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Universidade do Minho Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica

Teoria de Projecto Mecânico Ano lectivo 2009/2010

Prototipagem rápida – SLS (Selective Laser Sintering)

Trabalho elaborado por:

Nº 50168, Marco Filipe Barbosa Freitas

Escola de Engenharia, Guimarães, 15 de Junho de 2010

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Resumo

O presente relatório procura demonstrar a importância da técnica de sinterização selectiva a laser na produção de produtos/componentes com qualidade e na redução dos tempos de produção. A SLS é um processo de prototipagem rápida (RP), sendo a sua comparação com outros processos de RP inevitável, sendo essa abordagem também realizada no presente relatório.

Depois da ponte feita, como introdução, entre a RP no geral e a técnica de RP, SLS, é descrito o objecto, objectivo, função e o processo de funcionamento da mesma. Como esse processo está dependente de diversos factores, são referidos aqueles que mais influenciam a SLS. Esta técnica não é perfeita, como todas as outras, sendo que por isso, acarreta diversos defeitos, quer na peça, quer no processo em si.

É descrito as diversas sub-técnicas da SLS, conforme o material que se pretende sinterizar. Essas técnicas são: sinterização selectiva a laser de metais (SLSm), sinterização directa a laser de metais (DMLS) e sinterização selectiva a laser de plásticos (SLSp).

Para além de tudo isto, é feita uma breve descrição do tipo de custos que esta técnica acarreta, as diversas aplicações, bem como algumas vantagens e inconvenientes inerentes ao processo e peça obtida.

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Índice

1. Introdução .................................................................................................................................... - 1 -

2. Prototipagem rápida de sinterização selectiva por laser .............................................................. - 2 -

2.1. Descrição do seu funcionamento ................................................................................. - 2 -

3. Máquina de SLS .......................................................................................................................... - 3 -

4. Factores que influenciam a sinterização selectiva a laser ............................................................ - 4 -

5. Defeitos decorrentes da técnica de SLS e características do protótipo ....................................... - 4 -

6. Materiais ...................................................................................................................................... - 6 -

6.1. SLSm - Sinterização Selectiva Laser de metais .......................................................... - 6 -

6.2. DMLS - Sinterização Directa por Laser de Metais ..................................................... - 7 -

6.3. SLSp - Sinterização Selectiva Laser de plásticos ........................................................ - 8 -

7. Custos de equipamento e processo da SLS ................................................................................. - 8 -

8. Aplicações ................................................................................................................................... - 9 -

9. Vantagens e Desvantagens da SLS.............................................................................................. - 9 -

10. Conclusão .................................................................................................................................. - 10 -

Anexo A .................................................................................................................................... - 11 -

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1. Introdução

Com a evolução da tecnologia mundial e da competitividade, surgiu a necessidade de redução nos tempos de produção, na redução de custos e na qualidade dos mesmos.

No final da década de 80 surgiram os resultados das primeiras pesquisas que procuravam desenvolver tecnologias capazes de produzir objectos directamente de um modelo tridimensional projectado num programa CAD. Essas tecnologias ficaram conhecidas como prototipagem rápida, pois fabricam objectos que visam, inicialmente, auxiliar equipas de engenharia na visualização simultânea, montagem e teste de produtos, acelerando o seu desenvolvimento. Generalizando, todo o processo de manufactura que proporcione a fabricação de objectos 3D, a partir de um modelo CAD, com auxílio de um sistema CAM, em curto espaço de tempo (incluindo o tempo de programação CAM), pode ser considerado um processo de prototipagem rápida.

Desde a sua implementação no mercado, em 1987, a prototipagem rápida tem sofrido diversos avanços tecnológicos. Esses avanços verificam-se em maior escala no uso de diferentes materiais e na qualidade de precisão dimensional. De uma forma geral, pode dizer-se que se está em presença de prototipagem rápida quando: o processo assenta-se em CAD 3D; o protótipo é criado quase automaticamente, ficando concluído no espaço de algumas horas ou dias e é produzido por adição de camadas de material; o processo dispensa a utilização de operários especializados sendo praticamente ilimitado em termos de capacidade de geração de formas.

Relativamente às tecnologias de manufactura convencionais, a RP, não necessita do uso de ferramentas para o fabrico de peças, funcionando de forma simples, através da adição de material em camadas sucessivas.

A execução de protótipos durante a fase de desenvolvimento de produto, no contexto actual, permite identificar anomalias de projecto ou menor adequabilidade do produto face a exigências do mercado que, se detectadas a tempo, poderão ser corrigidas sem acréscimos significativos nos custos das ferramentas de produção definitivas. As tecnologias de prototipagem rápida podem solucionar facilmente e num curto espaço de tempo tal problema. Cada tecnologia é capaz de trabalhar um reduzido número de materiais, por vezes apenas um, e possui vantagens e limitações quando comparada com as restantes. Neste contexto, algumas técnicas a laser se destacam: Estereolitografia (SLA ou SL), Sinterização Selectiva a Laser (SLS), Manufactura de Objectos por Camada (LOM) e Sinterização Directa de Metais a Laser (DMLS).

Todas estas técnicas de RP seguem um formato semelhante. A partir de um desenho em CAD 3D, este é traduzido em ficheiros STL, no qual todas as superfícies do modelo são convertidas em triângulos. Este ficheiro ao ser introduzido numa máquina de RP, é convertido em SLI, que basicamente divide a peça em muitas camadas de construção, sendo que a obtenção do protótipo é feita a partir daí.

Do tema deste trabalho, a sinterização selectiva a laser (SLS), que foi implementada em 1982 pela DTM no mundo da produção, é uma sub-técnica de RP. Basicamente o processo utiliza pós que ao serem varridos por um feixe de laser, é lhes permitido ligarem-se entre si. É feito em várias camadas, até que a peça esteja completa.

O objectivo deste trabalho é demonstrar as diversas características desta técnica, bem como o seu funcionamento, materiais utilizados, aplicações, entre outros.

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2. Prototipagem rápida de sinterização selectiva por laser

A sinterização selectiva a laser (SLS) é uma tecnologia de prototipagem rápida e foi desenvolvida e patenteada por Dr. Carl. Deckard da universidade de Texas nos anos 80. Desenvolveu esta técnica e apresentou a sua tese em 1986, sobre este mesmo tema, o que atraiu a atenção de Paul McClure, acabando ambos por iniciar este negócio com a fundação da empresa DMT Corporation

(“Desktop Manufacturing“). A comercialização desta técnica teve início (pela DTM) em 1992, nos E.U.A., e pela E.O.S., na Alemanha, desde 1994. É a terceira técnica de prototipagem rápida mais utilizada na Europa e nos E.U.A., logo a seguir à SL e ao FDM. Importa salientar a definição de sinterização. É um processo no qual pós com preparação cristalina ou não, uma vez compactados, recebem tratamento térmico, em que a temperatura de processamento é sempre menor que a sua temperatura de fusão. Este processo cria uma alteração na estrutura microscópica do elemento base. O seu objectivo final é obter uma peça sólida coerente.

Esta tecnologia está assente na fusão de materiais em pequenas partículas através de uma fonte de calor fornecida por um feixe de laser. São utilizados pós muito finos de diversos materiais, tais como, plásticos, compósitos de matriz polimérica, metais revestidos a termoplástico ou ligas metálicas, os quais são ligados entre si por varrimento de um feixe de laser.

Os outros processos da prototipagem rápida geralmente englobam altas temperaturas e tempos de paragens, fases em que o material arrefece, elevados. No caso do processo SLS isto é diferente. Devido a utilização de um laser tal pode ser visto como um processo de soldadura. A fácil alteração do foco do laser permite restringir o trabalho realizado para uma área muito pequena. Consegue-se assim um tratamento rápido e preciso de áreas predefinidas.

Deve ser salientada a existência de duas abordagens distintas na SLS: a indirecta e a directa. Na directa o material é sinterizado pela acção directa do laser e a indirecta ocorre quando um material ligante é utilizado para dar forma ao objecto fabricado, que posteriormente será sinterizado num forno. A SLS indirecta apenas se usa para metais e cerâmicos.

2.1. Descrição do seu funcionamento

A sinterização selectiva a laser assenta num conjunto de etapas que importa referir: 1. O modelo 3D, em CAD, da peça é decomposto em camadas elementares de duas dimensões,

através de um programa. Cada camada corresponde a um corte transversal de espessura variável (entre 76um e 508um) da peça a ser sinterizada. A espessura de cada camada vai influenciar a precisão, o acabamento superficial e o tempo de fabrico.

2. Como etapas de pré-processo, é feita a eliminação de todo oxigénio do local de fabrico do protótipo, e nele é introduzido azoto, de forma a evitar a oxidação do material no momento da fusão, já que o azoto, como é um gás inerte, apresenta pouca afinidade para qualquer outro elemento. É adicionado calor mas até uma temperatura ligeiramente inferior à temperatura de fusão do material de construção. Este pré-aquecimento do pó é útil devido à enorme diferença de temperaturas que se desenvolveriam entre as zonas quentes e frias do pó, que teriam propensão a deformar a peça. A energia necessária para a fundição também seria menor.

3. O processo inicia-se com a deposição de camadas de pó num reservatório colocado numa plataforma, sendo que o pó é nivelado por um rolo (Ponto 1 da Figura 1). Em cada uma dessas camadas é incidido um feixe de laser, que é direccionado por um scanner de espelhos galvanómetricos (sistema de varredura), fazendo com que o pó seja sinterizado e justaposto à camada anteriormente feita (Ponto 2 da Figura 1).

4. As peças são construídas sobre uma plataforma a qual está imediatamente abaixo da superfície de um recipiente preenchido com o pó fusível por calor (Ponto 3 da Figura 1). O raio laser traça a primeira camada, sinterizando a matéria. Em seguida a plataforma desce (Ponto 4 da Figura 1), o pó é espalhado novamente e o raio laser traça a segunda camada (Ponto 6 da Figura 1). O processo continua até que a peça esteja terminada. O pó em excesso (Ponto 5 da Figura 1) ajuda a dar suporte ao componente durante sua construção.

5. O feixe de laser, que é regulado em intensidade, e que tem uma densidade energética enorme, é focado na superfície do pó e movimentado verticalmente segundo os eixos X e Y, desenhando assim na superfície o perfil geométrico 2D da camada, previamente definido pelo programa.

6. Finalmente a plataforma do reservatório de alimentação eleva-se e a peça final é retirada.

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Figura 1 - Esquema de funcionamento do SLS [1][2]

De forma a evitar o máximo de deformações da peça obtida, são realizadas algumas etapas de pós-tratamento, tais como:

1. Depois da etapa de sinterização, a peça é deixada dentro do volume de pó não sinterizado, sendo o conjunto transferido para uma prateleira, onde irá arrefecer durante várias horas (Ponto 1 da Figura A 1, em anexo). A quantidade de pó que fica por cima da peça tem que ter uma acção eficaz de isolamento, de forma a evitar distorções e deformações na peça, originárias a partir de um gradiente grande de temperaturas por causa do arrefecimento.

2. Com a peça arrefecida, o excedente de pó é retirado com o auxílio de diversos tipos de escovas (Ponto 2 da Figura A 1, em anexo). Devido ao facto do pó ter propensão 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 (Ponto 3 da Figura A 1, em anexo).

3. As peças podem ser injectadas com epoxy, com o objectivo de aumentar as suas propriedades mecânicas, suprimir as porosidades e, melhorar ligeiramente o acabamento superficial.

4. Como última etapa, é realizada uma operação manual de polimento (Ponto 4 da Figura A 1, em anexo) para 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.

3. Máquina de SLS

Os sistemas de sinterização selectiva constituem basicamente as seguintes partes: • Um laser de CO2, com sistema óptico e espelhos robóticos; • Uma plataforma, que se movimenta verticalmente ao longo do eixo Z; • Um subsistema de alimentação, que armazena o pó e o distribui uniformemente sobre a

plataforma. Existem, actualmente, dois sistemas de sinterização disponíveis: o DTM, americano, e o EOS,

antigo sistema alemão, hoje incorporado pela 3D System. A máquina Sinterstation 2500 Plus, da DTM, aceita qualquer material, como elastómeros, cerâmicos, termoplásticos, compósitos e metais. O Sistema EOS (Figura 2) é selectivo, ou seja, necessita de uma máquina especial para cada tipo de material.

Figura 2 - Máquina SLS da EOS

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4. Factores que influenciam a sinterização selectiva a laser

Os parâmetros mais importantes são a potência do laser, a velocidade a que o laser se desloca e o espaçamento entre o passo do feixe de laser. A potência necessária varia com o tipo de material que é utilizado (50kW para polímeros, 200 a 1000 kW para metais). Geralmente existem dois tipos de laser usados nos sistemas SLS: CO2 e Nd: YAG. A potência do laser indispensável para sinterizar um pó varia consideravelmente com o material que está a ser processado. Além disso, outros factores como densidade da potência do laser e o tamanho do comprimento de onda influenciam na eficiência da sinterização. Por isso, o laser de Nd:YAG, que possui um comprimento de onda de 1,06µm, é recomendado para a sinterização de metais e cerâmicos. Para o laser do tipo CO2, que apresenta um maior comprimento de onda (10,6µm), a aplicação é mais eficaz para polímeros.

Uma velocidade de deslocamento lenta aumenta a penetração do laser e garante uma boa aderência da camada actual para a camada anterior mas no caso de um deslocamento muito lento e uma potência muito alta tem-se o perigo de destruir a geometria das camadas. Uma velocidade de deslocamento muito rápida pode causar uma ligação entre camadas fraca ou até nula. É necessária ocorrer uma optimização entre estes dois parâmetros.

Como o meio de construção é sólido, isto é, pulverulento, o processo não necessita que o software do equipamento defina estruturas suportes das zonas das peças em balanço. Este facto permite um tempo de fabricação mais curto do que o correspondente à SL. Tal como na estereolitografia, se o modelo CAD 3D da peça não estiver completamente fechado, o sistema de construção não arranca, ou se arrancar, parte da peça fica separada da peça principal [3].

O espaçamento entre cada passo do feixe do laser influência a união entre o material. A correcta sobreposição das passadas auxilia na fusão do material propiciando uma união mais homogénea.

Figura 3 - Influência do espaçamento entre cada passagem na união do material [5]

Em 1 (Figura 3), vista perpendicular às camadas, notam-se as passadas, no qual se verifica um determinado comprimento de camadas sobreposto, que são influenciadas pelo diâmetro da região focal do laser. Relativamente à imagem designada por 2 (Figura 3), vista paralela às camadas, encontra-se ilustrada a penetração do laser.

5. Defeitos decorrentes da técnica de SLS e características do protótipo

Como todas as técnicas de prototipagem rápida, ocorrem defeitos no material, devido a diversas razões, e que influenciam a qualidade da peça. No final do processo os modelos ficam porosos e com alguma rugosidade superficial, o que para além de levantar problemas de acabamentos, exige impregnações com resinas ou tintas para garantir impermeabilidade e baixa rugosidade dos componentes. Quando se deseja usar o modelo obtido por SLS, para reproduções com moldes de silicone, é fundamental impermeabilizar o modelo para garantir a desmoldagem do silicone e obter um bom acabamento.

Devido às diferentes espessuras das várias passagens surge o chamado”efeito de escada”. Com a variação do efeito de escada é possível obter modelos mais ou menos precisos. Na Figura 4, pode-se verificar a diferença entre o modelo 3D computacional e a peça obtida pelo processo. Como a peça é

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feita pela sobreposição de várias camadas é natural a ocorrência deste efeito. Quanto maior for a espessura de cada camada, menor será a precisão dimensional e maiores serão as tensões residuais.

Figura 4 - "Efeito de escada"

Para além disto, as tensões residuais podem ser maiores, se no arrefecimento da peça, a diferença de temperatura for atingida de forma rápida, criando tensões de componente térmica.

O “efeito escada” pode originar falta de material ou excesso do mesmo. Na Figura 5, verifica-se a ocorrência de uma inversão de forma imposta pela própria geometria da peça, ou seja, existe uma linha de partição que separa essa inversão geométrica. Na forma invertida, as camadas sobrepostas excedem a forma da peça que é feita em CAD 3D, sendo necessário lixar essa zona para diminuir a rugosidade superficial da peça. Na zona direita, ocorre o inverso, ou seja, ocorrem espaços por preencher com material. Estas são algumas das imperfeições de forma ocorridas neste processo.

Figura 5 - Defeitos de forma

O processo em si também apresenta diversos defeitos: • A câmara de trabalho tem que ser mantida a uma temperatura próxima do ponto de fusão do

material e estável. • Os períodos de aquecimento são longos; • As suas propriedades de absorção do material, define qual a rapidez com que o processo pode

ser efectuado; • As partículas próximas às que são sinterizadas totalmente sofrem uma sinterização parcial e

aderem à superfície da peça. Sabendo todos os defeitos que cada processo acarreta nas propriedades finais de cada protótipo,

é possível então, fazerem-se comparações entre todas as técnicas de prototipagem rápida. A Tabela 1,

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resume a qualidade das várias propriedades que se podem obter numa peça, utilizando diferentes processos de RP.

Tabela 1 - Propriedades do protótipo conforme a técnica usada

SLA SLS LOM 3D Print FDM Variedade de materiais Pequena Grande Pequena Média Média

Translucidez Sim Não Não Não Sim Qualidade superficial Regular Boa Regular Boa Regular

Pós-acabamento superficial Regular Boa Baixa Boa Regular Precisão Excelente Boa Baixa Boa Regular

Resistência ao impacto – simulando polímeros

Regular Boa Baixa Baixa Boa

Resistência à flexão – simulando polímeros

Baixa Excelente Baixa Baixa Excelente

Pós-processo Sim Sim Sim Sim Sim Pós-cura Sim Não Não Não Não

6. Materiais

A escolha de material precisa de ser avaliada em função das necessidades dos protótipos, da quantidade de protótipos a realizar, a sua função, a sua geometria, a precisão e o acabamento superficial requerido. Os principais materiais utilizados na tecnologia SLS encontram-se em anexo na Tabela A 1.

6.1. SLSm - Sinterização Selectiva Laser de metais

Este processo utiliza a sinterização selectiva por laser da DTM para a produção de peças metálicas, ou seja, obtenção de peças metálicas ou cavidades moldantes pelo processo SLS, podendo construir modelos utilizando pós metálicos revestidos com termoplásticos. Inicialmente, quando surgiu o processo SLS, este apenas permitia a realização de protótipos em resina, que por não possuírem elevada resistência mecânica a temperaturas elevadas, não possibilitavam a sua utilização como ferramentas de produção de produção a temperatura da ordem dos 200ºC.

A tecnologia SLSm permite a criação de uma ferramenta tridimensional a partir de um ficheiro CAD, construindo o modelo físico através de um processo aditivo de consolidação (sinterização) de aço inox em pó (LaserForm ST100) – Rapid Tooling. Existem apenas dois tipos de máquinas disponíveis mundialmente, uma Americana (DTM) e outra Alemã (EOS). Na máquina Americana utiliza-se como ligante dos pós metálicos um material polimérico que pode posteriormente vir a ser substituído por um metal de mais baixo ponto de fusão; na máquina Alemã a acção do ligante é assegurada por um outro pó metálico de mais baixo ponto de fusão, pelo que os protótipos fabricados por esta tecnologia têm, à partida, uma estrutura 100% metálica.

Partindo de um ficheiro CAD-3D, em formato STL, este é virtualmente seccionado transversalmente em camadas através de software próprio da máquina, podendo cada camada variar entre 0.05 e 0.50 mm de espessura. O material em pó é consolidado no interior da câmara de processamento, em ambiente inerte e termicamente controlado, por sinterização de um ligante misturado com o pó metálico, através do varrimento de um feixe de laser de CO2 em cada camada de pó, solidificando apenas as áreas correspondentes ao perfil do corte transversal efectuado previamente, deixando o pó remanescente intacto. A adição repetida de camadas de pó intercaladas com a passagem do laser sobre a área de construção, resulta na obtenção de um modelo tridimensional sólido em poliamida, envolto por um volume de pó solto.

Para a fabricação rápida de ferramentas, a DTM usa pó metálico com revestimento polimérico que permite ligar entre si as partículas metálicas no equipamento tradicional da DTM, ou seja, utilizando laser com potência da ordem dos 25W. Durante a sinterização por laser, o plástico funde e ao solidificar serve de ligante, formando em conjunto com o pó metálico, cada camada de construção. Esta é a principal diferença em relação ao processo DMSL.

Após o arrefecimento, os modelos são retirados do pó envolvente e limpos. Os modelos são então preparados para serem submetidos a um ciclo térmico, onde se irá promover a carbonização

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completa do ligante polimérico e infiltração posterior do modelo, com uma liga de bronze fundida. Os modelos assim obtidos serão constituídos por uma liga 60-40 de aço inox e bronze.

A nível de acabamentos, os protótipos podem ser polidos, rectificados ou maquinados, de forma a satisfazer os requisitos pretendidos em termos de rigor dimensional e rugosidade superficial.

Devido às propriedades intrínsecas do material utilizado (aço inox/bronze), os protótipos assim obtidos são indicados para a produção de insertos moldantes para pequenas séries ou de peças cuja complexidade geométrica/exigências de refrigeração sejam tais que, por processos de maquinação convencional, a produção da ferramenta se torne excessivamente complexa e dispendiosa, satisfazendo prazos extremamente apertados de resposta.

6.2. DMLS - Sinterização Directa por Laser de Metais

O processo DMLS - Direct Metal Laser Sintering (Sinterização Directa por Laser de Metais) foi desenvolvido com o objectivo de fabrico directo de componentes de geometria complexa para ferramentas de produção. O processo de sinterização directa por laser de metais da EOS, permite a obtenção directa de peças e ferramentas funcionais metálicas. Um laser de elevada potência (250W em lugar dos 25 W do SLS) fornece a energia necessária para o estabelecimento de ligações metálicas entre os pós metálico, eliminando a necessidade de revestidos com um polímero (na SLSm são usados os revestimento poliméricos). Na Figura 6, esquematiza-se o processo de funcionamento da DMLS.

Figura 6 - Esquema de funcionamento da DMLS

O DMLS é uma tecnologia que funciona através da sinterização de uma pequena camada de pó de metal camada a camada, desde o fundo até à construção completa da peça. A peça é construída camada a camada, ficando envolta no pó solto, dispensando o uso de suportes, com excepção do suporte de fixação da peça à placa de construção. Esta placa está fixa num cilindro de construção, que desce sempre que se completa uma camada. O pó é alimentado por um cilindro alimentador e distribuído por um raspador [3]. Posteriormente, o laser ilumina a secção a sinterizar, dando forma à peça metálica. O processo começa por sinterizar a “primeira camada” de 20µm de pó em cima de uma plataforma de aço. A plataforma é então descida, aproximadamente 20 µm, e uma nova camada de pó é dispersa por cima da camada previamente sinterizada, sendo esta nova camada sinterizada em cima da já construída. Um potente laser de fibra-Yb com 200W é controlado com exactidão segundo as coordenadas X e Y permitindo obter tolerâncias excepcionais. A tecnologia mais recente ganha vantagem com a utilização de laser em dois locais permitindo construir peças com tamanhos tão pequenos como 0.203mm. Utilizando uma máquina com zona de trabalho de 250 x 250 x 215mm, é possível construir muitas pequenas e médias peças em horas ou dias em comparação a dias ou semanas que demoram os processos tradicionais. Normalmente as peças que saem da máquina ainda são submetidas a algumas etapas para conclusão das mesmas, como remoção do suporte, endurecimento, polimento, entre outras.

Depois de finalizado o processo de DMLS as peças podem ser entregues como estão ou ainda submetidas a acabamento, e dependendo do material da peça, existem diversas formas de acabamento:

• Shot-peening - trata-se de um processo realizado a frio utilizado para conferir uma camada de tensões residuais de compressão e modificar as propriedades dos metais. São disparadas pequenas esferas (metálicas ou cerâmicas) contra a superfície do material criando, com o impacto, pequenas

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deformações, de modo a ser obtido com isto um endurecimento superficial da peça. Também pode ser utilizado como efeito cosmético na peça uma vez que remove menos quantidade de material do que um processo abrasivo, conseguindo deste modo um melhor acabamento superficial.

• Polimento do metal – é o processo de alisamento de metais e ligas, e de polimento até se alcançar brilho para um acabamento semelhante a um espelho. Isto melhora a aparência das peças como também ajuda na prevenção à corrosão, principalmente em peças utilizadas na indústria automóvel e aeronáutica. Instrumentos médicos podem também ser altamente polidos de modo a manter condições de higiene e prevenir a contaminação nos metais. As peças passam por uma série de abrasivos de modo a retirar riscos, pequenas fissuras e pequenos defeitos na superfície das mesmas, posteriormente utilizam-se ceras e lubrificantes para obter o aspecto final. No final do processo temos uma peça com um aspecto superficial semelhante a um espelho.

O material mais utilizado no processo DMSL é um bronze de níquel. Além desses tem-se: Aço inoxidável (EOS SS 17-4), Cobalto Crómio (EOS CC MP1), Bronze (Direct Metal EOS DM20).

6.3. SLSp - Sinterização Selectiva Laser de plásticos

A tecnologia SLSp permite a criação de um objecto tridimensional a partir de um ficheiro CAD, construindo o modelo físico através de um processo aditivo de consolidação (sinterização) de poliamida em pó (DuraForm Poliamide V3.3).

Partindo de um ficheiro CAD-3D, em formato STL, este é virtualmente seccionado transversalmente em camadas, através do próprio software da máquina, podendo cada camada variar entre 0.07 e 0.25 mm de espessura. O material em pó é consolidado por sinterização no interior da câmara de processamento, em ambiente inerte e termicamente controlado, através do varrimento de um feixe de laser de CO2. Este varrimento promove a solidificação das áreas correspondentes ao corte transversal da geometria a construir, em cada uma das secções efectuadas previamente pelo software. A sucessiva acumulação de camadas de pó, contendo cada uma, uma secção da peça solidificada, resulta num modelo tridimensional sólido em poliamida, envolto por um volume de pó solto (não processado pelo laser). Visto toda a área de construção ser coberta por pó, não existe a necessidade de construir suportes nos modelos (cama) nesta tecnologia.

Relativamente a acabamentos, os protótipos podem ser pintados, impermeabilizados e colados. Antes da pintura da cor desejada é colocado um primário para eliminar a porosidade e irregularidades superficiais, conferindo aos modelos um aspecto limpo e suave. Em situações em que o tamanho do modelo excede a área útil de construção da máquina, o modelo virtual em CAD será previamente “cortado” em partes. Estas por sua vez, serão processadas separadamente, sendo posteriormente coladas de forma a criar a geometria completa pretendida.

Devido às propriedades intrínsecas do material utilizado (poliamida), os protótipos assim obtidos possuem excelente resistência mecânica e flexibilidade, sendo apropriados para modelos funcionais. Devido às grandes dimensões da câmara de processamento e à possibilidade de ajuste da espessura de camada, modelos de grandes dimensões são mais adequados a esta tecnologia, sob o ponto de vista custo/prazo de resposta.

7. Custos de equipamento e processo da SLS

Embora as vantagens da prototipagem rápida sejam notórias existe um variável muito importante a ter em conta quando se pretende obter um equipamento deste tipo, o seu custo. De facto só o factor custo pode fazer com que a utilização de um equipamento RP não passe apenas de uma ideia. Para além do custo dos equipamentos, é necessário quantificar os custos de manutenção, gasto de energia, preparação para funcionamento, material, entre outros.

Relativamente ao custo dos equipamentos (entre os 75 e 300 mil euros), e fazendo uma analogia com as outras técnicas, a SLS é a mais cara. No anexo A (Figura A 2), encontra-se, de forma decrescente, o custo dos equipamentos para todos os tipos de RP. Este custo, pode chegar facilmente à parcela dos milhões, sendo que os custos de operação, manutenção, em poucos anos chegam ao mesmo valor de aquisição. Com a importância destes equipamentos a manutenção preventiva é a mais aconselhada, mas acarreta um custo fixo. Por regra os custos da manutenção anuais chegam a cerca de 10% do valor de aquisição do equipamento.

O material também é crítico nos custos. Desperdícios desnecessários podem ser muito prejudiciais. Normalmente a percentagem da influência do material no custo do protótipo encontra-se entre 20% e 30%. Também a mão-de-obra tem uma importância significativa, não só pelas despesas de salário mas também pelas despesas que pode significar no manuseamento do equipamento. Um

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técnico experiente é capaz de operar vários equipamentos ao mesmo tempo. A experiencia é muito importante uma vez que quanto menos erros forem cometidos menos material será desperdiçado e menos sucata será produzida. Em média, o tempo de amortização de investimento é de 4 e 5 anos.

8. Aplicações

A importância desta técnica tem aumentado nos últimos anos. Apresenta diversas aplicações, tais como:

• Modelos para verificação das características do material; • Modelos de matrizes; • Peças com charneiras móveis ou com ligações; • Modelos para verificação do seu aspecto visual e estético.

Mais especificamente: • Aplicações em ferramentaria; • Instrumentos ortopédicos; • Joalharia; • Medicina Dentária; • Aplicações em F1 e aeroespacial.

9. Vantagens e Desvantagens da SLS

Importa salientar os diversos benefícios e inconvenientes desta técnica. Como vantagens, salienta-se:

• Um dos melhores processos para obter protótipos funcionais em materiais termoplásticos, só superável pelo FDM;

• Resistências mecânica e térmica dos modelos elevadas, sendo cerca de 60 a 70% das dos materiais equivalentes injectados;

• Precisão dimensional e geométrica dos modelos de ±0.1mm nos eixos xx e yy e de ±0.125mm no eixo dos zz;

• Rapidez de execução das peças, comparativamente com o SL e FDM; • Boa definição de pormenor permitindo peças com pequenos detalhes ±0.4mm; • Não necessita de pós-cura quando se usam termoplástico; • Possibilidade de produção de peças de grande porte utilizando técnicas de colagem; • Facilidade na obtenção de bons acabamentos superficiais por meio de polimento com

lixa; • Grande variedade de oferta em termos de materiais e técnicas complementares.

Relativamente a algumas desvantagens, realçam-se as seguintes: • Modelos com superfícies rugosas; • Modelos sem densidade máxima, pois têm sempre porosidade, ou seja, dificuldade em

construção de peças maciças; • Precisão dimensional abaixo do SL e do LOM; • Duração do arrefecimento na máquina bastante longo; • Dificuldade em controlar a tendência para empeno das peças de maiores dimensões com

reduzida espessura; • Impossibilidade de produzir modelos translúcidos; • Elevado custo de matérias – primas.

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10. Conclusão

A prototipagem rápida no desenvolvimento de um projecto pode ocorrer de uma forma mais veloz devido não só ao facto que os processos em si são mais rápidos mas também porque podem ser efectuados partindo directamente dos desenhos em 3D obtidos por um software CAD. Todos os processos estudados têm o conveniente que quando se trata de uma produção de pequenas series são mais económicos que os processos clássicos, como a maquinagem e o torneamento. Na maioria das vezes ainda é possível produzir peças com uma complexidade maior. A desvantagem da PR é o limite das dimensões que as peças podem obter.

Em relação ao processo SLS destaca-se que os factores mais importantes são a potência do laser e a velocidade de movimento do laser.

Enquanto a potência necessária depende do material que vai ser fabricado é necessário estipular a velocidade de movimento do laser ideal. Uma velocidade demasiada grande vai resultar numa má ligação entre as diversas camadas enquanto uma velocidade muito pequena pode causar uma penetração elevada solidificando pó que não devia acontecer.

A utilização de diferentes materiais é uma enorme vantagem pois permite obter peças com diferentes capacidades/características que apenas um tipo de material não conseguiria ter. Tudo isto, torna a técnica ainda mais competitiva.

Com uma análise não muito profunda facilmente e percebe que a prototipagem rápida apresenta muitas vantagens, mas que a aquisição deste tipo de tecnologia pode não estar ao alcance de todos, pois embora possam existir meios para adquirir os equipamentos, poderão haver limitações no que diz respeito as instalações, mão-de-obra e capacidade de suportar as despesas de funcionamento do equipamento.

Para o processo SLS prevê-se um desenvolvimento em diversas direcções. A velocidade de produção e a sua qualidade devido ao progresso no âmbito da tecnologia com lasers vai aumentar. Da mesma forma ocorrerá um aumento na gama de materiais que podem ser processados, entre os quais nos cerâmicos. Estes factores vão beneficiar os aspectos económicos logo pode-se prever um aumento no seu uso na indústria.

Em suma, a tecnologia SLS é uma ferramenta que possibilita o desenvolvimento de produtos, tendo como maior vantagem o ganho de tempo que pode ser empregue tanto na optimização do produto, como na redução do tempo de lançamento. O uso do protótipo rápido possibilita uma avaliação integral do produto, permite que seja feita uma avaliação a nível de materiais, desempenho, visual e estético, o que é determinante para a realização de um projecto final. Através da análise qualitativa entre alguns processos pode concluir-se que a tecnologia SLS é uma tecnologia com um desempenho médio.

Bibliografia

Alves, Fernando; Braga, Fernando; Simão, Manuel; Lemos Neto, Rui; Duarte, Teresa, “Prototipagem rápida”, Edições Proto Click, 2001

Webgrafia

www.centimfe.com/centimfe/pt/Areas/DesenvolvimentoTec/DTProtoRapida/

www.custompartnet.com

www.cimject.ufsc.br

Referências

[1] www.custompartnet.com

[2] http://en.wikipedia.org/wiki/File:Selective_laser_melting_system_schematic.jpg

[3] Alves, Fernando; Braga, Fernando; Simão, Manuel; Lemos Neto, Rui; Duarte, Teresa, “Prototipagem rápida”, Edições Proto Click, 2001.

[4] www.centimfe.com

[5] www.cimject.ufsc.br

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Anexo A (Imagens e tabelas)

Figura A 1 - Etapas de pós-tratamento na técnica SLS [4]

Figura A 2 - Custo dos equipamentos de RP

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Tabela A 1 - Pós actualmente comercializados para os sistemas de sinterização à laser