INFLUÊNCIA DA ORIENTAÇÃO NO POSICIONAMENTO DO MODELO 3D PROTOTIPADO POR DEPOSIÇÃO DE MATERIAL FUNDIDO - FDM

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1 INFLUÊNCIA DA ORIENTAÇÃO NO POSICIONAMENTO DO MODELO 3D PROTOTIPADO POR DEPOSIÇÃO DE MATERIAL FUNDIDO - FDM Francisco de Assis Toti, ftoti@fatecsorocaba.edu.br 1 Elvio Franco de Camargo Aranha, elvio@smaflex.com.br 2 Samuel Mendes Franco, qualidade@roadwaynet.com.br 3 Luiz Carlos Rosa, luizrosa@sorocaba.unesp.br 4 1, 2, 3 Faculdade de Tecnologia de Sorocaba, Avenida Engenheiro Carlos Reinaldo Mendes, Bairro: Alto da Boa Vista - CEP: , Sorocaba SP 4 Universidade Estadual Paulista Câmpus de Sorocaba, Avenida Três de Março, 511. Bairro: Alto da Boa Vista CEP: Sorocaba, SP Resumo: A redução do tempo do desenvolvimento do ciclo de um produto é um dos maiores desafios da indústria ultimamente, principalmente no setor da engenharia experimental onde são construídos os protótipos. A representação física de produtos é conhecida desde a antiguidade, através da construção manual de modelos, passando para protótipos virtuais nos anos 80 com a disseminação dos sistemas CAD 3D e mais recentemente com os protótipos rápidos. Este trabalho teve como objetivo o estudo do posicionamento do modelo 3D para a sua prototipagem através da modelagem por material fundido (FDM). O componente mecânico escolhido para estudo foi um mancal de rolamento por apresentar uma geometria relativamente complexa, ser bipartido e necessitar de diversos tipos de processo para a sua fabricação. O modelo 3D do mancal foi construído no software SolidWorks versão 2011 em arquivo prt. Posteriormente, esse arquivo foi trabalhado a sua resolução e exportado no formato STL para o software Catalyst EX, da máquina de prototipagem rápida Dimension modelo SST 678. Em seguida ocorreu a prototipagem do modelo utilizando o material polímero (ABS), empilhando-se uma camada sobre a outra, por deposição de material fundido - Fused Deposition Modeling (FDM). Os resultados indicaram que dependendo do posicionamento do modelo 3D nas orientações x, y e z pode-se obter protótipos com melhor acabamento e menor tempo de construção, independente da resolução exportada do arquivo stl. Palavras-chave: Sistema CARP, Prototipagem, Modelo 3D 1. INTRODUÇÃO O desenvolvimento do projeto de um produto tem um início e fim definido e pode ser considerado como uma sequência de atividades, em que basicamente ocorre o processamento de informações, sendo que, a velocidade da informação, dentre outras, é fundamental para o seu sucesso. Nesse contexto, a utilização do sistema CAD 3D e sua integração com outros sistemas, por exemplo, com o sistema CARP (Computer Aided Rapid Prototyping), utilizado para construção de protótipos físicos de produtos, torna-se imprescindível. Para Li et al (2010), a vantagem mais notável é a integração do planejamento da produção e testes dentro do período de desenvolvimento do produto. De acordo com Volpato et al (2007), definiram que a prototipagem rápida (RP Rapid Prototyping) é um processo de construção de um modelo 3D, utilizando adição de material em forma de camadas planas sucessivas, permitindo fabricar protótipos físicos, com informações importadas do modelo gerado no sistema CAD 3D de forma rápida e automatizada. Este sistema apresenta vantagens, por exemplo, com os de construção de protótipos por remoção de material, pois não existe perda do material para a sua construção e não sendo necessária a utilização de ferramentas de corte. Também é possível a construção de protótipos de geometrias complexas, que por remoção exigem mão de obra especializada e máquinas-ferramentas com custo alto. Quanto à correção e alteração do protótipo, é executada com rapidez no sistema CAD/CARP, sendo possível, em função das informações da geometria do modelo construída no CAD ser exportada no formato STL (Standard Triangulation Language) para o CARP. Para Volpato et al (op cit), o arquivo STL guarda uma representação matricial das coordenadas cartesianas X,Y,Z nos nós de cada elemento triangular, e de acordo com um deslocamento fixo em z, um vetor unitário é associado a estes nós definindo o sentido da face externa da superfície a ser construída. Com esse princípio, permite-se aos sistemas de prototipagem rápida interpretar as informações do arquivo em formato STL, independente dos recursos computacionais disponíveis.

2 Atualmente existem no mercado vários equipamentos que constroem protótipos físicos por adição de materiais, destacando-se a de Fused Deposition Modeling (FDM). Neste processo, o modelo é construído por um filamento endurecido de polímero (ABS), que é aquecido num cabeçote contendo dois bicos, sendo um para extrudar o material da peça e outro para o suporte em uma plataforma, comandado por um sistema que define sua movimentação nas coordenadas x e y e também simultaneamente o deslocamento da plataforma em z (igual à espessura de camada depositada). Dessa forma, o cabeçote vai depositando os materiais, construindo a geometria do protótipo em camadas fatiadas umas sobre as outras. A figura (1) mostra o esquema de funcionamento da prototipagem por FDM, Canciglieri et al (2007). Figura 1. Esquema de funcionamento da FDM, Stratasys, Inc. O presente estudo objetiva, apresentar resultados obtidos da redução do tempo de construção dos protótipos por FDM, em função da orientação do posicionamento do modelo 3D. 2. FORMULAÇÃO DO PROBLEMA O melhor posicionamento do modelo na plataforma para ser prototipado em função da sua geometria interfere diretamente, dentre outros, no tempo de fabricação e consequentemente elevando seu custo. Pham et al (1999) apresentaram tópicos que devem ser considerados na avaliação do melhor posicionamento do modelo 3D contendo geometria complexa na plataforma, dentre os quais, destacam-se os da orientação, do suporte e do tempo. Sendo assim, o componente mecânico selecionado para este estudo foi um mancal de rolamento por apresentar uma geometria relativamente complexa, ser bipartido e necessitar de diversas etapas de processos para a sua fabricação, seja por remoção de material (usinagem), ou por fundição. A figura (2) apresenta o modelo 3D construído no software SolidWorks versão 2011 em extensão de arquivo prt. Figura 2. Modelo 3D explodido (parte inferior e superior) do mancal de rolamento. Posteriormente os arquivos prt. da parte inferior e superior do mancal foram salvos na extensão STL onde o software gerou automaticamente uma malha padrão (MP), em seguida a malha foi refinada (MR), objetivando melhorar sua resolução, conforme mostra a tab.(1). Tabela 1. Propriedades dos arquivos nas extensões Prt. e STL. Modelo 3D Prt (Kb) STL MP (Kb) Triângulos - MP STL MR (Kb) Triângulos - MR Parte Inferior Parte Superior

3 A figura (3) mostra a malha discretizada com elementos triangulares da parte inferior e superior do mancal de rolamento. Figura 3. Malha discretizada com elementos triangulares da parte inferior e superior do mancal. Na etapa seguinte, os arquivos STL foram exportados para o software Catalyst EX da máquina de prototipagem rápida Dimension modelo SST 678, definindo-se os posicionamentos 1 e 2 nas orientações x, y e z, para a prototipagem dos modelos com malha padrão MP e malha refinada - RF, conforme mostra a fig. (4). Figura 4. Posicionamento 1 dos modelos, posicionamento 2 dos modelos. A espessura de camada a ser depositada, o tipo de suporte e do modelo foram fixados no processo. A figura (5) mostra o sistema CARP (Computer Aided Rapid Prototyping), instalado no Núcleo Avançado na Área de Projetos NAAP. Figura 5. Sistema CARP.

4 Tempo total de construção (h) Volume de material (in 3 ) V I I C o n g r e s s o N a c i o n a l d e E n g e n h a r i a M e c â n i c a, 3 1 d e j u l h o a 0 3 d e A g o s t o , S ã o L u i s - M a r a n h ã o A figura (6) mostra os protótipos físicos da parte superior do mancal nas posições 1 (com o lado côncavo para cima) e 2 com material de suporte, do tipo básico para sua fabricação e o mancal bipartido finalizado. Figura 6. Protótipos nas posições 1 e 2 com suporte, Protótipos do mancal bipartido finalizados. 3. RESULTADOS A figura 7 mostra a influência do posicionamento 1 e 2 no volume da material utilizado para a construção dos suportes dos protótipos da parte inferior e superior do mancal de rolamento. Nota-se que a posição 2 consome menos material para a construção do suporte, tanto para a parte inferior como para a superior, mas em proporções diferentes. Isso ocorre em função de sua área de contato virtual com a plataforma, ser menor que a da posição 1. 1,6 1,2 Parte inferior Parte superior 0,8 0, Posicionamento Figura 7. Influência do posicionamento no volume do material utilizado na construção do suporte do protótipo. A figura 8 mostra a influência do posicionamento 1 e 2 no tempo total (construção do suporte e do protótipo) da parte inferior e superior do mancal. Observa-se que na posição 2 consome-se menos tempo em comparação a posição 1 e apresentam uma proximidade de porcentagem (%) em relação a redução do tempo, tanto para a parte inferior como para a superior do mancal. 6 5 Parte inferior Parte superior Posicionamento Figura 8. Influência do posicionamento no tempo total de construção dos protótipos.

5 Após inspeção visual, observou-se que a qualidade do acabamento superficial das partes prototipadas no posicionamento 2 foi superior aos do posicionamento 1. Isso ocorreu em função das camadas depositadas nas orientações determinadas, envolvendo uma sequência de planos de seção transversal da geometria do modelo. A figura (9) mostra a área da camada sendo depositada para os posicionamento 1 e 2 da parte superior do mancal. Observa-se que no posicionamento 1, nas orientações x e y, a área do modelo alterasse de forma constante a medida que cada camada é depositada, devido a curvatura estar crescente em z. No posicionamento 2, nas orientações x e y, a área é constante alterando-se somente com a mudança da geometria a ser prototipada em z. Figura 9. Área da camada prototipada no posicionamento 1, e no posicionamento 2. Quanto ao refinamento da malha, objetivou-se melhorar a resolução do contorno de cada seção transversal fatiada dos modelos 3D. Observou-se que para o modelo da parte inferior o aumento do número de triângulos da malha foi insignificante, enquanto para a parte superior ocorreu um aumento em torno de 5%. Entretanto, os tamanhos dos arquivos aumentaram em torno de 345% e não apresentaram melhoria considerável das imperfeições nos furos e alojamentos, quando comparados com os protótipos da malha padrão. Para Canciglieri et al (op cit), a qualidade superficial dos protótipos por FDM é regular, de acordo com os resultados obtidos em experiências práticas na obtenção de protótipos por empresas de design ou departamentos de design e engenharia de produtos, que terceirizam seus protótipos em agentes que oferecem estes serviços no Brasil. 4. CONCLUSÕES Os resultados obtidos de acabamento dos modelos prototipados no posicionamento 2, indicaram que as superfícies com curvaturas devem ter seus eixos de referência orientados na vertical, ou seja, na direção da construção. Os modelos 3D tanto da parte superior como da inferior foram prototipados no posicionamento 1 com o lado côncavo para cima, em função de minimizar o consumo de material de suporte, entretanto, o posicionamento 2 apresentou um menor consumo. Os resultados obtidos de diferentes tempos de construção indicaram que a orientação e o posicionamento do modelo influenciaram no tempo total de construção dos protótipos deste estudo. Avaliando as alturas dos modelos no posicionamento 1 que são menores que a do posicionamento 2, porém a área de camada depositada por seção transversal 1 é maior que a do posicionamento 2 e como a camada tem a mesma espessura, o tempo construção ficou diretamente relacionado com a geometria do modelo. Quanto a proximidade de porcentagem (%) em relação a redução do tempo, tanto para a parte inferior como para a superior do mancal comparados nos posicionamentos 1 com o 2, indicaram que a altura dos suportes não altera de forma significativa o tempo total de construção. 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao Núcleo Avançado na Área de Projetos da Faculdade de Tecnologia de Sorocaba.

6 6. REFERÊNCIAS Canciglieri, O. J., Junior, A. S., Neto, A. I., 2007, Processo de Prototipagem Rápida por Deposição ou Remoção de Material na Concepção de Novos Produtos Uma Abordagem Comparativa, XXVII Encontro Nacional de Engenharia de Produção, Foz do Iguaçu, PR., Brasil. Carvalho, J., Volpato, N., 2007, Prototipagem Rápida como processo de fabricação, In Prototipagem Rápida Tecnologias e aplicações, Volpato N. (editor). Ed. Blücher, São Paulo, 1ª edição. Li, C.H., Fang, Z., Zhao, H.Y., 2010, Investigation into Layered Manufacturing Technologies for Industrial Applications,, Second International Conference on Multimedia and Information Technology (MMIT), China. Magalhães, L. C., 2010, A Influência dos Parâmetros construtivos no Comportamento Mecânico de Peças Fabricadas pela Técnica de Modelagem por Fusão e Deposição (FDM), Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica e de Materiais Da UTFPR, Curitiba. Pham, D. T., Dimov, S. S., Gault, R. S., 1999, Part Orientation in Stereolithography, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, nº15, p DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.

7 INFLUENCE OF ORIENTATION IN THE POSITIONING THE MODEL 3D PROTOTYPED BY FUSED DEPOSITION MODELING FDM Francisco de Assis Toti, 1 Elvio Franco de Camargo Aranha, 2 Samuel Mendes Franco, 3 Luiz Carlos Rosa, 4 1, 2, 3 Faculdade de Tecnologia de Sorocaba, Avenida Engenheiro Carlos Reinaldo Mendes, Bairro: Alto da Boa Vista - CEP: , Sorocaba SP 4 Universidade Estadual Paulista Câmpus de Sorocaba, Avenida Três de Março, 511. Bairro: Alto da Boa Vista CEP: Sorocaba, SP Abstract. The reduction the cycle time for product development in the industry is the biggest challenges lately, mainly in the experiment engineering sector, where the prototypes are built. The physical representation of products is know since the antique, through the models manual building, passing to virtual prototypes in the 80 years with spread the 3D CAD systems and the most recently with the rapid prototypes. The main purpose of this work was a study of the positioning the 3D model for your prototyping througt The Fused Deposition Modelling(FDM). The mechanical component chose for study was bushing bearing for presenting a relatively complex geometry, be bipartie and require differents types the processes for your manufacture.the 3D model of the bushing was built in SoldWorks 2011version file prt. Later,in this file had been worked to your resolution and exported in STL format to Catalyst EX software, the rapid prototyping machine Dimension SST 678 model.then model occured the prototyping using the polymer material (ABS), stacking a layer on the other by Fused Deposition Modeling (FDM).The results indicated that depending to the posiotining of the 3D model in x, y and z directions can be obtain prototypes with better finish and reduced construction time, resolution independent export stl file. Keywords: CARP system, rapid prototyping, 3D model