1. Como se Produz um Metal? 1.1.Prototipagem Rápida

1. Como se Produz um Metal? 1.1.Prototipagem Rápida Relatório desenvolvido no âmbito da unidade curricular de Projeto FEUP Ano letivo 2014/2015 Trabalho realizado por: Beatriz Ferro César Machado José Tavares Patrícia Lopes Rita Cássia

Índice Resumo... 3 Palavras-chave... 3 Agradecimentos... 4 Introdução... 5 Enquadramento teórico... 6 Fundição... 6 Prototipagem Rápida e sua importância na fundição... 7 Tipos de Prototipagem Rápida... 8 Estereolitografia... 8 Modelação por extrusão de plástico... 9 Impressão Tridimensional...10 Fabricação de Objetos por Camadas (LOM)...11 Sinterização Seletiva por Laser...12 Vantagens e Desvantagens...13 Vantagens...13 Desvantagens...13 Métodos...14 Trabalho experimental...15 Exemplo do uso da Prototipagem Rápida...16 Conclusão...17 Referências bibliográficas...18 2

Resumo No âmbito da unidade curricular Projeto FEUP, este relatório visa dar a conhecer o processo de fundição e a prototipagem rápida na conceção de modelos de fundição. Abordar-seá os vários tipos de prototipagem rápida e as suas vantagens e desvantagens. Para além disto, será demonstrado o nosso trabalho prático que consiste na reprodução de uma peça a partir de uma impressora 3D e as aplicações deste processo de prototipagem rápida. Palavras-chave Fundição; Prototipagem Rápida; Impressora 3D. 3

Agradecimentos Não podíamos deixar de agradecer pelo árduo trabalho e dedicação das pessoas envolvidas no Projeto FEUP que reuniram as melhores condições para a integração dos alunos na Faculdade de Engenharia. Uma palavra de apreço á orientadora do Projeto FEUP, Professora Filomena Viana e claro, á monitora Tatiana Padrão. 4

Introdução O processo de fundição consiste num conjunto de etapas necessárias para moldar certos materiais ou ligas. Na primeira etapa recorre-se à fusão do material, seguindo-se o seu escoamento ou vazamento para moldes adequados e posterior solidificação. A Metalurgia tornou-se um dos setores mais importantes da economia mundial por isso urgia aperfeiçoar métodos de fundição e surgiram técnicas mais modernas e eficazes. Hoje em dia, recorre-se cada vez mais á Prototipagem Rápida. Esta técnica consiste na possibilidade de fabricar em série peças complexas a partir de um desenho em computador. A principal função de se produzirem protótipos é a de auxiliarem na análise, na funcionalidade e no efeito estético do produto projetado. Para além disto, a prototipagem rápida é um processo fácil, de baixo custo e rápido. As impressoras 3D são o equipamento mais conhecido e que ilustram um dos processos de prototipagem. 5

Enquadramento teórico Fundição Fundição e Prototipagem Rápida A fundição é um processo que permite que através da fusão de um dado material se obtenha uma peça com determinadas características. As matérias-primas são fundidas e vazadas para um molde. Depois de solidificar, a peça é aperfeiçoada para adquirir as características pretendidas. Fig. 1- Esquema representativo das etapas do processo de fundição. 6

Prototipagem Rápida e sua importância na fundição A prototipagem rápida permite a obtenção de protótipos com características dimensionais, geométricas e de acabamento superficial muito semelhantes às futuras peças. Posteriormente, estes protótipos podem ser usados como modelos para fundição pois tem todos os requisitos para a produção do objeto desejado. Atualmente, existem vários processos de conversão de protótipos em peças em plástico, metálicas, etc que tem como base o princípio da fundição. Em variadíssimos casos, os protótipos são usados como modelos perdidos, da mesma forma que é usada a cera no processo de cera perdida. No processo de modelos perdidos, o protótipo pode ser obtido em SL, de preferência com estrutura interna tipo ninho de abelha, SLS, FDM (cera) ou LOM (papel). A eliminação do modelo em papel, plástico ou cera é feita até a sua carbonização, seguida da combustão do carbono (Fernando Alves). Os vários tipos de prototipagem rápida utilizados neste processo estão representados na figura 2. Fig. 2 - Algumas características dos principais processos de prototipagem rápida (Fernando Alves 2001). 7

Tipos de Prototipagem Rápida Fundição e Prototipagem Rápida Estereolitografia SL (Stereolithography) foi o processo pioneiro de prototipagem rápida. Consiste na construção de modelos tridimensionais a partir de uma fotopolimerização de uma resina líquida usando um feixe laser de raios ultravioleta. Este processo vai construindo o modelo varrendo em cada camada o equivalente à superfície correspondente ao corte local da peça, tal como se pode observar na figura3. Na fase final, o modelo é sujeito a um processo de pós-cura para lhe conferir a resistência máxima. Também, os protótipos são submetidos a operações de lixagem e/ou polimento para melhorar o aspeto e funcionalidade(magno 2013; Fernando Alves 2001). Fig. 3 Esquema do princípio de funcionamento de uma máquina de estereolitografia (Grellmann). 8

Modelação por extrusão de plástico Fundição e Prototipagem Rápida O método FDM (Fused Deposition Modeler) consiste na conceção de protótipos por adição de material em camadas, formadas pela extrusão de um material termoplástico. O fio ( material termoplástico), é alimentado através de uma bobine. A cabeça extrusora deposita o material em camadas muito finas, unindo-se sucessivamente as camadas sobrepostas durante a solidificação. Este é o princípio das impressoras 3D (Fernando Alves 2001; Magno 2013). O esquema de funcionamento deste equipamento está representado na figura 4. Fig. 4 Esquema do processo de FDM (Fernando Alves 2001). 9

Impressão Tridimensional O princípio do TDP (Sanders Model Maker) é simples: construção de um protótipo a partir de um material em pó. Numa primeira fase dá-se a distribuição de uma camada uniforme de pó. De seguida, o ligante líquido é depositado sobre a camada e sobre os pontos que correspondem ao corte local da peça. Repete-se o processo as vezes necessárias até ficar concluída. Por fim, a peça é retirada da máquina e o pó que não ficou aglutinado é sacudido (Magno 2013; Fernando Alves 2001).Na figura 5 apresenta-se um esquema sucinto do princípio de funcionamento deste processo. Fig. 5 Sequência de operações necessárias para a obtenção das peças pelo processo TPD (Fernando Alves 2001). 10

Fabricação de Objetos por Camadas (LOM) Neste processo os modelos são produzidos colando sucessivamente folhas de papel, nas quais são cortados, por um feixe laser. O equipamento desenrola um rolo de papel impregnado com cola termoplástica. De seguida, um rolo pré-aquecido a cerca de 300ºC comprime a lâmina de papel sobre a camada anterior dando-se a colagem das duas camadas. Após a colagem, um feixe laser efetua o corte do contorno da peça (figuras 6 e 7). O papel que não faz parte do componente é cortado em quadrados pequenos para facilitar a posterior remoção da peça (Fernando Alves 2001; Magno 2013). Fig. 6 - Esquema de uma máquina LOM (Protoclick!, 2001). Fig. 7 - Processamento segundo o processo LOM (Fernando Alves 2001). 11

Sinterização Seletiva por Laser Fundição e Prototipagem Rápida O processo SLS (Selective Laser Sintering) utiliza pós muito finos de materiais poliméricos (p.e. nylon) ou ligas metálicas, os quais são aglutinados por varrimento de um feixe laser. Primeiramente é laminada uma camada de pó correspondente á espessura de cada camada de construção. Depois, o feixe laser incide sobre as partículas, provocando a fusão parcial das mesmas, obtendo-se uma estrutura sólida parcialmente porosa (Fernando Alves 2001; Magno 2013). O esquema de funcionamento do SLS pode ser observado na figura 8. Fig. 8 Esquema de uma máquina SLS (Fernando Alves 2001). 12

Vantagens e Desvantagens Fundição e Prototipagem Rápida Vantagens Capacidade de produzir formas tridimensionais complexas e detalhadas; Rapidez na obtenção de protótipos, quando comparada com técnicas convencionais; Diminuição dos custos, pois já conseguimos provar se a peça é funcional ou não, deste modo permite-nos reduzir o time to market, ou seja, o tempo útil que demora até se colocar um artigo no mercado; Redução substancial do tempo de lançamento do novo produto no mercado; Redução de custos no projeto de produtos. O modelo é fabricado numa única etapa de processo; Desvantagens Este processo não é apropriado para aplicações de grandes dimensões, pois a maioria dos equipamentos somente pode fabricar protótipos até 500 mm3 de volume; A qualidade final da superfície do modelo normalmente necessita de um acabamento secundário. A precisão e o acabamento superficial são inferiores aos das peças obtidas por técnicas convencionais (Antas 2007). 13

Métodos Os processos de prototipagem rápida atualmente existentes, são constituídos por cinco etapas básicas: 1. Criação de um modelo CAD da peça que se quer projetar; 2. Conversão do arquivo CAD em formato STL (stereolitography) que é próprio da estereolitografia; 3. O ficheiro.stl ao ser introduzido no equipamento é convertido num ficheiro.sli ( do inglês slice - fatia). 4. Construção física do modelo, onde a matéria-prima é aplicada camada a camada; 5. Limpeza e acabamento do protótipo (F. Jorge Lino). Fig. 9 - Evolução do modelo CAD 3D até á obtenção do protótipo (Fernando Alves 2001).. 14

Trabalho experimental Objetivo: Produção de um modelo em plástico através de uma impressora 3D. Fig. 11 - Protótipo (chave). Fig. 10 - Impressora 3D BeeTheFirst 1. A partir de um desenho CAD, mandou-se imprimir o protótipo de uma chave. Para isso tevese que exportar o ficheiro para um ficheiro que a impressora pudesse ler. 2. A impressora estava a ser alimentada por um fio (polímero PVA) e iniciou-se a impressão na plataforma móvel. 3. A impressão foi feita camada a camada até que o protótipo ficasse totalmente concluído. 4. Ao fim de 20 minutos, a chave ficou concluída. 15

Exemplo do uso da Prototipagem Rápida A prototipagem rápida tem tido uma grande importância na área da Medicina, como por exemplo, na confeção de moldes para implantes ou no planeamento cirúrgico, utilizando-se modelos da anatomia produzidos a partir de dados obtidos em exames de imagem, como a tomográfica computadorizada ou a ressonância magnética. A produção de um modelo físico 3D com o uso da prototipagem é útil na condução de casos complexos, quando os exames de imagem convencionais são duvidosos. Na Engenharia a Prototipagem Rápida tem-se revelado uma mais-valia, uma vez que se recorre a este método para o fabrico de ferramentas e protótipos de peças para automóveis. Na área da arquitetura, este processo também é muito importante visto que é possível a conceção física de maquetes através de um simples desenho em computador (Prado 2005). Fig. 12 - Crânio obtido por prototipagem rápida (Barbieri 2010) Fig. 13 - Maquete (Green 2012) Fig. 14 - Peças metálicas obtidas por conversão de um protótipo ("Prototipagem Rápida") 16

Conclusão A realização deste projeto foi basilar para a consolidação de conhecimento relativo aos processos e etapas da fundição e à descoberta de novas técnicas sobre a Prototipagem Rápida. A prototipagem Rápida tem vindo a crescer na sociedade pois é muito vantajosa. Todos os tipos de protótipos são construídos camada a camada e servem para testar a funcionalidade do objeto projetado. Atualmente recorre-se principalmente á estereolitografia para a conceção de peças pois é o processo mais simples e mais barato. Na execução do trabalho prático tivemos a oportunidade de conceber uma peça através de uma impressora 3D, cujo princípio de funcionamento baseia-se na Prototipagem Rápida. Em suma, este projeto foi enriquecedor visto que foram abordados temas cruciais no desenvolvimento de uma sociedade que depende da tecnologia. 17

Referências bibliográficas Fundição e Prototipagem Rápida Antas, Ana Filipa Felgueiras. 2007. "Utilização das Tecnologias de Prototipagem Rápida na Área Médica". Última atualização 10-2014. http://repositorioaberto.up.pt/bitstream/10216/11179/2/texto%20integral.pdf Barbieri, Jeverson. 2010. "Equipamento da FEQ Permite Produção de Órteses e Próteses Personalizadas". Acedido a 20-10-2014. http://www.unicamp.br/unicamp/unicamp_hoje/ju/maio2010/ju462_pag03.php#. F. Jorge Lino, Rui J. Neto. "A Prototipagem Rápida na Indústria Nacional". Acedido a 05-10- 2014. http://paginas.fe.up.pt/~falves/prototipagem.pdf. Fernando Alves, Fernando Braga, Manuel Simão, Rui Neto, Teresa Duarte. 2001. Protoclick!, Prototipagem Rápida. Green, Sam. 2012. "Prototipagem Rápida em Arquitetura - Virtual a Físico". Acedido a 20-10- 2014. http://blog.stratasys.com/pt-br/2012/06/27/prototipagem-rapida-em-arquiteturavirtual-a-fisico/. Grellmann, Dauri. "O Processo de Microfusão Utilizando Padrões Fabricados por Estereoligrafia". Acedido a 20-10-2014. http://www.moldesinjecaoplasticos.com.br/microfusao.asp. Magno, Sérgio. 2013. "Impressão 3D: o que é e como funciona". Acedido a 05-10-2014. http://exameinformatica.sapo.pt/videos/2013-04-24-impressao-3d-o-que-e-e-comofunciona. Prado, Valmir Rodrigues do. 2005. "Uso de Prototipagem Rápida em Medicina: aplicação a neurocirurgia". Acedido a 10-2014. http://www.bibliotecadigital.unicamp.br/document/?code=vtls000358430. "Prototipagem Rápida". Acedido a 20-10-2014. http://www.drtmoldes.com/prototipagem-rapida/. 18