ANÁLISE COMPARATIVA DOS MÉTODOS DE FABRICAÇÃO D PROTÓTIPOS

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1 Faculdade de Tecnologia de Sorocaba DEPARTAMENTO DE PROCESSOS DE PRODUÇÃO ANÁLISE COMPARATIVA DOS MÉTODOS DE FABRICAÇÃO D PROTÓTIPOS RELATÓRIO FINAL DA INICIAÇÃO CIENTÍFICA Aluno: Marcelo Tadeu Tomazela Lima Orientador: Prof. MSc. Francisco de Assis Toti NAAP: Núcleo Avançado na Área de Projetos Curso Superior em Tecnologia Mecânica Modalidade: Processos de Produção OUTUBRO DE 2010

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3 Sumário 1 - Introdução Prototipagem Rápida Os Principais Sistemas de Prototipagem Rápida Metodologia Resultados Conclusões Agradecimentos Referências Bibliográficas... 8 Anexos... 9 Listas de Ilustrações Figura 1 Quadro-resumo das técnicas de prototipagem... 3 Figura 2 Desenho 3D ilustrativo da modelagem FDM... 4 Figura 3 ECDR desenhada no software Pro Engineer versão Figura 4 Máquina SST 768 instalada na Fatec-So... 6 Figura 5 ECDR sendo fabricada pelo processo de deposição de material... 6 Figura 6 Protótipo sendo fabricado pelo método de remoção de material... 7 Listas de Tabelas Tabela 1 Etapas de desenvolvimento de um produto

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5 1 - INTRODUÇÃO 1.1- CONSIDERAÇÕES GERAIS A redução do tempo do desenvolvimento do ciclo de um produto é o maior desafio da indústria ultimamente, principalmente no setor da engenharia experimental, onde são construídos os protótipos, por exemplo, através da usinagem convencional, que dependendo da sua geometria complexa e dimensões finais, só é possível mediante mão de obra altamente qualificada. Pode-se também obter em centros de usinagem numericamente comandados (CNC), que tornariam sua execução demorada ou complexa, devido a sua programação. Como a construção desses protótipos fica cara e demanda muito tempo, e com a necessidade de lançar o produto no mercado o mais rápido possível, muitas vezes, essa fase é reduzida ou simplesmente deixa de existir, aumentando o risco de realizar modificações ou correções no produto final. Nos últimos anos surgiu uma nova linha de máquinas altamente inovadoras, conhecidas como máquinas de Prototipagem Rápida, que permitem, com tecnologias e materiais diferentes, obter um protótipo de um modelo ou de um molde, de qualquer forma geométrica e em dimensões finais precisa a partir do modelo sólido 3D. Assim, apresentando uma redução do tempo e custo, permitindo ainda, a análise das tolerâncias nos acoplamentos de dois ou mais componentes que se ajustam, bem como, possuem propriedades mecânicas semelhantes às do produto final. Conforme comentado por KANITAR (2005) anteriormente o ciclo de produção para o lançamento de um produto no mercado era longo e demorado, 1 1

6 e o custo para a evolução de uma fase para a seguinte aumentava aproximadamente em cerca de uma ordem, conforme ilustra a tabela 1. Tabela 1 - Etapas de desenvolvimento de um produto. Fases do Desenvolvimento do Produto Custo Modelo Conceitual $ 10 Detalhamento do Design $100 Protótipo/Teste $1.000 Ferramental $ Produção $ Produto no Mercado $ De acordo com CHUA et al. (2003) a geração de modelos em 3D no CAD, é usualmente o primeiro estágio para construção do protótipo, sendo em seguida este arquivo de modelagem salvo com característica STL. Uma vez que o arquivo STL é gerado, as demais operações são executadas pelo próprio software que acompanha as máquinas, que constrói o protótipo através do sistema de deposição de camada por camada em resina, etc A PROTOTIPAGEM RÁPIDA A prototipagem rápida pode ser definida como um conjunto de tecnologias usadas para se fabricar objetos físicos diretamente a partir de fontes de dados gerados por sistemas de projeto auxiliado por computador (CAD). Os métodos são bastante peculiares, uma vez que eles agregam e ligam materiais, camada a camada finas, com aproximadamente 0,1 mm de espessura, as quais são dispostas uma sobre a outra, de forma a constituir o objeto desejado. Atualmente há pelo menos sete diferentes técnicas de prototipagem rápida disponíveis comercialmente. Quanto ao termo "rápido" associado a esses processos é relativo, pois a construção de alguns protótipos pode levar de 3 a 72 horas, dependendo do tamanho e geometria do objeto. A figura 1 mostra um quadro-resumo das técnicas de prototipagem. 2 2

7 Figura 1 - Quadro-resumo das técnicas de prototipagem. Todos os processos são constituídos por cinco etapas básicas, como segue: 1 - Criação de um modelo CAD da peça que está sendo projetada; 2 - Conversão do arquivo CAD em formato STL, próprio para estereolitografia; 3 - Fatiamento do arquivo STL em finas camadas transversais; 4 - Construção física do modelo, empilhando-se uma camada sobre a outra; 5 - Limpeza e acabamento do protótipo OS PRINCIPAIS SISTEMAS DE PROTOTIPAGEM RÁPIDA Os principais sistemas de prototipagem rápida usados na fabricação de modelos estão descritos a seguir: 1 - Estereolitografia (SLA, Stereolithography): este processo pioneiro, patenteado em 1986, deflagrou a revolução da prototipagem rápida. Ele 3 3

8 constrói modelos tridimensionais a partir de polímeros líquidos sensíveis à luz, que se solidificam quando expostos à radiação ultravioleta. 2 - Manufatura de Objetos em Lâminas (LOM, Laminated Object Manufacturing): nesta técnica camadas de material, na forma de tiras revestidas de adesivo, são grudadas umas nas outras formando-se o protótipo. O material original consiste de bobinas de papel laminado com cola ativada pelo calor. Um rolo coletor avança a tira de papel sobre a plataforma de construção, 3 - Sinterização Seletiva a Laser (SLS, Selective Laser Sintering): esta técnica, patenteada em 1989, usa um raio de laser para fundir. As peças são construídas sobre uma plataforma a qual está imediatamente abaixo da superfície de um recipiente preenchido com o pó fusível por calor. O raio laser traça a primeira camada, sinterizando o material. A plataforma é ligeiramente abaixada, reaplica-se o pó e o raio laser traça a segunda camada. 4 - Modelagem por Deposição de Material Fundido (FDM, Fused Deposition Modeling): filamentos de resina termoplástica aquecida são extrudadas a partir de uma matriz em forma de ponta que se move num plano X-Z, conforme ilustra a figura 2. Figura 2 Desenho 3D ilustrativo da modelagem FDM. 4 4

9 5 - Cura Sólida na Base (SGC, Solid Ground Curing): é um processo bastante similar a estereolitografia, pois ambos usam radiação ultravioleta para endurecer, de forma seletiva, polímeros fotossensíveis. Contudo, ao contrário da estereolitografia, este processo cura uma camada inteira de uma vez. 6- Impressão por Jato de Tinta (MJT, Multi Jet Modeling; BPM, Ballistic Particle Manufacturing): ao contrário das técnicas expostas anteriormente, esta aqui se refere a uma classe inteira de equipamentos que usam a tecnologia de jato de tinta. 7 - Conformação Próxima ao Formato Final via Laser (LENS, Laser Engineered Net Shaping): processo relativamente novo, que apresenta a vantagem de produzir protótipos de metal plenamente densos, com boas propriedades metalúrgicas e sob velocidades razoáveis de construção. Aqui um gerador de raio laser de alta potência é usado para fundir pó metálico fornecido coaxialmente ao foco do raio laser, através de um cabeçote de deposição 3 - METODOLOGIA O elemento mecânico escolhido para estudo é uma engrenagem cilíndrica de dentes retos ECDR, por apresentar uma geometria relativamente complexa e necessitar de diversos tipos de processos de usinagem para a sua confecção pela tecnologia tradicional de remoção de material (usinagem). No anexo encontra-se o desenho de fabricação e a folha de processo da engrenagem. A ECDR foi desenhada no software Pro Engineer versão 3.0, conforme mostra a figura 3. Em seguida o arquivo CAD 3D é convertido em formato STL e carregado no software Catalyst EX, onde ocorre o fatiamento do arquivo em finas camadas transversais. 5 5

10 Figura 3 ECDR desenhada no software Pro Engineer versão 3.0. Posteriormente, esse arquivo no formato STL foi transferido no sistema da máquina de prototipagem rápida Dimension modelo SST 678, que opera com a tecnologia de Deposição de Material Fundido FDM, localizada no laboratório da Fatec-So, conforme mostra a figura 4. Figura 4 Máquina SST 768 instalada na Fatec-So. 6 6

11 A figura 5 mostra a construção física do modelo utilizando resina termoplástica (ABS), empilhando-se uma camada sobre a outra, por deposição de material fundido - Fused Deposition Modeling (FDM), sendo que o tempo total de confecção foi coletado pelo software Catalyst EX. Figura 5 ECDR sendo fabricada pelo processo de deposição de material. Paralelamente, foi construído outro protótipo da ECDR, em ferro fundido FC-15, pelo método de remoção de material (usinagem), pelos profissionais do Laboratório de usinagem da Fatec-So. Durante o processo foram coletados: - o tempo total de fabricação; - tempo efetivo de fabricação (remoção de material); - tempo indireto de fabricação (planejamento, preparação de máquina, transporte de peça, etc). A figura 6 mostra o protótipo sendo usinado na máquina-ferramenta. No anexo encontra-se e a folha de processo. Figura 6 Protótipo sendo fabricado pelo método de remoção de material. 7 7

12 4 - RESULTADOS Para a peça selecionada, verificou-se que os resultados obtidos do tempo total de fabricação pelos métodos de adição (05h18min) e remoção de material (05h08min) estão próximos em função dos materiais utilizados serem diferentes. Este trabalho foi apresentado no XI Simpósio de Iniciação Científica da Fatec-SP. 5 - CONCLUSÕES Na prototipagem rápida, a velocidade de produção do protótipo é muito lenta, dependendo do nível de precisão requerido, geometria e tamanho do objeto. Entretanto, este método elimina várias etapas do método de remoção de material, e da intervenção humana durante a sua construção física. Outro ponto a destacar, que é possível construir protótipos iguais e/ou diferentes no mesmo carregamento da máquina, dependendo, porém, das suas dimensões e da capacidade volumétrica da máquina. Cabe ressaltar que, o cronograma proposto com base trimestral do presente projeto foi cumprido conforme proposto e encontra-se no anexo. 6 - AGRADECIMENTOS - Ao Prof. Francisco de Assis Toti pela orientação. - Ao Prof. Odir Camargo pela co-orientação. - O autor agradece a equipe do Núcleo Avançado na Área de Projetos NAAP da Fatec-So. 8 8

13 7 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS M1- ABNT. ASSOCIAÇÃO Brasileira de Normas Técnicas ABNT. Guia para utilização das normas sobre avaliação de qualidade de produto de software ISO/IEC 9126 e ISO/IEC 14598, M2- CHENG, L. Y., ABE, C. V, SEABRA, D. R. Um tutorial de CAD 3D focado nos conceitos e nas práticas do projeto de engenharia. Curitiba, Paraná, GRÁFHICA M3- CHUA, C. K, LEONG, K. F., LIM, C. S. Rapid Prototyping: Principles and Application, 2nd ed., World Scientic, New Jersey, NJ M4- FOGGIATTO, A. J. Recomendações para modelagem em sistemas CAD 3D. Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação, 4 a COBEF, Estância de São Pedro SP, abril de M5- IYER, R. G. e MILLS, J. J. Design Intent in 2D CAD: Definition and survey. Computer-Aided Design & Applications, vol. 3, Nos. 1-4, 2006, pp M6- KANITAR, P. F. Análise do desenvolvimento dos sistemas CAD/CAE/CAM no Brasil nos diversos setores do conhecimento sob a ótica da propriedade industrial. Dissertação de mestrado, março de 2005 M7- MELLO, P. H. C. et. al., Comparação de Três Diferentes Tecnologias de Prototipagem Rápida em Relação a Critérios de Custo e Tempo. XXVI ENEGEP - Fortaleza, 2006 M8- PAHL, G. e BEITZ, W. Engineering Design - a systematic approach. Berlim, Springer Verlag, ZEID, I. Mastering CAD/CAM..: Editora McGraw Hill, New York, 962 p,

14 ANEXO 10 10

15 O Período da pesquisa proposta: 04/03/2009 a 21/06/2010 Períodos com base trimestral. ATIVIDADES Março a Maio 2009 Junho a Ago Set. a Out Nov. a Jan Fev. a Abril 2010 Maio a julho 2010 Revisão da bibliografia. OK OK Pesquisa de Campo. OK OK OK Desenvolvimento de protótipos por remoção e adição de material. OK OK OK Análise dos resultados. OK OK OK Relatório final OK

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