimerização (s
mm3
)
k é a taxa de polimerização (%)
A é a área de exposição ( 2mm )
h é a altura de exposição/extrusão ( mm )
T é o tempo de exposição (segundos)
Di é o diâmetro interno da seringa ( mm )
maxP é o período máximo gerado pela interface de controle (segundos)
maxVc é a velocidade máxima de deslocamento do cabeçote extrusor (minmm )
3.3.4 Sintaxe de Programação CNC
Com a finalidade de empregar uma linguagem de programação padronizada
para a execução dos procedimentos do processo, foi utilizado, conforme
Capítulo 3- MATERIAL E MÉTODOS 68
mencionado anteriormente, o software TurboCNC, que gerencia a sintaxe dos
programas NC feitos em código ISO (G e M) com a interface de controle em tempo
real. Este gerenciamento em tempo real é essencial para garantir a continuidade do
processo, visto que a deposição de material acontece de forma contínua.
Os principais comandos de programação utilizada no processo proposto neste
trabalho são definidos na Tabela 3.2. Contudo é possível utilizar outros recursos da
linguagem NC padrão, como, por exemplo, interpolações circulares.
Tabela 3.2 - Lista de principais comandos de controle utilizados no processo G91 Define deslocamento relativo
G90 Define deslocamento absoluto
G71 Define sistema métrico
M03 Liga extrusor sentido deposição
M04 Liga extrusor sentido sucção
M05 Desliga extrusor
M08 Liga lâmpada
M09 Desliga lâmpada
G04 Liga tempo de espera
P Determina tempo de espera em segundos
G00 Deslocamento em velocidade máxima
G01 Deslocamento em velocidade de deposição
F Determina velocidade de deslocamento do cabeçote
extrusor em mm/min
S Determina velocidade de deposição (não implementado)
Em função da especificação do computador utilizado para controle do sistema,
foi necessário que o controle do extrusor funcionasse de forma independente ao
computador, como apresentado anteriormente. Conseqüentemente, não foi
Capítulo 3- MATERIAL E MÉTODOS 69
implementado o comando “S”, que determinaria a velocidade de extrusão.
Entretanto, ao aperfeiçoar o equipamento, espera-se implementar esta função.
Apesar de não ter sido implementado o comando “S”, foi possível controlar a
velocidade de extrusão através do drive de controle do atuador linear, no qual é
possível regular esta velocidade.
3.3.5 Procedimento experimental
Com objetivo de manter os mesmos parâmetros de processo, isolando o
sistema contra variações externas, foi desenvolvido um procedimento, Figura 3.22,
para utilização no estudo de processo da tecnologia de RP proposta.
O processo “Zera máquina” é referente à determinação dos zeros máquina do
software de controle, sendo obtido através de um toque do bico extrusor na
superfície a ser depositada.
O processo “sobe 1ª camada” é referente ao deslocamento vertical, do eixo Z,
com o valor da altura da camada.
Foi utilizado para T2, o tempo de 2 segundos após o processo que liga a
lâmpada, sendo este referente ao tempo necessário para a mesma ligar, Isto se
deve ao fato de que o processo liga a lâmpada apenas aciona um relê que serve de
interruptor para ligar a mesma.
Para T1 foi utilizado o tempo de 1 segundo após o processo liga extrusor. Este
é referente ao tempo de resposta até o extrusor depositar o suficiente para existir
contato entre fluido e superfície onde está sendo depositado o filamento.
Para T3, foi utilizado o tempo de 3 segundos, que serve para polimerizar o
material que continua saindo, por inércia, da ponta do bico. Isto foi determinado para
evitar que pingasse sobre material já depositado, evitando rebarbas e imperfeições
na superfície já depositada. Este foi necessário devido a não existência de um
mecanismo de controle do final da extrusão.
Capítulo 3- MATERIAL E MÉTODOS 70
inicio
Zera máquina
Sobe 1a camada
Liga extrusor
Espera T1 segundo
Liga lâmpada
Espera T2 segundos
Inicia sequência de deposição
Fazer outra camada/região?
move próxima camada/região
sim
Sobe altura de segurança
Desliga extrusor
Espera T3 segundos
Desliga lâmpada
Fim
nãoDesliga extrusor
Liga extrusor
Figura 3.22 -Fluxograma de processo experimental
Capítulo 4- PARTE EXPERIMENTAL 71
4 PARTE EXPERIMENTAL
Este capítulo apresenta os parâmetros e experimentos utilizados na pesquisa
descrita neste trabalho, sendo estudados os materiais desenvolvidos para utilização
no processo de prototipagem rápida (RP) proposto, assim como o estudo deste
processo.
4.1 Estudo do Material
Nesta seção são apresentados os experimentos relacionados ao estudo e
desenvolvimento de material para utilização em tecnologias RP.
4.1.1 Caracterização de Material – 1
Este estudo é relacionado à curva de conversão do metacrilato de metila, 99%,
iniciado por peróxido de benzoila (1%, no peso), conforme descrito no Capítulo 3.
Neste estudo, foi utilizado o procedimento apresentado na seção 3.2, que é baseado
no método chamado de gravimetria, para observar a taxa de conversão das
amostras.
Como pode ser observado na Tabela 4.1, foram submetidas 12 amostras, com
alíquotas de 4ml contidas em tubos de ensaio, à exposição de luz UV gerada pela
lâmpada de vapor de mercúrio (400W), contida na câmara de contenção e reflexão,
descrita nas seções 3.1.4 e 3.1.5.
Tabela 4.1 - Tabela de amostras por tempos de exposição de caracterização de material - 1
Grupos Quantidade (ml)
Monômero Fotoiniciador Potência lâmpada UV (W)
Local Tempo exposição (segundos)
1 600 2 1800 3 2400 4
4
Met
acril
ato
de m
etila
Per
oxid
o de
be
nzoi
la 1
,5
(% p
eso
)
400
Câm
ara
de
cont
ençã
o e
refle
xão
3000
Capítulo 4- PARTE EXPERIMENTAL 72
Estas amostras foram divididas em 4 grupos, conforme o tempo de exposição à
luz UV.
4.1.2 Caracterização de Material – 2
Visto que os resultados da caracterização de material 1 não foram satisfatórios
para a aplicação em RP, em função da velocidade de polimerização encontrada ser
muito baixa (como pode ser observado de forma mais detalhada na seção 5.1.1) foi
realizado um segundo experimento relacionado à cola BE-20, descrita no Capítulo 3.
Neste experimento foi estudada a taxa de conversão da cola Be-20 após
exposição em luz UV. O procedimento utilizado neste estudo também é baseado no
método gravimetria, apresentado na seção 3.2.
Foram submetidas 14 amostras, com alíquotas de 1ml, que difere do
experimento anterior devido à alta viscosidade do material, à exposição de luz UV
gerada pela lâmpada de vapor de mercúrio (400W), contida pela câmara de
contenção e reflexão (seções 3.1.4 e 3.1.5). Estas amostras foram divididas em 6
grupos, conforme o tempo de exposição à luz UV, conforme Tabela 4.2.
Foi analisado um grupo com tempo 0, ou seja, uma amostra que não tivesse
sido exposta ao UV, para verificação da taxa inicial de polimerização da cola.
Tabela 4.2 - Tabela de grupos amostrais e seus respectivos tempos de exposição a luz UV - Caracterização de material -2
Grupos Quantidade (ml)
Monômero Fotoiniciador Potência lâmpada UV (W)
Local Tempo exposição (segundos)
0 0 1 30 2 60 3 90 4 120 5 150 6
1
Col
a B
E-2
0
-
400
Câm
ara
de
cont
ençã
o e
refle
xão
180
Capítulo 4- PARTE EXPERIMENTAL 73
4.1.3 Caracterização de Material – 3
Com objetivo de redução dos tempos de polimerização, redução da
viscosidade final da cola BE-20, foi realizado, neste estudo de caracterização, um
planejamento fatorial. Neste, foram relacionadas amostras de 1ml de cola BE-20
com o tempo de exposição em luz UV e a taxa de solvente, tetracloreto de carbono,
fatores de controle e a taxa de conversão como fator de resposta.
Neste caso, o tetracloreto de carbono serve como solvente do monômero e
oligômero, até o momento que este tiver concentração de até 4 vezes maior que a
solução polimérica, quando ele se torna solvente do polímero.
Outro objetivo deste estudo foi a substituição da fonte de luz utilizada na
realização destes experimentos. Sendo substituída a lâmpada de vapor de mercúrio
400 W pela lâmpada UV de 9W, cujas características são apresentadas na seção
3.1.6. Desta forma, é desnecessária a utilização da câmara de contenção e reflexão,
visto que a faixa de comprimento de onda emitido por esta lâmpada se encontra na
faixa UVA.
Foram determinados dois níveis de fatores de controle (-1 e +1) com um ponto
central (0) conforme Tabela 4.3.
Tabela 4.3 - Tabela de níveis de fatores de controle - Caracterização de material -3
Níveis dos Fatores -1 0 +1 Tempo de exposição 0,5min 1min 1,5minPorcentagem de solvente 2ml 1,5ml 1ml
Como foram determinados dois fatores de controle para este planejamento, a
matriz de experimentos para este planejamento fatorial é do tipo k2 . A Tabela 4.4,
apresenta 4 experimentos, com 3 repetições, onde é adicionado um ponto central
para evitar distorções de resultados. Nesta matriz são relacionados os parâmetros
conforme níveis dos fatores definidos na Tabela 4.3.
Capítulo 4- PARTE EXPERIMENTAL 74
Tabela 4.4 - Matriz de experimentos do planejamento fatorial da cola BE-20 - Caracterização de material -3
Experimento SolventeTempo de exposição
1 +1 +1 2 +1 -1 3 -1 +1 4 -1 -1 5 0 0
4.1.4 Caracterização de Material – 4
Levando em consideração que os estudos anteriores não apresentaram
resultados significativos, como pode ser observado na seção 5.1.3, foi realizado este
estudo que apresenta um tipo de formulação de material diferente dos anteriores.
Esta formulação tem entre seus componentes, iniciadores radicalares do tipo 1, cuja
faixa de absorsão de luz é conforme faixa da lâmpada UV, oligômero e monômero.
Assim, diferenciando-se dos experimentos anteriores, onde foram testadas
formulações de material com composição fechada, caso da cola BE-20, e monômero
com iniciador radicalar do tipo 1.
Para controle de espessura de camada, parâmetro de controle do processo
RP, nesta caracterização foram utilizados moldes de vidro, descritos no Capítulo 3. A
formulação do material foi de 2%, no peso, de Irgacure 184, 1ml de MMA e 1ml de
CN501.
Foram submetidas 12 amostras desta composição à exposição de luz UV
gerada pela lâmpada UV de 9W. Estas amostras foram distribuídas em 4 grupos de
acordo com seus respectivos tempos de exposição, conforme apresentado na
Tabela 4.5.
Capítulo 4- PARTE EXPERIMENTAL 75
Tabela 4.5 - Tabela de grupos amostrais em relação aos seus tempos de exposição à luz UV - Caracterização de material -4
Grupos Monômero (ml)
Oligômero (ml)
Fotoiniciadores (% peso)
Potência lâmpada UV (W)
Local Tempo exposição (segundos)
0 0
1 5
2 10
3 Met
acril
ato
de
met
ila -
1
CN
501
- 1
Irgac
ure
184
- 2
9
mol
de d
e vi
dro/
am
bien
te e
xter
no
15
4.1.5 Caracterização de Material – 5
Levando em consideração que os resultados da caracterização de material 4
se mostraram mais promissores, conforme pode ser observado na seção 5.1.4, foi
realizado um novo estudo onde foi alterado o tipo de iniciador, com intuito de
encontrar uma formulação de material cujo tempo de polimerização seja adequado à
utilização em tecnologias RP.
Neste estudo, foram submetidas 15 amostras da composição: 4%, no peso, de
Irgacure 651, 1ml de MMA e 1ml de CN501; à exposição de luz UV gerada pela
lâmpada UV de 9W. Estas amostras foram distribuídas em 5 grupos de
experimentos conforme seus respectivos tempos de exposição,Tabela 4.6. Nesta
caracterização também foram utilizados moldes de vidro, descritos no capítulo 3,
para determinação das taxas de polimerização do material.
Tabela 4.6 - Tabela de grupos amostrais em relação aos seus tempos de exposição à luz UV – Caracterização de material – 5
Grupos Monômero (ml)
Oligômero (ml)
Fotoiniciadores(% no peso)
Potência lâmpada UV (W)
Local Tempo exposição (segundos)
0 0 1 1 2 3 3 5 4 M
etac
rilat
o de
m
etila
- 1
CN
501
- 1
Irgac
ure
- 651
-
4 9
mol
de d
e vi
dro/
am
bien
te
exte
rno
10
Capítulo 4- PARTE EXPERIMENTAL 76
Adicionalmente ao teste da formulação de material foram testadas inicialmente
as composições sem a presença de fotoiniciador para certificar a ação única do
fotoiniciador sobre a polimerização do material.
4.1.6 Caracterização de Material – 6
Em face dos resultados apresentados na caracterização de material 5,
apresentado com detalhes na seção 5.1.5, terem sido satisfatórios, foi realizado um
novo estudo com objetivo de aperfeiçoamento do material, onde foi adicionado um
iniciador do tipo iônico para acelerar a reação de polimerização do material.
Neste estudo, foram submetidas 12 amostras da composição: 4%, no peso, de
Irgacure 184, 4%, no peso, de Darocur BP, 0,5ml de MMA e 1ml de CN501; à
exposição de luz UV gerada pela lâmpada UV de 9W. Estas amostras foram
distribuídas em 4 grupos conforme seus respectivos tempos de exposição,
demostrados na Tabela 4.7. Os moldes de vidro também foram utilizados neste
estudo.
Tabela 4.7 - Tabela de grupos amostrais em relação aos seus tempos de exposição à luz UV – Caracterização de material – 6
Grupos Monômero (ml)
Oligômero (ml)
Fotoiniciadores (% no peso)
Potência lâmpada UV (W)
Local Tempo exposição (segundos)
0 0
1 1
2 2
3
Met
acril
ato
de m
etila
- 0,
5
CN
501
- 1
Irgac
ure
184
- 4 /
BP
4
9
mol
de d
e vi
dro/
am
bien
te
exte
rno
5
Capítulo 4- PARTE EXPERIMENTAL 77
4.2 Estudo do Processo de Prototipagem Rápida
Nesta seção são apresentados estudos de características relacionadas com o
processo RP proposto, assim como os parâmetros utilizados nos experimentos que
compõem estes estudos. Estes experimentos foram realizados no equipamento de
RP, apresentado na 0.
4.2.1 Caracterização de Filamento – 1
Para verificar a funcionabilidade do processo, foi realizado um estudo inicial
sobre o filamento gerado no processo, a partir da composição de material
encontrado na caracterização de material – 6 (seção 4.1.6) utilizando o
procedimento descrito na seção 3.2. Para tal, foram determinados valores iniciais
para os parâmetros velocidade de extrusão, velocidade de deposição, diâmetro do
bico e altura de deposição, conforme cálculos apresentados na seção 3.3.
Os filamentos estudados nestes experimentos foram depositados em folha de
acetato, que foi utilizada pelo seu fácil manuseio, assim como para facilitar a retirada
das amostras.
Neste experimento foram retiradas 9 amostras, sendo utilizados como
parâmetros constantes:
• diâmetro do bico = 0,45mm
• altura de deposição = 0,15mm
• freqüência de controle de extrusor = 1,25Hz
O parâmetro de resposta observado neste experimento, após análise
microscópica, foi a largura de filamento em função da velocidade do cabeçote (Vc),
parâmetro variável, sendo realizados três filamentos para cada velocidade, conforme
Tabela 4.8.
Capítulo 4- PARTE EXPERIMENTAL 78
Tabela 4.8 – Lista de valores de velocidade do cabeçote
Amostra Velocidade do
cabeçote (Vc)(mm/min)1 40 2 60 3 90
4.2.2 Caracterização de Filamento – 2
Esta caracterização tem como objetivo estudar os seus efeitos de parâmetros
de controle sobre o filamento. Desta forma, foi realizado um planejamento fatorial
para encontrar janelas de processo situadas numa região de velocidade de
deposição superior aos resultados do experimento anterior, conforme pose ser
observado na seção 5.2.1.
Utilizando o mesmo bico extrusor, foram definidos como fatores de controle: a
velocidade de extrusão (Ve), a velocidade de cabeçote (Vc) e a altura de
extrusão (h). Como fatores de resposta, foram definidos: a largura de filamento (Rm),
características dimensionais (Cd), continuidade e qualidade de filamento. Os níveis
dos fatores de controle são apresentados na Tabela 4.9.
Tabela 4.9 – Tabela de níveis e valores de fatores de controle – Caracterização de filamento – 2
Níveis Parâmetros -1 +1 Altura de deposição (h) (mm) 0,15 0,2
Velocidade de extrusão (Ve) (mm/s) Ve=0,00134 Ve=0,0012 Velocidade de deposição (Vc) (mm/min) 120 150
A matriz de experimentos deste planejamento fatorial é apresentada na Tabela
4.10, sendo que a ordem de realização destes experimentos são organizadas de
forma aleatória, para reduzir ruídos externos no sistema ensaiado.
Capítulo 4- PARTE EXPERIMENTAL 79
Tabela 4.10 - Matriz de experimento de planejamento fatorial de processo de prototipagem rápida - Caracterização de filamento – 2
Planejamento fatorial Experimento Ve h Vc
G +1 +1 +1 F +1 +1 -1 H +1 -1 +1 E +1 -1 -1 D -1 +1 +1 B -1 +1 -1 C -1 -1 +1 A -1 -1 -1
Para estes experimentos foi determinada a realização de uma trajetória de
deposição, conforme apresentado na Figura 4.1. O fator de resposta baseado nas
características dimensionais foi determinado a partir da média dos valores de desvio
das dimensões 3,5 (d1), 70(d2), 17,5(d3) e 14(d4) mm, conforme apresentado na
Figura 4.1, assim como na Equação 4.1 e na Equação 4.2. As médias de medida
M1, M2, M3 e M4 são baseadas nas dimensões externas dos filamentos, conforme
apresentado na Figura 4.2.
xx dMxDesvio −=_ Equação 4.1
Onde:
Desvio_x é o desvio das dimensões;
xM é a medida externa da trajetória dos filamentos;
xd as dimensões programadas.
( ) ( ) ( ) ( )4
44332211 dMdMdMdMCd−+−+−+−
=Equação 4.2
Capítulo 4- PARTE EXPERIMENTAL 80
Figura 4.1 - Ilustração de trajetória de deposição do estudo de filamentos realizado por planejamento fatorial, experimento 2.
Onde:
M1 é a média de medidas d1 das amostras
M2 é a média de medidas d2 das amostras
M3 é a média de medidas d3 das amostras
M4 é a média de medidas d4 das amostras
dC é a média dos desvios dimensionais das amostras
Estes valores de medida são obtidos a partir da região de mudança de direção,
apresentado na Figura 4.2, visto que, é esperado que esta região tenha valores de
deposição maiores, em função da desaceleração do cabeçote, em paralelo com a
velocidade de deposição se manter constante.
Os parâmetros de resposta baseados na largura do filamento e na qualidade
do filamento foram obtidos após análise microscópica (ampliação de 50X) do
filamento de três regiões de amostra da trajetória (regiões 1, 2 e 3), marcadas com
círculos, conforme apresentado na Figura 4.1. Estas regiões foram escolhidas por
serem consideradas regiões de deposição em regime.
Capítulo 4- PARTE EXPERIMENTAL 81
Figura 4.2 - Ilustração de tomada de medida de trajetória de deposição, considerando largura de filamento de 1,5mm
As medições relacionadas com a região de início de deposição, apresentadas
na Figura 4.2, foram desconsideradas, uma vez que esta região se comporta de
forma diferenciada da região de deposição em regime e de mudança de direção.
A continuidade das trajetórias, assim como a qualidade do filamento também
foram observadas, sendo classificados os níveis de qualidade e continuidade de
forma comparativa através de uma escala comparativa apresentada na Tabela 4.11.
Tabela 4.11 –Escala quantificativa de parâmetros qualitativos, qualidade e continuidade
Escala comparativa Parâmetros 0 1 2 3 4 5
Continuidade Não contínuo contínuo - - - - Qualidade N/A muito ruim ruim médio bom ótimo
Nesta, o nível ótimo é apresentado como o filamento de melhor qualidade
superficial entre os obtidos nos experimentos.
Capítulo 4- PARTE EXPERIMENTAL 82
4.2.3 Interação entre Filamentos
Este estudo tem como objetivo observar o interação entre filamentos paralelos,
ou seja, o estudo do comportamento de filamentos em função da distância entre as
linhas paralelas de deposição (raster) que permite o contato entre estes filamentos.
Adicionalmente, foram analisadas características de processo relacionadas
com começo e término de deposição e comportamento de filamento em mudança de
direção, sendo observado o desvio dimensional da trajetória (Cd).
Os parâmetros constantes utilizados na realização deste experimento são
apresentados na Tabela 4.12.
Tabela 4.12 – Tabela de parâmetros de processo utilizados no estudo de interação entre filamento
Parâmetros Valores velocidade de extrusão 0,00012mm/s precisão 1/20 velocidade de cabeçote 84mm/min diâmetro do bico 0,45mm altura de deposição 0,15mm
A trajetória determinada para este experimento determina diferentes distâncias
entre filamentos, para observar seus comportamentos, como é apresentado na
Figura 4.3. Foram realizadas duas amostragem com intuito de verificar repetibilidade
do processo.
Capítulo 4- PARTE EXPERIMENTAL 83
Figura 4.3 - Ilustração de trajetória de deposição do experimento 3, tendo 4 diferentes distâncias entre filamentos, para observar o comportamento entre
filamentos.
4.2.4 Viabilidade Funcional
Este experimento tem objetivo de analisar a funcionalidade do processo de RP
proposto através da fabricação de dois corpos de provas. Foram utilizados
planejamentos de trajetórias de deposição específicos para cada um, conforme
apresentado na Figura 4.5 e Figura 4.6. As dimensões destes dois corpos de prova
são apresentadas na Figura 4.4.
Capítulo 4- PARTE EXPERIMENTAL 84
Figura 4.4 - Dimensões de corpos de provas
No corpo de prova 1 foi depositada uma camada de 0,15mm de altura de
deposição com distância entre filamentos igual a 1,47mm, enquanto no corpo de
prova 2 foram depositadas 3 camadas de 0,15mm com distância entre filamentos
igual a 1,4mm.
Figura 4.5 - Ilustração de trajetória de deposição de corpo de prova 3
As trajetórias foram geradas através do programa RPCAM da empresa Viscam,
onde foram gerados os códigos ISO CNC para utilização na máquina desenvolvida.
Como pode ser observado, há uma leve divergência entre o modelo esperado e
o modelo do RPCAM, a partir de quem foram geradas as trajetórias. Estas
divergências aparecem na região de contorno.
Capítulo 4- PARTE EXPERIMENTAL 85
Figura 4.6 - Ilustração de trajetória de deposição de corpo de prova 4
4.3 Resumo de Estudo de Material do Processo
Para facilitar o manuseio deste trabalho, a Tabela 4.13 apresenta um resumo
das composições dos materiais estudados, assim como do local e tempo de
exposição.
Tabela 4.13 – Tabela resumo de experimentos relacionados ao desenvolvimento de material
Estudo Solvente Monômero/ Oligômero Fotoiniciador Fonte luminosa Local
Faixa de exposição (segundos)
Caracterização de material - 1 - Metacrilato de
metila (4ml)
Peroxido de benzoila (1,5
% peso )
Lâmpada de valor de mercúrio
(400W)
Câmara de contenção e
reflexão 600-3000
Caracterização de material - 2 - Cola BE-20
(1ml) - Lâmpada de valor
de mercúrio (400W)
Câmara de contenção e
reflexão 0-180
Caracterização de material - 3
Tetracloreto de carbono (1-
2ml)
Cola BE-20 (1ml) - Lâmpada UV
(9W)
Câmara de contenção e
reflexão 30-90
Caracterização de material - 4 -
Metacrilato de metila (1ml) / CN501 (1ml)
Irgacure 184 (2 % peso)
Lâmpada UV (9W)
molde de vidro/ ambiente externo
0-15
Caracterização de material - 5 -
Metacrilato de metila (1ml) / CN501 (1ml)
Irgacure 651 (4 % peso)
Lâmpada UV (9W)
molde de vidro/ ambiente externo
0-10
Caracterização de material - 6 -
Metacrilato de metila (0,5ml) / CN501 (1ml)
Irgacure 184 (4 % peso) / Darocur BP (4% peso)
Lâmpada UV (9W)
molde de vidro/ ambiente externo
0-5
Capítulo 4- PARTE EXPERIMENTAL 86
Da mesma forma, a Tabela 4.14 apresenta um resumo dos estudos de
caracterização de filamento, interação entre filamentos e viabilidade funcional, assim
como os fatores de resposta de cada estudo.
Tabela 4.14 - Tabela resumo de experimentos relacionados ao estudo do processo RP proposto
Estudo
Caracterização de Filamento - 1
Caracterização de Filamento - 2
Interação entre Filamentos Viabilidade Funcional
Metodologia Univariável DoE Univariável Teste funcional (lógico)
Ve (mm/s) 0,00075 0,00134 - 0,0012 0,00126 0,00126
Vc (mm/min) 40 - 90 120 - 150 120 120
h (mm) 0,15 0,15 - 0,2 0,15 0,15 Fatores de
controle Distância entre filamentos (mm) 1,33-1,54 1,4 / 1,47
Largura de filamento (mm)
Largura de filamento (mm)
Característica dimensional (mm)
União entre filamentos (sim-não)
Construção de corpo de prova (sim - não)
Qualidade (escala de 0 - 5)
Característica dimensional (mm)
Fatores de Resposta
Continuidade (escala de 0 -1)
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 87
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Neste capítulo serão apresentados os resultados dos experimentos descritos
no Capítulo 4, assim como os as discussões sobre os resultados encontrados.
Sendo estes divididos conforme o estudo que estes se relacionam: estudo de
material, seção 5.1, e estudo de processo de prototipagem rápida, seção 5.2.
Também é apresentado um comparativo entre os resultados da tecnologia
proposta por este trabalho e tecnologias já consolidadas pelo mercado, seção 5.3.
5.1 Estudo do Material
Ao longo deste capítulo são apresentados os resultados dos experimentos
relacionados ao desenvolvimento de material, descritos na seção 4.1.
5.1.1 Caracterização de Material – 1
Dos resultados do estudo de caracterização de material – 1, onde foram
calculadas as taxas de conversão das amostras em relação ao tempo de exposição
em luz UV (ultravioleta), foi levantada uma curva de conversão em relação ao tempo,
como apresentada na Figura 5.1.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 88
Curva de Conversão
3,3
15,8
25,4
32,0
y = 16,849Ln(x) - 105,91R2 = 0,9316
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500Tempo (s)
Con
vers
ão (%
)Curva de Conversão
Log. (Curva deConversão)
Figura 5.1 - Curva de conversão de fotopolimerização de MMA em 1% peróxido de benzoila, utilizando fonte UV de 400W
O desvio padrão máximo observado para estas amostras foi de 0,5%.
Este material se comportou de forma regular e com tempos de polimerização
menores que os tempos obtidos nos processos iniciados termicamente, onde, para
temperatura de 91°C, o tempo de meia vida se apresenta entre uma hora
(CHEREMISINOFF, 1998; MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002).
Entretanto, estes resultados apresentaram a taxas de polimerização muito
baixas para a aplicação em tecnologias RP. Visto que para esta, normalmente, tem-
se valores de tempos conversão para taxas de 50% de 3 segundos (BARTON e
FULTON, 2000).
5.1.2 Caracterização de Material – 2
Foi realizado na caracterização do material – 2 um estudo relacionado à cola
BE 20, 99% sem fotoiniciador, visto que este é um material comercial facilmente
encontrado, assim como sua taxa de conversão inicial, antes da exposição em UV, é
de 30,3%.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 89
Por esta taxa de polimerização já ser elevada, tornando a solução mais viscosa
que a anterior, os tempos de exposição foram reduzidos, em relação ao estudo
anterior.
Sobretudo, continuaram sendo seguidos os mesmos procedimentos descritos
na seção 3.2, definindo um padrão de comparação entre os dois materiais. Os
resultados foram compilados no gráfico apresentado na Figura 5.2.
Curva de Conversão
30,3
44,147,1 44,2
56,862,9 64,5
y = -0,0002x2 + 0,2141x + 33,026R2 = 0,907
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200Tempo (s)
Con
vers
ão (%
)
Curva de conversãoPolinômio (Curva de conversão)
Figura 5.2 - Taxa de polimerização de cola BE 20 sem fotoiniciador em fonte UV(9W)
O desvio padrão máximo apresentado nestes resultados foi de 1,5%.
Neste gráfico, pode-se observar uma conversão de 64,5% em 180 segundos,
mostrando um grande redução de tempo de polimerização, em relação à anterior,
que obteve 32% em 3000 segundos.
Entretanto, apesar deste material, cola acrílica fabricada pela Bérkel,
apresentar um tempo de polimerização menor que o material anteriormente
estudado, MMA 99,9%, em aproximadamente dez vezes, estes tempos ainda se
apresentavam fora da especificação de projeto definida nesta pesquisa.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 90
5.1.3 Caracterização de Material – 3
Com intuito de reduzir o tempo de polimerização da cola BE-20 e em função da
solução apresentar grande viscosidade, gerando grande dificuldade para o
manuseio e execução dos experimentos, assim como a substituição da fonte
luminosa, foi realizado o estudo de caracterização de material 3, utilizando o método
DoE (Design of Experiments), método de análise multivariada, para analisar o
relacionamento entre a quantidade de solvente e o tempo de exposição e taxa de
polimerização do material, como apresentado na seção 4.1.3.
Este estudo também foi realizado com o intuito de utilização de uma nova
fonte, em comparação com os estudos anteriores, a lâmpada UV, descrita na
seção 3.1.6, visto que a utilização da lâmpada de vapor de mercúrio exigia o uso da
câmara de contenção e reflexão, em função de sua faixa de emissão, UVC.
Na Tabela 5.1 são apresentados os valores médios dos fatores de resposta de
cada experimento, assim como o nível dos fatores de controle.
Tabela 5.1 – Tabela de valores médios de fatores de resposta dos experimentos
Experimentos Solvente
(ml) Tempo de exposição
(s) Taxa de
polimerização Desvio Padrão
1 1 90 21,07% 3,51% 2 1 30 23,04% 5,12% 3 2 90 36,81% 3,90% 4 2 30 43,92% 4,01% 5 1,5 60 30,27% 2,62%
Na Figura 5.3 são apresentados os efeitos principais dos fatores de controle,
solvente e tempo, sobre o fator de resposta conversão, onde foi possível observar
que maior impacto sobre a conversão foi gerado pelo solvente.
Isto também pode ser observado no Pareto de efeitos das interações,
apresentado na Figura 5.4, onde, apesar do tempo de exposição ser significativo, o
solvente obteve maior efeito sobre a concentração.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 91
Figura 5.3 - Diagrama de Efeitos principais de fatores de controle sobre fator de resposta Conversão
Figura 5.4 - Diagrama de Pareto de efeitos das interações entre fatores sobre a conversão, considerando coeficiente de erro de 0,05
A partir dos resultados apresentados na Tabela 5.1, foi feito um diagrama de
contorno que demonstra as melhores e piores faixas de taxas de conversão em
função do tempo de exposição e concentração de solvente (Figura 5.5).
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 92
Figura 5.5 - Diagrama de contorno de taxa de conversão de cola BE 20 contra concentração de solvente (tetracloreto de carbono), e tempo de exposição pela luz
UV (9W)
Esse estudo, ao serem analisados os gráficos, demonstrou taxas de conversão
maiores em tempos de exposição menores, em relação à caracterização de
material - 2, caracterizando a inibição da polimerização pelo solvente. Este tipo de
inibição delimita um material com um tipo de fotoiniciador radicalar TIPO 2 ou Iônico,
em função da exposição ao oxigênio (MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002; ODIAN,
2004).
Também foi possível viabilizar a utilização da lâmpada UV para este material,
possibilitando a polimerização em ambiente aberto. Entretanto, a quantidade de
solvente é mais baixa para estas faixas, tornando a solução mais viscosa e de difícil
manuseio.
Apesar da diferença de velocidade de polimerização tanto para MMA 99,9%
quanto para a cola BE 20, 99,9%, os tempos de polimerização inviabilizam a
aplicação em prototipagem rápida, visto que estes tempos são maiores que os
usuais da RP, que variam até o valor de 50% de polimerização em 3 segundos
(BARTON e FULTON, 2000).
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 93
5.1.4 Caracterização de Material – 4
Visto que os resultados obtidos nos estudos anteriores impossibilitaram a
aplicação dos materiais para tecnologias RP, foram observadas características
comuns entre materiais fotopoliméricos já utilizados em tecnologias RP comerciais,
com o objetivo de observar estas características no desenvolvimento de material
utilizado nesta pesquisa.
Em comparação com os estudos anteriores, os fotoiniciadores utilizados neste
experimento apresentavam taxa de separação maior que os iniciadores anteriores,
como é apresentado na seção 2.1.4.
Primeiramente, foi testada a iniciação dos componentes químicos sem a
presença dos iniciadores, para certificar que a polimerização do material somente se
iniciaria pela ação dos iniciadores. Enquanto a massa de CN501 se mostrou
constante tanto na etapa de exposição ao UV, quanto nas etapas de precipitação e
secagem do polímero em presença de etanol, provando a necessidade de utilização
de iniciadores, assim como sua estabilidade, o MMA puro mostrou-se volátil,
evaporando em 5 min.
Contudo, pelas composições dos materiais estudados nesta seção terem sido
determinadas conforme recomendações de fabricante, assim como apresentado na
seção 2.2.1 (RODRIGUES e NEUMANN, 2003; SARTOMER, 2004), foi estudada a
fotopolimerização da composição CN501, MMA, Irgacure 184, conforme
apresentado na seção 4.1.4, tendo como resultado a taxa de polimerização da
composição conforme Figura 5.6.
A Figura 5.7 apresenta uma curva de conversão gerada a partir dos resultados
do experimento, tendo como resultado uma taxa de conversão de 91% em 15
segundo de exposição em UV.
Este valor, conforme o esperado, mostra um tipo de polimerização baseada em
luz UV mais eficiente que as composições dos experimentos anteriores, cola BE-20
e MMA iniciado com peróxido de benzoila.
Contudo, o valor da velocidade de polimerização ainda se apresentava abaixo
do suficiente para utilização em RP.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 94
Figura 5.6 - Foto da solução após exposição em UV no não-solvente etanol (5ml) com 28,47% de conversão
Curva de Conversão
0,00%
53,00%
91,00%85,70%
y = -0,0048x2 + 0,1327x - 0,0035R2 = 0,9995
0,00%
10,00%
20,00%
30,00%
40,00%
50,00%
60,00%
70,00%
80,00%
90,00%
100,00%
0 2 4 6 8 10 12 14 16tempo (s)
conv
ersã
o (%
)
2% Irgacure 184, em 1ml M M A e 1ml de CN501
Polinômio (2% Irgacure 184, em 1ml M M A e 1ml de CN501)
Figura 5.7 - Curva de conversão de fotopolimerização de solução de MMA (1ml), CN501(1ml) em 2% de Irgacure 184
Material
polimerizado Material não
polimerizado
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 95
5.1.5 Caracterização de Material – 5
O estudo da caracterização de material – 5 foi realizado com o objetivo de
levantar a curva de conversão do material com cuja composição: 1ml de MMA,99% e
1ml de CN501 em 4% Irgacure 651, sendo medida a quantidade de material
polimerizado após exposição em luz UV em relação à quantidade de material antes
da exposição.
Na Figura 5.8, é apresentada uma foto referente ao experimento acima
descrito, onde a solução, após ser exposta em UV, foi submetida à presença de
etanol, não solvente que precipita as moléculas mais pesadas da solução, polímeros
e oligômeros. Nesta foto é apresentada uma solução que teve 91% de conversão
após 15 segundos exposto em presença de UV.
Figura 5.8 – Foto da solução após exposição em UV no não-solvente etanol (5ml) com 91% de conversão
Os resultados deste experimento são apresentados na Figura 5.9, onde se
pode observar uma grande redução de tempo de polimerização, em comparação
com os resultados dos estudos anteriores, viabilizando, desta forma, a utilização
deste material em tecnologias RP.
Região esbranquiçada
demonstra a existência
de Material polimerizado
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 96
Curva de Conversão
66,67%
44,44%
28,57%
80,00%
y = 0,2308Ln(x) + 0,2601R2 = 0,957
0,00%
10,00%
20,00%
30,00%
40,00%
50,00%
60,00%
70,00%
80,00%
90,00%
0 2 4 6 8 10 12tempo (s)
conv
ersã
o (%
)
4% de irgacure 651 em 1ml de M M A e 1ml de CN501
Log. (4% de irgacure 651 em 1ml de M M A e 1ml de CN501)
Figura 5.9 – Curva de conversão de fotopolimerização de solução de MMA (1ml) e CN501(1ml) em mistura de 4% de Irgacure 651
5.1.6 Caracterização de Material – 6
A partir dos indicativos encontrados nos estudos de caracterização de material
4 e 5, foi realizado mais um experimento onde foram misturadas duas classes de
fotoiniciadores, com intuito de acelerar a reação, protegendo-a, desta forma, contra
inibição por oxigênio (MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002; ODIAN, 2004).
Neste experimento, foi estudada a fotopolimerização do material com cuja
formulação de 4% de benzofenona; 4% de Irgacure 184; 1ml de CN501 e 0,5ml de
MMA. Esta formulação se mostrou estável até a exposição em UV, visto que após 1
hora sem exposição sua massa se manteve constante.
Após exposição da solução em UV (9W), foram utilizados os mesmos
procedimentos da seção 5.1.4, descrito na seção 3.2, onde, após conclusão destes
procedimentos, foram encontrados os resultados apresentados na Figura 5.10.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 97
Curva de Conversão
75,00%
40,00%
80,00%
y = 0,2384Ln(x) + 0,467R2 = 0,7797
0,00%
10,00%
20,00%
30,00%
40,00%
50,00%
60,00%
70,00%
80,00%
90,00%
0 1 2 3 4 5 6tempo (s)
conv
ersã
o (%
)
4% de Irgacure 184 , 4% de benzofenona, 0.5ml de MMA e 1ml de CN501
Log. (4% de Irgacure 184 , 4% de benzofenona, 0.5ml de MMA e 1ml de CN501)
Figura 5.10 – Curva de conversão de fotopolimerização de solução de MMA (0,5ml) e CN501(1ml) em mistura de 4% de Irgacure 184 e 4% de benzofenona
A partir deste último experimento, pode-se salientar, além da viabilidade, a
potencialidade na utilização desta formulação em novos desenvolvimentos
relacionados à RP, como desta pesquisa, visto que foi obtido valor médio de
conversão de 75% em dois segundos.
Desta forma, como puderam ser caracterizadas as propriedades
fotopoliméricas dos materiais estudados, pode-se selecionar como material de base
para o estudo do processo RP proposto a composição estudada na caracterização
de material 6. Todavia, apesar desta composição se mostra adequada para o estudo
em questão, esta tem potencial para ser aperfeiçoada.
A partir deste material, foram estudadas características de viabilidade funcional
do processo proposto, assim como parâmetros de caracterização do processo.
Todavia, o desenvolvimento de material, que é uma das áreas mais
importantes no desenvolvimento de tecnologias RP, deve-se ter seu
desenvolvimento contínuo, relacionando-se diretamente com características de
processo, apresentadas na seção 5.2.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 98
5.1.7 Resumo de Resultados do Estudo do Material
Com objetivo de facilitar a manuseio deste trabalho para realização de
pesquisas futuras, a Tabela 5.2 apresenta um resumo dos experimentos realizados
no estudo do material, assim como dos resultados mais significativos para cada
experimento.
Tabela 5.2 – Tabela resumo de resultados do estudo do material
Estudo Monômero/ Oligômero Fotoiniciador
Faixa de exposição (segundos)
Resultado mais significativo
Caracterização de material - 1
Metacrilato de metila (4ml)
Peroxido de benzoila (1,5 %
peso ) 600-3000
conversão de 32% em 3000
segundos
Caracterização de material - 2 Cola BE-20 (1ml) - 0-180
conversão de 64% em 180
segundos
Caracterização de material - 3 Cola BE-20 (1ml)
Tetracloreto de carbono (1-2ml)
(solvente) 30-90
conversão de 43% em 30 segundos
Caracterização de material - 4
Metacrilato de metila (1ml) / CN501 (1ml)
Irgacure 184 (2 % peso) 0-15
conversão de 91% em 15 segundos
Caracterização de material - 5
Metacrilato de metila (1ml) / CN501 (1ml)
Irgacure 651 (4 % peso) 0-10
conversão de 81% em 10 segundos
Caracterização de material - 6
Metacrilato de metila (0,5ml) / CN501 (1ml)
Irgacure 184 (4 % peso) / Darocur BP
(4% peso) 0-5
conversão de 75% em 2 segundos
5.2 Estudo do Processo de Prototipagem Rápida
Em função dos resultados promissores obtidos nos experimentos relacionados
com o desenvolvimento de material, foi selecionada para ser utilizada no estudo de
processo de RP a composição de material baseada em acrilatos, como CN501 e
MMA, como é apresentado na seção 5.1.6, devido a suas características
fotopoliméricas serem semelhantes às da RP.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 99
5.2.1 Caracterização de Filamento – 1
Neste experimento foi estudado a viabilidade de construção de filamentos de
material líquido depositado sobre uma superfície plana sendo solidificada
simultaneamente a sua deposição, conforme processo proposto na seção 4.2.1.
Os cálculos dos valores utilizados neste experimento foram retirados da base
de cálculo apresentada na 3.3, e descritos na seção 4.2.1.
Para análise dos filamentos, neste experimento, foram observadas, em microscópio ótico com lente de 50 x de aumento, características construtivas e dimensionais de
cada filamento de forma isolada, Figura 5.11. Sendo estas imagens geradas sobre uma superfície metálica,
devido ao material dos filamentos ser transparente. Desta forma, deve-se considerar
somente a região do filamento, desconsiderando riscos da peça metálica sob
filamentos.
O objetivo desta análise foi de determinar uma janela inicial de processamento,
servindo, assim, como base para os estudos seguintes, onde o assunto pode ser
estudado de forma mais detalhada.
Como pode ser observado no filamento 3 da Figura 5.11, as regiões de borda (duas laterais do filamento) se apresentam
com consistência diferenciada em relação à região de linha central do filamento,
apresentando, assim, uma região de menor grau de conversão e de maior desvio,
Figura 5.12.
Figura 5.11 – Fotos de filamentos tiradas em microscópio ótico 50 x, onde cada filamento representa o grupo de filamentos construídos com velocidade de cabeçote
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 100
extrusor de: 40mm/min (filamento 1), 60mm/min (filamento 2) e 90mm/min (filamento 3).
Figura 5.12 – Curva de comportamento de filamento
Esta figura ilustra uma curva de comportamento de filamento onde é
observada a largura do filamento em relação à velocidade do cabeçote extrusor,
sendo também apresentados graficamente os desvios padrões e medianas em cada
ponto ensaiado.
A partir da medição destes filamentos, foi evidenciada a possibilidade de
construção de filamentos para a tecnologia RP proposta, visto que os mesmos se
apresentaram regulares. Regularidade que pode ser observada ao realizar uma
análise de quartis sobre amostras, onde nenhum dos valores experimentados se
apresentou fora da zona de confiabilidade. Os valores da análise estatística
descritiva dos grupos amostrais em cada ponto ensaiado podem ser observados na
Tabela 5.3.
y = -0,115x 2 + 9,0907x + 536,56R 2 = 1
300
350
400
450
500
550
600
650
700
750
30 40 50 60 70 80 90 100
Velocidade do Cabeçote(mm/mim)
Largura de Filamento(um)
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 101
Tabela 5.3 – Tabela de análise estatística descritiva de grupos amostrais da largura de filamento da caracterização de filamento 1
filamento 1 filamento 2 filamento 3
Média(µm) 712,4304 654,3131 441,5615
Erro padrão(µm) 5,668002 21,44398 23,61627
Mediana(µm) 716,141 667,9035 423,0056
Desvio padrão(µm) 9,817268 37,14207 78,3263
Variância da amostra 96,37875 1379,533 6135,009
Intervalo 18,5529 70,4559 185,5288
Mínimo(µm) 701,2987 612,2899 337,6623
Máximo(µm) 719,8516 682,7458 523,1911
Nível de confiança(95,0%) 24,38745 92,26602 52,62032
1 quartil 708,7199 640,0967 376,6234
3 quartil 717,9963 675,3247 519,4872
5.2.2 Caracterização de Filamento – 2
O estudo de caracterização de filamento – 2 tem como objetivo estudar a
influência de características de processo, como velocidade de deposição, velocidade
de extrusão, e altura de filamento, sobre a construção de filamentos, assim como a
construção de formas, a partir dos resultados obtidos na caracterização de
filamento 1, obtendo uma nova janela de processo com valores de velocidade de
cabeçote (Vc) maiores.
Este estudo é descrito na seção 4.2.2, onde é apresentado o planejamento
deste experimento, baseado na metodologia de análise multivariada chamada
DoE (Design Of Experiment), onde foram observadas como fatores de respostas as
características: largura de filamento; dimensões de trajetórias de deposição;
continuidade; e qualidade da superfície do filamento.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 102
A matriz de experimentos deste planejamento fatorial é apresentada na Tabela
5.4, onde são descritos os experimentos e os valores dos parâmetros estudados.
Tabela 5.4 - Matriz de experimento de planejamento fatorial de processo de prototipagem rápida
Ve(mm/s) h(mm) Vc(mm/min) Experimentos
0,0013 0,15 120 A
0,0013 0,2 120 B
0,0013 0,15 150 C
0,0013 0,2 150 D
0,0012 0,15 120 E
0,0012 0,2 120 F
0,0012 0,15 150 H
0,0012 0,2 150 G
A Figura 5.13, apresenta um exemplo de trajetória de deposição, a foto da
trajetória de deposição obtida no experimento H.
Figura 5.13 - Foto de trajetória de deposição de experimento H
Largura de Filamento
Inicialmente foi analisada a normalidade dos filamentos por amostras, sendo
que para cada experimento foram retiradas três amostras, conforme seção 4.2.2.
A Figura 5.14 apresenta um diagrama Box-Whisker das amostras das três
regiões do experimento A que, consequentemente, permite realizar uma análise
estatística descritiva visual destas amostras, visto que este diagrama representa
graficamente a distribuição amostral, amplitude, média e quartis das medidas de
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 103
largura de filamento das amostras estudadas (maiores detalhes podem ser
encontrados em (SHESKIN e SHESKIN, 2000)).
Figura 5.14 - Diagrama de Box-Whisker das amostras do experimento A
Estas amostras, cujas imagens dos filamentos tiradas com microscópio óptico
com 50x de ampliação, são apresentadas, respectivamente, na Figura 5.15, Figura
5.16 e Figura 5.17.
Figura 5.15 - Foto de amostra 1 de experimento A
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 104
Nestas imagens puderam ser observadas regiões de filamento mais escuras,
que foram consideradas zonas de polimerização intermediária, entre a região central
do filamento, com valor máximo de polimerização, e o material não polimerizado.
Figura 5.16 - Foto da amostra 2 do experimento A
Figura 5.17 - Foto da amostra 3 do experimento A
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 105
Esta região de polimerização intermediária pode ser explicada em função da
diferença de altura entre região central e borda, que gera diferença de intensidade
de penetração. Adicionalmente, como apresentado na Figura 5.18 e Figura 5.19, há
uma diferença de intensidade luminosa em função da incidência dos raios da fonte
luminosa.
Figura 5.18 - Ilustração da região do filamento que recebe maior intensidade luminosa em função da incidência e distância
Pode-se também identificar que a superfície do filamento apresenta pequenas
falhas, gerando um efeito “casca de laranja” sobre a superfície, situação que
interfere na qualidade do filamento.
Figura 5.19 – Ilustração de ponta de bico extrusor onde é representada a incidência de raios de luz provenientes da fonte luminosa, gerando uma região com maior
incidência de luz.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 106
A Figura 5.20 apresenta um diagrama Box-Whisker das amostras do
experimento B. Neste diagrama, pode-se observar a existência de valores da
amostra 3 do experimento B que se apresentaram fora da zona de confiabilidade,
evidenciando um possível erro pontual desta região analisada.
Figura 5.20 - Diagrama de Box-Whisker das amostras do experimento B
Estas amostras, apresentadas, respectivamente, na Figura 5.21, Figura 5.22 e
Figura 5.23, além de apresentarem uma região de filamento mais escura, sendo
considerada uma zona de polimerização intermediária, entre a região central do
filamento (máximo) e o material não polimerizado (mínimo), apresentam uma
superfície de filamento muito irregular.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 107
Figura 5.21 - Foto de amostra 1 do experimento B
Figura 5.22 - Foto de amostra 2 de experimento B
A Figura 5.24 apresenta um diagrama Box-Whisker das amostras do
experimento C.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 108
Figura 5.23 - Foto de amostra 3 de experimento B Estas amostras, apresentadas, respectivamente, na Figura 5.25, Figura 5.26 e
Figura 5.27, além de apresentarem uma região de filamento mais escura, sendo
considerada uma zona de polimerização intermediária, entre a região central do
filamento (máximo) e o material não polimerizado (mínimo), apresentam uma
superfície de filamento irregular e valor de largura elevado, em comparação com os
valores dos experimentos anteriores.
Figura 5.24 - Diagrama de Box-Whisker de amostras do experimento C
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 109
Figura 5.25 - Foto de amostra 1 do experimento C
Figura 5.26 - Foto de amostra 2 do experimento C
A Figura 5.28 apresenta um diagrama Box-Whisker das amostras do
experimento D. Sendo que, dentre estas amostras, apresentadas, respectivamente,
na Figura 5.29, Figura 5.30 e Figura 5.31, foi também possível observar uma região
de filamento mais escura, considerada uma zona de polimerização intermediária,
entre a região central do filamento (máximo) e o material não polimerizado (mínimo),
em duas amostras de três, sendo que todas apresentaram regiões de superfície de
filamento irregular.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 110
Figura 5.27 - Foto de amostra 3 de do experimento C
Figura 5.28 - Diagrama de Box-Whisker das amostras do experimento D
A Figura 5.32 apresenta um diagrama Box-Whisker das amostras do
experimento E.
Neste diagrama é possível identificar um grande número de valores que se
apresentam fora da zona entre o primeiro e terceiro quartil, evidenciando uma
grande irregularidade de comportamento.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 111
Figura 5.29 - Foto de amostra 1 do experimento D
Figura 5.30 - Foto de amostra 2 do experimento D
Apesar destas amostras, apresentadas, respectivamente, na Figura 5.33,
Figura 5.34 e Figura 5.35, não apresentarem uma região de filamento mais escura,
região considerada zona de polimerização intermediária, entre a região central do
filamento(máximo) e o material não polimerizado(mínimo), apresentam uma
superfície de filamento irregular.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 112
Figura 5.31 - Foto de amostra 3 do experimento D
Figura 5.32 - Diagrama de Box-Whisker das amostras do experimento E
A Figura 5.37 apresenta um diagrama Box-Whisker das amostras do
experimento F, onde foi possível, assim como nos outros experimentos, identificar a
irregularidade do inicio de deposição.
Neste diagrama, ao contrário dos outros experimentos, são apresentados
apenas dois grupos amostrais, visto que a região 2, foi onde foi apresentada a
quebra da continuidade da trajetória de deposição.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 113
Figura 5.33 - Foto de amostra 1 do experimento E
Figura 5.34 - Foto de amostra 2 do experimento E
Estas amostras, apresentadas, respectivamente, na Figura 5.38 e Figura 5.39,
não apresentaram uma região de filamento mais escura, região considerada zona de
polimerização intermediária, entre a região central do filamento (máximo) e o
material não polimerizado (mínimo), contudo, apresentaram uma superfície de
filamento irregular, efeito “casca de laranja”.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 114
Figura 5.35 - Foto de amostra 3 do experimento E
A quebra da continuidade apresentada na trajetória de deposição pode ser
observada na Figura 5.40, onde pode se observar o acúmulo de material no bico
extrusor após esta quebra, gerando o entupimento do bico.
Contudo, esta quebra de continuidade foi temporária, visto que houve o
desentupimento do bico em função da pressão do material fluido sobre região
gerado pelo extrusor.
Esta seqüência de acontecimentos relacionados com a quebra da continuidade
e são apresentados na Figura 5.36, onde pode ser observado a perda de contato do
filamento com superfície de deposição, o acúmulo de material, que proporciona o
entupimento do bico, o aumento da pressão seguido do desentupimento da ponta do
bico, e a retomada da deposição com filamento prejudicado.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 115
Figura 5.36 - Ilustração de etapas de quebra de continuidade devido a perda de contato do filamento com superfície
Em função deste acúmulo, a largura e acabamento dos filamentos seguintes se
mostraram prejudicados, como no caso da amostra 2 da Figura 5.37, relativo à
região 3 do experimento.
Figura 5.37 - Diagrama de Box-Whisker das amostras do experimento F
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 116
A Figura 5.41 apresenta um diagrama Box-Whisker das amostras do
experimento H, onde foi possível observar um aumento da largura do filamento a
medida que a deposição do filamento entra em regime, visto que o grupo amostral 1
é relativo à região 1 do experimento, ou seja, a região mais próxima do inicio da
deposição.
Figura 5.38 - Foto de amostra 1 do experimento F
Figura 5.39 - Foto de amostra 3 do experimento F
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 117
Figura 5.40 - Foto de região de quebra de continuidade de filamento do experimento F
Figura 5.41 - Diagrama de Box-Whisker de amostras do experimento H
Estas amostras, que são apresentadas respectivamente, na Figura 5.38 e
Figura 5.39, não apresentaram uma região de filamento mais escura. Esta região é
considerada zona de polimerização intermediária, entre a região central do
filamento (máximo) e o material não polimerizado (mínimo). As amostras também
não apresentaram uma superfície de filamento irregular.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 118
O experimento G teve como valor do fator de resposta o valor nulo, visto que,
em função da interação de parâmetros de processo, não foi possível realizar a
deposição de material, que gera os filamentos. Esta interação de parâmetros se
apresenta como limite da janela de processo. Contudo, os principais fatores
relacionados a esta situação são apresentados no estudo relacionado ao fator de
resposta Continuidade.
Figura 5.42 - Foto de amostra 1 do experimento H
Figura 5.43 - Foto de amostra 2 do experimento H
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 119
Com intuito de observar a normalidade estatística destas amostras, estas foram
submetidas ao teste Shapiro-Wilk, também conhecido como teste W, considerando
um valor de probabilidade de erro de 0,05, como apresentado na Tabela 5.5. Este
teste verifica como hipótese nula, a possibilidade das amostras serem distribuídas
conforme uma distribuição normal (SHESKIN e SHESKIN, 2000).
Figura 5.44 - Foto de amostra 3 do experimento H
Assim, pode-se observar que a maioria das amostras dos experimentos se
comportou de forma normal, tendo pelo menos uma das amostras com distribuição
normal contida em cada experimento. Desta forma, pode-se concluir que o processo
se comportou de forma regular, tendo resultados normais.
O planejamento fatorial é um método que permite analisar o efeito de cada
fator de controle ou interação entre os fatores de controle sobre fatores de resposta,
conforme observado anteriormente na Tabela 5.4 e exemplificado graficamente na
Figura 5.45.
Para análise destes resultados, foram observados os efeitos principais e
secundários de cada fator de controle sobre os fatores de resposta, com objetivo de
determinar o fator mais significante cada resposta do processo RP.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 120
Tabela 5.5 – Relação de valores de prova e decisão sobre a hipótese dos valores amostras seguirem distribuição normal
Amostras valor de prova (pvalue) Decisão
A1 0,173204 aceito
A2 0,185625 aceito
A3 0,8565 aceito
B1 0,633937 aceito
B2 0,145895 aceito
B3 0,128333 aceito
C1 0,332777 aceito
C2 0,171568 aceito
C3 0,171568 aceito
D1 0,0642684 aceito
D2 0,0320834 rejeitado
D3 0,297821 aceito
E1 0,00598856 rejeitado
E2 0,160712 aceito
E3 0,372284 aceito
F1 0,0409202 rejeitado
F2 0,266004 aceito
H1 0,00060396 rejeitado
H2 0,0829663 aceito
H3 0,484653 aceito
Figura 5.45 – Representação gráfica de resultados de fatores de resposta em função de seus respectivos fatores de controle
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 121
A Figura 5.46 apresenta um gráfico de efeito principal de cada fator sobre o
processo, onde se pode observar o impacto da velocidade do cabeçote (Vc) sobre a
largura do filamento.
Figura 5.46 - Gráfico de efeitos principais de fatores de controle sobre respostas médias dos experimentos relacionados à largura de filamento (Rm)
Este comportamento do filamento em relação à velocidade pode ser explicado
pela redução da altura de filamento depositado em função da aumento de Vc,
situação que leva a distância entre o filamento e a lâmpada UV, reduzindo a
intensidade luminosa sobre o filamento, e por conseqüência, velocidade de
polimerização do filamento.
Contudo, ao se considerar a regressão dos mínimos quadrados parciais (PLS)
das diversas interações entre fatores, explicado na seção 2.3, apresentadas na
Figura 5.47, assim como no Pareto de efeitos, apresentado na Figura 5.48, não foi
possível identificar interações significantes.
Apesar de não haver interações com efeitos significantes, pode-se observar
que a interação dos fatores de controle Ve e Vc tem maior efeito sobre o processo,
em comparação com as demais interações.
Visto que os fatores de maior impacto sobre o processo são Ve e Vc, foi feito
um diagrama de contorno, Figura 5.49, que delimita uma janela de processamento
em função da largura do filamento, tendo como valor estático h=0,15mm.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 122
Figura 5.47 - Regressão de PLS dos efeitos das interações sobre Rm, considerando probabilidade de erro de 0,05
Figura 5.48 - Diagrama de Pareto de efeitos das interações entre fatores sobre Rm, considerando probabilidade de erro de 0,05.
Ao se determinar outro valor estático h, esta janela de processamento pode ser
deslocada, como é apresentado na Figura 5.50 e Figura 5.51, apresentando
diagramas de contorno da largura de filamento (Rm) em função de Ve e Vc,
considerando valores estáticos de h=0,175 e h=0,2, respectivamente.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 123
Figura 5.49- Diagrama de contorno de Rm em função de Ve e Vc, considerando valor estático de h=0,15mm
Neste diagrama de contorno, Figura 5.49, pode-se identificar regiões de
processamento conforme a largura do filamento (Rm), tendo como menor valor a
região de coloração azul escuro, localizada no canto superior esquerdo.
Contudo, o valor mais satisfatório para o processo, considerando valor estático
de h=0,15mm e valores de Vc maiores, para obtenção de uma maior velocidade de
processo, é apresentado para a faixa de Rm entre 1300 e 1400um.
Quando é alterado o valor estático de h para 0,175mm, conforme Figura 5.50, a
faixa que apresenta menor valor de Rm pode ser obtida para valores de Vc entre
145 e 150mm/min, e Ve entre 0,0012 e 0,00125mm/s.
No diagrama de contorno apresentado na Figura 5.51, pode-se observar uma
tendência de redução de Rm para o ponto: Vc=150mm/min; Ve=0,0012mm/s; e
h=0,2mm; situação onde não foi possível construir filamentos, conforme apresentado
na Figura 5.45.
Desta forma, pode-se identificar um limite de processo para este ponto, sendo
necessário detalhar o mesmo tanto através de diagramas de contorno de Rm em
função Vc e h, assim como em função de Ve e h.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 124
Figura 5.50 - Diagrama de contorno de Rm em função de Ve e Vc, considerando valor estático de h=0,175mm
Figura 5.51 - Diagrama de contorno de Rm em função de Ve e Vc, considerando valor estático de h=0,2m
No diagrama apresentado na Figura 5.52, pode-se observar uma redução da
largura do filamento em função do aumento de Vc e de h. Entretanto, deve-se
observar que este relacionamento é delimitado pelo fator de controle Continuidade,
visto que valores de Rm menores que 1000um, apresentado na região direita
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 125
superior, devem ser desconsiderados, em função da impossibilidade de construção
de filamentos nesta região.
Desta mesma forma, no diagrama apresentado na Figura 5.53, pode-se
observar uma ampla faixa do valor de Rm (1300 a 1350µm), sendo que este
contempla todos os valores de altura estudados.
Já na Figura 5.54, é possível observar uma tendência de aumento de Rm em
função de Vc, situação também observada no diagrama de efeitos principais,
conforme Figura 5.46.
Figura 5.52 - Diagrama de contorno de Rm em função de Vc e h, considerando valor estático de Ve=0,0012mm/s
Contudo, a Figura 5.55, onde o valor de Vc se mantém constante e com valor
120mm/min, indica uma tendência de aumento de Rm em função de Ve para todos
os valores de h.
Esta situação, apresentada na Figura 5.55, difere dos diagramas apresentados
na Figura 5.56 e Figura 5.57. Pois estes tendem a diminuir Rm em função do
aumento de h e redução de Ve, tendo como limite valores inferiores a 1000um,
região apresentada na Figura 5.57.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 126
Figura 5.53 - Diagrama de contorno de Rm em função de Vc e h, considerando valor estático de Ve=0,00125mm/s
Figura 5.54 - Diagrama de contorno de Rm em função de Vc e h, considerando valor estático de Ve=0,0013mm/s
Através destes diagramas é possível identificar janelas de processo
relacionadas com a largura do filamento, assim dos outros fatores de resposta.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 127
Figura 5.55 - Diagrama de contorno de Rm em função de Ve e h, considerando valor estático de Vc=120mm/min
Figura 5.56 - Diagrama de contorno de Rm em função de Ve e h, considerando valor estático de Vc=135mm/min
Nestas janelas, pode-se identificar que o aumento ou redução da largura de
filamento não depende somente de um parâmetro, mas sim da interação entre os
fatores de controle estudados. Assim, é possível identificar resultados semelhantes
para diferentes valores de parâmetros de controle, gerando faixas de
processamento.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 128
Figura 5.57 - Diagrama de contorno de Rm em função de Ve e h, considerando valor estático de Vc=150mm/min
Análise Dimensional de Trajetória de Deposição
Outros aspectos analisados neste experimento foram os relacionados às
características dimensionais das trajetórias de deposição, conforme apresentado na
seção 4.2.2. Neste, foram observados os desvios dimensionais médios dos
experimentos do planejamento fatorial em regiões de mudança de direção, conforme
seção 4.2, chamando, assim, a média destes de característica dimensional (Cd),
conforme seção 4.2, fator de resposta deste estudo.
Os valores médios das medidas das amostras dos experimentos, assim como
os desvios e Característica dimensional (Cd), são apresentados na Tabela 5.6. Onde
foram realizadas 3 medidas para cada valor mensurado (M1, M2, M3 e M4).
Visto que estas medidas foram feitas com paquímetro de precisão 0,05mm, as
três medições obtiveram mesmo resultado, mostrando que o desvio das
amostragens foi absorvido pela margem de erro do paquímetro.
Os desvios apresentados nesta tabela são referentes à divergência
dimensional entre medidas esperadas e encontradas, sendo que o cálculo deste é
apresentado na seção 3.3. Sendo que estes desvios são apresentados graficamente
na Figura 5.58.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 129
Tabela 5.6 - Tabela de valores médios dimensionais e de característica dimensional
Experimentos A B C D E F H G
Ve(mm/s) 0,0013 0,0013 0,0013 0,0013 0,0012 0,0012 0,0012 0,0012 h(mm) 0,15 0,2 0,15 0,2 0,15 0,2 0,15 0,2
Vc(mm/min) 120 120 150 150 120 120 150 150 Rm(um) 1142,08 1255,43 1717,86 1576,96 1479,91 1433,70 1287,17 - M1(mm) 5,5 6 5,5 5,5 5 6 5 -
desvio_1(mm) 2 2,5 2 2 1,5 2,5 1,5 - M2(mm) 68,5 69,7 69 69 68 69 68 -
desvio_2(mm) 1,5 0,3 1 1 2 1 2 - M3(mm) 18 18,5 18 19 18 18,6 17 -
desvio_3(mm) 0,5 1 0,5 1,5 0,5 1,1 -0,5 - M4(mm) 14,8 15,7 15,5 15,5 15 15,5 14,5 -
desvio_4(mm) 0,8 1,7 1,5 1,5 1 1,5 0,5 - Cd(mm) 1,2 1,375 1,25 1,5 1,25 1,525 0,875 -
Figura 5.58 - Representação gráfica de valores de fatores de resposta Cd(mm) em relação a fatores de controle Vc(mm/min), h(mm) e Ve(mm/s)
Esta situação evidencia a proposição de que o comportamento de deposição é
diferenciado em regiões de mudança de direção.
Outro aspecto também observado, através desta tabela, foi a divergência entre
valores de regiões de desaceleração, como o caso de curvas, onde foram realizadas
as medições.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 130
Isto pode ser observado em função do desvio médio dimensional, representado
por Cd, ter valor diferente da largura do filamento (Rm).
O efeito principal de cada fator de controle sobre Cd é apresentada na Figura
5.59, onde se pode observar um maior efeito principal relacionado à altura de
filamento (h).
Figura 5.59 - Diagrama de efeitos principais dos fatores de controle Ve, Vc e h sobre característica dimensional da trajetória de deposição(Cd)
Na Figura 5.60 é apresentada a regressão de mínimos quadrados parciais do
efeito das interações dos fatores de controle sobre Cd, onde não foram encontradas
interações significantes para o processo, ou seja, a alteração dos valores dos fatores
de controle não apresentou impacto significativo sobre os parâmetros dimensionais
das amostras estudadas.
Contudo, ao observar o diagrama de Pareto de efeito das interações dos
fatores de controle sobre Cd, Figura 5.61, pode-se identificar que as interações que
surtem maior impacto sobre o processo são: a altura de deposição (h) e a interação
de Ve e Vc.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 131
Figura 5.60 –Regressão de PLS dos efeitos das interações sobre Cd, considerando probabilidade de erro de 0,05
Ao observar o diagrama de contorno de Cd em função de Ve e Vc, apresentado
na Figura 5.62, pode-se identificar uma janela de processamento relacionado com a
divergência dimensional da trajetória de deposição, considerando um valor de h
igual a 0,15mm.
Figura 5.61 - Diagrama de Pareto de efeitos das interações entre fatores sobre Cd, considerando probabilidade de erro de 0,05.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 132
Outros diagramas de contorno de Cd em função de Vc e Ve são apresentados
na Figura 5.63 e Figura 5.64, onde são considerados valores estáticos de h iguais a
0,175 e 0,2mm respectivamente.
Figura 5.62 - Diagrama de contorno de Cd em função de Ve e Vc, considerando valor estático de h=0,15mm
Figura 5.63 - Diagrama de contorno de Cd em função de Ve e Vc, considerando valor estático de h=0,175mm
Adicionalmente, ao observar o diagrama de contorno de Cd em função de Ve e
h, apresentado na Figura 5.65, pode-se refinar esta faixa de processo relacionada
ao fator de resposta Cd, considerando um valor estático para Vc de 120mm/min.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 133
Figura 5.64 - Diagrama de contorno de Cd em função de Ve e Vc, considerando valor estático de h=0,2mm
Figura 5.65 - Diagrama de contorno de Cd em função de Ve e h, considerando valor estático de Vc=120mm/min
Neste diagrama foi possível determinar faixas de processo com desvio
dimensional médio inferior a 1,2mm, caso observado no experimento A, que teve Cd
igual a 1,2mm.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 134
Figura 5.66 - Diagrama de contorno de Cd em função de Ve e h, considerando valor estático de Vc=135mm/min
Figura 5.67 - Diagrama de contorno de Cd em função de Ve e h, considerando valor estático de Vc=150mm/min
Ao deslocar o ponto estático para o valor de Vc igual a 135mm/min, Figura
5.66, e 150mm/min, Figura 5.67, obtém-se novas janelas de processamento, com
cuja faixa de desvio dimensional médio mínimo inferior a 2mm.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 135
A partir da análise destes diagramas, foi possível identificar uma redução no
valor de Cd em função do aumento de Vc.
Em função da velocidade de deposição ser controlada por um sistema de
controle independente, foram feitos diagramas de contorno de Cd em função de Vc e
h, com cujos valores estáticos de Ve iguais a: 0,0012mm/s, conforme apresentado
na Figura 5.68; 0,00125mm/s, conforme apresentado na Figura 5.69; e 0,0013mm/s,
conforme apresentado na Figura 5.70.
Nestes diagramas foi possível identificar um comportamento de Cd
diferenciado para cada valor de Ve.
Isto pode ser observado quando o valor estático de Ve é igual a 0,0012mm/s
ou 0,00125mm/s, pois o valor do fator de resposta Cd tende a diminuir em função da
redução de h e aumento de Vc, conforme Figura 5.68 e Figura 5.69. Enquanto, ao
analisar o diagrama apresentado na Figura 5.70, onde o valor de Ve é 0,0013mm/s,
a tendência de redução do valor de Cd é obtido com a redução de Vc e h.
Figura 5.68 - Diagrama de contorno de Cd em função de Vc e h, considerando valor estático de Ve=0,0012mm/s
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 136
Figura 5.69 - Diagrama de contorno de Cd em função de Vc e h, considerando valor estático de Ve=0,00125mm/s
Figura 5.70 - Diagrama de contorno de Cd em função de Vc e h, considerando valor estático de Ve=0,0013mm/s
Através dos diagramas de contorno de Cd em função de Ve e h, Vc e Ve, e h,
foi possível evidenciar as conseqüências dos efeitos principais de h e Vc, que
apresentaram valores de efeito principal maiores que o de Ve. Assim como
identificar janelas de processo baseadas nos desvios dimensionais, representados
pelo fator de resposta Cd.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 137
Qualidade de Filamento
Visto que a qualidade do filamento é uma característica qualitativa, foi
necessário criar uma escala relativa das amostras de cada experimento, como é
proposta na seção 4.2.2.
Para a definição desta escala, foi levada em consideração a variação da
largura de filamento, a homogenidade de superfície, quantidade e tamanho de bolas
de efeito “casca de laranja” e região intermediária de polimerização.
A partir desta escala, foi possível posicionar, através da análise das imagens
microscópicas dos filamentos, um tipo de filamento por nível de qualidade superficial
médio de cada filamento, conforme é apresentado na Tabela 5.7.
Tabela 5.7 - Escala relativa de qualidade de superfície de filamento Escala relativa de Qualidade superfície de filamento
1 2 3 3 4 5
Tipos de Filamento
As amostras dos experimentos do planejamento fatorial foram, conforme
apresentado na seção 4.2.2, classificadas conforme é apresentado na Tabela 5.8.
A partir destes dados foi possível determinar o grau de significância de cada
fator de controle, assim como cada interação entre fatores, sobre os fatores de
respostas, Continuidade e Qualidade.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 138
Tabela 5.8 – Tabela de valores de resposta de fator de resposta Qualidade
Ve(mm/s) h(mm) Vc(mm/min) Experimentos Qualidade
0,0013 0,15 120 A 4
0,0013 0,2 120 B 1
0,0013 0,15 150 C 2
0,0013 0,2 150 D 3
0,0012 0,15 120 E 5
0,0012 0,2 120 F 3
0,0012 0,15 150 H 5
0,0012 0,2 150 G -
Os dados apresentados nesta tabela também podem ser observados na Figura
5.71.
Figura 5.71 - Representação gráfica dos resultados relacionados com o fator de resposta Qualidade
Na Figura 5.72, pode-se observar que os fatores de controle que tem maior
efeito sobre o fator resposta Qualidade são h e Ve, situação que difere das análises
anteriores.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 139
Figura 5.72 - Diagrama de efeitos principais de fatores de controle Vc, h e Ve sobre fator de resposta Qualidade
Contudo, ao analisar a regressão de mínimos quadrados parciais (PLS),
apresentados na Figura 5.73, pode-se observar que as interações dos fatores de
controle sobre o fator de resposta, Qualidade, não se mostraram significantes.
Figura 5.73 - Regressão de mínimos quadrados parciais de efeitos interação entre fatores de controle sobre fator resposta Qualidade, considerando probabilidade de
erro de 0,05
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 140
Apesar destas interações não terem se mostrado significantes, através da
análise do diagrama de Pareto dos efeitos sobre Qualidade, apresentado na Figura
5.74, pode-se observar que as interações dos fatores de controle que geram maior
impacto sobre a qualidade superficial dos filamentos são Ve e a interação de efeitos
de h com Vc.
Figura 5.74 - Diagrama de Pareto de efeitos das interações entre fatores sobre Qualidade, considerando probabilidade de erro de 0,05.
Visto que uma das interações de maior impacto sobre a qualidade superficial
do filamento é Vc * h, foram inicialmente analisados os diagramas de contorno da
Qualidade em função de Vc e h, onde os valores estáticos de Ve são iguais a:
0,0012mm/s, Figura 5.75; 0,00125mm/s, Figura 5.76; e 0,0013mm/s, Figura 5.77.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 141
Figura 5.75 - Diagrama de contorno de Qualidade em função de Vc e h, considerando valor estático de Ve=0,0012mm/s
Figura 5.76 - Diagrama de contorno de Qualidade em função de Vc e h, considerando valor estático de Ve=0,00125mm/s
No diagrama de contorno da Qualidade em função de Vc e h, cujo valor
estático igual a 0,0012mm/s, pode-se observar um nível mínimo de qualidade igual a
3. Contudo, as regiões de qualidade superiores a 5 devem ser desconsideradas,
visto que se aplicariam a interação de fatores de controle que não permite deposição
de material, conforme apresentado na Figura 5.71.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 142
Figura 5.77 - Diagrama de contorno de Qualidade em função de Vc e h, considerando valor estático de Ve=0,0013mm/s
Ao analisar os diagramas de contorno de Qualidade em função de Vc e h,
pode-se observar a redução da qualidade em função do aumento de Ve.
Visto que o fator de controle Ve tem maior efeito sobre o fator de resposta
Qualidade, foram criados diagramas de contorno de Qualidade em função de Vc e
Ve. Sendo que para valor estático h=0,15mm, é apresentado na Figura 5.78; assim
como para valor estático h=0,175mm, na Figura 5.79; e para valor estático h=0,2mm,
na Figura 5.80.
No diagrama de contorno de Qualidade em função de Vc e Ve com cujo valor
estático h=0,15mm, pode-se observar uma região com nível de qualidade superior a
4.8 que abrange toda a faixa de valores de Vc apresentados neste diagrama. Esta
situação se mostra pertinente, visto que é possível obter uma boa qualidade
superficial para qualquer valor de Vc estudado.
Neste diagrama, pode-se observar que os valores de melhor qualidade se
referem aos menores valores de velocidade de extrusão (Ve).
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 143
Figura 5.78 - Diagrama de contorno de Qualidade em função de Vc e Ve, considerando valor estático de h=0,15mm
Entretanto, esta característica não se aplica quando se aumenta o valore
estático h, como nas situações apresentadas na Figura 5.79 e Figura 5.80.
Figura 5.79 - Diagrama de contorno de Qualidade em função de Vc e Ve, considerando valor estático de h=0,175mm
Na situação apresentada na Figura 5.80, deve-se desconsiderar os valores de
qualidade superiores a 5.6, visto que esta região não permite deposição de material,
e por conseqüência, criação de filamentos. Contudo, pode-se evidenciar o aumento
da qualidade em função do aumento de Vc e da redução de Ve.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 144
Pode-se observar, na Figura 5.79, uma ampla região de qualidade inferior a
3.2, que é atribuída a valores de Ve altos. Sendo necessário ignorar valores de
Qualidade superiores a 5.
Figura 5.80 - Diagrama de contorno de Qualidade em função de Vc e Ve, considerando valor estático de h=0,2mm
Figura 5.81 - Diagrama de contorno de Qualidade em função de Ve e h, considerando valor estático de Vc=120mm/min
Outros diagramas de contorno analisados neste trabalho são relacionados à
qualidade em função de Ve e h, onde a Figura 5.81 e a Figura 5.82 apresentam uma
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 145
tendência de redução de qualidade em função do aumento de Ve e h, enquanto a
Figura 5.83 apresenta esta redução em função do aumento de Ve e redução de h.
Figura 5.82 - Diagrama de contorno de Qualidade em função de Ve e h, considerando valor estático de Vc=135mm/min
Figura 5.83 - Diagrama de contorno de Qualidade em função de Ve e h, considerando valor estático de Vc=135mm/min
Apesar do aparecimento de efeito “casca de laranja” como fator de resposta de
qualidade superficial não apresentar resposta neste trabalho, pode ser observada
como característica comum nestes diagramas, o nível de qualidade superior a 3
atribuído ao baixo valor de Ve.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 146
Desta forma, é possível garantir ou aumentar a qualidade do filamento através
de faixas de processamento estipuladas nos diagramas de contorno descritas neste
capítulo.
Continuidade de Filamento
Outro fator de resposta estudado neste trabalho é a continuidade do filamento,
fator de caráter binário classificado pelas situações: contínuas (1) ou
descontínuas (0), conforme é apresentado na Tabela 5.9. Sendo que, na Figura
5.84, são demonstrados estes resultados de maneira gráfica.
Os valores de efeito principal dos fatores de controle Vc, h e Ve sobre o fator
de resposta Continuidade é apresentado na Figura 5.85, onde é possível observar o
grande impacto de todos os fatores de controle sobre este fator de resposta.
Este fator de resposta também é responsável pela eficácia do processo, visto
que se o processo de deposição de material tiver caráter descontínuo, não é
possível utilizá-lo em aplicações RP.
Tabela 5.9 - Tabela de valores de resposta de fator de resposta Continuidade
Ve(mm/s) h(mm) Vc(mm/min) Experimentos Continuidade
0,0013 0,15 120 A 1
0,0013 0,2 120 B 1
0,0013 0,15 150 C 1
0,0013 0,2 150 D 1
0,0012 0,15 120 E 1
0,0012 0,2 120 F 0
0,0012 0,15 150 H 1
0,0012 0,2 150 G Falhou
Adicionalmente, foi possível observar, através da regressão de mínimos
quadrados parciais das interações entre fatores de controle sobre a Continuidade,
apresentado na Figura 5.86, que a continuidade do filamento não é
significativamente afetada pelas interações dos fatores de controle.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 147
Figura 5.84 - Representação gráfica de valores do fator de resposta Continuidade em relação a Ve, h e Ve
Figura 5.85 - Diagrama de Efeitos principais de fatores de controle sobre fator de resposta Continuidade
Todavia, através do diagrama de Pareto dos efeitos das interações dos fatores
de controle sobre a continuidade, pode-se identificar as interações entre fatores de
controle que geram maior impacto sobre a continuidade, sendo eles h, Ve e Ve * h.
Este resultado é ressaltado ao observar os diagramas de contorno em função
de Vc, sendo apresentadas respostas constantes ao longo de todos os valores de
Vc, como é apresentado na Figura 5.88.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 148
Figura 5.86 – Regressão PLS de efeitos interação entre fatores de controle sobre fator resposta Continuidade, considerando probabilidade de erro de 0,05
Figura 5.87 - Diagrama de Pareto de efeitos das interações entre fatores sobre Continuidade, considerando probabilidade de erro de 0,05
Desta forma, pode-se observar o comportamento da continuidade do processo
de deposição em função de Ve e h, diagrama de contorno apresentado na Figura
5.89, desconsiderando valores estáticos, visto que para os demais valores
estáticos (Vc), são apresentados os mesmos valores de respostas Continuidade. Ou
seja, os resultados independem de Vc.
Neste diagrama, apresentado na Figura 5.89, é possível identificar um aumento
na descontinuidade do filamento a medida que o gráfico se desloca para o ponto
onde h = 0,2mm e Ve = 0,0012mm/s.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 149
Figura 5.88 - Diagramas de contorno de Continuidade em função de (Vc;h) e (Vc;Ve)
Figura 5.89 - Diagrama de Contorno de continuidade em função de Ve e h, tendo Ve com valor estático Vc=120mm/min
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 150
Portanto, é possível garantir a continuidade do filamento em velocidades de
deposição maiores, quando são determinados os parâmetros de processo através
do diagrama apresentado na Figura 5.89, seguindo faixa de resposta superior a 0,7.
Análise geral de experimento
Em linhas gerais, pode-se observar as diversas janelas de processamento
baseadas em quatro características de processo, largura do filamento, característica
dimensional da trajetória de deposição, qualidade superficial do filamento e
continuidade do filamento. Contudo, para a caracterização do processo, foi
necessário observar todas estas em paralelo, como apresentado na Figura 5.90,
onde foram analisados os diagrama de contorno de Rm, Cd, Qualidade e
Continuidade, para valor estático h=0,15mm.
Vc(mm/min)
Ve
(mm
/s)
150140130120
0,001300
0,001275
0,001250
0,001225
0,001200
h(mm) 0,15Valor estático
> – – – – – < 1200
1200 13001300 14001400 15001500 16001600 1700
1700
Rm(um)
Vc(mm/min)
Ve
(mm
/s)
150140130120
0,001300
0,001275
0,001250
0,001225
0,001200
h(mm) 0,15Valor estático
> – – – < 0,9
0,9 1,01,0 1,11,1 1,2
1,2
Cd(mm)
Vc(mm/min)
Ve
(mm
/s)
150140130120
0,001300
0,001275
0,001250
0,001225
0,001200
h(mm) 0,15Valor estático
> – – – – < 2,4
2,4 3,03,0 3,63,6 4,24,2 4,8
4,8
Qualidade
Ve(mm/s)
h(m
m)
0,0013000,0012750,0012500,0012250,001200
0,195
0,180
0,165
0,150
Vc(mm/min) 120Valor estático
> – – – – < 0,1
0,1 0,30,3 0,50,5 0,70,7 0,9
0,9
continuidade
Diagrama de contorno de Rm em função de Vc e Ve Diagrama de contorno de Cd em função de Vc e Ve
Diagrama de contorno de Qualidade em função de Vc e Ve Diagrama de contorno de Continuidade em função de Ve e h
Figura 5.90 - Compilação de diagramas de contorno de Largura de filamento; Cd; Qualidade em função de Ve e Vc, e diagrama de contorno de continuidade em
função de h e Vc
Portanto, ao especificar, por exemplo, como desejáveis os valores de processo:
Largura de filamento(Rm) entre 1,2 e 1,3mm e Desvio dimensional médio (Cd)
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 151
inferior a 2mm; tendo filamento contínuo de qualidade superior a 3, na escala
comparativa criada nesta pesquisa, os valores de Ve e Vc, para uma altura de
deposição (h) igual a 0,15mm, necessários para atender esta especificação podem
ser, respectivamente, 0,00125mm/s e 120mm/min.
A faixa de processamento deste valor pode ser observada na Figura 5.91, visto
que para a altura de deposição (h) igual a 0,15mm, a continuidade do filamento pode
ser atendida em todos os valores limites estipulados neste estudo.
Vc(mm/min)
Ve(
mm
/s)
150145140135130125120
0,00130
0,00128
0,00126
0,00124
0,00122
0,00120
h(mm) 0,15Valor estático
12001300
Rm(um)
1,21,3
Cd(mm)
35
Qualidade
Diagrama de contorno de Rm(um), Cd(mm) e Qualidade
Figura 5.91 - Diagrama de contorno de Rm, Cd, Qualidade
5.2.3 Interação entre filamento
Neste estudo, que visa identificar o interação entre filamentos depositados, as
trajetórias de deposição foram traçadas de forma a reduzir periodicamente a
distância entre filamentos, conforme seção 4.2.3. Desta forma, avaliando o
comportamento de um filamento em relação ao outro. Para esta análise, foram
utilizados os parâmetros de processo: Ve=0,00126mm/s; Vc=120mm/min; e
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 152
h=0,15mm; atendendo, desta forma, as especificações: desvio dimensional de
trajetória de deposição entre 1,2 e 1,3mm; largura de filamento entre 1,2 e 1,3mm; e
qualidade superficial de filamento entre 3 e 5mm, conforme visto na seção anterior.
As trajetórias de deposição foram traçadas de forma a reduzir periodicamente a
distância entre filamentos, conforme seção 4.2.3. Desta forma, avaliando o
comportamento de um filamento em relação ao outro.
A partir da definição largura de filamento entre 1,2 e 1,3 mm , pode-se simular
a deposição, obtendo as medidas de referência da estratégia de deposição,
apresentadas na Figura 5.92. O objetivo desta simulação foi de obter valores de
referência em relação aos das amostras do experimento.
Figura 5.92 – Representação de trajetória de deposição, considerando largura de filamento de 1,2mm, e medidas de referência
Além das características dimensionais da trajetória de deposição, foram
analisadas características como o -interação dos filamentos, começo e término de
deposição e comportamento de filamento em mudança de sentido.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 153
Os valores encontrados neste experimento são apresentados na Tabela 5.10,
Onde pode ser observado um valor de Cd entre 1,46 1,17mm. Além do que o valor
encontrado divergiu do valor estimado para filamentos de 1,3mm em 0,16mm.
Tabela 5.10 – Tabela de valores de medições estimadas e de valores encontrados fisicamente nas amostras
Distância entre filamentos(mm)
Valor estimado para filamento de 1,2 (mm)
Valor estimado para filamento de
1,3 (mm) Valor
encontrado(mm) Cd 1,54 2,74 2,84 3 1,46 1,47 2,67 2,77 2,9 1,43 1,4 2,6 2,7 2,7 1,3
1,33 2,53 2,63 2,5 1,17
Os resultados obtidos neste experimento podem ser observados na Figura
5.93, onde podem ser analisadas algumas características relacionadas à ligação
entre os filamentos e ao comportamento do filamento em mudança de direção.
Figura 5.93 - Fotos de trajetórias de deposição de estudo de interação entre filamentos
Conforme é apresentado na Figura 5.94, Nas regiões iniciais de deposição
(inicio de trajetória) pode ser observada a deposição de uma quantidade de material
superior à encontrada quando o sistema está em regime. Também é possível
observar região seguinte (primeira mudança de direção) a deposição de uma
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 154
quantidade de material de uma inferior. Isto acontece em função do atraso do tempo
de resposta do sistema de deposição.
Contudo, nas demais regiões da trajetória de deposição, pode-se observar um
tipo de filamento contínuo e regular, enquadrado nos parâmetros inicialmente
estipulados conforme janela de processo.
Pode-se, também, observar uma região de falha gerada por manuseio indevido
das amostras. Um exemplo disto foi o toque nas amostra da Figura 5.94 ao longo do
processo, ou logo ao final do mesmo. Este toque pode ser causado por qualquer
agente externo, visto que equipamento protótipo está aberto ao ambiente e o
material não se encontra totalmente sólido (polimerizado).
Figura 5.94 – Representação de regiões de inicio de deposição, falha de deposição e de deposição em regime
Nas regiões com distância entre centros dos filamentos maiores que 1,54mm,
foi possível observar a independência total entre filamentos, considerando que não
houve contato entre os mesmos.
Nas regiões de menor distância entre centros dos filamentos, com cujas
distâncias 1,33mm e 1,4mm, lado superior da Figura 5.93 e Figura 5.94, pode-se
observar a fusão entre filamentos, formando uma região única de deposição, da
mesma forma que foram garantidas as características dimensionais estimadas.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 155
Entretanto, a superfície destas regiões de deposição apresenta características
de sobreposição de material, ou seja, material sendo depositado sobre material
anteriormente depositado, formando “cristas” de deposição. Isto se deve em função
do filamento depositado no período anterior à mudança de sentido ter filamento com
valor de taxa de polimerização entre a 70 e 80%.
Desta forma, é possível identificar uma grande atração entre filamentos, apesar
do material destes terem taxas de polimerização altas, atraindo parte do material do
novo filamento depositado para cima do depositado previamente.
Contudo, nas regiões cuja distância entre centros dos filamentos tem valor
1,47mm, pode-se observar a fusão parcial de filamentos, visto que, a distância entre
bordas de filamento, considerando largura de filamento entre 1,2 e 1,3mm, varia
entre 0 e 0,2mm. Sendo que estas regiões também obtiveram dimensões conforme
estipulado neste estudo.
Desta forma, pode-se identificar as faixas de distância entre filamentos que
impactam em fusão entre filamentos, assim como comportamento de deposição
nestas. Sendo possível adicionar estas informações às janelas de processo obtidas
neste trabalho.
5.2.4 Viabilidade funcional
Visto que, através dos estudos apresentados neste trabalho, foi possível
identificar janelas de processo, assim como faixas de -interação de filamentos, foram
construídos corpos de prova com planejamento de trajetórias de deposição e
número de camadas depositadas distintas, com objetivo de provar a viabilidade
funcional da tecnologia de prototipagem rápida baseada em materiais
fotopoliméricos, conforme apresentado em seção 4.2.4.
Na Tabela 5.11, pode-se observar uma relação de características dimensionais
obtidas nos corpos de prova, assim como parâmetros de estratégia de deposição
destes corpos de prova.
No corpo de prova 1, apresentado na Figura 5.95, pode ser observada uma
deposição homogênea, na qual a borda de deposição, trajetória de contorno do
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 156
corpo de prova, manteve filamento constante, não escorrendo para fora do objeto.
Pode-se, também, observar um acumulo de material na região de troca de camada,
cuja altura com valor 0,75 mm, localizada na região central do corpo de prova.
Tabela 5.11 - Relação de corpos de prova, estratégias de deposição, número de camadas, e dimensões de corpos de prova
Corpo de Prova Corpo de prova
Tipo de deposição Numero de camadas 5 3 Altura de deposição 0,10 mm 0,10 mm Pl
anej
amen
to d
e pr
oces
so
Distância entre filamentos 1,47 mm 1,40 mm Altura de modelo 3D 0,50 mm 0,30 mm
Altura 0,5 mm 0,3 mm Comprimento 41,8 mm 41,8 mm 42
Largura externa 14,6 mm 14 mm 14
Cor
po d
e pr
ova
Largura interna 8 mm 8 mm 6
Visto que a distância entre filamentos utilizada neste corpo de prova foi de
1,47mm, parâmetro de processo que apresenta comportamento de interação entre
filamentos irregular, como visto na seção anterior, a superfície de preenchimento
deste corpo de prova apresentou superfície irregular.
Figura 5.95 – Foto de Corpo de prova 3
Já no corpo de prova 2, apresentado na Figura 5.96, pode ser observada uma
superfície de preenchimento homogênia, mantendo características dimensionais do
Acumulo de
material
irregularidade
superficie
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 157
corpo de prova. Contudo, foram apresentados problemas relacionados à retirada do
corpo de prova do substrato, visto que, foi quebrada uma região da peça no
momento da retirada do substrato.
Contudo, deve-se ressaltar que, não foi estudado o comportamento entre
camadas, variável que foi inclusa na construção destes corpos de prova, que tiveram
objetivo único de viabilizar funcionalmente esta tecnologia.
Figura 5.96 – Foto de Corpo de prova 4
5.2.5 Resumo de resultados do Estudo do Processo de RP
Na Tabela 5.12, são apresentados os resultados gerais dos estudos
relacionados ao processo RP.
Quebra
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 158
Tabela 5.12 – Tabela resumo de resultados do estudo do processo RP proposto
Caracterização de Filamento - 1
Caracterização de Filamento - 2
Interação entre Filamentos
Viabilidade Funcional
Metodologia Univariável DoE Univariável Teste funcional Ve (mm/s) 0,00075 0,00134 - 0,0012 0,00126 0,00126
Vc (mm/min) 40 - 90 120 - 150 120 120 h (mm) 0,15 0,15 - 0,2 0,15 0,15
Fato
res
de
cont
role
Distância entre filamentos (mm) - - 1,33-1,54 1,4 / 1,47
Largura de filamento (mm) 0,29-0,71 1,142-1,717 - -
Característica dimensional (mm) - 0,875-1,525 - -
Qualidade (escala comparativa de 0-5) -
Definição de janelas em função da qualidade
(detalhes no Capítulo 5) - -
Continuidade (escala de 0 -1) -
Definição de janelas em função da continuidade (detalhes no Capítulo 5)
- -
Faixa de união entre filamentos (mm) - - <1,4 -
Faixa independência entre filamentos (mm) - - >1,52 -
Faixa de interação entre filamentos indeterminada
(mm) - - <1,52 e >1,4 -
Res
ulta
dos
gera
is re
laci
onad
os a
os fa
tore
s de
resp
osta
Possibilidade de construção de corpo de - - sim para 2 corpos
de prova
5.3 Análise Comparativa
Nesta seção, tem-se como objetivo, comparar tecnologias comerciais já
consolidadas no mercado com a tecnologia desenvolvida no presente trabalho, visto
que, nas seções anteriores, foi possível observar indícios da viabilidade funcional
desta.
As características observadas nesta análise são: tempo de deposição,
precisão, qualidade de filamento e interação entre filamentos.
Em relação à qualidade de filamento, quando observamos filamento gerado
pela tecnologia 3DP, podemos observar uma superfície porosa, tendo sua
consistência baseada em adesividade entre partículas, como é observado na Figura
5.97, tornando, desta forma, o tipo de filamento gerado pela tecnologia proposta
neste trabalho viável para construção de peças.
Entretanto, a velocidade utilizada na janela de processo encontrada neste
trabalho se encontra abaixo da velocidade recomendada para tecnologia FDM.
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 159
Em relação ao estudo sobre o interação entre filamentos extrudados, a
tecnologia proposta apresenta união entre filamentos, que por sua vez, forma uma
camada homogênia. Em contraste com isto, o FDM gera filamentos bem definidos
que aderem entre si, como pode ser observado na Figura 5.98.
Figura 5.97 - Imagem de superfície de filamento gerado por tecnologia 3DP (ULBRICH, 2007)
Figura 5.98 - Imagem de deposição de filamentos gerados por FDM (MONTERO et al., 2001)
Em relação a precisão do processo, neste trabalho puderam ser encontrados
filamentos cuja largura se apresentava entre 0,350 e 0,550mm, faixa de largura de
Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 160
filamento considerada adequada para aplicações de tecnologia FDM, que
apresentam valores de largura de filamento entre 0,254 de 2,54mm (NG et al.,
2002).
Estes valores também se apresentam dentro da faixa recomendada pelo
fabricande do equipamento FDM 1650, onde é recomenda faixa de largura de
filamento entre 0,254 e 1,47mm (COMB et al., 2003).
Por fim, pode-se observar, que em todas as áreas trabalhadas nesta pesquisa
foram obtidos resultados satisfatórios, salientando o potencial do desenvolvimento
de uma tecnologia de prototipagem rápida nacional.
Capítulo 6 CONCLUSÕES 161
6 CONCLUSÕES
Neste capítulo são apresentadas conclusões e considerações finais sobre o
trabalho, assim como uma relação de estudos futuros propostos.
6.1 Considerações finais
Em comparação com tecnologias comerciais, o principio de funcionamento do
processo proposto é diferenciado, pois, apesar deste apresentar um tipo de
deposição contínua, como a da Modelagem por Fusão e Deposição (FDM), este não
permite a geração de vazios na construção de peças, da mesma forma que na
estereolitografia (SL) e InkJet Print (IJP). Adicionalmente, este deve apresentar um
custo de fabricação e manutenção inferior ao da SL, por utilizar lâmpada UV ao
invés de laser, como na IJP.
Contudo, ainda há a necessidade de desenvolvimento de um sistema de
construção de suporte para fabricação de peças mais complexas, semelhante ao
que ocorre nas tecnologias mencionadas acima.
Apesar de terem sido utilizadas velocidades de deposição baixas, em relação
as das tecnologias comerciais, há indicativos que o mesmo é viável para fabricação
de peças grandes, em função da largura do filamento. Da mesma forma, a medida
que esta for estudada mais detalhadamente, as velocidades de deposição tendem a
aumentar. Um exemplo disto é a possibilidade de utilização de fontes luminosas com
comprimento de onda mais próximo do máximo de absorção dos fotoiniciadores.
Contudo, ao levar em consideração que este foi o primeiro trabalho nesta linha
de pesquisa, não foi possível identificar a viabilidade da tecnologia como um todo.
No entanto, em função deste trabalho ter focado bastante no desenvolvimento do
processo, foi possível comprovar o princípio funcional do mesmo.
Cabe também ressaltar que foram apresentadas algumas dificuldades
relacionadas ao processo, como o efeito “casca de laranja” no filamento, e a largura
de filamento variável no início e término de deposição. Estes problemas,
Capítulo 6 CONCLUSÕES 162
provavelmente, estão relacionados ao êmbolo da seringa, que, em função da
maleabilidade de seu material (borracha), causa um atraso no início e término de
deposição, assim como uma variação na velocidade de extrusão. Em face de que
ainda não foi possível controlar, de forma eficaz, a deposição de filamentos nestes
momentos, são necessários estodos mais aprofundados sobre o controle do
filamento no início e término de trajetórias, assim como em regiões de mudança de
direção. Apesar dos estudos relacionados à interação entre camadas se
apresentarem fora do escopo deste trabalho, estes também se fazem necessários
para a viabilização de tecnologia proposta.
Entre outros aspectos relevantes também observados ao longo deste trabalho
são necessários realizar
a viabilização desta tecnologia para construção de peças de maior precisão
passa pela necessidade de realização de estudos de processo utilizando, por
exemplo, diâmetros de bico extrusor menores, tipos diferenciados de deposição,
melhor controle do extrusor e outros tipos de extrusores. Em relação à velocidade de
fabricação, é necessário realizar estudos relacionados a área de materiais, com
objetivo de reduzir o tempo de polimerização. Algumas propostas de estudos
relacionados ao desenvolvimento e viabilidade da tecnologia proposta são
apresentados na seção 6.3.
6.2 Conclusões
Ao analisar o contexto da área de prototipagem rápida (RP), foi possível
observar a necessidade de desenvolvimento de tecnologias de RP nacionais. Visto
que este projeto tem caráter multidisciplinar, fez-se necessária a realização de
estudos relacionados às áreas de conhecimento fundamentais ligadas ao mesmo.
No estudo relacionado ao desenvolvimento de materiais, área de conhecimento
mais importante relacionada à RP, pode-se observar que, entre os cinco materiais
estudados neste trabalho, dois possuem taxa de conversão para utilização em
tecnologias RP, cumprindo os objetivos deste trabalho. Estes valores são
semelhantes ao de materiais já utilizados em RP.
Capítulo 6 CONCLUSÕES 163
Dentre os materiais desenvolvidos neste trabalho os que se apresentaram
adequados tem formulação: 4%, no peso, de Irgacure 651, 1ml de MMA e 1ml de
CN501 (Caracterização de Material – 5) e 4%, no peso, de Irgacure 184, 4%, no
peso, de Darocur BP, 0,5ml de MMA e 1ml de CN501 (Caracterização de Material –
6). Este último, que foi escolhido para os estudos de processo, apresentou uma taxa
de polimerização de 75% em 2 segundos.
Contudo, há muito que ser estudado em relação aos materiais utilizados em
RP, visto que o objetivo deste trabalho priorizava o desenvolvimento do processo.
Como foi desenvolvido e construído um equipamento protótipo adequado para
realização dos experimentos, adaptando parte mecânica de um CNC XYZ já
existente, pode-se realizar e provar a viabilidade do principio funcional – deposição
de filamentos com polimerização simultânea, alcançando o objetivo deste trabalho.
Em relação à caracterização do processo RP proposto, puderam ser
observadas características de processo relacionadas à largura de filamento,
trajetória de deposição, qualidade superficial de filamento e continuidade de
deposição. Criando, desta forma, janelas de processamento baseadas nos
parâmetros de controle, altura de deposição, velocidade de extrusão e velocidade de
deposição (deslocamento de cabeçote). Foi possível encontrar filamentos de largura
entre 0,35 e 2 mm.
Também foi possível identificar que a interação entre a velocidade de extrusão
e altura de deposição tem maior efeito sobre o fator de resposta qualidade do
filamento e a sua continuidade, enquanto a interação entre as velocidades de
deposição e extrusão tem maior efeito sobre a largura do filamento.
No que se refere à interação entre filamentos de largura na faixa de 1,2 e
1,3mm, foi possível observar que para distâncias entre filamento inferiores a
1,40mm, ocorre a fusão entre os mesmo. Da mesma forma, para distâncias
superiores a 1,47mm, não ocorre nenhuma fusão. Já para a faixa de distâncias entre
1,40 e 1,47mm, a ocorrência da fusão entre filamentos é imprevisível, podendo ou
não ocorrer.
No breve estudo relacionado à construção de corpos de prova, foram
encontradas dificuldades relacionadas ao planejamento de processo, como, por
Capítulo 6 CONCLUSÕES 164
exemplo, o planejamento de trajetórias de deposição, transição entre camadas,
transição entre ilhas de deposição, entre outros.
Como pode ser observado, todos os objetivos propostos neste trabalho foram
explorados em sua totalidade, cumprindo a proposta definida inicialmente.
Adicionalmente, outros aspectos relacionados ao tema que não tinham sido
contemplados na proposta inicial foram abordados.
Considerando que este trabalho é pioneiro na área de pesquisa, ainda existe a
necessidade de ser estudado o processo de forma mais detalhada, levando em
consideração, aspectos relacionados ao planejamento do processo, assim como à
estratégia de construção de peças, ao material de suporte e ao processo de pós-
fabricação. Contudo, foi possível identificar uma potencialidade do processo
proposto em relação aos processos RP atuais, assim como suas deficiências em
relação aos mesmos.
6.3 Estudos propostos
Ao longo do trabalho, foi possível identificar várias áreas e nichos de pesquisa
relacionados ao desenvolvimento desta tecnologia, como é apresentado abaixo:
• Caracterização e otimização de processo
o Estudo de interação entre camadas de deposição
o Estudo de transições de deposição
Início de deposição
Término de deposição
Mudança de direção
Transição entre camadas
o Estudo de interação entre filamentos de construção e suporte
o Otimização de parâmetros de controle
• Desenvolvimento e otimização de material
o Desenvolvimento de material de suporte
Capítulo 6 CONCLUSÕES 165
o Desenvolvimento de outros materiais de deposição
• Planejamento de processo
o Estudo de trajetórias de deposição
o Estudo de zonas de transição, como transição entre camadas
• Desenvolvimento e otimização de controle de processo
o Desenvolvimento de novos sistemas de deposição
o Otimização de cabeçote extrusor
o Otimização de equipamento CNC XYZ
o Otimização de interface de controle
o Otimização de fonte luminosa, para aumentar velocidade de
processo
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