Prototipagem Rápida. Prototipagem Rápida

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1 Prototipagem Rápida 1. Fundamentos de Prototipagem Rápida 2. Tecnologias de Prototipagem Rápida 3. Aplicações e Benefícios da Prototipagem Rápida Ref.: GROOVER, MIKELL P., Fundamentals of modern manufacturing : materials, processes, and systems, Chapter 34, pp Hoboken, NJ : John Wiley, 2007 Prototipagem Rápida Processo Adição de Material material é adicionado, não removido Fabricação direta a partir de um programa CAD Manufatura por adição de camadas 1

2 Processo Prototipagem Rápida Manufatura por adição de camadas espelho Camadas do objeto laser Cuba plataforma Prototipagem Rápida(PR) A PR é uma família de processos de fabricação desenvolvidos para fazer protótipos de engenharia no mínimo tempo baseado em um modelo CAD; Método Tradicional é a usinagem Pode exigir tempos significativos de processo várias semanas, dependendo da complexidade da peça e dificuldade em encontrar material PR permite que uma peça seja feita em horas ou dias, dado que o modelo de computador da peça tenha sido gerado num sistema CAD 2

3 Prototipagem Rápida(PR) Método Tradicional é a usinagem Material peça Cybatool Por que a Prototipagem Rápida é Importante? Projetistas de produto querem ter um modelo físico da nova peça ou projeto do produto ao invés de ter apenas um modelo computacional ou um desenho Criar um protótipo é um passo integral no projeto Um protótipo virtual (um modelo CAD da peça) pode não ser suficiente para o projetista visualizar a peça adequadamente Usando a PR para se construir um protótipo, o projetista pode ver e sentir a peça e avaliar seus pontos positivos e pequenos ajustes 3

4 Exemplos PR Duas categorias básicas: 1. PR por Remoção de material - usinagem, usando uma máquina CNC dedicada que esteja disponível para o departamento de projeto integralmente O material de base é geralmente cera Fácil de usinar Pode ser fundido e resolidificado As máquinas CNC são geralmente pequenas denominadas máquinas de bancada 2. PR por adição de material adiciona camadas de material uma de cada vez para construir uma peça sólida de baixo para cima 4

5 Materiais de partida no processos de PR por adição de material 1. Monômeros líquidos que possam ser curados camada por camada em um polímero sólido 2. Pós que sejam agregados e ligados camada a camada 3. Folhas Sólidas que possam ser laminadas para criar um peça sólida Métodos de Adição para PR Além do material de partida, os vários materiais de adição para PR usam diferentes métodos de construção e adicionam camadas para criar uma peça sólida Existe uma correlação entre o material de partida e as técnicas de construção 5

6 Passos para preparar as instruções de controle 1. Modelagem Geométrica modelar o componente em um sistema CAD para definir o volume do envelope 2. Tessellation (Trama de tecido) do modelo geométrico o modelo CAD é convertido em um formato computadorizado que aproxima suas superfícies através de facetas (triângulos ou polígonos) 3. Fatiamento do modelo em camadas modelo computadorizado é fatiado em camadas paralelas horizontais com empacotamento compacto Modelo Sólido para camadas Figure 34.1 Conversão de um modelo sólido de um objeto em camadas (somente uma camada é mostrada). 6

7 Mais alguns aspectos da PR Nomes alternativos para PR: Manufatura de camadas Manufatura direta do CAD Fabricação de sólidos de forma livre PR e manufatura (PRM) As tecnologias PR estão sendo usadas cada vez mais para produzir peças e ferramentais de produção, e não apenas protótipos Classificação das Tecnologias de PR Existem diversas formas para classificar as técnicas de PR que estão em uso A classificação de PR usada aqui é baseada na forma (ESTADO) do material de partida: 1. Baseado em Líquido 2. Baseado em Sólido 3. Baseado em Pó 7

8 Sistemas de PR baseados em Líquidos Material de partida é um líquido Há uma dezena de tecnologias de PR nesta categoria Inclui os seguintes processos: Estereolitografia Solid ground curing Droplet deposition manufacturing (*gotejamento) Estereolitografia (Stereolithography -STL) Processos de PR para fabricação de um sólido plástico a partir de um polímero líquido foto sensível usando um feixe de laser direto para solidificar o polímero Fabricação de peças é realizada como uma série de camadas - cada camada é adicionada sobre a camada anterior, construindo assim uma geometria 3-D A primeira tecnologia PR introduzida em 1988 pela 3D Systems Inc. baseada no trabalho de Charles Hull Método mais usado hoje 8

9 STL Figure 34.2 Stereolithography: (1) at the start of the process, in which the initial layer is added to the platform; and (2) after several layers have been added so that the part geometry gradually takes form. STL 9

10 Figure 34.3 A part produced by stereolithography (photo courtesy of 3D Systems, Inc.). Estereolitografia Filmes 10

11 Estereolitografia Filmes Prototipagem Rápida Estruturas de Suporte 11

12 Fatos sobre STL Cada camada é de mm a 0.50 mm (0.003 a in.) de espessura Camadas mais finas oferecem maior resolução e formas mais intrincadas, porém o tempo de processamento aumenta muito Materiais de partida são monômeros líquidos A Polimerização ocorre pela exposição da luz UV produzida por varreduras de feixes de laser Velocidade de Varreduras ~ 500 a 2500 mm/s Tempo de construção em STL Tempo para produzir uma única camada : A vd i T i = + T d onde T i = tempo para completar a camada i; A i = área da camada i; v = velocidade média da varredura do feixe laser na superfície; D = diâmetro do feixe spot size, assumido circular; e T d = tempo entre camadas para movimentação da mesa 12

13 Tempo de construção em STL - continuação Uma vez que os valores de T i tenha sido determinados para todas as camadas, então determina-se o tempo de ciclo: n T c T i = i i = 1 onde T c = tempo de ciclo do STL; e n l = números de camadas usadas para se chegar a peça completa O Tempo para construir uma peça varia de uma hora para pequenas peças de geometria simples a várias dezenas de horas para peças complexas Solid Ground Curing (SGC) Similar a SLT, SGC trabalha com a cura de camada por camada de polímero foto-sensível para criar um modelo sólido baseado em dados de um modelo geométrico em CAD Ao invés de usar uma varredura de um feixe de laser para a cura de uma dada camada, a camada toda é exposta a uma fonte de UV através de uma máscara sobre o polímero líquido FILME speedpart Tempo de endurecimento ou cura é de 2 a 3 s por camada 13

14 Solid Ground Curing Figure 34.4 SGC steps for each layer: (1) mask preparation, (2) applying liquid photopolymer layer,(3) mask positioning and exposure of layer, (4) uncured polymer removed from surface, (5) wax filling, (6) milling for flatness and thickness. Fatos sobre solid ground curing SGC A Seqüência para cada camada leva em torno de 90 s Tempo para produzir uma peça através de SGC é da ordem de aprox. 8 x mais rápida do os outros sistemas PR Sólidos com forma cúbica criados no SGC consistem de polímeros sólidos ou de cera A cera oferece apoio e suporte para partes frágeis do modelo durante a fabricação, mas ela pode fundir posteriormente para deixar a peça livre desses anexos 14

15 Droplet Deposition Manufacturing (DDM) Material de partida é fundido e pequenas gotas são lançadas através de um bico aspersor sobre a camada previamente formada Gotas ( Droplets ) fundem-se e resfriam em contato com a superfície para formar uma nova camada Deposição de cada camada é controlada através do movimento x-y do bico aspersor cujo caminho baseia-se na seção transversal de um modelo geométrico CAD que é fatiado em camadas Materiais de trabalho incluem cera e termoplásticos Sistemas para PR baseados em Sólidos Material de Partida é Sólido Sistemas PR baseados em sólidos incluem os seguintes processos: Laminated object manufacturing Fused deposition modeling 15

16 Laminated Object Manufacturing (LOM) Modelo físico sólido feito através de empilhamento de camadas de um rolo, cada porção da seção transversal é obtida de um modelo CAD também fatiado em camadas O estoque de folha (Bobinas) inclui papel, celulose, metais ou materiais reforçados com fibras A folha é geralmente fornecida com algum adesivo na parte anterior através de um molhamento para aderir à camada anterior. Após o corte o excesso de material nas camadas permanecem para apoiar a peça durante a construção. FILME lom Laminated Object Manufacturing Figure 34.5 Laminated object manufacturing. 16

17 Laminated Object Manufacturing Manufatura de objeto por laminação (LOM) - (Helisys) Laminated Object Manufacturing Manufatura de objeto por laminação (LOM) - Exemplo 17

18 Fused Deposition Modeling (FDM) Processo de PR no qual um longo filamento de cera ou polímero é extrudado sobre um superfície para formar a superfície de uma peça, lançado através de um cabeçote, para formar cada nova camada O cabeçote é controlado no plano x-y durante cada camada e então move-se para cima (direção z) a uma distância equivalente a uma camada O extrudado é solidificado e soldado resfriado à superfície da peça mais fria num tempo de aprox. 0.1 s Peça é fabricada a partir da base, usando um procedimento camada por camada. Fused Deposition Modeling (FDM) Modelagem por deposição fundida (FDM)- (Stratasys) 18

19 Sistemas de PR baseados em Pó Material de partida é um pó Sistemas de PR baseado em Pó inclui o seguinte: Sinterização seletiva a laser Impressão3-D Sistemas de PR baseados em Pó Impressão Tridimensional 19

20 Sistemas de PR baseados em Pó Impressão Tridimensional (Cabeçote) Sinterização Seletiva a Laser (SLS) 1. Feixe móvel de laser sinteriza o pó fundido por calor em áreas correspondentes ao modelo de geometria CAD uma camada por vez para construir a peça 2. Após cada camada ser completada, uma nova camada de pó é espalhado sobre a superfície. 3. Camada por camada, os pós são gradualmente ligados através de um feixe de laser em uma massa sólida que forma um peça 3-D 4. Em áreas não sinterizadas, os pós são liberados e espalhados sobre a peça completada. FILME sls.mpeg 20

21 Sinterização Seletiva a Laser (SLS) Sinterização Seletiva a Laser Sinterização Seletiva a Laser (SLS) Sinterização Seletiva a Laser (Sistemas 3D) 21

22 Sinterização Seletiva a Laser (SLS) Light Engineered Net Shaping (1) (Sandia National Lab) Sinterização Seletiva a Laser (SLS) Light Engineered Net Shaping (2) (Sandia National Lab) 22

23 Sinterização Seletiva a Laser (SLS) Peças feitas através Light Engineered Net Shaping (Sandia National Lab) Impressão Tridimensional (I3D) A peça é construída camada a camada usando um jato de tinta para lançar o adesivo sobre as camadas sucessivas de pó O ligante é depositado em áreas correspondentes a seção transversal da peça, como estabelecido pelo fatiamento do modelo geométrico CAD em camadas O ligante mantem o pó unido para formar a peça sólida, enquanto o pó não ligado permanece solto para ser removido posteriormente Para aumentar a resistência da peça, um passo de sinterização pode ser aplicado para ligar os pós individuais 23

24 I3D Figure 34.6 Three dimensional printing: (1) powder layer is deposited, (2) ink-jet printing of areas that will become the part, and (3) piston is lowered for next layer (key: v = motion). Aplicações da PR Aplicações da PR pode ser classificada em três categorias: 1. Projeto 2. Planejamento e análise de engenharia 3. Ferramental e manufatura 24

25 Aplicações de Projeto Projetistas são capazes de confirmar seus projetos e construir um modelo físico real em um tempo mínimo usando a PR. Benefícios do projeto usando PR: Redução dos tempos para produzir um protótipo Melhoria na capacidade de visualização da geometria da peça Detecção antecipada de erros de projeto Aumento da capacidade de estimar propriedades principais Planejamento e análise de engenharia A existência de peças permite determinadas análises de engenharia e planejamento de atividades a serem realizadas que seriam mais difíceis sem a entidade física Comparação de diferentes formas e estilos para determinar aparência estética Testes em túnel de vento Análise de tensões do modelo físico Fabricação de peças para pré produção para o planejamento do processo e projeto de ferramental 25

26 Aplicações de ferramenta Denominado de rapid tool making (RTM) quando a PR é usada para fabricar ferramental de produção Duas aproximações para a fabricação de ferramentas: 1. Método RTM indireto 2. Método RTM direto Método RTM indireto Padrões são criados através de PR e os padrões são usados para fabricar a ferramenta Filmes: softool.avi & rapidtool.av Exemplos: Padrões para fundição em areia e fundição por investimento (cera perdida) Eletrodos para eletroerosão 26

27 Método RTM direto PR é usada para fazer a ferramenta propriamente dita Exemplo: 3DP para criar uma matriz de metalurgia do pó seguido da sinterização e infiltração para completar a matriz Aplicaçõe em Manufatura Pequenos lotes de peças plásticas que não poderiam ser economicamente moldadas por causa do alto custo do molde Peças com geometrias internas intrincadas que não poderiam ser feitas usando tecnologias convencionais sem montagem. Peças únicas tais como implantes de ossos que devem ser feitas de acordo com as medidas do receptor 27

28 Problemas com PR Precisão da peça: Aparência escalonada Staircase appearance para inclinações em superfícies de peças devido ao empilhamento de camadas Retração e distorção de peças feitas por PR Variedade Limitada de materiais para PR Desempenho mecânico das peças fabricadas é limitado pelos materiais que podem ser usados no processo de PR 28