Universidade Federal de Itajubá PROTOTIPAGEM RÁPIDA PROCESSO DE DESENVOLVIMENTO DE PRODUTOS EPR-707 ENGENHARIA DO PRODUTO

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1 Universidade Federal de Itajubá PROTOTIPAGEM RÁPIDA PROCESSO DE DESENVOLVIMENTO DE PRODUTOS EPR-707 ENGENHARIA DO PRODUTO

2 PROTOTIPAGEM NO PDP Mercado Tecnologia PRODUTO Planejamento do Produto Concepções Viabilidade Necessidade cliente Requisitos Gerais Especificações Técnicas Criatividade Técnica Econômica Financeira T É C N I C A S Projeto Básico Projeto Executivo Modelagem Análise de Sensibilidade Análise de Estabilidade Otimização Ensaios Consolidação Programação Projeto dos Conjuntos Projeto Componentes e Peças Protótipos Certificação do Projeto Certificação da Fabricação D E A P O I O PROTOTIPAGEM RÁPIDA 2

3 CICLO DE DESENVOLVIMENTO DE PRODUTOS HÁ ALGUNS ANOS Necessidade de vários protótipos e atualizações Ciclo demorado Teste físico e Reprojeto Baseado em Hardware Revisão Manual Desenvolvimento de Produtos Protótipo Físico PROTOTIPAGEM RÁPIDA 3

4 CICLO DE DESENVOLVIMENTO DE PRODUTOS ATUAL Prototipagem Funcional Virtual Desenvolvimento Virtual de Produtos 3D CAD Mock-up Digital PROTOTIPAGEM RÁPIDA 4

5 EVOLUÇÃO DA APLICAÇÃO DOS SISTEMAS CAE Número de Custo das Simulações CAE Simulações CAE Mainframes Custo do Protótipo Físico Workstations e Servidores 1960 PROTOTIPAGEM Anos RÁPIDA

6 O QUE É PROTOTIPAGEM RÁPIDA É uma tecnologia inovadora desenvolvida nas últimas duas décadas. Refere-se a uma classe de tecnologias que pode automaticamente construir modelos físicos a partir de dados de um projeto auxiliado por computador (CAD). PROTOTIPAGEM RÁPIDA 6

7 O QUE É PROTOTIPAGEM RÁPIDA 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 feita numa fase anterior à produção de ferramental definitivo. PROTOTIPAGEM RÁPIDA 7

8 O QUE É PROTOTIPAGEM RÁPIDA A prototipagem pode ser definida como um processo de fabricação através da adição de material em forma de camadas planas sucessivas, isto é, baseado no princípio da manufatura por camada. Fonte: Volpato (2007) PROTOTIPAGEM RÁPIDA 8

9 FINALIDADES DE USO DA PROTOTIPAGEM RÁPIDA Ela visa produzir protótipos de forma relativamente rápida para: inspeção visual; avaliação ergonômica; análise de forma e dimensional; padrão mestre para a produção de ferramentas. Fonte: CHOI e CHAN (2004) PROTOTIPAGEM RÁPIDA 9

10 PONTOS FORTES DA PROTOTIPAGEM RÁPIDA Capacidade de produzir formas tridimensionais complexas e detalhadas; Redução de lead times para peças únicas; Os processos ocorrem em um compartimento fechado, com baixa geração de ruídos ou desperdícios; Redução substancial do tempo de lançamento do novo produto no mercado; Melhoria na manufaturabilidade e redução de custos no projeto de produtos. PROTOTIPAGEM RÁPIDA 10

11 PONTOS FORTES DA PROTOTIPAGEM RÁPIDA Não requer dispositivos ou ferramental especial para a fixação. Quando houver a necessidade de suportes, esses são criados pela própria tecnologia da máquina; Geralmente, não é necessária troca de ferramenta de trabalho; O componente é fabricado em uma única etapa de processo; Não são necessários cálculos complexos de trajetórias de ferramentas. PROTOTIPAGEM RÁPIDA 11

12 PONTOS FRACOS DA PROTOTIPAGEM RÁPIDA A velocidade de produção do protótipo é muito lenta. Dependendo do nível de precisão requerido e do tamanho do objeto, o processo pode levar algumas horas ou alguns dias. PROTOTIPAGEM RÁPIDA 12

13 PONTOS FRACOS DA PROTOTIPAGEM RÁPIDA A maioria dos equipamentos somente pode fabricar itens de até 500 mm 3 de volume; A qualidade final da superfície do protótipo rápido gerado normalmente necessita de um acabamento secundário. PROTOTIPAGEM RÁPIDA 13

14 PONTOS FRACOS DA PROTOTIPAGEM RÁPIDA Os materiais e suas propriedades mecânicas não são as mesmas dos metais e plásticos geralmente usados no produto final; A precisão e o acabamento superficial são inferiores aos das peças obtidas por usinagem. PROTOTIPAGEM RÁPIDA 14

15 CRIAÇÃO DO PROTÓTIPO PROTOTIPAGEM RÁPIDA 15

16 CRIAÇÃO DO PROTÓTIPO PRÉ-PROCESSAMENTO: Em um software de desenho 3D, tal como o SolidWorks, cria-se um modelo da peça; Exporta-se o modelo como um arquivo com extensão STL; O arquivo é processado e o sólido desenhado em 3D é fatiado em diversas camadas. STL PROTOTIPAGEM RÁPIDA 16

17 CRIAÇÃO DO PROTÓTIPO PRÉ-PROCESSAMENTO: Efeito escada PROTOTIPAGEM RÁPIDA 17

18 CRIAÇÃO DO PROTÓTIPO PROCESSAMENTO: O equipamento cria a primeira camada (ou fatia) do modelo físico; O modelo é abaixado até a altura da espessura da próxima camada; O processo se repete até a completa construção do modelo sólido. PROTOTIPAGEM RÁPIDA 18

19 CRIAÇÃO DO PROTÓTIPO PÓS-PROCESSAMENTO: O modelo e seus suportes são removidos; É dado o acabamento final (processo final de cura ou um tratamento da superfície) da peça física. PROTOTIPAGEM RÁPIDA 19

20 CATEGORIAS DE TECNOLOGIAS ADIÇÃO DE MATERIAL O modelo físico é construído sequencialmente, uma camada sobre a outra, até formar uma cópia analógica de seu original digital em CAD; REMOÇÃO DE MATERIAL Uma ferramenta subtrai material, através da utilização de uma variedade de diferentes tipos de fresas, geralmente de um bloco de madeira ou espuma, que é gradualmente reduzido para a réplica física do modelo original desenhado em CAD. PROTOTIPAGEM RÁPIDA 20

21 PROTOTIPAGEM RÁPIDA POR ADIÇÃO DE MATERIAL Prototipagem Rápida Adição de Material Remoção de Material Líquido Partículas Discretas Camadas Sólidas Solidificação de um polímero líquido Solidificação de um fluído eletrofixante Solidificação de um material fundido Fusão de partículas por laser Junção de partículas com aglutinante União de camadas com adesivo União de camadas com luz Electrosetting (ES) Selective Laser Sintering (SLS) Three Dimensional Printing (3DP) Laminated Object Manufacture (LOM) Solid Foil Polimerization (SFP) Ponto a ponto Camada a camada Superfície holográfica Gas Phase Deposition (GPD) Laser Engineered Net Shaping (LENS) Spatial Forming (SF) Stereolitografia (SL) Líquid Thermal Polimerization (LTP) Beam Interference Solidification (BIS) Solid Ground Curing (SGC) Holographic Interference Solidification (HIS) Ponto a ponto Three Dimensional Welding (3DW) Fused Deposition Modelling (FDM) Camada a camada Shape Deposition Manufacturing (SDM) Ballistic Particle Manufacture (BPM) Multi-Jet Modeling (MJM) PROTOTIPAGEM RÁPIDA 21

22 Modelagem por Deposição de Material Fundido (FDM) A FDM se baseia na deposição, sobre uma plataforma, de camadas resultantes do aquecimento e amolecimento de filamentos (arames) do material plástico destinado à confecção do modelo. FDM = Fused Deposition Modeling PROTOTIPAGEM RÁPIDA 22

23 Modelagem por Deposição de Material Fundido A máquina para a FDM possui uma plataforma, revestida de uma bandeja flexível, que se movimenta no sentido vertical (eixo Z) e um cabeçote provido de dois bicos extrusores de arames aquecidos: um para alimentar as camadas do modelo e outro para a construção automática dos suportes. Esses arames ficam estocados dentro da máquina, em ambiente a vácuo aquecido, pois a umidade do material dentro do bico extrusor poderia causar formação de bolhas, que impediria a continuidade de sua deposição pelo bico. PROTOTIPAGEM RÁPIDA 23

24 Modelagem por Deposição de Material Fundido Os bicos extrusores, que na verdade, funcionam como uma resistência, são alimentados por esses filamentos através de duas guias giratórias ligadas a um motor, as quais vão transferindo para eles os arames estocados no rolo; O software da FDM é um misto CAD/CAM e não é integrado à máquina; Para cada camada geram-se coordenadas ou caminhos pelos quais o bico extrusor vai depositando os fios fundidos. Ao final de cada camada a plataforma desce e o cabeçote inicia a deposição de mais material para a outra camada, repetindo a operação até a conclusão do modelo PROTOTIPAGEM RÁPIDA 24

25 Modelagem por Deposição de Material Fundido Máquina de prototipagem adquirida pela UNIFEI. Fabricante: Stratasys Modelo: Dimension SST 768 PROTOTIPAGEM RÁPIDA 25

26 Modelagem por Deposição de Material Fundido Arame de suporte Arame de modelo Os arames destinados ao modelo são de ABS, elastômeros ou cera, enquanto os destinados aos suportes são uma mistura de ABS e cal; O processo não desperdiça material durante ou após a produção do protótipo, exigindo pouca necessidade de limpeza e permitindo sua instalação em ambientes não industriais; O acabamento final da superfície da peça é inferior aquele obtido através da estereolitografia; Uma máquina, com câmara de 203 x 203 x 305 mm, pode custar aproximadamente US$ ,00. O principal fabricante é a Stratasys. PROTOTIPAGEM RÁPIDA 26

27 Modelagem por Deposição de Material Fundido Instalação de cartucho com material de suporte e modelo PROTOTIPAGEM RÁPIDA 27

28 Modelagem por Deposição de Material Fundido Visão geral do envelope e da plataforma de construção de peças do eixo Z. Z PROTOTIPAGEM RÁPIDA 28

29 Modelagem por Deposição de Material Fundido Visão geral do envelope e da cabeça de extrusão (movimento em X e Y). X Y PROTOTIPAGEM RÁPIDA 29

30 Modelagem por Deposição de Material Fundido (1) (2) (5) (3) (5) (4) Acessórios: (1) Computador; (2) ar condicionado; (3) desumidificador; (4) no-break; (5) cuba de ultra-som. PROTOTIPAGEM RÁPIDA 30

31 Como fazer um protótipo rápido 1) Escolha da peça: ex. flange da roda do Mini-baja. PROTOTIPAGEM RÁPIDA 31

32 Como fazer um protótipo rápido 1) Modelar o produto a ser prototipado em um software paramétrico 3D, por exemplo, o SolidWorks ou o Pró-Engineer. PROTOTIPAGEM RÁPIDA 32

33 Como fazer um protótipo rápido 3) Gravar o modelo em um arquivo com extensão STL. PROTOTIPAGEM RÁPIDA 33

34 Como fazer um protótipo rápido 4) Ligar a máquina de prototipagem e abrir o software Catalyst EX. PROTOTIPAGEM RÁPIDA 34

35 Como fazer um protótipo rápido 5) Abrir o arquivo STL da figura no Catalyst. PROTOTIPAGEM RÁPIDA 35

36 Como fazer um protótipo rápido 6) Definir orientação para construção da peça. PROTOTIPAGEM RÁPIDA 36

37 Como fazer um protótipo rápido 7) Mandar processar o arquivo STL e adicionar ao pacote. PROTOTIPAGEM RÁPIDA 37

38 Como fazer um protótipo rápido 8) Verificar posição de construção da peça na plataforma e conferir dados para Construção (tempo e quantidade de material suporte e modelo). 9) Mandar imprimir. PROTOTIPAGEM RÁPIDA 38

39 Saindo do forno... (quer dizer, da máquina) (1) (2) (3) (4) Flange da roda do Mini-Baja ao final do processo de prototipagem (1 e 2) e a retirada do material de suporte (3 e 4). PROTOTIPAGEM RÁPIDA 39

40 Outras gerações da flange do Mini-Baja PROTOTIPAGEM RÁPIDA 40

41 Alguns protótipos produzidos Flange da roda do Mini-Baja (30% do tamanho original) PROTOTIPAGEM RÁPIDA 41

42 Alguns protótipos produzidos Flange da roda do Mini-Baja (tamanho original) PROTOTIPAGEM RÁPIDA 42

43 Alguns protótipos produzidos Proposta de trinco para forno de panificação PROTOTIPAGEM RÁPIDA 43

44 Alguns protótipos produzidos Uma miniatura de um paliteiro. PROTOTIPAGEM RÁPIDA 44

45 Alguns protótipos produzidos Uma pequena mansãozinha... PROTOTIPAGEM RÁPIDA 45

46 Estereolitografia (SLA) Trata-se do primeiro processo de prototipagem rápida, sendo desenvolvido em 1986 pela 3D Systems. SLA = Stereolithography PROTOTIPAGEM RÁPIDA 46

47 Estereolitografia (SLA) O processo baseia-se na polimerização de uma resina fotosensível (acrílica, epóxi ou vinil) composta de monômeros, fotoiniciadores e aditivos, através de um feixe de laser UV (ultra-violeta). Uma vez pronto, o modelo sólido é removido do banho de polímero líquido e lavado. Os suportes são retirados e o modelo é introduzido num forno de radiação ultravioleta para ser submetido a uma cura completa. PROTOTIPAGEM RÁPIDA 47

48 Estereolitografia (SLA) A estereolitografia utiliza uma resina foto-curável (fotopolímero) que pode ser classificada como um epóxi ou acrílico; Em geral, esse material tem um preço elevado, além de possuir um odor desagradável e ser tóxico; Uma máquina, com câmara de 250 x 250 x 250 mm (o tamanho mais comum), pode custar aproximadamente US$ ,00. Principal fabricante: 3D Systems. PROTOTIPAGEM RÁPIDA 48

49 Manufatura de Objetos em Lâminas (LOM) Nesta técnica camadas de material, na forma de tiras revestidas de adesivo, são grudadas umas nas outras formando-se o protótipo. LOM = Laminated Object Manufacturing PROTOTIPAGEM RÁPIDA 49

50 Manufatura de Objetos em Lâminas (LOM) O material original consiste de bobinas de papel laminado com cola ativada pelo calor; Um rolo coletor avança a tira de papel sobre a plataforma de construção, onde há uma base feita de papel e fita com espuma nas duas faces; A seguir, um rolo aquecido aplica pressão para fixar o papel à base; Uma fonte de raio laser com alta precisão de foco corta o contorno da primeira camada sobre o papel e então quadricula a área em excesso. PROTOTIPAGEM RÁPIDA 50

51 Manufatura de Objetos em Lâminas (LOM) O material original consiste de bobinas de papel laminado com cola ativada pelo calor; Esse quadriculado rompe o material extra, tornando fácil sua remoção durante o processamento posterior; Após o corte da primeira camada a plataforma é abaixada, liberando o caminho para que o rolo coletor avance a tira de papel e exponha material novo; Então, a plataforma se eleva até um ponto ligeiramente inferior à altura original, o rolo aquecido liga a segunda camada à primeira e a fonte de raio laser corta a segunda camada. PROTOTIPAGEM RÁPIDA 51

52 Manufatura de Objetos em Lâminas (LOM) É uma tecnologia muito boa para produzir protótipos de grande porte; O principal material é o papel; Os equipamentos eram fabricados pela Helisys e agora são de propriedade da Cubic Technologies. PROTOTIPAGEM RÁPIDA 52

53 Sinterização Seletiva a Laser (SLS) Esta técnica, patenteada em 1989, usa um raio de laser para fundir, de forma seletiva, materiais pulverulentos, tais como náilon, elastômeros e metais, num objeto sólido. SLS = Selective Laser Sintering PROTOTIPAGEM RÁPIDA 53

54 Sinterização Seletiva a Laser (SLS) As peças são construídas sobre uma plataforma a qual está imediatamente abaixo da superfície de um recipiente preenchido com o pó fusível por calor; O raio laser traça a primeira camada, sinterizando o material; A plataforma é ligeiramente abaixada, reaplica-se o pó e o raio laser traça a segunda camada; O processo continua até que a peça esteja terminada. O pó em excesso ajuda a dar suporte ao componente durante sua construção. PROTOTIPAGEM RÁPIDA 54

55 Sinterização Seletiva a Laser (SLS) O acabamento final da peça tem um aspecto poroso; O material empregado é do tipo termoplástico; Os principais fabricantes são a EOS e a 3D Systems. PROTOTIPAGEM RÁPIDA 55

56 Impressão por Jato de Tinta (MJT) Essa tecnologia, também conhecida como Thermojet, ao contrário das técnicas expostas anteriormente, se refere a uma classe inteira de equipamentos que usam a tecnologia de jato de tinta. MJT = Multi Jet Modeling PROTOTIPAGEM RÁPIDA 56

57 Impressão por Jato de Tinta (MJT) Os protótipos são construídos sobre uma plataforma situada num recipiente preenchido com material pulverulento. Um cabeçote de impressão por jato de tinta "imprime" seletivamente um agente ligante que funde e aglomera o pó nas áreas desejadas. O pó que continua solto permanece na plataforma para dar suporte ao protótipo que vai sendo formado. A plataforma é ligeiramente abaixada, adiciona-se mais material pulverulento e o processo é repetido. Ao se terminar o processo a peça é sinterizada, removendo-se o pó que ficou solto. PROTOTIPAGEM RÁPIDA 57

58 Impressão por Jato de Tinta (MJT) Podem ser usados pós de materiais poliméricos, cerâmicos e metálicos. Uma máquina, com câmara de 203 x 203 x 305 mm, pode custar aproximadamente US$ ,00. Os principais fabricantes são a 3D Dimension e a Z Corporation. PROTOTIPAGEM RÁPIDA 58

59 Comparação das tecnologias Processo Característica SLA SLS FDM LOM SGC Precisão Excelente Boa Regular Baixa Excelente Contração Boa Excelente Boa Excelente Boa Resistência Boa Excelente Boa Boa Boa Variedade de materiais Pequena Grande Pequena Pequena Pequena Custo protótipo Alto Alto Médio Baixo Alto Necessidade de suporte Sim Não Sim Não Não Qualidade da superfície (acabamento) Necessidade de pósprocessamento Boa Excelente Regular Baixa Boa Sim Sim Sim Sim Sim Necessidade de pós-cura Sim Não Não Não Não PROTOTIPAGEM RÁPIDA 59

60 Como escolher o sistema mais apropriado? A escolha da tecnologia de prototipagem rápida mais adequada está ligada com o tipo de produto, envolvendo fatores como: Qualidade de protótipos necessários; Dimensões do componente; Finalidade do protótipo; Qualidade de acabamento necessária do protótipo. Não existe processo de prototipagem rápida melhor que outro. Todos apresentam vantagens e desvantagens, sendo estas dependentes da geometria e, sobretudo, do tipo da aplicação do protótipo (NETO et al., 2003). PROTOTIPAGEM RÁPIDA 60

61 PROTOTIPAGEM RÁPIDA POR REMOÇÃO DE MATERIAL PROTOTIPAGEM RÁPIDA 61

62 PROTOTIPAGEM RÁPIDA POR REMOÇÃO DE MATERIAL PROTOTIPAGEM RÁPIDA 62

63 NOVAS TECNOLOGIAS: Prototipagem rápida com gelo Um pesquisador da Universidade de Missouri está trabalhando para ver se sua idéia para prototipagem rápida pode ser comprovada. O método pretende utilizar água em um ambiente congelante, fazendo com que gotículas transformem-se instantaneamente em gelo. O sistema experimental faz com que gotas d'água sejam depositadas por um finíssimo esguicho sobre uma superfície, da mesma forma que o plástico em outros sistemas. Mas, ao contrário das atuais técnicas, o RFP ocorre em uma câmara fria, congelando imediatamente as gotículas e mantendo perfeita a peça construída. Rapid Freeze Prototyping" - RFP, ou prototipagem por congelamento rápido Fonte: PROTOTIPAGEM RÁPIDA 63