1. Como se Produz um Metal?
1.1.Prototipagem Rápida
Relatório desenvolvido no âmbito da unidade curricular de
Projeto FEUP
Ano letivo 2014/2015
Trabalho realizado por:
Beatriz Ferro
César Machado
José Tavares
Patrícia Lopes
Rita Cássia
Fundição e Prototipagem Rápida
Projeto FEUP 2014/15
2
Índice
Resumo ..................................................................................................................................... 3
Palavras-chave .......................................................................................................................... 3
Agradecimentos ......................................................................................................................... 4
Introdução .................................................................................................................................. 5
Enquadramento teórico .............................................................................................................. 6
Fundição .................................................................................................................................... 6
Prototipagem Rápida e sua importância na fundição ................................................................. 7
Tipos de Prototipagem Rápida ................................................................................................... 8
Estereolitografia .................................................................................................................. 8
Modelação por extrusão de plástico .................................................................................... 9
Impressão Tridimensional ..................................................................................................10
Fabricação de Objetos por Camadas (LOM) ......................................................................11
Sinterização Seletiva por Laser ..........................................................................................12
Vantagens e Desvantagens ......................................................................................................13
Vantagens ..........................................................................................................................13
Desvantagens ....................................................................................................................13
Métodos ....................................................................................................................................14
Trabalho experimental ..............................................................................................................15
Exemplo do uso da Prototipagem Rápida .................................................................................16
Conclusão .................................................................................................................................17
Referências bibliográficas .........................................................................................................18
Fundição e Prototipagem Rápida
Projeto FEUP 2014/15
3
Resumo
No âmbito da unidade curricular “Projeto FEUP”, este relatório visa dar a conhecer o
processo de fundição e a prototipagem rápida na conceção de modelos de fundição. Abordar-se-
á os vários tipos de prototipagem rápida e as suas vantagens e desvantagens.
Para além disto, será demonstrado o nosso trabalho prático que consiste na reprodução
de uma peça a partir de uma impressora 3D e as aplicações deste processo de prototipagem
rápida.
Palavras-chave
Fundição; Prototipagem Rápida; Impressora 3D.
Fundição e Prototipagem Rápida
Projeto FEUP 2014/15
4
Agradecimentos
Não podíamos deixar de agradecer pelo árduo trabalho e dedicação das pessoas
envolvidas no Projeto FEUP que reuniram as melhores condições para a integração dos alunos
na Faculdade de Engenharia.
Uma palavra de apreço á orientadora do Projeto FEUP, Professora Filomena Viana e
claro, á monitora Tatiana Padrão.
Fundição e Prototipagem Rápida
Projeto FEUP 2014/15
5
Introdução
O processo de fundição consiste num conjunto de etapas necessárias para moldar certos
materiais ou ligas. Na primeira etapa recorre-se à fusão do material, seguindo-se o seu
escoamento ou vazamento para moldes adequados e posterior solidificação.
A Metalurgia tornou-se um dos setores mais importantes da economia mundial por isso
urgia aperfeiçoar métodos de fundição e surgiram técnicas mais modernas e eficazes.
Hoje em dia, recorre-se cada vez mais á Prototipagem Rápida. Esta técnica consiste na
possibilidade de fabricar em série peças complexas a partir de um desenho em computador. A
principal função de se produzirem protótipos é a de auxiliarem na análise, na funcionalidade e
no efeito estético do produto projetado.
Para além disto, a prototipagem rápida é um processo fácil, de baixo custo e rápido. As
impressoras 3D são o equipamento mais conhecido e que ilustram um dos processos de
prototipagem.
Fundição e Prototipagem Rápida
Projeto FEUP 2014/15
6
Enquadramento teórico
Fundição
A fundição é um processo que permite que através da fusão de um dado material se
obtenha uma peça com determinadas características. As matérias-primas são fundidas e vazadas
para um molde. Depois de solidificar, a peça é aperfeiçoada para adquirir as características
pretendidas.
Fig. 1- Esquema representativo das etapas do processo de fundição.
Fundição e Prototipagem Rápida
Projeto FEUP 2014/15
7
Prototipagem Rápida e sua importância na fundição
A prototipagem rápida permite a obtenção de protótipos com características
dimensionais, geométricas e de acabamento superficial muito semelhantes às futuras peças.
Posteriormente, estes protótipos podem ser usados como modelos para fundição pois
tem todos os requisitos para a produção do objeto desejado.
Atualmente, existem vários processos de conversão de protótipos em peças em plástico,
metálicas, etc que tem como base o princípio da fundição. Em variadíssimos casos, os protótipos
são usados como modelos perdidos, da mesma forma que é usada a cera no processo de cera
perdida. No processo de modelos perdidos, o protótipo pode ser obtido em SL, de preferência
com estrutura interna tipo ninho de abelha, SLS, FDM (cera) ou LOM (papel). A eliminação do
modelo em papel, plástico ou cera é feita até a sua carbonização, seguida da combustão do
carbono (Fernando Alves). Os vários tipos de prototipagem rápida utilizados neste processo
estão representados na figura 2.
Fig. 2 - Algumas características dos principais processos de prototipagem rápida (Fernando Alves 2001).
Fundição e Prototipagem Rápida
Projeto FEUP 2014/15
8
Tipos de Prototipagem Rápida
Estereolitografia
SL (Stereolithography) foi o processo pioneiro de prototipagem rápida. Consiste na
construção de modelos tridimensionais a partir de uma fotopolimerização de uma resina líquida
usando um feixe laser de raios ultravioleta.
Este processo vai construindo o modelo varrendo em cada camada o equivalente à
superfície correspondente ao “corte” local da peça, tal como se pode observar na figura3.
Na fase final, o modelo é sujeito a um processo de pós-cura para lhe conferir a resistência
máxima. Também, os protótipos são submetidos a operações de lixagem e/ou polimento para
melhorar o aspeto e funcionalidade(Magno 2013; Fernando Alves 2001) .
Fig. 3 – Esquema do princípio de funcionamento de uma máquina de
estereolitografia (Grellmann).
Fundição e Prototipagem Rápida
Projeto FEUP 2014/15
9
Modelação por extrusão de plástico
O método FDM (Fused Deposition Modeler) consiste na conceção de protótipos por
adição de material em camadas, formadas pela extrusão de um material termoplástico.
O fio ( material termoplástico), é alimentado através de uma bobine. A cabeça extrusora
deposita o material em camadas muito finas, unindo-se sucessivamente as camadas sobrepostas
durante a solidificação. Este é o princípio das impressoras 3D (Fernando Alves 2001; Magno
2013). O esquema de funcionamento deste equipamento está representado na figura 4.
Fig. 4 – Esquema do processo de FDM (Fernando Alves 2001).
Fundição e Prototipagem Rápida
Projeto FEUP 2014/15
10
Impressão Tridimensional
O princípio do TDP (Sanders Model Maker) é simples: construção de um protótipo a
partir de um material em pó.
Numa primeira fase dá-se a distribuição de uma camada uniforme de pó. De seguida, o
ligante líquido é depositado sobre a camada e sobre os pontos que correspondem ao corte local
da peça. Repete-se o processo as vezes necessárias até ficar concluída. Por fim, a peça é retirada
da máquina e o pó que não ficou aglutinado é sacudido (Magno 2013; Fernando Alves 2001) .Na
figura 5 apresenta-se um esquema sucinto do princípio de funcionamento deste processo.
Fig. 5 – Sequência de operações necessárias para a obtenção das peças pelo processo
TPD (Fernando Alves 2001).
Fundição e Prototipagem Rápida
Projeto FEUP 2014/15
11
Fabricação de Objetos por Camadas (LOM)
Neste processo os modelos são produzidos colando sucessivamente folhas de papel, nas
quais são cortados, por um feixe laser. O equipamento desenrola um rolo de papel impregnado
com cola termoplástica. De seguida, um rolo pré-aquecido a cerca de 300ºC comprime a lâmina
de papel sobre a camada anterior dando-se a colagem das duas camadas. Após a colagem, um
feixe laser efetua o corte do contorno da peça (figuras 6 e 7). O papel que não faz parte do
componente é cortado em quadrados pequenos para facilitar a posterior remoção da peça
(Fernando Alves 2001; Magno 2013).
Fig. 6 - Esquema de uma máquina LOM (Protoclick!, 2001).
Fig. 7 - Processamento segundo o processo LOM (Fernando Alves 2001).
Fundição e Prototipagem Rápida
Projeto FEUP 2014/15
12
Sinterização Seletiva por Laser
O processo SLS (Selective Laser Sintering) utiliza pós muito finos de materiais
poliméricos (p.e. nylon) ou ligas metálicas, os quais são aglutinados por varrimento de um feixe
laser.
Primeiramente é laminada uma camada de pó correspondente á espessura de cada
camada de construção. Depois, o feixe laser incide sobre as partículas, provocando a fusão
parcial das mesmas, obtendo-se uma estrutura sólida parcialmente porosa (Fernando Alves
2001; Magno 2013). O esquema de funcionamento do SLS pode ser observado na figura 8.
Fig. 8 – Esquema de uma máquina SLS (Fernando Alves 2001).
Fundição e Prototipagem Rápida
Projeto FEUP 2014/15
13
Vantagens e Desvantagens
Vantagens
Capacidade de produzir formas tridimensionais complexas e detalhadas;
Rapidez na obtenção de protótipos, quando comparada com técnicas
convencionais;
Diminuição dos custos, pois já conseguimos provar se a peça é funcional ou não,
deste modo permite-nos reduzir o time to market, ou seja, o tempo útil que
demora até se colocar um artigo no mercado;
Redução substancial do tempo de lançamento do novo produto no mercado;
Redução de custos no projeto de produtos.
O modelo é fabricado numa única etapa de processo;
Desvantagens
Este processo não é apropriado para aplicações de grandes dimensões, pois a
maioria dos equipamentos somente pode fabricar protótipos até 500 mm3 de
volume;
A qualidade final da superfície do modelo normalmente necessita de um
acabamento secundário.
A precisão e o acabamento superficial são inferiores aos das peças obtidas por
técnicas convencionais (Antas 2007).
Fundição e Prototipagem Rápida
Projeto FEUP 2014/15
14
Métodos
Os processos de prototipagem rápida atualmente existentes, são constituídos por cinco
etapas básicas:
1. Criação de um modelo CAD da peça que se quer projetar;
2. Conversão do arquivo CAD em formato STL (stereolitography) que é
próprio da estereolitografia;
3. O ficheiro.STL ao ser introduzido no equipamento é convertido num
ficheiro.SLI ( do inglês “slice”- fatia).
4. Construção física do modelo, onde a matéria-prima é aplicada camada a
camada;
5. Limpeza e acabamento do protótipo (F. Jorge Lino).
.
Fig. 9 - Evolução do modelo CAD 3D até á obtenção do protótipo (Fernando Alves 2001).
Fundição e Prototipagem Rápida
Projeto FEUP 2014/15
15
Trabalho experimental
Objetivo: Produção de um modelo em plástico através de uma impressora 3D.
1. A partir de um desenho CAD, mandou-se imprimir o protótipo de uma chave. Para isso teve-
se que exportar o ficheiro para um ficheiro que a impressora pudesse “ler”.
2. A impressora estava a ser alimentada por um fio (polímero PVA) e iniciou-se a impressão na
plataforma móvel.
3. A impressão foi feita camada a camada até que o protótipo ficasse totalmente concluído.
4. Ao fim de 20 minutos, a “chave” ficou concluída.
Fig. 10 - Impressora 3D BeeTheFirst®
Fig. 11 - Protótipo (chave).
Fundição e Prototipagem Rápida
Projeto FEUP 2014/15
16
Exemplo do uso da Prototipagem Rápida
A prototipagem rápida tem tido uma grande importância na área da Medicina, como por
exemplo, na confeção de moldes para implantes ou no planeamento cirúrgico, utilizando-se
modelos da anatomia produzidos a partir de dados obtidos em exames de imagem, como a
tomográfica computadorizada ou a ressonância magnética. A produção de um modelo físico 3D
com o uso da prototipagem é útil na condução de casos complexos, quando os exames de
imagem convencionais são duvidosos.
Na Engenharia a Prototipagem Rápida tem-se revelado uma mais-valia, uma vez que se
recorre a este método para o fabrico de ferramentas e protótipos de peças para automóveis.
Na área da arquitetura, este processo também é muito importante visto que é possível a
conceção física de maquetes através de um simples desenho em computador (Prado 2005).
Fig. 13 - Maquete (Green 2012)
Fig. 14 - Peças metálicas obtidas por conversão de um protótipo ("Prototipagem Rápida")
Fig. 12 - Crânio obtido por prototipagem rápida (Barbieri 2010)
Fundição e Prototipagem Rápida
Projeto FEUP 2014/15
17
Conclusão
A realização deste projeto foi basilar para a consolidação de conhecimento relativo aos
processos e etapas da fundição e à descoberta de novas técnicas sobre a Prototipagem Rápida.
A prototipagem Rápida tem vindo a crescer na sociedade pois é muito vantajosa. Todos
os tipos de protótipos são construídos camada a camada e servem para testar a funcionalidade
do objeto projetado. Atualmente recorre-se principalmente á estereolitografia para a conceção
de peças pois é o processo mais simples e mais barato.
Na execução do trabalho prático tivemos a oportunidade de conceber uma peça através
de uma impressora 3D, cujo princípio de funcionamento baseia-se na Prototipagem Rápida.
Em suma, este projeto foi enriquecedor visto que foram abordados temas cruciais no
desenvolvimento de uma sociedade que depende da tecnologia.
Fundição e Prototipagem Rápida
Projeto FEUP 2014/15
18
Referências bibliográficas
Antas, Ana Filipa Felgueiras. 2007. "Utilização das Tecnologias de Prototipagem Rápida na
Área Médica". Última atualização 10-2014. http://repositorio-
aberto.up.pt/bitstream/10216/11179/2/Texto%20integral.pdf
Barbieri, Jeverson. 2010. "Equipamento da FEQ Permite Produção de Órteses e Próteses
Personalizadas". Acedido a 20-10-2014.
http://www.unicamp.br/unicamp/unicamp_hoje/ju/maio2010/ju462_pag03.php#.
F. Jorge Lino, Rui J. Neto. "A Prototipagem Rápida na Indústria Nacional". Acedido a 05-10-
2014. http://paginas.fe.up.pt/~falves/Prototipagem.pdf.
Fernando Alves, Fernando Braga, Manuel Simão, Rui Neto, Teresa Duarte. 2001. Protoclick!,
Prototipagem Rápida.
Green, Sam. 2012. "Prototipagem Rápida em Arquitetura - Virtual a Físico". Acedido a 20-10-
2014. http://blog.stratasys.com/pt-br/2012/06/27/prototipagem-rapida-em-arquitetura-
virtual-a-fisico/.
Grellmann, Dauri. "O Processo de Microfusão Utilizando Padrões Fabricados por
Estereoligrafia". Acedido a 20-10-2014.
http://www.moldesinjecaoplasticos.com.br/microfusao.asp.
Magno, Sérgio. 2013. "Impressão 3D: o que é e como funciona". Acedido a 05-10-2014.
http://exameinformatica.sapo.pt/videos/2013-04-24-impressao-3d-o-que-e-e-como-
funciona.
Prado, Valmir Rodrigues do. 2005. "Uso de Prototipagem Rápida em Medicina: aplicação a
neurocirurgia". Acedido a 10-2014.
http://www.bibliotecadigital.unicamp.br/document/?code=vtls000358430.
"Prototipagem Rápida". Acedido a 20-10-2014. http://www.drtmoldes.com/prototipagem-rapida/.