Universidade do MinhoMestrado Integrado em Engenharia Mecânica

Teoria do Projecto MecânicoAno lectivo de 2007-08

Prototipagem Rápida

Nº 40559, Marco Daniel Malheiro Dourado

Escola de Engenharia, Guimarães, Junho de 2008

Índice

Preâmbulo..............................................................................................................................................3

Introdução..............................................................................................................................................3

Os processos de prototipagem rápida....................................................................................................5

Estereolitografia (SLA, Stereolithography).........................................................................................5

Cura sólida da base (SGC, Solid Ground Curing).................................................................................5

Manufactura de objectos em lâminas (LOM, Laminated Object Manufacturing)..............................6

Impressão 3D por jacto de tinta (3DP, 3D Printing)............................................................................7

Modelagem por deposição de material fundido (FDM, Fused deposition modeling)........................8

Sinterização selectiva a laser (SLS, Selective laser sintering)..............................................................9

Conformação próxima ao formato final via laser (LENS, Laser engineered net shaping).................10

Prototipagem rápida em Portugal........................................................................................................11

Conclusão.............................................................................................................................................11

Bibliografia...........................................................................................................................................12

Anexos..................................................................................................................................................13

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PreâmbuloNo âmbito da unidade curricular de teoria do projecto mecânico foi-nos proposto pelo

docente da mesma a realização de uma monografia, cujo tema, proposto pelo docente, seria à nossa escolha. A minha escolha recaiu sobre a prototipagem rápida, visto ser uma tecnologia de elevada aceitação a nível comercial e interesse, e com boas perspectivas futuras.

IntroduçãoA necessidade de produzir rapidamente protótipos da forma complexa num curto

espaço de tempo, conduziu nos meados dos anos 80 ao desenvolvimento de tecnologias de prototipagem rápida (RP). O tempo de construção de um protótipo pode variar de 3 a 72 horas, dependendo do tamanho e complexidade do mesmo. Ainda assim esses processos fazem jus ao nome “rápido” uma vez que os métodos tradicionais, tais como a maquinagem, podem requerer dias ou mesmo meses para fabricar um único protótipo [1].

Esse novo conceito de fabrico permitiu a construção de objectos físicos directamente a partir de dados digitais definidos em computador (C.A.D). Essas tecnologias consistem em agregar e ligar materiais, camada a camada, de forma a construir o objecto (protótipo) desejado [1].

Para além da prototipagem rápida com adição de material existe também a prototipagem rápida com remoção de material. Nos métodos de remoção de material os componentes são produzidos recorrendo às máquinas de comando numérico [2]. Inclui-se neste grupo a maquinagem a alta velocidade (HSM).

Os materiais poliméricos são os mais utilizados nesta tecnologia mas tem-se verificado uma introdução gradual de outros materiais não poliméricos, como metais, cerâmica e materiais compósitos. Estes materiais vêm permitir que os usuários de prototipagem rápida produzam protótipos funcionais aos quais se possam efectuar testes funcionais, o que não acontece com os protótipos de plásticos que servem fundamentalmente para testes de visualização e ajustes.

Contudo, a prototipagem rápida também tem as suas desvantagens. O volume do protótipo é geralmente limitado, dependendo do equipamento disponível. Embora haja técnicas, ainda é difícil fazer protótipos de metal, mas isso é um impedimento cada vez mais fácil de ultrapassar devido ao desenvolvimento da técnica. No momento as técnicas convencionais de manufactura ainda são mais económicas que as de prototipagem rápida quando se trata de fabricar modelos de metal [1].

Todos os processos de prototipagem rápida actualmente existentes assentam em cinco etapas básicas, como pode ser visto na Figura 1:1. Criação de um modelo CAD da peça que está a ser projectada;2. Conversão do arquivo CAD em formato STL;3. Fatiamento do arquivo STL em finas camadas transversais;4. Construção física do modelo, empilhando uma camada sobre a outra;5. Limpeza e acabamento do protótipo [1].

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Figura 1 – Etapas de prototipagem rápida.

Os processos de prototipagem rápida estão associados ao tipo de transformação que os materiais irão sofrer. A divisão pode ser feita entre os métodos baseados nos processos químicos, tais como a solidificação de resinas ou o uso de adesivos, e os métodos baseados na transformação física dos materiais, tais como o derretimento, a solidificação ou a sinterização. Pertencem ao primeiro grupo a:

Photopolymerization (Fotopolimerização)-Stereolithography (Estereolitografia)-Solid ground curing (Cura sólida da base)

Cutting and bonding (Corte e ligação)-Laminated object manufacturing (Manufactura de objectos em lâminas)

Adhesive bonding of powders (Ligação de pós adesivos)-3D Printing (Impressão 3D por jacto de tinta)

Pertencem ao Segundo grupo a: Solidification of a polymer or a wax (Solidificação de polímeros ou cera)

-Fused deposition modeling (Modelagem por deposição de material fundido) Sintering of polymers or metals (Sinterização de polímeros ou metais)

-Selective laser sintering (Sinterização selectiva a laser)-Laser engineered net shaping (Conformação próxima ao formato final via laser) [10]

As técnicas de prototipagem rápida podem também ser aplicadas para o fabrico rápido de ferramentas. Podem ser divididas em duas classes principais:-Ferramentaria indirecta: fabrico de moldes e matrizes a partir de modelos obtidos por prototipagem rápida. As técnicas usadas são o vazamento a vácuo e a moldagem por injecção.-Ferramentaria directa: permitem produzir directamente ferramentas com alta dureza directamente de arquivos CAD. Acredita-se que ainda serão necessários vários anos para que essas técnicas se tornem plenamente comerciais, mas já há alguns desenvolvimentos animadores. Incluem-se neste grupo as técnicas Rapid Tool e Direct AIM [1].

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Os processos de prototipagem rápida

Estereolitografia (SLA, Stereolithography)

Este foi o processo pioneiro da prototipagem rápida. Patenteado em 1986, fez deflagrar a revolução da prototipagem rápida.

A estereolitografia permite construir modelos tridimensionais a partir de polímeros líquidos sensíveis à luz, que solidificam quando expostos à radiação ultravioleta. O modelo é construído sobre uma plataforma situada imediatamente abaixo da superfície num banho líquido de resina epóxi ou acrílica. Uma fonte de raio laser ultravioleta, com alta precisão de foco, traça a primeira camada, solidificando a secção transversal do modelo e deixando as demais áreas líquidas. A seguir, um elevador mergulha levemente a plataforma no banho de polímero líquido e o raio laser cria a segunda camada de polímero sólido acima da primeira camada. O processo é repetido sucessivas vezes até o protótipo estar completo. Uma vez pronto, o modelo sólido é removido do banho de polímero líquido e lavado. Os suportes são retirados e o modelo é introduzido num forno de radiação ultravioleta para ser submetido a uma cura completa.

Uma vez que a estereolitografia foi a primeira técnica bem sucedida de prototipagem rápida ela tornou-se um padrão de avaliação para as demais que surgiram posteriormente [3].

Um esquema do processo pode ser visto na Figura 2.

Figura 2 – Estereolitografia.

Cura sólida da base (SGC, Solid Ground Curing)

A técnica Solid Ground Curing, igualmente conhecida como o processo “Solider”, foi inventada e desenvolvida no Israel pela Cubital Inc.

É um processo bastante similar à estereolitografia, pois ambos usam radiação ultravioleta para endurecer, de forma selectiva, polímeros fotossensíveis. Contudo, ao contrário da estereolitografia, este processo cura uma camada inteira de uma vez [5] [6]. Em primeiro lugar, a resina fotossensível é pulverizada sobre a plataforma de construção. A seguir, a máquina gera uma foto-máscara correspondente à camada a ser gerada. Esta foto-máscara é impressa sobre uma placa de vidro acima da plataforma de construção, usando um processo electrostático de pó similar ao das fotocopiadoras. A seguir a máscara é exposta à radiação ultravioleta, a qual passa apenas através das porções transparentes da máscara, endurecendo selectivamente as porções desejadas de polímero correspondentes à camada actual. Após a cura da camada, é feita a sucção por vácuo do excesso de resina líquida, sendo

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esta aproveitada para reciclar, deixando a área endurecida intacta. As cavidades livres são ocupadas por cera endurecida por refrigeração. A cera endurecida permite a sustentação contínua do modelo enquanto este é produzido. A superfície encerada é fresada de forma a ficar plana e o processo é repetido para se construir a próxima camada. Assim que a peça ficar pronta é necessário remover a cera, através da imersão da peça num banho de solvente [3].

Em contraste com a estereolitografia, este processo tem custos mais elevados de aquisição e produção devido à complexidade do sistema. No entanto é um processo que oferece uma boa exactidão dos protótipos produzidos e permite uma taxa elevada de produção. A produção elevada é conseguida devido a que a camada de resina é endurecida toda de uma só vez.

Permite obter um melhor acabamento e precisão do protótipo, tal como a estereolitografia [4].

Um esquema do processo pode ser visto na Figura 3.

Figura 3 – Cura sólida da base.

Manufactura de objectos em lâminas (LOM, Laminated Object Manufacturing)

Esta técnica consiste em colar camadas de material, na forma de tiras revestidas de adesivo, umas sobre as outras formando-se o protótipo.

O material original consiste em bobines de papel laminado com cola activada pelo calor.

Um rolo colector avança a tira de papel sobre a plataforma de construção, onde há uma base feita de papel e fita com espuma nas duas faces. A seguir, um rolo aquecido aplica pressão para fixar o papel à base. Uma fonte de raio laser com alta precisão de foco corta, desenhando, o contorno da primeira camada sobre o papel. Depois o material em excesso, exterior à peça, é cortado em pequenos quadrados de maneira a formar pequenos cubos, permitindo a sua fácil remoção após a peça estar terminada. O material em excesso proporciona um excelente suporte durante o processo de construção. Após o corte da primeira camada a plataforma desce, libertando o caminho para que o rolo colector avance a tira de papel e exponha material novo. A plataforma eleva-se até um ponto ligeiramente inferior à altura original, correspondente à espessura da folha. O rolo aquecido liga a segunda camada à primeira e a fonte de raio laser corta a segunda camada. Este processo é repetido tantas vezes quantas forem necessárias para construir a peça, a qual apresentará uma textura similar à madeira.

Uma vez que os modelos são feitos de papel, eles devem ser selados e revestidos com tinta ou verniz para se evitar eventuais danos provocados pela humidade.

Os mais recentes desenvolvimentos deste processo permitem o uso de novos tipos de materiais, incluindo plástico, papel hidrófobo, e pós cerâmicos e metálicos [3].

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Um esquema do processo pode ser visto na Figura 4.

Figura 4 – Manufactura de objectos em lâminas.

Impressão 3D por jacto de tinta (3DP, 3D Printing)

A Impressão Tridimensional é um processo que data do ano de 1993 e foi desenvolvido pelo MIT (Massachusetts Institute of Technology). Permite obter peças de qualquer geometria e de qualquer material, onde se incluem cerâmicos, metais, polímeros e compósitos [7].

Esta técnica assemelha-se a um sistema de impressão por jacto de tinta utilizado como um periférico de um computador do dia-a-dia. A própria máquina é composta por peças de uma impressora normal, só que em vez de jactos de tinta, as cabeças de impressão expelem um aglutinante composto de uma solução aquosa e uma cola. Esta técnica é muito parecida com a técnica de Sinterização Selectiva por Laser (SLS), à excepção que, em vez de um laser, a aglutinação do pó é feita por uma cabeça de impressão de jactos de aglutinante.

A máquina é normalmente constituída por um reservatório de pó; uma plataforma que suporta as várias camadas de pó e que se movimenta no sentido descendente; um rolo para deposição e regulação da camada de pó na plataforma; e a(s) cabeça(s) de jacto de aglutinante que provém de um recipiente também existente na máquina.

O processo consiste em avançar um rolo que deposita uniformemente uma camada de pó sobre a plataforma. A cabeça movimenta-se nas direcções X e Y expelindo o aglutinante sobre o pó nas coordenadas definidas pelo programa da peça. A plataforma desce e de seguida o rolo avança. Uma nova camada é criada, e assim sucessivamente até a peça estar finalizada.

Após concluído o processo, a plataforma com a peça é elevada e são aspirados os restos de pó não aglutinado. O pó que servia de suporte à peça durante o seu fabrico pode mais tarde ser reutilizado no fabrico de uma nova peça.

Um esquema do processo pode ser visto na Figura 5.

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Figura 5 – Impressão 3D por jacto de tinta

Modelagem por deposição de material fundido (FDM, Fused deposition modeling)

Este processo consiste em extrudar filamentos de resina termoplástica aquecida a partir de uma matriz em forma de ponta que se move num plano X-Y. A matriz de extrusão controlada deposita filetes de material muito finos sobre a plataforma de construção, formando a primeira camada do componente. A plataforma é mantida a uma temperatura inferior à do material, de forma que a resina termoplástica endureça rapidamente. Após esse endurecimento a plataforma desce ligeiramente e a matriz de extrusão deposita uma segunda camada sobre a primeira. O processo é repetido até a construção total do protótipo. São construídos suportes durante o fabrico para segurar o protótipo durante o seu fabrico. Tais suportes são fixados ao protótipo usando um segundo material, mais fraco, ou uma junção perfurada. As resinas termoplásticas adequadas a esse processo incluem poliéster, polipropileno, ABS, elastómeros e cera usada no processo de fundição por cera perdida [3].

Um esquema do processo pode ser visto na Figura 6.

Figura 6 – Modelagem por deposição de material fundido.

Sinterização selectiva a laser (SLS, Selective laser sintering)

Esta técnica, patenteada em 1989, usa um raio laser para fundir, de forma selectiva, materiais pulverulentos, tais como nylon, elastómeros e metais, num objecto sólido. As peças são construídas sobre uma plataforma, a qual está imediatamente abaixo da superfície de um recipiente preenchido com pó fusível por calor. Essa altura corresponde à espessura da

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primeira camada. O feixe de laser desenha na superfície o perfil geométrico da camada sinterizando assim o material. A plataforma desce ligeiramente, e aplica-se novamente outra camada de pó que será sinterizado posteriormente pelo raio laser. O processo continua camada após camada até que a peça esteja completa, estando nesta altura a peça completamente submersa pelo pó. O pó em excesso ajuda a suportar a peça durante a sua construção [3].

Depois da etapa de sinterização, a peça ainda quente, é deixada dentro do volume de pó não sinterizado e o seu conjunto é transferido para uma prateleira onde irá arrefecer durante várias horas. A massa de pó que cobre o modelo tem que ter uma espessura mínima de 25mm de modo a cumprir eficazmente o seu efeito isolante, para evitar distorções e deformações na peça derivadas a um arrefecimento rápido.

Depois da peça arrefecer, o excedente de pó é retirado com a ajuda de diversos tipos de escovas. Devido ao facto do pó ter tendência a ficar colado à superfície do modelo, as ferramentas de jacto de ar poderão ser muito úteis na remoção de partículas de pó enclausuradas no interior de furos ou qualquer outro tipo de cavidades.

As peças podem ser injectadas de epóxi com a finalidade de aumentar as suas propriedades mecânicas, suprimir as porosidades, e melhorar ligeiramente o acabamento superficial.

Finalmente é realizada uma operação manual de polimento. Esta operação tem como objectivo melhorar o aspecto visual da peça, que poderá em seguida ser envernizada ou pintada. Em alguns casos, certas partes do modelo poderão ser trabalhadas de maneira a obter cotas e dimensões mais precisas [8].

Um esquema do processo pode ser visto na Figura 7.

Figura 7 – Sinterização selectiva por laser.

Conformação próxima ao formato final via laser (LENS, Laser engineered net shaping)

É um processo relativamente novo, que apresenta a vantagem de produzir protótipos de metal plenamente densos, com boas propriedades metalúrgicas e velocidades razoáveis de construção.

Neste processo um gerador de raio laser de alta potência é usado para fundir pó metálico fornecido coaxialmente ao foco do raio, através de um cabeçote de deposição. O raio laser passa através do centro do cabeçote e é focado para um pequeno ponto através de uma lente ou conjunto de lentes. Uma mesa é movida por varredura de forma a gerar as camadas do objecto. O cabeçote é movido para cima à medida que cada camada é finalizada. O raio laser pode ser conduzido até a área de trabalho através de espelhos ou fibra óptica. Os pós

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metálicos são fornecidos e distribuídos ao redor da circunferência do cabeçote por gravidade ou através de um gás portador inerte pressurizado. Mesmo nos casos onde não é necessário uma corrente de gás para transporte do pó metálico é necessário ter uma corrente de gás inerte para proteger o metal líquido do oxigénio atmosférico, de forma a garantir as melhores propriedades metalúrgicas e promover melhor adesão entre as camadas.

Podem ser usados pós de diversas ligas metálicas, tais como aço inoxidável, cobre, alumínio e titânio.

A potência do gerador de raio laser varia conforme o material usado, taxa de deposição e outros parâmetros, podendo oscilar desde algumas centenas até 20.000 watts ou mais.

Os protótipos produzidos requerem operações posteriores de maquinagem para acabamento. Apresentam boa densidade, boa microestrutura e propriedades similares ou melhores ao metal convencional [3].

Um esquema do processo pode ser visto na Figura 8.

Figura 8 – Conformação próxima ao formato final via laser.

Prototipagem rápida em Portugal

Em Portugal, apesar de ser uma tecnologia com mais de duas décadas e de apresentar uma grande diversidade de processos, a prototipagem rápida não está ainda tão implementada como nos EUA, no Japão, ou na Europa Central. Isto reflecte-se numa menor competência entre Portugal e esses países no que toca a desenvolver produtos e a coloca-los no mercado.

Os processos de prototipagem rápida mais utilizados em Portugal são a Estereolitografia (SLA), Sinterização Selectiva a Laser (SLS), Manufactura de Objectos em Lâminas (LOM), Impressão 3D por Jacto de Tinta (3DP) e Modelagem por Deposição de Material Fundido (FDM). Fabricam-se também em Portugal protótipos por maquinagem a alta velocidade (HSM), contudo por ser uma tecnologia recente e por exigir alguns conhecimentos e prática, apenas está ao alcance de um pequeno número de empresas [9].

Em Portugal foi criada uma rede nacional de prototipagem rápida cujo consórcio inclui empresas dos sectores de moldes, cunhos, cortantes e ferramentas especiais, fundição, plástico, uma empresa de engenharia e desenvolvimento de produto, instituições de I&DT e centros tecnológicos. O projecto foi subsidiado pelo programa Pedip II e pretende-se que ajude as tecnologias relacionadas com a prototipagem rápida a afirmarem-se em Portugal como ferramentas imprescindíveis e de uso corrente nos sectores industriais que desenvolvem produtos e que os comercializam. Pretende-se que parte dos potenciais utilizadores destes

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processos deixem de ter relutância em usá-los, e que fiquem a par da sua existência e potencialidades [8].

Conclusão

A prototipagem rápida mudou a forma como as empresas projectam e constroem os seus produtos. Os equipamentos de hoje em dia são o suficientemente exactos para conseguirem construir protótipos fiáveis e com boa precisão.

Os materiais poliméricos são os mais utilizados nesta tecnologia, mas cada vez mais se recorre a materiais alternativos aos polímeros, como metais, cerâmica e materiais compósitos, permitindo a produção de protótipos mais sofisticados e funcionais.

Os Estados Unidos dominam actualmente esta área, mas a Alemanha, Japão, e Israel estão também já bem implementados neste campo. Em Portugal esta é uma tecnologia que ainda não está muito enraizada, mas têm sido criadas condições no sentido de cada vez mais empresas criadoras de produtos a adoptarem. A seu tempo a prototipagem rápida espalhar-se-á aos países menos desenvolvidos o que contribuirá para um maior crescimento e desenvolvimento das mais variadas tecnologias de prototipagem rápida.

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Bibliografia

[1] http://www.iar.unicamp.br/prototipagem/arquivos/oque.htm

[2] http://www.abepro.org.br/biblioteca/ENEGEP2006_TR490328_7839.pdf

[3] http://www.gorni.eng.br/protrap.html

[4] http://www.unimep.br/feau/scpm/Cursos/SCAPPM/PrototipagemRapida.pdf

[5] http://www.idc-shanghai.com

[6] http://home.att.net/~castleisland/sgc.htm

[7] http://web.mit.edu/tdp/www/index.html

[8] http://www.cev.pt/noticias/projectos/Cedintec/html/tecnologias_prototipagem.html

[9] http://paginas.fe.up.pt/~falves/Artigoceramica.pdf

[10] www.prototipazione.unile.it/Download/unido_2000_stl.doc

[11] http://alcateiadesigngrouphumbertoduarte.wordpress.com/2007/02/28/prototype-0203/

[12] http://www.ferramentalrapido.ufba.br/lens.htm

[13] http://www.nufer.citec.ct.utfpr.edu.br/prototipagem_medica.html

[14] http://ogle.eyebeamresearch.org/blog

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Anexos

Ficam aqui apresentadas algumas imagens que ilustram exemplos de aplicação de prototipagem rápida.

Figura 1 – Aplicação da prototipagem rápida na engenharia para concepção de produtos, testes e manufactura do produto.

Figura 2 – Aplicação da prototipagem rápida na medicina para planeamentos cirúrgicos.

Figura 3 – Aplicação da prototipagem rápida na arte para o fabrico de esculturas.

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Figura 4 – Aplicação da prototipagem rápida na área científica para a antropologia – estudo de fosseis.

Figura 5 – Mandíbula confeccionada pelo processo FDM.

Figura 6 – Candeeiros realizados por prototipagem rápida recorrendo às técnicas SLA e SLS.

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Figura 7 – Objecto de decoração obtido por 3DP.

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