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CARACTERÍSTICAS DOS PROCESSOS DE PROTOTIPAGEM

Por: JESSÉ DA SILVA

A prototipagem tem importância fundamental para a redução do time-to-market além de permitir a garantia de atendimento de requisitos técnicos dos produtos. Os métodos de construção de protótipos bem como sua aplicação nos mais diversos segmentos têm evoluído significativamente.

A utilização de processos de construção de protótipos remonta ao ano 2.500 a.C. No passado, um modelo era, obrigatoriamente, uma réplica de um determinado objeto, construído a partir de moldagem direta, com materiais como gesso, alginato, silicones, entre outros. O gesso foi utilizado pelos antigos egípcios para reprodução da face humana. Algumas dessas máscaras podem ser vistas no Museu do Cairo e em nada diferem das construídas por nós, há poucos anos [1]. Nos primórdios das civilizações, estes recursos foram usados também para a criação de coroas, tronos e objetos de adoração.

A redução de prazos de construção e o aumento da complexidade dos modelos só foram possíveis a partir dos avanços na área de processamento de dados, permitindo o desenvolvimento da tecnologia de prototipagem rápida, hoje com uso intensificado nos segmentos aeroespacial, agricultura, construção civil, automotiva, educacional, saúde, alta tecnologia, industrial, naval e bens de consumo.


PROTOTIPAGEM MANUAL

Com a necessidade de novos lançamentos de produtos para os mercados emergentes, a prototipagem é muito solicitada, principalmente por designers , engenheiros e projetistas. O desenvolvimento de protótipos manuais é essencialmente um trabalho artesanal, com
a utilização de poucas ferramentas.

PROTOTIPAGEMPOR USINAGEM

Uma nova fase surgiu com o desenvolvimento de projetos de engenharia e de design utilizando recursos de CAD – Projeto Auxiliado por Computador, permitindo conceber produtos com maior complexidade na forma e no mais design arrojado.

Os equipamentos, processos e tecnologias de fabricação também precisaram evoluir, resultando no advento dos sistemas CAM – Fabricação Auxiliada por Computador, tornando-se um marco não somente para a prototipagem, mas também para o setor ferramenteiro, pois permitiu a aplicação desta tecnologia na fabricação de cavidades
complexas.

Os processos de construção de protótipos passaram a utilizar a usinagem, respeitando as realidades de formas geométricas, nível de acabamento superficial, impacto visual além da execução de testes funcionais. Com o projeto modelado em sistemas CAD, já era possível usar o mesmo arquivo para a programação da máquina de comando numérico. Dessa forma, um protótipo poderia ser usinado em diversos materiais.

A Figura 1 apresenta um protótipo de carcaça de direção sendo usinado e o produto final.
Estes protótipos tinham como função primordial validar a forma a partir de um mock-up. O departamento de desenvolvimento de produto fazia suas apreciações, modificações e validações com base neste modelo e, na seqüência, encaminhava para o departamento de projeto com as definições finais do produto. A Figura 2 mostra o exemplo de mock-up de uma aeronave em escala 1:1.


Figura 1 – Exemplo de peça protótipo usinada

Figura 2 – Mocku-up de aeronave [2]


PROTOTIPAGEM RÁPIDA

A prototipagem rápida – RP (Rapid Prototyping), desenvolvida há cerca de duas décadas, permite a construção de um modelo em poucos dias ou horas, a partir da materialização de desenhos ou modelos virtuais projetados em computa dor, através de sistemas CAD, CAM, CAE e outros com alta fidelidade [1]. A diferença entre a prototipagem convencional e a rápida é que no primeiro processo o foco principal é a remoção de material, através da usinagem de um bloco de material e no segundo o material é adicionado, camada a camada, definindo a forma do produto. A RP permite obter elevadas velocidades de execução e alta complexidade do produto.

As diversas técnicas de prototipagem rápida são baseadas no mesmo princípio: sinterização, aglutinação, polimerização ou solidificação de camadas do material de que serão construídas as fatias do modelo virtual, transportadas do computador para a máquina de prototipagem, independentemente da natureza desse material, como pós (cerâmicos, plásticos ou metálicos), filetes plásticos, resina líquida ou outros. As máquinas de prototipagem rápida são basicamente constituídas de:
· Mesa deslocável verticalmente: onde as fatias do modelo tridimensional são construídas e empilhadas;

· Cabeçote distribuidor: através de movimentos horizontais, o cabeçote distribui o material sobre a mesa. Alguns equipamentos permitem o uso de materiais multicolores (Figura 3) e;
· Feixe polimerizador: normalmente uma cabeça de laser ultravioleta ou CO . Diversos materiais como cerâmica, resinas acrílicas, termoplásticos e metais podem ser aplicados com esta tecnologia.


Processos de prototipagem rápida

A prototipagem rápida apresenta diversos processos para aplicações específicas, entre elas a estereolitografia – STL (Stereolithography), a sinterização seletiva a laser – SLS (Seletive Laser Sintering), a modelagem por deposição fundida – FDM (Fused Deposition Modeling), a impressão tridimensional – 3D Printing, a modelagem por jato múltiplo – MJM (Multi Jet Modeling) e outras menos difundidas. Neste artigo apresentamos os conceitos das
três mais utilizadas.

Figura 3 – Protótipos multicolores [3]

Todos os processos de prototipagem rápida atualmente existentes são constituídos por cinco etapas básicas [1]:
1 – Criação de um modelo CAD da peça que está sendo projetada;
2 – Conversão do arquivo CAD em formato STL;
3 – Fatiamento do arquivo STL em finas camadas transversais;
4 – Construção física do modelo, empilhando-se uma camada sobre a outra;
5 – Limpeza e acabamento do protótipo.


Estereolitografia

Este processo foi patenteado em 1986 por Charles Hull dando início a uma grande inovação na área de polimerização de líquidos foto-sensíveis através de luz ultravioleta. A construção de modelos é feita a partir da geração de um arquivo padrão STL que, com a leitura específica de um programa computacional, processa o modelo para ser inserido na área de trabalho da máquina. Um espelho controlado por um sistema de comando numérico é deslocado nos eixos X e Y, levando o feixe de laser para regiões específicas na mesa e solidificando o líquido polimérico. Na etapa seguinte, a mesa é deslocada para baixo alguns centésimos de milímetros, conforme a tolerância programada e o líquido recobre a região polimerizada. Outra camada é gerada pela passagem subseqüente do feixe de laser e a peça é formada sucessivamente por essas camadas. Quando o modelo é completamente polimerizado, ele é retirado da base de construção e são removidos todos os suportes. Em seguida, levado a um forno de radiação ultravioleta para a cura completa.
A Figura 4 mostra uma máquina de estereolitografia.

Figura 4 – Máquina de estereolitografia [5]

A estereolitografia foi a primeira técnica bem sucedida de prototipagem rápida, tornando-se um padrão de avaliação (benchmarking) para as que surgiram posteriormente.

Figura 5 – Máquina de estereolitografia portátil [8]

Existem diversas opções de máquinas para este processo, desde grandes dimensões até portáteis (Figura 5).

Sinterização seletiva a laser

Com o mesmo conceito de operação da estereolitografia e patenteada em 1989, diverge na técnica de aplicação do laser, que é voltado a fundir ao invés de polimerizar, de forma seletiva, materiais em forma de pó, como nylon, elastômeros e metais. As peças são sinterizadas na área de construção onde há a distribuição homogênea do pó. O laser seleciona e funde a primeira camada a ser polimerizada, sendo seguido pelo abaixamento da mesa de construção. Um cabeçote distribui nova camada de pó sobre o material anterior e recomeça o processo até a formação total da peça. Diferentemente da estereolitografia, onde há necessidade de formação de suportes feitos do mesmo material polimerizado, neste processo o próprio pó forma a base que sustenta a peça.
A Figura 6 demonstra o princípio de funcionamento do processo de prototipagem por sinterização seletiva e a Figura 7 apresenta uma máquina para o processo de sinterização a laser.

Deposição de material fundido

Neste processo, a aplicação da matéria-prima ocorre por deposição de material a partir de filamentos de resina termoplástica que passam por uma extrusora aquecida e são depositados em camadas ultrafinas umas sobre as outras, nas direções X, Y e Z. Os filamentos, que variam de diâmetros a partir de 0,127 mm até 0,254 mm, dependendo da tolerância de acabamento superficial desejada, vão sendo sobrepostos de maneira similar ao processo de soldagem e o protótipo vai sendo formado camada a camada.

O sistema permanece aquecido, sendo que a cabeça extrusora opera a temperatura superiora 230ºC. À medida que o cabeçote de filamento vai construindo o protótipo, um sistema de resfriamento possibilita que outra camada seja depositada (a mesa permanece a uma
temperatura menor que a peça).

Figura 6 – Princípio de funcionamento do SLS [7]

Figura 7 – Máquina de sinterização a laser [7]

Após a conclusão da peça, inicia-se a fase de remoção dos suportes. Alguns destes suportes são solúveis em água. Outros são de materiais mais frágeis e exigem o uso de pinças para sua remoção. Neste processo é possível a utilização de uma grande diversidade de materiais como ABS, polifenilsulfona, polipropileno, policarbonato, poliéster e elastômeros.

Para a fabricação de um protótipo é necessária a construção de suportes que irão mantê-lo posicionado durante o processo. Os suportes são fixados ao protótipo com um material diferenciado, mais fraco, ou uma junção perfurada [1].

A Figura 8 ilustra o princípio de funcionamento do processo de deposição de material e a Figura 9 mostra uma máquina para o processo FDM.

Figura 8 – Esquema de funcionamento do processo FDM [6]

PROTOTIPAGEM EM FERRAMENTARIAS

Os processos de prototipagem rápida são largamente aplicados pelos departamentos de desenvolvimento de produtos.
Em ferramentarias os processos mais aplicados são os de construção rápida de moldes (rapid tooling). Esses processos permitem construir, diretamente do modelo CAD, o ferramental para a produção da peça desejada.

Figura 9 – Máquina de deposição de material fundido [6]

Um dos métodos já aplicados com sucesso é a fundição direta do metal (direct metal casting), onde grãos de aço revestidos de materiais poliméricos são sinterizados seletivamente para formar um molde metálico em uma impressora. Na seqüência, o material polimérico que serve como ligante é substituído por cobre infiltrado, pela queima do polímero em um forno. O molde tem um processo final de acabamento e montagem para então permitir o vazamento do material a ser fundido. Na última etapa, a peça é desmoldada e submetida à operação de acabamento (Figura 10). Esses moldes permitem produções de até 50 mil peças.
A Figura 11 traz um exemplo de peça automobilística produzida neste processo.


Figura 10 – Seqüência de obtenção de peça por fundição direta de material [9]


Figura 11 – Exemplo de peça obtida em molde por fundição direta de material [9]

É importante acompanhar a evolução dos processos de prototipagem e construção de moldes, pois cada vez mais a velocidade de entrega de amostras e de produtos finais vai compor o diferencial para a obtenção de pedidos de compra. O custo não deve ser considerado como uma restrição ao processo de desenvolvimento de produtos, mas sim como um investimento na redução de erros futuros que, com grande probabilidade, geram retrabalhos e situações desconfortáveis com os clientes em face de atrasos na entrega dos produtos e ferramentas.

Fonte: Revista Ferramental

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