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1 Tecnologia de fabricação rápida de protótipos e moldes para injeção (Rapid prototyping & Tooling) dentro da filosofia de empresas virtuais. Prof. Aureo C. Ferreira, Ph.D. – UFSC / GRUCON / CIMJECT PAT Dr a . Alexandra P. Klen – UFSC / GRUCON / G-SIGMA Dr. Ricardo José Rabelo – UFSC / GRUCON / G-SIGMA 1. INTRODUÇÃO A flexibilidade, a qualidade e a capacidade inovadora têm sido as grandes referências competitivas orientadoras das atividades empresariais nas últimas décadas. Esta competitividade traduz-se hoje em conquistar o cliente através do menor custo, de uma maior qualidade e de um menor prazo de entrega de um produto. Soma-se a isto o fato de que, devido ao consequente aumento no nível de exigência dos consumidores e das questões ambientais, as empresas são forçadas a lançarem, muito rapidamente, novos produtos em uma proporção sem precedentes na história industrial. A constatação desta realidade, por parte das empresas, tem exigido destas uma procura voraz pela redução dos tempos e custos de produção. Em outras palavras, toda a estrutura produtiva da empresa passa a ter que - constantemente - adaptar-se ao pedido de um cliente exigindo, assim, uma manufatura ágil [10, 11]. Esta adaptação reflete uma alteração na filosofia de manufatura de uma empresa, outrora funcional e agora orientada por "processos de negócios" (Business processes), outrora em regime de economia de escala e agora de economia por "nichos de mercado" (economy of scope). Do ponto de vista da estrutura de produção envolvida, toda essa nova realidade tem provocado uma busca incessante pelo aperfeiçoamento da eficiência e maior racionalização em todas as etapas da produção. Com a crescente globalização e verticalização das empresas, a subcontratação (ou terceirização) de serviços tornou-se uma prática corrente. Como regra geral, uma empresa produz internamente os componentes fundamentais dos seus produtos, passando os componentes secundários a terceiros, que passam assim a funcionar como fornecedores, não apenas de matérias-primas, mas também de sub-componentes prontos. Na verdade, já se vem trabalhando com um cenário um pouco mais avançado [13]. Neste, a empresa é vista como responsável unicamente pela definição da estratégia e logística, bem como de outros elementos tais como : projeto, macro-gerenciamento da produção, venda e assistência pós- venda. Ou seja, toda (ou grande parte) da produção é deixada à rede de fornecedores (supply chain). Em suma, a empresa estende as suas fornteiras até os seus fornecedores. Surge, assim, o conceito de "empresa estendida" ou "empresa virtual" [12], uma rede cooperante de empresas autônomas que, interligadas via rede de comunicações, acrescentam um valor à cadeia de produção de um dado produto. 2. O CONTEXTO DA INDÚSTRIA NACIONAL DE INJEÇÃO No contexto da indústria nacional de injeção de produtos de plástico, esta tendência de formação de rede de empresas, aliada às exigências impostas por um mercado cada vez mais competitivo, passaram a obrigar as empresas deste setor, a reverem os métodos usados para o projeto e a fabricação dos moldes, um dos principais gargalos no processo de desenvolvimento de peças injetadas, introduzindo (principalmente) tecnologias auxiliadas por

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Tecnologia de fabricação rápida de protótipos e moldes parainjeção (Rapid prototyping & Tooling) dentro da filosofia deempresas virtuais.

Prof. Aureo C. Ferreira, Ph.D. – UFSC / GRUCON / CIMJECT PATDra. Alexandra P. Klen – UFSC / GRUCON / G-SIGMADr. Ricardo José Rabelo – UFSC / GRUCON / G-SIGMA

1. INTRODUÇÃOA flexibilidade, a qualidade e a capacidade inovadora têm sido as grandes referências

competitivas orientadoras das atividades empresariais nas últimas décadas. Estacompetitividade traduz-se hoje em conquistar o cliente através do menor custo, de uma maiorqualidade e de um menor prazo de entrega de um produto. Soma-se a isto o fato de que,devido ao consequente aumento no nível de exigência dos consumidores e das questõesambientais, as empresas são forçadas a lançarem, muito rapidamente, novos produtos em umaproporção sem precedentes na história industrial. A constatação desta realidade, por parte dasempresas, tem exigido destas uma procura voraz pela redução dos tempos e custos deprodução. Em outras palavras, toda a estrutura produtiva da empresa passa a ter que -constantemente - adaptar-se ao pedido de um cliente exigindo, assim, uma manufatura ágil[10, 11]. Esta adaptação reflete uma alteração na filosofia de manufatura de uma empresa,outrora funcional e agora orientada por "processos de negócios" (Business processes), outroraem regime de economia de escala e agora de economia por "nichos de mercado" (economy ofscope). Do ponto de vista da estrutura de produção envolvida, toda essa nova realidade temprovocado uma busca incessante pelo aperfeiçoamento da eficiência e maior racionalizaçãoem todas as etapas da produção.

Com a crescente globalização e verticalização das empresas, a subcontratação (outerceirização) de serviços tornou-se uma prática corrente. Como regra geral, uma empresaproduz internamente os componentes fundamentais dos seus produtos, passando oscomponentes secundários a terceiros, que passam assim a funcionar como fornecedores, nãoapenas de matérias-primas, mas também de sub-componentes prontos. Na verdade, já se vemtrabalhando com um cenário um pouco mais avançado [13]. Neste, a empresa é vista comoresponsável unicamente pela definição da estratégia e logística, bem como de outroselementos tais como : projeto, macro-gerenciamento da produção, venda e assistência pós-venda. Ou seja, toda (ou grande parte) da produção é deixada à rede de fornecedores (supplychain). Em suma, a empresa estende as suas fornteiras até os seus fornecedores. Surge, assim,o conceito de "empresa estendida" ou "empresa virtual" [12], uma rede cooperante deempresas autônomas que, interligadas via rede de comunicações, acrescentam um valor àcadeia de produção de um dado produto.

2. O CONTEXTO DA INDÚSTRIA NACIONAL DE INJEÇÃO

No contexto da indústria nacional de injeção de produtos de plástico, esta tendência deformação de rede de empresas, aliada às exigências impostas por um mercado cada vez maiscompetitivo, passaram a obrigar as empresas deste setor, a reverem os métodos usados para oprojeto e a fabricação dos moldes, um dos principais gargalos no processo dedesenvolvimento de peças injetadas, introduzindo (principalmente) tecnologias auxiliadas por

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computador, denominadamente sistemas CAE/CAD/CAM [01]. Neste sentido, é essencial quea área de moldes, predominantemente constituída por empresas de pequeno e médio porte,encontre alternativas capazes de agilizar o processo de desenvolvimento de seus produtos,para que possa efetivamente se beneficiar com a introdução das referidas tecnologias. Assim,é fundamental que tais empresas disponham de uma estrutura organizacional integrada e ágil,sedimentada em conceitos de Engenharia Concorrente ou Simultânea, e conduzida porprofissionais altamente qualificados.

Neste sentido, a existência de um número ainda insuficiente de instituições eentidades, dedicadas à pesquisa e formação de mão-de-obra especializada (embora já ocorrauma tendência de crescimento) é, sem sombra de dúvidas, um dos fatores que contribui para adefasagem tecnológica entre os diferentes mercados internacionais [02,03]. No Brasil,pesquisas aplicadas e formação de pessoal de alto nível, direcionados às áreas de projeto efabricação de moldes, bem como prototipagem rápida e “rapid tooling”, utilizando modernastecnologias CAE/CAD/CAM, já vêm sendo realizadas no GRUCON/CIMJECT/PAT daUFSC, com apoio da FINEP e do CNPq através, respectivamente, do programa PRONEX ede Projetos Integrados de Pesquisa tais como :

• “Desenvolvimento de Produtos e Processos de Alta Tecnologia”;

• “Avaliação do Emprego de Tecnologias CAE/CAD/CAM no Projeto e na Fabricaçãode Moldes para Produtos de Plástico Injetados” ;

• “Projeto e Fabricação de Moldes , Integrados por Computador, para Produtos dePlásticos Injetados”;

• “Tecnologias de Integração, Assistidas por Computador, Aplicadas ao Processo deProjeto e Fabricação de Moldes de Injeção de Plásticos, no Âmbito de EmpresasVirtuais”

Da mesma forma, no GRUCON / G-SIGMA, estão sendo desenvolvidas pesquisasaplicadas, no âmbito dos programas ESPRIT e KIT, da Comunidade Européia, e PROTEM,do CNPq, na área de Empresas Virtuais , tais como:

• “PRODNET-II: Production Planning and Management in an Extended Enterprise”;• “MASSYVE-:Multiagent Agile Manufactuing Scheduling Systems for Virtual

Enterprises”.

No que se refere às empresas que atuam no setor de moldes, estas podem ter infra-estruturas muito variadas. Conforme já mencionado, a tendência atual caminha ao encontrodos conceitos de globalização, terceirização e empresa virtual, onde as empresas são, cadavez mais, especialistas em partes específicas do ciclo de produção, exigindo um processo deintegração e coordenação [14]. Para a elaboração do molde, por exemplo, normalmente conta-se com as seguintes equipes de trabalho :

• equipe de projeto do produto e do molde (CAD)• equipe de simulação e análise da moldagem por injeção (CAE)• equipe de prototipagem rápida (RP e RT-Rapid Tooling )• equipe de programação e usinagem CNC (CAD/CAM)• equipe de moldagem por injeção.

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Tais equipes de trabalho têm, como característica, a necessidade de trocar um grandevolume de informações entre si, podendo atuar, pelo menos, de duas formas:

a) Seguindo um esquema tradicional: Neste caso todos os profissionais envolvidos, viade regra, pertencem a uma mesma empresa, onde a troca de informações épreponderantemente realizada por telefone, fax e pessoalmente, através de contatosbilaterais ou reuniões que, muitas vezes, são precedidas de viagens, o que acabaaumentando as despesas e, o que é pior, consumindo um tempo improdutivoconsiderável, que acarreta um atraso substancial em todo o ciclo de produção.

b) Seguindo um esquema virtual : Neste caso as equipes representam, cada uma, via deregra, um dos nós da rede de empresas (Empresa Virtual), cujo paradigma estáalicerçado em uma aliança (em geral temporária) de empresas que se juntam paracompartilhar competências e recursos, com o objetivo de melhor responder àsoportunidades de negócio que surgem no mercado. Neste caso, a cooperação entre taisempresas, é suportada por uma rede de computadores, através da qual ocorre umintenso fluxo de informações [O4] (Fif. 01)

3. TECNOLOGIAS DE PROTOTIPAGEM RÁPIDA

3.1 - IntroduçãoNo decorrer do processo de desenvolvimento e/ou aperfeiçoamento de um produto, vem

crescendo cada vez mais, a nível mundial, a aceitação de modernas tecnologias deprototipagem rápida refletindo-se, não somente no volume de protótipos desenvolvidos, mastambém, no surgimento de diferentes tecnologias. Especificamente na área de plásticos, estatecnologia vem sendo considerada de grande utilidade, provavelmente em função de se poderutilizar tanto na etapa de desenvolvimento da peça quanto na de desenvolvimento e, em certoscasos, de fabricação do próprio molde (rapid tooling).

Dentre os processos mais difundidos de prototipagem rápida destacam-se os seguintes:

• Estereolitografia (SL)• Laminação de Objetos para Modelos (LOM)• Sinterização a Laser Seletivo (SLS)• Fusão e Deposição de Materiais (FDM)

O primeiro processo desenvolvido foi o de SL que, ainda hoje, é um dos maisdifundidos no mundo inteiro. Como este é o único processo disponível nos laboratóriosdo PAT (Desenvolvimento de Produtos e Processos de Alta Tecnologia do EMC daUFSC) e no qual se tem alguma experiência, será também o único a ser apresentado emmais detalhes. Maiores informações sobre os outros processos podem ser encontrados nabibliografia especializada[05].

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3.2 – Estereolitografia (SL)

Trata-se de um processo baseado na polimerização de resinas líquidasfotocuráveis, através de laser ultravioleta, desenvolvido pela empresa 3D Systems, deValência, Califórnia, EUA, que teve seu primeiro sistema comercial, testado em versãobeta, em 1988 [06] Os sistemas SL atualmente comercializados (figuras 02 e 03) são compostos,principalmente, pelos seguintes itens [07,08]

• reservatório para a resina fotocurável ou fotopolímero;• plataforma móvel (direção z ) para sustentação das peças;• um laser ultravioleta hélio-cádmio (HeCd) ou argônio-ion, como fonte de luz;• conjunto de espelhos galvanométricos, para o direcionamento do feixe de laser

(direções x e y);• microcomputador para controle do processo;• equipamento de limpeza;• estufa de pós-cura;• software específico para preparação da peça.

Figura 02: Modelo SLA 250 da empresa 3D Systems.

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O processo se inicia com a disponibilidade do modelo geométrico 3D da peça a serprototipada (arquivo CAD). Transferido para um programa no formato STL, este modeloé fatiado em finas camadas (seções retas) com espessuras que variam de 0,065mm a0,75mm. Logo após é gerado o programa NC para a execução da construção de cadacamada. O monitoramento do processo é feito pelo microcomputador de controle deprocesso e seu programa proprietário.

Figura 03: Esquema de funcionamento do princípio estereolitografia

O processo de construção se inicia com a submersão da plataforma móvel dentro doreservatório de resina fotocurável a uma profundidade igual a espessura da primeira seçãoreta a ser construída. Um feixe de laser ultravioleta (UV) incide sobre a superfície daresina, “desenhando” a seção sobre a mesma e causando a sua polimerização esolidificação. Logo após, a plataforma submerge novamente, a uma profundidadeadicional, equivalente a espessura da nova camada, repetindo o passo anterior eacrescentando uma nova camada à primeira (figura 03). O processo se repetesucessivamente até que a última camada seja construída. Cumprido estes passos, aplataforma emerge, a peça é retirada e colocada em um solvente para que o excesso deresina seja eliminado.

Neste ponto, a peça tem entre 40 e 60% da sua resistência final, pois a cura não serealiza por completo durante o processo. Para se alcançar a cura completa, a peça écolocada em uma estufa de luz ultravioleta (estufa de pós-cura), onde permanece por umprazo médio de uma a duas horas. Completada a cura, segue-se a retirada dos possíveissuportes construídos para dar sustentação às partes que formam ilhas durante o processode polimerização ou para dar maior resistência à peça . Findo estas etapas, a peça estápronta para receber acabamentos posteriores como polimento, jateamento leve de areia,pintura e outros, ficando então com as características desejadas. Por mais complexa queseja a peça sempre é possível construí-la. Um exemplo disso está representado na figura04. Trata-se do modelo da parte inferior de um crânio humano (produzido por

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estereolitografia) de uma pessoa que sofreu um grave acidente e teve que passar poralgumas cirurgias para recuperar as partes injuriadas. Para tanto os cirurgiões, utilizandoo referido modelo (produzido a partir dos dados obtidos através de uma tomografiacomputadorizada do crânio e devidamente processados para servir de entrada para amáquina de SL) puderam ensaiar previamente, todos os procedimentos cirúrgicos, quedepois foram repetidos com muito mais segurança, durante a cirurgia do paciente, quealcançou pleno êxito[09].

Figura 04: Exemplo de peça produzido pelo processo de estereolitografia.

4 – PROCESSOS PARA A OBTENÇÃO DE MÚLTIPLOS PROTÓTIPOS VIA FERRAMENTA SECUNDÁRIA.

4.1 – IntroduçãoA obtenção de Ferramentas Secundárias envolve processos que utilizam um

modelo, como ponto de partida, que pode ser um modelo eletrônico , obtido via CAD, oumesmo um modelo sólido, obtido por processos de prototipagem rápida,conforme vistoanteriormente. Em ambos os casos o objetivo é sempre produzir, o mais rapidamentepossível, as cavidades da ferramenta (molde) que permitirão a produção ( normalmentepelos processos de fundição ou injeção) de uma quantidade variável de protótipos.Utilizando o mesmo equipamento de SL, uma ferramenta de injeção pode ser produzidapelo processo denominado Direct AIM.

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4.2 - Direct AIM™Desenvolvido pelo IPI (Institute for Plastics Innovation),sediado em Lowell,

Massachusetts, EUA, em conjunto com a 3D Systems, o processo se baseia na construçãode postiços para injeção, feitos de resina fotocurável. Com o arquivo CAD das cavidades,necessárias para a injeção da peça, fabrica-se, pelo processo de estereolitografia, postiçosem forma de casca, que são montados em um porta moldes. Tubos de cobre para arefrigeração são posicionados na parte de trás dos postiços e recobertos com umcomposto de epoxi, misturado com partículas de alumínio (ou bismuto,segundo pesquisasainda em desenvolvimento no IPI) que auxiliarão no resfriamento dos mesmos (figura 05e 06). Curada a resina o conjunto postiço/porta moldes é montado em uma injetora ondepodem ser obtidos de 20 a 100 peças injetadas (figura 07).

Figura 05: Postiço feito em estereolitografia montado em um porta moldes com seustubos de refrigeração posicionados.

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Figura 06: Postiço preenchido com composto de epoxi misturado com alumínio.

Figura 07: Exemplo de peça injetada em Polipropileno utilizando o processoDirectAIM™.

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5 – CONCLUSÕES

Neste artigo procurou-se dar uma idéia sobre os temas que tratam de dois assuntos : EmpresasVirtuais e Desenvolvimento/Produção Rápida de Protótipos e Ferramentas de Injeção.Procurou-se ainda dar uma visão integrada destes dois assuntos, salientando a necessidade deuma manufatura ágil, indispensável à sobrevivência das empresas, em um mercado cada vezmais competitivo e globalizado. Tal sobrevivência vai depender não só das tecnologias jádisponíveis no mercado, mas também de pessoal altamente qualidicado, para dar continuidadeaos desenvovimentos e aplicar, com eficiência, tais tecnologias. As Universidades e Centrosde Pesquisa de alto nível, trabalhando em redes nacionais e internacionais, em estreitacooperação com as empresas, desempenham uma papel importante nos vários elos dessacadeia de relações que ocorrem (desde a concepção até a reciclagem e/ou descarte de umproduto) além de cumprir com sua função precípua de formação profissional. É importantesalientar ainda que, no centro de tudo, está a humanidade inteira que, como consumidora,deve ser a mais beneficiada em todos os sentidos, inclusive com a criação de novasoportunidades de trabalho em função do desenvolvimento e aplicação das novas tecnoligias.

6. - REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA

[01] MATTOS, P., "Implementação de sistemas CAD/CAM em empresas de moldes doCanadá: Relato de experiências", Apresentação de palestra junto aoGRUCON/EMC/UFSC, março/1993.

[02] AHRENS,C.H., "Características desejáveis para a implantação e o emprego desistemas CAE/CAD/CAM no setor de moldes de injeção de plásticos", Tese deDoutorado, Departamento de Eng. Mecânica, UFSC, março/1994.

[03] CASTRO,F., "Indústria plástica deve treinar sua mão-de-obra", Plástico Moderno,p.22-24, set/1992.

[04] CAMARINHA– MATOS, L.M.; LIMA, C. ; OSÓRIO, A.L. , “The PRODNET IIPlatform for Production Planning and Management in Virtual Enterprises” , 4th

International Conference on Concurrent Enterprising . ICE ’97 – Nottingham, UK[05] LAFRATTA, F. H. , “Avaliação do uso de Líquidos Refrigerantes Sob Alta Pressão

no Processo de Injeção de Termoplásticos Utilizando Técnicas de Rapid Tooling.Proposta para Tese de Doutorado – GRUCON/CIMJECT/EMC/UFSC

[06] JACOBS, P. , “Rapid Prototyping and Manufacturing – Fundamentals ofStereolitography. SME - 92

[07] 3D SYSTEMS . 3D Systems Report 44% Sales Growth in 1995, 52% in FourthQuarter. Informativo Publicitário. FEV/96.

[08] 3D SYSTEMS . Maestro. Catálogo de Produto / 95.[09] The Edge – Competitive Advantage Through Rapid Prototyping and Manufacturing

3D Systems,Vol. IV, N0. 4, 1995.

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[10] KIDD, Paul. “Agile Manufacturing: Key Issues”. In: Advances in AgileManufacturing – Integrating Technology, Organization and People, IOS Press, 1994.

[11] GOLDMAN, S.; NAGEL, R.; PREISS, K. “Agile Competitors – Concorrência,Organizações Virtuais e Estratégias para Valorizar o Cliente”. Editora Érica Ltda,1995.

[12] PEREIRA KLEN, A.A.; HUNT, I.; ZHANG, J. “Cross Border Enterprise: Virtual andExtended!”, ISIP’97 DE/IFIP/IEEE International Conference on Integrated andSustainable Industrial Production. Lisboa, Portugal, 14-16 Maio 1997.

[13] PEREIRA KLEN, A.A.; RABELO, R.J.; SPINOSA, L.M."Integrated Logistics in theVirtual Enterprise: The PRODNET-II Approach", a ser publicado no IMS'98 - 5thIFAC Workshop on Intelligent Manufacturing Systems, Gramado - Brasil, Novembro1998.

[14] SPINOSA, L.M.; RABELO, R.J.; PEREIRA KLEN, A.A.; FERREIRA, A.C. "Anoriented Decision Support System model for Virtual Enterprise Coordination", a serpublicado no Prolamat'98 / The Tenth International IFIP TC5 WG-5.2 WG-5.3Conference, Setembro, 1998, Trento, Itália