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  • VALDEMIR MARTINS LIRA

    Desenvolvimento de Processo de Prototipagem Rpida via

    Modelagem por deposio de formas livres sob temperatura

    ambiente de materiais alternativos

    So Paulo 2008

  • VALDEMIR MARTINS LIRA

    Desenvolvimento de Processo de Prototipagem Rpida via

    Modelagem por deposio de formas livres sob temperatura

    ambiente de materiais alternativos

    Tese apresentada Escola Politcnica da Universidade de So Paulo para obteno do Ttulo de Doutor em Engenharia

    So Paulo 2008

  • VALDEMIR MARTINS LIRA

    Desenvolvimento de Processo de Prototipagem Rpida via

    Modelagem por deposio de formas livres sob temperatura

    ambiente de materiais alternativos

    Tese apresentada Escola Politcnica da Universidade de So Paulo para obteno do Ttulo de Doutor em Engenharia

    rea de Concentrao:

    Engenharia Mecnica de Projeto e Fabricao Orientador: Prof. Dr. Gilmar Ferreira Batalha

    So Paulo 2008

  • DEDICATRIA Dedico este trabalho minha querida

    esposa, pela abdicao de horas de lazer

    e pela compreenso, para que eu

    pudesse iniciar, desenvolver e concluir

    esse trabalho ao longo dos ltimos sete

    anos e oito meses.

    Dedico aos nossos filhos, Denise (Nice) e

    Gustavo (Gu).

    Dedico tambm a minha me pelo

    incentivo em todos os momentos da

    minha vida e ao meu pai pelos

    ensinamentos de disciplina e do trabalho.

  • AGRADECIMENTOS

    O desenvolvimento desta pesquisa foi possvel, ao longo dos ltimos sete anos e

    oito meses, graas ao apoio e colaborao de diversas pessoas e instituies de

    ensino e de pesquisa, s quais manifesto meus agradecimentos:

    Ao Prof. Dr. Gilmar Ferreira Batalha por ter me orientado, nos ltimos dois anos, e

    fornecido grande contribuio para a estrutura, contedo e redao final do texto

    desta tese.

    Ao Prof. Dr. Marcos Ribeiro Pereira Barretto, por ter sugerido o tema desta tese e,

    ao longo dos quatro anos e seis meses iniciais, me orientado nessa pesquisa e por

    ter acreditado na persistncia desse doutorando.

    Ao Prof. Dr. Edlson Hiroshi Tamai, por ter fornecido grande contribuio no

    delineamento dos experimentos e na parte de clculo estatstico dessa pesquisa.

    Ao Tecnlogo Antonio Lopes Miranda, pela prestatividade e realizao da parte

    experimental dessa pesquisa (laboratrio de CNC, Fatec-SP ).

    Ao Engenheiro Mecnico Cristiano Faustino Silva, pela ajuda no desenvolvimento e

    montagem dos aparatos utilizados nos experimentos.

    Ao Supervisor Tcnico Israel Ferreira Alves (laboratrio de mecnica, UNICSUL),

    pela ajuda na usinagem das peas dos aparatos utilizados nos experimentos.

    Ao Tcnico Luciano Benitez Pereira (laboratrio de eletrnico, UNICSUL), pela ajuda

    na parte de implementao eltrica dos aparatos utilizados nos experimentos.

    Ao Sr Joo Carlos (micro empresa: Tornearia J/C), pelos servios prestados de

    tornearia, furao, solda e ajustagem realizadas em vrias peas dos aparatos

    utilizados nos experimentos.

  • Ao meu amigo austraco Nebo Praus, por ter me ensinado a falar as primeiras

    palavras da lngua alem.

    empresa SISGRAPH, na pessoa do Sr. Wilson Amaral, pela realizao de

    experimentos na mquina FDM (Fused Deposition Modeling).

    Ao Prof. Dr. Engelbert Westkmper, Diretor do IFF (Institut fr Industrielle Fertigung

    und Fabrikbetriebe), ao coordenador de grupo no IFF Eng. Axel Henning e ao

    coordenador de laboratrio no IFF Eng. Bernd Biesinger, todos da Universidade de

    Stuttgart, Alemanha pela oportunidade de realizao de estgio nesta instituio, em

    que pude observar a maneira de trabalhar, organizar e pesquisar do povo alemo.

    CAPES agncia de fomento pesquisa pela bolsa de estudo fornecida para o

    estgio na Universidade de Stuttgart, Alemanha.

    Ao Centro Estadual de Educao Tecnolgica Paula Souza (CEETPS), estado de

    So Paulo, pelo afastamento de minhas atividades como professor.

    Faculdade de Tecnologia de So Paulo (FATEC-SP), que possibilitou utilizao de

    equipamentos e do laboratrio para a parte experimental da pesquisa.

  • Es gibt nur eine Landstrae der Wissenschaft, und nur

    diejenigen haben Aussicht ihren hellen Gipfel zu

    erreichen, die die Ermdung beim Erklettern ihrer

    steilen Pfade nicht scheuen.

    (Karl Marx 1818 - 1883)

  • RESUMO

    Nos processos usuais de prototipagem rpida, a transformao do material para a

    construo do prottipo, de maneira geral, realizada por fuso ou polimerizao

    oriunda do aquecimento via laser ou resistncia eltrica. Isso, necessariamente, envolve

    equipamento especial para o processo de fuso e deposio do material para a

    construo das superfcies camada por camada, o controle de temperatura para

    assegurar a qualidade e o tratamento de gases exalados pela transformao entre

    outros. Essa forma de transformao nos processos de prototipagem rpida tem assim

    custos relativamente altos do prottipo e do equipamento. Uma alternativa para o

    processo de transformao inclui evidentemente outros materiais para construo do

    prottipo. Entretanto, no levantamento bibliogrfico realizado observou-se que no

    existem trabalhos que explorem materiais e processos alternativos. Assim vrios

    materiais foram analisados com base nas seguintes propriedades: processamento sob

    temperatura ambiente, capacidade de aderncia entre as camadas, tempo de

    consistncia e de cura do material, custo e disponibilidade no mercado nacional. Com

    base nesse estudo foi selecionado o seguinte material: compsito base de complexo

    de carboidrato, o qual transforma-se, de estado fsico, sob temperatura ambiente.

    Inicialmente analisaram-se os aspectos de aderncia e tempo de cura. Posteriormente

    estudaram-se as caractersticas dos dispositivos e dos processos Fused Layer Modeling

    (FLM). Baseado nesse estudo foi fabricado um dispositivo para se extrudar material em

    forma de filamentos. Em seguida modelou-se o cinematismo da velocidade de

    deposio do dispositivo extrusor e assim delinear o projeto de experimentos para se

    obter, do processo proposto, os aspectos qualitativo (operao, preparao, custos,

    utilizao dos prottipos, entre outros) e quantitativo (velocidade de deslocamento dos

    eixos X e Y, alturas entre camadas, rugosidade e forma geomtrica). Desse estudo

    resulta que a proposta demonstra potencial para aplicao na fabricao de

    mostrurios, peas de brinquedos, utilizao em cursos de formao profissional,

    prottipos para moldagem temperatura ambiente, moldes para fundio em areia.

    Palavras chaves: Prototipagem rpida, Solid Free Form, Modelagem por deposio,

    Extruso.

  • ABSTRACT

    In usual processes of rapid prototyping the transformation of the material into the

    prototype construction is usually made by fusion or polymerization by means of heating

    by laser or electrical resistance. It necessarily requires special equipment for the fusion

    process and deposition of material for the surface construction, layer on top of layer, the

    temperature control to certify quality, the treatment of exhalation during the

    transformation process, among others. This kind of transformation in the rapid

    prototyping process is relatively expensive compared with the conventional process of

    prototyping. An alternative for the transformation process includes, obviously, other kinds

    of material for the prototype construction. However, bibliographic research has show,

    that there are no such works which explore alternative materials and processes

    especially in the national context. Therefore, several kinds of material have been

    analyzed based on the following properties: required temperature for the work,

    adherence capacity between the layers, consistence time or cure time of the prototype,

    cost and availability on the national market. The following material was chosen, based on

    this study: a compound, based on a carbohydrate complex, because it transforms itself

    from the physical form at room temperature. First of all, adherence aspects and curing

    time were analyzed,. Then characteristics of the apparatuses and devices of the Fused

    Layer Modeling process (FLM). Based on these characteristics the project of the

    extrusion device was developed, to extrude the carbohydrate composite in form of

    filaments and its kinematics was modeled to determine the depositing speed and design

    of experiments to obtain, out of the proposed process, the qualitative aspects (operation,

    preparation, costs, utilization of the prototype, among others) and quantitative (speed of

    the dislocation of the table at x-y axis, height between the layers, roughness and

    geometric form, among others). At that rate the developed proposal shows potentiality to

    be used in production of showcases, toy pieces, utilization in course for professional

    training, prototypes for molding at room temperature, forms for sand castings.

    Key words: Rapid Prototyping, Solid Free Form, Modeling by deposition, Extrusion.

  • KURZFASSUNG

    Bei der Anwendung des blichen Rapid-Prototyping-Verfahrens erfolgt die Transformation

    des Materials zum Bau des Prototyps, im allgemeinen durch Fusion oder Polymerisation. Die

    Erhitzung erfolgt durch Laserstrahlen oder elektrische Resistenz. Es ergibt sich die

    Notiwendigkeit einer Anschaffung einer speziellen Anlage oder Einrichtung fr den

    Fusionsprozess und der schichtenweisen Ablagerung des Materials, zur Bildung der

    Oberflchen und der Temperaturkontrolle, um die Qualitt zu gewhrleisten. Ausserdem zur

    Behandlung der entweichenden Gase, die whrend der Transformation entstehen und vieles

    mehr. Der oben genannte Prozess erweist sich aber als relativ teuer, im Vergleich zum

    herkmmlichen Verfahren des Prototyping. Eine Alternative fr den Transformationprozess

    schliesst, unbestreitbar, auch andere Materialien ein. Doch zeigt eine bibliographische

    Bestandsaufnahme, dass noch keine Arbeiten vorliegen bei denen alternative Materialien

    und Prozesse angowandt wurden, wenigstens nicht im nationalen Landesbereich. Aus

    diesem Grunde wurden verschiedene Materialien, nach den folgenden Prinzipien,

    untersucht: Die Temperatur whrend der Arbeitsgnge oder des Prozesses, die Kapazitt

    der Haftfestigkeit zwischen den Schichten, die Bearbeitung und des Festwerdens, die

    Prototyp Kosten und die Verfgbarkeit auf dem Landesmarkt. Auf der Ergebnisse dieser

    Forschung wurde das folgende Material ausgewhlt: Composite auf der Basis von

    Kohlenhydrat Komplexen, denn dieses Produkt verndert seine physikalische Beschaffenheit

    bei Raumtemperatur. Zuerst wurden Aspekte der Haftfestigkeit und der Festwerde Zeit

    analysiert. Danach wurden die Notiwendigkeit der Apparatus der Vorrichtungen und der

    Prozesse der Fused Layer Modeling (FLM) analysiert. Auf Grund dieser Merkmale wurde

    der Bau der Extrusor Vorrichtung entwickelt, um das Composite in Faserform zu extrudieren.

    Ihre Kinetik wurde modelliert um die Geschwindigkeit der ablagerung zu bestimmen

    Versuche angestellt, um vom vorgeschlagenen Prozess, die qualitative Seite wie: den

    Arbeitsgang, die Vorbereitung, die Kosten, die Nutzung der Prototypen unter anderen und

    eben falls die quantitative Seite das heisst: die Verschiebungsgeschwindigkeit des Tisches

    auf den Achsen X und Y, die Hhen zwischen den Schichten, die Faltenbildung und die

    geometrische Form, unter anderen, zu erlangen. Folgende Merkmale konnten, auf diese

    Weise, beobachtet werden: Der Bau von Teilen bei Raumtemperatur, die niedrigen Kosten

    der Rohstoffe, ungiftiges Material, die Verbilligung und Vereinfachung des ganzen Prozesses

    und die Notiwendigkeit von Fabrikanlagen. Auf diese Weise zeigte der entwickelte Vorgang

    Potenzial fr die Anwendunge bei der Erzeugung von Schauksten, Spielzeugteilen, ebenso

    beim Einsatz in Kurszen der beruflichen Schulung. Es ist ebenfalls geeignet fr Prototypen

    zum Formen bei Raumtemperatur und als Gussform fr Guss im Sand.

    Kennworte: Rapid Prototyping, Solid Free Form, Modellierung von ablagerungen, Extrusion.

  • LISTA DE ILUSTRAES

    Figura 1 Nmero aproximado de mquinas de PR vendidas entre 1988 e 2000 e

    respectivos processos de PR...........................................................25

    Figura 2 Seqncia de desenvolvimento da pesquisa ...........................................28

    Figura 3 Uso da SFF (Solid Freeform Fabrication) ................................................33

    Figura 4 Principais etapas de utilizao de PR .....................................................35

    Figura 5 Seqncia de trabalho no sistema de PR ...............................................36

    Figura 6 Classificao de alguns processos de prototipagem rpida via estado da

    matria usada na construo do prottipo.......................................39

    Figura 7 Estado da matria para alguns processos de PR via Fused Layer

    Modeling (FLM) ...............................................................................46

    Figura 8 Detalhe da grandeza geomtrica da espessura da camada aderida: (a)

    compsito base de complexo de carboidrato, (b) compsito de

    matriz polimrica com reforo cermico ..........................................47

    Figura 9 Estado da matria-prima para alguns processos de PR via Fused Layer

    Modeling (FLM) com ramificao proposta .....................................47

    Figura 10 Detalhe das camadas: (a) - compsito base de complexo de

    carboidrato, (b) compsito de matriz polimrica com reforo

    cermico . ........................................................................................48

    Figura 11 Esquemas simplificados das mquinas Three Dimensional Printing (3DP)

    e Mult Jet Solidification (MJS)..........................................................52

    Figura 12 Esquemas simplificados das mquinas: Mult Jet Modeling (MJM) e

    Extrusora Prototipadora (EP) ...........................................................53

    Figura 13 Esquemas simplificados das mquinas Sanders ou Inkjet Modeling e

    Fused Deposition Modeling (FDM). .................................................55

    Figura 14 Diferentes estratgias de trajetrias.......................................................57

    Figura 15 Esquema do dispositivo para extrudar filamentos da MDTA .................59

    Figura 16 Elementos constituintes do sistema dispositivo extrusor . ...................63

    Figura 17 Grandezas dimensionais constituintes do sistema dispositivo extrusor

    ..................................................................................................................................65

    Figura 18 Diferenas dimensionais do dimetro do filamento antes e depois da

    extruso ...........................................................................................69

    Figura 19 Seqncia de etapas para cada procedimento . ....................................75

  • Figura 20 Entradas e respostas (qualitativas e quantitativas) da MDTA ................79

    Figura 21 Detalhe de prottipos de compsito base de complexo de carboidrato

    via MDTA. ........................................................................................91

    Figura 22 Detalhe de prottipos com acmulo de material nos pontos de parada

    para posterior movimentao na direo Z......................................92

    Figura 23 Detalhe das regies de movimentao dos eixos de paradas e

    desaceleraes para posterior movimentao na direo Z ...........93

    Figura 24 Dispositivo montado na fresadora CNC . ...............................................97

    Figura 25 Distncia do bico extrusor superfcie de deposio (D) e largura do

    filamento . ........................................................................................99

    Figura 26 Filamentos depositados sobre superfcie . ...........................................109

    Figura 27 Pea em forma circular e detalhe dos filamentos sobrepostos . ..........114

    Figura 28 Estratgia para a leitura dos picos e vales nos filamentos conforme

    norma DIN 4768 e inclinao das peas .......................................115

    Figura 29 Esquema do processo SLA e F&S.......................................................153

    Figura 30 Mquina de stereolithograpy, Instituto Fraunhofer para Automao

    Empresa: Fockele & Schwarze ......................................................154

    Figura 31 Esquema do processo SGC.................................................................158

    Figura 32 Mquina de SGC, modelo: SGC 5600 Empresa: Cubital ..................158

    Figura 33 Esquema do processo LS ....................................................................161

    Figura 34 Mquina de sinterizao, Instituto Fraunhofer para Automao

    Empresa: EOS ...............................................................................161

    Figura 35 Esquema do processo LOM.................................................................165

    Figura 36 Desmontagem dos blocos de material excedente................................165

    Figura 37 Mquina de LOM, Modelo: HELISYS 2030 Empresa: HELISYS.......166

    Figura 38 Esquema do processo FDM- Stratasys................................................169

    Figura 39 Mquina FDM, da empresa Stratasys .................................................169

    Figura 40 Esquema do processo MJM.................................................................171

    Figura 41 Mquina MJM, modelo: ThermoJet printer Empresa: 3D SYSTEMS

    ................................................................................................................................172

    Figura 42 Esquema do processo EP....................................................................174

    Figura 43 Mquina EP modelo: 16D75417 Mhlacker Empresa: EXTRUDEX

    KUNSTSTOFFMASCHINEN ...................................................................................174

    Figura 44 Detalhe da emenda da pea ................................................................176

  • Figura 45 Estratgias de trajetria do bico injetor para prottipo vazado (a) e

    macio (b) ......................................................................................177

    Figura 46 Grandezas dimensionais do prottipo fabricado nos experimentos com a

    FDM e EP. .....................................................................................184

    Figura 47 Forno eltrico utilizado nos experimentos ............................................195

    Figura 48 Etapas de trabalho durante o processo de fundio no forno eltrico..196

    Figura 49 Peas fundidas.....................................................................................196

  • LISTA DE GRFICOS

    Grfico 1 Intervalos limites das velocidades de deposio e da superfcie de

    deposio ........................................................................................86

    Grfico 2 Efeito da interao velocidade de deposio X distncia para deposio

    ................................................................................................................................102

    Grfico 3 Intervalos limites das velocidades de deposio e da superfcie de

    deposio e largura do filamento (vista superior). .........................107

    Grfico 4 Larguras mdias de filamentos na Velocidade terica 301 mm/min. e

    altura de deposio igual a 0,67 mm. ............................................110

    Grfico 5 Larguras mdias de filamentos na Velocidade terica 328 mm/min. e

    altura de deposio igual a 0,67 mm. ............................................111

    Grfico 6 Larguras mdias de filamentos na Velocidade terica 353 mm/min. e

    altura de deposio igual a 0,67 mm. ............................................111

  • LISTA DE TABELAS

    Tabela 1 Tecnologias de PR e a forma de transformao da matria ...................40

    Tabela 2 Processos de PR quanto qualificao ..................................................42

    Tabela 3 Rotaes via osciloscpio .......................................................................68

    Tabela 4 Larguras dos filamentos lidos via microscpio ptico..............................71

    Tabela 5 Velocidades mdias tericas em cada procedimento..............................76

    Tabela 6 Variveis de entrada x interaes entre variveis. ..................................84

    Tabela 7 Grandezas de construo do dispositivo extrusor .................................100

    Tabela 8 Valores das larguras das amostras de filamentos. ................................100

    Tabela 9 Anlise de varincia. .............................................................................101

    Tabela 10 Valores dos parmetros operacionais .................................................105

    Tabela 11 Valores das larguras das amostras de filamentos. ..............................105

    Tabela 12 Anlise de varincia. ...........................................................................106

    Tabela 13 Valores de velocidades de deposio e de velocidade limite de

    deslocamento da superfcie de deposio .....................................114

    Tabela 14 Efeito da velocidade de deposio (301 mm/min) e velocidade de

    deslocamento da superfcie de deposio = 290 mm/min na forma

    geomtrica e na rugosidade...........................................................116

    Tabela 15 Efeito da velocidade de deposio (301 mm/min) e velocidade de

    deslocamento da superfcie de deposio = 305 mm/min na forma

    geomtrica e na rugosidade...........................................................117

    Tabela 16 Efeito da velocidade de deposio (328 mm/min) e velocidade de

    deslocamento da superfcie de deposio = 318 mm/min na forma

    geomtrica e rugosidade................................................................118

    Tabela 17 Efeito da velocidade de deposio (328 mm/min) e velocidade de

    deslocamento da superfcie de deposio = 335 mm/min na forma

    geomtrica e na rugosidade...........................................................119

    Tabela 18 Efeito da velocidade de deposio (353 mm/min) e velocidade de

    deslocamento da superfcie de deposio = 330 mm/min na forma

    geomtrica e na rugosidade..........................................................120

    Tabela 19 Efeito da velocidade de deposio (353 mm/min) e Velocidade de

    deslocamento da superfcie de deposio = 367 mm/min na forma

    geomtrica e rugosidade................................................................121

  • Tabela 20 Dados de fabricao de prottipos via prototipagem convencional (PC) e

    via PR pela SL e FDM.............................................................................................145

    Tabela 21 Formatos de troca de dados para mquinas com Solid Free Form ( SFF)

    ................................................................................................................................151

    Tabela 22 Fabricantes e sistemas de PR via stereolithograpy.............................153

    Tabela 23 Fabricantes e sistemas de PR via Laser-Sinter...................................160

    Tabela 24 Fabricantes e sistemas de PR via Layer Laminate Manufacturing ......164

    Tabela 25 fabricantes e sistemas de PR Fused Layer Modeling..........................168

    Tabela 26 Comparativo de dados de preparao e operao entre sistema EP,

    FDM e MDTA. ................................................................................186

    Tabela 27 Comparativo dos dados dimensionais entre os sistemas EP, FDM e

    MDTA.............................................................................................188

    Tabela 28 Comparativo dos custos do material entre os sistemas EP, FDM e

    MDTA.............................................................................................189

    Tabela 29 Comparativo da utilizao entre os sistemas EP, FDM e MDTA.........191

  • LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

    2D Two-dimensional

    3D Three-dimensional

    3DP Three Dimensional Printing

    ABS Acrilonitrila butadieno stirol

    ASCII American Standard Code for Information Interchange

    CAD Computer Aided Design

    CAD3D Computer Aided Design Three Dimensional

    CAE Computer Aided Engineering

    CLI Commun Layer Interface

    CNC Computer Numerically Control

    DXF Drawing Exchange Format

    EDM Electro Discharge Machining

    EOS Electrical Optical Systems

    EMCO Erwin Mller Company

    EP Extrusora Prototipadora

    F & S Fockele und Schwarze

    FDM Fused Deposition Modeling

    FLM Fused Layer Modeling

    G Essa letra vem da lngua inglesa Go, que significa ir em portugus. Trata-se

    de um cdigo usado em programao de mquinas a CNC.

    HPGL Hewlett Packard Graphies Language

    IGES Initial Graphies Exchange Specification

    ITP Ingenieuerbro Dr. Theo Pintat

    LEAF Layer Exchange ASCII Format

    LENS Laser Engineered Net Shaping

    LLM Layer Laminate Manufacturing

    LMI Layer Manufacturing Interface

    LMP Layer Milling Process

    LMT Layer Manufacturing Technologies

    LOM Laminated Object Manufacturing

    LS Laser Sintering

    MDTA Modelagem por Deposio sob Temperatura Ambiente

  • MJM Multi Jet Modelling

    MJS Multiphase Jet Solidification

    NC Numerically Control

    PA Poliamida

    PC Policarbonato

    PC Prototipagem Convencional

    PLT Paper Layer Technology

    POM Polixido de metileno

    PP Polipropileno

    PS - Poliestireno

    PT Polimerizao Trmica

    PVC Polivinilclorida

    PR Prototipagem Rpida

    RPM Rotao por minuto

    RT Rapid Tooling

    RPI Rapid Prototyping Interface

    SAHP Selective Adhesive and Hot Press Process

    SET Standard dchange et de transfer

    SFF Solid Freeform Fabrication

    SGC Solid Ground Curing

    SL Stereolithograpy

    SLA Stereolithograpy Apparatus

    SLC Stereolithographie Contour

    SLI Slicing

    SLS Selective Laser-Sinter

    SOM Stratified Object Manufacturing

    STEP Standart for the Exchang of Product Model Data

    STL Stereolitography Tesselation Language

    TE Taxa de extruso

    UV Ultra Violet

    VDAFS Verband der Automobilhersteller Flchenschnittstelle

    X coordenada indicada pelo polegar (dedo da mo), regra da mo direita

    Y coordenada indicada pelo indicador (dedo da mo), regra da mo direita

    Z coordenada indicada pelo mdio (dedo da mo), regra da mo direita

  • LISTA DE SMBOLOS

    Acilindro rea do cilindro (mm2)

    D Distncia de deposio (mm)

    Db,, D_bico Dimetro interno do bico (mm)

    Dc Dimetro interno do cilindro (mm)

    Dfa Dimetro do filamento antes da deposio (mm)

    Dfd Dimetro do filamento aps a deposio (mm)

    f Freqncia (KHz)

    i Relao de transmisso (Adimensional)

    le Distncia entre picos e vales (conforme norma DIN 4768) (mm)

    lm Comprimento da amostragem (mm)

    N Nmero de ranhuras do encoder (Adimensional)

    P Passo do parafuso (mm)

    Q Vazo (cm3/hora)

    Qmc Vazo mdia na seco interna do cilindro (cm3/hora)

    Qmsb Vazo mdia na sada do bico (cm3/hora)

    Vd Velocidade de deposio (mm/min)

    Vmbolo Velocidade do mbolo (mm/min)

    Vmc Velocidade mdia na seco interna do cilindro (mm/min)

    Vmesa Velocidade de deslocamento da superfcie de deposio (mm/min)

    Vmesa ideal Velocidade de deslocamento ideal da superfcie de deposio

    (mm/min)

    Vreal, V0 Velocidade real (mm/min)

    Vrelativa Velocidade relativa (mm/min)

    Vsb Velocidade mdia de sada do material atravs do bico (mm/min)

    entrada, e Rotao de entrada (Rpm)

  • SUMRIO

    1. Introduo 23

    1.1. Motivao 23

    1.2. Objetivo geral 26

    1.3. Objetivo especfico 27

    1.4. Estrutura do trabalho 27

    2. A tecnologia da prototipagem rpida 30

    2.1. Aplicao da PR 32

    2.2. Viso Geral da tecnologia PR 34

    2.3. Processos de PR 37

    2.3.1. Classificao dos processos de PR via material 38

    2.3.2. Materiais utilizados na PR 40

    3. Proposio de processo de PR via Modelagem por Deposio

    sob Temperatura Ambiente (MDTA) 45

    3.1. Verificao da aderncia entre camadas 46

    3.2. Caractersticas de cura dos materiais selecionados para construo de

    prottipos 48

    4. Caractersticas dos processos e dispositivos na Fused Layer

    Modeling (FLM) e dispositivo extrusor da MDTA 50

    4.1. Caractersticas dos dispositivos extrusores processos Fused Layer

    Modeling (FLM) 50

    4.1.1. Three Dimensional Printing (3DP) 51

    4.1.2. Multiphase Jet Solidification (MJS) 51

    4.1.3. Mult Jet Modeling (MJM) 52

    4.1.4. Extrusora Prototipadora (EP) 53

    4.1.5. Sanders ou Inkjet Modeling 54

    4.1.6. Fused Deposition Modeling (Stratasys) 54

    4.2. Dispositivo extrusor da MDTA 55

  • 4.2.1. Croqui do dispositivo extrusor 58

    5. Modelagem cinemtica de sistema para extrudar material em

    forma de filamento sob temperatura ambiente 61

    5.1 Grandezas operacionais 61

    5.2. Modelagem 62

    5.3. Modelagem cinemtica do sistema extrusor 64

    5.4. Determinao dos parmetros do sistema extrusor 66

    5.4.1. Rotao 66

    5.5. Variao dimensional do dimetro do filamento 69

    5.5.1. Materiais e mtodos 70

    5.6. Determinao da velocidade terica de deposio 72

    5.6.1. Materiais e mtodos 72

    5.6.2. Experimentos 76

    5.6.3. Anlise dos resultados 76

    6. Projeto de experimentos 78

    6.1. Discretizao das variveis na MDTA 78

    6.1.1. Entradas na MDTA 79

    6.1.2. Respostas intermedirias na MDTA 82

    6.3 Intervalos entre velocidade de deposio e deslocamento da mesa para

    acmulo e falta de material 85

    6.4. Respostas qualitativas e quantitativas na MDTA 86

    7. Experimentos qualitativos da MDTA 87

    7.1. Materiais e mtodos 87

    7.1.1 Materiais 87

    7.1.2 Mtodos 88

    7.2 Experimentos 89

    7.3 Resultados e discusses 89

  • 8 Experimentos quantitativos 95

    8.1 Velocidade de deslocamento da mesa e distncias do bico extrusor na

    superfcie de deposio 95

    8.1.1 Materiais e mtodos 96

    8.1.2 Experimentos 99

    8.1.3 Anlise dos resultados 100

    8.2 Velocidade de deposio e relativa 102

    8.2.1 Materiais e mtodos 103

    8.2.2 Experimentos 104

    8.2.2 Anlise dos resultados 106

    8.3 Estudo de acmulo e de falta de material na largura do filamento 106

    8.3.1 Materiais e mtodos 108

    8.3.2 Anlise dos resultados 109

    8.4. Experimento quantitativo: forma geomtrica e rugosidade 112

    8.4.1 Materiais e mtodos 112

    9. Concluses 122

    9.1. Concluses sobre uso de material alternativo 122

    9.2. Concluses sobre uso dispositivo da MDTA 123

    9.3. Concluses dos experimentos qualitativos 124

    9.4. Concluses dos experimentos quantitativos 125

    9.5. Concluses finais da MDTA 126

    10. Sugestes para trabalhos futuros 128

    11. Bibliografia de referncia 131

    APNDICE A Viabilidade econmica da PR 142

    APNDICE B Exemplos de aplicaes da PR em algumas reas 147

    APNDICE C Gerao de arquivos para fatiamento 149

  • APNDICE D Processos de PR 153

    APNDICE E Estratgia da trajetria e programa em cdigo G 177

    APNDICE F Anlise comparativa 183

    APNDICE G Fundio de prottipos fabricados via processo da

    MDTA 195

    APNDICE H Sobre o autor 197

  • 23

    1. Introduo

    Neste captulo apresenta-se a motivao para a realizao da presente pesquisa,

    direcionada aplicao de materiais de baixo custo na tecnologia da prototipagem

    rpida. Descrevem-se tambm os objetivos gerais e especficos, bem como a

    estruturao dos contedos de cada captulo e apndices.

    1.1. Motivao

    O processo de globalizao do mercado e das indstrias possibilita a disseminao

    do know-how dos processos de fabricao de produtos e intensificam a concorrncia

    nacional e internacional. Em funo disso, na produo industrial, o desenvolvimento

    de produtos e processos est em constante aprimoramento, envolvendo prazos mais

    curtos e maior qualidade dos produtos. Nesse contexto de alta exigncia de

    inovao e tambm de reduo do ciclo de vida do produto, as empresas podem

    obter com a prototipagem rpida (PR)1, maior economia de custos e de tempo, na

    fase inicial do desenvolvimento de produtos (WESTKMPER, 2003).

    A concepo de produtos com apoio da PR contribui tambm para a automao e a

    informatizao do fluxo de informaes e, conseqentemente para sua

    racionalizao entre os departamentos de uma empresa, pois envolve intensa troca

    de informaes na fase de desenvolvimento do produto (WESTKMPER, 2003).

    Em um passado recente, os prottipos eram feitos, de posse do desenho do

    produto, por meio de mquinas convencionais usadas no cho-de-fbrica, como

    tornos, fresadoras, furadeiras entre outros. Tais processos, de uma maneira geral,

    encareciam o produto final. Com a PR, a construo de prottipos necessita de

    integrao de tecnologias mecnica, eletrnica e informtica em um processo

    produtivo, de modo a conceber e construir um prottipo em um curto espao de

    1 O termo prototipagem rpida em ingls corresponde a rapid prototyping.

  • 24

    tempo (FRITZ, NOORANI, 1999; GONALVES, A., 2000; HALLER, SIEGERT,

    2000).

    As empresas tm buscado na PR um meio para diminuir ainda mais o tempo e os

    custos na introduo de produtos no mercado (BREINTINGER, 2002). Essa

    tecnologia proporciona a identificao e a correo de erros j no estgio de esboo,

    durante o processo inicial de desenvolvimento, e ainda a previso, sem restries,

    de formas e geometrias para a construo de prottipos (HELD, 1996).

    Especificamente os processos de manufatura necessitam da elaborao de

    prottipos antes da produo em alta escala. O prottipo a primeira representao

    fsica e slida do que foi concebido e tem como finalidade confirmar que esse seja o

    produto desejado antes da sua produo em escala seriada. O prottipo deve

    contribuir com o processo de desenvolvimento do produto, com a reduo dos

    custos e do tempo de projeto, alm de explicitar a interao necessria entre os

    departamentos da empresa (MACHT, 1999).

    A expresso rpido melhor verdadeira em muitas reas produtivas

    (WESTKMPFER, 2003). Tudo o que contribui para a reduo do time-to-market2

    merece ateno especial.

    A tecnologia de PR nos dez primeiros anos, desde a introduo da primeria mquina

    em 1987, alcanou um nvel relativamente alto de atividade econmica. O termo

    rapid tem assim sido usado como palavra-chave para indicar a concepo e a

    manufatura moderna de produtos de vrios segmentos.

    No mundo, segundo Wohlers (2001), entre 1988 e 2000 foi constatada a existncia

    de aproximadamente 7000 mquinas de PR em uso, sendo aplicadas a mais de

    duas dezenas de diferentes reas. Observa-se na figura 1, que entre 1988 e 2000,

    as mquinas mais vendidas foram as que utilizavam o processo de

    Stereolithography3 e 3D Printing, da empresa americana 3D Systems.

    2 time-to-market : o tempo necessrio para se introduzir um produto no mercado. 3 O termo Stereolithography e os demais termos dos processos esto em ingls, pois a bibliografia pesquisada, seja em lngua portuguesa ou alem, assim o fazem.

  • 25

    Figura 1 Nmero aproximado de mquinas de PR vendidas entre 1988 e 2000 e respectivos processos de PR, adaptado de Wohlers (2001)

    A PR est sendo amplamente estudada nos ltimos anos (BIRKE, 2002)

    (BREINTINGER, 2002) (GEBHARDT, 2000) (KASCHKA, 1999) (PIEVERLING, 2002)

    (EBENHOCH, 2001) (GEIGER, 2000), sobretudo na viabilizao econmica da

    aplicao de mquinas especficas direcionadas para a automao desse processo,

    na melhoria de processos e na utilizao de novos materiais, etc.

    Apesar do inegvel avano alcanado nos ltimos anos, muito ainda h que se

    fazer, em especial em relao aos custos (Apndice A) envolvidos na tecnologia de

    PR. Tem-se, como exemplo, o estudo de materiais de baixo custo que possam

    atender s aplicaes especficas para a construo de prottipos.

    De maneira geral, as mquinas de PR apresentam elevado custo. Isso se deve, em

    parte, ao trabalho com materiais que, durante o processo, necessitam mudar seu

    estado fsico, por meio de aquecimento ou fuso, o que requer, durante a construo

    de prottipos, tratamentos especiais, como a eliminao de gases, geralmente

    txicos, resultantes e emitidos durante a transformao do material (EBENHOCH,

    2001).

    Ao analisar os processos de PR existentes, durante a construo do prottipo,

    observa-se que o material trabalhado sofre transformao fsica pela ao do laser

    ou por aquecimento. Esse processo exige cuidados especiais quanto manipulao

    do material, emisso de gases proveniente ao processamento do material, ao alto

    consumo de energia e ao alto custo de operao e manuteno.

  • 26

    Existe, assim, a necessidade de se estudar processos alternativos que utilizem

    materiais atxicos que dispensem o uso do laser ou de resistncia eltrica. Alm

    disso, tambm importante investigar a simplificao da mquina de PR no sentido

    de reduzir os custos de operao e manuteno.

    Observa-se ainda, que no contexto nacional, alternativas de materiais e processos

    que envolvam custos menores so ainda mais relevantes em virtude da carncia de

    recursos para investimentos de longo prazo e da dificuldade de acesso a materiais

    especficos.

    1.2. Objetivo geral

    O atual estgio de desenvolvimento tecnolgico de PR indica a existncia de ilhas

    de solues, em relao tecnologia nas mquinas para a construo de um

    prottipo, como a necessidade de avaliar outros materiais e processos de menor

    custo operacional. Alm disso, mquinas de PR de menores dimenses e melhor

    grau de empacotamento representam novas reas de aplicaes, como na

    fabricao de pequeno volume de produtos para o mercado, objetos personalizados,

    maquetes, moldes para peas de mostrurio, peas para fins didticos entre outros.

    grande tambm a viabilidade de instalao de mquinas com essas

    caractersticas, inclusive em ambientes no industriais, como escritrios, salas de

    aulas de faculdades (engenharia e tecnologia mecnica, civil, arquitetura, entre

    outras) e de escolas tcnicas, consultrios, pequenas oficinas e residncias etc.

    Dessa forma, o objetivo deste trabalho investigar e propor um novo processo de

    modelagem de PR decorrente do uso de materiais com custos relativamente

    acessveis, de modo a alavancar a tecnologia da PR no contexto nacional e, qui,

    no contexto internacional.

  • 27

    1.3. Objetivo especfico

    Para o desenvolvimento de um processo alternativo de PR em que se utiliza material

    para processamento sob temperatura ambiente ser necessrio:

    a) Selecionar material para ser utilizado na construo de prottipos sob

    temperatura ambiente;

    b) Construir um dispositivo extrusor;

    c) Modelar o sistema cinemtico dos elementos constituintes do dispositivo extrusor

    para se obter a velocidade de extruso do material extrudado em forma de filamento;

    d) Estudar as variveis de entradas (parmetros operacionais do processo

    proposto), respostas intermedirias (largura e espessura do filamento) e as

    respostas (qualitativas e quantitativas) do processo de modelagem por deposio

    sob temperatura ambiente durante a deposio de filamento do material escolhido

    para uso na fabricao de prottipos.

    1.4. Estrutura do trabalho

    Aps a apresentao da introduo, da motivao e dos objetivos (figura 2), no

    segundo captulo, tecida a reviso bibliogrfica da tecnologia de PR, realando-se

    os processos sob a tica do material, do meio de transformao do estado fsico dos

    materiais empregados na PR, e dos agentes de transformao e processamento

    desses materiais na fabricao de prottipos. Com base nisso, feita, no terceiro

    captulo, a apresentao do processo proposto de PR.

    No quarto captulo, descrevem-se os processos e os dispositivos usados nos

    sistemas tradicionais de PR por deposio de material, que serviro de base para

    construo do dispositivo. Ainda sobre o dispositivo, no quinto captulo, faz-se a

  • 28

    modelagem cinemtica, via elementos constituintes do sistema, para se extrudar

    material em forma de filamento sob temperatura ambiente. Tal procedimento visa

    obteno das grandezas operacionais que influenciam a operacionalidade do

    dispositivo e do processo e que iro determinar a forma geomtrica e a rugosidade

    durante a fabricao de prottipos sob temperatura ambiente.

    Figura 2 Seqncia de desenvolvimento da pesquisa

    No sexto captulo, delineado o projeto de experimento visando-se definio da

    estratgia que ser adotada nos experimentos com materiais sob temperatura

    ambiente para a obteno das caractersticas qualitativas (stimo captulo), e

    quantitativas (oitavo captulo), a fim de fundamentar o processo de prototipagem

    rpida proposto.

    No nono captulo, so apresentadas as concluses finais da pesquisa acerca dos

    experimentos qualitativos e quantitativos do processo proposto e, no dcimo

    captulo, so indicadas, para trabalhos futuros, vrias reas de aplicaes do

    processo proposto.

    Finalmente, no dcimo primeiro captulo, tem-se a bibliografia de referncia e na

    seqncia vrios apndices, como seguem:

  • 29

    APNDICE A: apresenta-se a viabilizao econmica da utilizao da PR, e

    comentrios sobre os aspectos estratgico e operativo, que serviro de parmetro

    na adoo de sistemas de PR;

    APNDICE B: exemplifica-se a aplicao da PR nas reas automobilstica, mdica,

    odontolgica e de fundio, possibilitando assim um detalhamento de utilizao da

    PR em vrios setores da sociedade.

    APNDICE C: apresenta-se a gerao de arquivos para fatiamento em 2D e 3D.

    APNDICE D: descrevem-se detalhadamente os processos de PR;

    APNDICE E: apresentam-se as estratgias de programao, em cdigo G, da

    trajetria do bico extrusor;

    APNDICE F: apresenta-se uma anlise comparativa entre o processo proposto de

    PR, o processo da Extrusora Prototipadora4 (EP) e a Fused Deposition Modeling

    (FDM);

    APNDICE G: apresenta-se o equipamento utilizado na fundio de prottipos

    fabricados pelo processo proposto, a descrio das etapas de fundio e tambm os

    modelos obtidos pela fundio;

    APNDICE H: informaes sobre o autor.

    4 Est denominao foi adotada pelo autor (APNDICE H), pois o processo est sendo desenvolvido na Universidade de Stuttgart, Alemanha, no sendo ainda um processo disponvel comercialmente.

  • 30

    2. A tecnologia da prototipagem rpida

    Neste captulo apresentam-se as caractersticas e as aplicaes da tecnologia da

    PR, destacando-se as etapas que envolvem a seqncia de trabalho para se

    fabricar uma pea e realando-se os materiais utilizados em tal processo. Com base

    nessa apresentao, ser proposto o processo de PR via modelagem por deposio

    sob temperatura ambiente.

    A tecnologia da PR teve sua aplicao prtica com a implementao da primeira

    mquina em 1987. Nesse momento inicial, os altos custos das mquinas de PR, o

    tempo ainda elevado no processo, a pouca disponibilidade de materiais e a pouca

    preciso dos prottipos resultantes limitavam a aceitao dos sistemas de PR. Tais

    caractersticas eram obstculos sua efetiva integrao no sistema industrial e a

    sua aplicao no desenvolvimento de produtos em outras reas, como na variante

    denominada de Rapid Tooling5 (RT) (LINDNER, 2002) (TECHEL, 1999) para atender

    as exigncias do mercado diante de novas tarefas e desafios no desenvolvimento de

    produtos.

    Esses desafios contriburam para o aprimoramento dos sistemas de PR, os quais

    apresentam as seguintes caractersticas:

    O princpio de construo do prottipo caracteriza-se pela adio de material em

    camadas sobrepostas umas sobre as outras (PIEVERLING, 2002) (BOURELL,

    BEAMAN, BARLOW, CRAWFORD, 1996);

    O prottipo construdo um modelo fsico, um mostrurio e um meio visual de

    comunicao (PIEVERLING, 2002);

    5 O termo Rapid Tooling pode ser entendido como a gerao e manufatura rpida de ferramentas, como moldes ou matrizes, pois o prottipo gerado uma ferramenta pronta para o seu uso.

  • 31

    Erros de projeto de produtos e outros problemas, como falha de fechamento de

    superfcies, durante o processo de desenvolvimento, so facilmente descobertos, o

    que permite alteraes e correes ainda na etapa inicial do desenvolvimento do

    produto (CAPUANO, 2000);

    Ainda na fase de concepo do produto, via modelagem tridimensional, pode-se

    desenvolver e trabalhar geometrias complexas e que podero ser construdas na

    mquina de PR (KNSTNER, 2002);

    A PR oferece flexibilidade para alterar um produto, prever o perodo de

    construo, ainda na fase de desenvolvimento, sem uso de recursos, equipamentos

    e pessoal adicionais. Essa flexibilidade possibilita ainda determinar o custo de

    construo e do produto, no estgio de desenvolvimento do projeto (KIMURA, 2002);

    O desenvolvimento do prottipo contribui para a especificao dos dados do

    produto e da gesto do processo de produo, no sentido de envolver a estruturao

    do fluxo de informaes entre diversos departamentos da empresa. Todos os dados

    do prottipo so transferidos e armazenados, para posterior trabalho, como a

    definio da trajetria do laser sobre uma superfcie. Isso realizado nos softwares

    da mquina de PR para o processo de sua construo. Assim, esses dados so

    importantes para o aprimoramento do produto e do processo de fabricao

    (BRANDNER, 1999);

    Como o processo de construo de prottipos automatizado, possvel a

    previso e a determinao mais criteriosa do tempo de desenvolvimento de produtos

    (MLLER, WEITZEL, 2003);

    O prottipo construdo com preciso centesimal em termos de nvel de

    detalhamento, qualidade superficial, de dimenses da rea de trabalho (envelope) e

    de caractersticas tecnolgicas, como resistncia mecnica e processos

    subseqentes (GEBHARDT, 2000).

  • 32

    Tais caractersticas potencializam o uso da PR na melhoria do processo de

    desenvolvimento de produtos, mas a sua adoo como ferramenta de

    desenvolvimento de produtos deve ser analisada e considerada junto com outros

    fatores, tais como:

    Disponibilidade de um sistema Computer Aided Design Three Dimension (CAD -

    3D) para a modelagem da forma volumtrica do prottipo considerado;

    Avaliao econmica do processo de PR que atende a exigncia da qualidade

    dentro de certas restries de tempo;

    Custos diretos e indiretos envolvidos no processo de PR;

    Capacidade e desempenho do sistema de PR;

    Tempo envolvidos na preparao da mquina;

    Custos do material a ser utilizado e trabalhado na construo do prottipo;

    necessidade de retrabalho, etc.

    Tais consideraes so fundamentais na anlise de adoo de um sistema de PR

    para o desenvolvimento de produtos (APNDICE A).

    Nos itens subseqentes, far-se- uma descrio da tecnologia da PR no tocante

    sua aplicao e principais caractersticas em termos de gerao de dados, softwares

    utilizados, tipos de processo e materiais utilizados.

    2.1. Aplicao da PR

    Segundo Wohlers (2003), em 2002, no mercado mundial havia aproximadamente

    10.000 mquinas do processo Solid Free Form6 (SFF). Uma anlise do uso dessas

    6 O SFF um sistema para a modelagem (desenho) de formas geomtricas tridimensionais diretamente no CAD.

  • 33

    mquinas apresentada na figura 3, na qual nota-se que a manufatura direta

    representa somente 3,9% da utilizao em 2003, sendo portanto a rea com maior

    potencial de crescimento nessa tecnologia.

    J os modelos funcionais (figura 3) representam 22,4% e envolvem a construo de

    prottipos para anlise de funcionalidade e de sua forma geomtrica, isto , para

    anlise da aplicabilidade. Dessa anlise derivam-se importantes mecanismos para

    quantificar a matria-prima a ser utilizada e prever as dimenses e precises

    envolvidas no produto.

    Figura 3 Uso da SFF (Solid Freeform Fabrication) (WOHLERS, 2003)

    Freqentemente, os prottipos construdos so modelos fsicos que servem de

    assistncia visual para a fabricao da ferramenta (4,9%) ou mesmo propostas

    intuitivas como funo de mostrurio do produto (4,0%).

    Os modelos servem ao estudo ergomtrico (3,4%) e tambm como assistncia

    visual para engenheiros (15,3%). Tais aplicaes, somadas, correspondem a 38,7%

    dos casos de utilizao de PR. Nesses casos, a facilidade e a rapidez de construo

    do prottipo e o seu custo so fatores fundamentais, isto , a PR s justificada

    quando efetivamente facilita a etapa inicial de desenvolvimento de produtos.

  • 34

    A PR utilizada para satisfazer a exigncia de alguns processos, como a fundio

    sob presso, que necessita de moldes especiais (9,2%), de componentes para

    ferramentaria (6,2%) e de molde para prottipos de ferramentaria rpida (10,6%).

    Nesses casos, o prottipo gerado o molde, que deve ter alta preciso dimensional,

    excelente acabamento superficial, adequada resistncia ao calor e satisfatria

    dureza.

    Para se obter mais informaes sobre as reas de aplicao da PR indica-se o

    apndice B, no qual mesmo exemplificam-se vrias aplicaes da PR em reas

    distintas.

    2.2. Viso Geral da tecnologia PR

    A etapa inicial para se obter um prottipo envolve a elaborao do desenho, isto ,

    as representaes geomtricas do modelo slido com apoio de um sistema CAD

    (figura 4). Inicialmente, nesse sistema, tem-se a etapa de concepo do prottipo e a

    definio de sua forma geomtrica (GEUER, 1996), que so armazenadas, em geral,

    em formato STL7.

    Os dados geomtricos em arquivo representam o prottipo que , ento, fatiado

    com um software apropriado, de acordo com a especificao da mquina de PR. As

    fatias ou camadas do prottipo so verificadas no intuito de corrigir eventuais erros

    oriundos da fase de desenvolvimento do modelo slido do prottipo no sistema CAD

    e, nesta etapa, feita, se necessria, correo de falhas onde no ocorre o

    fechamento dos planos de superfcie do desenho do modelo slido do prottipo.

    Esse tratamento essencial para a construo do prottipo.

    7 STL a abreviao das palavras em ingls stereolithography tesselation language, o qual um formato de arquivo, que gera finitos tringulos. Estes tringulos representam toda superfcie do modelo, para que o mesmo seja reconhecido, no software de fatiamento, por tringulos e fatiado em camadas de espessuras finas. _______________________________________________________

  • 35

    A seguir define-se a trajetria para processos que necessitam de deslocamentos no

    eixo X e Y ou somente em X. Tais possibilidades de trajetrias sero discutidas no

    item 4.2.

    Nas etapas finais deste procedimento, obtm-se o prottipo por meio de um dos

    processos gerativos e que posteriormente poder necessitar de operaes de

    acabamentos ou ps-processamentos (figura 4).

    Figura 4 Principais etapas de utilizao de PR (elaborado pelo autor)

    Observa-se que, desde o lanamento da primeira mquina de PR, em 1987, at os

    dias de hoje, novos processos e novas mquinas tm sido desenvolvidos, de modo

    que foram apresentadas, na figura 4, as etapas gerais e mais comumente

    encontradas.

    Com base nas etapas de utilizao de PR, a seguir, apresentada a seqncia de

    trabalho no sistema de PR para se construir um prottipo:

    Modelo no CAD:

    - Gerao do modelo em 3D no CAD (figura 5A);

  • 36

    Arquivamento:

    - O arquivo no CAD pode ser armazenado em formato STL (figura 5B), que uma a

    forma de entrada muito usada nas mquinas PR.

    Gerao da estrutura de suporte:

    - Evitar algum desnivelamento da plataforma;

    - Assegurar que o modelo possa ser fabricado com sucesso;

    - Proporcionar que a base que tem o modelo seja removida facilmente.

    Fatiamento:

    - A pea e a estrutura de suporte devem ser fatiados (figura 5C );

    - A pea matematicamente seccionada, pelo software, em camadas paralelas e

    horizontais ao longo do eixo Z (figura 5D).

    - Cada seco da camada (figura 5E) armazenada e suas coordenadas (X e Y),

    transferidas para posterior elaborao da trajetria.

    Trajetria do (s) extrusor (es) ou do foco do laser :

    - Determinao da trajetria do material a ser depositado ou foco do laser que,

    deslocando-se no eixo X, Y ou somente no eixo X, descrever o perfil da camada

    seccionada (figura 5F);

    - Seleo da linha com valor de compensao e do fator de contrao.

    Figura 5 Seqncia de trabalho no sistema de PR (elaborado pelo autor)

  • 37

    Interface mquina PR:

    - O modelo processado e a estrutura tm seus dados tratados em formatos, como

    STL (Stereolitography Tesselation Language), SLC (Stereolithographie Contour), CLI

    (Common Layer Interface), RPI (Rapid Prototyping Interface), LEAF (Layer

    Exchange ASCII Format), LMI (Layer Manufacturing Interface), HPGL (Hewlett

    Packard Graphies Language). Tais formatos so detalhados no apndice C.

    Construo do prottipo:

    - A seguir, construdo o prottipo camada por camada (figura 5G);

    Operaes posteriores:

    - Retirada de suporte e acabamento usando-se soluo concentrada em

    reservatrio.

    2.3. Processos de PR

    A seguir, far-se- uma descrio dos materiais empregados no processo de PR, em

    termos de estados fsicos, apresentando-se os principais tipos e agentes. Tal anlise

    possibilitar o entendimento da influncia do material nos processos de PR e,

    conseqentemente, do aparato necessrio para se realizar a transformao do

    material durante a construo do prottipo.

    Indica-se o apndice D para um conhecimento direcionado para cada tipo de

    processo no tocante s caractersticas de fabricao, funcionais e de aplicao do

    prottipo em cada sistema de PR.

  • 38

    2.3.1. Classificao dos processos de PR via material

    Quando, em 1987, foi lanado no mercado o processo de PR baseado em

    stereolithography, o laser era o agente de transformao para polimerizar8 um

    material do estado lquido para o slido. Hoje possvel a escolha entre cerca de 20

    diferentes processos, nos quais o material para construo do prottipo pode estar

    nos trs estados da matria (slido, lquido e gasoso) (figura 6). Partindo de

    diferentes princpios fsicos, a tcnica de construo de prottipos foi mudada ao

    longo dos anos (CAND, WELLBROCK, MUELLER, MUELLER, 2002) e os processos

    de PR podem ser classificados via estado inicial da matria.

    Em geral, os processos de PR transformam o estado fsico do material (slido

    lquido ou lquido slido) por fuso via laser, resistncia eltrica ou polimerizao,

    entre outros tratamentos, para construir os prottipos (KNSTNER, 2002;

    GEBHARDT, 2000; CAND, WELLBROCK, MUELLER, MUELLER, 2002). Na figura

    6, observa-se que a caracterstica do material rege o agente de transformao

    (laser, resistncia eltrica), de modo que mquinas de PR podem trabalhar com

    resinas termoestveis, utilizadas nos processos via laser (stereolithograpy), como

    ps-metlicos e no-metlicos (laser sinter), ou termoplsticos (Fused Deposition

    Modeling) entre outros.

    Devido transformao fsica envolvida, esses processos exigem dispositivos

    especiais, como o laser, para transformar o estado fsico do material, e

    equipamentos embarcados nas mquinas, para tratar, por exemplo, gases

    produzidos durante a fuso do material devido ao efeito do uso do laser. Alm disso,

    o laser, como elemento de transformao dos materiais, requer um controle preciso

    do foco (KRAUS, 1997) (WOLF, 2003) e tambm dos parmetros operacionais

    (velocidade de deslocamento, profundidade do foco na resina, espessura da

    camada, etc) assim como da potncia, para fundir a resina ou o metal (MUNHOZ,

    1997). Tais obstculos, de maneira geral, encarecem o processo de PR.

    8 transformar, via reao qumica, um polmero.

  • 39

    Figura 6 Classificao de alguns processos de prototipagem rpida via estado da matria usada na construo do prottipo, adaptada de Gebhardt, 2000

  • 40

    2.3.2. Materiais utilizados na PR

    Os processos de PR usam materiais no metlicos ou metlicos na construo do

    prottipo. Nota-se, na tabela 1, que vrios processos utilizam o laser ou a resistncia

    eltrica para transformar material plstico, papel, metal, entre outros, para se fabricar

    prottipos. O material plstico pode ser transformado via laser, como no processo

    denominado Laser sinter, no qual o p plstico fundido. J a resina liquida

    polimerizada, via processo Stereolithography, e transformada em material slido.

    Tabela 1 Tecnologias de PR e a forma de transformao da matria (elaborado pelo autor)

    Sistema Sigla Forma de transformao da matria

    Stereolithograpy Apparatus SLA

    Stereos -

    Stereolithographie F & S

    Solid Ground Curing SGC

    Stereolithographie

    (SL)

    Microstereolithographie -

    A resina lquida curada por meio de uma

    fonte laser.

    Selective Laser-Sinter SLS

    Laser Sinter

    (LS) Laser-Sinter LS

    A resina plstica em p sinterizada por meio de uma fonte laser; Areia impregnada com resina e sinterizada por meio de uma fonte laser; Sinterizao de ps-metlicos por meio de uma fonte laser.

    Laminated Object

    Manufacturing

    LOM

    Rapid Prototyping System -

    Selective Adhesive and Hot

    Press Process

    SAHP

    JP Systems 5 -

    Layer Milling Process LMP

    Stratoconception -

    Layer Laminate Manufacturing

    (LLM

    )

    Stratified Object Manufacturing SOM

    Lminas de papel especial, superpostas, coladas e recortadas por meio de uma fonte de laser; Folhas planas de papel comum superpostas, coladas e recortadas com estilete.

  • 41

    Continuao da tabela 1

    Sistema Sigla Forma de transformao da matria

    Fused Deposition Modeling FDM

    Multiphase Jet Solidification MJS

    3D-Plotter -

    ModelMaker -

    Fused Layer

    Modeling (FLM

    )

    Multi Jet Modelling MJM

    Deposio de uma camada plstica de resina. Deposio de um termopolmero em camadas, como a impressora jato de tinta.

    Rapid Prototyping System -

    Rapid Tooling System -

    Three

    Dimensional

    Printing (3D

    P)

    Direct Shell Production Casting DSPC

    Utiliza-se aglutinante que aspergido sobre p plstico ou cermico; Outra possibilidade usar resina foto sensvel como aglutinante sob o material. Essa resina, sob o material, , em seguida, curada sob luz ultravioleta.

    Laser

    Generation

    (LG

    )

    Laser Engineered Net Shaping

    (Optomec) ou Laser Cladding

    LENS Fuso e deposio de p de ao por meio de uma fonte laser.

    Ao analisar os resultados dos critrios quantitativos dos processos de PR para a

    gerao do prottipo, (tabela 2), observa-se que, nos processos de PR que usam o

    raio ultravioleta (famlia Stereolithograpy, Laser Sinter e Layer Laminate

    Manufacturing) h um maior nmero de parmetros para controle do laser. Isso

    limita a reprodutibilidade dos parmetros, pois o controle desses parmetros, como o

    foco, a velocidade de varredura, o comando e o controle do processo, difcil e

    influencia o resultado do processo, devido tambm natureza do material (FINKE,

    FEENSTRA, 2002) (CHANG, 2004).

    Essas variveis dificultam a otimizao do processo de construo. So vantajosos,

    portanto, os processos via Fused Layer Modeling (FLM), que no se baseiam no uso

    do laser para a gerao do prottipo. Esse o caso do FDM, que um processo de

    PR que, em relao aos processos SLA e SGC via Stereolithography, SLS via Laser

    Sinter e LOM (via Layer Laminate Manufacturing), apresenta menor nmero de

    restries tcnicas eficincia de rendimento do laser ou do dimetro do foco

    durante o processo de construo do prottipo.

  • 42

    Tabela 2 Processos de PR quanto qualificao, baseado em Ebenhoch (2001)

    Famlia

    Stereolithography

    Laser Sinter Layer Laminate

    Manufacturing

    Fused Layer

    Modeling

    Processos SLA SGC SLS LOM FDM MJM

    Presente no mercado

    Custos

    Rugosidade

    Escalonamento

    Variedade de material

    Parmetro do processo

    Caracterstica

    mecnica

    Efeito da contrao

    Material do prottipo

    NO APROPRIADO; POUCO APROPRIADO; APROPRIADO COM RESTRIES;

    APROPRIADO; MUITO APROPRIADO.

    Especificamente o processo SLS (famlia Laser Sinter), embora apresente alto

    potencial de uso, aplicado, principalmente, na gerao de prottipos metlicos

    devido grande variedade de material.

    De forma mais especfica, as caractersticas avaliadas na prototipagem rpida e

    apresentadas na tabela 2 so as seguintes:

    Presena no mercado: considera-se o nmero de equipamentos vendidos desde

    o incio da comercializao de cada processo;

    Custos: valores gastos com materiais e equipamento;

    Variao dimensional: compararam-se as tolerncias dimensionais resultantes no

    contorno da pea, em relao aos eixos X e Y, com as do contorno do projeto do

    produto;

  • 43

    Escalonamento: o deslocamento do bico extrusor do dispositivo extrusor ou foco

    do laser na direo do eixo Z;

    Variedade de material: para cada processo analisado, verificou-se a possibilidade

    de usar materiais diferentes, tais como termoplstico e/ou material metlico, entre

    outros;

    Parmetros do processo: verificou-se a quantidade de parmetros operacionais

    para controle do laser ou temperatura de fuso e a influncia das caractersticas do

    material;

    Caracterstica mecnica: avaliou-se o alongamento do prottipo via tenso;

    Dimenso: avaliou-se a contrao e a deformao do material em funo das

    dimenses em X, Y e Z;

    Material do prottipo: avaliou-se a durabilidade do prottipo em funo do tempo.

    Pelo exposto, nota-se que, embora grandes avanos tcnicos tenham sido obtidos,

    por diferentes processos de transformao do estado fsico do material, no foram

    identificados trabalhos sobre processo de PR temperatura ambiente de materiais

    alternativos, que no necessitam de transformao fsica.

    Em outras palavras, o potencial dos materiais com cura e com certas caractersticas

    mecnicas no tem sido devidamente explorado para a construo de um prottipo.

    Alm disso, em funo de, em princpio, no serem necessrios dispositivos

    especiais, os custos tambm devem ser menores se comparados com os custos

    envolvidos nos processos estudados anteriormente, de modo especfico na

    utilizao de materiais de baixo custo, pois os materiais trabalhados nesses

    processos so, de maneira geral, importados, tornando-se caros e,

    conseqentemente, de difcil obteno.

    De qualquer modo, independentemente do processo considerado, os prottipos

    construdos devem ser avaliados por suas caractersticas operacionais: custo de

  • 44

    material, potencialidade de aplicao na indstria ou na rea educacional, preciso

    dimensional, tempo de cura, tempo de preparao e consumo de energia.

    Alm desses aspectos, a mquina de PR deve ser de simples construo e ter

    dimenses reduzidas, possibilitando seu uso em qualquer ambiente e para

    aplicaes especficas.

  • 45

    3. Proposio de processo de PR via Modelagem por Deposio

    sob Temperatura Ambiente (MDTA)

    Neste captulo, sero apresentados os critrios para a seleo do material cujo

    estado fsico ser transformado sob temperatura ambiente e, posteriormente,

    analisam-se os aspectos de aderncia e tempo de cura. Tais informaes sero

    observadas nos experimentos qualitativos e, em seguida, nos experimentos

    quantitativos.

    Conforme verificado no captulo 2, os processos de PR transformam o estado fsico

    do material (slido lquido ou lquido slido) por fuso via laser, resistncia

    eltrica ou polimerizao durante a construo de prottipos. Esses processos

    exigem sistemas de tratamento de gases, de proteo e de refrigerao, entre

    outros. Diante dessas observaes, pesquisaram-se materiais base de sulfato de

    clcio e de carboidrato, com os quais realizaram-se experimentos sob temperatura

    ambiente at se chegar a um novo processo para construir um prottipo visual, via

    modelagem por deposio sob essa condio, com baixo custo.

    Para a seleo dos materiais, inicialmente consideram-se o processamento sob

    temperatura ambiente, a cura9 e a capacidade de aderncia entre as camadas, que

    uma caracterstica importante nos processos via modelagem por deposio.

    Tambm foram considerados aspectos como o baixo custo e a atoxidade do

    material, entre outros. Com isso, buscou-se h possibilidade de construir prottipos

    visuais e funcionais.

    Baseados nas caractersticas, descritas acima, foram selecionados os seguintes

    materiais: compsito base de complexo de carboidrato e compsito de matriz

    polimrica com reforo cermico.

    9 um processo que representa uma mudana nas propriedades fsicas de um material (normalmente lquido para slido), mediante reao qumica, ao de calor, catalisadores ou agentes de cura, isolados ou em combinao.

  • 46

    3.1. Verificao da aderncia entre camadas

    A aderncia entre camadas um aspecto fundamental nos processos de PR.

    Especificamente nos processos via Fused Layer Modeling (FLM), a aderncia entre

    camadas obtida por fuso do material (figura 7). Essa forma de transformao

    necessita o controle da temperatura do ambiente em que ocorre a fuso, no qual o

    prottipo construdo (WEITZEL, 2003) (KNSTNER, 2002).

    Figura 7 Estado da matria-prima para alguns processos de PR via Fused Layer Modeling (FLM) (elaborado pelo autor)

    Para verificao da aderncia entre as camadas, foram, assim, considerados

    materiais potenciais que mudam seu estado fsico temperatura ambiente.

    O experimento inicial realizado foi depositar o material, manualmente, em camadas

    uma sobre as outras e verificar, aps a cura, se ocorre ou no a aderncia entre as

    camadas.

    Por meio dos resultados do uso tanto do compsito base de complexo de

    carboidrato (figura 8-a) quanto o compsito de matriz polimrica com reforo

    cermico (figura 8-b), observou-se aps a cura que ocorre aderncia de camadas

  • 47

    umas sobre as outras. A espessura e a altura da camada tm 0,64 mm10,

    correspondente ao dimetro do bico extrusor.

    Figura 8 Detalhe da grandeza geomtrica da espessura da camada aderida: (a) compsito base de complexo de carboidrato, (b) compsito de matriz polimrica com reforo cermico (elaborado pelo autor)

    As caractersticas avaliadas nos experimentos realizados so consideradas como

    um indicativo concreto de uso desses materiais na construo de prottipos, o que

    define uma nova ramificao (figura 9) dos processos de PR baseada em deposio

    de material sem aquecimento, ou seja, sob temperatura ambiente.

    Figura 9 Estado da matria-prima para alguns processos de PR via Fused Layer Modeling (FLM) com ramificao proposta (elaborado pelo autor)

    10 Esse valor corresponde ao dimetro do bico lido via microscpio ptico (ampliao de 82x).

  • 48

    3.2. Caractersticas de cura dos materiais selecionados para construo

    de prottipos

    Na figura 10, tm-se os detalhes das camadas construdas com os materiais

    selecionados. Nota-se que as camadas do compsito base de complexo de

    carboidrato (figura 10 - a) ficaram mais uniformes que as do compsito de matriz

    polimrica com reforo cermico (figura 10 - b). Isso ocorre, pois o compsito base

    de complexo de carboidrato mais homogneo que o do compsito de matriz

    polimrica com reforo cermico e tambm devido ao tempo de reao qumica de

    cada material tanto dentro quanto fora do dispositivo. Alm disso, Bellini, Shor e

    Guceri (2005) constataram que a cermica ocasiona entupimento do bico extrusor

    interrompendo o fluxo de material e Tseng e Tanaka (2003) verificaram que o tempo

    de cura da matriz polimrica de cermica abreviado sob temperatura ambiente.

    Figura 10 Detalhe das camadas: (a) - compsito base de complexo de carboidrato, (b) compsito de matriz polimrica com reforo cermico (elaborado pelo autor).

    O perodo de transformao do estado pastoso para o slido foi determinado via

    tempo de consistncia11 de 25 min para o compsito de matriz polimrica com

    reforo cermico, de modo a no ser possvel gerar prottipos macios, pois

    necessita-se de 3 min para o preparo do compsito e de 2 min para confinar o

    compsito dentro do cilindro e fixar, via rosca, o bico extrusor no cilindro.

    11 Critrio desenvolvido pelo autor: a consistncia fsica do compsito foi obtida ao ser solicitado por compresso, usando um bloco (20gr) de metal, emulando-se assim o peso correspondente a vrias camadas sobrepostas do mesmo compsito. Usando-se uma lupa de ampliao 20x, observa-se que ocorreu deformao visual imperceptvel.

  • 49

    Na preparao da mquina, dispende-se em torno de 1 min, para determinar a

    distncia ideal do bico extrusor at a face da superfcie de deposio do material.

    necessrio ressaltar ainda que, desde o preparo do material at o incio da

    deposio o compsito tende a obter consistncia por reao qumica, dentro do

    cilindro, o que impossibilita a construo de vrias camadas para se fabricar o

    prottipo macio. Com base nessas caractersticas, torna-se necessrio, portanto,

    desenvolver um dispositivo apropriado para realizar a deposio do compsito de

    matriz polimrica com reforo cermico.

    Para o compsito base de complexo de carboidrato, o tempo de cura foi de 24

    horas, levando-se em considerao a temperatura ambiente de 25C. Com esses

    resultados, vantajoso usar esse compsito na construo de prottipos que

    necessitam ser fabricados em perodos longos.

    Por fim, a constatao de aderncia entre as camadas dos materiais pesquisados,

    que podem ser trabalhados sob temperatura ambiente, e o conhecimento preliminar

    das caractersticas de cura do compsito so indcios para o uso dele na construo

    de prottipos.

    Antes, porm, foi necessrio a construo de um dispositivo (captulo 4), para

    extrudar os materiais (compsito base de complexo de carboidrato e o compsito

    de matriz polimrica com reforo cermico), na forma de pasta, e proceder

    modelagem do sistema extrusor (captulo 5) e investigao dos aspectos

    qualitativos (captulo 7) e das grandezas operacionais quantitativas (captulo 8).

  • 50

    4. Caractersticas dos processos e dispositivos na Fused Layer Modeling (FLM) e dispositivo extrusor da MDTA

    Neste captulo apresentam-se as caractersticas dos aparatos, dos dispositivos e dos

    processos Fused Layer Modeling (FLM). Com base nessas caractersticas, ser

    desenvolvido o projeto do dispositivo extrusor usado no MDTA para se extrudar o

    compsito base de carboidrato e para, no captulo 5, realizar a modelagem dos

    parmetros operacionais a serem utilizados nos experimentos qualitativo e

    quantitativo.

    4.1. Caractersticas dos dispositivos extrusores processos Fused

    Layer Modeling (FLM)

    O estado da matria e as caractersticas intrnsecas do material (DOMININGHAUS,

    1998) (SCHRAMM, 2006) determinam as caractersticas do processamento

    (MANRICH, 2005) e do tipo de aparato e dispositivo para realizar a mudana de

    estado da matria. Para essa transformao, nos processos de PR, utilizam-se

    diferentes tcnicas e, basicamente, dois elementos de transformao que so o

    laser ou a resistncia eltrica, os quais influncia, diretamente, os parmetros de

    preparao, de operao, de construo e o produto final do prottipo.

    O conhecimento dos processos de PR por deposio, especificamente dos

    processos Fused Layer Modeling (FLM) e as caractersticas construtivas dos

    dispositivos desses processos devem ser analisados para servir de base de

    construo do dispositivo extrusor no processo MDTA. Para tanto so descritos

    abaixo os processos da famlia FLM.

  • 51

    4.1.1. Three Dimensional Printing (3DP)

    Nesse processo, a mquina espalha, sobre a superfcie da plataforma, uma camada

    de p contido na caixa da alimentao, por meio de um pisto, que se movimenta na

    direo Z (figura 11). O sistema, ento, injeta, por meio de um cabeote tipo jato de

    tinta (cabeote de aquecimento), um aglutinante, que expelido em gotculas.

    O jato aglutinante absorvido pela camada depositada, dando forma primeira

    camada. O p no aglutinado suporta as camadas que sero impressas acima de

    outras. Para a formao da segunda camada e das subseqentes, o pisto

    movimenta-se na direo Z e uma nova camada de p espalhada sobre superfcie.

    O processo repetido at a completa deposio de todas as camadas e, finalmente,

    o pisto iado e o p no absorvido retirado.

    Nesse processo, h necessidade de limpeza, aps o trabalho, do aglutinante

    impregnado nos bicos para evitar entupimento dos mesmos. Alm disso, o controle

    de deposio do aglutinante deve garantir velocidade de deposio sem variao,

    evitando assim que o aglutinante seja espalhado em excesso ou insuficientemente,

    na largura e na espessura da camada, o que altera as medidas no prottipo

    (GEBHARDT, 2000), (EBENHOCH, 2001) (BIRKE, 2002)

    4.1.2. Multiphase Jet Solidification (MJS)

    Na figura 11, apresenta-se o princpio bsico do MJS, que extrudar material

    metlico e cermico de alta densidade, fundido por um bico. O material usado

    constitudo de p, aglutinante e mistura, sendo que somente o aglutinante fundido

    durante o processo. O material aquecido acima do ponto de fuso do aglutinante.

    Um pisto desloca a mistura para ser injetada por um bico injetor. H necessidade

    de cmara de aquecimento e a temperatura de extruso varia de 0C at 200C. A

    temperatura da cmara deve ser de aproximadamente 1C. A cmara tambm pode

  • 52

    receber mais material por meio de um sistema de reservatrio especial para admitir

    matria-prima preparada. Nesse processo, deve haver rea de construo para

    minimizar a variao da temperatura da atmosfera do envelope e proporcionar seu

    controle.

    Na transmisso por correia, no processo MJS, ocorre escorregamento. Isso faz

    variar a velocidade de deslocamento do parafuso e, conseqentemente, a

    velocidade de deposio, acarretando irregularidades na largura e na espessura da

    camada (GREULICH, GREUL, PINTAT, 1995).

    Figura 11 Esquemas simplificados das mquinas Three Dimensional Printing (3DP) e Mult Jet Solidification (MJS), adaptadas de Greulich, Greul, Pintat, 1995.

    4.1.3. Mult Jet Modeling (MJM)

    O prottipo fabricado sobre uma plataforma (figura 12). A cera termoplstica

    fundida e depositada pelo injetor (cabeote de presso), que tem 96 pontos de sada

    para extruso. A plataforma movimenta-se em X e Y (deslocamento horizontal), de

    acordo com a geometria da camada. Para se gerar a camada seguinte, a plataforma

    desloca-se na direo Z (deslocamento vertical), com certa dimenso para se

    depositar as demais camadas. Nesse processo, o controle da temperatura para

    fundir a cera deve garantir consistncia apropriada e, assim, evitar que o material

    seja espalhado em excesso ou insuficientemente, influindo na largura e na

  • 53

    espessura da camada, o que alterava as medidas no prottipo (GEBHARDT, 2000),

    (EBENHOCH, 2001) (BIRKE, 2002).

    4.1.4. Extrusora Prototipadora (EP)

    Na mquina EP (figura 12), o termoplstico extrudado pelo parafuso de movimento

    e depositado, camada por camada, atravs de um bico extrusor com 0,5 mm

    dimetro sobre uma mesa. A mquina de 2 eixos, de modo que os eixos x e y

    param ao se descer a mesa.

    Nesse processo, o material extrudado de forma contnua. Isso pode ocasionar

    depsito de material excedente; ocorre mudana das caractersticas fsicas do

    material ainda no parafuso devido o contato com outro material; presso no

    constante durante a fluidez do material. H ainda a necessidade de otimizao da

    trajetria do bico extrusor, durante a deposio do material, devido dificuldade

    para controlar o acionamento e a interrupo do depsito de material, embora esses

    procedimentos sejam rpidos.

    Figura 12 Esquemas simplificados das mquinas: Mult Jet Modeling (MJM), adaptada de Gebhardt (2000) e de Birke (2003) e Extrusora Prototipadora (EP) (elaborado pelo autor).

  • 54

    4.1.5. Sanders ou Inkjet Modeling

    Esse sistema de prototipagem baseia-se em um extrusor plotter, o qual transforma o

    material de estado slido para o lquido (figura 13). O extrusor tem dois cabeotes,

    sendo um para depositar o termoplstico (C), que o material de construo do

    prottipo, e outro para depositar cera para a confeco do suporte, de salincias e

    de cavidades (I) durante o ciclo de construo, de modo a proporcionar

    diferenciao entre ambos.

    Os cabeotes extrusores para depositar material de construo e de suporte

    constroem substrato, assim como espaos uniformes (chamados micro-droplets).

    Esses droplets podem ser localizados em algum local desejado acima do substrato

    de construo dentro de 0,007 mm na direo do eixo X e Y. Aps a deposio, uma

    usinagem com fresa feita na direo Z com preciso de 0,013 mm.

    A velocidade do plotter na direo Z no constante, de modo a haver variao de

    acabamento da superfcie fresada e, conseqentemente, no acabamento superficial

    da camada, o que influencia na deposio de outra camada. O acabamento final do

    prottipo se d com imerso em solvente para diluir a cera do suporte e lavar o

    prottipo para posterior uso na fundio em casca, sem necessidade de etapas de

    operaes posteriores (GEBHARDT, 2000).

    4.1.6. Fused Deposition Modeling (Stratasys)

    Nesse caso, assim como na EP, os modelos so construdos por deposio de

    camadas, uma sobre a outra, com uso de um material termoplstico fluidificado por

    aquecimento que extrudado, para a construo das camadas da fatia do prottipo.

    Para a mquina abaixo (figura 13), o material termoplstico usado apresenta-se

    inicialmente em forma de fio e injetado por meio de um bico extrusor com

  • 55

    dimetro12 com variao decimal de mm. Esse material depositado por um

    cabeote extrusor a uma temperatura controlada para aquec-lo, at chegar ao

    estado pastoso.

    O cabeote extruda e deposita o material em camadas sobre uma base de baixa

    aderncia, ou seja, material para suporte. O material posicionado precisamente

    sobre as camadas j extrudadas e ento solidificado. necessria a construo

    de proteo, em muitos casos, devido fuso do material.

    medida que os roletes se desgastam devido ao uso, ocorre o escorregamento do

    material entre eles, o que faz variar a velocidade de deposio e,

    conseqentemente, o aparecimento de irregularidades na largura e na espessura da

    camada(GEBHARDT, 2000), (EBENHOCH, 2001) (BIRKE, 2002).

    Figura 13 Esquemas simplificados das mquinas Sanders ou Inkjet Modeling e Fused Deposition Modeling (FDM), adaptadas de Gebhardt (2000), Ebenhoch (2001) e Birke (2003).

    4.2. Dispositivo extrusor da MDTA

    Apoiando-se nas caractersticas dos processos descritos, observa-se que a forma

    construtiva do dispositivo dever realizar o processamento de deposio do

    12 O valor do dimetro varia de acordo com o modelo e porte da mquina FDM.

  • 56

    compsito base de carboidrato na forma pastosa, via sistema de extruso contnua

    de material em forma de filamentos, como no FDM, EP, MJS e Sanders. Assim,

    descartando-se os processos 3DP e MJM, pois o conceito de deposio destes

    ltimos baseia-se em multi deposies de material.

    No processo FDM, em que o material est no estado slido e em forma de fio,

    utilizam-se rolos para empurrar o material para dentro do cebeote extrusor,

    processo de extruso que tambm realizado na EP usando-se parafuso, pois o

    material encontra-se na forma granulada. J no sistema Sanders, o plotter composto

    por dois extrusores transformam a cera, inicialmente no estado slido em lquido.

    Para o aplainamento da camada depositada, usa-se a operao de fresamento para

    aplainamento da superfcie de cada fatia plotada.

    No sistema MJS, o parafuso extruda o material, que composto por aglutinante

    (lquido), termoplstico ou metal (p), que adquirem a forma pastosa, similar do

    compsito base de carboidrato. Em virtude de tal semelhana, essa estratgia ser

    utilizada para projetar o dispositivo da MDTA. Embora no se tenha informaes dos

    componentes mecnicos, tais como motor eltrico, relao de transmisso, presso

    de trabalho, entre outros, sabe-se que o sistema de transmisso por correia

    deficiente para manter a velocidade de deposio constante. Logo, no dispositivo da

    MDTA ser utilizada a transmisso por engrenagens.

    Em relao aos processos da famlia FLM, outro aspecto importante a ser

    considerado no projeto do dispositivo a trajetria realizada para construir cada

    camada do prottipo (ASIABANPOUR, KHOSHNEVIS, 2004), (YARDIMCI, GUCERI,

    1996). Na figura 14, por exemplo, observa-se que existem duas possibilidades de

    gerao da trajetria para se construir um prottipo, quais sejam:

    a) Trajetria com deslocamentos da mesa na direo dos eixos X e Y: nessa

    situao, h necessidade de definir deslocamentos para processos via deposio,

    tais como FDM, MJS, EP e Sanders, nos quais o bico extrusor no repete o

  • 57

    deslocamento na mesma camada, evitando-se assim o acmulo de material (AHN et

    al, 2002). J para os processos SLA, F&S, SLS, LS, LENS, LOM e SAHP, os quais

    usam laser focado sobre uma superfcie, no existe acmulo de material, pois no

    ocorre depsito de material e imediata a interrupo da ao do laser sobre a

    superfcie.

    b) Nos processos MJM e 3DP (figura 14) a trajetria com deslocamentos da mesa

    realizado na direo dos eixos X. Nesse caso, os bicos injetores cobrem o campo de

    atuao da camada, de modo a no serem necessrios deslocamentos no eixo Y. O

    controle do depsito do material feito pela interrupo de injetores ao ser

    deslocado no eixo X, para que no ocorra acmulo de material na mesma camada.

    Figura 14 Diferentes estratgias de trajetrias (elaborado pelo autor).

    No processo SGC (figura 14), a construo do prottipo realizada pela ao da

    lmpada sobre uma mscara, que foi previamente gerada com a forma da camada,

    de modo a no se necessitar de deslocamentos tanto no eixo X quanto no eixo Y.

    A estratgia para trajetria em X e Y envolve a construo de cada camada do

    prottipo com um material que depositado atravs de bico (s) extrusores (es) ou

    foco do laser. Nesse contexto, a trajetria do injetor calculada considerando-se as

    caractersticas do material isto , se ele slido, fluidificado ou em p , assim com

  • 58

    do processo de transformao fsica utilizado, por exemplo, fuso via laser ou

    resistncia eltrica, etc. Estes so alguns dos fatores que influenciam a estratgia de

    deslocamentos na direo X e Y do extrusor no processo de deposio de material,

    que pode ser, por exemplo, em forma de fio (FDM), em forma de pasta (MJS) ou em

    forma de gros (EP).

    4.2.1. Croqui do dispositivo extrusor

    A figura 15 mostra em perspectiva o dispositivo extrusor13 de matria-prima

    alternativa sob temperatura ambiente para se extrudar filamentos e fabricar um

    prottipo, camada a camada, via deposio de material.

    Conforme o que ilustra a figura 15, o dispositivo extrusor consiste em um corpo (3),

    no qual montado um cilindro reservatrio (4) e tambm as guias de deslocamentos

    lineares (5), que guiaro o redutor de velocidade (2) a fim de comprimir o bico

    pressionador (9) contra o mbolo (6) e este contra a matria-prima confinada no

    cilindro reservatrio14 (4) para que esta seja extrudada.

    Ainda no corpo (3), tem-se montada uma bucha roscada (7) para atuar como suporte

    ao parafuso de movimento (8) para que este direcione o deslocamento advindo do

    redutor de velocidade, unido pelo acoplamento (13), ao bico pressionador (9), usado

    para deslocar o mbolo (6) contra a matria-prima alternativa. A matria-prima, ao

    ser pressionada contra o mbolo (6), gera presso. Para reduzi-la, usou-se uma

    esfera (11) entre esses dois elementos.

    O fim de curso do parafuso de movimento (8) controlado por um sensor (10) que

    emite um sinal para desligar o motor (1) e assim efetuar-se a troca do cilindro

    reservatrio (4) vazio.

    13 Dispositivo patenteado. Tal patente foi elaborada pelo autor e registrada no Instituto Nacional da Propriedade Industrial (INPI) sob cdigo: PI 0602546-3. 14 Nele o material confinado e, sob presso, um filamento cilndrico extrudado atravs de um bico de dimetro de sada igual a 0,64mm.

  • 59

    O motor (1) acionado por uma fonte varivel, que permite o ajuste da tenso, a

    qual rege a rotao do motor. H ainda um sensor de rotao (encoder), acoplado

    ao motor, para determinar, com preciso, o valor da rotao.

    Figura 15 Esquema do dispositivo para extrudar filamentos da MDTA (elaborado pelo autor). Na presente disposio, o cilindro reservatrio (4) vazio desmontado do corpo (3)

    somente se o bico pressionador (9) estiver totalmente recuado. O movimento de

    recuo ou de avano do bico pressionador (9) possvel, pois o mesmo se encontra

    unido ao parafuso de movimento (8) pelo parafuso (12) montado radialmente.

    Assim, o dispositivo extrusor funciona diferentemente dos demais, pelo fato de usar

    matria-prima alternativa sob temperatura ambiente, a qual confinada em um

    cilindro reservatrio (4). Alm disso, o processo de troca do reservatrio realizado

    de forma rpida e simples como segue: quando o cilindro reservatrio (4) apresenta-

  • 60

    se vazio, emitido um sinal, via sensor (10), para inverter o sentido de giro do motor

    (1) e, ao realizar o recuo do bico pressionador (9), faz-se a substituio do cilindro

    reservatrio vazio.

    Por meio desse dispositivo, possvel realizar vrios estudos. Dentre essas

    possibilidades de estudo, destacam-se:

    Utilizao de diversos materiais em estado pastoso que possam ser injetados sob

    temperatura ambiente;

    Flexibilidade no uso e instalao em fresadora CNC;

    Determinao dos parmetros de trabalho, entre outros;

    Construo de prottipos visuais e prottipos funcionais para a fundio em areia,

    entre outros materiais.

    Por fim, no captulo 5, ser realizada a modelagem do sistema injetor para posterior

    determinao das grandezas operacionais do sistema.

  • 61

    5. Modelagem cinemtica de sistema para extrudar material em

    forma de filamento sob temperatura ambiente

    Nesse captulo, apresenta-se um resumo dos parmetros nos processos de RP e a

    importncia da modelagem do dispositivo extrusor para se obter a determinao

    experimental das grandezas operacionais a serem utilizadas durante a fabricao de

    peas.

    5.1 Grandezas operacionais

    Nas mquinas de usinagem convencional, as peas (metlicas ou no metlicas)

    so fabricadas pela retirada de material pela ao de ferramentas. Nessa tcnica,

    so consideradas grandezas operacionais, como avano da ferramenta, rotao da

    ferramenta (fresamento) ou pea (torneamento), profundidade de usinagem,

    velocidade de corte, entre outras (FERRARESI, 1985) (DINIZ, MARCONDES,

    COPPINI, 1998) (BELLINI, SHOR, GUCERI, 2005) (CHANG, 2004).

    Para atender tecnicamente tais exigncias, as estruturas mecnicas, devem ser

    capazes de vencer inrcias ou aes de massas, foras assim como o torque

    dinmico e tambm dispositivos eletrnicos (drive) que ofeream avanos,

    aceleraes e desaceleraes suaves gerados via algoritmos apropriados.

    J as grandezas envolvidas nos processos de PR diferem das dos processos

    convencionais de usinagem, pois o princpio de gerao de prottipos, nas mquinas

    de PR, realizado camada sobre camada usando-se resinas termoestveis, como

    no Fused Deposition Modeling (FDM), no qual os parmetros so os seguintes:

    tempo de aquecimento, vazo do material, presso de trabalho, velocidade de

    deslocamentos no eixo X, Y e X e tempo de pausa, vazo de deposio, entre

    outros.

  • 62

    As grandezas operacionais no FDM so oriundas das caractersticas do material e

    do aparato e so tratadas para realizar as condies de transformao do material

    de slido para lquido ou vice-versa. Nesse processo, durante a deposio de

    material, o fluxo contnuo, de modo que a determinao das variveis operacionais

    importante para se fabricar um prottipo com as formas, dimenses e tolerncias

    que o processo capaz de fabricar sem que ocorra filamento com falta ou acmulo

    de material.

    Objetiva-se, assim, modelar o cinematismo dos elementos constituintes de um

    sistema injetor para depositar material em forma de filamento sob temperatura

    ambiente. Para tanto determina-se experimentalmente a vazo de deposio do

    compsito para que posteriormente, seja determinada a velocidade de deposio e

    obtenham-se, assim, as grandezas operacionais que influenciam a forma geomtrica

    e a rugosidade durante a gerao de prottipos sob temperatura ambiente.

    5.2. Modelagem

    Na figura 16, apresenta-se o sistema do dispositivo, extrudor, como segue: o motor

    DC transmite movimento para a caixa de reduo e esta para o parafuso trapezoidal,

    na direo Z, com baixa rotao, controlando, conseqentemente, a velocidade de

    deposio do material atravs do bico extrusor.

    No item 2, tem-se o redutor de velocidade acoplado ao parafuso trapezoidal, o qual

    transmite movimento a um mbolo alojado dentro do cilindro, o qual desloca o

    material confinado no cilindro. O material, sob presso, extrudado a fim de fabricar

    um prottipo com camadas de mesma dimenso sobre a mesa com deslocamento

    horizontal.

  • 63

    Figura 16 Elementos constituintes do sistema dispositivo extrusor (elaborado pelo autor).

    No sistema do extrusor descrito, a velocidade de avano do mbolo que desloca o

    material atravs do dimetro interno do cilindro obtida por meio da relao entre a

    vazo e a rea da seco transversal do cilindro:

    cilindro

    mboloA

    QV = (1)

    A expresso 1, acima, resultante da transmisso que antecede e movimenta o

    mbolo, que, por sua vez, deslocar o material confinado no cilindro (figura 17).

    A velocidade de avano considera a relao entre o dimetro do cilindro e do bico

    extrusor. Portanto, a velocidade de deslizamento do material corresponder

    velocidade de deposio terica, que poder ser diferente da velocidade de

    deposio real, pois a compressibilidade e a elasticidade do compsito a ser

    extrudado influenciaro na diferena de dimetros do filamento antes e depois da

    extruso, de modo que se faz necessria uma modelagem, como segue.

  • 64

    5.3. Modelagem cinemtica do sistema extrusor

    A modelagem cinemtica do extrusor baseia-se nos conceitos de extruso de

    polmeros (MANRICH, 2005) e no sistema de escoamento do fludos (BRUNETT,

    1974) conforme as grandezas ilustradas na figura 17. Nesse modelo observa-se que

    a vazo ocorre em cada ponto da seco do cilindro pode ser dada pela expresso:

    =A

    vdaQ (2)

    Define-se velocidade mdia na seco interna do cilindro (Vmc) como sendo uma

    velocidade uniforme que, substituda pela velocidade real (Vreal), reproduz a mesma

    vazo na seco.

    AVvdaQ mc== = vdaAVmc1

    (3)

    Pelo diagrama da curva, tem-se:

    2

    2

    1 CyCV += (4)

    Ao determinarem-se as constantes C1 e C2 pelas condies de contorno, obtm-se a

    seguinte relao:

    2

    2

    4Y

    D

    vv

    c

    o= (5)

    Usando-se a expresso 3, determinada a velocidade mdia na seco interna do

    cilindro, como segue:

    dyvDD

    V c

    D

    c

    m

    c

    2

    02

    4

    1

    =

    (5a)

  • 65

    Figura 17 Grandezas dimensionais constituintes do sistema dispositivo extrusor (LIRA, TAMAI, BATALHA, 2008).

    Substituindo-se 4 (expresso acima) pela expresso 5 e simplificando-a, temos a

    velocidade mdia na seco interna do cilindro (Vmc) em funo da velocidade real

    (Vo), como segue:

    omc VV 2

    = (5b)

    Na expresso (5b), a velocidade real (Vo) igual velocidade de avano do

    parafuso, que considera o produto entre a rotao de entrada (entrada) e o passo da

    rosca (P). O resultado desse produto dividido pela relao de transmisso (i). Por

    fim, ao se substiturem tais grandezas na velocidade real (Vo) na expresso acima,

    tem-se:

    Pi

    V entradamc

    2

    = (6)

    Conforme a figura 17, a velocidade mdia de sada do material atravs do bico

    (Vmsb) dada em funo da velocidade real (Vo):

    omsb VV 2

    = (7)

  • 66

    Sendo a vazo mdia na seco interna do cilindro (Qmc) igual vazo mdia na

    sada do bico (Qmsb), tem-se:

    msbmc QQ = (8)

    Resolvendo-se a igualdade, tem-se a velocidade de sada (Vsb) de material atravs

    do bico para materiais pouco compressveis (em torno de 5%). A expresso abaixo

    considera a relao entre o dimetro do cilindro (Dc) e do bico (Db):

    PiD

    DV e

    b

    c

    sb ..

    2

    = (9)

    5.4. Determinao dos parmetros do sistema extrusor

    Nos itens que se seguem, sero apresentados os experimentos realizados para a

    validao do sistema cinemtico para mover o material confinado no cilindro do

    dispositivo, para assim se determinar a velocidade de sada do material.

    5.4.1. Rotao

    a grandeza de entrada do sistema mecnico e principia a movimentao do

    mbolo de encontro ao material confinado no cilindro, que ser extrudado atravs do

    bico.

    importante determinar o valor desse parmetro operacional durante a deposio,

    principalmente com o motor realizando trabalho para extrudar o material atravs do

    bico, assim garantindo o valor numrico aproximado dessa grandeza, que ser

    utilizado no sistema extrusor para se determinar a velocidade terica de deposio.

  • 67

    5.4.1.2. Materiais e mtodos

    A seguir so descritos os materiais e mtodos usados para a determinao da

    rotao do motor eltrico.

    5.4.1.2.1. Materiais

    Para a realizao dos experimentos, utilizou-se um dispositivo (figura 16), o qual, ao

    acionar o motor de corrente contnua, impe movimento caixa de reduo e esta

    ao parafuso trapezoidal, na direo Z.

    A rotao deve ser determinada e sua mensurao obtida com uso de osciloscpio

    (marca: Tektronik TDS 2002). Nesse dispositivo l-se a freqncia gerada pelo

    encoder acoplado ao eixo do motor, que, conseqentemente, controla a velocidade

    de deposio do material atravs do bico extrusor 0,64 mm, com tolerncia de +

    0,01 mm, lida via microscpio ptico.

    5.4.1.2.2. Mtodos

    Ajustou-se a intensidade da tenso em valores pr-determinados para se obter uma

    gama de rotaes mensuradas. Em cada valor de rotao, deixou-se material fluir

    por um perodo de dois minutos para o escoamento se estabilizar e extrudar o

    material atravs do bico extrusor at o sistema vencer qualquer variao da rotao

    do motor.

    As leituras das rotaes foram obtidas no osciloscpio, durante 10 minutos, sem que

    se interrompesse a deposio de material.

  • 68

    As mdias das freqncias obtidas pelo osciloscpio foram consideradas para o

    clculo das rotaes (n), utilizando se a expresso dos motores de corrente

    contnua, que considera a freqncia da rede eltrica (f) e o nmero de ranhuras do

    encoder (N):

    N

    fn

    60= (10)

    5.4.1.3. Experimentos

    Na tabela 3, so apresentados os valores, obtidos empiricamente, das rotaes via

    osciloscpio. Esses valores sero utilizados para se determinar a velocidades de

    deposio via expresso 9. Ressalta-se que o valor da tenso mnima 10 Volts

    (tabela 3) est acima da tenso do regime de acionamento do motor utilizado nos

    experimentos, ou seja, tenso de 5 Volts.

    Tabela 3 Rotaes via osciloscpio Tenso (Volts)

    15 14 13 12 11 10 9 8

    Freqncia (KHz) (Osciloscpio) 4,425 4,032 3,731 3,448 3,125 2,825 2,451 1,950 Rotao (Rpm)

    Mdia 2655 2419 2239 2069 1875 1695 1471 1176

    5.4.1.4. Anlise dos resultados

    A tabela 3 possibilita a verificao dos resultados das freqncias variando-se a

    tenso e suas correspondentes rotaes. Nota-se que na tenso de 8 Volts a

    rotao declinou em 500 Rpm. Isso sugere que o motor funciona prximo da curva

    de funcionamento sob carga, visto que a tenso nominal mxima de 24 Volts. Por

    outro lado, medida que se aumenta a tenso que faz o motor ganhar estabilidade,

    de uma maneira geral.

  • 69

    Tais resultados sugerem que os valores das rotaes podem ser utilizados no

    modelo cinemtico terico para se determinar as velocidades tericas de deposio.

    5.5. Variao dimensional do dimetro do filamento

    A extruso de polmeros fundidos normalmente produz extrudados com seco

    transversal mais larga do que o orifcio de sada (SCHRAMM, 2006) (MANRICH,

    2005). Na extruso sob temperatura ambiente, esse fenmeno tambm ocorre, pois

    parte da energia potencial (presso) presente na entrada para forar o polmero a se

    deslocar atravs do bico usada para deformao elstica das molculas que

    estocam essa energia temporariamente at que o material fundido possa sair do

    bico. Aps a sada, o dimetro do material extrudado aumenta, conforme

    exemplificado na figura 18, onde est representado o dimetro do filamento antes da

    deposio (Dfa), o qual tem mesma dimenso do dimetro do bico extrusor e o

    dimetro aps a extruso (Dfd).

    A porcentagem de inchamento do extrudado (seco transversal do filamento antes

    da sada/ seco transversal do filamento aps a sada) (figura 18) aumenta com o

    crescimento da taxa de extruso (TE) e est relacionada com outras medidas de

    elasticidade em diferentes testes.

    Figura 18 Diferenas dimensionais do dimetro do filamento antes e depois da extruso (elaborado pelo autor).

  • 70

    O dimetro do filamento aps a deposio (Dfd) estabelecido com a considerao

    da taxa de extruso (TE), que uma relao entre o dimetro do filamento aps a

    deposio (Dfd) e o dimetro do bico extrusor (D_bico), no sistema de extruso.

    Essa taxa inerente aos processos de extruso, de modo que a velocidade de sada

    (Vsb), expresso 9, resulta em:

    PiTED

    DV e

    b

    c

    sb ..

    2

    = (11)

    5.5.1. Materiais e mtodos

    Como mencionado, nos processos de extruso ocorre o fenmeno do inchamento.

    Assim se faz necessrio saber o quanto o material incha, pois essa grandeza a

    sada do sistema mecnico e interfere na determinao da velocidade de deposio

    do modelo cinemtico.

    5.5.1.1. Materiais

    Alm do dispositivo propriamente dito, utilizouse, para as leituras das larguras dos

    filamentos, um microscpio ptico, o qual possibilita maior preciso (milsimos de

    milmetros), j que o bico utilizado para a sada do material mede 0,64 mm.

    5.5.1.2. Mtodos

    Ajustou-se o valor de tenso (conforme tabela 3), deixou-se o material fluir por um

    perodo de dois minutos para que o sistema extrusor, via motor redutor, garantisse

    escoamento uniforme de material, vencendo qualquer obstculo que, durante a

    deposio, pudesse forar o motor a variar sua rotao.

  • 71

    Na seqncia, obtiveram-se amostras de filamentos, com comprimento de 30 mm,

    para se realizar as leituras dos dimetros, via microscpio ptico. Durante a leitura

    do dimetro do filamento, manteve-se o dispositivo injetando material, para a retirada

    de prxima amostra de filamento sem que ocorresse a interrupo da extruso ou

    alguma alterao decorrente dela.

    5.5.1.3. Experimentos

    Na tabela 4, so apresentados os valores, obtidos empiricamente, dos dimetros dos

    filamentos via microscpio tico. Esses valores sero utilizados para se determinar o

    fator de inchamento, que ser utilizado para obteno das velocidades de deposio

    via expresso 10.

    Tabela 4 Larguras dos filamentos lidos via microscpio ptico Tenso (volts) 11 12 13 14 15

    Amostra dimetros dos filamentos (mm) 1 0,66 0,67 0,67 0,69 0,66 2 0,67 0,69 0,68 0,66 0,67 3 0,69 0,67 0,66 0,66 0,67 4 0,68 0,68 0,69 0,68 0,69 5 0,68 0,67 0,68 0,67 0,68 6 0,67 0,69 0,69 0,66 0,66 7 0,68 0,69 0,66 0,67 0,68 8 0,69 0,67 0,68 0,66 0,67 9 0,68 0,67 0,67 0,67 0,68 10 0,68 0,68 0,68 0,69 0,67 11 0,67 0,67 0,67 0,67 0,67 12 0,67 0,67 0,67 0,67 0,68

    Mdia 0,677 0,677 0,675 0,671 0,673 Valor mnimo 0,66 0,67 0,66 0,66 0,66 Valor mximo 0,69 0,69 0,69 0,69 0,69 Desvio 0,009 0,009 0,010 0,011 0,009 Taxa de extruso (TE)

    1,057 1,057 1,055 1,048 1,052

  • 72

    5.5.1.4. Anlise dos resultados

    A tabela 4 possibilita verificar que ocorreu inchamento dos filamentos, em

    comparao ao valor do dimetro do bico (0,64 mm). O inchamento ficou

    praticamente constante para diferentes tenses, se observada a relao entre o

    dimetro do bico (0,64 mm) e os dimetros do filamento aps a sada. Com isso,

    determinou-se a taxa de extruso (TE).

    O conhecimento do valor do inchamento do filamento aps a extruso e dos valores

    da taxa de extruso so importantes para se determinar a velocidade de deposio

    para, posteriormente, se estudarem os fenmenos do acmulo e da falta de material

    durante a deposio.

    5.6. Determinao da velocidade terica de deposio

    Para se avaliar o modelo propriamente dito (expresso 10), a etapa final consiste em

    verificar e comparar os valores das velocidades de deposio com os resultados das

    velocidades de deposio via volume deslocado e comprimento do filamento.

    5.6.1. Materiais e mtodos

    Nesse item aplicam-se dois procedimentos empricos (volume deslocado e

    comprimento do filamento) para se determinar as velocidades de deposio e assim

    poder-se compar-las e validar com a expresso 11. Alm da importncia de se

    conhecerem os valores das velocidades de deposio e de uso para a programao

    das velocidades de deslocamento da superfcie de deposio de filamentos, esses

    dados serviro de objeto de estudo da ocorrncia de acmulo e da falta de material

    durante a deposio deste.

  • 73

    5.6.1.1. Materiais

    Para medir-se a velocidade de deposio do compsito base de carboidrato, via

    procedimento do volume deslocado, antes determinou-se a vazo de deposio.

    Para tanto utilizaram-se bulbos graduados com marcao entre nveis da ordem de

    0,01 ml. J na medio do procedimento do comprimento dos filamentos usou-se

    escala mtrica (5 m de comprimento) para medio do comprimento dos filamentos.

    Para mensurar a velocidade de deposio nos dois procedimentos descritos acima,

    utilizaram-se os seguintes materiais:

    Bico injetor com dimetro de sada de 0,64 mm (medido com microscpio ptico);

    Cronmetro (para a tomada de tempo do volume depositado);

    Dispositivo extrusor.

    5.6.1.2. Mtodos

    Nos dois procedimentos, a estratgia adotada para obterem-se as amostras de

    filamento, ao se ajustar a tenso da fonte, foi considerar um intervalo de tempo (trs

    minutos) de deposio. No procedimento do volume deslocado mediu-se o nvel do

    lquido deslocado na seringa antes e depois de inserido o volume de compsito que

    foi depositado, de modo a obter-se o volume deslocado.

    Na obteno das amostras, tanto no procedimento do volume deslocado quanto no

    do comprimento do filamento, o fornecimento de tenso ao motor do dispositivo no

    foi interrompido para no ocorrer qualquer variao na tomada dos valores durante a

    realizao do experimento.

  • 74

    Na figura 19, tem-se a seqncia de etapas do mtodo adotado para se determinar

    empiricamente a vazo (volume deslocado) e a velocidade de deposio

    (comprimento do filamento), conforme descrito abaixo:

    a) Volume deslocado:

    I. O dispositivo extrusor acionado com avano constante do mbolo e extruda

    filamentos continuamente, atravs de um bico de sada com dimetro de 0,64 mm.

    Adotou-se um intervalo de tempo de trs minutos, durante a deposio, e, ao

    trmino desse intervalo, o volume de material extrudado ser usado, na etapa II,

    para se obter o valor numrico desse volume;

    II. Cada amostra ser compactada manualmente aps a deposio e ser colocada

    dentro de um bulbo graduado (volume total de 1 ml resoluo de 0,01 ml) para se

    mensurar o volume de lquido deslocado;

    III. Para a verificao do volume deslocado (Y), foi predeterminado o nvel de lquido

    (X) do bulbo na etapa anterior, sendo que a diferena entre nveis fornecer o

    volume de material depositado durante trs minutos;

    IV. De cada amostra, foi obtido o volume de material depositado, repetindo-se as

    etapas de I, II e III;

    V. O processo de obteno de amostras foi realizado para 20 amostras que

    resultaram em valores de volume (ml) e calculando-se o valor mdio do volume

    deslocado;

    VI. Com o valor mdio do volume deslocado e usando-se dimetro do bico de

    sada de material igual a 0,64 mm, aplicaram-se os valores na expresso geral da

  • 75

    vazo15 e calculou-se, para trs vazes diferentes, a velocidade de deposio mdia

    (V).

    Figura 19 Seqncia de etapas para cada procedimento (Lira et al, 2007).

    b) Comprimento do filamento:

    Repete-se o item da primeira etapa acima. Na seqncia, deposita-se o filamento

    expulso sobre a fita mtrica, e, ao findarem os trs minutos, efetua-se o corte do

    filamento e a mensurao. Com os valores obtidos dos comprimentos das amostras

    (6 amostras para cada valor de tenso), calculam-se as velocidades mdias usando-

    se a expresso bsica da cinemtica16.

    15 o produto da velocidade de escoamento e a seo interna do conduto. 16 a relao do espao percorrido em determinado perodo.

  • 76

    5.6.2. Experimentos

    Na tabela 5, so apresentados os valores das velocidades de deposio, obtidos

    empiricamente em cada procedimento, e, teoricamente, usando-se a expresso 10.

    Os valores em cada procedimento referem-se s mdias de 9 amostras (volume

    deslocado e filamento). Tais resultados servem para avaliar o modelo terico e

    tambm para se determinar a velocidade mais prxima da real, e assim auxiliar o

    estudo da influncia da velocidade de deposio na largura do filamento.

    Tabela 5 Velocidades mdias tericas em cada procedimento

    5.6.3. Anlise dos resultados

    Os resultados da tabela 5 possibilitam verificar que ocorreu pouca variao entre as

    velocidades obtidas nos procedimentos e as tericas, sendo que a relao

    Filamento/terico. (tabela 5) maior 0,66% e a menor 3,99 %. Por outro lado a

    relao Volume/terico teve 7,55% como maior diferena e 0,33 % como menor

    diferena.

    O procedimento relativo ao comprimento do filamento apresenta menor variao,

    pois os valores de velocidades so obtidos diretamente, ao passo que no

    procedimento referente ao volume deslocado, usa-se o valor do dimetro do

    filamento aps a extruso (conforme estudo do inchamento, item 5.5) na expresso

    geral da vazo. Quanto s velocidades obtidas via expresso 10, os valores da taxa

    Velocidades mdias em cada

    procedimento (mm/min) Relao (%)

    Tenso (volts) Filamento Volume

    Velocidades mdias tericas (mm/min) Filamento/terico Volume/terico

    11 269 257,2 270,9 0,66 5,05 12 305 278,1 300,8 1,26 7,55 13 335 317,5 327,7 2,32 3,11 14 367 351,8 353,0 3,99 0,32 15 399 364,5 388,0 2,95 6,05

  • 77

    de extruso esto elevados segunda potncia, o que resultou em valores de

    velocidades de deposio diferente aos dos procedimentos.

    Tais resultados sugerem um estudo para se verificar o grau de influncia desses

    procedimentos durante e deposio e a construo de camadas para assim se

    validar o modelo terico.

  • 78

    6. Projeto de experimentos

    Neste captulo so abordados dois aspectos a serem observados nos experimentos

    a fim de se conhecer e verificar as caractersticas qualitativas (captulo 7) e

    quantitativas (captulo 8) da MDTA durante a fabricao de peas. Os aspectos

    adotados so resultantes da discretizao do processo de MDTA em variveis de

    entradas e respostas. As variveis selecionadas, no delineamento (Item 6.2), para os

    experimentos foram escolhidas de um grupo maior baseado na experincia e no

    conhecimento desse pesquisador ao respeito desse processo.

    6.1. Discretizao das variveis na MDTA

    No sistema MDTA, variveis de entrada (figura 20) interligam-se, o que afeta as

    repostas intermedirias, como a largura do filamento. Esta, por sua vez, influencia a

    disposio entre camadas. A varivel elementos constituintes e construtivos do

    dispositivo, por exemplo, recebe e envia influncia dos parmetros do processo e

    isso requer dimensionamento apropriado para vencer a resistncia e efetuar a

    extruso da matria-prima para a construo do prottipo, devido s caractersticas

    da varivel material, como a densidade. Essas influncias podem, por um lado,

    alterar a resposta quantitativa, aumentando ou diminuindo o valor da rugosidade do

    prottipo, por exemplo. Por outro lado, essa varivel tambm pode apresentar

    influncia no aspecto qualitativo (resposta final), como na preparao, na operao e

    no custo de instalao.

    Nota-se que a varivel parmetro do processo sofre influncia tanto da varivel

    material quanto da elementos constituintes e construtivos do dispositivo extrusor,

    de modo que optou-se, como foco de estudo, por alguns fatores dessa varivel, a fim

    de verificar a resposta (quantitativa). Por outro lado, no captulo 8, sero verificadas

    as caractersticas qualitativas.

  • 79

    Figura 20 Entradas e respostas (qualitativas e quantitativas) da MDTA (elaborado pelo autor).

    6.1.1. Entradas na MDTA

    No sistema MDTA, foram identificadas 4 entradas interligadas e em cada entrada

    foram obtidas diversas variveis. As descries detalhadas das variveis

    identificadas (figura 20) da MDTA, so apresentadas a seguir:

    a) Parmetros do processo

    Velocidade de deposio: oriunda do sistema extrusor (captulo 5), a velocidade

    de extruso do material para no ocorrer falta ou acmulo de material sobre a

    superfcie ou sobre a camada depositada anteriormente. O valor deve ser conhecido

    e balanceado com a velocidade de deslocamento da superfcie de deposio, altura

    de deposio e para no ocorrer falta ou acmulo de material durante a deposio

    sobre a mesa;

    Velocidade de deslocamento da superfcie de deposio: obtida pela

    programao dos eixos X e Y da mesa da fresadora CNC. O valor deve ser

    conhecido e balanceado com a velocidade e a altura de deposio, para no ocorrer

    falta ou acmulo de material durante a deposio sobre a mesa;

  • 80

    Altura de deposio: distncia adequada do bico extrusor at a face da superfcie

    de deposio do material, para o material no espalhar ou ficar muito distante da

    superfcie de deposio;

    Inchamento do filamento: dilatao volumtrica sofrida pelo material ao sair pelo

    orifcio do bico extrusor;

    Espaamento: distncia ideal entre as camadas para no ocorrer compresso ou

    espaos vazios de material;

    Aderncia: ocorre entre os filamentos e entre as camadas conforme, item 3.1

    (captulo 3);

    Presso entre filamentos e camadas: presso necessria para ocorrer a adeso

    entre filamento e camadas;

    ngulo de deposio: ngulo do bico em relao superfcie de deposio;

    Presso de extruso: grandeza importante para posterior aperfeioamento e

    redimensionamento do sistema de extruso do dispositivo extrusor, entre outros

    fatores;

    Trajetria (X e Y);

    Velocidade de deslocamento do eixo Z (vertical): tem o mesmo valor numrico

    que a velocidade de deposio.

    b) Material

    Densidade do material;

    ndice de fluidez;

    No homogeneidade do material;

  • 81

    Tempo de contrao do material;

    Contrao do material: ocorre devido cura a partir da deposio. A porcentagem

    volumtrica de contrao do material da camada nesse ponto do processo no foi

    determinada, porque esse dado requer um estudo especfico, como o realizado por

    Knstner (2002) no processo Multiphase Jet Solidification (MJS);

    Aderncia: ocorre tanto entre filamentos quanto entre camadas;

    Caracterstica mecnica: resistncia trao, toro e ao cisalhamento, entre

    outros.

    c) Elementos constituintes e construtivos do dispositivo extrusor

    Dimetro do cilindro: variao de cilindricidade e/ou conicidade, de modo a

    proporcionar variao do volume deslocado ou mesmo resistncia ao deslocamento

    do mbolo;

    Dimetro do bico: variao de cilindricidade ocasionando variao do volume

    depositado;

    Passo do parafuso e/ou porca: variao linear na dimenso do passo, ocasionando

    deslocamento longitudinal ao longo do eixo Z e resultando em deslocamento

    irregular de volume;

    Relao de transmisso: variao que ocorre devido ao rendimento da

    transmisso por engrenagens;

    Geometria interna do bico;

    Rendimento do motor, do redutor, do parafuso, do cilindro e do bico;

    Rotao de entrada: variao na rotao devido energizao das bobinas e dos

    rolamentos dos mancais.

  • 82

    d) Outros

    Vibrao: surge em decorrncia do acionamento do motor ao transmitir movimento

    aos componentes do sistema de transmisso (redutor, parafuso, cilindro e bico);

    Atrito entre as paredes: fator relativo s paredes de deslizamento da caixa de

    reduo na direo Z;

    Timer: intervalo de tempo que o software da mquina dispende em relao

    prxima linha de comando;

    Acelerao/desacelerao: pode ocorrer prximo interpolao dos eixos, em

    decorrncia do tipo de motorizao e/ou software usados;

    6.1.2. Respostas intermedirias na MDTA

    grande o nmero de variveis (entradas) identificadas que podem afetar a largura

    e a espessura do filamento e a disposio entre camadas. Tais indicaes so

    decisivas para a determinao das repostas finais em termos qualitativos e

    quantitativos, de modo que deve-se adotar uma estratgia de seleo das entradas

    de maior influncia nessas respostas.

    6.2. Delineamento das estratgias dos experimentos na MDTA

    A tabela 6 apresenta a interao (causa e efeito) entre fatores, cuja seleo para a

    verificao nos experimentos ser baseada na maior freqncia (incidncia) na

    resposta qualitativa e na quantitativa.

    Quanto ao aspecto qualitativo (tabela 6), algumas caractersticas do material sero

    objeto de verificao, assim como algumas caractersticas que a mquina tem que

    ter para realizar o processo de deposio, como o timer, ou seja, intervalo de tempo

  • 83

    que o software da mquina dispende para a prxima linha de comando; esse

    intervalo de tempo pode influir na qualidade da pea (espaamento).

    Por outro lado, algumas variveis dos parmetros operacionais podem exercer forte

    influncia na qualidade do produto. Quanto ao aspecto quantitativo, consideram-se

    constantes variveis, como material, elementos constituintes e construtivos do

    dispositivo, entre outras.

    Ainda na tabela 6, selecionaram-se, tambm, algumas variveis relativas aos

    parmetros do processo, para se estudar o relacionamento entre as variveis e

    respostas, como largura e espessura do filamento. Conseqentemente, a forma

    geomtrica e a rugosidade so relacionadas com a velocidade de deposio, a

    velocidade de deslocamento da superfcie de deposio, a altura de deposio e o

    inchamento do filamento. Esses parmetros foram escolhidos, pela hiptese de

    haver acmulo ou falta de material, alm de poderem influenciar os demais

    parmetros (figura 20), tais como espaamento e presso entre filamentos e

    camadas, os quais foram considerados constantes.

    A varivel ngulo de deposio do bico extrusor em relao superfcie de

    deposio foi medida (zero graus) e seu valor no foi alterado em toda a

    experimentao.

    Por fim, embora a varivel trajetria (eixos X e Y) de deposio seja importante em

    processos de deposio contnua para no ocorrer deposio de material (conforme

    captulo 4), ela no ser estudada, pois as peas fabricadas nos experimentos tm

    formas geometrias bsicas.

  • 84

    Tabela 6 Variveis de entrada x interaes entre variveis (elaborado pelo autor).

    Interpretao da tabela:

  • 85

    De acordo com a tabela 6, as variveis: velocidade de deposio e de deslocamento

    e a altura de deposio devem ser estudadas, pois podem causar grande impacto,

    devido ao acmulo ou falta de material, na largura e na espessura do filamento, e na

    disposio entre camadas. Para tanto o efeito acmulo ou falta de material ser

    estudado a seguir.

    6.3 Intervalos entre velocidade de deposio e deslocamento da mesa

    para acmulo e falta de material

    Independentemente do material a ser extrudado ou forma de processamento do

    sistema extrusor, deve haver relao da velocidade de deposio com a velocidade

    de deslocamento da superfcie de deposio (Vmesa), para no ocorrer o acmulo ou

    falta de material durante a deposio. Objetivando-se o balanceamento entre as

    velocidades impe-se a determinao dos intervalos de limite, como a seguir.

    No grfico 1, apresenta-se uma curva da velocidade de deposio versus velocidade

    de deslocamento da superfcie de deposio, na qual acham-se os pontos limites de

    acmulo (PLA) e falta de material (PLF), de modo que possvel estabelecer os

    intervalos limites (ILS intervalos limite de segurana) para equilbrio tanto da

    velocidade de deposio quanto de deslocamento da superfcie de deposio

    favorecendo a forma geomtrica do prottipo, a rugosidade, entre outros.

    A determinao dos intervalos limites dos parmetros pode minimizar ou mesmo

    eliminar o problema da falta ou acmulo de material para constatar, via peas

    fabricadas, se tais velocidades afetam a forma geomtrica e a rugosidade e, assim,

    sedimentar e embasar a MDTA.

  • 86

    Grfico 1 Intervalos limites das velocidades de deposio e da superfcie de deposio (elaborado pelo autor).

    6.4. Respostas qualitativas e quantitativas na MDTA

    Para se conhecer e quantificar as caractersticas da MDTA os experimentos sero

    realizados sob dois aspectos (respostas finais figura 20), quais sejam:

    a) Qualitativa: objetiva conhecer e verificar as caractersticas da MDTA com relao

    a preparao e operao; aspectos dimensional e de forma do prottipo fabricado;

    custos com material; utilizao do prottipo; processamento e ps processamento.

    Tal aspecto ser estudado detalhadamente no captulo 7.

    b) Quantitativa: objetiva determinar o efeito de algumas variveis em termos de

    faixas limites de acmulo e de falta de material na largura do filamento, para

    posteriormente se verificar se os valores limites afetam a forma geomtrica e a

    rugosidade para fundamentar a MDTA na fabricao de peas.

  • 87

    7. Experimentos qualitativos da MDTA

    Neste captulo so apresentados os experimentos realizados com material sob

    temperatura ambiente para que se obtenham as caractersticas qualitativas, de

    operao e de preparao entre outras a fim de fundamentar a proposio da MDTA

    como um processo para construir, com baixo custo, um prottipo via modelagem por

    deposio sob tal condio.

    Nos experimentos, descreve-se a estratgia adotada, assim como o aparato usado

    nos experimentos, para com isso, determinarem-se as grandezas de trabalhos e os

    obstculos durante a construo de um prottipo usando-se o compsito

    selecionado e testado no captulo 3. Essas grandezas qualitativas obtidas sero

    utilizadas para se determinar, quantitativamente (via anlise de varincia), o grau de

    influncia de cada grandeza.

    7.1. Materiais e mtodos

    Para se determinar as caractersticas tcnicas do processo proposto, conforme

    delineamento realizado no item 6.2, importante conhecer os aspectos qualitativos

    (forma geomtrica, custo do material, utilizao, processamento e ps-

    processamento), de preparao e de operao, obtidos pelas avaliaes feitas sobre

    materiais e mtodos, as quais sero descritas a seguir.

    7.1.1 Materiais

    Conforme estabelecido no captulo 3, foram selecionados materiais de baixo custo e

    atxico com capacidade de aderncia entre as camadas com possibilidade de

  • 88

    transformao sob temperatura ambiente. Dentre os materiais com essas

    caractersticas, selecionou-se um compsito base de carboidrato, por ser

    facilmente moldado e que pode ser utilizado na construo de prottipos com

    geometrias bsicas.

    O dispositivo desenvolvido no captulo 4, para o estudo do processo MDTA, foi

    montado no eixo Z (vertical) de uma fresadora (2 eixos) CNC Didtica17, marca:

    EMCO, modelo F1 CNC, a qual realiza movimentos nos eixos em X, Y e Z. Com o

    uso dessa mquina, foi possvel programar os deslocamentos da mesa e determinar

    parmetros de trabalho, tais como: velocidade de deslocamento da mesa, distncia

    ideal do bico injetor entre as camadas, velocidade de extruso do material, entre

    outros.

    7.1.2 Mtodos

    Para se depositar os filamentos sobre a superfcie da mesa fresadora, a

    programao das coordenadas da trajetria do bico de sada de material foi feita

    linha a linha em cdigo G 18.

    Em seguida, determinaram-se empiricamente os seguintes parmetros de operao:

    a) velocidade de deslocamento da mesa;

    b) distncia do bico injetor at a face da superfcie de deposio do material, que

    no deve se espalhar ou ficar muito distante da superfcie de deposio.

    Tais parmetros foram considerados na MDTA, pois, para a deposio de material,

    desloca-se a mesa (X e Y) com velocidade e distncia de deposio (entre o bico

    17 Fresadora CNC gentilmente disponibilizada pelo Centro de Estudos da Manufatura da FATEC-SP. 18 A ISO (International Organization for Standardization) adotou a forma de programao dos deslocamentos dos eixos da mquina em cdigo G (general ou preparatory).

  • 89

    extrusor e a superfcie de deposio) apropriadas para no ocorrer acmulo ou falta

    de material durante a deposio.

    Com os parmetros acima determinados, o compsito depositado camada sobre

    camada para se verificar se ocorre ou no a aderncia entre elas, o que um

    aspecto fundamental para construo de prottipos nos processos de PR, assim

    como na MDTA.

    7.2 Experimentos

    Usando-se o compsito base de carboidrato, observou-se, aps a cura, que ocorre

    aderncia (item 3.1) entre camadas depositadas umas sobre as outras. Com essa

    constatao, foram programados os deslocamentos dos eixos em X, Y e Z da

    fresadora CNC para se construir prottipos em forma de cubos macios e formas

    circulares ou mesmo com outra geometria. As caractersticas de programao da

    mquina so apresentadas no apndice E. Tambm observou-se se as camadas

    permaneceram sobrepostas durante a deposio para a qual foi utilizado um bico

    extrusor de 0,64 mm +0,01 mm.

    Concomitantemente construo de prottipos, foram observados aspectos

    qualitativos, de preparao, de operao, de processamento e de ps-

    processamento, os quais sero discutidos no item a seguir.

    7.3 Resultados e discusses

    Os experimentos com o processo MDTA demonstram as seguintes caractersticas

    qualitativas:

  • 90

    a) Preparao e operao: o compsito base de carboidrato encontra-se,

    inicialmente, pastoso e homogneo, o que facilita seu escoamento ao ser extrudado.

    Essa consistncia pastosa no requer aquecimento, tanto para o ambiente no qual o

    prottipo ser construdo, quanto para operao de deposio do material camada

    por camada, pois no compsito base de carboidrato h elementos que, alm de

    facilitar a fluidez e diminuir a resistncia nas paredes internas do cilindro,

    possibilitam mais flexibilidade e maleabilidade durante o processo de extruso.

    b) Anlise dimensional: usou-se bico com dimetro de sada de 0,64 mm, de modo

    que tanto a largura quanto a altura das camadas so proporcionais dimenso do

    dimetro, enquanto a preciso varia na casa de dcimos de milmetro (Apndice F).

    Isso indica que o MDTA pode proporcionar igual ou maior preciso do que as do

    processo via Fused Layer Modeling (FLM). Para tanto, basta utilizar bico injetor de

    mesma dimenso.

    c) Anlise de forma: nos processos de PR via FLM, a deposio do material

    contnua e no h interrupo automtica, como nos processos via laser. Na

    deposio contnua, deve-se considerar a velocidade de deposio e deslocamento

    da superfcie de deposio e tambm o timer de pausa para a leitura do comando de

    mudana de direo (X, Y e Z), o qual deve ser proporcional vazo de deposio

    do material durante a trajetria (linear, circular ou qualquer forma curvilnea) do bico

    extrusor.

    A trajetria tambm deve ser otimizada, ou seja, no pode ocorrer repetio da

    trajetria do bico na mesma camada em construo, isso porque ocorrer acmulo

    de material nesses pontos, de modo a influenciar negativamente na forma final do

    prottipo. O problema do acmulo de material pode ser diminudo sensivelmente ou

    mesmo ser eliminado via software com timer apropriado para essa nova forma de

    gerar peas, via MDTA, considerando evidentemente que tanto a velocidade de

    deposio quanto a de deslocamento da superfcie de deposio estejam

    balanceadas.

  • 91

    O timer do software da mquina usada nos experimentos no processo MDTA pode

    ser considerado longo. O resultado dessa relativa demora para a execuo da

    prxima linha de programao pode ser observado nos pontos de mudana de

    direo, nas quais ocorre acmulo de material (figura 21). Essa ocorrncia

    observada tanto na execuo de trajetria linear (comando G01), quanto na

    trajetria circular (comando G03).

    Nota-se que, em cada quadrante, h acmulo de material. Isso se deve

    configurao do software, que realiza somente um quarto de volta. O problema do

    acmulo de material pode ser diminudo sensivelmente ou mesmo ser eliminado via

    software com timer apropriado MDTA.

    Figura 21 Detalhe de prottipos de compsito base de complexo de carboidrato via MDTA (LIRA, BATALHA, BARRETTO, 2007).

    Outra ao a ser avaliada no sentido de se reduzir o volume de acmulo de material

    a reduo do dimetro do bico extrusor, de 0,64 mm, para dimenses menores.

    O problema de acmulo de material nos cantos, ocasionado pela mudana de

    direo, no exclusivo do processo MDTA. Isso ocorre tambm, no processo FDM,

  • 92

    conforme observado na figura 22-a. Nota-se, quanto a esse ltimo processo, que h

    acmulo de material ABS19 no canto de uma das arestas do prottipo. No exemplo

    da EP (figura 22-b), ocorre acmulo em maior escala no ponto de concluso da

    circunferncia devido ao timer dos eixos horizontais (X e Y) nesse ponto ser maior

    para se iniciar o deslocamento vertical (eixo Z), e na seqncia gerar a prxima

    camada.

    Figura 22 Detalhe de prottipos com acmulo de material nos pontos de parada para posterior movimentao na direo Z. (elaborado pelo autor).

    Com a MDTA, suplantado o problema de acmulo de material com o uso de software

    com timer de pausa ajustado ao volume de material depositado, podem-se obter,

    nos pontos de mudana de eixo superfcies mais uniformes se comparadas

    deposio com interpolao dos eixos, tanto no caso de retas quanto no de curvas

    de prottipos. Isso pode ser comprovado observando-se as regies (A), onde no

    ocorreram paradas dos eixos horizontais (figura 23), casos em que os prottipos

    ficaram apresentaram camadas com acabamento uniforme quando comparados com

    as regies de desacelerao (B) e nos pontos de paradas (C). Diante dessa

    constatao, vislumbra-se a aplicao da MDTA na gerao de prottipos com

    diferentes formas geomtricas.

    19 O ABS foi parcialmente pintado de vermelho, pois sua cor branca no permite boa visualizao do acmulo de material.

  • 93

    Figura 23 Detalhe das regies de movimentao dos eixos de paradas e desaceleraes para posterior movimentao na direo Z (elaborado pelo autor). d) Custos com material: o custo do compsito base de complexo de carboidrato

    de R$ 17,00/Kg (Setembro/2005) (ver comparativo no Apndice F), considerado

    baixo, principalmente por encontrar-se disponvel em cores variadas, o que pode ser

    um recurso desejvel para a construo de prottipos.

    e) Utilizao: os prottipos gerados por esse processo podem ser utilizados de forma

    apropriada na modelagem concepcional, na confeco de objetos sob temperatura

    ambiente, assim como no Rapid Tooling. Nesse ltimo, especificamente, moldaram-

    se em gesso de fundio, cavidades com a forma dos prottipos, para posterior

    fundio, por gravitao, de peas em estanho.

    A MDTA ainda possibilita a confeco de brinquedos multicores, sendo essa uma

    caracterstica importante para diferenciar ou notar formas. Por ser atxico, o

    compsito base de carboidrato no gera gases para posterior tratamento, nem

    requer proteo pessoal durante a sua manipulao ou extruso, ao contrrio do

    que ocorre nos processos via laser. Alm disso, tal processo no exige controle de

    temperatura, como no FDM e no MJS, em que as temperaturas de trabalho esto

    acima da ambiente e devem ser controladas para que o material permanea

    fluidificado. Portanto, com a MDTA, possvel trabalhar em diversos ambientes, tais

    como os de desenvolvimento de produtos ou de produo, bem como em

    instituies voltadas ao ensino da PR.

  • 94

    f) Processamento: o material usado no processo MDTA obtm consistncia20 em 15

    minutos aps a sua extruso. Essa diferena de tempo deve ser observada quando

    se necessita fabricar prottipos de alta complexibilidade, nos quais existem muitas

    cavidades e/ou partes delgadas que esto localizadas interna ou externamente ao

    prottipo. Isso requer, portanto, um estudo da localizao de estruturas de apoio

    nessas regies. Para se obter um menor nmero de estruturas, deve-se usar

    material que exija menor tempo para se obter consistncia ou mesmo acelerar a

    obteno da consistncia do material atual.

    O dispositivo de extruso construdo para a MDTA utiliza reservatrio removvel, o

    que facilita o reabastecimento ou at a substituio do reservatrio. Outra

    possibilidade a utilizao de dois reservatrios com materiais de cores diferentes,

    mantendo-se o baixo custo operacional.

    A energia requerida no MDTA para extrudar material por meio de um bico com

    dimetro de 0,64 mm, baixa, pois o motor usado para realizar o trabalho de

    extruso requer 3 Watts de potncia. Deve-se tambm observar que o prottipo

    fabricado com o carboidrato deve ser manipulado em ambiente seco, pois em

    ambiente mido o prottipo poder perder parcialmente a forma original.

    g) Ps-processamento: o acabamento se faz necessrio em casos que requerem

    estruturas de apoio, as quais so fabricadas com o prprio material do prottipo, no

    havendo necessidade de outro reservatrio de material para ger-las. Portanto, a

    MDTA no requer trajetrias e deslocamentos adicionais para limpeza e

    posicionamento dos bicos extrusores.

    20 Conforme critrio desenvolvido pelo autor (ver nota de rodap captulo 3).

  • 95

    8 Experimentos quantitativos

    Neste captulo so apresentados experimentos relativos ao estabelecimento dos

    parmetros operacionais realizados com material sob temperatura ambiente, a fim

    de se obter as caractersticas quantitativas e assim fundamentar a proposio da

    MDTA como um processo para construir, com baixo custo, um prottipo via

    modelagem por deposio sob tal condio.

    Na MDTA, a velocidade de extruso do filamento deve ser sincronizada velocidade

    de deslocamento da mesa (eixos X e Y).

    Os parmetros acima mencionados podem influenciar a forma dimensional do

    filamento. Logo, pretende-se verificar, conforme o delineamento elaborado no item

    6.2, o grau de contribuio desses parmetros, via analise of variance (ANOVA),

    medindo-se a largura dimensional do filamento, aps a extruso do compsito

    base de carboidrato, o qual determina a especificao tcnica (forma geomtrica,

    tolerncias, rugosidades, entre outras) do prottipo fabricado.

    8.1 Velocidade de deslocamento da mesa e distncias do bico injetor na

    superfcie de deposio

    Na MDTA, devem ser observadas as seguintes grandezas operacionais: vazo de

    deposio, velocidade de deslocamento da mesa e distncia do bico extrusor. Nesse

    item, portanto, sero determinados estatisticamente, com uso de dados obtidos

    experimentalmente (captulo 6), o nvel de contribuio, no estabelecimento da

    largura do filamento depositado, da velocidade de deslocamento da mesa e das

    distncias do bico extrusor em relao superfcie de deposio.

  • 96

    8.1.1 Materiais e mtodos

    A seguir descrevem-se os materiais e mtodos usados para verificar o grau de

    interao da velocidade de deslocamento da mesa e da distncia do bico

    extrusor, at superfcie de deposio, na largura do filamento.

    8.1.1.1 Materiais

    Para a realizao dos experimentos, utilizou-se um dispositivo, para extrudar

    materiais (captulo 4) que possibilita o estudo do processo de modelagem por

    deposio de material em forma de filamento. Sendo um dispositivo mecnico para

    experimentao, ele possibilita a determinao dos parmetros operacionais no

    processo de deposio de material sob temperatura ambiente.

    O dispositivo foi instalado no eixo Z (deslocamento vertical) de uma fresadora CNC21

    Didtica (figura 24), marca: EMCO, modelo: F1 CNC. Assim, foi possvel emular os

    movimentos dos eixos (X, Y e Z) de uma mquina de PR e, com isso, obtiveram-se

    parmetros de trabalho aqui estudados.

    21O software da F1 CNC objetiva o treinamento didtico, sendo que os recursos disponveis so destinados programao de peas bsicas, com programas limitados a 250 linhas, o que possibilita inserir a programao para gerar peas camadas sobre camadas e determinar a velocidade de deslocamento da mesa.

  • 97

    Figura 24 Dispositivo montado na fresadora CNC (elaborado pelo autor).

    8.1.1.2 Mtodos

    A programao das coordenadas da trajetria do bico de sada de material foi feita

    linha a linha em cdigo G para se depositar os filamentos sobre a superfcie da

    mesa fresadora.

    Em seguida, anotaram-se na programao em cdigo G os seguintes parmetros

    de operao:

    Distncia do bico extrusor at a face da superfcie de deposio do material, para o

    material no se espalhar ou ficar muito distante da superfcie de deposio;

    Velocidade de deslocamento da mesa.

    Com os parmetros descritos, podem-se obter filamentos com larguras dimensionais

    variadas. Essa grandeza foi escolhida, pois, na deposio de material, pode ocorrer

    variao dimensional, tanto da largura quanto da espessura do filamento.

  • 98

    Conseqentemente, pode haver variao dimensional, o que afeta a qualidade do

    prottipo.

    Considerando-se que o filamento incha aps a extruso (captulo 5 item 5.5

    tabela 4), adotou-se uma faixa dimensional de limite mximo e mnimo para a largura

    do filamento, como segue:

    Largura mdia do filamento, aps a extruso, igual a 0,676 mm (tabela 4).

    Largura mxima do filamento: filamentos com largura de at 0,792 mm foram

    adotados como sendo o limite mximo da faixa de variao dimensional adequada

    para no ocorrer acmulo de material na largura do filamento. Esse valor representa

    17% acima do dimetro do filamento aps a extruso;

    Largura mnima do filamento: filamentos com largura de at 0,693 mm foram

    adotados como sendo o limite mnimo da faixa de variao dimensional adequada

    para no ocorrer falta (esticamento), pois o filamento relaxa aps a sada do bico

    extrusor, presso ambiente. Esse valor representa 2,5% acima do dimetro do

    filamento aps a extruso.

    Para a determinao dos valores das larguras do filamento, fixou-se a rotao inicial

    do motor22, e assim obteve-se a velocidade de deposio constante. Foram

    ajustadas a velocidade da mesa e da distncia (D), o que possibilitou a obteno de

    filamentos com larguras diferentes (figura 25, detalhe da seco A-A).

    Ressalta-se que a verificao da distncia (D) foi realizada via relgio apalpador

    (resoluo igual a 0,01 mm) fixo no eixo Z (vertical) da mquina CNC. O apalpador

    foi zerado rente superfcie da mesa da mquina. Para verificar o valor da distncia

    programada, acionou-se o comando para deslocar o eixo Z e em seguida ler o valor

    indicado no apalpador, a qual corresponde a distncia D.

    22 Para se medirem os valores da rotao do motor utilizou-se osciloscpio Tektronik modelo TDS 2002 (ver experimentos realizados no item 5.4) .

  • 99

    Por meio da anlise das medidas da largura do filamento, pretende-se conhecer o

    grau de contribuio da velocidade de deslocamento da mesa e da distncia para

    deposio do material no processo estudado.

    Figura 25 Distncia do bico extrusor superfcie de deposio (D) e largura do filamento (elaborado pelo autor).

    No tratamento estatstico das larguras dos filamentos, ser utilizada a ANOVA,

    metodologia bastante empregada para a anlise de dados experimentais. Em geral,

    a finalidade da ANOVA testar diferentes significncias entre varincias e assim

    verificar se existe uma diferena significativa entre as mdias e se os fatores

    (velocidade de deslocamento da mesa e da distncia para deposio no processo

    MDTA) exercem influncia em alguma varivel dependente, como a larguras dos

    filamentos. O procedimento para a implementao da ANOVA foi baseado em

    Drumond, Werkema, Aguiar (1996) e Spiegel, Schiller, Srinivasan (2004).

    8.1.2 Experimentos

    Inicialmente, na tabela 7, so apresentados os valores, obtidos empiricamente, das

    velocidades de deslocamento da mesa (4 nveis) e das distncias (5 nveis). Com o

    uso desses parmetros foram obtidos os valores das amostras das larguras dos

    filamentos que sero tratados estatisticamente, via ANOVA, para a verificao de

    quais fatores afetam mais a largura do filamento durante a deposio de material.

  • 100

    Tabela 7 Grandezas de construo do dispositivo extrusor Velocidades de deslocamento da mesa

    (mm/min)

    Distncia de deposio (mm) distncia entre a

    superfcie de sada do bico e a superfcie da mesa.

    305 350 370 400 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85

    Foram mensuradas 120 amostras de filamentos (tabela 8), via microscpio ptico

    universal. Os valores foram tratados estatisticamente pela anlise de varincia, a

    qual permite estabelecimento do grau de contribuio dos fatores que afetam a

    qualidade de um produto ou processo e, especificamente nesse estudo, a forma

    geomtrica do filamento depositado.

    Tabela 8 Valores das larguras das amostras de filamentos. Velocidade da mesa: 305 mm/min Distncia de deposio (mm)

    0,65 0,7 0,75 0,8 0,85

    0,92 0,88 0,83 0,83 0,8 0,88 0,88 0,88 0,86 0,84 0,87 0,85 0,88 0,86 0,78 0,92 0,91 0,91 0,89 0,84 0,93 0,88 0,9 0,9 0,9 L

    arg

    ura

    do

    filam

    ento

    0,93 0,94 0,86 0,88 0,83

    Velocidade da mesa: 350 mm/min Distncia de deposio (mm)

    0,65 0,7 0,75 0,8 0,85

    0,87 0,81 0,82 0,76 0,72 0,79 0,88 0,87 0,8 0,74 0,81 0,78 0,75 0,76 0,73 0,81 0,8 0,77 0,75 0,71 0,93 0,82 0,81 0,8 0,76 0,89 0,84 0,83 0,8 0,78

    Velocidade da mesa: 370 mm/min

    Distncia de deposio (mm)

    0,65 0,7 0,75 0,8 0,85

    0,72 0,72 0,73 0,73 0,73 0,79 0,73 0,75 0,71 0,69 0,87 0,81 0,73 0,73 0,7 0,74 0,75 0,74 0,71 0,69 0,76 0,74 0,73 0,71 0,68 L

    arg

    ura

    do

    filam

    ento

    0,71 0,69 0,7 0,66 0,69

    Velocidade da mesa: 400 mm/min

    Distncia de deposio (mm)

    0,65 0,7 0,75 0,8 0,85

    0,72 0,73 0,72 0,72 0,7 0,71 0,78 0,72 0,73 0,8 0,64 0,64 0,63 0,62 0,64 0,65 0,69 0,65 0,66 0,63 0,6 0,67 0,68 0,66 0,65

    0,67 0,7 0,69 0,68 0,69

    8.1.3 Anlise dos resultados

    A tabela 9, montada em planilha eletrnica (Excel), possibilita a verificao dos

    resultados em termos de contribuio e significncia dos fatores (velocidade de

    deslocamento da mesa e distncia para deposio).

  • 101

    Nota-se, a partir da anlise dos dados obtidos, que a velocidade apresenta uma

    contribuio de 73,4% nos resultados das dimenses geomtricas das larguras dos

    filamentos, enquanto a da distncia para deposio de apenas 6,1% e a da

    interao entre ambas de apenas 3,5%.

    Tabela 9 Anlise de varincia.

    No grfico 2, observa-se que na curva correspondente velocidade de 305 mm/min,

    todos os valores das mdias das distncias de deposio esto acima de 0,792 mm,

    o que corresponde a 17% acima do dimetro do bico, apresentando assim acmulo

    de material.

    Na curva correspondente velocidade de 400 mm/min, praticamente todos os

    valores das mdias das distncias de deposio esto abaixo de 0,693 mm, o que

    corresponde a 2,5% acima do dimetro do bico injetor, sendo o limite mnimo da

    faixa de variao dimensional, denotando assim a ocorrncia de falta de material, ou

    seja, os filamentos sofreram alongamentos durante a deposio.

    Em contrapartida, nas curvas correspondentes s velocidades de 350 mm/min e 370

    mm/min os valores das mdias das larguras encontram-se nos intervalos de

    acmulo e de falta de material, o que refora o alto grau de contribuio da

    velocidade de deslocamento da mesa sobre o processo.

    Soma dos quadrados GL

    Mdia quadrtica F0 F 5% Contribuio (%)

    Total v = 0,875 119 Distncia vd = 0,053 4 0,01326 9,570127 2,466 6,1

    Velocidade

    vv = 0,642 3 0,21417 154,7566 2,696 73,4

    Subtotal vs = 0,726 11 Interao vi = 0,031 4 0,0076 5,530364 2,466 3,5 Residual ve = 0,149 108 0,001384

    17,1 (Variao entre

    as repeties)

  • 102

    Grfico 2 Efeito da interao velocidade de deposio X distncia para deposio (elaborado pelo autor).

    8.2 Velocidade de deposio e relativa

    Nesse experimento objetiva-se verificar o grau de influncia das velocidades de

    deposio e da velocidade relativa em relao largura do filamento, as quais iro

    resultar em uma grandeza de rugosidade e, conseqentemente, na forma

    geomtrica durante a gerao de prottipos por meio da MDTA.

    Inicialmente, determinou-se experimentalmente a vazo de deposio do compsito,

    via procedimento descrito no capitulo 6, para, posteriormente, determinar-se a

    velocidade de deposio e utiliz-la tambm como velocidade de deslocamento da

    superfcie de deposio.

  • 103

    8.2.1 - Materiais e mtodos

    Usando-se uma determinada velocidade de deposio e de deslocamento, na

    direo X e Y, pretende-se verificar o grau de contribuio desses dois parmetros,

    medindo-se a largura do filamento aps a extruso do compsito base de

    carboidrato sobre a superfcie de deposio. Os valores das larguras obtidos sero

    tratados estatisticamente via ANOVA.

    8.2.1.1 Materiais

    O compsito base de carboidrato encontra-se, inicialmente, pastoso e homogneo,

    o que facilita seu escoamento ao ser extrudado com uso do dispositivo desenvolvido

    no captulo 4.

    O dispositivo foi instalado no eixo Z (deslocamento vertical) de uma fresadora CNC

    Didtica, marca: EMCO, modelo: F1CNC, assim foi possvel emular os movimentos

    dos eixos (X, Y e Z) de uma mquina de PR e, com isso, obtiveram-se os

    parmetros de trabalhos aqui estudados.

    8.2.1.2 Mtodos

    No captulo 6, item 6.6.1.2, foram descritas as etapas adotadas para se determinar

    empiricamente os valores referentes vazo e as velocidades de deposio a serem

    utilizados na deposio dos filamentos no processo de MDTA. A seguir, sero

    apresentados os procedimentos que levaram obteno dessas grandezas.

    Com o valor mdio do volume deslocado e usando-se dimetro do bico de sada de

    material igual a 0,64 mm, aplicaram-se os valores na expresso geral da vazo e

  • 104

    calculou-se, para quatro vazes diferentes, a velocidade de deposio mdia (Vd),

    obtendo-se aproximadamente 325, 355, 371 e 388 mm/min. Ainda nessa etapa,

    adotou-se uma faixa de acmulo ideal e de falta (alongamento) de material para a

    velocidade relativa (VR) em funo da velocidade deposio, como segue:

    vdVR =25 : corresponde faixa limite para acmulo de material: a tolerncia de at

    -25 mm/min abaixo da velocidade de deposio mdia foi adotada como limite

    mximo para observar a influncia do acmulo de material na rugosidade e na forma

    geomtrica do prottipo;

    vdVR =0 : corresponde ao valor ideal, para as condies de deposio de material

    descritas, sem que ocorra acmulo ou falta de material: a velocidade de

    deslocamento da superfcie de deposio igual velocidade de deposio mdia,

    sendo observadas a influncia destas na rugosidade e na forma geomtrica do

    prottipo;

    vdVR =+25 : corresponde faixa limite para falta (alongamento) de material: a

    porcentagem de at +7,5% acima da velocidade de deposio mdia foi adotada

    como limite mximo para observar a influncia do falta (alongamento) de material na

    rugosidade e forma na geomtrica do prottipo;

    A programao das coordenadas da trajetria do bico de sada de material foi feita

    linha a linha em cdigo G para se depositar os filamentos sobre a superfcie da

    mesa fresadora a fim de verificar, sob as condies descritas acima, a largura do

    filamento.

    8.2.2 Experimentos

    Na tabela 10, so apresentados os valores das velocidades de deposio (3 nveis)

    e de deslocamento da superfcie da mesa (9 nveis) utilizados no experimento. Com

  • 105

    o uso desses parmetros foram obtidos os valores das amostras das larguras dos

    filamentos que sero tratados estatisticamente, via ANOVA, para a determinao

    dos fatores que mais afetam a largura do filamento durante a deposio de material.

    Tabela 10 Valores dos parmetros operacionais Velocidades de deposio

    (mm/min)

    Velocidades de deslocamento da superfcie da mesa (mm/min)

    300 325 350 312 337 362 346 371 396 363 388 413

    Velocidades relativas (mm/min)

    325

    337

    371

    388

    -25 0 +25 -25 0 +25 -25 0 +25 -25 0 +25

    Inicialmente, depositaram-se 54 amostras de filamentos (tabela 11), as quais foram

    mensuradas, via microscpio ptico universal, e os valores obtidos foram tratados

    estatisticamente, via ANOVA, que, especificamente nesse estudo, permitiu obter-se

    o grau de contribuio de determinados fatores na largura do filamento.

    importante ressaltar que a altura de deposio foi mantida constante para todas as

    combinaes entre as velocidades.

    Tabela 11 Valores das larguras das amostras de filamentos. Velocidade relativa (mm/min)

    +25 0 -25

    0,67 0,73 0,71 0,65 0,71 0,7 0,66 0,73 0,72 3

    25

    0,64 0,71 0,74

    0,64 0,69 0,72 0,64 0,67 0,71 0,66 0,66 0,7 3

    37

    0,61 0,64 0,66

    0,67 0,77 0,78

    0,65 0,72 0,75

    0,63 0,66 0,72 371

    0,63 0,7 0,75

    0,68 0,7 0,76

    0,69 0,7 0,75

    0,7 0,7 0,77

    Velo

    cidades

    de d

    eposi

    o (m

    m/m

    in)

    388

    0,66 0,7 0,75

  • 106

    8.2.2 Anlise dos resultados

    A tabela 12, produzida em planilha eletrnica (Excel), possibilita verificar os

    resultados em termos de contribuio e significncia dos fatores (velocidade de

    deposio e de deslocamento da superfcie da mesa). Nota-se, observando-se os

    dados, que a interao das velocidades contribui com 99,54% nos resultados das

    dimenses geomtricas das larguras dos filamentos, enquanto que separadamente

    a contribuio inexpressiva.

    Tabela 12 Anlise de varincia.

    Fonte de variao Soma de quadrados

    Graus de liberdade

    Quadrado mdio Fo

    F 5%

    Contribuio (%)

    Total vt 18,561 107 Veloc. mesa vm 0,026 8 0,003 5,614 2,06 0,137 Veloc. deposio vd 0,007 2 0,004 6,4 3,11 0,039 Subtotal vs 18,509 15 Interao vi 18,476 5 3,695 6508,6 2,33 99,54 Residual vr 0,052 92 0,001 0,281

    8.3 Estudo de acmulo e de falta de material na largura do filamento

    Independentemente da tecnologia de transmisso de movimento empregada no

    sistema extrusor (item 5.2) para deslocar o mbolo contra o material e gerar

    movimento, conforme modelagem descrita no item 5.3, a velocidade do embolo (Ve)

    deve ter relao com a velocidade de deposio (Vd) que est vinculada ao dimetro

    do bico extrusor (Db). Sendo assim, a velocidade de deposio deve ser balanceada

    com a velocidade de deslocamento da superfcie de deposio (Vdsd), para no

    ocorrer o acmulo ou falta de material durante a deposio. Para que se estabelea

    o balanceamento entre esses fatores, impe-se a determinao de intervalos de

    limite, como ser discutido a seguir.

    O grfico 3 apresenta uma curva da velocidade de deposio versus velocidade de

    deslocamento da superfcie de deposio, na qual acham-se os pontos limites de

  • 107

    acmulo (PLA) e de falta de material (PLF). Desse modo, possvel estabelecerem-

    se os intervalos limites (ILS intervalos limite de segurana) para equilbrio tanto da

    velocidade de deposio quanto da de deslocamento da superfcie de deposio

    favorecendo a forma geomtrica do prottipo na rugosidade superficial. entre outros

    fatores.

    A determinao dos intervalos limites dos parmetros descritos minimiza ou mesmo

    elimina o problema da falta ou do acmulo de material, pois esse controle

    proporciona tambm projetar um sistema de realimentao para controle do sistema

    de transmisso e, assim, obterem-se velocidades de mbolo balanceadas com as

    velocidades da superfcie de deposio.

    Grfico 3 Intervalos limites das velocidades de deposio e da superfcie de deposio e largura do filamento (vista superior) (elaborado pelo autor).

  • 108

    8.3.1 Materiais e mtodos

    No experimento anterior, verificou-se a importncia da velocidade de deposio e da

    velocidade da superfcie de deposio na direo X e Y. Com base nesse estudo,

    pretende-se, agora, verificar os pontos limites de acmulo (PLA) e de falta de

    material (PLF). Isso ser verificado por meio das medidas das larguras dos

    filamentos.

    8.3.1.1 Materiais

    Com o uso da mquina CNC dos experimentos anteriores foi possvel emular os

    movimentos dos eixos (X, Y e Z) de uma mquina de PR e, com isso, obtiveram-se

    parmetros de trabalhos aqui estudados. Ressalta-se que, nos experimentos,

    continuar usado o dimetro do bico de sada de material igual a 0,64 mm.

    8.3.1.2 Mtodos

    Sero depositados trs filamentos (figura 26), com 70 mm de comprimento cada,

    sobre uma superfcie e posteriormente sero lidas seis larguras, as quais esto

    eqidistantes em 10 mm uma da outra no mesmo filamento.

    Ressalta-se que as velocidades de deposio terica 301 mm/min, 328 mm/min e

    353 mm/min foram obtidas via expresso 11, item 5.5.

    Os valores das velocidades de deposio e de deslocamento esto descritas a

    seguir:

  • 109

    Para a velocidade de deposio de 301 mm/min, temos as seguintes velocidades

    de deslocamento da superfcie de deposio, em mm/min: 275; 290; 305; 320 e 336;

    Para a velocidade de deposio de 328 mm/min, temos as seguintes velocidades

    de deslocamento da superfcie de deposio, em mm/min: 285; 302; 318; 335; 352;

    e 369;

    Para a velocidade de deposio de 353 mm/min, temos as seguintes velocidades

    de deslocamento da superfcie de deposio, em mm/min: 331; 349; 367; 386 e 404.

    Os valores das velocidades de deposio foram obtidos conforme o que foi

    apresentado no item 5.5 (captulo 5) e o tratamento estatstico das larguras dos

    filamentos ser feito pelo valor mdio aritmtico das larguras lidas.

    Figura 26 Filamentos depositados sobre superfcie (elaborado pelo autor).

    8.3.2 Anlise dos resultados

    Na presente anlise, foram obtidos os seguintes resultados para a velocidade de

    deposio:

  • 110

    Nos grficos 4, 5 e 6 tem-se o valor de 0,677 mm, que corresponde ao dimetro do

    filamento aps a extruso (captulo 5, item 5.5, tabela 4). Esse dado serve de

    parmetro para verificar se o filamento, ao ser depositado sobre a mesa da mquina,

    mais largo que o dimetro aps a extruso, denotando acmulo de material, ou

    menos largo, denotando falta de material.

    No grfico 4, com uso da velocidade terica, nota-se que o filamento com largura de

    0,69 mm, na velocidade de deslocamento de 290 mm/min, maior, o que isso

    evidencia o acmulo de material. J na velocidade de deslocamento 305 mm/min o

    filamento tem 0,66 mm de largura, denotando falta de material.

    Grfico 4 Larguras mdias de filamentos na Velocidade terica 301 mm/min e altura de deposio igual a 0,67 mm (elaborado pelo autor).

    A largura do filamento 0,69 mm (grfico 5), na velocidade de deslocamento 318

    mm/min, maior que o valor de 0,677 mm, que corresponde ao dimetro do

    filamento aps a extruso. Assim, tm-se os valores de acmulo e falta de material

    para as seguintes velocidades de deslocamento: 318 mm/min e 335 mm/min,

    respectivamente.

  • 111

    Grfico 5 Larguras mdias de filamentos na Velocidade terica 328 mm/min e altura de deposio igual a 0,67 mm (elaborado pelo autor).

    No grfico 6, tm-se os valores de acmulo e de falta de material para as seguintes

    velocidades de deslocamento: 330 mm/min e 367 mm/min, respectivamente.

    Ressalta-se que no se utilizou a velocidade de deslocamento 349 mm/min, pois a

    mesma est abaixo da velocidade terica 353 mm/min.

    Grfico 6 Larguras mdias de filamentos na Velocidade terica 353 mm/min e altura de deposio igual a 0,67 mm (elaborado pelo autor). Nas velocidades de deposio 290 mm/min e 305 mm/min, 318 mm/min e 335

    mm/min e 330 mm/min e 367 mm/min, evidenciou-se o acmulo e falta de material

    na largura do filamento. Tais velocidades sero objeto de estudo, no item 8.4, para

  • 112

    se verificar qual influencia na forma geomtrica e rugosidade na fabricao de peas

    na MDTA.

    8.4. Experimento quantitativo: forma geomtrica e rugosidade

    Nesse experimento sero usados os valores das velocidades de deposio e da

    velocidade de deslocamento da superfcie de deposio (item 8.3), para se

    determinar o efeito desses parmetros na forma geomtrica e na rugosidade e,

    assim, fundamentar e usar a MDTA na fabricao de prottipos.

    8.4.1 Materiais e mtodos

    Com base no estudo dos pontos limites de acmulo (PLA) e falta de material (PLF)

    (item 8.3), a seguir, apresentam-se os materiais e mtodos adotados para se

    verificar, via uso das velocidades de deposio, quais valores limites, inferior e/ou

    superior, da velocidade de deslocamento da superfcie de deposio influenciam

    positivamente tanto na rugosidade quanto na forma geomtrica da pea fabricada.

    8.4.1.1 Materiais

    Nesse experimento, o compsito base de carboidrato foi confinado no dispositivo

    instalado no eixo Y (deslocamento vertical) de uma fresadora MAHO, a qual executa

    movimentos circulares em 360 graus com apenas uma parada em um quadrante da

    circunferncia, ao contrrio da F1 EMCO (para a cada de volta). Logo, com uso

    da MAHO, ocorre apenas um ponto de acmulo de material decorrente dessa pausa,

    conforme verificado no item 7.3.

  • 113

    Ao se fixar o dispositivo extrusor no cabeote vertical da fresadora, possvel

    emular os movimentos dos eixos X, Y e Z de uma mquina de PR e, com isso,

    fabricar peas circulares em camadas sobrepostas.

    Por fim, ser utilizado um microscpio ptico para medir os valores dos vales e picos

    da pea fabricada. Isso possibilitar o clculo da Rugosidade Mdia (Rz)23 e,

    simultaneamente, a verificao da forma geomtrica da pea em termos de

    disposio dos filamentos sobrepostos.

    8.4.1.2 Mtodos

    Sero depositados trs filamentos (figura 27), a uma distncia de 0,670 mm entre si.

    Tal distncia considera o fator de inchamento do filamento, conforme estudo do

    inchamento do filamento realizado no item 5.5.

    Com relao forma geomtrica da pea, sua circunferncia externa mede 20 mm,

    a central, 18,66 mm, e a interna, 17,32 mm. Essa pea ter camadas sobrepostas,

    sendo que na primeira camada a altura de deposio ser de 0,65 mm, que a

    distncia da face do bico extrusor at a superfcie de deposio. As demais camadas

    tero altura de deposio igual a 0,63 mm.

    23 o valor mdio da rugosidade unitria Zi obtida em cinco comprimentos de medio unitrio le dentro do perfil de rugosidade.

  • 114

    Figura 27 Pea em forma circular e detalhe dos filamentos sobrepostos (elaborado pelo autor).

    Os valores das velocidades utilizadas nos experimentos sero as mesmas dos

    resultados obtidos no item 8.3.2 (tabela 13), pois os valores limites de deslocamento

    da superfcie de deposio se referem aos valores de acmulo e falta de material.

    Tabela 13 Valores de velocidades de deposio e de velocidade limite de deslocamento da superfcie de deposio

    Velocidades de deposio (mm/min) 301 328 353

    Velocidades limites de deslocamento da superfcie de deposio (mm/min)

    Inferior Superior Inferior Superior Inferior Superior

    290 305 318 335 330 367

    Para se medir a rugosidade das peas, sero mensurados os vales e os picos dos

    filamentos sobrepostos (figura 28), considerando-se que o comprimento de 17,5 mm,

    adotado na amostragem (lm), est em conformidade com a norma DIN 4768, assim

    como a distncia aproximada de 3,2 mm entre picos e vales (le).

    Com relao aos valores dos dimetros dos filamentos da circunferncia circunscrita

    interna, os mesmos sero usados para se calcular a rugosidade Z, que obtida pela

    mdia aritmtica da soma dos valores RZ1 + . . .+ RZ5 (figura 28).

  • 115

    Figura 28 Estratgia para a leitura dos picos e vales nos filamentos conforme norma DIN 4768 e inclinao das peas (elaborado pelo autor).

    A forma geomtrica ser verificada por meio da inclinao lateral da pea (figura 28)

    indicada pelo ngulo () mensurado via microscpio ptico.

    8.4.2 Anlise dos resultados

    Conforme apresentado na tabela 14, as amostras 03, 05 e 06 apresentaram pouca

    inclinao angular (mdio = 87 20), mas nas amostras 01, 02 e 04, ocorreram

    defeitos de forma geomtrica mais acentuados (mdio = 73), o que representa 50%

    das amostras analisadas. Essa porcentagem alta de defeitos decorrente do valor

    de 290 mm/min da velocidade de deslocamento da superfcie de deposio, a qual

    menor que a velocidade de deposio (301 mm/min).

    Esse desequilbrio entre valores de velocidades influenciou negativamente os

    valores da rugosidade, os quais sofreram grande variao, conforme a amostra 03,

    que teve o maior valor de Rugosidade Mdia (Rz = 197,2 m), e a amostra 05, que

    teve o menor valor de Rugosidade Mdia (Rz = 121,4 m), principalmente nas

    amostras em que a forma geomtrica se manteve praticamente perpendicular

    superfcie de deposio.

  • 116

    A diferena entre as velocidades de deposio e de deslocamento proporcionou

    inclinao lateral somente na disposio entre camadas, mas a forma geomtrica do

    filamento do compsito no sofreu deformao aps sair do bico extrusor.

    Tabela 14 Efeito da velocidade de deposio (301 mm/min) e velocidade de deslocamento da superfcie de deposio (290 mm/min) na forma geomtrica e na rugosidade (elaborado pelo autor).

    Amostra 01 (003) Amostra 02 (004) Amostra 03 (005)

    Valores do ngulo de inclinao (), conforme figura 28 item 8.4.1.2. 75 72 86

    Leituras dos picos e vales (mm) e valor mdio da rugosidade (m) Rz1 0,221 Rz1 0,183 Rz1 0,274

    Rz2 0,111 Rz2 0,100 Rz2 0,160

    Rz3 0,205 Rz3 0,175 Rz3 0,262

    Rz4 0,118 Rz4 0,111 Rz4 0,124

    Rz5 0,088

    148,6

    Rz5 0,133

    140,4

    Rz5 0,166

    197,2

    Amostra 04 (006) Amostra 05 (007) Amostra 06 (008)

    Valores do ngulo de inclinao () 72 88 88

    Leituras dos picos e vales (mm) e valor mdio da rugosidade (m)

    Rz1 0,228 Rz1 0,103 Rz1 0,227

    Rz2 0,101 Rz2 0,167 Rz2 0,131

    Rz3 0,123 Rz3 0,103 Rz3 0,142

    Rz4 0,101 Rz4 0,128 Rz4 0,152 Rz5 0,112

    133,0

    Rz5 0,106

    121,4

    Rz5 0,132

    156,8

    Conforme apresentado na tabela 15, o valor da velocidade de deslocamento da

    superfcie de deposio de 305 mm/min, que o valor superior em relao

    velocidade de deposio de 301 mm/min, influencia negativamente a forma

    geomtrica da seco transversal em 100% das amostras. Tal fato tambm

  • 117

    impossibilitou a obteno dos valores da Rugosidade Mdia (Rz). Isso denota que o

    valor superior da velocidade de deslocamento da superfcie de deposio est

    inteiramente em descompasso com velocidade de deposio.

    Tabela 15 Efeito da velocidade de deposio (301 mm/min) e velocidade de deslocamento da superfcie de deposio (305 mm/min) na forma geomtrica e na rugosidade (elaborado pelo autor).

    Amostra 01 (020) Amostra 02 (021) Amostra 03 (022)

    Amostra 04 (023) Amostra 05 (024) Amostra 06 (025)

    As amostras (tabela 16), de uma maneira geral, tiveram pouca inclinao lateral

    (mdio = 85 30), que corresponde ao defeito da forma geomtrica, excetuando-se a

    amostra 05, que teve inclinao lateral mais acentuada, principalmente a partir da 4

    camada.

    J os valores das rugosidades estiveram prximos, com exceo da amostra 01 (RZ

    = 144,00 m menor valor entre as amostras). Tais resultados sugerem que os

    parmetros (velocidades de deposio = 382 mm/min e de deslocamento = 318

    mm/min) esto prximos do balanceamento entre ambas, o que possibilita a

    obteno de peas com forma geomtrica e rugosidades tendendo a serem

    constantes.

  • 118

    Tabela 16 Efeito da velocidade de deposio (328 mm/min) e velocidade de deslocamento da superfcie de deposio (318 mm/min) na forma geomtrica e rugosidade (elaborado pelo autor).

    Amostra 01 (027) Amostra 02 (028) Amostra 03 (029)

    Valores do ngulo de inclinao (), conforme figura 28 item 8.4.1.2. 87 90 84

    Leituras dos picos e vales (mm) e valor mdio da rugosidade (m) Rz1 0,089 Rz1 0,169 Rz1 0,165

    Rz2 0,177 Rz2 0,199 Rz2 0,287

    Rz3 0,139 Rz3 0,194 Rz3 0,122

    Rz4 0,239 Rz4 0,268 Rz4 0,337

    Rz5 0,079

    144,00

    Rz5 0,092

    184,4

    Rz5 0,143

    210,8

    Amostra 04 (030) Amostra 05 (031) Amostra 06 (032)

    Valores do ngulo de inclinao ()

    85 81 86

    Leituras dos picos e vales (mm) e valor mdio da rugosidade (m)

    Rz1 0,154 Rz1 0,249 Rz1 0,083

    Rz2 0,244 Rz2 0,270 Rz2 0,271

    Rz3 0,140 Rz3 0,174 Rz3 0,154

    Rz4 0,302 Rz4 0,211 Rz4 0,297 Rz5 0,102

    188,4

    Rz5 0,134

    207,6

    Rz5 0,119

    184,8

    Para os parmetros ajustados (tabela 17), ocorreram defeitos de disposio entre

    filamentos e camadas afetando a forma geomtrica das amostras 01 e 03 (33,33 %

    das amostras), j os valores de rugosidade das amostras 05 e 06 foram descartados

    pela irregularidade da forma geomtrica. Tais amostras representam 33,33% do

    universo analisado.

  • 119

    Observa-se, a partir desses dados, que novamente a velocidade de deslocamento

    com valor superior (335 mm/min) ao da velocidade de deposio (328 mm/min)

    prejudica tanto a forma geomtrica quanto a rugosidade da pea fabricada.

    Tabela 17 Efeito da velocidade de deposio (328 mm/min) e velocidade de deslocamento da superfcie de deposio (335 mm/min) na forma geomtrica e na rugosidade

    Amostra 01 (066) Amostra 02 (067) Amostra 03 (068)

    Valores do ngulo de inclinao (), conforme figura 28 item 8.4.1.2. 81 86 75

    Leituras dos picos e vales (mm) e valor mdio da rugosidade (m) Rz1 0,209 Rz1 0,085 Rz1 0,133

    Rz2 0,266 Rz2 0,231 Rz2 0,129

    Rz3 0,189 Rz3 0,198 Rz3 0,160

    Rz4 0,322 Rz4 0,253 Rz4 0,078

    Rz5 0,143

    225,8

    Rz5 0,141

    181,6

    Rz5 0,407

    181,4

    Amostra 04 (069) Amostra 05 (070) Amostra 06 (071)

    Valores do ngulo de inclinao ()

    89 85 81

    Leituras dos picos e vales (mm) e valor mdio da rugosidade (m)

    Rz1 0,151 Rz1 - Rz1 -

    Rz2 0,241 Rz2 - Rz2 -

    Rz3 0,208 Rz3 - Rz3 -

    Rz4 0,262 Rz4 - Rz4 - Rz5 0,150

    202,4

    Rz5 -

    Pea

    irregular

    Rz5 -

    Pea

    irregular

    Nas amostras 03, 04, 05 e 06 (tabela 18), a rugosidade, em algumas amostras,

    variou muito, como nas amostras 03 (RZ = 292,4 m maior valor) e 04 (RZ = 165,6

    m menor valor). Por outro lado, houve pouca inclinao (mdio = 88 48),

    principalmente nas amostras 03, 04, 05 e 06, favorecendo a forma geomtrica. Isso

  • 120

    refora a idia de que o valor da velocidade de deslocamento da superfcie de

    deposio deva ser menor ou at mesmo prximo ao valor da velocidade de

    deposio, conforme visto nos casos anteriores.

    Tabela 18 Efeito da velocidade de deposio (353 mm/min) e velocidade de deslocamento da superfcie de deposio (330 mm/min) na forma geomtrica e na rugosidade

    Amostra 01 (053) Amostra 02 (054) Amostra 03 (055)

    Valores do ngulo de inclinao (), conforme figura 28 item 8.4.1.2.

    - 89 85 Leituras dos picos e vales (mm) e valor mdio da rugosidade (m)

    Rz1 - Rz1 0,151 Rz1 0,400

    Rz2 - Rz2 0,175 Rz2 0,122

    Rz3 - Rz3 0,097 Rz3 0,417

    Rz4 - Rz4 0,342 Rz4 0,074

    Rz5 -

    Pea irregular

    Rz5 0,069

    166,8

    Rz5 0,449

    292,4

    Amostra 04 (056) Amostra 05 (057) Amostra 06 (032)

    Valores do ngulo de inclinao ()

    90 90 90

    Leituras dos picos e vales (mm) e valor mdio da rugosidade (m)

    Rz1 0,147 Rz1 0,169 Rz1 0,172

    Rz2 0,212 Rz2 0,258 Rz2 0,263

    Rz3 0,122 Rz3 0,131 Rz3 0,123

    Rz4 0,287 Rz4 0,359 Rz4 0,323 Rz5 0,060

    165,6

    Rz5 0,061

    195,6

    Rz5 0,110

    198,2

    Para a velocidade de deslocamento ajustada em 367 mm/min (valor superior ao da

    tabela 19), em relao velocidade de deposio de 353 mm/min, os filamentos, na

    maioria das amostras, esto sobrepostos de maneira irregular e com vrios vazios

    entre si, prejudicando a rugosidade, que teve muita variao, como nas amostras 03

    (RZ = 175,6 m menor valor) e 06 (RZ = 262,4 m maior valor).

  • 121

    Tabela 19 Efeito da velocidade de deposio (353 mm/min) e velocidade de deslocamento da superfcie de deposio (367 mm/min) na forma geomtrica e rugosidade

    Amostra 01 (059) Amostra 02 (060) Amostra 03 (061)

    Valores do ngulo de inclinao (), conforme figura 28 item 8.4.1.2. 90 90 88

    Leituras dos picos e vales (mm) e valor mdio da rugosidade (m) Rz1 0,167 Rz1 0,209 Rz1 0,232

    Rz2 0,197 Rz2 0,230 Rz2 0,188

    Rz3 0,183 Rz3 0,169 Rz3 0,145

    Rz4 0,234 Rz4 0,218 Rz4 0,187

    Rz5 0,135

    183,2

    Rz5 0,083

    181,8

    Rz5 0,126

    175,6

    Amostra 04 (062) Amostra 05 (063) Amostra 06 (064)

    Valores do ngulo de inclinao ()

    84 84 71

    Leituras dos picos e vales (mm) e valor mdio da rugosidade (m)

    Rz1 0,256 Rz1 0,235 Rz1 0,224

    Rz2 0,355 Rz2 0,245 Rz2 0,298

    Rz3 0,183 Rz3 0,130 Rz3 0,251

    Rz4 0,281 Rz4 0,286 Rz4 0,319 Rz5 0,113

    237,6

    Rz5 0,168

    212,8

    Rz5 0,22

    262,4

    Por fim, observou-se que existe uma tendncia de melhora tanto da rugosidade

    quanto da forma geomtrica da pea fabricada, especificamente quando se ajustam

    as velocidades de deslocamento com valores inferiores aos da velocidade

    deposio, como 290 mm/min, 318 mm/min e 330 mm/min e as correspondentes

    velocidades tericas de deslocamento (301 mm/min.; 328 mm/min. e 353 mm/min.),

    as quais proporcionam melhores resultados tanto na forma geomtrica quanto na

    rugosidade das amostras.

  • 122

    9. Concluses

    Como na epgrafe do sbio Albert Einstein: Die Vorstellung ist wichtig als das

    Wissen, ou seja, a imaginao to importante quanto o conhecimento, pois

    muitas das solues da vida, e especificamente da tecnologia, so obtidas pela

    imaginao. Com base nesse pensamento que, inicialmente, imaginou-se um novo

    caminho na prototipagem rpida e, posteriormente, foram estudados os processos e

    a transformao do estado do material.

    9.1. Concluses sobre uso de material alternativo

    Nos processos da famlia Fused Layer Modeling (FLM), necessrio que a matria-

    prima, antes de ser injetada e modelada, mude do estado originalmente slido para

    fundido via aquecimento oriundo de resistncia eltrica, acoplada ao dispositivo

    injetor.

    Outro problema acarretado com tais processos so os altos custos do prottipo, da

    matria-prima, do equipamento e da manuteno (Apndice A)(Apndice F), devido

    mudana de estado da matria-prima.

    Assim, desenvolveu-se o processo de Modelagem por Deposio sob Temperatura

    Ambiente (MDTA), o qual proporciona uma nova ramificao no modo de se

    trabalhar materiais. Isto , ao se realizar a extruso sob temperatura ambiente, a

    cura do material obtida naturalmente, sem aquecimento, como nos processos

    FLM, que usam material no estado slido.

    Algumas caractersticas do material alternativo e dos prottipos construdos com

    esse material, via MDTA, so apresentadas no item 9.3 (Experimentos qualitativos).

  • 123

    9.2. Concluses sobre uso dispositivo da MDTA

    Somente so conhecidos dispositivos e processos de prototipagem rpida via

    modelagem por deposio a quente, como segue:

    Fused Deposition Modeling (FDM) e Extrusora Prottipadora (EP), que utilizam

    termoplstico como matria prima para produzir prottipos;

    Mult Jet Solidification (MJS), que utiliza as seguintes matrias-primas: metlicos e

    cermicos (adicionados a aglutinante e mistura), termoplsticos, polmeros e ceras;

    Sanders/Inkjet Modeling e Multi-Jet Modeling (MJM), que utilizam termoplstico e

    cera;

    Three Dimensional Printing (3DP), que utiliza-se aglutinante base de gua, que

    aspergido sobre p (amido de batata ou gesso). Outra possibilidade usar resina

    foto sensvel como aglutinante sobre o material.

    Embora esses processos de prototipagem rpida via modelagem por deposio a

    quente tenham aplicao prtica na produo de prottipos, alguns inconvenientes

    podem-lhe ser atribudos. Nos processos FDM, MJS, Sanders/Inkjet Modeling e

    MJM, por exemplo, deve-se ter um sistema para medir, ajustar e controlar a

    temperatura da matria-prima a ser fundida e, especificamente no FDM, deve-se

    tambm ter um sistema para medio, ajuste e controle da atmosfera de fabricao

    do prottipo. Nesses processos necessita-se ainda de construo de proteo,

    devido fuso da matria-prima.

    Tendo em vista esses problemas e com o propsito de super-los, foi desenvolvido o

    dispositivo extrusor e o processo para a fabricao de prottipos via modelagem por

    deposio sob temperatura ambiente realizada com o compsito base de

    carboidrato no estado slido.

  • 124

    O dispositivo extrusor e o processo para a fabricao de prottipos via MDTA

    solucionam os inconvenientes aventados na prototipagem rpida via modelagem por

    deposio, pois o dispositivo extrusor do compsito base de carboidrato dispensa

    uso de resistncia eltrica, bem como do sistema para medir, ajustar e controlar a

    temperatura, para fundir a matria-prima e da atmosfera de fabricao do prottipo.

    Isso possibilita que tanto a preparao quanto a operao do dispositivo extrusor da

    MDTA tornem-se extremamente mais simples que a dos processos de prototipagem

    rpida via modelagem por deposio a quente, devido ao fato de que o dispositivo

    extrusor tem nova e simples construo, de modo que tambm pode ser montado

    em mquinas fresadoras a CNC para execuo de trabalhos de prototipagem rpida.

    A seguir, sero apresentados os resultados dos experimentos realizados nessa

    pesquisa.

    9.3. Concluses dos experimentos qualitativos

    Aps comparao realizada entre os prottipos construdos com a MDTA e os

    construdos com os processos EP e FDM (Apndice F), conclui-se que:

    Embora o compsito base de carboidrato seja pastoso, suporta o peso de uma

    camada sobre a outra, ocorrendo aderncia entre ambas, sem ocorrer deformao

    da forma cilndrica do filamento, de modo que o prottipo mantm estabilidade

    mesmo antes da cura.

    O tempo de cura na MDTA longo, necessitando-se de aproximadamente de 24

    horas para que o prottipo seja manipulado sem que ocorra deformao. Essa

    varivel pode ser reduzida via estudo dos elementos constituintes do compsito.

    Na MDTA, para fabricar prottipos, no necessria a preparao da mquina como

    no FDM, em que a atmosfera para a construo do prottipo deve ser controlada

    para que camadas e filamentos de ABS se adiram. O compsito base de

  • 125

    carboidrato confinado em um recipiente e pode ser utilizado aps grandes

    intervalos de tempos de espera no prejudicando a aderncia entre camadas e

    filamentos.

    Realizaram-se, ainda, testes com os prottipos fabricados por meio da MDTA, na

    construo de cavidades em gesso para posterior fundio de modelos (Apndice G)

    e os resultados indicam que esse processo pode ser utilizado tambm para este fim.

    Os processos de PR foram e so desenvolvidos em outros pases, de modo que o

    custo para aquisio dos equipamentos de PR grande (por exemplo, o custo da

    mquina de EP (EXTRUDEX KUNSTSTOFFMASCHINEN modelo: 16D75417)

    de R$ 195.000,00 (setembro 2005), e da FDM (modelo: Prodigy - Plus) de cerca

    R$ 205.920,00 (setembro 2005) no inclusos os custos de instalao). J a MDTA

    possibilita, por sua caracterstica de operao, supor que o preo do equipamento

    seja menor. Alm disso, o mercado nacional, tambm nessa rea, dependente,

    pois os processos FDM e EP usam tecnologia dos pases de origem, enquanto na

    MDTA a tecnologia do processo pode ser aqui aprimorada.

    9.4. Concluses dos experimentos quantitativos

    Com base nos resultados dos experimentos (item 8.1) usando-se a MDTA,

    observou-se, no tratamento estatstico, que a contribuio da velocidade de

    deslocamento da mesa muito expressiva (73,4%) comparada com a distncia de

    deposio (6,1%), afetando assim a dimenso geomtrica da largura do filamento,

    pois na velocidade de 305 mm/min ocorre acmulo de material (maiores larguras de

    filamento), ao passo que na velocidade de 400 mm/min ocorre falta de material

    (menores larguras de filamento).

    A determinao da interao (item 8.2) dos parmetros operacionais da MDTA,

    como a velocidade de deposio e a de deslocamento da superfcie da mesa tem

    expressiva interao (99,54%) na dimenso geomtrica da largura do filamento se

  • 126

    comparada com ambas atuando separadamente. Isso denota a importncia dos

    valores das velocidades serem prximos para no ocorrer acmulo de material

    (maiores larguras de filamento) ou falta de material (menores larguras de filamento).

    Durante a extruso do material, observou-se que as velocidades de deposio e de

    deslocamento devem ser balanceadas (item 8.3) entre si, ou seja, devem-se obter

    valores numricos prximos para evitar o acmulo e falta de material durante a

    deposio de material nas diversas velocidades de deposio e de deslocamento da

    superfcie de deposio. Isso possibilita, construir peas camadas sobre camadas e

    verificar a forma geomtrica e as rugosidades.

    Com relao forma geomtrica e rugosidade (item 8.4), fizeram-se experimentos

    com diversas velocidades de deposio e de deslocamento e observou-se que

    existe uma tendncia de melhora tanto da rugosidade quanto da forma geomtrica

    da pea fabricada, especificamente quando se ajustam as velocidades de

    deslocamento com valores inferiores aos da velocidade deposio, como 290

    mm/min 318 mm/min e 330 mm/min e as correspondentes velocidades de

    deslocamento (301 mm/min; 328 mm/min e 353 mm/min). Tais resultados reforam a

    validade dos resultados do estudo da influncia da velocidade de deposio e de

    deslocamento da superfcie de deposio realizado, no item 8.3.

    Tais constataes so de fundamental importncia para o estudo dos parmetros

    operacionais da MDTA e tambm para outros processos de deposio de formas

    livres visando a obter valores das rugosidades e das formas geomtricas.

    9.5. Concluses finais da MDTA

    Ao se analisarem parmetros como temperatura de fuso, velocidade de deposio,

    preparao da mquina, tempo de espera, tempo de deposio, processo de

    gerao do modelo, custos operacionais, custo de material e tipos de prottipos,

    conclui-se que os materiais com potencial para serem trabalhados sob temperatura

  • 127

    ambiente so uma alternativa vlida para a construo de prottipos com custo

    relativamente menor.

    Por meio de experimentos qualitativos e quantitativos, avaliou-se que o processo de

    PR com os materiais alternativos propostos vivel, de modo a ser possvel

    construir os prottipos para diversas aplicaes, assim como reduzir o custo tanto do

    processo em si quanto da mquina e ainda reduzirem-se os equipamentos

    perifricos envolvidos.

  • 128

    10. Sugestes para trabalhos futuros

    Estudar a abragncia de aplicao da MDTA na construo de prottipos, tais como

    na fabricao de pequeno volume de produtos para o mercado, objetos

    personalizados, maquetes, moldes peas de mostrurio, peas para fins didticos,

    etc.

    Estudar a aplicabilidade da MDTA no Rapid Manufacturing (RM).

    Estudar novos materiais para trabalhar temperatura ambiente na construo de

    prottipos por meio da MDTA, como na rea mdica para reconstituio de partes do

    corpo humano (DAS, et al, 2003) (ANG, LEONG, CHUA, 2006) (KALITA, et al, 2005)

    (LANDERS, et al, 2002) (KHALIL, NAM, SUN, 2005) (WORLD TECHNOLOGY

    EVALUATION CENTER INC., 2004).

    Estudo do MDTA na aplicao da reproduo de imagens via modelagem por

    deposio temperatura ambiente de materiais alternativos de baixo custo.

    Estudar a abragncia de aplicao do MDTA no Rapid Tooling (RT) (LINDNER,

    2002).

    Aprimorar e estudar as variveis do MDTA, tais como:

    1) Trajetria para a deposio do material, pois durante a extruso ocorre acmulo

    de material ao se repetir o caminho na mesma camada, o que se deve extruso de

    material ser contnua (KNSTNER, 2002) (WEITZEL, 2003) (QIU, et al, 2001);

    2) Forma interna do bico de extruso, pois a geometria do bico extrusor pode

    influenciar negativamente a sada de material atravs do bico afetando a velocidade

    de extruso (KNSTNER, 2002) (WEITZEL, 2003);

  • 129

    3) Presso entre as camadas para conhecer a aderncia entre camadas e sua

    influncia na forma do filamento depositado (KNSTNER, 2002) (WEITZEL, 2003);

    4) Ajuste da distncia de deposio que pode auxiliar na presso de aderncia entre

    filamentos ou mesmo camadas, conforme coeficiente de inchamento do material

    (item 5.5 captulo 5), pois o material pode sofrer variao dimensional aps a

    extruso (LEE, ABDULLAH, KHAN, 2005) (MASOOD, 1996). Esse estudo

    importante para avaliar a relao dimetro, vazo, presso, entre outros elementos.

    5) Coeficiente de contrao do material. O compsito de matriz polimrica com

    reforo cermico assim como o compsito base de complexo de carboidrato, so

    materiais que sofrem contrao durante o processo de cura. Isso pode afetar a

    dimenso e a forma geomtrica do prottipo em vrias aplicaes;

    Estudo e aprimoramento dos seguintes aparatos:

    1) Dispositivo de extruso, pois a troca de material no dispositivo atual, durante o

    processo relativamente demorada (aproximadamente 10 minutos);

    2) Estudo de dispositivo apropriado para o deposito do compsito de matriz

    polimrica com reforo cermico. O material base deve permanecer separado do

    aglomerante at o momento de deposio na camada em construo, devido ao

    tempo de cura ser pequeno;

    3) Desenvolvimento de um sistema de controle eletrnico (BUKKAPATNAM,

    CLARK, 2007) para o dispositivo extrusor de compsito base de carboidrato

    manter o fluxo de material constante a fim de que no ocorra falta ou por outro lado

    acmulo de material depositado;

    4) Estudo da variao dimensional do dimetro de sada do material no processo

    MDTA, durante a extruso. Esse estudo importante para avaliar a relao

    dimetro, vazo, presso, entre outros fatores;

  • 130

    5) Desenvolvimento de um mtodo para otimizar (CHOI, SAMAVEDAM, 2002)

    (THRIMURTHULU, PANDEY, REDDY, 2004), eliminar ou diminuir a variao da

    largura do filamento em relao largura esperada ou mesmo que permita ajustar

    os parmetros (formato do bico injetor, dimetro, inclinao, etc.) do processo para

    se ter a largura desejada (ZIEMIAN, CRAWN, 2001). A prpria largura do filamento

    pode ser um parmetro a ser escolhido no processo, pois uma largura menor

    significa melhor resoluo na construo do prottipo (ANITHA, ARUNACHALAM,

    RADHAKRISHNAN, 2001) (ARMILLOTTA, 2006), e uma largura maior significa

    menor tempo de construo.

  • 131

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  • 142

    APNDICE A Viabilidade econmica da PR

    A viabilizao econmica da utilizao da PR, segundo Gebhardt (2000), envolve

    dois aspectos: estratgico e operativo.

    Quanto ao aspecto estratgico, deve-se fazer a verificao de fatores decisivos, tais

    como a exigncia do mercado e a concorrncia e se tempo e prazos so fatores

    determinantes e h necessidade de trocas de informaes rpidas entre diferentes

    setores da indstria, etc (WESTKMPFER, 1996).

    Em relao ao aspecto operativo, pode-se perguntar se o processo PR ideal para

    o desenvolvimento de projeto na fbrica (oficina), para o trabalho nos departamentos

    de desenvolvimento de produtos ou ainda para a utilizao tanto na prestao de

    servios quanto no uso interno.

    Existem alguns critrios tcnicos a serem respeitados para a utilizao econmica

    da PR, tais como: o prottipo precisa ser complexo (KNSTNER, 2002);

    possibilidade de determinar o tempo de desenvolvimento que deve ter uma grande

    importncia para atender o mercado (MUELLER, MUELLER, 2002); o sistema CAD -

    3D deve ser a orientao volumtrica de uso contnuo no desenvolvimento de

    produtos (BRANDNER, 1999). Esse ltimo critrio deve ser necessariamente

    preenchido, do contrrio no tem sentido a utilizao da PR, pois a maioria dos

    softwares do sistema PR so baseados nesse modo de trabalho.

    Como a utilizao da PR se d tanto na prestao de servios quanto no uso em

    departamento de desenvolvimentos de produtos, necessita-se de um critrio de

    deciso para escolha e a avaliao econmica do processo ideal.

    A pergunta, depois da avaliao econmica, tem dois aspectos principais: a) que

    processo de PR preenche a exigncia da qualidade no tempo ideal de construo?

    b) que custo resulta do uso do processo de PR (tabela 20)?

  • 143

    Essas perguntas no representam uma validao geral para se obter uma resposta

    decisiva sobre qual tecnologia de PR deve ser adotada. Deve se, ainda, fazer uma

    avaliao, de acordo com estudo de Ebenhoch (2001), das seguintes caractersticas:

    preciso, detalhamento, superfcie de acabamento, material, dimenses,

    caractersticas tecnolgica mecnicas, processos subseqentes e Rapid Tooling

    (RT). Tambm necessrio que se avalie se este processo necessita de

    preparao, tempo de aquecimento (FDM, EP), tempo de espera (Sinter - Laser),

    tempo de resfriamento (Laser -Sinter), troca de material (FDM, extruso),

    acabamentos subseqentes (envernizamento no LLM- modelagem). Tambm deve-

    se levar em considerao a possibilidade de haver necessidade de ps-

    processamento e de sistemas operacionais especficos. Essa avaliao importante

    para se escolher um processo de PR economicamente apropriado

    Para a avaliao econmica do processo de PR, os itens que mais influenciam,

    segundo Gebhardt (2000), so: custos dos investimentos, investimentos paralelos,

    custo do local de trabalho da mquina, custos de manuteno e de padronizao,

    custos dos materiais, custos funcionais e custos de pessoal.

    Paralelamente aos custos da mquina, h custos correspondentes aos

    investimentos no sistema CAD e software de interfaces, ao treinamento, instalao

    e aos equipamentos para ps-processamento (PIEVERLING, 2002). Incluem-se

    ainda os custos do local (departamento de engenharia de desenvolvimento, ou

    oficina), em mdia 50% a 100% dos custos da mquina, dependendo de seu porte

    (extrusora prototipadora US$ 62.000,00 + 30% em impostos). Se o material for

    txico, deve-se tambm levar em considerao, pois necessita-se de equipamento,

    agregado mquina, para tratar os gases oriundos do processo, o qual eleva o

    custo da mquina, que na sinterizao, est em torno de US$ 425.000,00.

    Os ciclos de inovao do prottipo so muito curtos. Os custos com updates

    (software) e upgrades (hardware), assim como os de manuteno e instalao so

    de 15% a 25% dos custos da mquina. Deve-se considerar tambm, quanto ao

    aspecto econmico, se o fabricante dispe no mercado de condies para se fazer

    atualizaes ou substituies integrais de mdulos (GEBHARDT , 2000).

  • 144

    Os custos dos materiais, como a matria-prima so altos e esto entre 188 e 375

    US$/kg, com algumas excees para o processo LLM, que utiliza cerca de 6,25

    US$/kg e Z-Corp 50 US$/kg. Entretanto no necessrio nenhum produto semi

    acabado, logo no h necessidade de mquinas especiais e elementos de fixao.

    Embora as pesquisas tenham propiciado melhoria das caractersticas qualitativas

    das resinas fotossensveis (durabilidade, umidade, preciso, etc) (HAGIWARA, ITO,

    2003), so ainda raros os casos de materiais reaproveitveis. Alm disso,

    equipamentos grandes de laser sinter necessitam aproximadamente US$1,250.00

    para o preenchimento do p no reservatrio. J os equipamentos de

    stereolithography, com dimenses proporcioanis, acima de US$125,000.00, para o

    preenchimento do reservatrio.

    Custos operacionais incluem os custos do consumo de energia para a operao do

    laser (sinter, stereolithography, entre outros), custo de aquecimento do sistema

    (FDM, Extrusora), custos do processamento do gs (laser sinter) (GEBHARDT,

    2000). O processo a laser consome muita potncia e influencia assim, de maneira

    negativa, o aspecto econmico. H necessidade de instalao de equipamento para

    resfriamento (por exemplo: 11 kW de potncia absorvida em 440 mW de potncia de

    alimentao). Existem, entretanto, equipamentos a laser de corpo rgido que

    consomem menos potncia e, alm disso, processos que no usam o laser so mais

    accessveis.

    O clculo desses fatores compreendem tambm o tempo efetivo de trabalho sobre o

    custo para o processo de construo do prottipo, principalmente no tempo de incio,

    tempo de partida, perodo de espera e outros tempos adicionais (GEBHARDT, 2000)

    (EBENHOCH, 2001).

    Os custos com pessoal diferenciam-se e no so significativos quando comparados

    com a fabricao convencional do prottipo. importante observar que necessrio

    um especialista em CAD, mesmo que no haja necessidade de nenhuma construo

    em 3D na rea de prototipagem (GEBHARDT, 2000). Alm disso, no existe

    nenhum curso de formao de trabalhadores na rea de PR.

  • 145

    As freqentes discusses realizadas sobre a agilidade do prototipador (projetista de

    prottipo), de algum modo levam, na prtica, a diferentes resultados, no somente

    na prototipagem feita na cmara de processo da mquina, mas tambm no processo

    completo de construo do prottipo, do processamento de dados e at no ps

    processamento. Considera-se tambm, para o usurio, as limitaes do sistema, em

    poder proporcionar visibilidade durante o processo de gerao do prottipo, o que

    possibitaria rejeitar, comparar o prottipo e tambm determinar os tempos adicionais

    para fatiamento e finalizaes ou reclculo do tempo total mximo ou mnimo

    (GEBHARDT, 2000).

    Para ilustrar algumas grandezas descritas acima com valores numricos, Capuano

    (2000) pesquisou as grandezas que envolvem a prototipagem em duas mquinas de

    Rapid Prototyping (SL e FDM) e na prototipagem convencional (PC). Alguns dos

    resultados, (tabela 20), so relativos a dados em termos de fabricao de seu

    prottipo, e no representam a deciso de seleo sobre qual tecnologia para

    prototipagem melhor em detrimento de outra, pois devem ser considerados outros

    itens de avaliao, tais como qualidade do prottipo e flexibilidade.

    Tabela 20 Dados de fabricao de prottipos via prototipagem convencional (PC) e via PR pela SL e FDM (CAPUANO, 2000).

    PR

    Dados de trabalho: PC SL FDM

    Preparao do prottipo1 - 15 min 10 min

    Fabricao do prottipo4 24 h 37 min - -

    Gerao do prottipo - 10 h 2 16 h. 6 min 3

    Material do prottipo ABNT 1020 Resina acrlica ABS

    Acabamento5 - 20 min -

    Custos de produo R$ 350,00 R$ 800,00 R$ 680,00

    Espessura de cada camada - 0,025mm-0,15mm 0,254mm

    Relao custo/tempo 14,21 R$/h 76,58 R$/h 41,64 R$/h

    1 Verificao do prottipo, correo da direo das normais, layout da plataforma,

    gerao da estrutura do suporte e fatiamento do modelo;

    2 No foram computados os tempos para pr-aquecimento e resfriamento;

  • 146

    3 A estrutura do suporte foi feita com material diferente (Water Works);

    4 A fabricao do prottipo corresponde s seguintes etapas preparao,

    usinagem, montagem, acabamento;

    5 O prottipo teve o suporte retirado, recebeu jato de areia e pintura em verniz

    incolor.

  • 147

    APNDICE B Exemplos de aplicaes da PR em algumas reas

    B1) automobilstica: como exemplo de utilizao da PR nessa rea, cita-se o

    trabalho de Spreng (1996), o qual desenvolveu um mtodo para selecionar via

    software um processo de PR a ser utilizado na indstria automobilista. A partir das

    caractersticas do produto, o software descreve as fases de desenvolvimento e de

    construo de prottipos e trabalha as variveis de tempo de desenvolvimento, de

    custos operacionais entre outros, e ainda prediz as etapas de trabalhos entre a fase

    de criao at o produto final. Pesquisas prticas foram realizadas por Mueller e

    Mueller (2000) utilizando diferentes tecnologias de PR para a fabricao de

    ferramentas para conformar chapas metlicas em peas de geometria complexa e

    peas de plsticos de alta demanda na indstria automobilstica. Foram estudadas

    as variveis de alguns processos de PR aplicadas na RT. A anlise dos custos e dos

    tempos de produo permitiu no s um comparativo econmico das ferramentas

    obtidas atravs do RT, mas tambm uma viso e a proposta de critrios de seleo

    dessas tecnologias na aplicao em peas pequenas de geometrias complexas que

    podem ser fabricadas com materiais plsticos ou metlicos.

    B2) Medicina e Odontologia: a tecnologia da PR pode ser utilizada no

    desenvolvimento de prteses com uso de novos materiais para suporte ou

    sustentao da estrutura danificada ou defeituosa e que por meio de cirurgia, so

    implantados no paciente (WESTKMPFER, BIESINGER, KOCH, 2002)

    (MENGHUAI, 2000). Na odontologia, atravs da reconstruo por imagens

    tomogrficas em seqncia de fatias (slices), prottipos de prteses so construdos

    com o auxlio de uma mquina de PR. Os prottipos gerados possibilitam simulao

    das funes, a fabricao de prteses e muitas outras aplicaes, como o estudo de

    reconstruo da estrutura ssea maxilo-facial, crnio-facial, mandibular, em virtude

    de tratamento de tumores, deformidades e mal formaes fsicas (SOUZA, 2004). A

    tecnologia de PR, na odontologia, tambm propicia construir prottipos para o

    Casting Modeling (modelagem para fundio em casca) de prtese dentria com

    titnio (MENGHUAI, BERGBAU, HTTENWESEN, GEOWISS, 2000).

  • 148

    B3) outros (exemplo na fundio): Bsecke, Dusel e Mller pesquisaram a

    aplicao da tecnologia de PR em empresas produtoras de moldes para fundio

    projetados e gerados por processos de PR e verificou a influncia desses processos

    na fabricao de peas fundidas e a qualidade dos moldes para a fundio via testes

    de compresso, de preciso e de contrao, entre outros (BSECKE, 1999)

    (DUSEL, 2000) (MLLER, 2002)

  • 149

    APNDICE C Gerao de arquivos para fatiamento

    Na tabela 21, observa-se que os sistemas CAD trabalham dados em 3D, que o

    formato padro STL, mas que possvel tambm trabalhar dados em 2D, utilizados

    por exemplo, nos softwares usados para captao de imagens via escaneamento

    tomogrfico e para a engenharia reversa. Esse formato requer um software

    especfico de tratamento dos contornos dos objetos obtidos pelo escameamento e e

    a correo de eventuais erros de curvas do contorno do objeto para posterior

    fatiamento em 2D. Com isso reduz-se erros, por exemplo, de fechamento, o que

    possibilita reproduzir melhor a superfcie do slido e ainda obter arquivos de

    tamanho menor. Em face dessas limitaes, o formato 2D no largamente aceito

    em sistemas de PR.

    Macht (1999) e Gebhardt (2000) descrevem alguns formatos de arquivos (tabela 21)

    para a PR:

    C1) Formato 2D: dados escaneados, dados da fatia (contornos):

    SLC Stereolithography Contour da empresa 3D Systems: um formato utilizado

    na transferncia dos dados de cada fatia do prottipo e para preparao dos

    parmetros de construo nos processos de PR via stereolithography;

    CLI Common Layer Interface da empresa EOS: a representao fatiada do

    prottipo para a entrada dos dados de sua geometria para processos baseados na

    tecnologia Layer Manufacturing Technologies (LMT);

    HPGL Hewlett Packard Graphies Language: um formato para o

    reconhecimento de contornos para a plotagem, o qual aproveita o contornamento

    realizado direto no CAD para posterior plotagem na mquina de PR.

    C2) - Formato 3D: modelos slidos, dados digitalizados, dados da malha:

  • 150

    STL Abreviao de stereolithography tesselation language e representa um

    formato de arquivo, que gera finitos tringulos, os quais representam toda a

    superfcie do modelo, para que esta seja reconhecida, pelo software de fatiamento,

    como uma teia unida por meio de milhares de tringulos e seja fatiada em camadas

    de espessuras finas. o formato predominante usados pelos sistemas de PR como

    pode ser observado pela Tabela 13;

    IGES Initial Graphies Exchange Specification: um padro definido

    mundialmente que pode reconhecer formas geomtricas e realizar interface com

    sistemas de PR, mas apresenta muitas variaes da forma da geometria

    reconhecida, a qual deve ser precisamente especificada para posterior trabalho na

    mquina de PR;

    STEP STandard for the Exhange of Product Model Data: o desenvolvimento dos

    formatos IGES entre outros foram adotados pelo STEP como um padro ISO

    (International Standart Organisation) cujo objetivo cobrir todos os aspectos do ciclo

    de desenvolvimento do produto na indstrias. Sendo um modo de verificao e

    transmio de dados geomtricos de um objeto e tambm de informaes de

    parmetros operacionais de construo do objeto, o formato STEP permite a

    manipulao dos dados e a transmisso do modelo do programa CAD para a

    mquina PR;

    DXF Drawing Exchange Format da empresa Autodesk: um formato de dados

    para aplicao em CAD. muito utilizado, pois oferece suporte a objetos em 3D,

    trabalha dados em 2D e 3D e possibilita representao de contornos, curvas e

    textos.

  • 151

    Tabela 21 Formatos de troca de dados para mquinas com Solid Free Form ( SFF) Processo de PR Formatos Nome do

    Software Obs.:

    3D Systems STL MAESTRO EOS Stereos EOS STL EOS Trabalha dados em

    SLI

    HPGL

    LMS (verso 3.0)

    Usa um gerador para trabalhar os dados de contorno e dar suporte a modelos de slidos e com cavidades

    Fockele & Schwarze

    HPGL - 1

    Gera dados do arquivo STL e converte no formato de dados F&S

    Solid Ground Curing STL Cubital

    Stereolithographie

    (SL)

    Mikrostereolithographie -

    Microtec

    A mquina transmite as informaes geomtricas de interface neutra direto do CAD.

    Selektive Laser Sinter DTM

    STL

    Magics RP Software

    Tambm pode usar um formato neutro

    Laser

    Sinter

    (LS)

    Laser Sinter EOS

    STL

    RP Tools

    Dados de contorno (CLI)

    Laminated Object Manufacturing (LOM) (Helisys)

    STL

    LOM slice

    Nesta mquina PR pode-se trabalhar direto do CAD algumas funes de desenho

    Rapid Prototyping System (Kinergy)

    STL O software no conhecido

    Selective Adhesive and Hot Press Process

    STL RPCAD

    JP Systems 5 Schroff Development Corp.

    STL

    Silver Screen 3D CAD Solid Modeler

    Layer Milling Process (LMP) Zirmmermann

    _ _ Dados direto do CAD

    Stratoconception Charlyrobot _ Stratoconception PC

    Recebe os dados do arquivo CAD

    Layer Laminate Manufacturing (LLM

    )

    Stratified Object Manufacturing (SOM) ERATZ

    IGES

    VDAFS

    Dados do CAD em formato neutro, Desenvolve-se compatibili-zao com o STEP, mas no concluda ainda.

    Fused Deposition Modeling (FDM) Stratasys

    STL

    QuickSlice

    Os dados podem ser lidos no SLC

    Multiphase Jet Solidification (MJS) ITP

    STL

    O software da mquina gera e processa os arquivos F

    used Layer

    Modeling (FLM

    )

    3D Ploter (Stratasys) STL AUTO Gen

  • 152

    ModelMaker Sanders Prototype Inc.

    STL, SLC HPGL, DXF

    ModelWorks

    Nesta mquina PR podem-se trabalhar direto do CAD algumas funes de desenho

    Multi Jet Modeling (MJM) 3D Systems

    STL

    Solid Object Printer

    Pode-se fazer visualizaes direto do CAD

    Rapid Prototypng Systems Z Corporation

    STL

    O trabalho dos dados geomtricos e do conversor STL se d fora da mquina

    Rapid Tooling System ExtrudeHome

    STL, SLC IMAGEWARE

    Three Dimensional Printing

    (3D

    P)

    Direct Shell Production Casting (DSPC)

    A mquina necessita dos dados do CAD numa interface neutra

    Laser

    Generation

    (LG

    )

    Laser Engineered Net Shaping (LENS) (Optomec)

    STL

    Solid Works Rapid Prototyping (Optical)

    Os dados do CAD so trabalhados em uma Interface neutra.

    Legenda: STL, DXF, IGES, STEP, etc: formato 3D: modelos slidos, dados

    digitalizados, dados da malha;

    SLC, SLI, HPGL, CLI F&S, etc: formato 2D: dados escaneados, dados da fatia

    (contornos).

    A representao binria, o que proporciona volume de informaes menor do que

    o ASCII. Alm disso, carrega e processa os dados mais rapidamente que o STL-

    ASCII, pois usa a codificao de mquina, ou seja, zero (0) e um (1).

  • 153

    APNDICE D Processos de PR

    D1) PR via Stereolithography

    Nesse processo o foco do laser incide a uma dada profundidade da superfcie do

    material e por meio do efeito da fotopolimerizao, solidifica a rea coberta pelo foco

    do laser e descrita pelo perfil da fatia do prottipo. Ao trmino da primeira fatia, o

    depsito de material fluidificado movimenta-se na direo do eixo Z (regra da mo

    direita) em uma profundidade pr-determinada. Esse processo se repete at a

    concluso do prottipo fatiado. Os fabricantes (tabela 22) dispem em geral de

    diferentes estratgias para a realizao deste processo.

    Tabela 22 Fabricantes e sistemas de PR via stereolithograpy Fabricante Sistema Sigla 3D-Systems Stereolithograpy Apparatus SLA

    EOS STEREOS -

    Fockele & Schwarze Stereolithographie (figura 30) F & S

    Cubital Solid Ground Curing (figura 32) SGC

    MicroTEC Microstereolithographie -

    D1.1. Stereolithography (3D-Systems e Fockele & Schwarze)

    Conforme a figura 29, no espao de trabalho, tem-se uma plataforma (elevador) que

    possui um movimento vertical controlado. Inicialmente mergulhada no recipiente

    (tanque) cheio de resina, de modo que seja coberto por apenas dcimos de

    milmetros de resina lquida. Em seguida, o laser descreve sobre a plataforma, o

    perfil da fatia do prottipo a ser solidificada a alguns dcimos de milmetros dentro

    da resina, de modo que essa poro definida pela ao do laser ultravioleta seja

    curada, desenhando assim cada seco da fatia do prottipo em construo.

  • 154

    A Plataforma B Fuso de movimento C Fonte de laser CO2 D Espelho E Prottipo concluido F Tanque com a resina G Nivelador de superficie

    A

    B

    C D E F G

    Z

    Figura 29 Esquema do processo SLA e F&S

    Figura 30 Mquina de stereolithograpy, Instituto Fraunhofer para Automao Empresa: Fockele & Schwarze

    Segundo Meiners (1999), Gebhardt (2000), Ebenhoch (2001), Rettenmaier (2002),

  • 155

    Birke (2002) e Chartier, et al, (2002) as caractersticas do processo de

    stereolithograpy das mquinas SLA e F& S, so as seguintes:

    Abreviao: SLA e F& S;

    Princpio: o laser ultravioleta incide, precisamente, sobre a superfcie do material

    fluidificado e tambm com uma dada profundidade de forma a solidificar este

    material;

    Preciso do prottipo gerado: 0,05 - 0.1 mm;

    Altura da fatia: 0,1 0,5 mm;

    Materiais: epxi e resina de acrlico, entre outros;

    Utilizao: prottipos para avaliao funcional, prottipos de moldes para

    ferramentas que podem ser usadas para testar a produo, prottipos para a rea

    mdica; prottipos para concepo, marketing, testes de montagem; prottipos para

    processo de fundio a vcuo; prottipos para fundio em areia; prottipos para

    injeo metlica; prottipos descartveis para fundio de preciso; fabricao de

    prottipos para moldagem por injeo de insertos macio, em forma de casca, pelo

    processo denominado de conformal cooling (canais incorporados) e com aletas

    [Beal, 2002]; prottipos para a fabricao de Electro Discharge Maschining (EDM),

    prottipos para teste de tenso ptica; e teste CNC;

    Vantagens: alta resoluo para prottipos inteiros mesmo com estruturas

    verticalmente finas, complexas e muitos elementos com geometrias diferentes;

    oferece a possibilidade de construo de prottipos que no podem ser gerados por

    meio de processos convencionais simples. indicado para muitas reas de

    desenvolvimento de produtos, pois o prottipo pode ser gerado sem necessidade de

    superviso humana permanente. A mudana de material relativamente simples,

    pois envolve apenas a substituio do recipiente. Devido alta velocidade de

  • 156

    varredura do laser e o tempo de interrupo do laser ser muito curto o prottipo pode

    ter preciso centesimal.

    Desvantagens : o prottipo fabricado requer ps-processamento. A preciso do

    prottipo gerado no equivalente s peas utilizadas usualmente nas mquinas de

    usinagem. Requer cuidados especiais de isolamento ao espao de trabalho devido

    s propriedades dos materiais (proteo de contato com polmero e dos gases)

    (TILLE, 2003). Requer a implementao de suportes para fabricar salincias e

    cavidades do prottipo, o que envolve custo adicional para a gerao e a remoo

    dessas estruturas. At o momento, os materiais ainda no preenchem todas as

    caractersticas desejadas, tais como preciso e resistncia mecnica dos materiais

    usados em processos convencionais. Dificuldade de controle dos parmetros

    operacionais do laser e seu alto preo por unidade. Alto preo por prottipo

    construdo e para o retrabalho. H necessidade de tratamento em estufa ou forno de

    tenses internas. Podem ocorrer erros de confeco da superfcie do prottipo

    devido lentido do processo para se fabricar o prottipo; contrao do prottipo. A

    durabilidade do prottipo construdo tem influncia da luz do dia; alto custo para

    proteo durante o trabalho (proteo de contato com polmero e com os gases).

    D2) - Solid Ground Curing (Cubital)

    O Solid Ground Curing (SGC), tambm conhecido como processo de solidificao,

    foi desenvolvido pela empresa Cubital Inc., de Israel. Utilizando o mesmo princpio

    da stereolithograpy, sua diferena bsica o uso de uma mscara por onde os

    feixes do laser passam e solidificam uma camada inteira. Ao trmino da produo de

    uma camada, realiza-se a etapa de fresamento para garantir o nivelamento para a

    deposio da prxima camada. O processo inteiro descrito abaixo.

    Conforme a figura 31, esse processo apresenta dois ciclos, sendo um da gerao da

    mscara e outro da fabricao da fatia. de aproximadamente 2 minutos o tempo

    necessrio para completar esses 2 ciclos.

  • 157

    Para a primeira fatia do prottipo ser construda, aplicado inicialmente um

    revestimento da resina fotopolmera (D), que ficar exposta a lmpada (C). Uma

    mscara da seco transversal do prottipo requerido gerada eletrostaticamente,

    pela transferncia do toner (J), de modo que um injetor de eltron descreve a forma

    da fatia sobre a mscara de vidro (B). Para fatia do prottipo ser fabricada, a placa

    de vidro (A) move-se para baixo da mscara (B) para a fatia do prottipo

    eletrofotografado no refletir sobre a camada sem estar inteiramente na posio

    abaixo da lmpada UV (C)

    Um obturador aberto, permitindo a passagem da luz da lmpada UV e a exposio

    da mscara para a cura da fatia, ou seja a fotopolimerizao de uma fatia do

    prottipo. O laser UV incide sobre toda a fatia que totalmente curada, no sendo

    necessria uma segunda operao de cura como o caso da stereolithography.

    A seguir, o toner da mscara de vidro removido deixando-a limpa para que uma

    nova fatia seja fotograficamente gerada sobre a mscara, de modo que o ciclo se

    completa. O prottipo move-se agora para se aspirarem e descartarem (E) partes da

    resina que no foram endurecidas.

    A seguir, tem-se a aplicao da cera (F) no prottipo para o preenchimento dos

    espaos onde a resina no endurecida foi removida. A cera , ento, endurecida na

    estao de resfriamento (G), onde uma placa fria pressionada de encontro ao

    prottipo.

    A etapa final a operao de fresamento (H). O prottipo , ento, fresado para

    retirar o material sobressalente (cera e fotopolimero) at que a superficie desejada

    esteja completamente formada dentro de uma matriz de cera.

    Operaes posteriores so ainda requeridas para se remover a cera que ficou

    derretida. O prottipo, nesse caso, lixado ou finalizado de maneira diferente da

    stereolithograpy. Na matriz de cera desnecessrio gerar uma estrutura extra de

    sustentao para salincias, como na stereolithograpy.

  • 158

    Figura 31 Esquema do processo SGC

    Figura 32 Mquina de SGC, modelo: SGC 5600 Empresa: Cubital

    Segundo Gebhardt (2000), Ebenhoch (2001), Rettenmaier (2002) e Birke (2002), as

    caractersticas do processo da mquina de SGC so as seguintes:

  • 159

    Abreviao: SGC;

    Princpio: o raio ultravioleta incide, a uma dada profundidade, atravs da mscara

    na superfcie do material lquido e solidifica-o (como uma fotopolimerizao);

    Preciso do prottipo gerado: 0,05 - 0.1 mm;

    Altura da fatia: 0,1 0,2 mm;

    Materiais: resina de acrlico; resina epxi;

    Utilizao: prottipos para avaliao de desempenho funcional, prottipos para

    estudo tcnico e funcional, moldes para fundio a vcuo e de preciso;

    Vantagens: possibilita a construo de prottipos com alta complexibilidade; no h

    necessidade de estruturas de suporte porque a cera usada como elemento de

    apoio;

    Desvantagens: ps-processamento necessrio para se remover a cera, a

    resistncia mecnica fornecida pela cera limita o campo de aplicao, a onda

    dissipada pela lmpada apresenta riscos; elevado consumo de cera.

    D3) - PR via Laser-Sinter

    Para o processo laser-sinter h dois fabricantes de mquinas (tabela 23), os quais

    utilizam a seguinte estratgia de fabricao do prottipo: o laser, nesse caso, a

    ferramenta de construo das fatias e o material a ser utilizado um p plstico ou

    metlico com granulao em torno de 10m, confinado em um depsito. Esse p

    espalhado por meio de um rolo sobre a superfcie que ser varrida pelo foco do

    laser. O foco do laser tambm incidi sobre o p, com dada profundidade, fundindo a

    regio abrangida e gerando assim uma nova e pequena regio slida. Com o

  • 160

    movimento do laser sobre a cama de p, outras pequenas regies so solidificadas

    at ser percorrida a regio inteira da camada.

    Na seqncia, a mesa, que contm a fatia construda, movimenta-se na direo Z e

    o rolo espalha, sobre esta, uma nova camada de p e repete-se o processo at ser

    gerado o prottipo.

    Tabela 23 Fabricantes e sistemas de PR via Laser-Sinter Fabricante Sistema Sigla

    DTM Selective Laser-Sinter SLS

    EOS Laser-Sinter (figura 34) LS

    D3.1. Laser Sintering (EOS)

    O calor de um feixe de laser de CO2 faz com que o material em p seja fundido e

    forme objetos slidos. So obtidos prottipos cujas propriedades mecnicas, como

    resistncia mecnica, correspondem a 95% das mesmas propriedades das peas

    injetadas.

    Conforme a figura 33, o feixe de laser segue o contorno de uma fatia do prottipo,

    aquecendo as partculas de modo a fundi-las.

    O feixe de laser promove a sinterizao da camada a cada varredura. A mesa

    mvel e desloca-se na direo Z aps a passagem do laser, para que nova camada

    de p, por meio da movimentao do rolo, seja espalhada sobre a mesa.

  • 161

    A Rolo alimentador e nivelador do p B P C Laser CO2 D Espelho E Prottipo concludo F Reservatrio de p G Plataforma

    A B C D E F

    G F

    Figura 33 Esquema do processo LS

    Figura 34 Mquina de sinterizao, Instituto Fraunhofer para Automao Empresa: EOS

  • 162

    Segundo Meiners (1999), Gebhardt (2000), Steinberger (2001) Ebenhoch (2001),

    Rettenmaier (2002), (KRAUSE, 2002) e Birke (2002), as caractersticas do processo

    de laser-sinter da mquina LS so as seguintes:

    Abreviao: LS;

    Princpio: o laser de CO2 funde e solidifica o material que forma a superfcie do

    prottipo a dada profundidade;

    Preciso do prottipo gerado: 0,1 0,2 mm;

    Altura da fatia: 0,1 0,2 mm;

    Materiais: P de metal e de plstico, cera de modelagem, termoplsticos, como

    Nylon, poliestireno (PS), policarbonato (PC), poliamida (PA), PVC, areia de croning24

    para fundio, areia para construo, areia para fundio entre outros;

    Utilizao: prottipos de plsticos ou metal, prottipos de formas diversas,

    prottipos para representao visual (mostrurio) e funcional de peas, molde para

    uso em cera, moldes e matrizes para fundio (WIRTZ, 2000), de preciso e areia.

    Este processo tambm produz prottipos em diversos materiais utilizados na anlise

    para verificao de ajuste; prottipos de fabricao; moldes de fundio; prottipo

    descartveis para processo de fundio prottipos para processo de fundio a

    vcuo com vantagem de apresentar porosidade e superfcies ideais para

    escoamento de gases; eletrodos de carbono ou grafite para eroso EDM (Electro

    Discharge Machining); molde de forjamento; prottipos de cermicas em escala

    artesanal;

    Vantagens: os prottipos no precisam de ps-cura exceto quando construdos em

    cermica; no h necessidade de criar estruturas para suporte com outro material

    independente da geometria; abundante possibilidade de escolha de matria-prima;

    24 O processo de fundio por Shell Molding ou Moldagem em Shell foi inventado em 1941 por Johannes Croning e usa areia de croning e resina.

  • 163

    capacidade de construir prottipos com geometria complexa (com cortes laterais,

    entre outros); o prottipo pode ser retrabalhado; prottipos com alta dureza; sem

    necessidade de processo de endurecimento posterior (embora haja infiltraes para

    alguns casos de utilizao); reutilizao do material restante;

    Desvantagens: o processo de produo de prottipos demorado e pode chegar a

    dias, por isso durante a solidificao, pode acontecer que p adicional endurea na

    borda da camada, o que prejudica no acabamento superficial do prottipo; gases

    txicos so emitidos durante o processo de fuso e devem ser manipulados com

    cuidado; a rugosidade da superfcie do prottipo deriva das propriedades mecnicas

    dos materiais (COREMANS, 1999) ; o processo de solidificao do p pela intensa

    radiao reduz a preciso pela formao de pele (superfcie spera); a superfcie de

    construo depende da granulao do p; a superfcie de aderncia desigual

    devido ao p ou influncia do laser; a limpeza difcil nos locais vazados por

    partculas aderidas, como na stereolithography ou Tecnologia Modelmaker; a

    temperatura na cmera do processo alta; o tempo de aquecimento e resfriamento

    envolvidos no processo consomem muita potncia; e gerao de gs inerte na

    atmosfera da cmara do processo com nitrognio leva a custos adicionais; gs

    venenoso e gerado no processo de fuso (principalmente com matria prima PVC).

    D4) - PR via Layer Laminate Manufacturing (LLM)

    Nesse caso, o laser inicide sobre a superfcie de uma folha de papel impregnada

    com material colante e recortada de acordo com o perfil da fatia do prottipo

    atravessando-a com profundidade pr-determinada. As regies fora do contorno do

    papel so recortadas pelo laser para posterior remoo. Para a gerao da segunda

    camada, a mesa desloca-se na direo Z e um sistema de alimentao por rolo

    posiciona o papel na regio onde ser gerada a fatia seguinte. O processo se repete

    at a construo da ltima camada.

    Na tabela 24, relacionam-se alguns dos fabricantes de sistema LLM.

  • 164

    Tabela 24 Fabricantes e sistemas de PR via Layer Laminate Manufacturing Fabricante Sistema Sigla

    Helisys Laminated Object Manufacturing (Figura 37) LOM

    Kinergy Rapid Prototyping System -

    Kyra Selective Adhesive and Hot Press Process SAHP

    Schorff Development Corp JP Systems 5 -

    Zimmermann Layer Milling Process LMP

    Charlyrobot Stratoconception -

    ERATZ Stratified Object Manufacturing SOM

    D4.1) - Laminated Object Manufacturing (Helisys)

    Neste caso, o laser possui um sistema de deslocamento bidimensional e recorta a

    seco do papel que est impregnado com material colante (figura 35). A altura de

    cada fatia do prottipo igual espessura do material usado no processo. A

    segunda camada de papel colada na primeira e a seo transversal seguinte

    cortada. O prottipo sai da mquina em um bloco retangular (figura 36). O material

    sobressalente tem a forma de cubos, devido ao corte transversal do laser, o que

    facilita sua remoo.

    Os prottipos obtidos pelo presente processo possuem textura semelhante da

    madeira. Freqentemente um revestimento adicional aplicado para proteger os

    prottipos da umidade.

  • 165

    A Alimentador de papel B Rolo aquecido C Espelhos D Laser E Faca de corte F Recolhedor de papel G Plataforma

    A B C D E

    G F

    Figura 35 Esquema do processo LOM

    A Bloco de papel com pea concluda

    B Desmontagem manual do material excedente C pea concluda

    Figura 36 Desmontagem dos blocos de material excedente

  • 166

    Figura 37 Mquina de LOM, Modelo: HELISYS 2030 Empresa: HELISYS

    Segundo Gebhardt (2000), Ebenhoch (2001), Rettenmaier (2002) e Birke (2002) as

    caractersticas do processo layer laminate manufacturing, da mquina LOM, so as

    seguintes:

    Abreviao: LOM;

    Princpio: o laser recorta as folhas de papel que esto impregnadas com material

    colante, e o recorte efetuado de acordo com as fatias do prottipo;

    Preciso do prottipo gerado: 0,1 mm;

    Altura da fatia: 0,076 0,203 mm;

    Material: folhas de papel revestidas com cola;

    Utilizao: prottipos com grande volume; moldes para fundio em areia; moldes

    para fundio de preciso em areia; moldes para injetar silicone; moldes de injeo

    para fabricao de ferramentas; prottipo tipo mostrurio para avaliao; prottipo

    para montagem e para averiguao funcional; prottipo de ferramentas; prottipos

    para fundio; prottipos em geral: molde para laminados, molde para vcuo, molde

    para fundio de poliestireno (PS) expandido;

    Vantagens: possui o maior envelope de trabalho disponvel hoje no mercado; baixo

    custo do material; tcnica mais rpida entre os processos de PR; o produto no sofre

  • 167

    tenses internas e deformaes indesejveis durante o processo de sua construo;

    podem-se construir prottipos complexos com custo baixo; o processo de limpeza

    no envolve produtos qumicos; o processo no envolve ressolidificao; o processo

    estvel; fabricao simultnea de vrios prottipos em blocos; construo rpida

    das fatias por meio da colagem das fatias no depsito; processo rpido em

    comparao com outros processos PR (o laser deve percorrer somente o contorno);

    a rpida alimentao da matria prima e a cola da superfcie de uma fatia inteira em

    construo elevam a velocidade em comparao com outros processos; escolha

    apropriada quanto as seguintes exigncias: margem de preo, compatibilidade com

    o meio ambiente, caractersticas qumicas e mecnicas, cor e superfcie;

    Desvantagens: limitada estabilidade dos prottipos devido deficincia da cola

    (impregnada no papel) entre as fatias do prottipo com paredes finas na direo Z;

    prottipos com cavidades devem ser fabricados em duas partes; os prottipos no

    se dilatam tanto quanto um molde obtido pelo processo SL, mas so sensveis

    umidade e se dilataro quando expostos ao vapor; o prottipo fabricado por esse

    processo deve ser aquecido antes da fundio de peas em casca (Cast Shell); os

    prottipos apresentam boa superfcie de acabamento nas superfcies paralelas ao

    plano de construo, mas as linhas perpendiculares a essa superfcie resultam no

    efeito escada , que afetar s peas fundidas em casca; pouco apropriado em

    paredes finas na direo Z; formao indesejvel de contrao do prottipo quando

    este for manipulado; a utilizao depende da complexidade de construo da pea;

    processos subseqentes devem preservar a pea de infiltrao de umidade e de

    dilatao (para evitar tal problema deve-se usar revestimento); aumento ou

    contrao da superfcie do prottipo na manipulao no ambiente de operao (nos

    prottipos no isoladas em ambientes apropriados); sem emprego do material

    restante diferentemente do que ocorre no laser sinter.

  • 168

    D5) - PR via Fused Layer Modeling (FLM)

    Nesse caso, o material confinado em um dispositivo que, ao ser aquecido, fludifica

    o material, que expulso de uma cmara por um bico injetor sobre a superfcie de

    uma mesa mvel (direo Z). O material depositado construr o perfil da fatia do

    prottipo. Na seqncia, a mesa move-se na direo Z e o processo se repete at a

    concluso da pea. A tabela 25 apresenta alguns dos fabricantes de sistema FLM.

    Tabela 25 fabricantes e sistemas de PR Fused Layer Modeling Fabricante Sistema Sigla

    Stratasys Fused Deposition Modeling (figura 39) FDM

    ITP Multiphase Jet Solidification MJS

    Stratasys 3D-Plotter -

    Sanders Prototype Inc. ModelMaker -

    3D Systems Multi Jet Modelling (figura 41) MJM

    Mhlacker Extrusora Prototipadora (figura 43) EP

    D5.1) - Fused Deposition Modeling (Stratasys)

    Nesse caso, os modelos so construdos por deposio de camadas, uma sobre a

    outra, por meio da extruso de material termoplstico fluidificado por aquecimento,

    para a construo das camadas da fatia do prottipo. O plstico ABS, devido s

    suas caractersticas, um dos materiais preferidos para os prottipos funcionais,

    pois oferece alta resistncia trao, tenacidade e durabilidade. Esse processo

    pode utilizar tambm nylon (prottipos para verificao de medidas e controle de

    projeto), elastmeros, ou cera. Podem ser construdas peas slidas, alveoladas ou

    vazadas. Por isso, tambm comumente utilizado para a confeco de gabaritos

    para a fundio.

    Para a mquina a seguir (figura 38), o material termoplstico usado (ABS por

    exemplo) apresenta-se inicialmente em forma de fio e injetado por meio de um bico

  • 169

    injetor com dimetro 0,178 mm. Esse material depositado por um cabeote

    extrusor a uma temperatura controlada para aquec-lo, at chegar ao estado

    pastoso. O cabeote extruda e deposita o material em camadas sobre uma base de

    baixa aderncia, ou seja, material para suporte. O material posicionado

    precisamente sobre as camadas j extrudadas e ento solidificado.

    A Plataforma B Prottipo concludo C Cmara quente D Material em forma de fio E Bobina de filamento

    A

    B

    C

    D

    E

    Figura 38 Esquema do processo FDM- Stratasys

    Figura 39 Mquina FDM, da empresa Stratasys

  • 170

    Segundo Gebhardt (2000), Ebenhoch (2001) e Birke (2002), as caractersticas do

    processo Fused Layer Modeling da mquina FDM, so as seguintes:

    Abreviao: FDM;

    Princpio: o termoplstico depositado com um bico de extruso;

    Preciso do prottipo gerado: 0,127 mm;

    Altura da camada: 0,125 1,27 mm;

    Material: acrilonitrila-butadieno-stirol (ABS) entre outros;

    Utilizao: prottipos para concepo; moldes funcionais para posteriores

    processos de manufatura, tais como fundio de preciso de cera perdida

    (Investment Casting), molde (Injection Molding) para fundio vcuo (Vacuum

    Casting), molde (Metal Injection Molding) para fundio de preciso (Fine Casting);

    prottipos para ajuste ou controle funcional para seqncia de processo;

    Vantagens: ajuste fcil dos parmetros de operao; fabricao de prottipos rpida

    e sem de resduos; ausncia de agente qumico txico ou polmero em banho

    lquido, o sistema no requer que o material seja manipulado durante ou aps a

    produo do prottipo; no requer limpeza exceto pela retirada do suporte por meio

    de solvente; o material pode ser trocado rapidamente; ausncia do uso do laser;

    aparelho com dimenses reduzidas, apropriado para uso em escritrios (desktop);;

    processo estvel e seguro (sem gerao de gases nocivos); sem sobra de material;

    rpida e fcil instalao devido tcnica utilizada; processamento compacto da

    matria-prima a ser extrudada;

    Desvantagens: prottipos de complexibilidade limitada; preciso restrita devido

    forma do material (principalmente de fio com dimetro de 1,27 mm); estruturas de

    suportes so necessrias; requer operaes de acabamento para remoo do

    suporte; limitada aplicao devido s caractersticas dos materiais; bem pequeno o

  • 171

    envelope de construo, em comparao com outros processos; a construo de

    proteo, devido fuso do material, necessria, em muitos casos.

    D5.2) - Multi-Jet Modeling (3D-Systems)

    O prottipo gerado sobre uma plataforma (figura 40). O material fundido

    depositado pelo injetor, que tem 96 pontos de sada para extruso. A plataforma

    movimenta-se em X e Y (deslocamento horizontal), de acordo com a geometria da

    camada. Para se gerar a camada seguinte, a plataforma desloca-se na direo Z

    (deslocamento vertical), para se depositar as demais camadas at o fim do

    processo.

    A Plataforma B Prottipo concludo C Alimentador de material D Cabeote injetor

    B

    C D

    A

    Figura 40 Esquema do processo MJM

  • 172

    Figura 411 Mquina MJM, modelo: ThermoJet printer Empresa: 3D SYSTEMS

    Segundo Knstner (2002), Gebhardt (2000) e Birke (2002), as caractersticas do

    processo Fused Layer Modeling da mquina MJM, so as seguintes:

    Abreviao: MJM;

    Princpio: a deposio da cera termoplstica feita por intermdio de um cabeote

    de presso, que contm 96 pontos de sada para extruso;

    Material: cera semelhante ao termoplstico;

    Utilizao: prottipos, prottipos visuais (mostrurio), prottipos para fundio de

    preciso de cera perdida (Investiment Casting);

    Preciso do prottipo gerado: 0,04 mm para fotopolmero;

    Altura da camada: no conhecida;

    Vantagens: prottipos com boa superfcie final; prottipo com pouca variao

    dimensional; processo econmico ao gerar prottipos em formas geomtricas

    complexas; equipamento relativamente pequeno que possibilita uso nos

    departamentos de desenvolvimento de produtos; utilizao de material atxico e com

    odor mnimo; processo silencioso; fabricao rpida de prottipos, se comparada

  • 173

    maioria das outras tcnicas de PR; produo de prottipos com bom acabamento

    superficial;

    Desvantagens: menor preciso do que a stereolithography; material quebradio;

    prottipos com dimenses limitadas; o prottipo necessita ser mergulhado em cera

    derretida ou epxi para obter-se dureza; prottipos grandes so construdos

    separadamente e montados posteriormente.

    D5.3) - Extrusora prototipadora (Mhlacker)

    Na mquina EP (figura 42) os modelos so construdos por deposio de camadas,

    assim como na FDM. O termoplstico extrudado pelo parafuso de movimento e

    depositado, camada por camada, atravs de um bico extrusor com 0,5 mm de

    dimetro sobre uma mesa.

  • 174

    A Plataforma B Prottipo concludo C Bico injetor D Resistncia eltrica E Cilindro F Entrada de material G Suporte dos

    parafusos

    B

    C

    D

    E

    A

    G

    F

    Figura 42 Esquema do processo EP

    Figura 43 Mquina EP modelo: 16D75417 Mhlacker Empresa: EXTRUDEX KUNSTSTOFFMASCHINEN

  • 175

    As caractersticas do processo Fused Layer Modeling da mquina EP, so as

    seguintes:

    Abreviao: EP (nossa denominao);

    Princpio: o material termoplstico extrudado pelo parafuso de movimento e

    depositado, camada por camada, atravs de um bico injetor;

    Preciso do prottipo gerado: 0,15 mm;

    Altura da camada: 0,2 mm 0,5 mm;

    Materiais: basicamente materiais termoplsticos, tais como: ABS, PP, PA, PVC, PC,

    entre outros;

    Utilizao: prottipos fabricadoscom at dois materiais, prottipos usados como

    ferramentas rpidas; prottipos para rea mdica; moldes e prottipos funcionais;

    Vantagens: fabricao de prottipos rpida e sem resduos; no requer manipulao

    do prottipo durante ou aps o processo de produo, no requer limpeza exceto

    pela retirado do suporte quando gerado, ausncia do uso do laser;

    Desvantagens: dificuldade de ajuste do avano da mesa e da rotao do parafuso

    durante a extruso; a mquina de 2 , eixos, de modo que os eixos x e y param

    ao se descer a mesa e nesse processo o material continua a ser depositado, o que

    ocasiona um deposito de material excedente, gerando assim emenda (figura 44);

    ocorre mudana das caractersticas fsicas do material ainda no parafuso devido a

    contato com outro material; a presso no constante durante a fluidez do material;

    h ainda a necessidade de otimizao da trajetria do bico injetor durante a

    deposio do material devido dificuldade para controlar o acionamento e a

    interrupo do depsito de material. Isso ocorrer tambm na FDM, embora a

    interrupo e acionamento do deposito do material seja rpida, pois a forma de

    avano do material usa estratgias diferentes (FDM rolo, EP parafuso). Na EP o

  • 176

    volume de material a ser aquecido, dentro da cmara quente, e extrudado maior

    que no FDM; prottipos de complexidade limitada; construes de suportes so

    necessrios, assim como operaes posteriores para remoo do suporte.

    Figura 44 Detalhe da emenda da pea

  • 177

    APNDICE E Estratgia da trajetria e programa em cdigo G

    Na figura 45, observa-se a estratgia da trajetria para deposio material e, abaixo,

    encontra-se a programao da trajetria do bico injetor durante a gerao do

    prottipo.

    Figura 45 Estratgias de trajetria do bico extrusr para prottipo vazado (a) e macio (b)

    Dados para programao de prottipo macio:

    Dimetro do bico 0,64 mm

    Espaamento 0,55 mm

    Altura inicial z 0,55 mm

    Altura entre camadas (eixo Z) 0,52 mm

    material utilizado compsito base de complexo de carboidrato

    Maquina fresadora cnc

    Marca EMCO

    Modelo F1

    Programa:

    N1 G9O

    N2 G92 X0 Y0 Z30

    N3 G0 X-20 Z0,55

    N4 G1 X0 F400

    (a) (b)

  • 178

    N5 G25 L31

    N6 G25 L31

    N7 G25 L31

    N8 G25 L31

    N9 G25 L31

    N10 G25 L31

    N11 GG5 L31

    N12 G25 L31

    N13 G25 L31

    N14 G25 L31

    N15 G25 L31

    N16 G25 L31

    N17 G25 L31

    N18 GG5 L31

    N19 G25 L31

    N20 G25 L31

    N21 G25 L31

    N22 G25 L31

    N23 G25 L31

    N24 GG5 L31

    N25 G25 L31

    N26 G25 L31

    N27 G25 L31

    N28 G25 L31

    N29 G25 L31

    N30 G25 L31

    N31 G91

    N32 G00 X-20 Z20

    N33 M30

    N34 G91

    N35 G1 X20 F400

    N36 Y15

    N37 X-15

  • 179

    N38 Y-14,45

    N39 X14,45

    N40 Y13,90

    N41 X-13,90

    N42 Y-13,35

    N43 X13,35

    N44 Y12,80

    N45 X-12,80

    N46 Y-12,25

    N47 X12,25

    N48 Y0,55

    N49 X-11,70

    N50 Y0,55

    N51 X11,70

    N52 Y0,55

    N53 X-11,70

    N54 Y0,55

    N55 X11,70

    N56 Y0,55

    N57 X-11,70

    N58 Y0,60

    N59 X11,70

    N60 Y0,55

    N61 X-11,70

    N62 Y0,55

    N63 X11,70

    N64 Y0,55

    N65 X-11,70

    N66 Y0,55

    N67 X11,70

    N68 Y0,55

    N69 X-11,70

    N70 Y0,55

  • 180

    N71 X11,70

    N72 Y0,60

    N73 X-11,70

    N74 Y0,55

    N75 X11,70

    N76 Y0,55

    N77 X-11,70

    N78 Y0,55

    N79 X11,70

    N80 Y0,55

    N81 X-11,70

    N82 Y0,55

    N83 X11,70

    N84 Y0,55

    N85 X-11,70

    N86 Y0,60

    N87 X11,70

    N88 Y0,55

    N89 X-18,35

    N90 Y-13,35 Z0,52

    N91 M17

    Programa para a execuo de uma pea circular com quatro crculos inscritos

    Espaamento entre fieiras: 0.55mm

    Altura na 1 camada: 0.70mm

    Altura entre camadas: 0.60mm

    N00 G90

    N01 G92 X0 Y0 Z20

    N02 G25 L20

  • 181

    N03 G00 X0 Y0 Z0.7

    N04 G01 X20 Y0 Z0.7 F

    N05 G25 L20

    N06 G25 L20

    N07 G25 L20

    N08 G25 L20

    N09 G25 L20

    N10 G25 L20

    N11 G25 L20

    N12 G25 L20

    N13 G25 L20

    N14 G25 L20

    N15 G25 L20

    N16 G25 L20

    N17 G91

    N18 G00 X-20 Y0 Z20

    N19 M30

    N20 G91

    N21 G03 X15 Y-15 Z0 F

    N22 G03 X15 Y15 Z0 F

    N23 G03 X-15 Y15 Z0 F

    N24 G03 X-15 Y-15 Z0 F

    N25 G01 X0.55 Y0 Z0 F

    N26 G03 X14.45 Y-1445 Z0 F

    N27 G03 X14.45 Y14.45 Z0 F

    N28 G03 X-14.45 Y14.45 Z0 F

    N29 G03 X-14.45 Y-14.45 Z0 F

    N30 G01 X0.55 Y0 Z0 F

    N31 G03 X13.90 Y-13.90 Z0 F

    N32 G03 X13.90 Y13.90 Z0 F

    N32 G03 X-13.90 Y13.90 Z0 F

    N33 G03 X-13.90 Y-13.90 Z0 F

    N34 G01 X.55 Y0 Z0 F

  • 182

    N35 G03 X13.35 Y-13.35 Z0 F

    N36 G03 X13.35 Y13.35 Z0 F

    N37 G03 X-13.35 Y13.35 Z0 F

    N38 G03 X-13.35 Y-13.35 Z0 F

    N39 G01 X-1.65 Y0 Z0.6 F

    N40 M17

  • 183

    APNDICE F Anlise comparativa

    Nesse apndice realizaram-se experimentos com uma mquina do processo via

    FDM e EP, pois tais processos se assemelham ao processo proposto. Objetiva-se,

    portanto, obter grandezas qualitativas e quantitativas desses processos para,

    posterior, comparao com o processo proposto.

    Os processos FDM e EP, durante a fabricao de um prottipo, processam o

    material via extruso semelhante MDTA. Assim podem ser verificadas, as variveis

    de preparao e de operao, tambm os aspectos de utilizao, entre outros

    aspectos qualitativos e quantitativos na PR.

    Nos experimentos, trabalharam-se aproximadamente 300 horas nos testes com a

    FDM e a EP, de modo que a comparao realizada entre as informaes colhidas,

    captulo 7, das variveis e dos aspectos de operao, preparao e caractersticas

    entre outros aspectos da MDTA.

    F1) Materiais e mtodos

    Os materiais e mtodos usados nas mquinas dos processos FDM e EP, para a

    obteno das caractersticas so descritos a seguir.

    F1.1) Materiais

    Com o uso da mquina de EP, modelo: 16D75417 Mhlacker, foram feitos

    experimentos com o ABS25, o qual um dos termoplsticos muito usado na PR e no

    25 O A.B.S. (Acryonitrile-Butadiene-Styrene) um plstico, cujo desenvolvimento tem estado tradicionalmente vinculado a aplicaes na indstria. Caracteriza-se por suportar golpes sem sofrer fissuras nem roturas, facilmente limpo com um pano, reciclvel, dificulta o desenvolvimento de germes.

  • 184

    Rapid Tooling, conforme estudo de Dusel (2000). Essa mquina extruda o

    termoplstico atravs de um bico injetor com 0,5 mm de dimetro.

    No processo FDM usou-se a mquina modelo: Prodigy Plus, a qual processa

    somente ABS. O dimetro de sada do bico injetor de 0,30 mm, o que fornece uma

    camada do prottipo com largura de 0,3 mm e com altura de 0,25 mm.

    F1.2) Mtodos

    Nos experimentos, construiu-se um prottipo com a forma de um cilindro26 (figura

    46) com as seguintes dimenses: L = 0,5 mm; e = 0,5 mm; h = 7,5 mm (corresponde

    a 15 camadas); d = (30 mm). Os eixos X e Y nas mquinas da FDM e EP

    trabalharam simultaneamente, de modo a descreverem um crculo.

    A programao dos eixos X, Y e Z, na mquina EP, foi elaborada em cdigo G

    para se depositar os filamentos, e fabricar a pea conforme a geometria cilndrica

    vazada apresentada na figura 46.

    Figura 46 Grandezas dimensionais do prottipo fabricado nos experimentos com a FDM e EP.

    26 Objetivou-se obter parmetros operacionais quantitativos.

  • 185

    No processo FDM, a pea foi desenhada no software (INSIGHT27) e utiliza o formato

    SLC para fazer o fatiamento do desenho do prottipo e tambm elaborar a estratgia

    da trajetria do bico extrusor durante o depsito das camadas do termoplstico.

    Esse software dispe de recursos bsicos para a realizao de desenhos, mas para

    produo de peas complexas, ou seja, pea com formas geomtricas no

    elementares h necessidade de se utilizar software CAD.

    F2) Anlise Comparativo

    Nos itens que se seguem, entre os processos FDM, EP e MDTA, so avaliados os

    seguintes aspectos: operao e preparao; anlise dimensional; anlise de forma

    dos prottipos gerados; comparativo dos custos com material; comparativo de

    utilizao e, finalmente, comparativo de processamento e ps processamento.

    F2.1) - Comparativo operacional e de preparao

    Na MDTA, o compsito base de carboidrato extrudado sob temperatura

    ambiente, enquanto nas mquinas FDM e EP o material ABS fundido e extrudado

    para posterior modelagem.

    A transformao do material na EP semelhante do processo da mquina de FDM.

    Nos dois casos, o material aquecido at a temperatura de extruso e a diferena

    bsica o estado da matria prima, ou seja, material granulado (EP) e material em

    forma de fio (FDM).

    Na mquina EP, uma poro de material ABS aquecida e liquefeita em diferentes

    zonas do dispositivo extrusor. Essa poro de material liquefeita alojada nas paredes

    27 Software desenvolvido pela empresa Stratasys

  • 186

    internas do cilindro e nos filetes externos do parafuso de movimento, deslocada via

    movimento rotativo do parafuso, de modo a ocorrer a extruso. No processo FDM, a

    matria-prima, que encontra-se em forma de fio movida para dentro do dispositivo

    pela ao de dois roletes e passa pela regio aquecida do mesmo onde,

    temperatura de 280 C, liquefeita para ser extrudada.

    F2.2) - Estado fsico da matria prima: o compsito de carboidrato encontra-se,

    inicialmente no estado pastoso homogneo, o que facilita o escoamento ao ser

    injetado. Esse estado pastoso no requer aquecimento, tanto para o ambiente no

    qual ser depositado quanto para a operao de deposio do material e construo

    do prottipo camada por camada;

    Tabela 26 Comparativo de dados de preparao e operao entre sistema EP, FDM e MDTA. Material ABS Compsito

    Variveis de preparao e operao FDM EP MDTA

    Tempo de aquecimento (min) 20 90

    Zona 1 = 189

    Zona 2 = 214

    Flange = 214

    Temperatura de trabalho (

    C)

    Bico injetor =

    180

    216

    Cabeote extrusor 102 Temperatura Stand by

    ( C) Envelope 60

    Idem

    temperatura

    de trabalho

    Perodo de tempo do stand by para a operao (minutos)

    1,5 Idem ao

    tempo de

    trabalho

    Tempo de operao (min) 10 13, 75

    Vazo (cm3/hora) 8,5 27,5 9,78

    Preparao da mquina com relao ao tempo de

    aquecimento (min)

    5 40

    Rotao (RPM) ( velocidade de extruso) 0,5 0,5

    : no requer uso, : no medido,

  • 187

    F2.3) - Elementos constituintes do compsito: dentre os elementos do compsito

    de carboidrato, tm-se elementos que, alm de facilitar a fluidez e diminuir a

    resistncia nas paredes internas do cilindro, possibilitam mais flexibilidade e

    maleabilidade para se moldar um prottipo durante o processo de extruso;

    F2.4) - Volume do material: o volume de material deslocado menor no dispositivo

    da MDTA quando comparado EP (aproximadamente 3300 cm3);

    F2.5) - Comparativo dimensional

    Os dados dimensionais dos processos (tabela 27) possibilitam verificar que a MDTA

    pode trabalhar tanto proporcionalmente ao campo de preciso dimensional do FDM

    quanto ao da EP, como descrito a seguir:

    Na MDTA, usou-se bico injetor com dimetro de sada de 0,64 mm, de modo que,

    tanto a largura quanto a altura das camadas so maiores do que no processo FDM

    (usou-se bico com 0,3 mm), mas, por outro lado, proporcionais ao da EP (usou-se

    bico com 0,5 mm);

    Em termos de variao dimensional, a MDTA equivalente aos processos

    comparados, isso porque a preciso varia na casa de dcimos de milmetro. O valor

    obtido corresponde mdia aritmtica da soma das rugosidades obtidas das

    velocidades de deslocamento da superfcie de deposio, conforme dados

    dimensionais obtidos e descrito no item 8.4. Isso indica que a MDTA pode

    proporcionar igual ou menor preciso do que o FDM utilizando bico injetor de mesma

    dimenso.

  • 188

    Tabela 27 Comparativo dos dados dimensionais entre os sistemas EP, FDM e MDTA. Material

    ABS Compsito

    Tipo de processo FDM EP MDTA

    Dimetro do bico extrusor (mm) 0,30 0,5 0,64

    Largura da camada (mm) 0,40 0,6 0,64

    Altura da camada 0,25 0,45 0,64

    Preciso28 (mm) 0,127 (valor

    indicado pelo

    fabricante)

    0,15 (valor

    indicado pelo

    fabricante)

    0,168

    F2.6) - Comparativo dos custos com material

    Na tabela 28, compara-se os custos dos materiais nos processos estudados (FDM,

    EP e MDTA), como segue:

    No FDM o custo da matria prima composto por dois materiais, como segue:

    matria prima para construir o prottipo (R$936,00/Kg ABS)29 e matria-prima para

    construir a estrutura do suporte (R$750,00/Kg WaterWorks) de regies delgadas e

    ou ocas do prottipo;

    O custo na EP de R$ 20,00/Kg. Entretanto so necessrios cerca de 2 Kg para o

    preenchimento do canho e inicio do trabalho de extruso. Ainda nesse processo,

    durante a troca de materiais, ocorre uma reao qumica dentro do canho devido

    mistura ser feita acima da temperatura de um dos dois materiais, resultando em

    degradao e perda de tempo na eliminao do material a ser descartado, assim

    como um volume de material que ser inutilizado. Logo, os custos com o consumo

    de matria prima maior;

    28 Relativa ao erro nas dimenses geomtricos do prottipo advindo da espessura da camada 29 O valor refere-se ao equipamento utilizado (modelo Prodidy)

  • 189

    Na MDTA o custo do compsito base de complexo de carboidrato de R$

    17,00/Kg. Alm dos custos serem relativamente menores, ressalta-se que esse

    material est disponvel em cores variadas, o que possibilita a construo de

    prottipos com diferenciao de cores.

    Tabela 28 Comparativo dos custos do material entre os sistemas EP, FDM e MDTA. Material

    ABS Compsito

    Tipo de

    processo

    FDM EP MDTA

    Custo do material

    (R$/Kg)

    R$936,00 (cartucho de material da pea) e R$750,00 ( cartucho de

    material do suporte)

    R$20,00

    R$17,00

    F2.7) - Comparativo da utilizao

    Na tabela 29, compara-se a utilizao dos prottipos gerados nos processo FDM e

    EP com aqueles fabricados na MDTA.

    Do item 1 ao item 5, relativos aos tipos de processo, verifica-se que os prottipos

    podem ser utilizados de forma apropriada para modelagem concepcional, moldes

    funcionais, moldes para formar objetos sob temperatura ambiente, assim como no

    uso do Rapid Tooling, no qual especificamente a MDTA foi usada para construir

    prottipos de compsito base de complexo de carboidrato para moldar o gesso de

    fundio e posterior fundio, conforme experimentos descritos no apndice G.

  • 190

    No item 6, verifica-se que os processos FDM e EP no so apropriados em termos

    de custo, diferentemente do que ocorre com a MDTA, pois o custo do material

    relativamente menor, havendo ainda a possibilidade de se fabricar brinquedos

    multicores. E essa caracterstica importante para diferenciar, observar ou visualizar

    formas. O compsito material atxico, por isso, durante a sua manipulao manual

    ou na extruso, no necessrio haver proteo pessoal ou mesmo tratamento

    posterior de gases, como nos processos que utilizam o laser. O compsito tambm

    no exige controle de temperatura, como no FDM ou EP em que as temperaturas de

    trabalho esto acima da ambiente, como no processamento do ABS, que de

    280C, e devem ser controladas para que o material permanea no estado pastoso.

    No item 7 e 8, verifica-se os processos FDM e MDTA se aplicam a quaisquer

    ambientes, tais como os de desenvolvimento de produtos, o de produo,

    instituies de ensino para a prtica do aprendizado da PR. Somente o sistema de

    extruso do processo da MDTA, entretanto, pode ser concebido como um

    equipamento de pequenas dimenses. Essa reduo de dimenso possvel devido

    s caractersticas do material a ser extrudado sob temperatura ambiente e isso

    assegura que o processo oferea menor risco ao operador.

    Por outro lado, o prottipo gerado com o carboidrato deve ser manipulado em

    ambiente seco, pois, caso contrrio, o prottipo poder perder a sua forma original,

    assim como ocorre nos processos de PR via Layer Laminate Manufacturing (LLM),

    em que os prottipos so propensos a perder a forma em ambientes midos, pois as

    camadas de so fabricadas por folha de papel impregnada com cola.

  • 191

    Tabela 29 Comparativo da utilizao entre os sistemas EP, FDM e MDTA. Material

    ABS Compsito

    Tipo de processo FDM EP MDTA

    1 Rapid Tooling: Moldes para fundio

    em areia, etc.

    2 Modelagem concepcional

    3 Moldes para formar objetos de

    materais a serem tranformados

    sob temperatura ambiente.

    4

    Modelos funcionais

    - Quando usados

    para a modelagem de

    cavidades para

    fundio

    5 Prottipos de mostrurio

    6 Prottipos de brinquedos - Alto custo

    7 Ambientes de desenvolvimento

    de produtos ou de produo S oficina

    8 Cursos e treinamentos em

    instituies de ensino

    - Alto custo - Pelo baixo custo

    e no oferecer perigo

    ao aluno durante a

    manipulao.

    : apropriado para utilizao, : no apropriado para utilizao.

    F2.8) - Comparativo do processamento e ps processamento

    A seguir, o processo MDTA avaliado em termos de caractersticas durante o

    processamento e ps processamento e comparado com os processos FDM e EP,

    por meio dos itens que se seguem:

  • 192

    F2.9) - Complexibilidade geomtrica do prottipo

    Nos processos FDM e EP, o material ABS extrudado em estado pastoso e adquire

    rigidez em um curto espao de tempo, portanto possvel fabricar prottipos com

    relativo grau de complexibilidade com um nmero menor de estruturas de

    sustentao de regies delgadas ou ocas, em relao ao material usado no

    processo MDTA, no qual o material do prottipo obtm consistncia apenas depois

    de 15 minutos depois de sua extruso.

    F2.10) - Reservatrio de material

    Na EP o material para a construo do prottipo localiza-se no funil de alimentao e

    internamente ao cilindro. Isso requer um procedimento especial, quando da

    substituio de um material por outro de caractersticas fsicas e qumicas diferentes.

    Na FDM h dois reservatrios, sendo um para o material do prottipo e outro para o

    material de estruturas de apoio. J o dispositivo extrusor desenvolvido para a MDTA

    utiliza reservatrio removvel para posterior reabastecimento.

    F2.11) - Consumo de energia

    A energia requerida na MDTA, para extrudar material atravs de um bico injetor de

    dimetro de 0,64 mm, relativamente baixa, pois o motor usado para realizar o

    trabalho de extruso requer 3 Watts, j nos processos FDM (1650 Watts 110-220

    VAC, 60Hz, 15 A mx. modelo Prodigy) e EP (90.000 Watts modelo 16D75417

    EXTRUDEX), alm da energia para se extrudar o material, necessita-se manter o

    sistema de extruso aquecido durante todo o processo de construo do prottipo.

    Especificamente na FDM, o fabricante orienta que o sistema de aquecimento do

    equipamento deve permanecer acionado ininterruptamente, gerando ou no um

  • 193

    prottipo, pois do contrrio o material adquire umidade, e isso poder danificar o

    dispositivo de alimentao e aquecimento da mquina. Sob esse aspecto o sistema

    de extruso do processo MDTA vantajoso, pois os motores s so acionados

    durante o processo de gerao do prottipo. O baixo consumo de energia um

    item importante nos processos de PR, pois em muitos casos os prottipos

    necessitam de muitas horas ou mesmo dias para que sejam construdos.

    F2.12) - Superviso e manuteno

    Ao se transformar o estado fsico do material ABS de slido para fluidificado, partes

    do dispositivo de extruso da EP sofrem desgaste devido ao contato direto com o

    material aquecido, isso ocorre com o cilindro e o canho, que iro requerer

    constante superviso e manuteno, assim como com o dispositivo de extruso da

    FDM. Outro complicador nos processos de extruso a troca de material que se

    encontra dentro do dispositivo de extruso. E essa dificuldade ocorre porque as

    caractersticas qumicas dos materiais podem ser diferentes, isto a temperatura de

    operao e a de transformao podem ser diferentes. Alm disso, existe a

    possibilidade de reao qumica e de degradao dos materiais. Na MDTA esses

    complicadores no existem, pois todo o processo ocorre sob temperatura ambiente.

    F2.13) - Sistema de deslocamento dos eixos:

    Nos processos FDM e EP, o timer de pausa deve ser curto para se deslocar o eixo

    na direo vertical (Z), para a construo de uma nova camada do prottipo, pois, do

    contrrio, ocorre acmulo de material. Esse problema tambm deve ser considerado

    na MDTA.

  • 194

    F2.14) - Operao posterior:

    Entre os processos por deposio, os prottipos fabricados por FDM e EP, descritos

    no apndice D, geralmente apresentam rugosidade superficial maior, pois nesses

    processos usa-se bico extrusor com 0,3 mm de dimetro e nos processos a laser o

    dimetro do foco do laser de centsimos de milmetros. Assim nestes processos

    por deposio de material, so necessrias operaes de acabamento e tambm de

    retirada de estruturas de apoio, ou seja, de suportes para sustentao de partes

    delgadas do prottipo, as quais so fabricadas concomitantemente ao prottipo. No

    FDM e na EP essas estruturas so fabricadas com material diferente do prottipo.

    Na MDTA, o acabamento tambm se faz necessrio, pois so requeridas estruturas

    de apoio.

  • 195

    APNDICE G Fundio de prottipos fabricados via processo da MDTA

    No experimento de fundio usou-se um forno eltrico (marca: Quimis, modelo -

    318D24, 220 volts, 60 Hz, 4000 W, temperatura de 0 - 1200C, variao de

    temperatura de 0 at 10%) (figura 47).

    Figura 47 Forno eltrico utilizado nos experimentos

    Os moldes com cavidades em forma de quadrado e crculo (figura 48) foram feitos

    via moldagem com prottipos obtidos pela MDTA. Para emular a areia de fundio,

    usou-se gesso para fundio de peas feitas por ourives.

    Abaixo, tem-se as etapas do processo de fundio. Inicialmente, o cadinho com

    estanho (50 x 50) (figura 48 A) e os moldes so introduzidos no forno (figura 48 B).

    Ajustou-se a temperatura do forno em 340 para a fundio do estanho. Na etapa

    seguinte, o estanho liqefeito despejado sobre o molde (figura 48 C). O excesso

    de estanho fundido e liquefeito retirado (figura 48 D).

  • 196

    Figura 48 Etapas de trabalho durante o processo de fundio no forno eltrico

    O processo finalizado retirando-se as peas do molde e fazendo-se a operao de

    rebarbamento das peas em esmeril. O resultado final so peas (figura 49) com

    formas iguais aos prottipos, validando assim a utilizao de prottipos fabricados

    pelo processo de moldagem a frio quando do uso em fundio.

    Figura 49 Peas fundidas

  • 197

    APNDICE H Sobre o autor

    VALDEMIR MARTINS LIRA, brasileiro, 45 anos, casado, 2

    filhos, endereo eletrnico: valdemirlira@globo.com,

    telefones: (011) 91770891

    Iniciou as atividades na indstria em 1978, como ajudante de produo e em 1995,

    na ltima empresa, atuou como encarregado de processos. Durante esse perodo,

    trabalhou em diversos setores da Engenharia industrial e de produo, tais como:

    usinagem em CNC, clulas de produo e montagem de mquinas e equipamentos.

    Ainda na rea industrial participou de treinamentos, em cursos e palestras referentes

    manufatura automatizada de produtos, desenvolvimento de Dispositivos para

    Usinagem, Programao em Mquinas a Controle Numrico Computadorizado.

    Na rea de projetos, desenvolveu vrias mquinas e equipamentos, tais como:

    extrusoras e injetoras, equipamentos para a transformao de termoplstico,

    equipamentos para soldagem, projetos de vlvulas, dimensionamento de chassi de

    caminho, dispositivos para usinagem.

    Em 1993 iniciou as atividades como professor, tendo lecionado vrias disciplinas,

    tais como: Automao Industrial, Processos de Fabricao, Manufatura Auxiliada por

    Computador (CAM), Pneumtica e Hidralica bsica, CNC, CAD, Mecnica Tcnica,

    Elementos de Mquinas, Desenho e Projetos de Mquinas, Controle de Medidas,

    Eletrnica.

    Em 1991 graduou-se em Tecnologia Mecnica (Modalidade Projetos), e em 1994

    obteve Licenciatura Plena para Processos de Produo, ambas pela FATEC-SP

    (UNESP - CEETPS). Dando prosseguimento aos estudos, obteve, em 2000, o ttulo

    de Mestre em Engenharia Mecnica, rea de Materiais e Processos de Fabricao,

    pela UNICAMP e, a partir de 2001, iniciou o doutorado em Engenharia Mecnica,

    concludo com essa pesquisa.

  • 198

    Na rea de ensino, trabalhou nos seguintes projetos: construo de um redutor de

    velocidade por meio de engrenagens cilndricas de dentes retos, construo de um

    guincho eltrico com capacidade de iamento de 200 Kg, montagem de um sistema

    de furao automatizado via eletropneumtica, construo de um rob (brao

    mecnico), montagem de uma balana eletrnica via clula de carga, projeto,

    fabricao e montagem de sistema de deslocamentos em 3 eixos (X, Y e Z), projetos

    e construo de dispositivo extrusor para materiais pastosos sob temperatura

    ambiente.

    Publicou 6 artigos, cujos ttulos so:

    Usinagem de roscas em tornos a CNC Revista Mquinas e Metais

    (Julho/2000);

    Um algoritmo para usinagem de roscas em tornos CNC Revista

    Mquinas e Metais (Maio/2001);

    Proposta de um Processo de prototipagem rpida via modelagem por

    deposio sob temperatura ambiente. Esse artigo foi apresentado no Congresso

    Brasileiro de Engenharia de Fabricao (COBEF 2007);

    Influence of operational parameters on the filament width in deposition

    modeling process at room temperature. Esse artigo foi submetido, aceito e

    publicado no The 17th International Conference on Flexible Automation and

    Intelligent Manufacturing (2007 FAIM) Philadelphia, USA;

    An experimental approach for the deposition control of an room

    temperature filament deposition rapid prototyping process. Esse artigo foi

    apresentado no COBEM07 - the 19th Congress of Mechanical Engineering.

    Modelagem de sistema de extruso de material em forma de filamentos

    sob temperatura ambiente para prototipagem rpida. Esse artigo foi apresentado

    no Congresso Nacional de Engenharia Mecnica (CONEM 2008);

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