Em determinada fase do processo de pesquisa e desenvolvimento de um novo produto, o designer e ou engenheiro depara-se com a necessidade de prever o comportamento real de seu projeto. Encontramos esta situação quando projetamos um eletro-eletrônico, um equipamento médico, uma nova suspensão de veículo, um quadro de bicicleta, uma estrutura metálica sujeita a cargas dinâmicas, e em muitos outros casos. Uma solução tradicional seria a construção de protótipos ou modelos reduzidos para ensaios em laboratórios, onde instrumentos de medição cuidadosamente distribuídos coletariam dados de tensões, deformações, velocidades, forças, etc. Entretanto, a metodologia de construção e ensaio de diversos protótipos costuma consumir mais tempo e recursos do que seria o desejável, não sendo, portanto a solução ideal.
A Prototipagem Rápida pode ser vista como dois estágios diferentes: virtual (modelagem e simulação) e processo físico (fabricação).
A Prototipagem virtual consiste na criação de um modelo computacional através de simulação, dinâmica e interativa antes do protótipo físico ser criado. Primeiramente, o modelo computacional e criado a partir das características de forma, tamanho e material, levando em conta as especificações de funcionalidade e desempenho da peça final. No próximo passo, a simulação e executada para verificar se o projeto atende as necessidades, restrições e desempenho da especificação.
No ambiente de prototipagem virtual, a simulação possibilita executar testes que são impraticáveis e caros em laboratórios. Projetistas podem manipular virtualmente peças e montagens em tempo real, observando os efeitos das forças, conexões e juntas, colisões, e contato. Uma importante ferramenta no campo da prototipagem virtual e a interface manual (haptic interface) que permite tocar e sentir o protótipo sintético sendo criado, através do uso de luvas e óculos especiais. A avaliação obtida dará a informação necessária pare fazer corretamente todas as modificações necessárias antes do protótipo físico ser construído.
Uma vez que o modelo é criado e a simulação do objeto é dada por satisfatória, a informação pode ser enviada para a criação do protótipo físico. Neste estágio, a fabricação da peça criada ocorre por uso convencional ou de modernas tecnologias de fabricação.
Sem o uso das tecnologias de prototipagem rápida, seria necessários construir um protótipo físico, uma grande quantidade de ferramentas manuais, pessoal especializado, e maquinário altamente apropriado. O protótipo é então testado para adequar-se às especificações do projeto. Correções e revisões do projeto são feitas e seqüencialmente o próximo protótipo é construído com as modificações. O tempo associado com os vários protótipos físico feitos pode levar a um aumento no tempo de desenvolvimento do produto e afetar a qualidade do produto final.
Como mencionado anteriormente, o segundo estágio na Prototipagem Rápida e a fabricação do modelo por um processo conhecido como Solid Freeform Fabrication. Nesta técnica as peças são produzidas por adição de material, ao invés de deformar ou remover material (forja, usinagem, eletroerosão e etc.).
Bourell define Solid Freeform Fabrication como “a produção de objetos sólidos de forma livre diretamente de um modelo computacional sem ferramental especifico ou intervenção humana”. Usualmente, os termos Solid Freeform Fabrication e Prototipagem Rápida (Rapid Prototyping) são indistintamente usados para referenciar a fabricação de modelos físicos adicionando camadas de material. Neste artigo o termo Prototipagem Rápida e utilizado para este propósito.
Em Prototipagem Rápida. Inicialmente, um modelo sólido matemático (modelo 3D gerado em CAD) de um objeto ou peça, é decomposto em camadas (layers). Cada camada e construída por uma deposição de material que sucessivamente, uma por uma, vão formando o objeto. Cada camada depositada pode ser acompanhada por algum subprocesso necessário (remoção de material, alivio de tensão, etc.).
Por ser uma fabricação baseada em camadas, os sistemas de Prototipagem Rápida são capazes de produzir peças de geometria complexa e formas que são impraticáveis ou impossíveis, ou mesmo caras para construir com sistemas tradicionais. Exemplos incluem blocos com cavidades internas ou peças contendo outras peças embutidas. A Prototipagem rápida também tende a permitir a fabricação de peças com estruturas montadas (componentes eletrônicos ou térmicos) que seria impraticável usando sistemas convencionais de fabricação.
A Prototipagem rápida representa um importante papel em ferramental rápido, fabricando ferramentas para serem usadas em processos convencionais de fabricação de grandes volumes ou mesmo baixos lotes de produção para os emergentes "mercados de massa", como por exemplo, ferramentas para moldes de injeção ou moldes para fundição. A Prototipagem Rápida é também utilizada para fabricar protótipos para visualização ou comunicação de idéias em grupos de desenvolvimento, tocar e sentir, visualização de estruturas complexas, exibição de marketing, e protótipos funcionais.
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A Prototipagem Rápida pode ser vista como dois estágios diferentes: virtual (modelagem e simulação) e processo físico (fabricação).
A Prototipagem virtual consiste na criação de um modelo computacional através de simulação, dinâmica e interativa antes do protótipo físico ser criado. Primeiramente, o modelo computacional e criado a partir das características de forma, tamanho e material, levando em conta as especificações de funcionalidade e desempenho da peça final. No próximo passo, a simulação e executada para verificar se o projeto atende as necessidades, restrições e desempenho da especificação.
No ambiente de prototipagem virtual, a simulação possibilita executar testes que são impraticáveis e caros em laboratórios. Projetistas podem manipular virtualmente peças e montagens em tempo real, observando os efeitos das forças, conexões e juntas, colisões, e contato. Uma importante ferramenta no campo da prototipagem virtual e a interface manual (haptic interface) que permite tocar e sentir o protótipo sintético sendo criado, através do uso de luvas e óculos especiais. A avaliação obtida dará a informação necessária pare fazer corretamente todas as modificações necessárias antes do protótipo físico ser construído.
Uma vez que o modelo é criado e a simulação do objeto é dada por satisfatória, a informação pode ser enviada para a criação do protótipo físico. Neste estágio, a fabricação da peça criada ocorre por uso convencional ou de modernas tecnologias de fabricação.
Sem o uso das tecnologias de prototipagem rápida, seria necessários construir um protótipo físico, uma grande quantidade de ferramentas manuais, pessoal especializado, e maquinário altamente apropriado. O protótipo é então testado para adequar-se às especificações do projeto. Correções e revisões do projeto são feitas e seqüencialmente o próximo protótipo é construído com as modificações. O tempo associado com os vários protótipos físico feitos pode levar a um aumento no tempo de desenvolvimento do produto e afetar a qualidade do produto final.
Como mencionado anteriormente, o segundo estágio na Prototipagem Rápida e a fabricação do modelo por um processo conhecido como Solid Freeform Fabrication. Nesta técnica as peças são produzidas por adição de material, ao invés de deformar ou remover material (forja, usinagem, eletroerosão e etc.).
Bourell define Solid Freeform Fabrication como “a produção de objetos sólidos de forma livre diretamente de um modelo computacional sem ferramental especifico ou intervenção humana”. Usualmente, os termos Solid Freeform Fabrication e Prototipagem Rápida (Rapid Prototyping) são indistintamente usados para referenciar a fabricação de modelos físicos adicionando camadas de material. Neste artigo o termo Prototipagem Rápida e utilizado para este propósito.
Em Prototipagem Rápida. Inicialmente, um modelo sólido matemático (modelo 3D gerado em CAD) de um objeto ou peça, é decomposto em camadas (layers). Cada camada e construída por uma deposição de material que sucessivamente, uma por uma, vão formando o objeto. Cada camada depositada pode ser acompanhada por algum subprocesso necessário (remoção de material, alivio de tensão, etc.).
Por ser uma fabricação baseada em camadas, os sistemas de Prototipagem Rápida são capazes de produzir peças de geometria complexa e formas que são impraticáveis ou impossíveis, ou mesmo caras para construir com sistemas tradicionais. Exemplos incluem blocos com cavidades internas ou peças contendo outras peças embutidas. A Prototipagem rápida também tende a permitir a fabricação de peças com estruturas montadas (componentes eletrônicos ou térmicos) que seria impraticável usando sistemas convencionais de fabricação.
A Prototipagem rápida representa um importante papel em ferramental rápido, fabricando ferramentas para serem usadas em processos convencionais de fabricação de grandes volumes ou mesmo baixos lotes de produção para os emergentes "mercados de massa", como por exemplo, ferramentas para moldes de injeção ou moldes para fundição. A Prototipagem Rápida é também utilizada para fabricar protótipos para visualização ou comunicação de idéias em grupos de desenvolvimento, tocar e sentir, visualização de estruturas complexas, exibição de marketing, e protótipos funcionais.
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