Divinópolis, 09 de junho de 20

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1 CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA CEFET-MG CAMPUS V CONTEXTO SOCIAL E PROFISSIONAL ENGENHARIA MECATRÔNICA 1 PERIODO PROF.: RENATO S. DÂMASO Máquinas de Prototipagem Rápida Grupo 8 André Lucas Costa da Silva André Felix Leite Praça Cícero Mendes Moreira Gomes Pedro Dini Magalhães Divinópolis, 09 de junho de 20

2 Sumário 1 Resumo Introdução A Evolução dos Equipamentos de Prototipagem Rápida Como Funciona Métodos de Construção Produtos Perfeitos em Segundos Mercado Consumidor Adeus à Interferência Humana O Futuro em Sua Casa Acolhendo as Diferenças Companhias que Oferecem o Serviço Object Unique Dimension Desktop Factory Ferramentaria Rápida Melhorias Conclusão Referências Bibliográficas

3 1. Resumo A prototipagem rápida é um processo utilizado para a fabricação de componentes físicos a partir das informações geométricas fornecidas por um sistema CAD (projeto auxiliado por computador). Esse processo consiste em adicionar material na forma de camadas planas sucessivas, possibilitando a fabricação de peças complexas sem a necessidade de moldes e ferramentas. Ao contrário dos processos de usinagem, que subtraem material da peça em bruto para se obter a peça desejada, os sistemas de prototipagem rápida geram a peça a partir da união gradativa de líquidos, pós ou folhas de papel. Camada por camada, a partir de seções transversais da peça obtidas a partir do modelo 3D, as máquinas de prototipagem rápida produzem peças em plásticos, madeira, cerâmica ou metais. Os dados para as máquinas de prototipagem são gerados no sistema CAD no formato STL, que aproxima o modelo sólido por pequenos triângulos ou facetas. Quanto menores forem estes triângulos, melhor a aproximação da superfície, ao custo naturalmente de maior tamanho do arquivo STL e tempo de processamento. Uma vez que o arquivo STL é gerado, as demais operações são executadas pelo próprio software que acompanha as máquinas de prototipagem rápida. Basicamente, estes softwares irão, além de operações básicas de visualização, gerar as seções transversais do modelo que será construído. Tais dados são então descarregados para a máquina que irá depositar as camadas sucessivamente até que a peça seja gerada. Os métodos são bastante peculiares, uma vez que eles agregam e ligam materiais, camada a camada, de forma a constituir o objeto desejado. Eles oferecem diversas vantagens em muitas aplicações quando comparados aos processos de fabricação clássicos baseados em remoção de material, tais como fresamento ou torneamento. 2. Introdução Nos últimos anos surgiu uma nova família de máquinas altamente inovadoras que permitem, com tecnologias e materiais diferentes, obter um protótipo de um modelo ou de um molde, de maneira precisa e rápida a partir do modelo sólido gerado no sistema CAD 3D. Tais máquinas, conhecidas como máquinas de Prototipagem Rápida, permitem obter peças físicas acabadas, de modo automático, de qualquer forma e em dimensões finais, com complexidade e detalhes que não permitiriam sua obtenção em máquinas convencionais de usinagem, ou tornariam sua execução demorada ou complexa em centros de usinagem numericamente comandados. 2

4 Dessa forma, tais máquinas possibilitam uma maior velocidade e menor custo na obtenção de protótipos se comparado aos processos tradicionais de usinagem. Além disso, em certos casos estas técnicas permitem a obtenção de matrizes capazes de produzir uma quantidade limitada de peças, ideal para o emprego na produção de lotes pilotos. Tal tecnologia possibilita que as empresas possam desenvolver produtos mais rapidamente e com menor custo, e, principalmente, com um acréscimo na qualidade por meio de uma melhor avaliação do projeto. Leva também a uma diminuição das incertezas e riscos. É o caso do ferramental, por exemplo, cujo risco de perda por falhas no projeto diminui drasticamente e também, do produto que, uma vez tornado físico pode ser mais bem avaliado antes da decisão de dar continuidade ao seu desenvolvimento. 3. A evolução dos equipamentos de prototipagem rápida Presentes no Brasil desde a década de 1990, os equipamentos de prototipagem rápida vêm alcançando evolução tecnológica vertiginiosa nos últimos tempos. Atualmente, os protótipos tem uma gama vasta de aplicações, passando pela indústria automotiva, eletroeletrônica, eletrodomésticos, calçados, entre outras, explica Fernando Schmiegelow, diretor de marketing da Sisgraph, uma das pioneiras desse mercado. Sistemas de prototipagem rápida surgiram inicialmente em 1987, com o processo de estereolitografia (StereoLithography - SL) da empresa americana 3D Systems, processo que solidifica camadas (layers) de resina foto-sensível por meio de laser. O sistema SLA-1, o primeiro sistema de prototipagem disponível comercialmente, foi um precursor da máquina SLA - 250, bastante popular nos dias de hoje. Após a empresa 3D Systems iniciar a comercialização de máquinas SL nos EUA, as empresas japonesas NTT Data e Sony/D-MEC passaram a comercializar suas versões de máquinas de estereolitografia em 1988 e 1989, respectivamente. Em seguida, em 1990, a empresa Eletro Optical Systems - EOS na Alemanha, passou a comercializar o sistema conhecido como Stereos. Logo após vieram as tecnologias conhecidas como Fused Deposition Modeling (FDM) da empresa americana Stratasys, Solid Ground Curing (SGC) da israelense Cubital e Laminated Object Manufacturing (LOM), todas em A tecnologia FDM faz a extrusão de filamentos de materiais termoplásticos camada por camada, semelhante à estereolitografia, só que utilizando um cabeçote de fusão do material em vez de cabeçote laser. SGC, também trabalha com resina foto-sensível a raios UV, só que solidifica cada camada numa única operação a partir da utilização de máscaras criadas com 3

5 tinta eletrostática numa placa de vidro. LOM solidifica e corta folhas de papel (atualmente folhas de termoplásticos reforçado com fibras) usando laser controlado por computador. Sistemas de sinterização (Selective Laser Sintering - SLS) da empresa americana DTM e o sistema Soliform de estereolitografia da japonesa Teijin Seiki tornaram-se disponíveis em Usando calor gerado pelo laser, SLS funde pós metálicos e pode ser utilizado para obtenção direta de matrizes de injeção. Em 1993, a americana Soligen comercializou o produto conhecido por Direct Shell Production Casting (DSPC), que utiliza um mecanismo de jato de tinta para depositar líquido agregante em pós cerâmicos para produção de cascas que podem por sua vez serem utilizados na produção de moldes e peças injetadas em Alumínio, processo este desenvolvido e patenteado pelo MIT (Massachussets Institute of Technology). Em 1994 muitas outras tecnologias e sistemas surgiram, como o ModelMaker da empresa americana Sanders Prototype, usando sistema de jato de cera ( ink-jet wax). Outro sistema que apareceu foi o Solid Center da empresa japonesa Kira Corp., utilizando um sistema laser guiado e um plotter XY para produção de moldes e protótipos por laminação de papel. Também merecem destaque os sistemas de estereolitografia da empresa Fockele & Schwarze (Alemanha); o Sistema Eosint, da empresa alemã EOS, baseado em sinterização, além do sistema de estereolitografia da empresa japonesa Ushio. O sistema Personal Modeler 2100 da empresa BPM Technology (EUA) foi vendido comercialmente a partir de 1996 (BPM significa Ballistic Particle Manufacturing). A máquina produz peças a partir de um cabeçote a jato de cera. No mesmo ano a empresa Aaroflex (EUA) passou a comercializar o sistema SOMOS em estereolitografia da multinacional DuPont, e a empresas Stratasys (EUA) lançou seu produto Genisys, baseado em extrusão, similar ao processo de FDM, mas utilizando sistema de prototipagem desenvolvido no Centro de Desenvolvimento IBM (IBM s Watson Research Center). No mesmo ano, após oito anos comercializando produtos em esterolitografia, a empresa 3D Systems (EUA) comercializou pela primeira vez seu sistema Actua 2100, sistema baseado em impressão a jato de tinta 3D. O sistema deposita materiais em cera camada por camada através de 96 jatos. No mesmo ano, Z Corp. (EUA) lançou o sistema Z402 3D para prototipagem baseado na deposição de pós metálicos em 3D. Prospecção A tendência, segundo o executivo da Sisgraphs, é que a prototipagem rápida se transforme em manufatura rápida. Hoje já podemos contar com a utilização de protipagem 4

6 rápida para fazer a peça final diretamente na máquina. Em empresas que fazem peças customizadas, pode-se fazer a peça final com este equipamento, afirma o executivo. Aumento da vida útil do produto, redução de erro de projeto, segurança pessoal e o apelo ecológico-ambiental são alguns dos benefícios atestados por uma das mais importantes compradoras desse equipamento, a Bosch fabricante mundial de autopeças, eletrodomésticos e ferramentas, entre outros produtos. No Brasil, a empresa optou por adquirir uma máquina Dimension BST, fornecida pela Sisgraph. O investimento foi de US$ 45 mil, e a máquina está instalada na unidade de Ferramentas Elétricas, em Campinas (SP). Segundo Roderley Camargo, Engenheiro de Desenvolvimento de Produto da Bosch, a Dimension BST é utilizada quase que diariamente, cerca de 8 horas por dia. Em alguns picos de projeto, a máquina chega a ser utilizada 24 horas por dia. O equipamento fica no laboratório de testes da engenharia de ferramentas elétricas. Os profissionais habilitados que operam este equipamento são engenheiros e projetistas. Antes disso, a divisão era obrigada a comprar serviços em diversos fornecedores deste serviço. Camargo destaca que a tecnologia de prototipagem diminui o tempo de desenvolvimento de um produto. Assim, é possível lançar no mercado um produto num menor tempo. Além disso, é possível minimizar os problemas de engenharia como encaixes, montagens, interferências e folgas. Também utilizamos o protótipo rápido como mock-up um modelo físico e funcional na mesma proporção do modelo matemático 3D. Outros benefícios de ter o equipamento de prototipagem em casa também merecem destaque, na opinião de Camargo. Ele cita o fato do know-how ficar dentro da Bosch e a garantia de aprovação do futuro molde plástico. O protótipo é funcional e submetido a alguns testes de laboratório, como forma de premeditar futuros problemas técnicos e o departamento de marketing realiza aprovação do design 3D de forma segura e real. Com relação ao projeto globalizado, temos a certeza de aprovar um novo produto de maneira confiável, pois validamos pelo mock-up físico em forma de protótipo. O engenheiro da Bosch conta que o principal argumento na escolha da Dimension BST, que é fabricada pela Stratasys foi o custo/benefício. Em se tratando de um equipamento da família das impressoras tridimensionais, o valor que esta agrega em nosso negócio é muito alto. Com o uso intensivo da prototipagem, inclusive na fase de conceito do projeto, é possível mensurar alguns ganhos na utilização da prototipagem rápida, por exemplo: redução do time-to- 5

7 market; análise preventiva / redução de erro de projeto e economia de serviço externo em prototipagem. O consumidor final dos produtos Bosch também se beneficia da tecnologia. O gerente de Trade Marketing da Unidade de Ferramentas Elétricas da Bosch, Marcelo Cassone, afirma que a aplicação destas novas técnicas de engenharia, visa beneficiar o usuário, que percebe a qualidade do produto Bosch pela robustez das soluções empregadas, no aumento da vida útil do produto, na segurança pessoal e também na segurança ecológico-ambiental. Após o uso intensivo da técnica de prototipagem rápida, particularmente com o equipamento Stratasys, a engenharia de ferramentas elétricas da Bosch, em Campinas, obteve vários ganhos adicionais, como aumento da vida útil do produto, graças às alterações feitas na fase de criação de design e redução do tempo de construção de um protótipo convencional e melhoria da qualidade do modelo CAD, através da assepsia do modelo matemático 3D, que fora previamente checado via mock-up físico. A unidade de Ferramentas Elétricas da Bosch, em Campinas iniciou os trabalhos com prototipagem rápida no ano de 1996, sendo que até 2004 o serviço era comprado de diversos bureaus. A partir de 2005, reduzimos drasticamente a compra destes serviços, pela aquisição da Dimension BST. Nós já vimos gráficos, filmes, modelos, áudio e outras tecnologias tridimensionais, mas agora chegou a vez das impressoras 3D, equipamentos que permitem a você imprimir praticamente qualquer coisa, de brinquedos e bonecos até partes de equipamentos industriais, tudo em apenas algumas horas. Quando falamos em imprimir, não nos referimos a uma imagem que pode ser visualizada em três dimensões no papel, mas sim a um objeto realmente construído em 3D, como engrenagens, bonecos de brinquedo, capas para celulares ou até mesmo uma motocicleta em tamanho real! Claro que a moto não seria funcional, mas sim um molde em polímero ou gesso do produto final que será produzido. O equipamento não é novidade para as grandes indústrias, que já o utilizam na fase de prototipagem há algum tempo, mas é para o consumidor final que está acontecendo uma revolução: se antes a maioria das impressoras girava em torno de trinta mil dólares ($30000,00), hoje algumas companhias já ofertam produtos na faixa dos cinco mil dólares($5000,00), prevendo para daqui a algum tempo custos inferiores a dois mil dólares($2000,00). 6

8 4. Como funciona Se antes era necessário primeiro desenhar um produto por meio de várias perspectivas, depois projetá-lo em três dimensões para somente então repassá-lo a um artesão especializado, que seria incumbido da tarefa de produzir o primeiro molde (por preços muito elevados), hoje só é necessário projetar o modelo por meio de um aplicativo que lide com objetos 3D e mandá-lo direto para a impressão. Sem complicações, revisões ou impedimentos. Desta forma, as fabricantes podem testar e visualizar tudo com mais agilidade e precisão, tendo noção exata de proporções, falhas de projeto, questões de conforto e segurança (ou design) e do próprio funcionamento, economizando na prévia do produto (já que moldes já não são mais necessários) e poupando muito tempo, fato que lhes confere uma vantagem competitiva enorme. Outras duas vantagens notáveis são a completa ausência de materiais tóxicos durante a fabricação e também a facilidade de limpeza e acabamento: ao invés da lixa para a eliminação de excessos e bordas com falhas, é preciso apenas retirar a camada em excesso com uma pinça ou a poeira com uma escova. 7

9 5. Métodos de construção O conceito de impressão tridimensional é um só, visando sempre à produção de um objeto detalhado com volume e profundidade, entretanto, até mesmo para uma única aplicação existem diversas tecnologias diferentes. A primeira e uma das mais tradicionais consiste na sobreposição de diversas lâminas de polímeros, as quais são coladas por meio do conteúdo de um cartucho especial de cola e cortadas em locais específicos, camada por camada, conferindo a forma final. A cor do material também pode ser escolhida (dentre cerca de cinco opções, incluindo algumas translúcidas), mas deve ser aplicada em toda a peça. Ao término do processo, o usuário precisa apenas destacar as partes remanescentes do bloco principal. Confira um vídeo da tecnologia sendo aplicada abaixo: O segundo método consiste na aplicação de jatos do material em pó por meio de um cartucho de impressão, que são unidos de forma seletiva por outro cartucho com conteúdo adesivo. Esta é a tecnologia de impressão tridimensional mais rápida existente atualmente, além de ser também a única que permite a aplicação de finalização colorida nos objetos (simulando a pintura). Uma variação da aplicação de cartuchos utiliza fotopolímeros em estado líquido, que são injetados e tratados em camadas por meio de uma lâmpada UV (ultravioleta). Aqui entra a combinação entre as cores preta e branca para a criação de tons de cinza, muito populares entre eletro-eletrônicos. Outra mais recente trabalha com materiais sólidos (chamados de ABS), que são aquecidos em uma câmara e derretidos até o ponto de injeção, sendo aplicado então um método similar ao descrito acima. Por tratar com um calor realmente elevado, o objeto construído é imediatamente depositado em uma câmara com água para ser resfriado e finalizado. Por fim e voltada especialmente à produção de objetos realmente pequenos temos a micro-fabricação tridimensional em gel, que utiliza lasers focados em diferentes pontos e distâncias para tratar o material até um ponto em que ele se torne sólido. Todo o restante que não foi focado é simplesmente lavado ao fim do procedimento, se desprendendo da peça. Componentes com tamanhos inferiores a 100 nanômetros são facilmente produzidos. Outro exemplo, novamente, são as peças interligadas com partes móveis. 8

10 Fica claro que cada uma delas possui suas próprias vantagens e problemas, cabendo a quem compra o equipamento definir as prioridades e necessidades, dentre questões como: custo dos materiais de impressão, maleabilidade, velocidade de impressão, capacidades (para um usuário ou vários compartilhados), qualidade e resolução (para impressão detalhada) e necessidade de cores. 6. Produtos perfeitos em segundos Além da finalidade de testes, as impressoras tridimensionais já atingiram um patamar tão avançado que podem construir peças extremamente complexas, já incorporadas umas às outras (montadas, mesmo quando em várias partes e em diferentes profundidades), como garras com movimentos mecânicos, dobradiças e muito mais. Isto é possível graças à utilização de materiais flexíveis e que não se deformam com o tempo. Outros exemplos impressionantes incluem rolamentos com partes redondas e soltas, mas já posicionadas e até mesmo correntes: sem quaisquer emendas, falhas ou marcas de ligação. 7. Mercado Consumidor Como você já percebeu, há uma enorme vantagem para todas as empresas ligadas à fabricação de equipamentos ou ainda para as grandes indústrias, mas a coisa não fica por aí: o processo está sendo utilizado por terceiras que visam colocar um produto rapidamente no mercado, ou ainda consumido sob demanda. Empresas como a Activision (responsável pelo enorme sucesso que é a franquia Guitar 9

11 Hero) estão aderindo a esta onda, programando para o próximo lançamento que os jogadores possam criar seus avatares virtuais (personagens fictícios com características próprias) pelo videogame para depois encomendar versões deles em bonecos de plástico, com direito às mesmas roupas, acessórios e tudo mais. As próprias guitarras e controles especiais para os aspirantes a astros do Rock já passam por testes nos modeladores do futuro. Outro exemplo já mais avançado é o da Bandai a companhia japonesa de desenhos, brinquedos e jogos que conta com uma série de impressoras 3D de larga escala para fabricar sua linha de bonecos Gundams, os quais são redistribuídos pelo mundo todo. O mais curioso é que os modelos vão desde os tamanhos próximos aos de uma pessoa aos minúsculos, menores que um centímetro, mas ainda assim capazes de reter boa parte de seus detalhes. O vídeo abaixo, apesar de estar todo em japonês, mostra exatamente isso, com os apresentadores sendo presenteados com robozinhos minúsculos ao final, praticamente invisíveis ao olho nu, mas ainda assim perfeitamente detalhados: 8. Adeus à interferência humana O clássico Matrix nos defronta com uma realidade na qual as máquinas assumiram total controle e escravizaram os homens. Do ponto de vista da inteligência artificial, há ainda muito a ser estudado e desenvolvido para que nós possamos sequer chegar a um nível próximo ao mostrado nas telinhas, mas há outro aspecto da obra que está bem mais próximo. Com o avanço das impressoras 3D, elas já passam a ser quase auto-replicáveis, podendo produzir mais de 50% de suas próprias partes. É claro que componentes que envolvem circuitos e placas, além de peças metálicas, ainda não estão em questão, mas tudo é uma questão de tempo. E se elas são capazes de imprimir suas próprias partes, isso significa que muitos outros equipamentos receberão o mesmo tratamento em breve. 9. O futuro em sua casa A redução de preço para o equipamento foi realmente drástica desde a sua introdução, o que leva a crer em uma rápida popularização da tecnologia, a qual deve invadir também os lares pelo mundo inteiro. Em entrevista ao The New York Times, Bill Gross da Idea Lab já afirmou que esta faixa de preço deve baixar para menos de mil dólares até E, assim como para a indústria especializada, as vantagens para os consumidores finais seriam enormes. 10

12 Imagine, por exemplo, que seu filho quer um boneco de um desenho qualquer. Hoje, você teria que correr até uma loja para comprar, pagando muitas vezes mais pela licença do que pelo próprio material. Em um futuro que não parece estar distante, tudo o que você teria que fazer seria baixar um modelo direto do site da fabricante e imprimi-lo, sem taxas e custos de empacotamento. O brinquedo sairia pronto. Para o problema da queda de celulares também poderia ser impressa uma nova cobertura externa, assim você não precisaria ficar esquentando a cabeça com capas de silicone ou ainda as meias protetoras. Não há necessidade também de conhecimento técnico, mesmo na atual forma da tecnologia. O usuário precisa apenas seguir as instruções da colocação dos cartuchos ou do material, abrir um programa compatível (os arquivos mais frequentes têm sido os em formato CAD) e mandar para a impressora, exatamente como é feito para imagens e texto. 10. Acolhendo as diferenças Nós falamos de brinquedos, equipamentos e muitas outras coisas, mas as impressoras 3D também terão um importante papel no desenvolvimento de produtos para pessoas com necessidades especiais. Alguém com uma deformação no pé, por exemplo, poderia ter uma palmilha e um calçado projetado, evitando desconfortos e dores causados pelas fôrmas padrão. Seria necessário apenas rodar o scanner para capturar a imagem já pronta do pé e projetar a superfície baseada nas novas medidas. Já para os atletas de alto nível, estão em fase de pesquisa calçados e vestes protetoras que, ao invés de projetarem energia em direção ao solo, gerariam impulso ou energia em sentido contrário, garantindo mais embalo e velocidade ou uma resistência maior contra impactos. 11. Companhias que oferecem o serviço Acredite, são inúmeras companhias ao redor do globo, cada uma utilizando seus próprios métodos para a fabricação tanto da tecnologia quanto da impressora. Abaixo listaremos algumas das opções, seguidas dos respectivos modelos e quando possível o processo de aplicação dos polímeros. 11

13 11.1. Object A empresa é uma das mais versáteis do mercado, ofertando produtos para praticamente todas as necessidades com três linhas distintas. São elas: Alaris, Eden e Connex. A primeira é a mais compacta de todas (o primeiro modelo que é Desktop), possuindo compatibilidade com processos de fabricação por gel (descrito acima) por meio da tecnologia PolyJet Matrix. A linha Eden, por sua vez, conta com inúmeros produtos, voltados especificamente para a produção rápida de itens e equipamentos de precisão, bem como prototipagem rápida. Finalizando a linha deste fabricante, temos a série de ponta, Connex. Ela é uma das únicas do mercado a utilizar tecnologia para múltiplos materiais simultaneamente, o que permite objetos de rigidez variável, além de injeção dupla para alta durabilidade Unique Apesar do espectro multicolorido que fica por trás das imagens dos produtos, a empresa é séria quando o assunto é impressão tridimensional, colocando praticamente um computador inteiro dentro de cada item para que os projetos possam ser salvos e gerenciados em apenas alguns instantes. Sua linha de produtos tem tamanho variável para acomodar as diferentes necessidades de seus consumidores, e pode também imprimir todo tipo de aparato. O diferencial principal é a secagem rápida do material uma vez fora da câmara de impressão Dimension A companhia carrega em seu slogan a mensagem de que é a número um, tendo como foco principal soluções empresariais e comerciais de médio a grande porte. São quatro modelos básicos, sendo oferecido ao usuário um sistema de questionário para que ele verifique qual é a 12

14 melhor solução. A saída delas é de alta precisão, portanto voltada a engenheiros e projetos de peças (até mesmo porque o custo é proibitivo, girando em torno de quinze mil a trinta mil dólares) Desktop Factory É atualmente uma das companhias com oferta mais barata do mercado: seu modelo de impressora custa cinco mil dólares ($5000,00). Para a construção dos objetos é aplicada tecnologia de camadas, tendo como resultado final objetos fortes e duradouros que podem ser aquecidos, pintados ou lixados, mas que não necessitam de reforço posterior. Os métodos permitem aos projetistas criar rapidamente protótipos concretos a partir de seus projetos, ao invés de figuras bidimensionais. Esses modelos apresentam diversos usos. Eles constituem um auxílio visual excelente durante a discussão prévia do projeto com colaboradores ou clientes. Além disso, o protótipo pode permitir testes prévios como, por exemplo, ensaios em túnel de vento para componentes aeronáuticos ou análise fotoelástica para se verificar pontos de concentração de tensões na peça. A verdade é que os projetistas sempre construíram protótipos; os processos de prototipagem rápida permitem que eles sejam feitos mais depressa e de forma mais barata. De fato, estima-se que a economia de tempo e de custos proporcionada pela aplicação das técnicas de prototipagem rápida na construção de modelos sejam da ordem de 70 a 90%. 12. Ferramentaria rápida As mesmas técnicas de prototipagem rápida podem ser usadas para a fabricação de ferramentais, um processo também conhecido como ferramentaria rápida, ou seja, a fabricação automática de ferramentas para uso na produção em série. A produção de ferramentas é uma das etapas mais lentas e caras no processo de manufatura, em função da qualidade extremamente alta que se exige delas. Ferramentas geralmente apresentam geometrias complexas e precisam ser dimensionalmente precisas, em torno de centésimos de milímetro. Além disso, elas devem ser duras, resistentes ao desgaste e apresentar baixa rugosidade, em torno de 0,5 mm RMS. Por isso matrizes e moldes são tradicionalmente feitos por usinagem CNC, eletroerosão ou mesmo manualmente. Todos esses processos são caros e demorados, o que torna a implementação das técnicas de prototipagem rápida muito bem vinda. Estima-se que essas técnicas permitam economizar 75% do tempo e custos envolvidos na fabricação das ferramentas. 13

15 Elas também permitem a obtenção de peças com mesmo nível de qualidade da produção em série, na chamada manufatura rápida. De fato, a prototipagem rápida é o melhor processo de manufatura possível quando se precisa produzir pequenos lotes de peças e ou no caso de componentes complicados. O termo "rápido" associado a esses processos é relativo. A construção de alguns protótipos pode levar de 3 a 72 horas, dependendo do tamanho e complexidade do objeto. Ainda assim esses processos são bem mais rápidos que os métodos tradicionais, tais como usinagem, que podem requerer dias ou mesmo meses para fabricar um único protótipo. Atualmente há pelo menos sete diferentes técnicas de prototipagem rápida disponíveis comercialmente. Uma vez que tais tecnologias estão sendo cada vez mais usadas em aplicações não relacionadas diretamente com prototipagem, é preferível designa-las pelas expressões fabricação sólida com forma livre, manufatura automatizada por computador ou manufatura em camadas. Este último termo descreve particularmente o processo de manufatura usado por todas as técnicas comerciais atuais. Um pacote de software "fatia" o modelo do componente em CAD em várias camadas finas, com aproximadamente 0,1 mm de espessura, as quais são dispostas uma sobre a outra. O processo de prototipagem rápida é um processo "aditivo", combinando camadas de papel, cera ou plástico para se criar um objeto sólido. A natureza aditiva deste processo permite a criação de objetos com características internas complicadas que não podem ser obtidas através de outros processos como, por exemplo, usinagem (fresamento, furação, torneamento, etc.), que são processos "subtrativos", ou seja, removem material a partir de um bloco sólido. Mas, como tudo na vida, a prototipagem rápida não é perfeita. O volume do protótipo é geralmente limitado a 0,125 m3 ou até menos, dependendo do equipamento disponível. Ainda é difícil fazer protótipos de metal, embora se acredite que isso deverá mudar num futuro próximo com o desenvolvimento da técnica. No momento, as técnicas convencionais de manufatura ainda são mais econômicas que as de prototipagem rápida em se tratando de modelos de metal. Todos os processos de prototipagem rápida atualmente existentes são constituídos por cinco etapas básicas: 1. Criação de um modelo CAD da peça que está sendo projetada; 2. Conversão do arquivo CAD em formato STL, próprio para estereolitografia; 3. Fatiamento do arquivo STL em finas camadas transversais; 4. Construção física do modelo, empilhando-se uma camada sobre a outra; 14

16 5. Limpeza e acabamento do protótipo. Os principais sistemas de prototipagem rápida usados na fabricação de modelos estão descritos a seguir: Estereolitografia (SLA, Stereolithography): este processo pioneiro, patenteado em 1986, deflagrou a revolução da prototipagem rápida. Ele constrói modelos tridimensionais a partir de polímeros líquidos sensíveis à luz, que se solidificam quando expostos à radiação ultravioleta. O modelo é construído sobre uma plataforma situada imediatamente abaixo da superfície de um banho líquido de resina epóxi ou acrílica. Uma fonte de raio laser ultravioleta, com alta precisão de foco, traça a primeira camada, solidificando a seção transversal do modelo e deixando as demais áreas líquidas. A seguir, um elevador mergulha levemente a plataforma no banho de polímero líquido e o raio laser cria a segunda camada de polímero sólido acima da primeira camada. O processo é repetido sucessivas vezes até o protótipo estar completo. 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. Uma vez que a estereolitografia foi a primeira técnica bem sucedida de prototipagem rápida ela se tornou um padrão de avaliação (benchmarking) para as demais, que surgiram (e continuam surgindo) posteriormente. Manufatura de Objetos em Lâminas (LOM, Laminated Object Manufacturing): nesta técnica camadas de material, na forma de tiras revestidas de adesivo, são grudadas umas nas outras formando-se o protótipo. 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, ou seja, o espaço negativo do protótipo. Esse quadriculado rompe o material extra, tornando fácil sua remoção durante o processamento posterior. Esse material em excesso proporciona um excelente suporte para projeções, saliências e seções com paredes finas durante o processo de construção. 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 a primeira e a fonte de raio laser corta a segunda camada. Este processo é repetido tantas vezes quantas forem necessárias para construir a peça, a qual apresentará textura similar à de madeira. Uma vez que os modelos são feitos de papel, eles 15

17 devem ser selados e revestidos com tinta ou verniz para se evitar eventuais danos provocados pela umidade. Os mais recentes desenvolvimentos deste processo permitem o uso de novos tipos de materiais, incluindo plástico, papel hidrófobo, pós cerâmicos e metálicos. Estes materiais pulverulentos geram no final do processo uma peça "verde" que deve ser posteriormente sinterizada para que se alcance máxima resistência mecânica. Sinterização Seletiva a Laser (SLS, Selective Laser Sintering): 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. 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. Modelagem por Deposição de Material Fundido (FDM, Fused Deposition Modeling): aqui filamentos de resina termoplástica aquecida são extrudadas a partir de uma matriz em forma de ponta que se move num plano X-Y. Da mesma maneira que um confeiteiro enfeita um bolo usando um saco de confeitar, a matriz de extrusão controlada deposita filetes de material muito finos sobre a plataforma de construção, formando a primeira camada do componente. A plataforma é mantida sob uma temperatura inferior à do material, de forma que a resina termoplástica endurece rapidamente. Após esse endurecimento a plataforma se abaixa ligeiramente e a matriz de extrusão deposita uma segunda camada sobre a primeira. O processo é repetido até a construção total do protótipo. São construídos suportes durante a fabricação para segurar o protótipo durante sua fabricação. Tais suportes são fixados ao protótipo usando-se um segundo material, mais fraco, ou uma junção perfurada. As resinas termoplásticas adequadas a esse processo incluem poliéster, polipropileno, ABS, elastômeros e cera usada no processo de fundição por cera perdida. Cura Sólida na Base (SGC, Solid Ground Curing): é um processo bastante similar a estereolitografia, pois ambos usam radiação ultravioleta para endurecer, de forma seletiva, polímeros fotossensíveis. Contudo, ao contrário da estereolitografia, este processo cura uma camada inteira de uma vez. Em primeiro lugar, a resina foto-sensível é borrifada sobre a plataforma de construção. A seguir, a máquina gera uma foto-máscara (como um estêncil) correspondente à camada a ser gerada. Esta foto-máscara é impressa sobre uma placa de vidro acima da plataforma de construção, usando-se um processo similar ao das fotocopiadoras. A seguir a máscara é exposta à radiação ultravioleta, a qual passa apenas 16

18 através das porções transparentes da máscara, endurecendo seletivamente as porções desejadas de polímero correspondentes à camada atual. Após a cura da camada, a máquina succiona por vácuo o excesso da resina líquida e borrifa cera em seu lugar para dar suporte ao modelo durante sua construção. A superfície superior é fresada de forma a ficar plana e o processo é repetido para se construir a próxima camada. Assim que a peça ficar pronta, é necessário remover a cera nela presente, através de sua imersão num banho de solvente. Essas máquinas são de grande porte e podem produzir modelos de grande tamanho. Impressão por Jato de Tinta (MJT, Multi Jet Modeling; BPM, Ballistic Particle Manufacturing): ao contrário das técnicas expostas anteriormente, esta aqui se refere a uma classe inteira de equipamentos que usam a tecnologia de jato de tinta. 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 "verde" é sinterizada, removendo-se o pó que ficou solto. Podem ser usados pós de materiais poliméricos, cerâmicos e metálicos. Conformação Próxima ao Formato Final via Laser (LENS, Laser Engineered Net Shaping): processo relativamente novo, que apresenta a vantagem de produzir protótipos de metal plenamente densos, com boas propriedades metalúrgicas e sob velocidades razoáveis de construção. Aqui um gerador de raio laser de alta potência é usado para fundir pó metálico fornecido coaxialmente ao foco do raio laser, através de um cabeçote de deposição. O raio laser passa através do centro do cabeçote e é focado para um pequeno ponto através de uma lente ou conjunto e lentes. Uma mesa X-Y é movida por varredura de forma a gerar cada camada do objeto. O cabeçote é movido para cima à medida que cada camada é completada. O raio laser pode ser conduzido até a área de trabalho através de espelhos ou fibra ótica. Os pós metálicos são fornecidos e distribuídos ao redor da circunferência do cabeçote por gravidade ou através de um gás portador inerte pressurizado. Mesmo nos casos onde não se necessitar de uma corrente de gás para se transportar o pó metálico é necessário ter uma corrente de gás inerte para se proteger a poça de metal líquido do oxigênio atmosférico, de forma a se garantir as propriedades metalúrgicas e promover melhor adesão entre camadas através de melhor molhamento superficial. Podem ser usados pós de diversas ligas metálicas, tais como aço inoxidável, inconel, cobre, alumínio e titânio. A potência do gerador de raio laser varia conforme o material usado, taxa de deposição e outros parâmetros, podendo oscilar 17

19 desde algumas centenas até watts ou mais. Os protótipos produzidos requerem usinagem para acabamento, apresentando densidade plena, boa microestrutura e propriedades similares ou melhores ao metal convencional. Já as técnicas de prototipagem aplicadas para a ferramentaria rápida podem ser divididas em duas classes principais. A primeira delas, por sinal a mais usada atualmente, é a ferramentaria indireta: protótipos feitos usando-se as técnicas de prototipagem rápida são usados como modelos para se produzir moldes e matriz. Tais modelos podem ser usados em vários processos de manufatura: Vazamento a vácuo: esta técnica, a mais simples e antiga dentro da ferramentaria rápida, consiste em suspender um modelo positivo feito por prototipagem rápida num tanque cheio de silicone líquido ou borracha vulcanizável a temperatura ambiente (RTV rubber, roomtemperature vulcanizing rubber). Quando o elastômero endurece, o ferramental é cortado em duas metades, removendo-se o modelo feito por prototipagem rápida. O molde de borracha resultante pode ser usado para se vazar até vinte réplicas de poliuretano do modelo original feito por prototipagem rápida. Uma variante deste processo, mais útil, usa moldes de borracha para se produzir ferramental metálico. Ele envolve o preenchimento dos moldes de borracha com aço ferramenta em pó mais um ligante a base de epóxi. Assim que o ligante sofre cura a ferramenta "verde" de metal é removida do molde de borracha, sendo posteriormente sinterizado. Nesta etapa o metal apresenta apenas 70% de seu valor original de densidade, requerendo uma infiltração com cobre para que a peça apresente um valor de densidade mais próximo de um componente maciço. Essas ferramentas apresentam precisão muito boa, mas seu tamanho é limitado a um valor máximo de 25 cm. Moldagem por Injeção: pode-se produzir moldes para injeção feitos de um compósito de metal e cerâmica. Neste processo, uma máquina de estereolitografia é usada para produzir um modelo positivo da peça a ser moldada. A seguir, esse modelo é revestido com níquel, o qual é reforçado com um material cerâmico rígido. As duas metades do molde são separadas para se remover o modelo, obtendo-se então um molde que pode produzir dezenas de milhares de peças injetadas. Rapid Tool: um processo que sinteriza seletivamente grânulos de aço revestidos de polímero de forma a produzir um molde metálico. A seguir o molde é colocado num forno onde se queima o ligante polimérico e a peça é infiltrada com cobre. O molde resultante pode produzir até peças injetadas. Em 1996, a Rubbermaid produziu organizadores de mesa feitos de plástico usando um molde construído por sinterização seletiva a laser. 18

20 Direct AIM: nesta técnica machos produzidos por estereolitografia são usados com moldes para injeção tradicionais de metal normalmente empregados na produção de peças de PEAD, PEBD, PS, PP e ABS. Pode-se produzir até 200 peças com boa precisão. Contudo, são requeridos tempos de ciclo relativamente longos (da ordem de cinco minutos) para se permitir que a peça moldada resfrie o suficiente de forma a não colar no macho feito por estereolitografia. 13. Melhorias Como a máquina de prototipagem rápida deixa restos de material, uma boa proposta de melhoria seria a auto-limpeza do produto, melhorando seu acabamento. A retirada dos excessos é perigosa e difícil para o manipulador do produto, pois estes são normalmente retirados por jato de água, pequenas espátulas ou escovas. Substituindo essa necessidade facilita-se e agiliza-se o processo. Uma proposta de automatização é integrar à máquina um scanner, fazendo um protótipo com mais perfeição e rapidez. E também é possível que a pessoa que possui a máquina, duplicar em sua própria casa um objeto que ela deseja. E a utilização de um braço mecânico para retirar o protótipo, para produção de protótipos em maior escala. 14. Conclusão As máquinas de prototipagem rápida facilitam o processo de fabricação de um protótipo e o faz com muito mais qualidade que um processo mais convencional. Estes, além de fornecer um processo mais rápido e com muito mais qualidade, são utilizadas por trabalhador com muito mais segurança e facilidade, e não polui o meio-ambiente. Atualmente, pelo seu alto preço, não é recomendável para pequenas empresas ou para uso domiciliar. A facilidade de uso contrasta com seu alto valor de aquisição, mas, futuramente com o avanço da tecnologia e a baixa dos preços, as máquinas de prototipagem rápida serão cada vez mais utilizadas por pequenas e grandes empresas, pois elas se tornarão mais rápidas, baratas, e funcionais. Com este trabalho concluímos que cada vez mais o mundo necessita de mudanças e máquinas que não façam mal ao ambiente em que vivemos e precisamos de respeitar e cuidar. Vamos cuidar do que é nosso enquanto é nosso, pois depois de nós virão pessoas que vão lembrar de nós como pessoas que deixaram um bom futuro para seus sucessores. 19

21 15. Referências Bibliográficas Revista Veja Revista Superinteressante 20