UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS ANÁLISE DA PRECISÃO E EXATIDÃO NA FABRICAÇÃO DE COMPONENTES MINIATURIZADOS POR IMPRESSÃO TRIDIMENSIONAL MANOELLA REIS CARDENUTO

2 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS MANOELLA REIS CARDENUTO ANÁLISE DA PRECISÃO E EXATIDÃO NA FABRICAÇÃO DE COMPONENTES MINIATURIZADOS POR IMPRESSÃO TRIDIMENSIONAL FLORIANÓPOLIS 2009

3 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS MANOELLA REIS CARDENUTO ANÁLISE DA PRECISÃO E EXATIDÃO NA FABRICAÇÃO DE COMPONENTES MINIATURIZADOS POR IMPRESSÃO TRIDIMENSIONAL Trabalho apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia de Materiais da Universidade Federal de Santa Catarina como parte dos requisitos para a obtenção do título de Engenheiro de Materiais. Orientador: Gean Vitor Salmoria, Dr. Ing. FLORIANÓPOLIS 2009 ii

4 Ficha Catalográfica Cardenuto, Manoella Reis, Análise da Precisão e Exatidão na Fabricação de Componentes Miniaturizados por Impressão Tridimensional / Manoella Reis Cardenuto f. : il. Color. ; 30 cm Orientador: Gean Vitor Salmoria. Trabalho de conclusão de curso (graduação) Universidade Federal de Santa Catarina, Curso de Engenharia de Materiais, Prototipagem Rápida. 2. Impressão Tridimensional. 3. Miniaturização. 4. Precisão. 5. Exatidão. I. Salmoria, Gean Vitor. II. Universidade Federal de Santa Catarina. Curso de Engenharia de Materiais. III. Título.

5 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS MANOELLA REIS CARDENUTO ANÁLISE DA PRECISÃO E EXATIDÃO NA FABRICAÇÃO DE COMPONENTES MINIATURIZADOS POR IMPRESSÃO TRIDIMENSIONAL Este Trabalho de Graduação foi julgado adequado para a obtenção do título de Engenheiro de Materiais e aprovado em sua forma final pela Comissão examinadora e pelo Curso de Graduação em Engenharia de Materiais da Universidade Federal de Santa Catarina. Prof. Fernando Cabral Prof. Dylton do Vale Pereira Filho Coordenador do Curso Professor da Disciplina Comissão Examinadora Prof. Gean Vitor Salmoria, Dr. Ing. Orientador Eng. Rodrigo Paggi, M. Sc. Prof. Dylton do Vale Pereira Filho, M. Sc. iii

6 Dedicatória "Aos meus queridos pais, Cláudio Cardenuto e Heloisa H. Reis Cardenuto, ao meu irmão Bruno Reis Cardenuto e ao meu noivo Leonardo Ketzer Solano por todo incentivo, apoio, compreensão e dedicação". Obrigada. Amo vocês. iv

7 AGRADECIMENTOS À Universidade Federal de Santa Catarina; Ao Laboratório CIMJECT, pelo suporte oferecido; Ao professor Gean Vitor Salmoria, orientador, pela oportunidade de realizar este trabalho, pela paciência, apoio e dedicação; Aos colegas do laboratório CIMJECT por toda a dedicação e apoio prestados; Aos professores do curso de Engenharia de Materiais; À todos os colegas do curso de Engenharia de Materiais por esses cinco anos de amizade, companhia, apoio, estudos e carinho; À minha dinda Consuelo pela ajuda e dedicação e por todo incentivo na conquista dos meus objetivos; Ao meu irmão Bruno por todo o carinho e compreensão; Aos meus pais amados Cláudio e Heloisa por todo carinho, amor, apoio, incentivo, dedicação, e por nunca deixarem de acreditar em mim. Ao meu noivo Leonardo por todo o amor, apoio e compreensão. A Deus pela minha vida. A todos que, direta ou indiretamente, contribuíram para a realização deste trabalho. v

8 RESUMO O desenvolvimento de novos e a adaptação de processos existentes para a fabricação de componentes miniaturizados passa por aspectos como a modificação de máquinas e ferramentas, otimização de processos, melhorias na exatidão e precisão e até a fabricação de geometrias diferenciadas. A micro-vácuoformagem (hot-embossing), a abrasão a laser e a micro-moldagem por injeção são métodos de fabricação aplicáveis para uma grande diversidade de geometrias e de materiais poliméricos. As técnicas de prototipagem e fabricação rápida, como a estereolitografia (SLA), a sinterização seletiva a laser (SLS) e a impressão tridimensional (3DP) auxiliam o desenvolvimento de novos produtos em um curto prazo de tempo com redução de custos. Estas técnicas permitem a criação de objetos na faixa de centenas até décimos de milímetros com exatidão na ordem de micrometros. O processo de impressão 3D com resina fotossensível é um método recente no mercado que vem crescendo cada vez mais. A máquina Eden250 da Objet, é uma impressora 3D que proporciona à criação de modelos com camadas de até 16 µm e paredes de 600 µm [Objet, 2009]. Este trabalho visa analisar quão preciso e exato é o processo para impressão de modelos miniaturizados produzidos pela impressora Eden250 da Objet baseando-se nas normas ABNT NBR 6158 e 6173 e no estudo a respeito de análise dimensional de peças produzidas por estereolitografia realizado pelo professor Gean Salmoria, Dr. Ing. no laboratório CIMJECT no Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). vi

9 ABSTRACT The development of new and adaptation of existing processes for the manufacture of miniaturized components go through issues such as modification of machines and tools, optimization of processes, improvements in accuracy and precision and to the manufacture of different geometries. The hot- embossing, a laser abrasion and micro-injection molding manufacturing methods are applicable to a wide variety of polymer materials and geometries. The techniques of rapid prototyping and manufacturing, such as stereolithography (SLA) the selective laser sintering (SLS) and three-dimensional printing (3DP) assist the development of new products in a short period of time with reduced costs. These techniques allow the creation of objects in the range of hundreds to tenths of millimeters with accuracy in the order of micrometers. The process of 3D printing with UV cure resin is a recent method in the market that is growing increasingly. The machine of Objet Eden250, is a 3D printer that provides the creation of models with layers of 16 μm to 600 μm and walls [Objet, 2009]. This study aims to examine how precise and exact is the process for printing miniaturized models produced by the Objet printer Eden250 based on the standards ABNT NBR 6158 and 6173 and the study about dimensional analysis of parts produced by stereolithography performed by professor Gean Salmoria, Dr. Ing. in the CIMJECT laboratory at the Department of Mechanical Engineering, Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). vii

10 LISTA DE FIGURAS Figura 1. Esquema ilustrativo de prototipagem rápida [KLAUSS]... 4 Figura 2. Máquina de Impressão 3D Eden250 [Objet]... 6 Figura 3. Esquema de funcionamento de 3DP tecnologia PolyJet [Objet]... 7 Figura 4. Esquema de funcionamento do equipamento de estereolitografia Figura 5. Desenho do modelo, gerado em Solidworks Figura 6. Fotografia digital da amostra com furos - corpo de prova Figura 7. Fotografia digital da amostra com pinos - corpo de prova Figura 8. Análise no MO para: (a) Furo circular de 1000 µm; (b) Furo quadrangular de 1000 µm Figura 9. Análise no MO para: (a) Furo circular de 2000 µm; (b) Furo quadrangular de 2000 µm Figura 10. Análise no MO para: (a) Furo triangular de 2000 µm; (b) Furo estrelado de 2000 µm Figura 11. Análise no MO para: (a) Furo triangular de 3000 µm; (b) Furo estrelado de 3000 µm Figura 12. Análise no MO do furo quadrangular de µm Figura 13. Análise no MO para: (a) Furo circular de 1500 µm; (b) Furo quadrangular de 1500 µm viii

11 LISTA DE TABELAS Tabela 1. Graus de Tolerância Tabela 2. Tolerâncias fundamentais, Sistema ISO Tabela 3. Propriedades da resina FullCure Tabela 4. Valores de tolerância limite para as amostras dos furos e pinos Tabela 5. Resultados das medições dos furos passantes Tabela 6. Resultados das medições dos pinos Tabela 7. Valores da precisão, medidos em RSD, dos CP's com furos Tabela 8. Valores da precisão, medidos em RSD, dos CP's com pinos ix

12 LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS CAD - CIMJECT - CO 2 - CP - CV - FDM - LOM - MEMS - MO - RSD - SGC - SLA - SLS - UV - 3D - 3DP - μm - Computer Aided Design Fabricação Auxiliada por Computador Laboratório de Projeto e Fabricação de Componentes de Plástico Injetados Dióxido de Carbono Corpo de Prova Coeficiente de Variação Moldagem por Fusão e Deposição Modelização de Objeto Laminado Micro Sistemas Eletromecânicos Microscópio Óptico Relative Standard Deviation - Desvio Padrão Relativo Solid Ground Curing Stereolithography - Estereolitografia Sinterização Seletiva a Laser Radiação Ultravioleta Tridimensional Impressão Tridimensional Micrometro x

13 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO OBJETIVOS OBJETIVO GERAL OBJETIVOS ESPECÍFICOS REVISÃO BIBLIOGRÁFICA PROTOTIPAGEM RÁPIDA IMPRESSÃO TRIDIMENSIONAL Tecnologia PolyJet Variáveis do Processo Qualidade de Impressão Textura de Impressão Posição do protótipo na Bandeja Número de Amostras Impressão Geometria do Protótipo ESTEREOLITOGRAFIA PRECISÃO E EXATIDÃO METODOLOGIA MATERIAIS MÉTODOS E TÉCNICAS EXPERIMENTAIS Impressão das Amostras Medidas com Auxílio do Microscópio Óptico e PhotoShop Medidas com o Auxílio do Micrômetro RESULTADOS E DISCUSSÕES ANÁLISE QUALITATIVA ANÁLISE QUANTITATIVA CONCLUSÕES REFERÊNCIAS xi

14 1. INTRODUÇÃO Atualmente, uma parte da indústria de fabricação de componentes plásticos vem sofrendo uma grande mudança, evidenciando uma tendência à miniaturização de dispositivos e sistemas [BATALHA, 2005 e WICHT, 2005]. A consolidação do mercado de miniaturização é demonstrada pelo crescimento global previsto entre os anos de 2004 (12 bilhões de dólares) até 2009 (25 bilhões de dólares) [WICHT, 2005]. Muitas vezes a principal dificuldade na miniaturização de componentes e peças está relacionada com a limitação na exatidão e precisão dos processos de fabricação. O desenvolvimento de novos e a adaptação de processos existentes para a fabricação de componentes miniaturizados passa por aspectos como a modificação de máquinas e ferramentas, otimização de processos, melhorias na exatidão e precisão e até a fabricação de geometrias diferenciadas [HECKELE, 2003 e PIOTTER, 2004]. Os métodos de miniaturização e micro-fabricação de componentes poliméricos estão se tornando uma importante alternativa de baixo custo para tecnologia de micro sistemas eletromecânicos (MEMS) [BROWN, 1980 e ZHOU, 1999]. A micro-vácuoformagem (hot-embossing), a abrasão a laser e a micro-moldagem por injeção são métodos de fabricação aplicáveis para uma grande diversidade de geometrias e de materiais poliméricos. As técnicas de prototipagem e fabricação rápida, como a estereolitografia (SLA), a sinterização seletiva a laser (SLS) e a impressão tridimensional (3DP) auxiliam o desenvolvimento de novos produtos em um curto prazo de tempo com redução de custos [JACOBS, 1992 e 1996]. Estas técnicas permitem a criação de objetos na faixa de centenas até décimos de milímetros com exatidão na ordem de micrometros [JACOBS, 1996]. O processo de impressão 3D com resina fotossensível é um método recente no mercado que vem crescendo cada vez mais. A impressão com resinas fotossensíveis é um processo fácil, rápido e limpo [Objet, 2009]. Baseia-se no mesmo princípio de uma impressão de tinta comum. É utilizada uma resina com cura por radiação ultravioleta (UV) a base de epóxi-acrílico para a construção e também uma resina epóxi-acrílica, porém com propriedades diferentes, para o suporte. O modelo é construído em um programa CAD (Computer Aided Design) e depois de pronto é transferido para o programa da máquina que confere se o modelo está perfeito e pronto para impressão [SALMORIA, 2007]. A máquina Eden250 da Objet, é uma impressora 3D que proporciona a criação de modelos com camadas de 16µm (máxima qualidade alcançada pela impressora) e paredes de

15 2 600 µm [Objet, 2009]. Este trabalho visa analisar quão preciso e exato é o processo para impressão de modelos miniaturizados produzidos pela impressora Eden250 da Objet baseando-se nas normas ABNT NBR 6158 e 6173 e no estudo a respeito de análise dimensional de peças produzidas por estereolitografia realizado pelo professor Gean Salmoria, Dr. Ing. no laboratório CIMJECT no Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC).

16 3 2. OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO GERAL Propiciar um estudo a respeito da precisão e exatidão dimensional de peças ou componentes miniaturizados obtidos por impressão tridimensional, utilizando-se o equipamento Eden250 da Objet. 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Analisar as amostras no microscópio óptico e realizar um estudo qualitativo; Realizar medição das dimensões das geometrias através das imagens em software específico; Realizar medição das dimensões das geometrias utilizando o micrômetro; Investigar a exatidão dos resultados de acordo com norma específica; Investigar a precisão do processo; Realizar um comparativo da precisão e exatidão do processo de 3DP com um estudo sobre a precisão e exatidão dimensional do processo de estereolitografia pelo professor Gean Salmoria, Dr. Ing.

17 4 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3.1 PROTOTIPAGEM RÁPIDA A prototipagem rápida é uma tecnologia de fabricação que possibilita produzir peças e protótipos diretamente a partir de modelos computacionais gerados em sistemas CAD [JACOBS, 1992]. Nos sistemas de prototipagem a peça gerada não é criada a partir de uma outra peça sólida, como por exemplo, na usinagem. Os protótipos são gerados pela união subsequente de camadas de líquidos, pós ou sólidos (figura 1). Figura 1. Esquema ilustrativo de prototipagem rápida. Fonte: [BEAL, 2002] Esta técnica pode ser utilizada para o desenvolvimento de modelos de ferramentaria utilizados para moldagem de peças plásticas para uma pequena série de produtos [SALMORIA, 2002]. As aplicações da prototipagem rápida vêm crescendo cada vez mais e incluem indústrias automotivas, aeroespaciais, área médica, instituições de ensino entre outros. Diversas técnicas são empregadas para a fabricação de protótipos, as mais empregadas são [JACOBS, 1996]: estereolitografia (SLA), impressão tridimensional (3DP), modelagem por deposição fundida (FDM), sinterização seletiva a laser (SLS), solid ground curing (SGC) e a modelização de objeto laminado (LOM). Esses processos não podem ser classificados de acordo com o material utilizado para a prototipagem (líquidos, pós ou sólidos), levando em consideração que alguns processos, como a Impressão 3D, podem ser realizados a partir de líquidos ou de pós, uma variação que

18 5 ocorre entre os fabricantes dos equipamentos. Em função do estudo proposto neste trabalho o processo de Impressão 3D, em específico a técnica de impressão tridimensional da empresa Objet, e a técnica de estereolitografia serão apresentados mais detalhadamente na seção a seguir. 3.2 IMPRESSÃO TRIDIMENSIONAL A prototipagem rápida por Impressão 3D é um processo semelhante à impressão comum. Como nos demais processos, o modelo é feito em um CAD, convertido no formato aceito pelo equipamento de prototipagem e em seguida o mesmo é inserido no programa da impressora onde são realizados os ajustes necessários para a inicialização do processo [PINHEIRO, 2008]. O processo inicia quando um cabeçote contendo resina ou pó-aglutinante (dependendo do processo) jorra o respectivo material gradativamente camada por camada na bandeja do equipamento até que o protótipo esteja concluído. Existem dois processos distintos de impressão 3D que variam de acordo com o material utilizado. As impressões podem ser realizadas com materiais líquidos ou com pós-aglutinantes. Protótipos impressos com pós-aglutinantes são gerados com a deposição de finas camadas do pó, prensadas para que o pó permaneça homogeneamente espalhado sobre a bandeja, na sequência um cabeçote libera um jato de aglutinante que funde o pó formando a camada. A bandeja é baixada lentamente e então outra camada é construída. No final do processo é necessário que a peça seja sinterizada [Introdução á Prototipagem Rápida, 2009]. A prototipagem por impressão 3D que utiliza resina fotossensível para a construção das peças ocorre de maneira diferente. A impressão tridimensional com resinas fotossensíveis baseia-se no mesmo princípio de uma impressão de tinta comum. É utilizada uma resina com cura por raios ultravioleta (UV) e a construção ocorre de maneira simples: o cabeçote jorra a resina e ao fazer o caminho de volta para a sua posição inicial a radiação UV cura a resina da camada depositada. Este mesmo processo ocorre até que o modelo esteja concluído.

19 Tecnologia PolyJet A Impressão Tridimensional da Objet é uma das técnicas recentes mais utilizadas na prototipagem rápida devido a sua rapidez e modernidade. Como é uma ferramenta rápida e de custo reduzido tornou-se uma vantagem no desenvolvimento de projetos [Objet, 2009]. A construção dos protótipos inicia-se com a confecção do desenho do modelo desejado em CAD 3D. O arquivo gerado deve obedecer ao tipo de arquivo suportado pela máquina que suporta apenas arquivos STL. Estando o desenho do projeto pronto o mesmo é enviado para o computador da impressora 3D (figura 2). Fonte: [Objet, 2009] Figura 2. Máquina de Impressão 3D Eden250. As resinas de suporte e de construção (resinas fotossensíveis a base de epóxi-acrilato) são armazenadas em cartuchos dentro da máquina. O equipamento conta com uma bandeja em que o modelo é construído e com o cabeçote onde estão localizadas as cabeças de jateamento da resina e lâmpada de radiação UV. O cabeçote se movimenta ao longo do eixo x, depositando as resinas (suporte e construção), na sua trajetória de volta a posição inicial a resina que foi depositada é curada

20 7 automaticamente pela radiação UV formando assim uma camada fina de resina curada. Estando o cabeçote em sua posição inicial a bandeja se movimenta para baixo, ao longo do eixo z, e dá-se início ao mesmo processo novamente. Essa repetição ocorre durante todo o processo até que peça esteja completamente concluída como pode ser visualizado no esquema apresentado na figura 3. Essa tecnologia não necessita de uma etapa de pós-cura. O protótipo é retirado do equipamento completamente curado. Há, entretanto, a necessidade de uma etapa de pós-processamento para a retirada da resina de suporte, limpeza de excessos e eventuais tratamentos como pinturas, polimentos, dentre outros. Fonte: [Objet, 2009] Figura 3. Esquema de funcionamento da 3DP tecnologia PolyJet [Objet, 2009]. Algumas características levam as Impressoras 3D da Objet a se destacaram perante as demais do mercado: qualidade elevada na espessura das camadas chegando a 16 µm, paredes e detalhes estruturais com aproximadamente 600 µm dependendo da geometria da peça, fácil limpeza e remoção da resina de suporte apenas com o uso de água, não requer processo de pós-cura e possibilidade da construção de vários modelos ao mesmo

21 8 tempo dependendo apenas do tamanho dos mesmos [Objet, 2009]. As 3DP da Objet contam, no programa de ajuste do desenho, com uma opção que fornece o tempo estimado do processo e a quantidade de resina de construção e de suporte que serão gastas na construção do modelo Variáveis do Processo Os principais fatores que apresentam influencia no processo e o tempo de impressão da impressora Eden250 são: a qualidade de impressão, a textura final do protótipo, o posicionamento do modelo em relação à bandeja e o número de amostras impressas em uma única impressão Qualidade de Impressão A Eden250 disponibiliza duas qualidades diferentes de impressão. Os modelos podem ser construídos optando pelo modo high quality (alta qualidade) ou pelo modo high speed (alta velocidade). O modo high quality proporciona camadas mais finas, na faixa de 16 μm de espessura, porém devido à espessura muito pequena na construção das camadas, o processo leva um tempo maior para ser concluído. A opção high speed deixa a impressão mais rápida, mas há uma perda na qualidade das camadas que ficam com espessura igual a 32 μm. A variação do tempo de impressão não depende somente deste fator, mas apenas variando a qualidade de impressão pode-se chegar a uma diferença de horas, dependendo do tamanho da peça a ser produzida.

22 Textura de Impressão As 3DP da Objet trabalham com dois tipos diferentes de resinas na mesma impressão. A resina de construção, a qual será utilizada na confecção do protótipo e uma resina de suporte que servirá de apoio para algumas estruturas e detalhes dos modelos, sendo que esta é removida após a conclusão da impressão. Nas partes em que existe a resina de suporte, após a sua remoção, a textura superficial fica com aspecto fosco. Nas partes em que não se torna necessário o uso da resina de suporte a superfície apresenta um aspecto brilhoso. A fim de obter uma peça com aspecto superficial homogêneo a Eden250 disponibiliza duas opções de impressão: o modo mate (fosco) e o modo glossy (brilhoso). Impressões realizadas no modo mate recobrem todo o protótipo com uma fina camada de resina de suporte que ao final do processo, após a sua remoção, deixa o modelo com a superfície completamente fosca. Não há uma maneira de construir um protótipo com a superfície inteiramente brilhosa, pois no modo glossy os modelos apresentam textura brilhante nas partes sem resina de suporte e textura fosca nas partes onde se fez necessário o uso de suporte. Em todas as construções de protótipos a Eden250 sempre deposita uma camada de resina de suporte na bandeja antes de começar a depositar a resina de construção com a finalidade de auxiliar a remoção da peça pronta da bandeja. Esta camada de resina sobressalente que é depositada no modo mate para recobrir toda a peça aumenta o tempo de impressão um pouco mais longo comparando com a opção glossy Posição do Protótipo na Bandeja Ao ser posicionado na bandeja, dependendo da posição escolhida, o modelo necessitará de mais ou de menos resina de suporte durante a sua construção e este fator irá interferir no tempo total de impressão. O programa da Eden250 no qual são abertos os desenhos em formato stl oferece

23 10 uma opção de ajuste automático da peça na bandeja a fim de que a impressão gaste menos resina e ocorra em menor tempo. No entanto dependendo da textura e do sentido das camadas que o usuário desejar, não é obrigatória a ativação dessa opção Número de Amostras Impressas Outro fator que interfere no tempo do processo é a quantidade de peças construídas a cada impressão. Obedecendo as dimensões da bandeja, 260x260x200 mm, pode-se imprimir por vez quantas amostras caibam neste espaço. Quanto maior for o número de amostras a serem impressas mais demorado será o processo Geometria do Protótipo Com relação a geometria da peça a ser construída, quanto mais detalhes a peça tiver maior será o tempo de construção. Claro que peças maiores levam tempos maiores, porém peças do mesmo tamanho com detalhes variados também irão variar o tempo de processamento. 3.3 ESTEREOLITOGRAFIA A estereolitografia é um processo foto-químico de construção por camadas em que os protótipos são fabricados por meio da polimerização de uma resina líquida a base epóxi-acrilato por ação de um laser ultravioleta [JACOBS, 1992]. O processo inicia-se com a construção do desenho em um sistema CAD 3D. O desenho estando concluído é enviado para a máquina de estereolitografia que utiliza um programa para fatiar o desenho em seções transversais e então dar início ao processo. O equipamento constitui-se de um reservatório contendo resina fotossensível, e uma

24 11 plataforma onde é feita a construção do modelo. Esta plataforma se movimenta na direção vertical, à medida que o equipamento vai fazendo a leitura das camadas individualmente. O processo de estereolitografia utiliza um laser com comprimento de onda na faixa do ultravioleta e um conjunto de espelhos galvanométricos para traçar as seções transversais do modelo sobre a superfície da resina fotossensível, solidificando o material. A fatia curada é baixada iniciando-se sobre esta a solidificação da nova camada de resina líquida de mesma espessura. Novamente o laser traça cada camada da peça repetindo o processo de cura [CHEACH, 1997]. A figura 4 apresenta um esquema do funcionamento da máquina. No processo de Estereolitografia torna-se necessário um pós-processamento de cura térmica ou por UV para o endurecimento e aderência completa das camadas. Fonte: [BEAL, 2002] Figura 4. Esquema de funcionamento do equipamento de estereolitografia.

25 PRECISÃO E EXATIDÃO Existe uma distinção entre exatidão e precisão de um processo. A exatidão se refere a conformidade de um grupo de medidas, ou seja, quanto as medidas se aproximam do valor nominal esperado. De acordo com as normas ABNT NBR 6158 e NBR 6173 para determinar a exatidão de um processo é necessário levar em consideração a tolerância máxima das medidas. As peças são classificadas em diferentes grupos de acordo com o tipo de processo de fabricação e utilização e ainda dentro desses grupos são classificadas com diferentes graus de tolerância. Os graus de tolerância (ISO Tolerance) são os graus de precisão fixados pela Norma de Tolerâncias e Ajustes. É a precisão exigida na fabricação das peças, segundo o tipo de mecanismo a que se destinam; teoricamente cada dimensão nominal admite 20 tolerâncias fundamentais ou qualidades de trabalho [MARCO, 1996], tabela 1. Tabela 1. Graus de Tolerância. Fonte: [MARCOS, 1996] O grupo 1 se refere à fabricação de peças muito precisas e calibradores. IT1 - reservado para dimensões padrão de medida e para verificação da fabricação dos calibradores destinados aos IT s 2, 3 e 4; IT2 - reservado para verificação das peças fabricadas com IT5; IT3 - reservado para verificação das peças fabricadas com IT6 e IT7; IT4 - reservado para verificação das peças fabricadas com IT5, IT6 e IT7 [MARCO, 1996]

26 13 O grupo 2 é utilizado para a verificação de peças mecânicas em geral. IT5 - reservado apenas para dimensões externas (eixos); é a máxima precisão utilizada em fabricação mecânica; IT6 e IT7 - reservado normalmente para trabalhos de mecânica fina; IT8 a IT11 - reservados para trabalhos mecânicos de usinagem comum [MARCO, 1996]. O grupo 3 trata de peças não destinadas a acoplamentos. IT12 a IT18 - reservados para trabalhos de forja, fundição, laminação, mecânica agrícola, etc [MARCO, 1996]. De acordo com a norma ABNT NBR 6158 para saber a tolerância que as medidas de uma peça podem ter, é necessário classificá-la segundo a norma ABNT NBR 6173 e então analisá-las, através do sistema de tolerância ISO, tabela 2.

27 14 Tabela 2. Tolerâncias fundamentais, Sistema ISO. Fonte: [STEFANELLI, 2009] A precisão de um processo é dada pelo grau de dispersão de resultados para um ou mais grupos de medidas, ou seja, quanto menos medidas diferentes umas das outras, dentro do grupo, mais preciso é o processo. A precisão é analisada através do desvio padrão de um grupo de medidas. O desvio padrão é valor da dispersão das medidas analisadas. Para expressar o valor de desvio padrão em relação à média pode-se calcular o desvio padrão relativo (RSD) ou também chamado de coeficiente de variação (CV) dado pela equação 1 [Medições e Erros, 2009]. RSD= desvio padrão/média 100 (1) Segundo [LEG, 2009], não se tem ao certo um valor máximo ótimo para dizer se um processo é preciso ou não, mas os valores ditos baixos, ou seja, razoavelmente homogêneos, são os resultados menores ou iguais a 25%. Porém isso irá variar muito de acordo com a aplicação. Processos mais grosseiros podem uma variação maior e processos de mecânica fina devem levar em consideração um intervalo menor para determinar a precisão do processo.

28 15 4. METODOLOGIA 4.1 MATERIAIS Como material de estudo deste trabalho utilizou-se a resina FullCure 720 da Objet. É uma resina a base de epóxi-acrilato indicada para uso nas impressoras tridimensionais da Objet. De acordo com o fabricante esta resina possui boa resiliência, fácil limpeza e é excelente para protótipos em que se torna necessário a visualização do fluxo interno ou de detalhes interiores devido a sua transparência. Algumas propriedades do material são apresentadas na tabela 3. Tabela 3. Propriedades da resina FullCure 720. Propriedades FullCure 720 Cor Âmbar Densidade (kg/m³) 1092 Resistência à tração (MPa) ASTM D ,3 Módulo de elasticidade (MPa) ASTM D Deformação (%) ASTM D Resistência à flexão (MPa) ASTM D ,8 Módulo de flexão (MPa) ASTM D Impacto Izod com entalhe (J/m) ASTM D ,6 Dureza Shore ASTM D D Resistência à compressão (MPa) ASTM D ,3 Temperatura de amolecimento ( C) ASTM D 648 0,45MPa 48,4 Temperatura de amolecimento ( C) ASTM D ,82MPa 44,4 Temperatura de transição vítrea DMA, E" - C (Kelvin) 48,7 (321,85) Teor de cinzas ASTM D < 0,01% Fonte: [Objet, 2009] A resina de suporte utilizada no processo para dar suporte a alguns detalhes da peça também é uma resina a base de epóxi-acrilato, mas possui propriedades diferentes e é solúvel em água.

29 MÉTODOS E TÉCNICAS EXPERIMENTAIS Impressão das Amostras As amostras utilizadas para o estudo foram construídas na impressora 3D Eden 250 da Objet. Para a realização do trabalho sobre a qualidade de peças miniaturizadas fabricadas por 3DP, primeiramente, utilizando o software Solidworks, foi projetado um modelo para análise da qualidade das formas e das dimensões de protótipos construídos na 3DP e em seguida foram construídos os modelos finais para o estudo das dimensões. Estes modelos foram baseados em um estudo sobre precisão de protótipos construídos por SLA [SALMORIA, 2008]. Conforme figura 5, o primeiro modelo é um retângulo e possui dimensões de 0,11x0,06x3x10-3 m. Esta peça apresenta furos passantes com formas geométricas variadas (quadrado, círculo, triângulo eqüilátero e estrela de quatro pontas). Os furos passantes foram desenhados com dimensões (arestas do quadrado, diâmetro do círculo, arestas do triângulo e altura e largura da estrela) variando da seguinte maneira: 500 µm, 1000 µm, 2000 µm, 3000 µm e assim sucessivamente obedecendo ao intervalo de 1000 µm até chegar a medida de µm. As medidas das geometrias foram construídas até o valor de µm com o intuito de analisar qual a melhor medida para prosseguir a estudo já que anteriormente não era conhecido o comportamento da impressora na construção de tais geometrias. Levando em consideração que a impressora utilizada possui duas opções referentes a qualidade das camadas na construção dos protótipos, o modo escolhido para a realização deste estudo foi o modo de high quality, que constrói camadas de 16 μ m, porém com um tempo final de impressão maior.

30 17 Figura 5 - Desenho do modelo, gerado em Solidworks. Após análise das condições do modelo gerado foi decidido prosseguir um estudo detalhado para análise da precisão e exatidão de protótipos impressos nos formatos circular, com 1500 µm de diâmetro, e quadrangular, com arestas de 1500 µm. Os furos quadrangulares de 500 µm e 1000 µm não apresentaram geometria bem definida após a impressão não sendo interessantes para realização dos estudos. A escolha da medida de 1500 µm para as dimensões, dos pinos e furos, a serem estudadas foi baseada no exposto no parágrafo anterior a respeito da geometria mal definida das amostras com medidas menores e no fato de que os corpos de prova com 2000 µm impossibilitam um campo de visão total da amostra no microscópio óptico devido ao mínimo aumento possível do equipamento. O número de corpos de prova foi definido baseado no estudo realizado no CIMJECT a respeito da precisão e exatidão do processo de estereolitografia [SALMORIA, 2008]. No estudo em questão o número total de corpos de prova, somando pinos e furos é de 200 amostras de cada geometria, porém, divididas em proporções diferentes (72 pinos e 128 furos no formato quadrangular e 72 e 128 no formato circular). Para este trabalho também foram construídas 200 amostras de cada geometria, entretanto o número de furos e pinos é o mesmo. Foram gerados quatro corpos de prova com dimensões de 0,048x0,025x3x10-3 m cada, com 25 furos passantes no formato circular e 25 no quadrangular, e quatro corpos de prova, com dimensões de 0,074x0,036x3x10-3 m com 25 pinos de cada formato (circular e quadrangular) totalizando 100 amostras de cada geometria e formato (furos circulares, furos quadrangulares, pinos circulares e pinos quadrangulares). Os furos passantes possuem 3x10-3 m de espessura e os pinos 3x10-3 m de altura. A escolha de quatro corpos de prova diferentes e não a impressão de todos os furos e

31 18 pinos e uma única vez tendo em vista avaliar se ocorrem variações significativas entre uma impressão e outra, o que caracteriza a precisão ou não do processo Medidas com Auxílio do Microscópio Óptico e PhotoShop A analise qualitativa das geometrias das amostras com furos passantes foi realizada por avaliação de imagens obtidas por microscopia ótica em um microscópio Leica DMLM com aumento de 50x. A medida das dimensões (diâmetros, laterais e diagonais) foram obtidas utilizando o software de imagens Adobe PhotoShop CS3. Nas geometrias circulares foram realizadas quatro medidas de diagonal em cada furo respeitando um intervalo de 45 entre elas. Para as geometrias quadrangulares medidas de duas laterais adjacentes e uma diagonal de cada furo foram realizadas Medidas com Auxílio do Micrômetro Para medir as geometrias das amostras com pinos utilizou-se um micrômetro Mitutoyo Digimatic modelo MDC-25PJ. Nas geometrias circulares foram realizadas quatro medidas de diagonal em cada pino respeitando um intervalo de 45 entre elas. Para as geometrias quadrangulares, medidas de duas laterais adjacentes e uma diagonal de cada pino foram realizadas.

32 19 5. RESULTADOS E DISCUSSÕES 5.1 ANÁLISE QUALITATIVA As figuras 6 e 7 apresentam fotografias de corpos de prova após a impressão. Figura 6 Fotografia digital da amostra com furos - corpo de prova 1. Figura 7 Fotografia digital da amostra com pinos - corpo de prova 1.

33 20 Na fabricação de furos com dimensões de 500 µm e 1000 µm, a 3DP apresentou dificuldades para construir as geometrias projetadas no primeiro modelo (figura 8). O equipamento não fabrica os furos com os formatos triangular e estrelado. Apenas os furos na forma de círculo e o quadrado foram impressos. Porém, o furo no formato quadrangular não foi impresso com uma geometria satisfatória, apresentando um formato circular tornando impossível a diferenciação das geometrias circulares comparando-as às quadrangulares. (a) (b) Figura 8. Análise no MO para: (a) Furo circular de 1000 µm; (b) Furo quadrangular de 1000 µm. Os furos com dimensões de 2000 µm, (figuras 9 e 10), apresentam apenas o aspecto das geometrias projetadas nos formatos circular e quadrangular. As geometrias triangular e estrelada continuaram com formatos circulares sem nenhuma definição nas formas.

34 21 (a) (b) Figura 9. Análise no MO para: (a) Furo circular de 2000 µm; (b) Furo quadrangular de 2000 µm. (a) (b) Figura 10. Análise no MO para: (a) Furo triangular de 2000 µm; (b) Furo estrelado de 2000 µ m. Apenas com 3000 µm é que os furos triangular e estrelado começaram a tomar forma, porém com uma geometria ainda muito insatisfatória, (figura 11).

35 22 (a) (b) Figura 11. Análise no MO para: (a) Furo triangular de 3000 µm; (b) Furo estrelado de 3000 µm. Ao analisar as imagens geradas no MO do furo de µm, apesar da forma geométrica ser impressa perfeitamente ainda pode-se observar um significativo arredondamento dos cantos (figura 12), demonstrando pouca qualidade do processo mesmo com peças construídas em dimensões maiores. Figura 12. Análise no MO do furo quadrangular de µm.

36 23 As amostras escolhidas para o estudo quantitativo (figura 13) foram as construídas com dimensões de 1500 µm, apesar de apresentarem cantos arredondados, foram os corpos de prova com menor dimensão impressos satisfatoriamente com o aspecto geométrico esperado. (a) (b) Figura 13. Análise no MO para: (a) Furo circular de 1500 µm; (b) Furo quadrangular de 1500 µm. Não foi possível realizar uma análise qualitativa dos pinos devido a grande dificuldade na focalização e diferenciação entre o topo e a base do pino no MO, visando a obtenção das imagens. 5.2 ANÁLISE QUANTITATIVA Analisando as medidas nominais dos CP's segundo a norma NBR 6173 e 6158, os mesmos ficam classificados nas categorias: ISO Tolerance igual a IT7 (peças fabricadas por mecânica fina) e grau de tolerância igual a 0,01 mm (10-5 m). A partir da dimensão nominal da aresta dos CP's com geometria quadrangular foi obtido, através da fórmula de Pitágoras, o valor de 2,12132 mm (2,12132x10-2 m) para a sua diagonal teórica. Baseada nas medidas nominais, a tabela 4 apresenta os limites de tolerâncias para os CP's deste estudo.

37 24 Tabela 4. Valores de tolerância limite para as amostras dos furos e pinos. Nota: Valores calculados de acordo com a tabela de tolerâncias fundamentais da NBR na tabelas 5 e 6. As medições das amostras com furos e com pinos forneceram os valores expressos Tabela 5. Resultados das medições dos furos passantes. Furos Passantes Circular Quadrangular Diâmetro Lateral Diagonal CP 1 Média aritmética (mm) 1,483 1,524 1,939 Desvio Padrão 0, , , CP 2 Média aritmética (mm) 1,495 1,522 1,927 Desvio Padrão 0, , , CP 3 Média aritmética (mm) 1,488 1,523 1,915 Desvio Padrão 0, , , CP 4 Média aritmética (mm) 1,497 1,527 1,913 Desvio Padrão 0, , , Nota: Resultados obtidos após a realização das medidas das dimensões dos 200 furos distribuídos em 4 CP's.

38 25 Tabela 6. Resultados das medições dos pinos. Pinos Circular Quadrangular Diâmetro Lateral Diagonal CP 1 Média aritmética (mm) 1,513 1,562 2,001 Desvio Padrão 0, , , CP 2 Média aritmética (mm) 1,518 1,552 2,010 Desvio Padrão 0, , , CP 3 Média aritmética (mm) 1,519 1,554 1,981 Desvio Padrão 0, , , CP 4 Média aritmética (mm) 1,523 1,562 2,010 Desvio Padrão 0, , , Nota: Resultados obtidos após a realização das medidas das dimensões dos 200 pinos distribuídos em 4 CP's. Comparando as tabelas 5 e 6 com as medidas obtidas na tabela 4 pode-se dizer que a maioria das resultados obtidos está fora da tolerância permitida, apenas os corpos de prova 2 e 4 com geometria circular em formato de furo estão dentro dos limites de tolerância permitidos, mas ainda assim os demais resultados revelam uma inexatidão do processo. As tabelas 7 e 8 apresentam o cálculo da precisão das medidas dos CP's para furos e para os pinos respectivamente. Tabela 7. Valores de precisão, medidos em RSD, dos CP's com furos. Nota: Valores obtidos através da equação (1) na seção 3.4. Tabela 8. Valores de precisão, medidos em RSD, dos CP's com pinos. Nota: Valores obtidos através da equação (1) na seção 3.4.

39 26 Comparando as tabelas 7 e 8 entre si, pode-se observar que o processo é mais preciso na fabricação de furos do que na fabricação de pinos. Como não existe ao certo um valor limite para a precisão do processo ser considerada ótima, pode-se analisar os valores de RSD de acordo com limite considerado bom que é menor ou igual a 25% dependendo do processo [LEG, 2009]. Mesmo considerando que 25% é um erro muito alto para o processo em questão pode-se dizer que o processo é preciso pois a média do coeficiente de variação tem valor igual a 1,26% para os furos e 2,4% para os pinos.

40 27 6. CONCLUSÕES Os objetivos, geral e específicos, propostos pra este trabalho foram todos alcançados de forma satisfatória durante a realização do mesmo. Observando os estudos qualitativos percebe-se que a Eden250 imprime satisfatoriamente peças pequenas com formatos arredondados. Peças que possuem cantos vivos deixam a desejar no que diz respeito ao encontro das arestas, o encontro das mesmas não forma um ângulo de 90 como é esperado, e sim um semi-círculo. Mesmo em peças não miniaturizadas a resolução dos cantos não é satisfatória. O problema do arredondamento dos cantos ocorre porque o jato de resina que sai do cabeçote possui um determinado diâmetro e esse diâmetro vai sempre estar presente nas bordas e nos cantos dos protótipos. Para solucionar este problema seria necessário diminuir o diâmetro do jato de resina e mesmo assim ainda um mínimo arredondamento sempre ficaria presente. Classificando as amostras de acordo com a norma ABNT NBR 6158 e 6173, observa-se que nos experimentos com corpos de prova com furos apenas os corpos de prova 2 e 4 apresentaram as medidas da média do diâmetro da geometria circular dentro do limite de tolerância fundamental. Todos os demais CP's, furos e pinos circulares e quadrangulares, e os CP's 2 e 4 no formato quadrangular apresentaram variações dimensionais na medida da média (diâmetro, aresta e diagonal) acima da tolerância permitida, demonstrando uma inexatidão do processo para a fabricação de furos miniaturizados. Nos experimentos utilizando corpos de prova com pinos, tanto quadrangulares quanto circulares, todas as amostras apresentaram variações dimensionais acima do limite máximo permitido, também demonstrando uma inexatidão na fabricação de pinos miniaturizados. No que refere-se a precisão do processo, a impressão tridimensional da Eden250 é um processo preciso, pois a média de todos os resultados dos desvios padrão relativo dos corpos de prova foi igual a 1,26% para os furos e 2,4% para os pinos, como o intervalo previsto é de 0 a 25% de erro, variando de acordo com o processo, e considerando que o processo de 3DP para peças miniaturizadas requer um erro pequeno pode-se concluir que dentro do intervalo limite este erro está de acordo com o processo. O processo de impressão tridimensional de peças miniaturizadas é um processo preciso, porém não é um processo exato.

41 28 Comparado com o processo de estereolitografia descrito em um estudo realizado pelo professor Gean Salmoria, Dr. Ing., os resultados de precisão e exatidão são semelhantes. Nas amostras analisadas no referido estudo os valores de precisão, obtidos também pelo desvio padrão relativo, têm média igual a 1,9% e no processo de 3DP a média dos resultados é igual a 1,83%. A exatidão do processo de estereolitografia, também observada de acordo com o IT7, apresenta resultados fora do padrão de exatidão de acordo com a norma ABNT NBR 6158, os resultados variam em torno de 20 µm a 50 µm acima ou abaixo do resultado esperado, o mesmo ocorrido com a técnica de 3DP. Em termos de fabricação de componentes miniaturizados a técnica de estereolitografia se destaca mais que a técnica de impressão tridimensional tendo em vista que a espessura das camadas dos protótipos construídos por SLA é 6,25 vezes maior que a espessura das camadas construídos por 3DP (100 µm e 16 µm respectivamente) com praticamente a mesma qualidade de miniaturização de componentes. Foi observado durante os experimentos que a resina de impressão FullCure 720 é uma boa resina de trabalho, pois é de fácil manuseio, limpeza e rápida cura, no entanto, absorve muita umidade e é sensível ao calor, sendo interessante um estudo futuro de caracterização da estrutura e das propriedades da resina.

42 29 REFERÊNCIAS 3D Systems. Endereço eletrônico: (acesso em junho de 2009). ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6158: Sistemas de Tolerância e Ajustes, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6173: Terminologia de Tolerâncias e Ajustes, BATALHA, G. F.; CERVEIRA, R. L. L. P.; SILVA, F. R. D. A. Simulação de Processos de Microfabricação: Influência Efeito de Escala. Anais do 3 COBEF - Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação, v. 3. p BEAL, V. E.; AHRENS, C. H.; LAFRATTA, F. H. Desenvolvimento perspectivas do uso de técnicas de rapid tooling por estereolitografia na obtenção de moldados por injeção. Plastshow Feira e Congresso - Soluções para a Indústria de Transformação de Plásticos, São Paulo, BERTSCH, A.; BERNHARD, P.; VOGT, C.; RENAULD, P. Rapid Prototyping of Small Size Objects. Rapid Prototyping Journal, 2000, pp BROWN, R. L. E. Design and Manufacture of Plastic Parts. New York: Wiley Interscience, p. CANEVAROLO, S. V. J. Ciência dos Polímeros. Editora Artliber. São Paulo, DECKER, C., NGUYEN THI VIET, T., WEBWR-KOEHL, E. UV-Radiation Curing of Acrylate/Epoxied Systems. Elsevier Polymer v. 42, p ,2001. FRAZIER, B.; FRIEDRICH, C.; WARRINGTON, R. O. The Miniaturization Technologies: Past, Present, and Future. 1994, pp

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