Design, prototipagem rápida e seus meios-Parte III

Diferenças entre processos

Ha muitos outros sistemas, disponíveis comercialmente ou sob pesquisa e desenvolvimento, baseados em diferentes processos. Dentre estes se incluem o Shape Deposition Manufacturing (SDM) e Three Dimensional Printing (3DP). A tabela abaixo resume as características dos processos mais conhecidos e de Prototipagem Rápida atualmente disponíveis. A tabela abaixo resume as características dos processos mais comuns de Prototipagem Rápida atualmente disponíveis.


Ferramentas de Software

O primeiro pré-requisito para a utilização de um sistema de Prototipagem Rápida e a modelagem das formas e geometrias pretendidas através de um ambiente CAD. O modelo 3D matemático é usualmente exportado pelo pré-processador CAD através de um arquivo, geralmente no formato STL. Este formato é a representação geométrica da peça a ser produzida, utilizando uma malha de triângulos. Em alguns casos irregularidades estão associadas a esta maneira de representar a geometria matemática, como furos, partes sobrepostas ou lacunas nos limites das superfícies, além das imperfeições que podem ocorrer devido ao numero limitado de triângulos na malha de representação das formas geométricas. Para tratar com estas irregularidades muitas ferramentas estão comercialmente disponíveis pare manipular arquivos STL, validando estes arquivos e reparando os problemas usualmente encontrados. A manipulação é possível através do uso de ferramentas de visualização com sombreamento e dimensionamento da peça. A quantidade e qualidade de triângulos em um arquivo STL pode ser otimizada, criando modelos mais precisos e realísticos. Outros formatos de arquivos são comumente utilizados para esse fim, como por exemplo, o de extensão IGES. Diferente do STL o IGES apresenta um maior número de informações do modelo em questão e por conseqüência um maior peso em seu tamanho.

Várias ferramentas de conversão estão disponíveis, devido à diversidade de formatos para representação geométrica, permitindo a conversão de diferentes formatos em STL. A maioria dos padrões comuns para a representação geométrica de dados é: IGES, Initial Graphics Exchange Specification (Padrão ANSI), STEP - Slandard for the Exchange of Product Model Data (Padrão ISO 10303) e VDA-FS (Padrao DIN). Há também ferramentas para a conversão de imagens médicas, como Tomografias computadorizadas (CT) e Ressonância Magnética (MRT) em formato STL.

Estas ferramentas incorporam recursos para compensar mudanças na forma do protótipo devido à contração e deformidades intrínsecas de alguns processos de Prototipagem Rápida ou para compensar um revestimento posterior ou trabalhos de acabamento. Outros recursos destas ferramentas permitem a união de diferentes modelos em STL e também criar um novo (editando), mudando a forma do modelo, inserir furos, criar pinos de união, cortar partes do modelo, etc. Com estas ferramentas é possível a criação de modelos ocos e superfícies finas, otimizando o tempo e material gasto, levando em consideração redução de problemas de deformação. Em alguns processos baseados em líquido, se faz necessário uma ferramenta para a geração automática de estruturas de suporte.

Um exemplo de uma ferramenta muito especializada na área de Prototipagem Rápida é um sistema desenvolvido no Laboratório de Prototipagem Rápida do BIBA na Alemanha o qual apóia usuários na busca por melhores soluções na geração de protótipos baseados em dados matemáticos desenvolvidos em CAD. A seleção e baseada em informações sobre materiais, máquinas, processos e protótipos.

Prototipagem Rápida, aplicações e limitações

As técnicas de Prototipagem Rápidas têm sido aplicadas com sucesso na fabricação de protótipos funcionais e ferramentas para produção em massa. A produção de protótipos funcionais é ainda, em alguns casos, um processo caro e que consome muito tempo, devido à relação de tamanhos e maquinário.

De acordo com Hilton, o uso das técnicas de Prototipagem Rápida na fabricação de ferramentas pode reduzir em 75% o tempo de desenvolvimento. Não reduzindo apenas o tempo, mas também o custo de desenvolvimento do produto. Como exemplo os fabricantes de brinquedo, poderiam utilizar tecnologias de Prototipagem Rápida para suprir suas necessidades de produção em larga escala do mesmo produto em um tempo limitado, com desenvolvimento de novos produtos pare cada época do ano.

Peças produzidas através de técnicas de Prototipagem Rápida são cada vez mais usadas para produção de pré-séries e produção de alto e baixo volume. Por exemplo, a Ford Motor Co. , utiliza técnicas de Prototipagem Rápida para produzir moldes metálicos para uma peça plástica na linha Explorer.

ASHLEY relata que a gerencia da Ford acredita que os novos processos resultaram em economia de 30% a 50% nos custos e tempo para produção de ferramentas. Tecnologia para fabricação de ferramentas para produção em massa já tem sido desenvolvida de forma bem sucedida.

Outra principal aplicação para Prototipagem Rápida tem sido a produção rápida de modelos pare fazer peças para visualização, marketing visual, ou alguma outra aplicação onde o protótipo pode representar uma importante função para melhor comunicação, teste, simulação, ou simples visualização. Além disso, as tecnologias de Prototipagem Rápida possibilitam a produção de peça complexas que são impraticáveis ou impossíveis de construir com métodos tradicionais.

O desenvolvimento de ferramentas para converter imagens CT ou MRT em formato STL propiciam a integração entre estas imagens com máquinas de Prototipagem Rápida, abrindo um novo campo de aplicações. Cirurgias e próteses podem ser mais bem planejadas implicando em menor tempo e sofrimento na recuperação de pacientes.

Análise por computador - Elementos finitos e estática linear de tensões

Os softwares de CAE (Engenharia Assistida por Computador) utilizam modelos digitais para simular fenômenos físicos reais através de métodos numéricos aproximados. Os sistemas CAE mais difundidos atualmente são baseados no método dos elementos finitos, o qual deduz um modelo desenvolvido com auxílio do CAD em muitas partes pequenas, resolvendo então em um conjunto de equações algébricas para obter os resultados desejados, em função do carregamento e das condições de contornos aplicados.

Os sistemas CAE já são razoavelmente difundidos entre os engenheiros mecânicos e civis, principalmente para a realização de cálculos estruturais envolvendo tensões estáticas lineares. Entretanto, existem inúmeras situações mais complexas em que este tipo de cálculo acarreta dificuldades práticas e imprecisões importantes.

Por exemplo, para se analisar a resistência mecânica do quadro de uma bicicleta com o uso de um sistema CAE tradicional, seguiríamos as seguintes etapas: desenhar a geometria da bicicleta, definir os materiais envolvidos, definir as forças externas que a estrada exerce sobre a bicicleta enquanto esta se movimenta, definir as condições de contorno, processar os cálculos e interpretar os resultados. Tal exemplo evidencia uma pergunta inerente a este tipo de análise - "Quais são os valores das forças exercidas pela estrada sobre as rodas da bicicleta enquanto esta se movimenta?" A resposta a esta questão freqüentemente não está prontamente disponível, exigindo a realização de experiências práticas ou a adoção de hipóteses simplificadoras. Com a recente tecnologia de simulação de eventos mecânicos, não existe mais a necessidade de se encontrar uma resposta a esta pergunta para se executar a análise de tensões por elementos finitos.

Seminário Robtec em Minas Gerais

Design, prototipagem rápida e seus meios-Parte II

As tecnologias de Prototipagem Rápida atualmente disponíveis diferem em alguns aspectos como o processo utilizado, materiais e precisão, porém todas utilizam o paradigma de construção do protótipo por camadas. Os itens a seguir apresentam brevemente algumas das tecnologias mais usadas de Prototipagem Rápida, suas descrições e características.

Tecnologias mais conhecidas:

Estereolitografia (SLA)

A stereolitografia usa a emissão de um laser, um conjunto óptico, e resina fotossensível para construir a peça, camada por camada. Primeiramente o objeto em matemática CAD e fatiado em camadas. Em uma varredura um feixe de laser ultravioleta contorna a camada correspondente sobre a superfície de um recipiente contendo a resina fotossensível. Quando exposto ao feixe de laser, a resina fotossensível muda do estado liquido para sólido, gerando uma única camada. O procedimento e repetido para a camada imediatamente acima até que a peça seja construída por completo. Cada camada é ligada a uma anterior por fusão. A peça completa é removida do compartimento. Como tratamento à peça é curada com a utilização de um forno especial. Formas de peças na qual tenham partes desconectadas ou salientes requerem estruturas de suporte para evitar que estas desçam para o fundo do compartimento ou flutuem livremente na resina liquida. Estruturas de suporte também são usadas para preencher partes internas que serão preenchidas com liquido, o qual pode comprometer a rigidez da peça.


Sinterização Seletiva à Laser (SLS)

Neste processo uma fina camada de pó termofundível é depositada sobre uma superfície com a ajuda de um rolo. Um feixe de laser de CO2 sinteriza as áreas selecionadas causando a aderência do pó nas áreas a serem formadas pela peça naquela camada em particular. Deposições sucessivas de camadas são feitas até que a peça esteja completa. O pó não sinterizado (fundido) pelo laser e removido quando a peça estiver completa. Este serve como uma estrutura de suporte para as partes salientes e desconectadas. A diversidade de materiais que podem ser usados neste processo é significativa quando comparado a outros processos. Alguns materiais disponíveis para SLS são: nylon, cera, poliamida, elastomero, cerâmica e metal com polímero aglutinante para aplicações em ferramental leve.


Modelagem por Deposição de Material Fundido (FDM)

Nesta tecnologia um polímero termoplástico aquecido ou cera e estrudado através de um bico posicionado sobre uma mesa x-y. O bico e controlado por um computador e deposita material nas áreas selecionadas de cada camada. O processo e repetido de baixo para cima até que a peça seja construída. A rápida solidificação do termoplástico permite fazer em alguns casos partes salientes sem a necessidade de estruturas de suporte, mas em maioria são necessárias a criação de estruturas suportes para a modelagem.


Fabricação por Laminação do Objeto (LOM)

O processo LOM, já em desuso, utiliza a deposição sucessiva de folhas de materiais como filmes plásticos, papel, tecido, ou folhas metálicas para construir a peça camada por camada. O modelo matemático da peça desenvolvida em CAD é secionado para gerar as fatias correspondentes as camadas. Com o uso de um feixe de laser, o contorno da camada secionado é cortado na folha. Usando um rolo aquecido, a camada e unida a anterior e o processo continua até que a peça seja finalizada.


Solid Ground Curing (SGC)

Como na estereolitografia, SGC utiliza um fotopolímero liquido, sensível a luz ultravioleta, mas constrói a peça de uma maneira diferente. Inicialmente, uma máscara que permite ser reescrita e produzida para cada camada, sendo inserida sobre um vidro entre uma lâmpada ultravioleta e o polímero líquido. Uma fina camada de fotopolímero é espalhada. A luz ultravioleta passa através da mascara e endurece as áreas expostas do liquido imediatamente na camada, por completo. O maior benefício do uso de uma lâmpada ultravioleta e que a resina não requer pós-cura. A resina não curada e removida e reaplicada com cera para preencher todas as cavidades vazias, eliminando a necessidade de estruturas de suporte. A cera e cristalizada e a camada é polida para produzir superfícies lisas. A próxima camada e depositada usando o mesmo procedimento.

Continua...
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Design, prototipagem rápida e seus meios - Parte I

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.

Continua...