estudo de viabilidade de tecnologia de prototipagem rápida baseada em materiais fotopoliméricos...

7/25/2019 ESTUDO DE VIABILIDADE DE TECNOLOGIA DE PROTOTIPAGEM RPIDA BASEADA EM MATERIAIS FOTOPOLIMRICOS E

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UNIVERSIDADE TECNOLGICA FEDERAL DO PARAN

PR

UNIVERSIDADE TECNOLGICA FEDERAL DO PARANCAMPUS DE CURITIBA

GERNCIA DE PESQUISA E PS-GRADUAO

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA

E DE MATERIAIS - PPGEM

MARLON WESLEY MACHADO CUNICO

ESTUDO DE VIABILIDADE DE TECNOLOGIA DEPROTOTIPAGEM RPIDA BASEADA EM MATERIAIS

FOTOPOLIMRICOS EXTRUDADOS

CURITIBA

DEZ - 2008


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ESTUDO DE VIABILIDADE DE TECNOLOGIA DE

PROTOTIPAGEM RPIDA BASEADA EM MATERIAIS


Dissertao apresentada como requisito parcial obteno do ttulo de Mestre em Engenharia,

do Programa de Ps-Graduao em

Engenharia Mecnica e de Materiais, rea de

Concentrao em Engenharia de Manufatura,

do Gerncia de Pesquisa e Ps-Graduao, do

Campus de Curitiba, da UTFPR.

Orientador: Prof. Neri Volpato, Ph.D.

CURITIBA

DEZEMBRO 2008


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TERMO DE APROVAO


ESTUDO DE VIABILIDADE DE TECNOLOGIA DE

PROTOTIPAGEM RPIDA BASEADA EM MATERIAIS


Esta Dissertao foi julgada para a obteno do ttulo de mestre em engenharia,

rea de concentrao em engenharia de manufatura, e aprovada em sua forma final

pelo Programa de Ps-graduao em Engenharia Mecnica e de Materiais.

_________________________________

Prof. Giuseppe Pintade, D.Sc.

Coordenador de Curso

Banca Examinadora

______________________________ ______________________________

Prof. Neri Volpato, Ph.D. Prof. Jonas de Carvalho, Ph.D.(UTFPR) (EESC-USP)

______________________________ ______________________________

Prof. Jos Aguiomar Foggiatto, Dr. Eng Prof. Carlos Marcus Gomes da SilvaCruz, D.Sc.

(UTFPR) (UTFPR)

Curitiba, 02 de fevereiro de 2009


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ii i

Dedicatria minha querida e amada noiva Jennifer,

pelo amor, carinho, pacincia e dedicao,apoiando e incentivando ao longo deste trabalho

Aos meus pais, Edimar e Miriam semprepresentes com muito amor.Ao meu irmo Malton e familiares, pelas

palavras de apoio e de companheirismo.


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iv

AGRADECIMENTOS

A Deus, que em sua infinda bondade, forneceu foras e manteve minha mente aberta

para a realizao deste trabalho. Aos meus colegas, pelo grande apoio e suporte. minha

famlia pelas palavras de conforto e incentivo. minha noiva pelo carinho, amor e suporte

nos momentos difceis.

Ao meu orientador pelos conselhos e crticas construtivas, que me conduziu

realizao deste trabalho, conseqentemente obteno de ttulo de Mestre em Engenharia

pela Universidade Tecnolgica Federal do Paran.

Aos professores Snia Faria Zawadizk e Carlos Marcus Gomes da Silva Cruz, que me

orientaram no decorrer deste trabalho, auxiliando tecnicamente a fim de alcanar os

objetivos planejados.

Universidade Tecnolgica Federal do Paran, que, atravs de seus professores

laboratrios e programas de pesquisa, proporcionou condies para a realizao deste

trabalho.

A todos, que direta ou indiretamente contriburam para o desenvolvimento deste

trabalho.

Deus abenoe a todos.


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v

"A falsa cincia gera ateus; a verdadeira

cincia leva os homens a se curvarem diante

da divindade."

Voltaire


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vi

CUNICO, Marlon Wesley Machado, Estudo de Viabilidade de Tecnologia de

Prototipagem Rpida Baseada em Materiais Fotopolimricos Extrudados, 2009,

Dissertao (Mestrado em Engenharia) - Programa de Ps-graduao em

Engenharia Mecnica e de Materiais, Universidade Tecnolgica Federal do Paran,

Curitiba, 204p.

RESUMO

Em funo do aumento da exigncia dos consumidores, as empresas so

obrigadas a dimunuir o tempo de desenvolvimento de produtos assim como reduzir

custos criando valor agregado a seus produtos. Para realizar estas mudanas foram

desenvolvidas diversas solues, sendo que uma delas a prototipagem rpida.

Embora a utilizao desta tecnologia tenha aumentando nos ltimos anos, no

existe fabricante nacional. Em funo desta carncia, o objetivo deste trabalho

iniciar o desenvolvimento de uma tecnologia nacional, realizando estudos de

viabilidade da proposta apresentada neste trabalho. Para realizao destes, foram

estudados materiais fotopolimricos e tecnologias de prototipagem rpida. Atravs

destes, foram encontradas caractersticas de fotopolmeros e mtodos de

caracterizao destes materiais. Da mesma forma, foram relacionadas

caractersticas de tecnologias de prototipagem rpida a fim de fundamentar o

desenvolvimento da concepo de uma nova tecnologia. Foi estudado o

comportamento do filamento em funo de parmetros de controle do processo

atravs de um planejamento fatorial de quatro fatores de resposta em funo de trs

fatores de controle. Foram encontradas janelas de processo que possibilitam

relacionar caractersticas finais do filamento com parmetros de controle e a

interao entre os mesmos. Com o estudo realizado, pode-se concluir que os testes

iniciais apontam para uma viabilidade do sistema proposto. No entanto, em funo

da originalidade e do carter inicial deste trabalho, mais estudos relacionados ao

processo e aos materiais so necessrios.

Palavras-chave: Prototipagem Rpida, Fotopolimerizao, Desenvolvimento de

Produto


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vi i

CUNICO, Marlon Wesley Machado, Viability study of Rapid Prototyping

Technology Based on extruded photopolymeric Materiais, 2009, Dissertation

(Master in Engeneering) - Programa de Ps-graduao em Engenharia Mecnica e

de Materiais, Universidade Tecnolgica Federal do Paran, Curitiba, 204p.

ABSTRACT

As consequence of increasing of customer`s needs, time of product development are

obligated to be reduced by enterprises, which also intent to created products whose

differential attend those needs. Therefore, several solutions had to be developed tosupport those changes, as such rapid prototyping. In spite of the growth of this

technology, there is no national supplier. In face of that gap, the main goal of this

work is to start the development of a national technology, studying the feasibility of

the new conception proposed in this work. In order to achieve this, photopolymeric

materials and rapid prototyping technologies were studied. It was found both

photopolymer characteristics and characterization methods of these materials. In the

same way, through characteristics of current rapid prototyping it was defined

parameters that support the development of a new conception. It was studied the

behavior of deposited filament in function of control parameters applying the factorial

design method, which defined four response factors and three control factors. It was

created contour diagrams that show the relationship between characteristics of final

process, the control parameters and their interactions. Through the study done, it

was concluded that the results of the prelimilary test point to feability of the proposed

system. Nevertheless, due to the originality and the initial stage of this work, its

necessary to carry out farther studies related to process and materials.

Keywords: Rapid Prototyping, Photopolymerization, Product Development


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viii

SUMRIO

AGRADECIMENTOS ................................................................................................. iv

RESUMO.................................................................................................................... viABSTRACT ............................................................................................................... viiSUMRIO..................................................................................................................viii LISTA DE FIGURAS .................................................................................................. xiLISTA DE TABELAS ................................................................................................xxiiLISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS .................................................................. xxvLISTA DE SMBOLOS.............................................................................................xxvi1 INTRODUO......................................................................................................1

1.1 Contextualizao..................................................................................................................... 1

1.2 Apresentao do problema ..................................................................................................... 31.3 Relevncia do problema.......................................................................................................... 3

1.4 Proposta .................................................................................................................................. 5

1.5 Objetivos.................................................................................................................................. 6

1.5.1 Objetivo geral ...................................................................................................................... 6

1.5.2 Objetivos especficos........................................................................................................... 7

1.6 Organizao do Trabalho........................................................................................................ 7

2 REVISO BIBLIOGRFICA .................................................................................82.1 Tecnologias RP ....................................................................................................................... 8

2.1.1 Modelagem por Fuso e Deposio (FDM) ........................................................................ 8

2.1.2 Estereolitografia (SL)......................................................................................................... 16

2.1.3 Inkjet Print(IJP)................................................................................................................. 19

2.1.4 Comparativo entre tecnologias RP.................................................................................... 21

2.2 Materiais Fotopolimricos ..................................................................................................... 23

2.2.1 Definies.......................................................................................................................... 23

2.2.2 Compostos ........................................................................................................................ 24

2.2.3 Monmeros........................................................................................................................ 24

2.2.4 Oligmero .......................................................................................................................... 25

2.2.5 Fotoiniciadores e Co-iniciadores....................................................................................... 252.2.6 Aditivos.............................................................................................................................. 27

2.2.7 Fabricantes........................................................................................................................ 27

2.2.8 Fases da polimerizao .................................................................................................... 28

2.2.9 Parmetros de controle de fotopolimerizao................................................................... 32

2.3 DoE(Design of Experiments) ................................................................................................ 36

2.3.1 Conceitos Gerais de Experimentao............................................................................... 36

2.3.2 Tcnicas para Definio da Seqncia de Ensaios.......................................................... 37

2.3.3 Planejamento Fatorial........................................................................................................ 38

2.4 Discusso sobre a Reviso................................................................................................... 42


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ix

3 MATERIAL E MTODOS ...................................................................................443.1 Materiais ................................................................................................................................ 44

3.1.1 Monmeros e Oligmeros ................................................................................................. 44

3.1.2

Iniciadores ......................................................................................................................... 46

3.1.3 Solvente e No-Solvente................................................................................................... 50

3.1.4 Cmara de conteno e Reflexo..................................................................................... 51

3.1.5 Lmpada de vapor de mercrio ........................................................................................ 51

3.1.6 Lmpada UV...................................................................................................................... 52

3.1.7 Balana eletrnica............................................................................................................. 54

3.1.8 Molde de Vidro .................................................................................................................. 54

3.1.9 Interface de Controle de Intensidade Luminosa ............................................................... 55

3.1.10 Equipamento de Prototipagem Rpida ............................................................................. 57

3.2 Caracterizao de Material ................................................................................................... 603.3 Parmetros e Controle do Processo RP Proposto................................................................ 61

3.3.1 Controle de Intensidade Luminosa.................................................................................... 61

3.3.2 Velocidade de Extruso .................................................................................................... 62

3.3.3 Velocidade de Deposio.................................................................................................. 64

3.3.4 Sintaxe de Programao CNC.......................................................................................... 67

3.3.5 Procedimento experimental............................................................................................... 69

4 PARTE EXPERIMENTAL ...................................................................................714.1 Estudo do Material................................................................................................................. 71

4.1.1 Caracterizao de Material 1 ......................................................................................... 71






4.2 Estudo do Processo de Prototipagem Rpida ...................................................................... 77

4.2.1 Caracterizao de Filamento 1 ...................................................................................... 77


4.2.3 Interao entre Filamentos................................................................................................ 82

4.2.4 Viabilidade Funcional ........................................................................................................ 83

4.3 Resumo de Estudo de Material do Processo........................................................................ 85

5 RESULTADOS E DISCUSSES........................................................................875.1 Estudo do Material................................................................................................................. 87




5.1.4 Caracterizao de Material 4 ......................................................................................... 935.1.5 Caracterizao de Material 5 ......................................................................................... 95


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x


5.1.7 Resumo de Resultados do Estudo do Material................................................................. 98

5.2 Estudo do Processo de Prototipagem Rpida ...................................................................... 98


5.2.2 Caracterizao de Filamento 2 .................................................................................... 101

5.2.3 Interao entre filamento................................................................................................. 151

5.2.4 Viabilidade funcional........................................................................................................ 155

5.2.5 Resumo de resultados do Estudo do Processo de RP................................................... 157

5.3 Anlise Comparativa ........................................................................................................... 158

6 CONCLUSES.................................................................................................161 6.1 Consideraes finais ........................................................................................................... 161

6.2 Concluses.......................................................................................................................... 162

6.3 Estudos propostos............................................................................................................... 164

PRODUO CIENTFICA NO PERODO (Set 2006 Set 2008)...........................166REFERNCIAS.......................................................................................................167


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xi

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1 - Representao genrica do processo de adio de camadas, princpio

de RP (VOLPATOet al., 2004) ............................................................................2

Figura 1.2 - Comparao entre tempo de comunicao na fase de projeto utilizando

desenhos 2D, modelos CAD 3D e prottipos fsicos (VOLPATO, 2007) .............4

Figura 1.3 - Ilustrao por quartil dos investimentos em RP de 2003 a 2005

(3DSYSTEMS, 2006) ...........................................................................................4

Figura 1.4 - Representao de proposta de nova concepo de RP..........................6

Figura 2.1- Representao do funcionamento de uma mquina FDM (AHN, 2002) ...9

Figura 2.2 - Ilustrao esquemtica de concepo de sistema de deposio (GENG

et al., 2005) ........................................................................................................10

Figura 2.3 Ilustrao esquematica de concepo de sistema de deposio

FDM (CRUMP, 1989).........................................................................................10

Figura 2.4 - Ilustrao esquemtica de concepo de sistema de deposio deFDM (CRUMP, 1989).........................................................................................11

Figura 2.5 - Ilustrao esquemtica de concepo de sistema de deposio de

FDM (BATCHELDER e JACKSON, 1995 ) ........................................................11


FDM (CRUMPet al., 1994) ................................................................................12

Figura 2.7 - Ilustrao esquemtica de concepo de sistema de deposio deFDM (GENGet al., 2005; BATCHELDER, 2006)...............................................12


FDM (CRUMP, 1989).........................................................................................12

Figura 2.9 Ilustrao de tipos de preenchimento onde: a) contorno (contour) e

b) varedura (raste)r(BELLINI e GERI, 2003)................................................13

Figura 2.10 - Ilustrao de seo transversal de filamentos, onde apresentada a

interao entre filamentos e vazios (BATCHELDER, 1995)...............................14


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xi i

Figura 2.11 - Foto de seo transversal de pea (AHN, 2002) .................................14

Figura 2.12 Ilustrao de vazios gerados em regio entre contorno e

preenchimento raster(HOLZWARTH, 2006) .....................................................14

Figura 2.13 - Sistema FDM Fab@home (MALONE e LIPSON, 2006) ......................15

Figura 2.14 - Sistema FDM RepRap (BOWYER, 2008)............................................15

Figura 2.15 - Exemplo de peas construidas em silicone por Fab@home (LIPSON e

MALONE, 2008).................................................................................................16

Figura 2.16 Exemplos de peas construdas em policaprolactona por RepRap

(BOWYER, 2008)...............................................................................................16

Figura 2.17 Esquema de funcionamento de Estereolitografia (VANDRESEN, 2004)

...........................................................................................................................17

Figura 2.18 - Representao de seo transvesal de uma linha nica gerada por

SLA (JACOBS, 1992; TANG, 2005)...................................................................18

Figura 2.19 - Esquema de funcionamento de IJP (OBJET, 2008).............................19

Figura 2.20 Formao de linhas em funo de frequncia de deposio

(MARGOLIN, 2006)............................................................................................20

Figura 2.21 - Comparativo entre tempo mdio de fabricao de peas fabricadas por

FDM, IJP e SL (GRIMM, 2003) ..........................................................................21

Figura 2.22 - Comparativo entre desvios dimensionais de peas fabricadas por FDM,

IJP e SL (GRIMM, 2003)....................................................................................22

Figura 2.23 - Comparativo entre qualidade superficial de peas fabricadas por FDM,

IJP e SL (GRIMM, 2003)....................................................................................23

Figura 2.24 - Exemplo dos principais grupos funcionais apropriados fotocura: a)

dupla-ligao entre oxignio e carbono; b) dupla-ligao entre tomos de

carbono; c) anel epxi (ODIAN, 2004) ...............................................................24

Figura 2.25 - Representao de gerao de fotofragmentao (MATYJASZEWSKI e

DAVIS, 2002) .....................................................................................................25


15/207

xiii

Figura 2.26 - Representao de gerao de ons utilizados em fotocura

(MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002)..................................................................26

Figura 2.27 - Exemplo de amina terciria, Benzophenone/ N,N-dimethyl aniline


Figura 2.28 Fases e tipos de de fotopolimerizao radicalar, onde

fotofragmentao e abstrao so referntes ao Tipo I e a transferncia de

eletrons ao Tipo II (KRICHELDORFet al., 2005)...............................................29

Figura 2.29 - Representao de tipos de quebra de ligao, onde a)heteroltica;

b)dupla ligao; c)homoltica (ODIAN, 2004).....................................................30

Figura 2.30 - Representao de fases de polimerizao inica, propagao,

transferncia e terminao, respectivamente (RODRIGUES e NEUMANN, 2003)

...........................................................................................................................30

Figura 2.31 - Exemplos de grupos funcionais de polimerizao por abertura de anis

(ODIAN, 2004) ...................................................................................................31

Figura 2.32 - Representao da propagao proveniente da abertura do anl epxi

(ODIAN, 2004) ...................................................................................................32

Figura 2.33 - Espectro de absoro de IRGACURE 651, 99,9%(JASTY, 1999).......34

Figura 3.1 - Representao grfica da estrutura molecular do metacrilato de

metila(SIGMA-ALDRICH, 2008a).......................................................................45

Figura 3.2 - Representao grfica da estrutura molecular do CN501(SIGMA-

ALDRICH, 2008b) ..............................................................................................46

Figura 3.3 - Ilustrao da estrutura molecular do Perxido de benzoila


Figura 3.4 Curva de absoro de luz e representao grfica da estrutura molecular

do Irgacure 184, 99,9% (JASTY, 1999) .............................................................48

Figura 3.5 - Curva de absoro de luz e representao grfica da estrutura molecular

do Irgacure 651, 99% (JASTY, 1999) ................................................................49

Figura 3.6 - Curva de absoro e representao grfica da estrutura molecular de

benzofenona, 99% (JASTY, 1999).....................................................................50


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xiv

Figura 3.7 - Caixa de conteno e reflexo...............................................................51

Figura 3.8 - Foto de lmpada de vapor de mercrio (400W) sem bulbo ...................52

Figura 3.9 - Distribuio espectral de lmpada de vapor de mercrio 400W combulbo (filtro) (GE, 2007)......................................................................................52

Figura 3.10 Foto e ilustrao de Lampada UV PL-S 9W 10/2p UNP, onde

A=129mm; B= 144.5 mm; C= 167.5 mm; D= 28mm; D1= 13mm.......................53

Figura 3.11 - Espectro emisso de luminosa por comprimento de onda de lmpada

PL-S 9W 10/2P UNP (PHILIPS, 2008)...............................................................53

Figura 3.12- Foto de balana eletrnica de10mg de preciso ..................................54

Figura 3.13 - Ilustrao de molde de vidro utilizado em experimentos de tempo de

polimerizao .....................................................................................................55

Figura 3.14 Esquema eletrnico da interface de controle de intensidade luminosa

desenvolvida, onde R potencimetro de calibrao e T um LDR (Light

Divisor Resistor) .................................................................................................56

Figura 3.15 - Foto de Mquina CNC com controle XYZ ............................................57

Figura 3.16 - Foto de cabeote extrusor ...................................................................58

Figura 3.17 Layout de interface de controle desenvolvido para controle de

equipamento de RP ...........................................................................................60

Figura 3.18 - Fluxograma de procedimento de experimento de determinao de

tempo de polimerizao .....................................................................................61

Figura 3.19 Grfico da vazo( s

mm3

) em funo do perodo (segundos),

considerando a preciso do atuador linear de 0,0006mm,.................................64

Figura 3.20 - Ilustrao do comportamento mdio do filamento em regime..............65

Figura 3.21 - Representao de parmetros de processo, onde P (segundos) a

entrada e Vc (mm/min) a sada, e h (0,15mm), Ps (0,0006mm/passo),

Db (0,45mm) eDi (10mm) as constantes previamente fixadas ........................66

Figura 3.22 -Fluxograma de processo experimental .................................................70


17/207

xv

Figura 4.1 - Ilustrao de trajetria de deposio do estudo de filamentos realizado

por planejamento fatorial, experimento 2. ..........................................................80

Figura 4.2 - Ilustrao de tomada de medida de trajetria de deposio,

considerando largura de filamento de 1,5mm ....................................................81

Figura 4.3 - Ilustrao de trajetria de deposio do experimento 3, tendo 4

diferentes distncias entre filamentos, para observar o comportamento entre

filamentos...........................................................................................................83

Figura 4.4 - Dimenses de corpos de provas............................................................84

Figura 4.5 - Ilustrao de trajetria de deposio de corpo de prova 3.....................84

Figura 4.6 - Ilustrao de trajetria de deposio de corpo de prova 4.....................85

Figura 5.1 - Curva de converso de fotopolimerizao de MMA em 1% perxido de

benzoila, utilizando fonte UV de 400W ..............................................................88

Figura 5.2 - Taxa de polimerizao de cola BE 20 sem fotoiniciador em fonte UV(9W)

...........................................................................................................................89

Figura 5.3 - Diagrama de Efeitos principais de fatores de controle sobre fator de

resposta Converso...........................................................................................91

Figura 5.4 - Diagrama de Pareto de efeitos das interaes entre fatores sobre a

converso, considerando coeficiente de erro de 0,05........................................91

Figura 5.5 - Diagrama de contorno de taxa de converso de cola BE 20 contra

concentrao de solvente (tetracloreto de carbono), e tempo de exposio pela

luz UV (9W)........................................................................................................92

Figura 5.6 - Foto da soluo aps exposio em UV no no-solvente etanol (5ml)com 28,47% de converso.................................................................................94

Figura 5.7 - Curva de converso de fotopolimerizao de soluo de MMA (1ml),

CN501(1ml) em 2% de Irgacure 184..................................................................94

Figura 5.8 Foto da soluo aps exposio em UV no no-solvente etanol (5ml)

com 91% de converso......................................................................................95

Figura 5.9 Curva de converso de fotopolimerizao de soluo de MMA (1ml) e

CN501(1ml) em mistura de 4% de Irgacure 651 ...............................................96


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xv i

Figura 5.10 Curva de converso de fotopolimerizao de soluo de MMA (0,5ml)

e CN501(1ml) em mistura de 4% de Irgacure 184 e 4% de benzofenona ........97

Figura 5.11 Fotos de filamentos tiradas em microscpio tico 50 x, onde cada

filamento representa o grupo de filamentos construdos com velocidade de

cabeote extrusor de: 40mm/min (filamento 1), 60mm/min (filamento 2) e

90mm/min (filamento 3)......................................................................................99

Figura 5.12 Curva de comportamento de filamento .............................................100

Figura 5.13 - Foto de trajetria de deposio de experimento H.............................102

Figura 5.14 - Diagrama de Box-Whisker das amostras do experimento A..............103

Figura 5.15 - Foto de amostra 1 de experimento A.................................................103

Figura 5.16 - Foto da amostra 2 do experimento A.................................................104

Figura 5.17 - Foto da amostra 3 do experimento A.................................................104

Figura 5.18 - Ilustrao da regio do filamento que recebe maior intensidade

luminosa em funo da incidncia e distncia .................................................105

Figura 5.19 Ilustrao de ponta de bico extrusor onde representada a incidncia

de raios de luz provenientes da fonte luminosa, gerando uma regio com maior

incidncia de luz...............................................................................................105

Figura 5.20 - Diagrama de Box-Whisker das amostras do experimento B..............106

Figura 5.21 - Foto de amostra 1 do experimento B.................................................107

Figura 5.22 - Foto de amostra 2 de experimento B.................................................107

Figura 5.23 - Foto de amostra 3 de experimento B.................................................108

Figura 5.24 - Diagrama de Box-Whisker de amostras do experimento C ...............108

Figura 5.25 - Foto de amostra 1 do experimento C.................................................109

Figura 5.26 - Foto de amostra 2 do experimento C.................................................109

Figura 5.27 - Foto de amostra 3 de do experimento C............................................110

Figura 5.28 - Diagrama de Box-Whisker das amostras do experimento D..............110

Figura 5.29 - Foto de amostra 1 do experimento D.................................................111


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xvii



Figura 5.32 - Diagrama de Box-Whisker das amostras do experimento E..............112

Figura 5.33 - Foto de amostra 1 do experimento E.................................................113



Figura 5.36 - Ilustrao de etapas de quebra de continuidade devido a perda de

contato do filamento com superfcie.................................................................115

Figura 5.37 - Diagrama de Box-Whisker das amostras do experimento F ..............115

Figura 5.38 - Foto de amostra 1 do experimento F .................................................116

Figura 5.39 - Foto de amostra 3 do experimento F .................................................116

Figura 5.40 - Foto de regio de quebra de continuidade de filamento do

experimento F ..................................................................................................117

Figura 5.41 - Diagrama de Box-Whisker de amostras do experimento H ...............117

Figura 5.42 - Foto de amostra 1 do experimento H.................................................118



Figura 5.45 Representao grfica de resultados de fatores de resposta em funo

de seus respectivos fatores de controle...........................................................120

Figura 5.46 - Grfico de efeitos principais de fatores de controle sobre respostas

mdias dos experimentos relacionados largura de filamento (Rm)...............121

Figura 5.47 - Regresso de PLS dos efeitos das interaes sobre Rm, considerando

probabilidade de erro de 0,05 ..........................................................................122

Figura 5.48 - Diagrama de Pareto de efeitos das interaes entre fatores sobre Rm,

considerando probabilidade de erro de 0,05....................................................122

Figura 5.49- Diagrama de contorno de Rm em funo de Ve e Vc, considerando

valor esttico de h=0,15mm.............................................................................123


20/207

xviii

Figura 5.50 - Diagrama de contorno de Rm em funo de Ve e Vc, considerando

valor esttico de h=0,175mm...........................................................................124

Figura 5.51 - Diagrama de contorno de Rm em funo de Ve e Vc, considerando

valor esttico de h=0,2m..................................................................................124

Figura 5.52 - Diagrama de contorno de Rm em funo de Vc e h, considerando valor

esttico de Ve=0,0012mm/s.............................................................................125


esttico de Ve=0,00125mm/s...........................................................................126


esttico de Ve=0,0013mm/s.............................................................................126

Figura 5.55 - Diagrama de contorno de Rm em funo de Ve e h, considerando valor

esttico de Vc=120mm/min..............................................................................127





Figura 5.58 - Representao grfica de valores de fatores de resposta Cd(mm) em

relao a fatores de controle Vc(mm/min), h(mm) e Ve(mm/s)........................129

Figura 5.59 - Diagrama de efeitos principais dos fatores de controle Ve, Vc e h sobre

caracterstica dimensional da trajetria de deposio(Cd)...............................130

Figura 5.60 Regresso de PLS dos efeitos das interaes sobre Cd, considerando

probabilidade de erro de 0,05 ..........................................................................131

Figura 5.61 - Diagrama de Pareto de efeitos das interaes entre fatores sobre Cd,

considerando probabilidade de erro de 0,05....................................................131

Figura 5.62 - Diagrama de contorno de Cd em funo de Ve e Vc, considerando

valor esttico de h=0,15mm.............................................................................132


valor esttico de h=0,175mm...........................................................................132


21/207

xix


valor esttico de h=0,2mm ...............................................................................133

Figura 5.65 - Diagrama de contorno de Cd em funo de Ve e h, considerando valor






Figura 5.68 - Diagrama de contorno de Cd em funo de Vc e h, considerando valor

esttico de Ve=0,0012mm/s.............................................................................135


esttico de Ve=0,00125mm/s...........................................................................136


esttico de Ve=0,0013mm/s.............................................................................136

Figura 5.71 - Representao grfica dos resultados relacionados com o fator de

resposta Qualidade..........................................................................................138

Figura 5.72 - Diagrama de efeitos principais de fatores de controle Vc, h e Ve sobre

fator de resposta Qualidade.............................................................................139

Figura 5.73 - Regresso de mnimos quadrados parciais de efeitos interao entre

fatores de controle sobre fator resposta Qualidade, considerando probabilidade

de erro de 0,05.................................................................................................139

Figura 5.74 - Diagrama de Pareto de efeitos das interaes entre fatores sobre

Qualidade, considerando probabilidade de erro de 0,05..................................140

Figura 5.75 - Diagrama de contorno de Qualidade em funo de Vc e h,

considerando valor esttico de Ve=0,0012mm/s..............................................141


considerando valor esttico de Ve=0,00125mm/s............................................141


considerando valor esttico de Ve=0,0013mm/s..............................................142


22/207

xx

Figura 5.78 - Diagrama de contorno de Qualidade em funo de Vc e Ve,

considerando valor esttico de h=0,15mm.......................................................143


considerando valor esttico de h=0,175mm.....................................................143


considerando valor esttico de h=0,2mm.........................................................144

Figura 5.81 - Diagrama de contorno de Qualidade em funo de Ve e h,

considerando valor esttico de Vc=120mm/min...............................................144





Figura 5.84 - Representao grfica de valores do fator de resposta Continuidade

em relao a Ve, h e Ve...................................................................................147

Figura 5.85 - Diagrama de Efeitos principais de fatores de controle sobre fator de

resposta Continuidade .....................................................................................147

Figura 5.86 Regresso PLS de efeitos interao entre fatores de controle sobre

fator resposta Continuidade, considerando probabilidade de erro de 0,05 ......148

Figura 5.87 - Diagrama de Pareto de efeitos das interaes entre fatores sobre

Continuidade, considerando probabilidade de erro de 0,05.............................148

Figura 5.88 - Diagramas de contorno de Continuidade em funo de (Vc;h) e (Vc;Ve)

.........................................................................................................................149

Figura 5.89 - Diagrama de Contorno de continuidade em funo de Ve e h, tendo Ve

com valor esttico Vc=120mm/min ..................................................................149

Figura 5.90 - Compilao de diagramas de contorno de Largura de filamento; Cd;

Qualidade em funo de Ve e Vc, e diagrama de contorno de continuidade em

funo de h e Vc ..............................................................................................150

Figura 5.91 - Diagrama de contorno de Rm, Cd, Qualidade ...................................151


23/207

xx i

Figura 5.92 Representao de trajetria de deposio, considerando largura de

filamento de 1,2mm, e medidas de referncia .................................................152

Figura 5.93 - Fotos de trajetrias de deposio de estudo de interao entre

filamentos.........................................................................................................153

Figura 5.94 Representao de regies de inicio de deposio, falha de deposio

e de deposio em regime...............................................................................154

Figura 5.95 Foto de Corpo de prova 3 .................................................................156

Figura 5.96 Foto de Corpo de prova 4 .................................................................157

Figura 5.97 - Imagem de superfcie de filamento gerado por tecnologia 3DP

(ULBRICH, 2007) .............................................................................................159

Figura 5.98 - Imagem de deposio de filamentos gerados por FDM (MONTEROet

al., 2001) ..........................................................................................................159


24/207

xxii

LISTA DE TABELAS

Tabela 1.1 - Relao de caractersticas satisfatrias observadas em trs tecnologias

de RP ...................................................................................................................5

Tabela 2.1 - Tabela de tipos de interaes entre filamentos de SL (TANG, 2005) ...18

Tabela 2.2 - Relao de fabricantes de monmeros e oligmeros (RADTECH, 2008)

...........................................................................................................................27

Tabela 2.3 - Relao de fabricantes de aditivos (RADTECH, 2008).........................27

Tabela 2.4 - Relao de fabricantes de fotoiniciadores para polimerizao

(RADTECH, 2008) .............................................................................................28

Tabela 2.5 - Tabela de classificao de tipos de modelos estatsticos para realizao

de planejamento fatorial (ERIKSSONet al., 2000) ............................................39

Tabela 2.6 - Tabela exemplo de tipos de experimentos (ERIKSSONet al., 2000) ...41

Tabela 3.1 - Especificao tcnica de cola acrlica BE 20 ........................................45

Tabela 3.2 - Lista de principais comandos de controle utilizados no processo.........68

Tabela 4.1 - Tabela de amostras por tempos de exposio de caracterizao de

material - 1 .........................................................................................................71

Tabela 4.2 - Tabela de grupos amostrais e seus respectivos tempos de exposio a

luz UV - Caracterizao de material -2..............................................................72

Tabela 4.3 - Tabela de nveis de fatores de controle - Caracterizao de material -3

...........................................................................................................................73

Tabela 4.4 - Matriz de experimentos do planejamento fatorial da cola BE-20 -

Caracterizao de material -3 ...........................................................................74

Tabela 4.5 - Tabela de grupos amostrais em relao aos seus tempos de exposio

luz UV - Caracterizao de material -4...........................................................75


luz UV Caracterizao de material 5.........................................................75


25/207

xxiii


luz UV Caracterizao de material 6.........................................................76

Tabela 4.8 Lista de valores de velocidade do cabeote.........................................78

Tabela 4.9 Tabela de nveis e valores de fatores de controle Caracterizao de

filamento 2.......................................................................................................78

Tabela 4.10 - Matriz de experimento de planejamento fatorial de processo de

prototipagem rpida - Caracterizao de filamento 2......................................79

Tabela 4.11 Escala quantificativa de parmetros qualitativos, qualidade e

continuidade.......................................................................................................81

Tabela 4.12 Tabela de parmetros de processo utilizados no estudo de interao

entre filamento ...................................................................................................82

Tabela 4.13 Tabela resumo de experimentos relacionados ao desenvolvimento de

material ..............................................................................................................85

Tabela 4.14 - Tabela resumo de experimentos relacionados ao estudo do processo

RP proposto .......................................................................................................86

Tabela 5.1 Tabela de valores mdios de fatores de resposta dos experimentos...90

Tabela 5.2 Tabela resumo de resultados do estudo do material............................98

Tabela 5.3 Tabela de anlise estatstica descritiva de grupos amostrais da largura

de filamento da caracterizao de filamento 1.................................................101

Tabela 5.4 - Matriz de experimento de planejamento fatorial de processo de

prototipagem rpida .........................................................................................102

Tabela 5.5 Relao de valores de prova e deciso sobre a hiptese dos valores

amostras seguirem distribuio normal............................................................120

Tabela 5.6 - Tabela de valores mdios dimensionais e de caracterstica dimensional

.........................................................................................................................129

Tabela 5.7 - Escala relativa de qualidade de superfcie de filamento......................137

Tabela 5.8 Tabela de valores de resposta de fator de resposta Qualidade .........138

Tabela 5.9 - Tabela de valores de resposta de fator de resposta Continuidade .....146


26/207

xxiv

Tabela 5.10 Tabela de valores de medies estimadas e de valores encontrados

fisicamente nas amostras.................................................................................153

Tabela 5.11 - Relao de corpos de prova, estratgias de deposio, nmero de

camadas, e dimenses de corpos de prova.....................................................156

Tabela 5.12 Tabela resumo de resultados do estudo do processo RP proposto .158


27/207

xxv

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

2D - Bidimensional

3D - Tridimensional3DP - Impresso 3D (3D Print)ABS - Acrilonitrila Butadieno EstirenoABSi - Acrilonitrila Butadieno Estireno EsterelizvelCAD - Projeto Auxiliado por Computador (Computer Aided Design)CAM - Manufatura Auxiliada por Computador (Computer Aided Manufacturing)CNC - Controle Numrico Computadorizado (Computer Numerical Control)DoE - Design of ExperimentEB - Feixe de Eltrons (Electron Beam)FDM - Modelagem por fuso e deposioHDPE - Polietileno de Alta DensidadeIJP - Impresso Jato de Tinta (Ink Jet Print)IR - InfravermelhoLDR - Light Divisor ResistorLED - Light Emissor DiodeMMA - Metacrilato de MetilaNC - Controle Numrico (Numerical Control)OS - PoliestirenoPC - PolicarbonatoPCL - PolicaprolactonaPDP - Processo de Desenvolvimento de Produto

PLS - Quadrados Mnimos Parciais (Partial Least Square)PMMA - Poli(metacrilato de metila)PPSF - PolifenilsulfonaPSAI - Poliestireno de Alto ImpactoRMN - Ressonncia Magntica NuclearRP - Prototipagem rpida (Rapid Prototyping)SL - Estereolitografia (Stereolithography)STL - STereoLithography formatTMPTA - Trimethylolpropane TriacrylateUFPR - Universidade Federal do ParanUTFPR - Universidade Tecnolgica Federal do Paran

UV - Ultravioleta


28/207

xxvi

LISTA DE SMBOLOS

W - Largura de filamento depositado

t - Espessura de camadaLw - Largura da seo de trajetria nica

Cp - Altura de seo de trajetria nicaRi - Taxa de iniciaoIa - Intensidade de absoro de luz - Nmero de molculas excitadas por fton absorvido[C] - Concentrao de fotoiniciadorl - Espessura de camada

'aI - Intensidade de absoro de luz

0

I - Intensidade de absoro de luz baseado em rea - Coeficiente de extino - Coeficiente de absoroRp - Taxa de propagao

pk - Coeficiente de propagao[M] - Concentrao de monmero

tk - Coeficiente de terminaoT - Tempo de polimerizao[P] - Concentrao de polmeroI - Intensidade luminosa

- Comprimento de onday - Fator de resposta

0 - Efeito de cada fator de controle sobre fator de resposta

1x - Fator de controle

+R - Mdia dos valores de resposta obtidos com valores altos (+) do fator

R - Mdia dos valores de resposta obtidos com valores baixos (-) do fatora

b - Nmero total de experimentos do planejamento

y - Mdia dos efeitos individuais da medida, (+) e (-) corresponde ao nvelalto e nvel baixo

s - Erro na medida (desvio padro)k - Nmero de fatores experimentais no planejamento fatorialVe - Velocidade de extruso do materialP - Resoluo0

Ve - Vazo do extrusor

f - FreqnciaP - PerodoVc - Velocidade de deposioh - Altura de deposioRp - Velocidade de polimerizao

Db - Dimetro do bico extrusor


29/207

xxvii

0

Vb - Vazo de extruso no bico extrusor

A - rea de exposio

maxP - Perodo mximo gerado pela interface de controle

maxVc - Velocidade mxima de deslocamento do cabeote extrusorG91 - Define deslocamento relativo

G90 - Define deslocamento absolutoG71 - Define sistema mtricoM03 - Liga extrusor sentido deposioM04 - Liga extrusor sentido sucoM05 - Desliga extrusorM08 - Liga lmpadaM09 - Desliga lmpadaG04 - Liga tempo de espera

P - Determina tempo de espera em segundosG00 - Deslocamento em velocidade mximaG01 - Deslocamento em velocidade de deposio

F- Determina velocidade de deslocamento do cabeote extrusor emmm/min

S - Determina velocidade de deposio (no implementado)T1 - Tempo de espera de liga extrusorT2 - Tempo de espera de liga lmpadaT3 - Tempo de espera de desliga extrusorCd - Desvio dimensional da trajetria de deposio


30/207

Captulo 1 - INTRODUO 1

1 INTRODUO

Com o passar dos anos, a exigncia dos consumidores vem aumentando

gradativamente, levando empresas a diminuir o ciclo de desenvolvimento de produto

assim como reduzir custos criando diferencial agregado a seus produtos. Desta

forma, torna-se cada vez mais indispensvel para o xito de empresas perante o

mercado a realizao de pesquisas relacionadas ao desenvolvimento de novos

produtos (KOSHAL, 1993; LEONDES, 2001; ROZENFELDet al., 2006 ).

Desta forma, ao levar em considerao que a empresa pode se tornar mais

competitiva em termos de desenvolvimento de produto, foi desenvolvida a pesquisa

apresentada nesta dissertao. Nesta apresentada a problemtica do tema,

fundamentos tericos, proposta e objetivos da pesquisa, experimentos e concluses

desta pesquisa, cujo tema relacionado com processos de Prototipagem

Rpida (RP).

Uma forma de otimizar o Processo de desenvolvimento de Produto (PDP),

reduzindo tempos de desenvolvimento, custos, erros de projeto e riscos de inovao,em fases de: a) desenvolvimento; b) produo; c) e operao; (CIMDATA, 2002;

BOSWELL, 2005) a construo de prottipos fsicos, sendo uma das formas mais

eficazes de obteno destes o processo de RP (VOLPATO, 2007).

1.1 Contextualizao

As tecnologias RP nasceram no final dos anos 80 tendo sido utilizadas para a

construo de prottipos de forma direta ou de forma indireta. Ou seja, os prottipos

podem ser fabricados diretamente por estas tecnologias, ou atravs de ferramentas

fabricadas pelo RP, como por exemplo, moldes (LAFRATTA, 2003).

Embora a procura por tecnologias RP tenha aumentado nos ltimos anos,

ainda no h nem fabricantes nacionais, nem tecnologias nacionais completamente

desenvolvidas (VOLPATO, 2007).


31/207


Esta tecnologia basicamente consiste na fabricao do prottipo atravs de

modelos computacionais 3D por adio de material camada sobre camada, diferindo

de outros processos convencionais, baseados em remoo de material, como

usinagem (SOUZAet al., 2004; VANDRESEN, 2004).

Na Figura 1.1 so apresentadas, de forma esquemtica, as fases da RP, onde

so geradas camadas bidimensionais (2D) computacionalmente, via programas

CAM (Manufatura Auxiliada por Computador), que so construdas e empilhadas de

forma a fabricar a pea. Estas camadas so geradas atravs do fatiamento de

modelos tridimensionais (3D) CAD (Projeto Auxiliado por Computador), que seguem,

normalmente, o formato de arquivo chamado STereoLithography (STL) (SOUZA et

al., 2004; VANDRESEN, 2004; BOSWELL, 2005).

Figura 1.1 - Representao genrica do processo de adio de camadas, princpio

de RP (VOLPATOet al., 2004)

Para contemplar todas as etapas de fabricao por adio de camada as

tecnologias RP envolvem diversas reas de pesquisa, como eletrnica, ptica,

materiais e processos de fabricao, entre outros (KHALIL et al., 2005; XU et al.,


32/207


2006). Entretanto, a rea de concentrao da dissertao ser focada em processos

e materiais.

1.2 Apresentao do prob lema

Em funo da velocidade de resposta na obteno de prottipos das

tecnologias RP ser maior que as dos processos tradicionais, estas tecnologias vem

sendo procuradas de forma mais intensa, visto que, atravs destas, diversas fases

do PDP so encurtadas, assim como so reduzidos erros de projeto (FOGGIATTO

et al., 2004; VOLPATO, 2007).

Atravs destas tecnologias, podem ser auxiliadas as fases de planejamento

estratgico, projeto conceitual, projeto detalhado e pr-fabricao, conforme PDP,

medida que se manipula modelos fsicos para realizao de testes funcionais, testes

ergonmicos, planejamento de montagem e fabricao. Contudo, apesar das

vantagens geradas por estas tecnologias, no h fabricantes nacionais de

tecnologias RP. Isto torna cara sua utilizao, gerando dependncia estrangeira. Em

funo disto, a disseminao destas difcil (VOLPATO, 2007).

Desta forma, destaca-se a importncia do desenvolvimento de uma tecnologia

nacional com finalidade de reduzir o custo de fabricao de peas por RP, reduzindo

dependncia estrangeira e tornando, por conseqncia, o mercado nacional mais

competitivo.

1.3 Relevncia do prob lema

Existem diversas vantagens para o PDP na utilizao de tecnologias RP, como

otimizao, reduo de tempo e custo de desenvolvimento, reduo de riscos de

inovao, auxlio manufatura (FOGGIATTO et al., 2004; VOLPATO, 2007). Uma

destas vantagens pode ser observada quando comparado a utilizao de sistemas

CAD 2D, CAD 3D e prottipos fsicos em funo do tempo de comunicao e

tomada de decises entre os envolvidos no projeto, como clientes, fornecedores e

equipes de projeto (Figura 1.2).


33/207


Nos ltimos anos a demanda de utilizao de RP globalmente ampliou

significantemente, mostrando a importncia desta tecnologia e seu impacto, como

apresentado na Figura 1.3.

Figura 1.3 - Ilustrao por quartil dos investimentos em RP de 2003 a 2005(3DSYSTEMS, 2006)

Figura 1.2 - Comparao entre tempo de comunicao na fase de projeto utilizando

desenhos 2D, modelos CAD 3D e prottipos fsicos (VOLPATO, 2007)


34/207


Apesar deste aumento, o cenrio nacional no contm nenhum fabricante de

tecnologias de RP (VOLPATO, 2007).

Isto faz com que o estudo e desenvolvimento destas tecnologias em mbito

nacional contribuam para o progresso tecnolgico do pas, assim como para a

gerao de novos negcios, em funo da deficincia nacional desta rea.

1.4 Proposta

A partir da grande demanda de tecnologias RP baseadas em materiaisfotopolimricos (RODRIGUES e NEUMANN, 2003) como Estereolitografia (SL) e

Inkjet Print (IJP), aliada ao baixo custo de tecnologias RP baseadas em material

fundido, como a Modelagem por Fuso e Deposio (FDM), foram pesquisadas

caractersticas destes processos, j consolidados, para formar uma proposta de uma

nova tecnologia de RP nacional, que seja diferenciada, em relao s j existentes

no mercado. Algumas das caractersticas destas tecnologias, que podem ser

utilizadas para desenvolver e caracterizar um novo processo RP, podem ser

observadas na Tabela 1.1.

Tabela 1.1 - Relao de caractersticas satisfatrias observadas em trs tecnologiasde RP

Caractersticas Processo de origem

Deposio por filamentos FDM

Materiais fotopolimricos SL

Cura por lmpada UV IJP

Para concepo desta combinao de caractersticas, um sistema eletro-

mecnico movimenta o bico extrusor nos eixos X e Y, gerando camadas, enquanto o

em Z para a construo da prxima camada, como representado na Figura 1.4.


35/207


Figura 1.4 - Representao de proposta de nova concepo de RP

Esta pesquisa visa definir caractersticas que fundamentem o desenvolvimento

de uma nova concepo de RP, sendo estudados: a) caracterizao de materiais;

b) caracterizao de processo; e c) alguns parmetros de controle.

O desenvolvimento do material utilizado na deposio necessrio para o

processo de RP, tanto em relao viscosidade do material antes de polimerizar e

tempo de cura, quanto aos parmetros de processo apresentados na seo 2.1.4,

que refletem no estado final da pea, como a interao entre filamentos depositados.

Vistas estas caractersticas, possvel desenvolver tecnologias com novos

processos de deposio de material.

1.5 Objetivos

1.5.1 Objetivo geral

Como objetivo geral, pretende-se realizar um estudo da viabilidade funcional deuma tecnologia de RP baseada em materiais fotopolimricos extrudados e

polimerizados simultaneamente por lmpada UV. Desta forma, pretende-se

apresentar uma nova concepo de tecnologia RP como contribuio para o

desenvolvimento de uma tecnologia nacional.


36/207


1.5.2 Objetivos especficos

Os objetivos especficos deste trabalho contemplam:

Desenvolver um material adequado para a sua utilizao em tecnologias

RP proposta;

Desenvolver e construir equipamento prottipo adequado para

realizao dos experimentos relacionados tecnologia RP proposta,

adaptando parte mecnica de um CNC XYZ j existente;

Realizar testes de viabilidade do princpio funcional, deposio de

filamentos com polimerizao simultnea;

Estudar comportamento do filamento do material depositado;

Estudar a interao entre filamentos depositados;

1.6 Organizao do Trabalho

Este trabalho estruturado de forma a apresentar uma nova proposta detecnologia RP, assim como o desenvolvimento de material utilizado e caracterizao

de processo, subsidiando desenvolvimento de tecnologia de prototipagem rpida

baseada em materiais fotopolimricos.

Desta forma, o Captulo 1 apresenta a problemtica da proposta e objetivos do

trabalho, enquanto o Captulo 2, alm de apresentar uma reviso de literaturas

relacionadas aos processos RP, como SL, IJP e FDM, apresenta uma reviso sobre

materiais fotopolimricos e mtodos estatsticos e experimentais relacionados aotema. No Captulo 3 so expostos materiais e mtodos utilizados na realizao da

pesquisa, assim como os procedimentos experimentais so apresentados no

Captulo 4. No Captulo 5 so apresentados os resultados relacionados aos

experimentos descritos no captulo anterior, assim como discusses e anlises

referentes a estes. Por fim, no Captulo 6, so expostas concluses sobre a

viabilidade do desenvolvimento de tecnologias RP baseadas em materiais

fotopolimricos extrudados, objetivo geral desta dissertao.


37/207

Captulo 2- REVISO BIBLIOGRFICA 8

2 REVISO BIBLIOGRFICA

Neste captulo ser apresentada uma reviso das reas relacionadas a

Prototipgem Rpida (RP Rapid Prototyping), tanto referentes ao princpio de

processamento, quanto aos materiais empregados, assim como as tecnologias e

princpios de processos RP. Adicionalmente, sero apresentados os mtodos de

anlise utilizados na pesquisa.

2.1 Tecnologias RP

Nesta seo, sero apresentadas as principais tecnologias de RP relacionadas

proposta deste trabalho, assim como um comparativo entre estas.

2.1.1 Modelagem por Fuso e Deposio (FDM)

Apesar dos princpios de construo de peas das tecnologias de RP serem osmesmos, existem vrios processos e tecnologias relacionados RP. Um destes

processos o FDM, cujo princpio de processamento a deposio de materiais

atravs de um bico extrusor que aquece e funde o material enquanto se movimenta

nos eixos do X e Y contornando e preenchendo a camada da pea previamente

calculada (TSENG e TANAKA, 2001; AHN et al., 2002; QIU e LANGRANA, 2002;

GONALVESet al., 2007; VOLPATO, 2007).

Aps completada cada camada, uma plataforma onde foi depositada a primeiracamada se movimenta para baixo, afim de que se possa depositar a prxima

camada sobre a recm depositada, como apresentado na Figura 2.1 (TSENG e

TANAKA, 2001; AHN et al., 2002; QIU e LANGRANA, 2002; GONALVES et al.,

2007; VOLPATO, 2007).

Os materiais que esto disponveis, comercialmente, neste processo so: cera,

polister, ABS (Acrilonitrila Butadieno Estireno), ABSi (ABS Esterizvel),

policarbonato (PC) e polifenilsulfona (PPSF) (VOLPATO, 2007).


38/207


Contudo, conforme reivindicao 39 da patente referente inveno FDM,

citada abaixo, so tambm abrangidos metais, resinas termoplsticas, cera e

materiais capazes de ser solidificados em condies de ambiente (CRUMP, 1989):

dispensing a solidifiable material in a fluid state from a dispensing head having a tip with a discharge

orifice therein, said tip having a substantially planar bottom surface, said material being one of which will

solidify at ambient conditions; (CRUMP, 1989).

Figura 2.1- Representao do funcionamento de uma mquina FDM (AHN, 2002)

Para deposio do material utilizado no FDM, podem ser utilizados diversos

tipos de sistemas de deposio. Desta forma, podem ser observados 7 exemplos de

concepes de sistemas de deposio, apresentados da Figura 2.2 a Figura 2.8.

Entre estes, so contemplados sistemas com orifcio nico de deposio sendoabastecidos de materiais em forma de filamentos slidos flexveis, fragmentos

slidos e fludos solidificveis (CRUMP, 1989).


39/207


Figura 2.2 - Ilustrao esquemtica de concepo de sistema de deposio (GENGet al., 2005)

Figura 2.3 Ilustrao esquematica de concepo de sistema de deposioFDM (CRUMP, 1989)

Esta tecnologia gera basicamente filamentos de forma cilndrica numa

velocidade mdia entre 19,6 e 36,75 mm/s. A faixa de largura destes filamentos se


40/207


encontra entre 0,254 e 2,54 mm (NG et al., 2002), e a altura de deposio

normalmente se encontram entre 0,12 e 0,36 mm (COOPER, 2001).

Figura 2.4 - Ilustrao esquemtica de concepo de sistema de deposio deFDM (CRUMP, 1989)

Figura 2.5 - Ilustrao esquemtica de concepo de sistema de deposio deFDM (BATCHELDER e JACKSON, 1995 )

Para a construo de cada camada so utilizadas trajetrias de deposio de

contorno e de preenchimento, sendo que o preenchimento pode ser do tipo contour,

raster e uma combinao das duas, como apresentado na Figura 2.9 (BELLINI e

GERI, 2003; VOLPATO, 2007).


41/207


Figura 2.6 - Ilustrao esquemtica de concepo de sistema de deposio deFDM (CRUMPet al., 1994)

Figura 2.7 - Ilustrao esquemtica de concepo de sistema de deposio deFDM (GENGet al., 2005; BATCHELDER, 2006)

Figura 2.8 - Ilustrao esquemtica de concepo de sistema de deposio deFDM (CRUMP, 1989)


42/207


Nestes tipos de preenchimento so depositadas trajetrias que podem ser

controladas atravs dos parmetros, distncia entre filamentos e ngulo de

preenchimento. O ngulo de preenchimento amplamente utilizado para aumentar a

resistncia mecnica da pea quando construda uma camada com preenchimento

com ngulo de 90 defasado em relao camada anterior(VOLPATO, 2007).

Figura 2.9 Ilustrao de tipos de preenchimento onde: a) contorno (contour)eb) varedura (raste)r(BELLINI e GERI, 2003)

A interao entre os filamentos depositados so apresentados na Figura 2.10,

onde podem ser observados vazios entre filamentos gerados em funo dasgeometrias dos filamentos e distncias entre filamentos depositados

(BATCHELDER, 1995). Da mesma forma, estes vazios podem ser observados na

Figura 2.11, onde apresentada uma foto da seo transversal de uma pea onde

foram depositadas camadas sem defasagem de ngulo de preenchimento.

Outra regio que normalmente apresenta vazios em peas fabricadas por FDM

a transio entre contorno e preenchimento, como pode ser observado na Figura

2.12 (HOLZWARTH, 2006).

Tambm cabe ressaltar a existncia de outros equipamentos, alm dos

desenvolvidos pela empresa Stratasys, USA, que apresentam mesmo princpio

funcional de FDM. Entre estes, est um projeto open-source chamado Fab@home,

apresentado na Figura 2.13, que deposita materiais como, silicone, alimentcios

(chocolate, queijo,...), cola entre outros (MALONE e LIPSON, 2006). A deposio

realizada atravs de sistema de deposio por seringa similar ao patenteado pela

empresa Stratasys, USA (BATCHELDER, 2006).


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Figura 2.10 - Ilustrao de seo transversal de filamentos, onde apresentada a

interao entre filamentos e vazios (BATCHELDER, 1995)

Figura 2.11 - Foto de seo transversal de pea (AHN, 2002)

Figura 2.12 Ilustrao de vazios gerados em regio entre contorno epreenchimento raster(HOLZWARTH, 2006)


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Outro projeto open-source que utiliza o mesmo princpio funcional do FDM a

RepRap, como apresentado na Figura 2.14. O tipo de material utilizado nesta

tecnologia , normalmente, ABS, HDPE (Polietileno de alta densidade), poli(acido

ltico) e PCL (policaprolactona) (BOWYER, 2008).

Figura 2.13 - Sistema FDM Fab@home (MALONE e LIPSON, 2006)

Exemplos de peas fabricadas pelas tecnologias Fab@Home e RepRap soapresentadas na Figura 2.15 e na Figura 2.16, onde possvel observar uma baixa

preciso, em comparao com FDM comercial fabricado pela empresa Stratasys.

Figura 2.14 - Sistema FDM RepRap (BOWYER, 2008)


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Figura 2.15 - Exemplo de peas construidas em silicone por Fab@home (LIPSON eMALONE, 2008)

Figura 2.16 Exemplos de peas construdas em policaprolactona por RepRap(BOWYER, 2008)

2.1.2 Estereol itografia (SL)

Um dos tipos de RP mais difundidos a SL (KREITH, 1999; BARTON e

FULTON, 2000; VOLPATO, 2007), que um dos processos RP baseado em

materiais fotopolimricos cujo funcionamento depende do movimento de um feixe de

laser sobre um recipiente inundado de material. Este feixe percorre os eixos Xe Ya

fim de construir a camada previamente criada e calculada computacionalmente.

Logo aps concluir a camada, como representado na Figura 2.17, a

plataforma que suporta a camada de material polimerizado inicial abaixada para a

construo da prxima camada sobre a anterior. Ao final da construo de todas as

camadas a pea sofre uma ps-polimerizao em forno externo, onde ganha

resistncia mecnica, visto que a polimerizao resultante deste processo gera

taxas de polimerizao entre 80 e 95% (KREITH, 1999; BARTON e FULTON, 2000;

VOLPATO, 2007).


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Os materiais mais utilizados nesta tecnologia so baseados, basicamente, em

materiais fotopolimricos, como acrlicos e epxis (BARTON e FULTON, 2000;

VOLPATO, 2007). Contudo, a concepo do principio funcional desta tecnologia

fundamentada em materiais susceptveis solidificao em funo de: feixes de

eltrons; radiao, feixe de partculas de alta energia, raio-x e feixe de luz UV

(HULL, 1984 ).

Isto pode ser observado na reivindicaes 4, 5, 6, 7 e 8 da patente relacionada

SL (HULL, 1984 ), como apresentado abaixo.

4. A system as set forth in claim 2, wherein said reaction means includes: a beam of impinging radiation.

5. A system as set forth in claim 2, wherein said reaction means includes: an electron beam. 6. A system

as set forth in claim 2, wherein said reaction means includes: a beam of high energy particles.

7. A system as set forth in claim 2, wherein said reaction means includes: a beam of light.

8. A system as set forth in claim 2, wherein said reaction means includes: x-rays.

9. A system as set forth in claim 2, wherein said reaction means includes: a beam of ultraviolet light

(HULL, 1984 ).

Figura 2.17 Esquema de funcionamento de Estereolitografia (VANDRESEN, 2004)

Ao analisar a seo transversal de uma linha nica gerada por esta tecnologia,

pode-se observar um formato cilndrico parablico, conforme apresentado na Figura

2.18, sendo que a largura desta seo (Lw) normalmente se encontra entre 0,13 e

0,27mm, em funo do dimetro do feixe de laser, enquanto e a altura (Cp) em


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relao profundidade de penetrao do material normalmente se apresenta entre

0,1 e 0,5mm (JACOBS, 1992; TANG, 2005; SIMet al., 2007).

Figura 2.18 - Representao de seo transvesal de uma linha nica gerada porSLA (JACOBS, 1992; TANG, 2005)

O tipo de laser geralmente utilizado nesta tecnologia tem potncia entre 10 e

20mW, tendo comprimento de onda de 325nm (JACOBS, 1992; TANG, 2005; SIMet

al., 2007).

Desta forma, pode-se observar a interao entre filamentos no sentido vertical

e horizontal, conforme apresentado na Figura 2.1. Contudo, em funo do processode ps-cura, no so gerados vazios na pea (VOLPATO, 2007).

Tabela 2.1 - Tabela de tipos de interaes entre filamentos de SL (TANG, 2005)

Filamento nicoFilamentos nahorizontal

Filamentos navertical

Tipode

Interao


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2.1.3 Inkjet Print(IJP)

Outra tecnologia que utiliza o princpio de fotopolimerizao a IJP, sendo

desenvolvida inicialmente pela PolyJet, da Objet Geometries, em 2002 (VOLPATO,

2007; OBJET, 2008), seguido pela Invision, da 3d System, em 2003.

Embora utilizem materiais semelhantes ao SL, baseados em materiais

fotopolimricos, como acrlicos e epxi, seus princpios de funcionamento diferem.

O processo utilizado pela Polyjet consiste no depsito seletivo de material

fotopolimrico atravs de gotculas geradas por um cabeote de impresso, que se

move no sentido X e Y. Simultaneamente a este depsito, as gotculas sopolimerizadas por lmpadas ultravioleta (UV), ao invs de utilizar laser UV, como no

SL. Aps depositada cada camada, a mesma nivelada atravs de uma lmina de

corte e, ento, a plataforma deslocada no sentido Zpara construo de uma nova

camada (GOTHAIT, 1999; MARGOLIN, 2006; VOLPATO, 2007; OBJET, 2008). Na

Figura 2.19 ilustrado processo de RP da Polyjet.

Figura 2.19 - Esquema de funcionamento de IJP (OBJET, 2008)

Alm de depositar o material de construo da pea, a resina fotocurvel, o

cabeote deposita outro material, de suporte para regies vazias, cujas propriedades

so inferiores ao primeiro, possibilitando a construo de uma camada sobre esta

regio (GOTHAIT, 1999; MARGOLIN, 2006; VOLPATO, 2007; OBJET, 2008).


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Segundo GRIMM (2005), este processo tem faixa mdia de desvio dimensional

entre 0,28 e 1,715mm.

O processo utilizado pela Invision, que a segunda gerao da famlia de

produtos Multi-Jet Modelingda 3d Systems, deposita de forma seletiva o material,

cuja polimerizao do material fotoiniciada por flashes de luz UV (SCHMIDT, 2002;

MARGOLIN, 2006).

Este processo dividido, em duas etapas, sendo que na primeira o material

no curado depositado seletivamente em gotculas, sobre um substrato, sendo

modificada sua estrutura para um estado no escoavel em funo da temperatura.

Num segundo momento, este curado (SCHMIDT, 2002).

O interao entre as gotculas depositadas seletivamente por este tipo de

processo, em ambos os casos (Invision e Polyjet), pode ser observado na Figura

2.20.

Figura 2.20 Formao de linhas em funo de frequncia de deposio(MARGOLIN, 2006)


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2.1.4 Comparativo entre tecnologias RP

Em funo da existncia de vantagens e desvantagens em cada tecnologia

apresentada neste captulo, apresenta-se um comparativo entre estas, baseadas no

estudo realizado por GRIMM (2003), assim como uma discusso sobre as mesmas.

Neste estudo, foram analisados aspectos dimensionais, de processo e de qualidade,

criando uma idia de comparao entre estas tecnologias.

Em relao s caractersticas de processo analisadas, a Figura 2.21 apresenta

um comparativo entre os tempos mdios de fabricao (processamento) de mesmas

peas construdas atravs de FDM (Dimension - Stratasys), SL (Viper Si2 3D

Systems) e IJP (QuadraTempo Objet Geometries), assim como o tempo de

ps-processamento das mesmas (GRIMM, 2003).

0

1

2

3

4

5

6

7

FDM IJP SL

Tempo(h)

processamento ps-processamento

Figura 2.21 - Comparativo entre tempo mdio de fabricao de peas fabricadas porFDM, IJP e SL (GRIMM, 2003)

A partir deste grfico, pode-se observar que a tecnologia que apresentou maior

tempo para construo de peas (processamento + ps-processamento) foi a SL,

apesar de ter tempo de processamento menor que o FDM. Isto se deve ps cura

de peas aps o processamento.

Entre as tecnologias analisadas, a que teve melhor desempenho em relao ao

tempo de fabricao de peas foi a IJP.


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Em relao caracterstica dimensional, a mdia de desvios dimensionais

mdios e desvios padro de peas fabricadas em FDM, IJP e SL so apresentados

na Figura 2.22 (GRIMM, 2003). Neste grfico, possvel observar que, apesar de ter

menor tempo de fabricao de peas, a IJP obtm valores de desvio dimensional

superiores ao de SL e FDM.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

FDM IJP SL

Desvioabsoluto(mm)

Figura 2.22 - Comparativo entre desvios dimensionais de peas fabricadas por FDM,IJP e SL (GRIMM, 2003)

Adicionalmente, em ambos os casos analisados, o FDM obteve valores

intermedirios entre SL e IJP, tanto para o tempo de fabricao quanto para o desviodimensional.

Outro aspecto analisado no referido estudo foi qualidade superficial das

peas fabricadas por FDM, IJP e SL. Para anlise quantitativa deste parmetro entre

as tecnologias analisadas, foi observada a rugosidade superficial mdia, sendo

apresentada na Figura 2.23. Nesta figura, a tecnologia que obteve maior rugosidade

foi o FDM, enquanto os valores de IJP e SL mantiveram-se inferiores a 1 m.

Isto se deve, em funo do tipo de material e processo utilizado para a

construo da pea. Onde possvel diferenciar o processo FDM, que baseado

em materiais slidos, do IJP e SL, que utilizam materiais fotopolimricos lquidos.

Desta maneira, possvel associar o alto v

estudo de viabilidade de tecnologia de prototipagem rápida baseada em materiais fotopoliméricos...

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