INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE
SÃO PAULO CAMPUS SÃO JOSÉ DOS CAMPOS
Rafael Franco Sisternas Fiorenzo do Nascimento
MESA PARA PROTOTIPAGEM A LASER
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo – Campus São José dos Campos, como requisito para obtenção do Título de Técnico em Mecânica sob orientação do Professor Cláudio Luis dos Santos.
São José dos Campos 2014
1
2
Aos meus familiares, amigos e professores.
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SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ................................................................................................................. 4
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS ........................................................................... 5
RESUMO ................................................................................................................................... 6
ABSTRACT ............................................................................................................................... 7
1. INTRODUÇÃO ...................................................................................................................... 8
2. OBJETIVO ............................................................................................................................ 9
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................................... 9
3.1. A HISTÓRIA DO LASER ............................................................................................ 10
3.2. UTILIDADES E APLICAÇÕES .................................................................................. 11
3.3. A IDÉIA DA MESA DE PROTOTIPAGEM ................................................................. 12
3.4. A MESA ......................................................................................................................... 12
3.4.1. - O projeto em Solidworks...................................................................................... 12
3.4.2 - A fabricação ........................................................................................................... 14
3.4.3 - O PROCESSO DE FABRICAÇÃO ...................................................................... 16
3.5. - FUNCIONAMENTO .................................................................................................. 16
4. MATERIAIS E MÉTODOS ................................................................................................. 17
4.1. - MATERIAIS UTILIZADOS PARA FABRICAÇÃO DA MESA .............................. 17
4.1.1 Bronze Fosforoso ..................................................................................................... 17
4.1.2 Aço Inox .................................................................................................................. 17
4.1.3 Alumínio 7075 ......................................................................................................... 17
4.1.4 Parafusos e arruelas ................................................................................................. 17
4.1.5 Corrente de rolos ..................................................................................................... 17
4.2. - MATERIAIS UTILIZADOS PARA FABRICAÇÃO DAS AMOSTRAS PARA TESTES DE PROTOTIPAGEM .......................................................................................... 18
4.2.1. Aço inoxidável ....................................................................................................... 18
4.3. - MÉTODOS .................................................................................................................. 18
4.3.1 Cilindros de bronze .................................................................................................. 18
4.3.2 Estruturas laterais e suporte para o cilindro em alumínio 7075 .............................. 18
4.3.3 Suportes com altura regulável em alumínio 7075 ................................................... 18
4.3.4 Suporte regulável para depósito de pó em alumínio 7075....................................... 18
4.3.5. - Laser e Scan Head ................................................................................................ 18
4.3.6 - Deslocamento da mesa no eixo Z .......................................................................... 19
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES ........................................................................................ 19
5.1. TESTES DO EIXO Z COM O RELÓGIO COMPARADOR ....................................... 19
5.2. TESTE DO RESERVATÓRIO DE PÓ .......................................................................... 19
5.3. TESTE DE FABRICAÇÃO DAS PEÇAS .................................................................... 19
6. CONCLUSÃO ...................................................................................................................... 20
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 20
4
LISTA DE FIGURAS
Figura 1a. Projeto da mesa............................................................................ 13
Figura 1b. Vista explodida.............................................................................. 13
Figura 2. Cilindro........................................................................................... 14
Figura 3a. Reservatório de pó........................................................................
Figura 3b. Mesa no início da montagem........................................................
Figura 3c. Eixo Z ............................................................................................
14
15
15
Figura 3d. Mesa concluída.............................................................................. 16
5
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS
Powder bed laser deposition.....................................Deposição a laser por leito de pó
CO2 ................................................................................................Dióxido de carbono
CAD CCCCCCCCCCCCCCCCCCC...Desenho auxiliado por computador
Direct laser sintering ............................................................Sinterização direta a laser
SLSC................................................................................Sinterização seletiva a laser
He-Ne ..........................................................................................................Hélio-Neon
Nd: YAG.........................................................Neodímio dopado – Ítrio alumínio garnet
Garnet ...................................Um mineral de silicato de profundidade vítreo vermelho
IFSP .............................................................................Instituto Federal de São Paulo
IEAv ............................................................................Instituto de Estudos Avançados
Rpm ...............................................................................................Rotação por minuto
Scan Head ........................................................................................Cabeça de leitura
Stent.............................................................Pequena prótese para vasos sanguíneos
Visual Basic.......................Linguagem de programação desenvolvida pela Microsoft®
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RESUMO
Esta monografia apresenta uma mesa de prototipagem a laser. Esta mesa
possui um sistema de movimentação de precisão no eixo Z e sistema automatizado
para a deposição de pó sobre o cilindro, utilizado como apoio do substrato para a
aplicação do laser. Foi construída com a utilização de diversos materiais, sendo o
alumínio utilizado em sua maior parte, também foi utilizado bronze fosforoso para a
fabricação do cilindro e aço inox para a superfície da mesa. O funcionamento se dá
pela deposição do pó sobre o cilindro através de um reservatório automatizado,
aplicação do laser sobre o pó, movimentação do eixo Z, movendo o cilindro para
baixo (neste momento que se faz necessário o movimento de precisão, pois cada
camada pode possuir 20 µm), e o reservatório de pó volta a depositar mais uma
cada sobre o cilindro formando assim um ciclo de fabricação. O campo de aplicação
da tecnologia para a qual esta mesa foi desenvolvida é muito grande, que pode ir
desde a área médica, passando pela fabricação de joias e chegando até a indústria
aeronáutica. A grande vantagem deste tipo de fabricação de peças, é devido à
facilidade de conseguir fabricar peças com geometrias complexas, e em materiais já
próprios para a aplicação, sem a necessidade de um tratamento posterior e nem de
um processo de usinagem.
Palavras Chave: Laser, Prototipagem, sinterização.
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ABSTRACT
This monograph presents a prototyping laser table. This table has a precision drive
system in Z axis and automated system for the deposition of powder on the cylinder,
used as a substrate support for the laser application. Was constructed with the use of
various materials, being the aluminum used for the most part, also phosphor bronze
was used for manufacturing the cylinder and stainless steel to the table surface. The
operation takes place by deposition of the powder through an automated system on
the cylinder, laser application over the powder, the Z axis drive cylinder moving down
(at this point that the movement precision is required because each layer may have
20 microns), and the reservoir of powder to deposit another layer on the cylinder thus
forming a manufacturing cycle. The scope of the technology to which this table was
developed is very large, which can range from the medical field, through
manufacturing of jewelry and reaching the aircraft industry. The advantage of this
type of manufacturing parts, is the ease to obtain manufacture parts with complex
geometries, and materials already own for application, without needed for
subsequent treatment or a machining process.
Key words: Laser, Prototyping, sintering.
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1. INTRODUÇÃO
A globalização da economia criou em todos os setores industriais uma
crescente necessidade de atendimento rápido às solicitações do mercado. Este
atendimento se faz na redução drástica do tempo de colocação no mercado de
novos produtos, e também a redução no custo e tempo de fabricação, sendo um
fator para a competitividade e agressividade comercial das empresas, determinando
assim a sua capacidade de subsistência.
Uma das tecnologias mais determinantes na mudança radical de
funcionamento das empresas perante estes novos desafios foi a introdução do
sistema de CAD e da capacidade de modelação CAD 3D. Dentre as maiores
inovações recentes chegou ao mercado o processo de prototipagem rápida, onde os
modelos são construídos progressivamente em camadas sem necessidade do uso
de qualquer ferramenta (Whitney, 2004).
Uma das áreas de interesse desta tecnologia é a biomedicina, que pode
utilizar este meio de fabricação para produzir próteses com alta qualidade e rapidez,
feita de forma a ser o modelo ideal para cada paciente, como por exemplo, o stent
(pequena prótese em formato de tubo que é colocada no interior de uma artéria para
evitar uma possível obstrução total dos vasos) (FrançaI, 2008).
Outra área de grande interesse é a aviação, uma vez que com este processo,
diminuem o tempo e o custo de fabricação de uma determinada peça. Um exemplo é
o das palhetas utilizadas nas turbinas dos aviões, que além de possuírem uma
geometria complexa, também precisam ser fabricadas em um material com alta
resistência a temperatura, e através do processo de prototipagem, esta peça poderia
ser fabricada de forma rápida e já em um material apropriado para suportas tais
temperaturas.
Devido a outro estudo que seria realizado, surgiu a necessidade do uso de
uma mesa com esta tecnologia, e a partir disto, a idéia de fabricar esta mesa.
9
2. OBJETIVO
Construção de uma mesa de deposição a laser que será automatizada, através
de motores de passo e programa em Visual Basic desenvolvido pelos alunos do
curso de Automação Industrial do IFSP, trabalhando em conjunto com o laser da
marca Synrad e com o programa Winmark que é responsável pelo acionamento do
laser, e também realizar testes de aplicações na fabricação de peças a partir de pós
metálicos. Esta construção deverá ter um baixo custo, que é um critério a ser
seguido para a realização deste trabalho.
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
A tecnologia de sinterização em leito (Powder bed laser deposition) envolve o
uso de um laser de alta potência (por exemplo, um laser de CO2) para fundir as
pequenas partículas de metal, cerâmica, ou pós para uma forma tridimensional
desejada. O laser funde seletivamente material em pó, digitalizando secções
transversais geradas a partir de uma descrição digital de 3-D da parte (por exemplo
a partir de um ficheiro de dados de verificação ou CAD) sobre a superfície de um
leito de pó. Depois de cada secção transversal é digitalizada, uma nova camada de
material é aplicado em cima, e o processo é repetido até que a peça seja concluída
(Laouib, 2006).
Existe também a tecnologia de sinterização direta (Direct laser sintering) onde
dentro da área de construção da câmara, existe uma plataforma de distribuição de
material e uma plataforma de construção, juntamente com uma lâmina usada para
mover o pó sobre a plataforma de construção, e usando o feixe de laser de maneira
focada. As peças são construídas de forma aditiva camada por camada, tipicamente
utilizam-se camadas de 20 micrómetros de espessura. Este processo permite que
peças de geometrias altamente complexas sejam criadas diretamente de arquivos
de CAD 3D, de forma totalmente automática, sem necessidade de utilização de
ferramentas, com alta precisão e resolução de detalhes, e também com boa
qualidade de superfície (Khainga, 2001).
Devido a esses processos envolvendo esta tecnologia, surgiram estudos de
aplicações em diversas áreas, como por exemplo, na área de biomedicina, onde foi
10
constatado que, nos últimos anos, o número total de pessoas com idade avançada
aumentou bruscamente. Prevê-se que existe uma imensa demanda de biomateriais
no futuro. Atualmente, os biomateriais metálicos são largamente utilizados como
implante cirúrgico, incluindo aço inoxidável, ligas de cobalto-cromo, titânio puro e Ti-
6Al-4V. E como a sinterização seletiva a laser (SLS), tal como a prototipagem rápida
podem gerar de forma livre, geometrias complexas, esta tecnologia pode ajudar de
forma considerável o futuro da biomedicina, criando próteses de forma rápida e de
alta eficiência (Shunli, 2013).
Esta tecnologia, além de poder ser utilizada na fabricação de diversos
segmentos (como por exemplo, na indústria aeroespacial, aviação, etc., e como foi
relatado anteriormente para implantes médicos), como também pode ser utilizada na
reparação de peças danificadas (Dey, 2013).
3.1. A HISTÓRIA DO LASER
Laser é uma abreviação das seguintes palavras: ”Light Amplification by
Stimulated Emission of Radiation", ou seja, amplificação da luz por emissão
estimulada de radiação.
O estudo e desenvolvimentos dos conhecimentos das radiações
eletromagnéticas tiveram grande apogeu no final do século passado, com as
invenções dos raios catódicos, raios x, radioisótopos, ondas de rádios e luz
incandescente (Steen, 2013; Mazumder, 2013).
A teoria de Einstein (1915-1916) sobre a emissão estimulada de luz teve
como base a teoria quântica proposta por Planck (1900). Essa teoria analisava as
relações entre a quantidade de energia liberada por processos atômicos. Assim,
Einstein discorreu sobre a interação de átomos, íons e moléculas com a radiação
eletromagnéticas em termos de absorção e emissão espontânea de radiação e,
concluiu que o terceiro processo de interação, a emissão estimulada, deveria existir
e nela, a radiação eletromagnética deveria ser produzida por um processo atômico
(Ion, 2006).
11
Na primeira metade do século XX, muitas pesquisas foram desenvolvidas e
em 1960, Theodore Maiman apresentou o primeiro Maser (microwave amplification
by stimulated emission of radiation), onde o autor conseguiu, pela primeira vez a
emissão estimulada de radiação pela excitação do rubi. Essa emissão estimulada
obtida com rubi estava localizada na faixa visível do espectro eletromagnético (Ion,
2006).
No ano seguinte, muitas novidades surgiram, pois Javan, Bennett e Herriot
apresentaram o laser de He-Ne , Johnson desenvolveu o laser de Nd:YAG e em
1964, Patel e colaboradores apresentaram o laser de Dióxido de Carbono, CO2 (Ion,
2006).
Quanto à interação do laser com a matéria pode-se dizer que a radiação laser
tem um número de propriedades únicas: alta densidade de potência, direcionamento
preciso, monocromaticidade e coerência. Essas propriedades possibilitam
concentrações de energia com densidades de potência variando de valores
extremamente baixos, e transferência rápida de quantidade de energia precisa para
o material sem contato físico. A transferência intensa de energia provoca a
ocorrência de modificações estruturais na camada superficial do material (Steen,
2013; Mazumder, 2013).
A prototipagem utiliza o laser para fusão de forma seletiva. As peças são
construídas sobre uma plataforma a qual está imediatamente abaixo da superfície
de um recipiente preenchido com o pó fusível por calor. O raio laser traça a primeira
camada, sinterizando o material. A plataforma é ligeiramente abaixada, reaplica-se o
pó e o raio laser traça a segunda camada. Sendo o laser o responsável para a
fundição não só de cada camada, como também para fundir uma camada à outra
(Steen, 2013; Mazumder, 2013).
3.2. UTILIDADES E APLICAÇÕES
A mesa é utilizada para a fabricação de objetos por prototipagem a laser, ou
seja, sinterização a laser que é uma técnica de fabricação que utiliza um laser como
12
fonte de energia para sinterizar o material em pó (normalmente metálico), a fim de
criar uma estrutura sólida. É uma tecnologia relativamente nova que até agora tem
sido principalmente utilizado para prototipagem rápida e de produção de baixo
volume de componentes. Podem-se fabricar peças de praticamente qualquer
geometria e alto grau de complexidade. Em comparação com outros métodos de
fabricação (como por exemplo o método de usinagem convencional, que possuem
limitações de geometria e material a serem fabricadas as peças, e dependendo da
utilização desta, se faz necessário algum tipo de tratamento, como por exemplo o de
têmpera) este pode produzir peças a partir de uma gama relativamente ampla de
materiais em pó disponíveis comercialmente. Pode se conseguir com que as
propriedades dos materiais sejam bem superiores, comparáveis com as dos
processos de fabricação convencionais. Os pós são geralmente produzidos por
moagem por esferas (Khainga, 2001).
3.3. A IDÉIA DA MESA DE PROTOTIPAGEM
A idéia da mesa de prototipagem surgiu quando foi constatada sua
necessidade, após dar início ao projeto "Desenvolvimento da tecnologia de
aplicação de revestimentos cerâmicos micro e nano-particulados via laser de CO2", a
partir disto foi elaborado um projeto mostrado a seguir, pela aluna de Graduação
Jéssica Azevedo, o qual foi seguido para que este projeto fosse posto em prática, e
então foi iniciada a sua fabricação.
3.4. A MESA
3.4.1. - O projeto em Solidworks
O projeto da mesa de prototipagem foi realizado pela aluna de Graduação
Jéssica Azevedo. As Figuras 1.a e 1.b mostram o projeto da máquina desenvolvido
em Solidworks 2012 e a vista explodida das peças que compõe a mesa. As
dimensões deste projeto podem variar conforme a necessidade de uso, neste caso,
a necessidade exige um cilindro com 90 milímetros de diâmetro e 100 milímetros de
curso verticalmente. As outras peças devem ser fabricadas de forma proporcional
13
para que atenda a necessidade de dimensões do cilindro.
Figura 1a. Projeto da mesa (Funcionamento desta, no item 3.5, pag. 16)
Figura 1b. Vista explodida
14
3.4.2 - A fabricação
A fabricação foi realizada nas oficinas do IFSP e IEAv.
A Figura 2 mostra o cilindro e a camisa de bronze fosforoso que são utilizados no
eixo z. Estas peças foram fabricadas no Torno semi-automático (marca Veker,
modelo FEL-1440GWM) do IFSP.
Figura 2. Cilindro
A Figura 3a mostra o sistema do reservatório de pó após a etapa de montagem.
Figura 3a. Reservatório de pó
15
A Figura 3b mostra a mesa no início do processo de montagem.
Figura 3b. Mesa no início da montagem
A Figura 3c mostra o sistema de eixo Z da mesa.
Figura 3c. Eixo Z
16
A Figura 3d mostra a mesa concluída.
Figura 3d. Mesa concluída
3.4.3 - O PROCESSO DE FABRICAÇÃO
A fabricação da mesa foi dividida, sendo uma parte do projeto, realizado por
alunos do curso de automação industrial, no IFSP, que fizeram a programação (em
Visual Basic), que faz com que a mesa interaja com o computador para o
deslocamento do eixo Z, e a parte de usinagem e montagem foi realizada nas
oficinas do IFSP e IEAv.
3.5. - FUNCIONAMENTO
Esta funciona de forma automatizada, em conjunto com o laser e o
computador responsável por controlar ambos.
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A mesa possui movimentação no eixo Z, e também no reservatório de pó,
sendo a movimentação nos eixos X e Y executada pelo laser.
As camadas de pós são sinterizadas sobre um substrato, que se trata de uma
base metálica (sendo o caso do objetivo da construção, o uso de pó metálico), onde
após o comando ser executado pelo operador, e com o substrato já posicionado, o
eixo Z descerá, para que o reservatório de pó deposite uma camada sobre o
substrato, e esta será sinterizada através da aplicação do laser, neste caso, de CO2,
e assim se tornará um ciclo, para que se construa uma camada sobre a outra.
O desenho da peça a ser sinterizada, é colocado no software que comanda o
cabeçote do laser, chamado Winmark, que será responsável por sinterizar a peça
camada a camada, de forma que no final ela atinja a geometria desejada.
4. MATERIAIS E MÉTODOS
4.1. - MATERIAIS UTILIZADOS PARA FABRICAÇÃO DA MESA
4.1.1 Bronze Fosforoso
O bronze foi utilizado para a confecção dos cilindros que servem de leito para a
deposição do pó.
4.1.2 Aço Inox
Utilizado na superfície da mesa devido a sua resistência e durabilidade, eixos
de deslocamento do depósito de pó e fuso do eixo Z.
4.1.3 Alumínio 7075
Em toda a estrutura e suportes da mesa.
4.1.4 Parafusos e arruelas
Responsáveis pela união das peças.
4.1.5 Corrente de rolos
Para o deslocamento do depósito de pó.
18
4.2. - MATERIAIS UTILIZADOS PARA FABRICAÇÃO DAS AMOSTRAS PARA TESTES DE PROTOTIPAGEM
4.2.1. Aço inoxidável
4.3. - MÉTODOS
4.3.1 Cilindros de bronze
Os cilindros foram usinados em um torno marca Veker, modelo FEL-
1440GWM, no Instituto Federal de São Paulo, utilizando a rotação de 460rpm e
avanço de 0,018mm/rotação, sendo a ferramenta, um inserto de metal duro de
geometria W, classe P.
4.3.2 Estruturas laterais e suporte para o cilindro em alumínio 7075
Foram usinadas em uma fresa marca Manrod modelo MR 9400 VC, no IEAv,
utilizando a rotação de 1200rpm e avanço de 200 mm/minuto, fazendo uso de uma
ferramenta de aço rápido com diâmetro de 10 mm.
4.3.3 Suportes com altura regulável em alumínio 7075
Usinados em uma fresa marca Nardini modelo ND 250, no IEAv, utilizando a
rotação de 1200rpm e avanço de 200 mm/minuto, fazendo uso de uma ferramenta
de aço rápido com diâmetro de 07 mm.
4.3.4 Suporte regulável para depósito de pó em alumínio 7075
Fabricados em uma fresa marca Nardini modelo ND 250, no IEAv, utilizando a
rotação de 1200rpm e avanço de 200 mm/minuto, utilizando uma ferramenta de aço
rápido com diâmetro de 07 mm.
4.3.5. - Laser e Scan Head
O laser utilizado é de CO2, da marca Synrad com potência de 125 watts, e é
utilizado com o Scan Head FH "Flyer", onde as marcas tem velocidades de até 450
19
caracteres por segundo.
4.3.6 - Deslocamento da mesa no eixo Z
O deslocamento da mesa no eixo Z, se mostrou necessário ser de no máximo
20 µm devido à espessura das camadas de prototipagem. Esse deslocamento foi
alcançado utilizando um motor de passo com 400 passos por revolução.
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES
5.1. TESTES DO EIXO Z COM O RELÓGIO COMPARADOR
Foram realizados testes por cinco vezes consecutivas com o relógio
comparador no eixo Z, colocando este apoiado no suporte de deslocamento do
cilindro e utilizando o motor de passo em sua máxima resolução, e foi constatado
que a movimentação do eixo se dava a cada 12 µm ± 1 µm em todas as vezes que o
teste foi realizado, ou seja, mais do que o necessário para a realização da
prototipagem.
5.2. TESTE DO RESERVATÓRIO DE PÓ
Foram realizados testes na movimentação e deposição, no reservatório de pó,
que se mostrou adequado para a operação, depositando conforme projetado, a
camada de pó após cada passagem do laser sobre a camada depositada
anteriormente.
5.3. TESTE DE FABRICAÇÃO DAS PEÇAS
Após todos os testes da mesa serem realizados, obteve-se os resultados
esperados na construção de peças a partir de pós metálicos.
As amostras fabricadas com a mesa foram lixadas e polidas, para assim
serem analisadas no microscópio marca Zeiss, modelo SteREO Discovery.V8, que
mostrou uma excelente densidade, e as espessuras de camadas obtidas foram de
20
20 µm, mostrando que a mesa atende aos requisitos para a fabricação por
deposição.
6. CONCLUSÃO
Conclui-se que a mesa atende a todos os requisitos para a operação de
prototipagem. As peças fabricadas com ela mostraram excelentes resultados após
serem analisadas. A fabricação da mesa mostrou-se extremamente viável com um
custo abaixo de R$ 10.000,00 (Dez mil Reais), e realizando com exatidão o trabalho
para o qual foi idealizada.
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