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INTEGRAÇÃO DA PROTOTIPAGEM NA ELABORAÇÃO DO PRODUTO

Por:
MOACIR ECKHARDT;
DEIVISON ALENCAR RICK;
LUIS FRANCISCO MARCON RIBEIRO;
CHRISTIAN DIHLMANN

A Engenharia Simultânea e a Engenharia Reversa são metodologias que reduzem o ciclo de desenvolvimento e lançamento de produtos no mercado, principalmente se empregados em conjunto com processos de prototipagem rápida.
O sucesso de um produto está diretamente associado à habilidade da empresa em identificar as necessidades do cliente e imediatamente desenvolver produtos de forma a atendê-las a um custo competitivo. Para atingir esse objetivo, freqüentemente faz-se necessário o emprego de modelos físicos do produto em desenvolvimento.
A prototipagem rápida (RP- rapid prototyping) juntamente com métodos como a Engenharia Simultânea1
(ES), Engenharia Reversa (ER), entre outras, tem se destacado no desafio atual de rapidez e flexibilidade se comparada com os processos convencionais de desenvolvimento de produtos.


A PROTOTIPAGEM

A palavra protótipo designa um produto que está em desenvolvimento e ainda não liberado para comercialização. Pode se referir a um eletrodoméstico, automóvel, avião, ou qualquer tipo de produto que necessite avaliação de formato, visualização e planejamento do processo de fabricação.
O protótipo de um produto ou componente é parte essencial no seu processo de desenvolvimento, pois possibilita que a análise de sua forma e funcionalidade seja realizada em fase anterior à produção de ferramental definitivo.
A representação física de produtos é conhecida desde a antiguidade, através da construção manual de modelos, passando para protótipos virtuais nos anos 80, com a disseminação dos sistemas CAD tridimensionais, e mais recentemente com os protótipos rápidos (Figura 1).
A RP pode ser definida como um processo de fabricação através da adição de material em forma de camadas planas sucessivas, baseado no princípio da manufatura estratificada. Esta tecnologia permite fabricar componentes físicos (protótipos e modelos) em três dimensões (3D), com informações obtidas diretamente do modelo geométrico gerado no sistema CAD2, de forma rápida, automatizada e totalmente flexível.

Figura 1 – Evolução no uso de técnicas de prototipagem


O processo inicia com o modelo 3D da peça no CAD sendo “fatiado” eletronicamente, obtendo-se curvas de níveis 2D que definirão, em cada camada, onde existe ou não material a ser adicionado. Estas camadas serão então processadas seqüencialmente, gerando-se a peça física através do empilhamento e aderência das mesmas, iniciando na base e indo até o topo da mesma
[1, 2], conforme é ilustrado na Figura 2.
Implementações práticas da fabricação por camadas para as necessidades atuais de manufatura tornaram-se possíveis devido à integração de processos tradicionais de manufatura, tais como a metalurgia do pó, extrusão, solda e usinagem CNC3, a diversas outras tecnologias acessórias mais recentes como controles de movimento de alta precisão, novos materiais, sistemas de impressão a jato de tinta, tecnologias laser, entre outras. Esta interação é a base dos diversos sistemas de RP atualmente disponíveis no mercado [1, 2].


Figura 2 – Representação do processo de
prototipagem por camadas [2]


Os diversos processos de RP são baseados no mesmo princípio: sinterização, aglutinação, polimerização ou solidificação de camadas de materiais que podem estar na forma de pós (cerâmicas, plásticos ou metais), filetes plásticos, resinas líquidas e outros [3].
A Figura 3 demonstra o esquema de funcionamento do processo de estereolitografia, baseado na polimerização de um líquido fotossensível por um feixe de laser.
Outro exemplo de processo está demonstrado na Figura 4, onde material é depositado pela fusão do material em um bico que descreve trajetória de uma superfície fatiada. Este processo é denominado de FDM (Fused Deposition Modeling – Modelagem por Fusão e Deposição) [2].


Figura 3 – Princípio de funcionamento do processo
de estereolitografia [2]


Figura 4 – Princípio de funcionamento do processo FDM [2]

PROTOTIPAGEM RÁPIDA E A ENGENHARIA SIMULTÂNEA

Embora as tecnologias de RP possam ser utilizadas com benefícios em uma abordagem seqüencial tradicional do processo de desenvolvimento do produto (PDP), a combinação das mesmas com a engenharia simultânea permite explorar, de forma mais completa os benefícios dessas tecnologias. Este fato é observado principalmente porque o potencial dos protótipos físicos e dos demais tipos de representações do produto pode ser completamente trabalhado em um ambiente de ES.
A engenharia simultânea baseia- se no princípio de que as várias atividades técnicas e econômicas no
PDP podem ser integradas e realizadas em paralelo, ao invés de seqüencialmente, e o desenvolvimento do produto é realizado por profissionais de diferentes áreas que trabalham integrados em times como representado na Figura 5.
Os protótipos obtidos por prototipagem rápida ou ferramental rápido (RT – rapid tooling) proporcionam um excelente auxílio para a engenharia simultânea porque contribuem para o aprendizado, comunicação e integração entre os membros da equipe, além de atenderem as diferentes áreas de aplicações. Também desempenham um papel-chave para o compartilhamento de idéias em uma equipe multidisciplinar, especialmente considerando-se o aumento da complexidade e do grau de inovação dos produtos recentemente desenvolvidos. As atividades de engenharia, gerenciamento, marketing e manufatura podem ser beneficiadas consideravelmente com o uso de protótipos como base para o aprendizado rápido, unificação da equipe e decisões consensuais sobre o produto [1].



Figura 5 – Comparativo do tempo de desenvolvimento no processo seqüencial e concorrente [1]


PROTOTIPAGEM RÁPIDA E A ENGENHARIA REVERSA


O modelo físico (em protótipo) de um novo produto pode ser feito a partir do modelo virtual (CAD) desenvolvido em engenharia reversa utilizando a técnica de prototipagem rápida. Genericamente, na prototipagem rápida os modelos físicos são fabricados camada por camada, através de algum dos diversos processos disponíveis no mercado. O processamento destas camadas é realizado por computadores cujos sistemas incorporam a lógica do processo em seus programas. Estes sistemas aceitam arquivos de malha triangular em formato STL4.

O formato tem vantagens devido à sua estrutura simples e de uso fácil, porém apresenta alguns inconvenientes:
– Os computadores necessitam de grandes quantidades de memória em função da precisão do modelo e;
Algumas vezes é necessário gastar um tempo significativo para reparar descontinuidades de superfícies ou sobreposições e vetores com problemas.
– A integração da digitalização tridimensional com a prototipagem rápida pode acelerar o processo de design5 e manufatura de um produto. Um objeto físico pode ser copiado com um sistema a laser ou de apalpação que captura dados obtendo coordenadas 3D. O programa computacional de engenharia reversa converte estes pontos em uma malha triangular que é utilizada na reconstrução do modelo CAD 3D de superfícies.
Os avanços tecnológicos, freqüentemente requeridos pelo mercado, criaram, por exemplo, novas possibilidades em aplicações médicas. Imagens de tomografia computadorizada (CT – Computed Tomography) e ressonância magnética (MRI – Magnetic Resonance Imaging) podem ter seus dados transformados em modelos tridimensionais proporcionando inúmeras aplicabilidades na área biomédica [4, 5].
A Figura 6 apresenta um exemplo de aparelho de tomografia utilizado para gerar imagens tridimensionais do corpo humano [6]. Na Figura 7 pode ser vista uma seqüência de imagens “fatiadas” de crânio humano, reconstruído em um modelo 3D a partir de tomografia computadorizada, conforme Figura 8.



Figura 6 – Equipamento de TC [6]



Figura 7 – Seqüência de imagens de crânio obtidas em TC [3]


A Figura 9 apresenta uma imagem da articulação de um joelho obtida em um equipamento de ressonância magnética como o mostrado na Figura 10.



PROTOTIPAGEM FUNCIONAL E NÃO FUNCIONAL

Durante a criação de novos produtos é comum a construção de modelos tridimensionais, utilizados como forma de avaliar características diversas do projeto em desenvolvimento. Basicamente existem dois tipos de modelos 3D: os não funcionais e os funcionais. O primeiro geralmente recebe o nome de maquete (mock-up) e o segundo é chamado de protótipo [8].


Maquete

As maquetes são representações realistas e não funcionais, em escala, de produtos em desenvolvimento. Podem ser feitas com uma grande diversidade de materiais, incluindo plásticos, metais, madeira ou resinas próprias para este fim. A Figura 11 mostra uma maquete de computador pessoal.
Existem também as representações virtuais, desenvolvidas em sistemas CAD, denominadas de maquetes eletrônicas. Na Figura 12, vemos um modelo virtual de telefone celular [9].


Protótipo

O protótipo é um modelo funcional-físico ou virtual – do produto usado para testes práticos, que deve ser feito antes da produção industrial, preferencialmente com o mesmo material da peça final e também com o mesmo processo de fabricação.
Sua obtenção tem o objetivo de permitir que se descubram possíveis erros não previstos no projeto.
Caso se encontre algum problema, modificações são introduzidas e um novo protótipo é construído e testado novamente. Esse processo se repete sucessivamente até que o funcionamento atenda as especificações técnicas, quando então o produto é liberado para ser produzido em larga escala (Figura 13).


Os protótipos físicos são geralmente construídos de forma artesanal ou semi-artesanal, e tendem a apresentar um alto custo de produção. Por isso, nem sempre reproduzem todas as funcionalidades do produto final, seja por não haver necessidade para o teste em questão ou pela dificuldade de construí-lo com dada característica utilizando um investimento aceitável.
Em contrapartida, os protótipos virtuais são modelos 3D digitais que conseguem reproduzir de forma bastante aproximada as características e funcionalidades do produto real, com base em complexos algoritmos de simulação computadorizada. Esses modelos virtuais, criados no desenvolvimento de produtos, são geralmente construídos em programas de modelagem 3D ou de animação. Existe ainda a possibilidade de se gerar um modelo CAD a partir do uso de um scanner6, geralmente usado em processos de engenharia reversa [8]. Na Figura 14 pode ser visto um exemplo de equipamento de varredura a laser.


APLICAÇÕES DA PROTOTIPAGEM E FERRAMENTAL RÁPIDOS

As tecnologias de prototipagem rápida têm sido constantemente melhoradas, com aumento da qualidade, precisão e do leque de materiais disponíveis para a obtenção dos protótipos. Observa-se que a aplicação da RP, que se iniciou no projeto, foi estendida primeiramente para a engenharia, análise e planejamento, e mais recentemente para etapas de manufatura e ferramental. A Figura 15 ilustra como esta técnica tem sido utilizada nos EUA [1, 10, 11].


A Tabela 1 sintetiza algumas das aplicações típicas das tecnologias de RP. A tendência crescente do uso de protótipos na engenharia, manufatura e ferramental pode ser visualizada pela mudança da demanda nas áreas de aplicações no decorrer dos anos, como demonstra a Figura 16 [1].
Adicionalmente, estão sendo desenvolvidos e aperfeiçoados os processos de ferramental rápido (RT, de Rapid Tooling) que visam a produção de moldes-protótipo. Estes são necessários para obtenção de um número maior de protótipos quando aplicados à avaliação de mercado, ensaios destrutivos e testes de campo. A maioria das tecnologias de RT disponíveis é utilizada para a obtenção de moldes para pequenos ou médios lotes de peças [1, 10, 11].


Vários são os setores industriais que podem se beneficiar do uso das tecnologias de RP e RT, sendo já bastante difundidas na indústria aeroespacial, automobilística, de bioengenharia (medicina e odontologia), de produtos elétricos e eletrônicos (utensílios domésticos), setor de joalheria, artes, arquitetura, entre outros [1, 3]. Observa-se ainda que novos campos de aplicação estão aparecendo, à medida que aumenta o número de profissionais e empresas que tem contato com estas tecnologias [1].

DESAFIOS DAS TECNOLOGIAS

O temor do desconhecido ainda parece uma barreira para a aplicação mais intensa destas tecnologias. Alguns desafios devem ser enfrentados nos próximos anos para tornar corriqueiro o uso destes processos.

Desfazer o mito da RP

Ainda encontram-se argumentações de que os materiais disponíveis nas tecnologias de RP não têm boa qualidade e de que o acabamento superficial e a precisão dimensional são inferiores aos dos processos convencionais.
Pode-se observar que os desenvolvimentos nestas áreas foram consideráveis nos últimos anos, com o aumento do número de materiais disponíveis e melhoria do processo. Talvez o aspecto mais forte na realidade brasileira seja o desconhecimento dos próprios processos de prototipagem.


Melhorar a relação custo x benefício

Como importador de equipamentos de prototipagem, o país está em situação pouco privilegiada, visto que vários aspectos oneram a sua operação no Brasil. Pode-se incluir, neste contexto, além dos altos custos e impostos na aquisição, a manutenção que tem alcançado valores impraticáveis. A matéria- prima, por estar geralmente vinculada ao fabricante do equipamento, também tem seu preço elevado.
Neste sentido, a relação de preço final do protótipo pode não ser a mais adequada. Mesmo assim, em protótipos de alta complexidade, ainda se obtém valores compensadores, principalmente quando é avaliada a componente de tempo de construção.

Utilizar a tecnologia adequada para cada aplicação

Não há muita diversidade de tecnologia de RP no Brasil, porém, os principais processos estão hoje representados. Para a escolha da tecnologia a utilizar, deverá ser verificada sempre a finalidade do protótipo em questão, escolhendo-se o processo com melhor relação custo x benefício. Apesar da comunicação eletrônica rápida, a distância geográfica no Brasil ainda causa impacto na utilização efetiva da RP.

PERSPECTIVAS DA PROTOTIPAGEM

Atualmente, pode-se afirmar que uma nova etapa nos processos de prototipagem e ferramental rápido vem sendo almejada. Nesta, surgirão novos processos e os atuais sofrerão melhorias, objetivando a fabricação final de produtos. A RP poderá, então, se referir a Produção Rápida ou à Manufatura Rápida. Desta forma, espera-se produzir peças no material desejado, em curto espaço de tempo, sem necessidade de manter estoques. Em algumas aplicações ainda muito restritas, a fabricação de peças com a RP já pode ser considerada realidade.
Não é possível determinar quais dos atuais processos e tecnologias serão os precursores dos processos a serem utilizados no futuro. Mesmo considerando que existam fabricantes de determinadas tecnologias, não há como prever por quanto tempo elas se manterão no mercado.
Entretanto, o que parece certo é que cada vez mais a prototipagem será utilizada no desenvolvimento de produtos, para reduzir de forma significativa o tempo de lançamento no mercado (time to market7).
Também é possível vislumbrar que estes equipamentos estarão presentes com maior intensidade nos escritórios, em decorrência de custos mais baixos de aquisição e manutenção e maior facilidade de utilização pelo usuário.
É interessante observar que não só o avanço tecnológico é importante, mas também que o desenvolvimento futuro venha acompanhado de uma boa dose de mudança comportamental e cultural, uma vez que, em geral, o maior retardo se dá nesta esfera. Assim, as previsões para o futuro poderão ser otimistas, mas dependerão de como os consumidores reagirão às mudanças impostas pelas novas tecnologias.
Em relação ao Brasil, são enfatizados alguns aspectos diferentes, mas o aspecto do custo ainda é um fator crítico para a difusão da RP.
Neste sentido, observa-se que, de modo geral, as micro e pequenas empresas demandam um maior tempo para utilizar estas novas tecnologias, embora se mostrem mais receptivas às mesmas.
Se no Brasil, até um período relativamente curto, a RP ainda era admirada como uma maravilha tecnológica, hoje é encarada com naturalidade pelas empresas que tiveram oportunidade de utilizá-las. Apesar dos altos custos, a demanda por protótipos rápidos é crescente. Para impulsionar de fato a geração de protótipos necessitase, antes de tudo, de um mercado interno forte e não sujeito às constantes oscilações como se tem experimentado.
O Brasil representa um grande mercado potencial para a utilização da tecnologia de RP, devido a uma série de fatores, tais como: tamanho, liderança regional, grande número de montadoras e suas empresas de base, tendência de expansão de escritórios de design e desenvolvimento de produtos.
Entretanto, em função dos custos internos de aquisição e instalação, pode-se extrapolar para um cenário pessimista, resultando em simples importação de protótipos. Isto excluiria a possibilidade de instalação e utilização destes equipamentos no Brasil, representando um grande risco para as iniciativas de desenvolvimento neste setor, não contribuindo para a geração de massa crítica e causando uma conseqüente estagnação tecnológica na área.
Neste ponto, acredita-se que uma política de resultado seria a simplificação da entrada destes equipamentos e, ao mesmo tempo, o incentivo a mecanismos de fomento ao desenvolvimento de tecnologias nacionais. Apesar dessas possibilidades pessimistas, as universidades e centros de pesquisa
têm realizado trabalho importante tanto na área de prototipagem quanto na confecção de moldes (ferramental rápido).
Um outro fato, que pode ser considerado positivo, é que algumas empresas que anteriormente produziam protótipos para consumo próprio estão se abrindo para mercado como prestadores de serviços.
Existem relativamente poucas empresas dedicadas unicamente à geração de protótipos. A RP será difundida como um investimento nas empresas e não como custo adicional no processo de desenvolvimento de produto [1].

Fonte: Revista Ferramental

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