Departamento de Engenharia Mecânica

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1 Departamento de Engenharia Mecânica Optimização de topologias internas para materiais com elevado desempenho estrutural Dissertação apresentada para a obtenção do grau de Mestre em Equipamentos e Sistemas Mecânicos Autor Pedro Emanuel Marques Gonçalves Orientadora Doutora Cândida Maria dos Santos Pereira Malça Instituto Superior de Engenharia de Coimbra Coimbra, Dezembro de 2011

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3 Nos momentos de crise, só a imaginação é mais importante que o conhecimento. Albert Einstein ( ) III

4 Agradecimentos Aproveito esta oportunidade para agradecer de forma muito especial à Doutora Cândida Malça pelo seu constante apoio, orientação, motivação e partilha de conhecimentos. O pragmatismo e a constante disponibilidade para o debate das situações com que nos deparámos foi crucial para levar a bom porto o presente trabalho. Pelo entusiasmo contagiante desde o primeiro dia que iniciamos esta jornada, um profundo obrigado. De igual modo agradeço ao Centro para o Desenvolvimento Rápido e Sustentado do Produto (CDRsp) da Marinha Grande por ter disponibilizado os meios tecnológicos e humanos para a produção dos provetes que foram alvo de estudo para este trabalho, em particular um especial obrigado ao Doutor Artur Mateus pela sua disponibilidade e apoio, pelo seu contributo para a realização deste trabalho e pela partilha de conhecimentos. Muito Obrigado. Não posso deixar de agradecer também às pessoas com quem tive o prazer de trabalhar e trocar opiniões. Ao Marco Domingos, à Tatiana Patrício, à Juliana Dias, ao João Sousa e ao Miguel Gaspar, muito obrigado pela disponibilidade e pelo vosso contributo. Um agradecimento especial ao Srº Eng. Carlos Rebelo e ao Doutor Fernando Simões pela disponibilidade e auxilio na realização dos ensaios experimentais. Agradeço de forma muito, muito especial aos meus pais e à minha irmã, pelo apoio, pelas oportunidades que me proporcionaram, pela paciência e pelo encorajamento constante. Sem vocês, não seria eu. Sem vocês, não estaria aqui. Obrigado. Agradeço profundamente à minha companheira e amiga de doze anos. Passamos por tanto. Mas espero termos muito mais pela frente. Sem ti minha querida, também não estaria aqui. Por me indicares sempre o caminho, pela tua compreensão e paciência, pelos teus encorajamentos e por estares sempre presente, muito, muito, muito obrigado. Um obrigado muito especial a todos os meus amigos. A todos, Muito Obrigado! IV

5 Optimização de topologias internas RESUMO Resumo Na agressiva economia global actual, um dos factores mais importantes de competitividade comercial e industrial é a rapidez de resposta às solicitações do mercado. A necessidade de obter resultados rapidamente reflecte-se num aumento de agressividade no contexto comercial. Assim, as técnicas aditivas associadas à tecnologia da Prototipagem Rápida, têm sido bem recebidas no seio industrial graça à possibilidade de construir protótipos a partir de modelos gerados por um sistema CAD de forma rápida, automatizada e totalmente flexível. Assim, dentro da panóplia de processos aditivos de PR, o Selective Laser Melting afigurou-se como aquele que mais vantagens emprestava à produção de provetes metálicos porosos, ocupando assim um lugar de destaque pela flexibilidade do material a ser processado e à capacidade de criar componentes funcionais com elevada resistência mecânica. Devido à fraca disseminação desta técnica, e à dificuldade de obter provetes produzidos por SLM, o Fused Deposition Modeling surgiu como alternativa viável e acessível, apresentando-se capaz de criar protótipos funcionais pela extrusão e deposição controlada de filamentos de termoplásticos de elevado desempenho, consideravelmente mais baratos. As topologias internas modeladas visam, essencialmente, promover um elevado grau de porosidade e, ainda assim obter, em relação a componentes completamente densos, resultados satisfatórios no que concerne ao comportamento mecânico. O quanto as diferentes topologias internas contribuem para o incremento das propriedades mecânicas é o que se pretende avaliar. Para isso, o comportamento mecânico foi avaliado numérica e experimentalmente através da realização de ensaios de compressão e flexão de um conjunto de provetes produzidos por um equipamento com uma técnica similar ao FDM, o DualBio e por, SLM. Os resultados mostraram que relativamente ao SLM as topologias 0/90 e 45/135 apresentam os melhores comportamento à compressão e flexão, respectivamente. Em relação ao DualBio, as topologias 60/120 e 0/90 manifestaram o melhor comportamento à compressão e flexão, respectivamente. Palavras-chave: Prototipagem rápida; Fused Deposition Modeling; Selective Laser Melting; DualBio; Topologias Internas; Porosidade; Deposição Controlada de Filamentos. Pedro Emanuel Marques Gonçalves V

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7 Optimização de topologias internas ABSTRACT Abstract In the current and aggressive global economy, one of the most important factors of industrial and commercial competitiveness is the rapidity of response to requests from the market. The need to achieve results quickly is reflected in an increase of aggressiveness in the commercial context. Thus, the additive techniques associated with rapid prototyping technology, have been well received within industrial grace to build prototypes from templates generated by a CAD system quickly, automated and fully flexible. Thus, within the panoply of additive processes of PR, the Selective Laser Melting it appeared as the one who more advantages lent the production of metallic test pieces with high porosity, occupying a prominent place because of the flexibility of the material to be processed and the ability to create functional components with high mechanical resistance. Due to the weak dissemination of this technique, and the difficulty of obtaining specimens produced by SLM, the Fused Deposition Modeling emerged as viable alternative and accessible, showing itself capable of creating functional prototypes by extrusion and controlled deposition of high-performance thermoplastics filaments, considerably cheaper. Internal modeled topologies aimed at essentially promote a high degree of porosity and still obtain, in relation to components completely dense, satisfactory results regarding the mechanical behaviour. How much the different internal topologies are contributing to the increase of mechanical properties is what if you want to evaluate. To do this, the mechanical behaviour was evaluated numerically and experimentally through bending and compression tests of a set of test pieces produced by a shoe with a technique similar to FDM, the DualBio and by, SLM. The results showed that with regard to SLM the topologies 0/90 and 45/135 present the best compressive behavior and bending, respectively. In relation to the DualBio, the topologies 60/120 and 0/90 expressed best compressive behavior and bending, respectively. Keywords: Rapid Prototyping; Fused Deposition Modeling; Selective Laser Melting; DualBio; Internal Topologies; Porosity; Controlled Filaments Deposition. Pedro Emanuel Marques Gonçalves VII

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9 Optimização de topologias internas ÍNDICE Índice Agradecimentos.. IV Resumo.V Abstract. VII Índice...IX Índice de Figuras....XI Índice de Tabelas. XIII Simbologia..... XV Abreviaturas. XVI Capitulo I 1 Introdução... 1 Capítulo II 2 Revisão bibliográfica A Prototipagem Rápida Parâmetros inerentes ao processo de PR Vantagens na Aplicabilidade da PR Fused Deposition Modeling (FDM) Descrição do Equipamento de FDM Aplicabilidade do FDM Dual Bio Selective Laser Melting Descrição do Equipamento de SLM As Potencialidades do Selective Laser Melting Topologias internas Capítulo III 3 Desenvolvimento de topologias Pedro Emanuel Marques Gonçalves IX

10 Capítulo IV 4 Ensaios experimentais Processamento dos provetes DualBio Preparação do Equipamento Estratégia de processamento Realização dos ensaios Procedimentos para realização de ensaios Análise e Discussão dos Resultados Ensaios de Compressão - Provetes - PCL - DualBio Ensaios de Flexão - Provetes - PCL - DualBio Ensaios de Compressão - Provetes - CoCr - produzidos por SLM Ensaios de Flexão - Provetes - CoCr - produzidos por SLM...61 Capítulo V 5 Estudo Numérico SolidWorks SIMULATION Estudo numérico dos provetes Ensaios de compressão- Provetes PCL - DualBio Ensaios de compressão- Provetes CoCr - SLM Ensaios de Flexão a 4 pontos Provetes PCL - DualBio Provetes CoCr - SLM...80 Capítulo VI 6 Conclusão e desenvolvimentos futuros Conclusões Trabalhos Futuros Capítulo VII 7 Referências Bibliográficas X

11 Optimização de topologias internas ÍNDICE Índice de Figuras Figura 1 Simulação CAD/CAM/CAE (Soliworks Simulation Tutórial, 2009)... 7 Figura 2 Transformação dos ficheiros do sistema CAD em Ficheiros STL para o sistema CAM (retirado da Web)... 9 Figura 3 Componentes de um equipamento FDM (Artis, 2006) Figura 4 Equipamento FDM e a produção de um scaffold em PCL (I. Zein et al.,2002). 17 Figura 5 Etapas e fases comuns ao processo FDM (I. Zein et al., 2002) Figura 6 Esquema do equipamento SLM (J.P. Kruth et al., 2010) Figura 7 Obtenção de Topologias Internas (P. Fox et al., 2008) Figura 8 Conectividade entre as unidades microestruturais (P. Fox et al., 2008) Figura 9 Operadores Boleanos (Wikipedia, 2011) Figura 10 Unidades modulares de repetição passíveis de serem utilizadas como topologias internas (Wikipédia, 2011) Figura 11 Conjuntos tridimensionais com base na repetição de unidades modulares (Wikipédia, 2011) Figura 12 Unidade Modular Cuboctaédrica Figura 13 Unidade Modular Octaédrica Figura 14 Unidade Modular Rombicuboctaédrica Figura 15 Provete cuboctaedro (Autor, 2011) Figura 16 Provete octaedro (Autor, 2011) Figura 17 Provete rombicuboctaedro (Autor, 2011) Figura 18 Provete DualBio com fibras orientadas a 0º e 90º (Autor, 2011) Figura 19 Provete DualBio com fibras orientadas a 45º e 135º (Autor, 2011) Figura 20 Provete DualBio com fibras orientadas a 60º e 120º (Autor, 2011) Figura 21 Provetes produzidos por SLM numa liga de cobalto-crómio (Autor, 2011) Figura 22 Provetes produzidos com recurso ao DualBio em PCL (Autor, 2011)...42 Figura 23 Processamento de um provete no equipamento DualBio (equipamento DualBio, CDRsp) Figura 24 Estratégia de deposição (Domingos et al., (2009) Figura 25 Equipamento Instron Series IX (DEM - ISEC) Figura 26 Pratos para o ensaio de compressão (esq.) e Montagem para o ensaio de flexão em 4 pontos (dir.) Figura 27 Posição do provete no ensaio de flexão ( Autor, 2011)...50 Figura 28 Gráfico Carga Deslocamento para o ensaio de compressão Figura 29 Provetes PCL no final do ensaio de compressão Figura 30 Gráfico Carga - Deslocamento para o ensaio de flexão Figura 31 Provetes PCL no final do ensaio de flexão a 4 pontos Figura 32 Gráfico Carga vs Deslocamento para o ensaio de compressão provetes - CoCr.. 60 Figura 33 Provetes SLM no final do ensaio de compressão Pedro Emanuel Marques Gonçalves XI

12 Figura 34 Gráfico Carga vs Deslocamento para o ensaio de flexão em provetes - CoCr Figura 35 Provetes SLM no durante o ensaio de flexão a 4 pontos Figura 36 Elementos finitos Malha sólida (esq) e malha casca ou shell ( SolidWorks tutorial 2009) Figura 37 Tipos de elemento para cada dimensão: (a) unidimensional (b) bidimensional (c) tridimensional Figura 38 Malha do provete 0/90 obtida com recurso ao software SIMULATION Figura 39 Carga aplicada (a)) e lado direito - restrições aplicadas ao provete (b)) Figura 40 Tensões resultantes do ensaio de compressão para a topologia 0/ Figura 41 Malha do provete 45/135 obtida com recurso ao software SIMULATION Figura 42 Tensões resultantes do ensaio de compressão para a topologia 45/ Figura 43 Malha do provete 60/120 obtida com recurso ao software SIMULATION Figura 44 Tensões resultantes do ensaio de compressão para a topologia 60/ Figura 45 Tensões resultantes do ensaio de compressão para a topologia 0/90 - SLM Figura 46 Tensões resultantes do ensaio de compressão para a topologia 45/135 - SLM Figura 47 Tensões resultantes do ensaio de compressão para a topologia 60/120 - SLM Figura 48 Posição, aplicação de carga e restrições do provete de flexão em ambiente Soliworks SIMULATION...76 Figura 49 Alteração à montagem do ensaio numérico de flexão Figura 50 Malha do provete 60/120 para o ensaio de flexão a 4 pontos Figura 51 Tensões resultantes do ensaio de flexão para a topologia 0/ Figura 52 Tensões resultantes do ensaio de flexão para a topologia 45/ Figura 53 Tensões resultantes do ensaio de flexão para a topologia 60/ Figura 54 Tensões resultantes do ensaio de flexão para a topologia 0/90 - CoCr Figura 55 Tensões resultantes do ensaio de flexão para a topologia 45/135 - CoCr Figura 56 Tensões resultantes do ensaio de flexão para a topologia 60/120 - CoCr XII

13 Optimização de topologias internas ÍNDICE Índice de Tabelas Tabela 1 - Propriedades mecânicas do PCL (I. Zein et al., 2002)...43 Tabela 2 - Resultados relativos ao ensaio de compressão Tabela 3 - Média dos valores de tensões e módulos de elasticidade para o ensaio de compressão dos provetes 60/ Tabela 4 - Resultados obtidos no âmb ito de ensaios de compressão (Domingos et al.,2009) Tabela 5 - Resultados relativos ao ensaio de flexão em 4 pontos [Fonte: Autor]...56 Tabela 6 - Resultados relativos ao ensaio de compressão para os provetes CoCr - SLM...59 Tabela 7 - Resultados relativos ao ensaio de flexão para os provetes CoCr - SLM...61 Pedro Emanuel Marques Gonçalves XIII

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15 Optimização de topologias internas SIMBOLOGIA SIMBOLOGIA ºC - Temperatura Grau Celciu T fusão - Temperatura de fusão [ºC] σ máx - Tensão Máxima [MPa] ε - Deformação[mm/mm] E - Módulo de Elasticidade Longitudinal [MPa] F - Força [N] - Variação da força aplicada [N] A - Área [mm 2 ] h - Variação de comprimento [mm] - Comprimento inicial [mm] - deformação [mm] - Largura do provete [mm] - Espessura do provete [mm] - Distância entre os centros dos apoios exteriores [mm] - distância entre os pontos de aplicação das cargas e os apoios exteriores[mm] RC - Dureza Rockwell Pedro Emanuel Marques Gonçalves XV

16 Optimização de topologias internas ABREVIATURAS ABREVIATURAS CAD - Computer Aided Design CAM - Computer Aided Manufacturing CAE - Computer Aided Engineering 3D - tridimensionais PR - Prototipagem Rápida FDM - Fused Deposition Modeling SLM - Selective Laser Melting DualBio - Equipamento de PR patenteado pelo CDRsp PC - Polímero Policarbonato ABS - Polímero Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno PPSF Polifenilsulfona PES - Poliéster PP - Polipropileno PCL - Poli ε-caprolactona CoCr - Liga metálica de cobalto - crómio MEF Método dos Elementos Finitos CDRsp Centro de Desenvolvimento Rápido e Sustentado do Produto ISEC - Instituto Superior de Engenharia de Coimbra CNC - Computacional Numerical Control NC Numeric Control STL - Standard Template Library SLI - Slice (Standard Template Library) ISO - International Standard Organization ASTM - American Society for Testing and Materials DMA - Dynamic Mechanical Analisys XVI

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19 Capítulo I 1 Introdução Na agressiva economia global em que nos encontramos, caracterizada por uma dinâmica social com solicitações comerciais cada vez mais mutáveis, um dos factores mais importantes de competitividade comercial e industrial é a celeridade de resposta às solicitações do mercado. A necessidade de obter resultados rapidamente associados à diminuição de tempo inerente ao desenvolvimento, estudo e análise de novos produtos reflecte-se num aumento de competitividade e agressividade das empresas no contexto comercial actual. Como tal, a velocidade de obtenção de produtos inovadores representa, cabalmente, uma vantagem competitiva assinalável em qualquer indústria. Neste contexto, o recurso a protótipos, com determinada forma geométrica, como meio de materializar uma ideia servindo de instrumento de comunicação entre os diversos intervenientes, de modelos geométricos para verificação das características e especificações do produto que se pretende obter ou de protótipos funcionais para fabrico de ferramentas e protótipos técnicos, que servem de auxílio ao planeamento de produção, constitui o objectivo primeiro de muitas actividades industriais. A necessidade de rapidamente colocar no mercado protótipos em materiais com características mecânicas e funcionais próximas das que se obtêm com os processos de produção definitivos, tem obrigado muitas empresas a adquirir know-how que lhes permita satisfazer tais requisitos. Neste contexto, as técnicas aditivas associadas à tecnologia da Prototipagem Rápida, PR, têm sido bem recebidas no seio industrial, tendo como principais valências, comparativamente com os processos subtractivos de fabricação clássicos, a rapidez de processos, a liberdade geométrica e de selecção de materiais na construção, a flexibilidade, a qualidade de produção e o baixo custo (Kruth et al., 2010 e Duarte et al., 2000). Assim, o desenvolvimento tecnológico do último meio século veio revolucionar estas indústrias em várias áreas, nomeadamente no Design e na produção de protótipos. O CAD (Computer Aided Design), que permite a criação de modelos em computador, auxiliando a concepção de um produto ou protótipo, é actualmente uma ferramenta indispensável para a indústria tecnológica e a associação do CAD ao CAM (Computer Aided Manufacturing) proporcionou uma revolução nos procedimentos envolvidos na concepção e design de protótipos, peças mecânicas, próteses, entre outros (Callicott, 2001). Com recurso às modernas técnicas aditivas associadas à PR é possível construir protótipos Pedro Emanuel Marques Gonçalves 1

20 INTRODUÇÃO reais a partir de modelos gerados por um sistema CAD de forma rápida, automatizada e totalmente flexível (Carvalho e Volpato, 2007). A PR assume-se assim como uma tecnologia de reprodução de protótipos virtuais (3D) tridimensionais em protótipos físicos com geometrias complexas. Tecnologicamente, os equipamentos de PR e o conjunto de técnicas aditivas que lhe estão associadas permitem a construção de protótipos de forma livre, camada após camada, resultado da integração de diversos processos físicos e químicos. Uma das grandes valias da PR é a ausência de desperdício de material na construção dos protótipos, independentemente da forma mais ou menos complexa, do tipo de material ou da técnica aditiva utilizada. A PR representa nos dias de hoje um vasto conjunto de equipamentos com variadas técnicas aditivas, cabendo ao projectista a selecção mais adequada do processo a utilizar de acordo com o objectivo para o qual o produto irá ser concebido. Neste contexto, dentro da panóplia de técnicas aditivas disponíveis em equipamentos de PR, duas destacam-se das demais e servem de fio condutor para realização deste estudo, são elas: o FDM (Fused Deposition Modeling) e o SLM (Selective Laser Melting). O FDM apresenta como principal valência a possibilidade de criar protótipos funcionais tridimensionais, directamente a partir de ficheiros CAD, pela extrusão e deposição controlada de filamentos de termoplásticos de elevado desempenho. Esta técnica aditiva dispensa processos de pós-cura dos materiais, eliminando uma etapa necessária a outras técnicas, o que resulta numa vantagem tanto no tempo de produção e, por isso, no time-tomarket, como também resulta numa redução dos custos inerentes ao processo. Em termos de aplicabilidade, o FDM é ideal para modelos conceptuais, modelos de engenharia e protótipos funcionais para realização de ensaios, razão pela qual é largamente utilizado para aplicações aeroespaciais e aeronáuticas, na indústria automóvel (Stratasys Inc. Copyright, 2011) e mais recentemente na produção de scaffolds na área da Engenharia dos Tecidos (Tissue Engeneering), com vista à produção de próteses resistentes, leves e com topologias internas que facilitem e promovam a regeneração óssea (Hutmacher et al, 2000). Ao invés de protótipos produzidos com recurso a materiais poliméricos, o SLM aplicase à produção de protótipos metálicos, apresentando-se como um processo de produção não convencional onde sucessivas camadas de material em pó são fundidas e consolidadas, umas em cima das outras, por um feixe de laser de elevada intensidade guiado por um sistema electromecânico de precisão, dentro de uma câmara de construção com uma atmosfera controlada. 2

21 Capítulo I Ao contrário de outras técnicas aditivas, onde ocorre sinterização ou fusão parcial dos pós, o SLM funde-os completamente solidificando-os sem a necessidade de utilizar uma mistura de ligação conduzindo à obtenção de peças com uma densidade quase absoluta, numa única etapa, sem necessidade de pós-processamento (Yadroitsev, 2007 e Kruth et al, 2005). O SLM ocupa assim um lugar de destaque dentro da grande variedade de técnicas de PR devido à flexibilidade do material a ser processado, à capacidade de criar componentes funcionais com propriedades mecânicas comparáveis às propriedades dos materiais em pó que lhes dão origem, ou mesmo criar componentes com propriedades superficiais melhoradas tais como dureza, resistência à abrasão e à corrosão entre outras (Yadroitsev, 2007). Todavia, é inquestionável que a grande vantagem do SLM está associada à produção de componentes com elevada resistência mecânica, pela geração e optimização das topologias internas constituídas por paredes finas, vazios ocultos e canais que se traduzem numa subsequente redução de peso sem que com isso a estabilidade, a fiabilidade e a resistência mecânica dos protótipos seja comprometida (L. Hao et al., 2009). Aliado a esta vantagem, o SLM já foi aplicado com sucesso utilizando materiais como alumínio, cobre, ferro, aço inoxidável, crómio, ligas de níquel, titânio e compósitos destes materiais (Dickens, 2010). As potencialidades do processo SLM, anteriormente descritas, são aproveitadas por diversos sectores industriais. A indústria aeroespacial e a aeronáutica, a indústria automóvel, a indústria naval e a medicina são apenas alguns exemplos da vasta aplicabilidade de componentes produzidos com recurso a esta técnica aditiva (Byeong-Don Joo et al., 2009). Se por um lado, a redução de peso nos componentes produzidos por SLM utilizados nos sectores industriais supra mencionados se traduz num menor consumo de combustíveis necessários à propulsão dos respectivos veículos por outro lado, as próteses médicas produzidas através do SLM não só constituem uma mais-valia para o paciente por serem drasticamente mais leves, como facilitam a integração óssea, resultado da especificidade das topologias internas que permitem o crescimento do tecido ósseo através das próteses evitando a necessidade de posterior remoção. Estes são apenas alguns exemplos do campo de aplicação de componentes produzidos com recurso ao SLM, sendo certo que o sucesso da sua aplicabilidade é fortemente influenciada pela geometria das suas topologias internas. Neste contexto, é propósito deste trabalho a optimização de topologias internas, de materiais com elevado desempenho estrutural, que conduzam a incrementos significativos nas propriedades mecânicas dos componentes produzidos por SLM. Pedro Emanuel Marques Gonçalves 3

22 INTRODUÇÃO Para alcançar tal desiderato foram modeladas várias topologias internas e o seu comportamento mecânico avaliado numericamente, recorrendo a um software comercial de Elementos Finitos (MEF). Com os propósitos de avaliar a influência das topologias internas desenvolvidas no desempenho estrutural dos provetes, e de validar os resultados numéricos produziram-se no DualBio, um equipamento com uma técnica similar ao FDM, e por SLM, um conjunto de provetes que foram avaliados experimentalmente pela realização de ensaios de compressão e flexão em quatro pontos. As topologias internas modeladas no âmbito deste trabalho, visaram essencialmente a produção de componentes com elevado grau de porosidade, em relação a componentes completamente densos, não comprometendo o seu comportamento estrutural e resistência mecânica. O quanto as topologias internas contribuem para estabilidade estrutural de um componente, no caso, um provete, produzido com esta especificidade é o que se pretende aferir. Sabendo à priori que um provete completamente denso apresentará melhor comportamento mecânico quer à compressão quer à flexão, a optimização destas topologias irá de encontro a um equilíbrio entre a porosidade do componente, e portanto o peso, e a sua resistência mecânica, podendo atestar, para valores semelhantes de porosidades, a influência das diferentes topologias internas no comportamento estrutural destes componentes. O enquadramento e os objectivos gerais do tema deste trabalho encontram-se descritos neste primeiro capítulo. No segundo capítulo é apresentada sumariamente uma revisão bibliográfica relativa ao tema em questão, expondo as especificidades dos processos produtivos envolvidos, as diferenças entre eles e as vantagens de cada um. Será também demonstrada a vasta aplicabilidade de componentes produzidos com recurso às duas técnicas aditivas em estudo, validando assim a escolha destes processos em detrimento de outros. Outro dos pontos abordado neste capítulo é a importância que as topologias internas representam, quer no desempenho estrutural destes componentes, quer no sucesso da sua aplicabilidade numa determinada área onde as especificidades são fulcrais para a funcionalidade em causa. O desenvolvimento das topologias internas, modeladas para avaliar a sua influência sobre o desempenho estrutural de um componente, é apresentado no capítulo terceiro. Aqui são apresentados dois tipos de estruturas internas: uma estrutura interna composta por filamentos de secção circular dispostos com orientações bem definidas, e uma estrutura interna constituída pela repetição de unidades modulares octaédricas não maciças. 4

23 Capítulo I No capítulo quarto são apresentados e discutidos os resultados obtidos experimentalmente, enquanto que a descrição do estudo numérico efectuado, que visa reproduzir tanto quanto possível o ensaio experimental, e os respectivos resultados constituem objecto do quinto capítulo. As principais conclusões resultantes do trabalho desenvolvido, bem como linhas orientadoras de futuros desenvolvimentos ficam reservadas para o capítulo sexto. Pedro Emanuel Marques Gonçalves 5

24 6 INTRODUÇÃO

25 Capítulo II 2 Revisão bibliográfica Segundo Kindlein (2010), à luz do Design, entende-se por processo produtivo toda e qualquer transformação aplicada sobre materiais, para que estes dêem origem a um produto. Tais processos, juntamente com a selecção de materiais, viabilizam e racionalizam a execução do projecto proporcionando uma constante evolução nas técnicas de produção. Neste sentido, os sistemas CAD/CAM/CAE (Computer Aided Engineering) procuram optimizar o projecto de um protótipo ou produto, considerando os materiais seleccionados e as condições a que o produto estará submetido. Callicott (2001), define as ferramentas CAD como sistemas computacionais auxiliares na geração, modificação, análise e/ou optimização de um projecto; enquanto que as ferramentas CAM representam a interface de um computador com uma máquina, ferramenta ou processo sisando a automação. Esta forma de automação controlada, conhecida por CNC (Computacional Numerical Control), constitui a base da maioria das aplicações de CAM. O CNC proporciona aos designers meios mais económicos e efectivos de fabricação de produtos e protótipos cuja viabilidade é independente complexidade e/ou quantidade. A flexibilidade na utilização de diferentes tipos de materiais, e.g., madeira, plásticos, cerâmicos e metais, justifica a ampla aplicação deste processo de produção. Por fim, as ferramentas computacionais CAE permitem uma abordagem de engenharia preditiva envolvendo a construção e a análise de protótipos, com recurso ao método dos elementos finitos (MEF), através de softwares específicos, o que diminui significativamente os custos e os tempos associados ao desenvolvimento de um projecto. As simulações obtidas com recurso a um software CAE auxiliam as mais diversas áreas da engenharia e.g. estruturas, projectos mecânicos, análise de circuitos eléctricos e mecânica dos fluidos, em solicitações estáticas e dinâmicas ou relativamente ao comportamento térmico, à encurvadura, testes de fadiga e impacto, entres outras (Soliworks Simulation Tutorial, 2009). A Figura 1 exemplifica as fases de projecto associadas à utilização de uma ferramenta computacional CAE. Figura 1 Simulação CAD/CAM/CAE (Soliworks Simulation Tutórial, 2009) Pedro Emanuel Marques Gonçalves 7

26 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Até a década de 80, os sistemas CAD/CAM/CAE eram utilizados quase exclusivamente por grandes empresas ligadas ao ramo da indústria aeronáutica e automóvel (Zerbone, 1995). Com o aparecimento de hardwares mais baratos, principalmente os microprocessadores, e softwares com aplicações mais poderosas, a aquisição de sistemas CAD/CAM/CAE economicamente viáveis para o design, modelação, simulação, análise e optimização tornou-se possível para a grande parte das empresas de projecto, engenharia e produção de componentes. A aceitação desta tecnologia integrada revolucionou por completo o modo como os produtos e protótipos são, actualmente, projectados e fabricados, nomeadamente pela utilização de processos de fabrico aditivos como é o caso da Prototipagem Rápida (Zerbone, 1995). 2.1 A Prototipagem Rápida No final da década de 80 surgiram os resultados das primeiras pesquisas que procuravam desenvolver uma tecnologia capaz de produzir objectos directamente de um modelo tridimensional gerado num programa CAD. Esta tecnologia, conhecida por Prototipagem Rápida, - PR -, permitia produzir objectos que visavam auxiliar as equipas de engenharia e de projectistas na visualização, montagem e teste de produtos optimizando os tempos de produção (Cimject, 2011). De uma forma geral, pode dizer-se que todo o processo de produção que proporcione a fabrico de objectos tridimensionais a partir de um modelo CAD, com o auxílio de um sistema CAM, num curto espaço de tempo, incluindo o tempo de programação, pode ser considerado como uma técnica de prototipagem rápida Exemplos de técnicas que assentam na tecnologia da PR são: Stereolithography (SL), Solid Ground Curing (SGC), Laminated Object Manufacturing (LOM), Fused Deposition Modeling (FDM), Selective Laser Sintering (SLS), Selective Laser Melting (SLM), Direct Metal Laser Sintering - DMLS (EOS), Laser Engineered Net Shaping (LENS), Three-Dimensional Printing (3DP), Thermojet, High-Speed Machining (HSM) entre outros (Duarte et al., 2001 e Kindlein, 2010). De acordo com a definição de Carvalho e Volpato (2007), a prototipagem rápida é um processo de fabrico alicerçado no princípio de produção por camada, i.é., resulta da adição de material em forma de camadas planas sucessivas. Esta tecnologia permite fabricar componentes, peças e protótipos 3D, com informações obtidas directamente a partir do modelo geométrico gerado no sistema CAD, de forma rápida, automatizada e flexível. 8

27 Capítulo II Primeiramente, obtém-se uma representação tridimensional do objecto a ser gerado através de um sistema de digitalização tridimensional ou de um software CAD. Este ficheiro é, normalmente, utilizado no formato STL (Standard Template Library) que representa uma malha triangular. Depois da obtenção do ficheiro no formato STL, o modelo 3D é enviado para um sistema CAM, especifico para cada processo e máquina, onde é seccionado por fatias, slices, paralelas entre si e perpendiculares ao eixo de construção Z que corresponde à conversão do ficheiro STL num ficheiro SLI. Na sequência de etapas de construção sucessivas, o sistema CAM processa a trajectória da ferramenta para cada uma das camadas bidimensionais e o ficheiro para o comando numérico (CN) da máquina é gerado. O ficheiro CN é de seguida enviado para a máquina e o componente é fabricado. Esta sequência de etapas é, esquematicamente, representada na Figura 2. A etapa de pós-processamento requer, normalmente, limpeza dos protótipos e pode ser necessário acabamento do protótipo consoante a técnica aditiva utilizada. Figura 2 Transformação dos ficheiros do sistema CAD em Ficheiros STL para o sistema CAM (retirado da Web) Devido à sua importância e potencialidade, que derivam da necessidade de colocar produtos inovadores no mercado em curto espaço de tempo com geometrias complexas, para fazer frente à feroz competitividade que impera na actual economia global, o aparecimento da prototipagem rápida assinala não só um ponto de viragem nos processos de concepção de protótipos, mas um marco incontornável em termos de tecnologias de produção. Pedro Emanuel Marques Gonçalves 9

28 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Quando comparado com outros processos de fabrico, particularmente com os processos convencionais de maquinagem, o processo de prototipagem rápida apresenta vantagens inquestionáveis como (Volpato, 2007): ü Independência da complexidade geométrica do protótipo: produção de geometrias geralmente impossíveis de serem fabricadas por outros processos, nomeadamente processos de subtracção de material; ü Não requer dispositivos ou suportes especiais para fixação: geralmente os protótipos são fixos nas plataformas de construção por suportes criados pela própria tecnologia; ü Geralmente, não é necessária a troca da ferramenta de trabalho: normalmente, é utilizado, do início ao fim do processo, um único meio de processamento do material seja este laser, deposição de material fundido, jacto de tinta ou outros; ü O componente é fabricado em uma única etapa de processo: é necessário um único equipamento para construir o protótipo, do inicio ao fim; ü Não são necessários cálculos complexos de trajectórias de ferramentas: o planeamento do processo é bastante simples, uma vez que assenta basicamente no cálculo de trajectórias 2D e, por isso, é realizado de forma praticamente automática por sistemas dedicados; ü Menor tempo de fabricação e do redução do custo de obtenção de protótipos, principalmente os de geometria mais complexa, quando comparado aos processos convencionais de maquinagem; ü Pode ser utilizada para obter ferramentas para a produção de um número maior de peças. Todavia, aspectos como os que a seguir se enumeram podem condicionar a selecção da prototipagem rápida como processo de fabrico, e.g. (Volpato, 2007): û Os materiais utilizados e, consequentemente, as suas propriedades mecânicas não são as mesmas dos que constituem o produto final. Apenas alguns materiais específicos, desenvolvidos para cada uma das tecnologias aditivas, podem ser empregues nestes processos e, devido ao facto de a fabricação ser por adição de camadas, o material possui certa anisotropia. Este facto implica limitações na aplicação das peças produzidas por estes processos. û A precisão e o acabamento superficial são inferiores aos das peças obtidas por maquinagem convencional. 10

29 Capítulo II O facto de a peça ser construída por adição de camadas planas, a qualidade superficial apresenta algumas irregularidades recorrentes do efeito escada em regiões inclinadas e curvas. Este efeito provoca um desvio da geometria da peça modelada através do sistema CAD, que é inerente ao processo de prototipagem rápida. û Devido ao custo envolvido, existe uma limitação na quantidade de protótipos que podem ser produzidos com os sistemas de prototipagem actuais. Quando o número de peças é significativo, deve-se recorrer às tecnologias de obtenção de moldes. û Em virtude da natureza térmica/química de alguns processos, problemas como distorções, empenamento e expansão podem ser observados. No entanto, têm sido minimizados com consecutivos desenvolvimentos das tecnologias de prototipagem rápida. 2.2 Parâmetros inerentes ao processo de PR A precisão dos ficheiros STL ou da modelação 3D não são os únicos parâmetros que influenciam a qualidade final dos produtos produzidos por PR, a configuração dos parâmetros do processo, específicos para cada sistema de prototipagem rápida, e a orientação do modelo dentro do volume de construção podem e devem ser adequadamente planeados e especificados (Choi e Samavedan, 2002). As principais etapas para o planeamento do processo de PR são a orientação dos protótipos, geração de suportes para os processos que eles necessitam, o fatiamento e a selecção dos parâmetros do processo. A orientação do protótipo ou peça em qualquer sistema de PR influencia um conjunto de características do protótipo gerado, devido a algumas características intrínsecas à produção por adição de camadas planas 2D. Segundo Silva (2007), destacam-se a anisotropia do protótipo e o efeito degrau ou escada. A anisotropia é uma forte característica dos processos de prototipagem rápida, devido ao material do protótipo possuir diferentes propriedades mecânicas em cada eixo de construção. As camadas são depositadas ao longo do eixo z apresentando, normalmente, a sua agregação uma maior fragilidade quando comparada com a agregação de material na mesma camada, isto é, no eixo xy. Os parâmetros do processo, característicos a cada sistema são muitos importantes na redução da anisotropia. Silva (2007), destaca entre estes parâmetros, a forma de varredura ou preenchimento de camada, potência do laser e ajustes de temperaturas. O efeito degrau, intrínseco às tecnologias aditivas, aparece em todas as superfícies, planas ou não, que estiverem inclinadas em relação ao eixo de construção. Pedro Emanuel Marques Gonçalves 11

30 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Isto afecta directamente a qualidade do protótipo tanto a nível dimensional como a nível da sua resistência mecânica. A orientação por seu turno também influencia fortemente outros factores construtivos como o tempo de processo, complexidade dos suportes, empenamento, expansões/contrações, volumes, etc. O efeito degrau ou escada pode ser minimizado pela diminuição da espessura da camada, no entanto, esta é ainda uma opção limitada em vários sistemas, uma vez que a espessura mínima da camada é ainda demasiado elevada. Outro problema é que normalmente a relação linear de redução da camada para metade dobra o tempo de construção. Aliado a estes, a variação da espessura da camada pode trazer mudanças significativas nos parâmetros do processo, e.g. o acréscimo na potência do laser para sinterizar ou fundir as camadas de maior espessura. Grande parte dos processos de prototipagem rápida requer estruturas de suporte para servir de apoio às regiões do protótipo que durante a fase construtiva estariam instáveis. De acordo com Volpato (2007), as estruturas de suporte devem ser minimizadas o suficiente para garantir a estabilidade na construção do modelo. A criação de suportes específicos depende do processo, da geometria do modelo que dará origem ao protótipo e da sua orientação no volume de construção do equipamento. Dependendo do processo e do modelo do equipamento, os suportes podem ser retirados de várias formas: por remoção mecânica, através da quebra das estruturas frágeis de suporte propositadamente construídas com uma secção reduzida na interface do protótipo; ou por dissolução utilizando agentes corrosivos ou detergentes ou por fusão, aumentado a temperatura com o propósito de derreter o suporte uma vez este apresentar um ponto de fusão inferior ao do material do protótipo. A remoção do suporte é uma actividade realizada no pós-processamento, acrescendo no tempo total de produção, principalmente nos casos de remoção mecânica dos suportes, o que diminui a qualidade superficial do protótipo. Quando a remoção é efectuada mecanicamente, os suportes localizados em regiões de difícil acesso de ferramentas, e.g. pequenas cavidades, são difíceis ou mesmo impossíveis de serem removidos, nestes casos a utilização de superfícies inclinadas pode ser a solução. As superfícies inclinadas podem ser construídas sem a necessidade de suporte, desde que esta inclinação seja suficiente para que a camada antecedente suporte a seguinte. A inclinação máxima que permite a construção de um modelo sem necessidade de suporte para uma determinada superfície depende do processo e do material utilizado. Para reduzir a quantidade de suportes, diminuindo, consequentemente, o tempo de processamento para a sua deposição, é importante orientar o modelo da forma mais estável possível na base e com o menor número de estruturas em balanço. 12

31 Capítulo II Nem sempre é de fácil escolha, uma vez que quando se trata de geometrias pouco uniformes e com dimensões muito díspares, a orientação da parte mais estável pode incorrer em grande altura de construção e portanto, aumentando considerável o tempo de construção. Deve também ser considerada a anisotropia que o material de um protótipo pode apresentar, podendo uma orientação incorrecta comprometer a sua funcionalidade (Volpato, 2007). As etapas de pós-processamento e acabamento são muito importantes no desenvolvimento de produtos e protótipos funcionais utilizando as tecnologias de prototipagem rápida. O pós-processamento é responsável por finalizar algum processo iniciado na prototipagem, como por exemplo, a cura de uma resina em forno com luz ultravioleta, a limpeza e remoção de material em excesso ou a infiltração de resina especial para conferir maior resistência mecânica ou garantir a impermeabilidade do protótipo. O acabamento é posterior ao pós-processamento e pretende adequar o protótipo ao fim a que se destina. Nesta operação podem ser usados processos convencionais como pintura, revestimento, polimento, maquinagem ou outro processo específico. O acabamento permite conferir ao protótipo alterações nas suas características, impossíveis de alcançar com recurso a processos de prototipagem rápida, tornando-os mais próximos dos requisitos de aplicação (Volpato, 2007). 2.3 Vantagens na Aplicabilidade da PR A PR tem prometido uma mudança nas opções de produção desde o desenvolvimento dos primeiros equipamentos de estereolitografia nos anos 80. Alguns sistemas de PR e as suas configurações realizaram recentes avanços que possibilitam trazer para o mercado produtos antes economicamente inviáveis, produtos impossíveis de fabricar ou produtos que importassem valores de serviço integrados, i.e. personalizados ou fabricados de acordo com as necessidades ou com a procura. Em geral, a customização produção personalizada - em massa é um termo que tem sido aplicado a produtos ou serviços que permitem uma rápida customização, ou linhas de produção com intervenção humana. Até agora, a produção de componentes metálicos não experimentou efectivamente aplicações e técnicas para a customização em massa. Intuitivamente e etimologicamente, e expressão customização em massa possui um sentido em contraponto com a produção em massa. Através da produção em massa, faz-se grandes quantidades de algum produto com o móbil de obter um baixo custo unitário em virtude do grande volume de produção. Todos os processos são idênticos para eliminar custos necessários para agilizar variações. Pedro Emanuel Marques Gonçalves 13

32 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA A palavra massa é comum em ambas as expressões e sugere que, quando aplicada à customização, seja esperada uma diminuição dos custos de produção. Não necessariamente tão baixo como a produção em massa de item não personalizado, mas próximo o suficiente para que o custo da customização não atrapalhe a produção em grandes volumes. Na prototipagem rápida encontra-se o potencial inerente para a redução de custos de produção que podem auxiliar o sistema de customização em massa. Algumas destas vantagens são aplicáveis a uma produção personalizada ou repetitiva que já se realiza, e incluem: ü Eliminação de custos com perdas de material: no caso de metais, um processo subtractivo gera resíduos, considerando que os processos aditivos utilizam um pouco mais de material ao que o objecto necessitaria. Custos associados com as perdas de material e com a deposição ou reciclagem são evitados; ü Redução dos custos de stock de matéria-prima: a geração de modelos de diferentes tamanhos a partir de matérias-primas sem forma definida (pós por exemplo) ao invés de matérias-primas com formas pré-estabelecidas reduz os custos relativos ao stock; ü Redução de custos com sucatas: no momento em que componentes uma vez encaixados podem ser fabricados como componente único, a possibilidade de rejeição de peças é menor, e o facto de a produção ser controlada por informação digital reduz a possibilidade de erro humano no processo; ü Eliminação de custos com ferramentas: Processos de PR directa de metais permitem a fabricação de modelos funcionais, moldes e ferramentas sem o gasto de ferramentas de produção; Os recentes avanços na qualidade de materiais metálicos devem eliminar a hesitação para disseminar os sistemas de prototipagem rápida entre os principais ambientes de produção. A qualidade do material é o ponto-chave. 2.4 Fused Deposition Modeling (FDM) A aplicabilidade de modelos obtidos com recurso a técnicas de produção aditiva, particularmente à PR, tem crescido ao longo dos últimos anos, de modo que tem sido possível produzir modelos funcionais com alta resistência por processos cada vez mais optimizados, numa gama de materiais cada vez mais vasta. Este contexto tem vindo a reforçar, em paralelo com outras técnicas, o recurso a uma das técnicas aditivas de prototipagem rápida, o FDM. 14

33 Capítulo II A técnica aditiva de FDM é patenteada pela Stratasys, Inc., a qual opera na área da fabricação de máquinas de prototipagem rápida e produção de peças plásticas, sendo comercializada sob a marca Dimension 3D Printers and Fortus 3D Production Systems. A empresa também opera através da RedEye On Demand, um serviço de produção digital para protótipos e peças de produção. De acordo com Wohlers Report (2010), a Stratasys forneceu mais sistemas de fabricação aditivos em 2009 do que qualquer outro fabricante, tornando-se líder do mercado da unidade por o oitavo ano consecutivo, entre eles o uprint Personal 3D Printer com dimensões na ordem dos 610 x 660 mm, e com um volume de construção de 203 x 152 x 152 mm. O FDM apresenta como principal valência a possibilidade de criar protótipos funcionais tridimensionais directamente a partir de ficheiros CAD recorrendo para isso à extrusão e deposição controlada de filamentos de termoplásticos de elevado desempenho. Se a capacidade de criar um protótipo tridimensional a partir de um modelo CAD 3D é comum a todas as técnicas de PR, a valência na utilização de materiais com elevado desempenho catapulta-a para um lugar de destaque no seio das técnicas aditivas presentes nos equipamentos de PR. A possibilidade de utilizar polímeros que apresentam vantajosas propriedades mecânicas, e.g., Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno (ABS), a Polifenilsulfona (PPSF), o Poliéster (PES), o Polipropileno (PP), o Ultem 9085, o Policarbonato (PC) e alguns elastómeros, como materiais para a produção de protótipos funcionais é uma das razões, entre outras, que justifica o facto de o FDM ser um dos processos aditivos mais requisitados na indústria que recorre a este tipo de tecnologias (Wohlers, 2010). Ao projectista cabe a função de ponderar todas as especificidades e as exigências das condições de serviço para as quais o protótipo está a ser produzido e optar pelo material mais adequado, quer seja numa óptica de custo/beneficio quer seja apenas em função das propriedades mecânicas esperadas para o protótipo. 2.5 Descrição do Equipamento de FDM O equipamento de FDM é dotado de uma pequena extrusora de temperatura controlada que força um filamento de um termoplástico fundido a ser extrudido por dois bicos na cabeça extrusora, um para alimentar as camadas de material para o protótipo e outro para alimentar a geração automática de suportes, que vão sendo depositados sobre uma plataforma de construção, camada a camada. Pedro Emanuel Marques Gonçalves 15

34 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA O filamento de termoplástico é obrigado a entrar na cabeça da extrusora através da rotação de dois cilindros que têm uma função similar a um pistão, quando a pressão é aumentada dá-se a extrusão e a deposição do material na plataforma de construção ao mesmo tempo que a própria extrusora aquece o material a uma temperatura próxima da temperatura de fusão do material imediatamente antes de ser extrudido. As bobines alimentadoras do fio termoplástico e do material para geração de suportes, ficam alojados dentro do equipamento, num ambiente controlado a vácuo, uma vez que a humidade poderia causar a formação de bolhas no interior do bico extrusor que poderiam causar a descontinuidade da deposição de material. Os bicos extrusores, que funcionam como uma resistência, são alimentados pelos filamentos através dos dois cilindros movidos por um motor eléctrico, que vão originar a extrusão de material pelo bico extrusor. O software do equipamento de FDM é um conjunto CAD/CAM não integrado na máquina. O equipamento é conectado ao computador, com o sistema CAM, que controla constantemente os comandos de construção. Para cada camada geram-se coordenadas e trajectórias por onde o material vai ser depositado. Ao final de cada camada depositada, à luz do que também sucede em outros equipamentos de prototipagem rápida, através de um sistema electromecânico, a plataforma de construção desce e outra camada de material é depositada sobre a que lhe antecedeu (Artis, 2006). Ao fim de um determinado número de rebaixamentos da plataforma de construção e as consequentes camadas estrategicamente adicionadas, obtém-se um modelo tridimensional. São esquematicamente apresentados na Figura 3 os componentes principais de um equipamento de FDM. Bobine de alimentação do filamento termoplástico Bico extrusor Plataforma de construção Figura 3 Componentes de um equipamento FDM, Artis (2006) 16