Processos de prototipagem e fabricação rápida

Os processos de prototipagem rápida surgiram em meados da década de 80, com o lançamento do processo de estereolitografia (SL), pela empresa 3D Systems (EUA) [25]. Os processos são basedos na construção por adição de camadas que permite a obtenção de peças numa fração do tempo requerido pelos métodos convencionais de fabricação de protótipos, especialmente para aquelas com geometrias complexas [26]. Posteriormente à SL, surgiram outros processos que, de forma análoga, adotam o mesmo princípio de construção, embora, variem na tecnologia de construção adotada e nos materiais empregados [27]. Com quase duas décadas do seu surgimento, os processos que se estabeleceram e apresentam maior destaque, além da SL, são baseados nas tecnologias sinterização seletiva à laser (SLS), modelagem por fusão e deposição (FDM) e impresão tridimensional (3DP), sendo que as duas últimas representaram mais de três quartos das vendas mundiais no ano de 2006 [28].

De acordo com Cooper [29], a construção por adição de camadas percorre uma seqüência composta de 6 etapas, ilustradas na figura 5. O processo inicia com a modelagem da geometria pretendida num sistema de CAD 3D. A geometria então é convertida para um formato de leitura que, na maioria das vezes, é o STL1_{. Na etapa seguinte, é realizado o pré-}

1 _{STL (Standard Tesselation Language) é formato de arquivo no qual uma geometria 3D é representada por uma}

processamento no qual o modelo STL é verificado, corrigido (se for o caso), posicionado, orientado e, em alguns processos, como SL e FDM, são adicionadas estruturas de suporte. Ainda no pré-processamento, o modelo STL é fatiado para a geração das camadas a serem fabricadas. Posteriormente, as informações geradas neste processo são transferidas para a máquina onde é iniciada a etapa de fabricação propriamente dita. As camadas são reproduzidas, uma a uma, até a geometria ser completamente construída. Terminada a fabricação, muitos processos requerem ainda uma etapa suplementar de pós-processamento, seja para a limpeza, remoção de suportes ou para o acabamento superficial. Se na análise do protótipo acabado ficar entendido que o mesmo atende às necessidades do projeto, dá-se o ciclo por terminado. Caso contrário, inicia-se um novo ciclo a partir da remodelagem em CAD 3D.

Figura 5: Ciclo do processo de fabricação por adição de camadas, adap. [29].

A fabricação rápida de moldes (rapid tooling) surgiu a partir da ampliação do rol de potencialidades dos processos de prototipagem rápida estabelecendo uma solução alternativa à fabricação de moldes por processos convencionais [11, 25, 29]. O objetivo destes métodos é disponibilizar, de maneira relativamente rápida, um molde capaz de produzir uma série de peças funcionais, ou seja, produzidas nos processos e materiais similares aos utilizados na produção final.

Assim como no caso da prototipagem rápida, as primeiras pesquisas na fabricação rápida de moldes também iniciaram a partir do processo de SL que era o processo mais difundido na época, através dos trabalhos realizados pelo Instituto Tecnológico Dinamarquês e pela empresa fornecedora de resinas de SL Ciba-Geigy (Suíça) em 1994 [25]. Posteriormente, a empresa 3D Systems (EUA), fornecedora de máquinas e resinas de SL,

apresentou seu próprio processo de obtenção de moldes para fabricação de pequenos lotes, chamado de Direct AIM [30]. Em paralelo, também foram realizadas diversas pesquisas no uso de moldes SL e também por outras tecnologias em diversos centros de pesquisa e universidades, com destaque ao Grupo de Pesquisa em Manufatura Rápida da Universidade de Loughborough (Reino Unido) [31-34] e ao Centro de Pesquisa em Manufatura do Instituto Tecnológico da Geórgia (USA) [35-38] que ampliaram os conhecimentos nesta área. No Brasil, as pesquisas em fabricação rápida de moldes iniciaram em 1998 no Laboratório Cimject da Universidade Federal de Santa Catarina [39] que concentrou-se na avaliação de moldes não-metálicos a partir de insertos de SL, SLS, FDM e do vazamento de resinas com carga [40-51]. Em Portugal, se destacam os trabalhos realizados pelo Departamento de Engenharia de Polímeros da Universidade do Minho que desde 2001, a partir de parcerias em Portugal, na Comunidade Européia e com o Brasil, tem contribuído com pesquisas também nesta área [52-55].

Especificamente no caso da moldagem por injeção, os processos de fabricação rápida obviamente não são utilizados na fabricação completa do molde de injeção. Os processos são utilizados apenas para a fabricação de insertos ou postiços do conjunto macho e cavidade, ou seja, das partes do molde que juntas são responsáveis em dar a forma final ao moldado (peça injetada). Desta maneira, a utilização conjunta, aproveitando as potencialidades dos processos rápidos e convencionais, em Portugal, deu origem ao termo proposto por Pouzada et al. de molde híbrido [52-54]. Conforme é ilustrado na figura 6, um molde híbrido resulta da criação de um molde de injeção, combinando processos de fabricação rápida e processos convencionais [55].

Com relação ao método de obtenção dos moldes, os processos de fabricação rápida podem ser classificados como indiretos e diretos [29]. Nos processos indiretos, os moldes são produzidos a partir de modelos, normalmente fabricados por prototipagem rápida. Os resultados obtidos com os processos indiretos são influenciados, em grande parte, pelo modelo empregado, principalmente, em relação à sua precisão dimensional e ao seu acabamento superficial [56]. Conseqüentemente, a escolha adequada do processo de fabricação do modelo será um dos fatores de sucesso. Os processos diretos não requerem a construção de um modelo. Os moldes são imediatamente produzidos no equipamento de prototipagem rápida. Potencialmente, os processos diretos apresentam maior precisão dimensional e rapidez em comparação aos processos indiretos, já que requerem menor número de etapas para fabricação, mas, apresentam um custo de obtenção, normalmente, mais alto.

Outra forma de classificação dos processos leva em conta a capacidade de produção dos moldes, ou seja, a quantidade de peças obtidas. Hilton e Jacobs [11] propuseram a divisão dos processos em três níveis de produção: baixa, intermédia e alta. Esta classificação serve somente para estabelecer qualitativamente a faixa de aplicação para cada processo, uma vez que os limites não são bem definidos e quantidades maiores ou menores podem ser obtidas em virtude de fatores diversos, tais como: a geometria da peça, o material injetado, as condições de processamento e os critérios de avaliação das peças obtidas.

De acordo com Hilton e Jacobs [11], a fabricação rápida apresenta duas frentes de estudo: diminuição do tempo de fabricação de moldes e a fabricação de moldes que possiblitem um ciclo de produção mais rápido, como, por exemplo, o tempo de ciclo de injeção. Os desenvolvimentos obtidos nos últimos anos projetam uma utilização significativa destes processos no futuro, uma vez que são numerosos os casos nos quais a aplicação destas tecnologias tem conferido resultados bastantes satisfatórios [57-61]. Segundo Ahrens et al. [62], a fabricação rápida se encontra em franco desenvolvimento e busca competir com os processos convencionais no futuro, na medida em que melhora a precisão e diminui o tempo de fabricação dos moldes.

No caso dos moldes fabricados por diferentes processos e materiais, o entendimento acerca das questões relativas ao projeto mecânico e às condições de processamento por injeção devem ser cuidadosamente consideradas, sendo cada vez mais importante o uso de ferramentas computacionais [44, 51].