1 UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO
RIO GRANDE DO SUL
MAURO LUIZ LENZ
UTILIZAÇÃO DE FERRAMENTAS DE PROTOTIPAGEM RÁPIDA EM INDÚSTRIA ELETRO-ELETRÔNICA COM ÊNFASE NA REDUÇÃO DO TIME TO
MARKET E DOS CUSTOS DE DESENVOLVIMENTO
2 MAURO LUIZ LENZ
UTILIZAÇÃO DE FERRAMENTAS DE PROTOTIPAGEM RÁPIDA EM INDÚSTRIA ELETRO-ELETRÔNICA COM ÊNFASE NA REDUÇÃO DO TIME TO
MARKET E DOS CUSTOS DE DESENVOLVIMENTO
Monografia de Pós Graduação em Engenharia Industrial submetida à Universidade Regional do Noroeste do Rio Grande do Sul como requisito parcial para obtenção do Grau de Especialista em Engenharia Industrial.
Orientador: Mateus Felzke Schonardie
3 DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho de forma especial a minha namorada Schayanne, por compreender minha ausência durante esse período.
4 AGRADECIMENTOS
Agradeço de forma especial a minha família, por sempre me apoiar nessa jornada, a empresa Widitec por proporcionar a realização deste trabalho utilizando as ferramentas de propriedade da mesma e pelo auxílio nas mais diversas tarefas. Agradeço também a Unijuí pela oportunidade de aperfeiçoamento concedida e a todos os colegas de curso pelas experiências vividas e amizades compartilhadas.
5 RESUMO
Este trabalho apresenta a avaliação de uma fresadora CNC de pequeno porte e específica para a realização de placas de circuito impresso e uma impressora 3D utilizando o processo FDM como ferramentas de prototipagem rápida. Nas avaliações entre prototipagem interna e aquisição de protótipos para placas de circuito impresso, obteve-se uma redução significativa tanto no prazo de obtenção de um protótipo como no custo de obtenção, fato que propicia a confecção de mais protótipos a fim de assegurar que o equipamento chegará na linha de produção sem apresentar problemas. Em termos de prototipagem em polímeros, embora ainda não existam muitos resultados práticos, percebe-se que a ferramenta permite uma avaliação mais detalhada de uma peça que se tenha a intenção de produzir, permitindo que ela seja testada e ajustada antes de ser realizada a aquisição de ferramentas de injeção, além de propiciar a utilização da ferramenta de prototipagem para a fabricação de algumas peças pequenas e especiais que tenham pouca saída e onde a fabricação de moldes não compense.
6 ABSTRACT
This paper presents the evaluation of a small CNC milling machine specific to confection of printed circuit boards and a 3D printer using the FDM process as rapid prototyping tools. In the evaluations of internal prototyping and acquisition of prototypes for printed circuit boards, a significant reduction was obtained in both time to obtain a prototype as in the cost of obtaining, a fact that favors the production of more prototypes in order to ensure that the equipment arrive on the production line without presenting problems. In terms of polymers prototyping, there aren’t so far many practical results, but it is clear that the tool allows a more detailed assessment of a piece that intends to produce, allowing it to be tested and adjusted before being purchase the injection tools, besides providing the use of prototyping tool to manufacture small and some special pieces that have low output, and where the mold manufacturing does not compensate.
7 LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Máquina prototipagem Laser Protolaser S da LPKF. ... 16
Figura 2: Ferramenta de prototipagem rápida por CNC. ... 18
Figura 3: Erro de conexão e falta de conexão representados no Software de Desenho. ... 21
Figura 4: Lista de Materiais Gerada pelo Software. ... 21
Figura 5: Visão em três dimensões de uma Placa de Circuito Impresso. ... 22
Figura 6: Tela Inicial do Software CopperCAM. ... 23
Figura 7: Aspecto final de uma placa gerada pelo software CopperCAM. ... 24
Figura 8: Tela de Geração dos arquivos de Código G. ... 25
Figura 9: Exemplo de arquivo em Código G gerado pelo Software CopperCAM... 25
Figura 10: Fresadora CNC ZK-3030. ... 26
Figura 11: Controle DSP da Fresadora CNC ... 27
Figura 12: Protótipo 1 - Placa com trilhas de 0,3mm de largura e desbaste. ... 28
Figura 13: Protótipo 2 – Trilhas sem desbaste ... 29
Figura 14: Protótipo 3 – Placa com desbaste e furação vazada. ... 30
Figura 15: Ferramentas de furação, desbaste e corte de PCI's. ... 31
Figura 16: Ilustração gráfica do processo de estereolitografia. ... 36
Figura 17: Ilustração gráfica do processo de FDM ... 37
Figura 18: Peça desenhada no AutoCad e pronta para ser exportada em stl. ... 39
Figura 19: Exportação em formato stl a partir do AutoCad. ... 40
Figura 20: Arquivo stl importado no software da impressora 3D. ... 41
Figura 21: Impressora 3D FMD utilizada pela Empresa. ... 42
Figura 22: Empenamento e descolamento de camada nos primeiros protótipos. ... 43
Figura 23: Preenchimento parcial da parede da peça. ... 43
8 LISTA DE TABELAS
Tabela 1 : Quadro Comparativo Métodos de Prototipagem Rápida de PCI's ... 19 Tabela 2: Comparativo de custo e tempo de espera aquisição e confecção de protótipo. ... 31
9 SUMÁRIO
INTRODUÇÃO ... 10
1 CONTEXTUALIZAÇÃO ... 11
1.1CENÁRIO ATUAL ... 11
1.2PORQUE UTILIZAR UMA FERRAMENTA DE PROTOTIPAGEM RÁPIDA (PR) ... 12
2 PROTOTIPAGEM rápida EM PLACAS DE CIRCUITO IMPRESSO ... 14
2.1 TÉCNICAS DE PROTOTIPAGEM DE PLACAS DE CIRCUITO IMPRESSO... 14
2.1.1 Transferência Térmica ... 14
2.1.2 Processo Serigráfico ... 15
2.1.3 Ferramenta de Prototipagem a Laser ... 16
2.1.4 Ferramenta de Prototipagem CNC ... 17
2.1.5 Comparativo entre os Métodos de Prototipagem de PCI’s... 18
2.2 PROTOTIPAGEM POR FRESAGEM CNC NA PRÁTICA ... 20
2.2.1 Gerando o Arquivo de Desenho da PCI... 20
2.2.2 Gerando os Dados de Trabalho para a Fresa CNC ... 23
2.2.3 Confeccionando a Placa de Circuito Impresso ... 26
2.3 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 28
3 PROTOTIPAGEM RÁPIDA EM POLÍMEROS ... 35
3.1 TÉCNICAS DE PROTOTIPAGEM RÁPIDA EM POLÍMEROS... 36
3.1.1 Estereolitografia... 36
3.1.2 Modelagem por Deposição de Material Fundido (FDM) ... 37
3.2 PROTOTIPAGEM POR FDM NA PRÁTICA ... 38
3.2.1 Desenho CAD e Preparação dos Dados ... 39
3.2.2 Imprimindo a Peça ... 41
3.2.3 Resultados e Discussões ... 42
CONCLUSÃO ... 45
PROPOSTAS FUTURAS ... 47
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 48
APÊNDICE I: CÓDIGO DE EXECUÇÃO DE FURAÇÃO PARA PLACA DE CIRCUITO IMRPESSO EXEMPLO ... 50
10 INTRODUÇÃO
Dois fatores importantes para a competitividade de uma empresa no cenário atual são a diminuição dos seus custos no processo de desenvolvimento de novos produtos e a redução do tempo de introdução de novos produtos no mercado. Existem diversas etapas a serem seguidas no processo de desenvolvimento de um produto, desde a concepção da ideia até a introdução no mercado, etapas estas que não possuem uma definição clara no início do projeto, uma vez que cada item não fica completamente definido antes da etapa seguinte.
Segundo KAMINSKI (1999), a evolução de um projeto pode ser definida como uma espiral, sem muita definição nas primeiras voltas, mas que toma forma mais precisa conforme avança, até atingir a sua configuração final.
Ainda de acordo com KAMINSKI (1999), estima-se que mais de 70% do custo de um produto é determinado durante a fase de projeto. TIDD, BESSANT, e PAVITT (1997), consideram que o teste das alternativas do projeto durante a sua execução representa a melhor forma de diminuir custos e reduzir o tempo de desenvolvimento do produto.
Durante o desenvolvimento de produtos, aspectos construtivos, de produção e funcionais são usualmente avaliados (BACK et al, 2008; BAXTER, 2000; ROZENFELD, 2006) e os protótipos físicos representam a melhor maneira de efetuar essas avaliações. Tratando-se de equipamentos eletrônicos, além da questão estética e de produção, é preciso elaborar protótipos que permitam a experimentação da lógica de funcionamento do circuito proposto, imunidade a interferências, dentre outros, de modo a permitir a comprovação dos resultados obtidos nas simulações com uso de ferramentas computacionais.
Este trabalho propõe-se a apresentar e discutir algumas ferramentas que permitem reduzir tanto os custos de um projeto quanto o tempo necessário para que o mesmo ingresse no mercado (time to market) aplicadas mais especificamente a uma indústria eletro-eletrônica com foco no desenvolvimento de controladores para controle automático de processos de secagem e armazenagem de grãos.
Serão apresentadas as principais ferramentas disponíveis e abordadas com mais detalhes duas ferramentas de prototipagem recentemente adquiridas pela empresa, com a apresentação de alguns resultados visando dar credibilidade ao processo de prototipagem rápida adotado.
11 1 CONTEXTUALIZAÇÃO
A exigência por novos produtos e a procura por produtos personalizados por partes dos clientes vem fazendo com que a área de equipamentos e controladores eletrônicos (assim como de muitas outras áreas) seja obrigada a apresentar soluções funcionais em espaços de tempo reduzidos e com o menor custo possível.
Nesse cenário, a utilização de ferramentas que permitam agilizar o processo de desenvolvimento e teste de novos equipamentos torna-se ferramenta essencial, sendo mais atrativo ainda quando essas ferramentas nos permitem uma redução de custos durante a fase de desenvolvimento do produto, fase essa onde inúmeras vezes há um elevado investimento em pesquisa sem uma certeza de retorno.
Nesse capítulo estaremos analisando a situação atual da prototipagem rápida no cenário industrial, as principais ferramentas utilizadas e opções disponíveis no mercado, além de apresentar a estrutura adotada para esse trabalho.
As ferramentas em uso e que serão abordadas neste trabalho são uma impressora 3D que utiliza o processo de FDM (Fused Deposition Modeling) para confecção de protótipos de peças e uma fresa CNC aprimorada para o uso em placas de circuito impresso, permitindo a confecção das mesmas sem a necessidade de manuseio de ácidos e outros produtos químicos, além de garantir uma excelente precisão de acabamentos.
1.1 CENÁRIO ATUAL
Embora não seja uma tecnologia nova (sendo a primeira técnica desenvolvida em 1986), a prototipagem rápida na indústria ainda não é algo comum e tem como principal objetivo a avaliação e validação do sistema proposto, antes do mesmo entrar em produção.
Apesar de (dependendo do grau de confiabilidade e precisão exigido) ainda se tratar de um investimento considerável, a popularização das tecnologias e o aumento do uso das mesmas vem barateando a aquisição dessas ferramentas, sendo possível obter o retorno do investimento em períodos de tempo relativamente curtos quando comparados a vida útil das ferramentas em questões por permitir a percepção, avaliação e correção de problemas ainda na fase de projeto, onde os custos de correção são relativamente baixos comparados a uma alteração em um produto que já se encontra em produção.
12 Antes da utilização das ferramentas de prototipagem pela empresa, as placas de circuito impresso eram confeccionadas em empresas especializadas na prestação deste tipo de serviço. Embora o acabamento obtido fosse excelente, por se tratar de protótipo, na grande maioria das vezes várias placas e circuito acabam sendo jogadas fora por problemas de funcionamento ou roteamento de placas, principalmente quando se trata de sistemas sensíveis a interferências externas ou com a proposição de algum sistema de controle ou acionamento completamente novo.
Além de 80% das pacas de circuito impresso de um lote protótipo acabarem sem utilização (uma vez que não há como reduzir a quantidade em função do pedido mínimo das empresas fornecedoras), o tempo de entrega também representa um entrave significativo no lançamento de um novo produto no mercado. O tempo média de entrega de um lote de placas de circuito impresso varia de três até doze dias úteis, não contando com o transporte do material até a empresa, período de tempo esse que, quando aplicado a dois ou três protótipos por equipamento, representa um atraso significativo no desenvolvimento de um produto, podendo ser o limitante entre o sucesso ou o fracasso de determinado produto no mercado.
Na parte de polímeros, a empresa optou pela prototipação por dois motivos principais: redução de tempo e custo na hora de desenvolver ferramentas para injeção de peças, com a possibilidade de obter peças exatamente iguais as que serão injetadas e poder testá-las antes de partir para um investimento maior e, em segundo lugar, estudar e avaliar os resultados para futuramente incluir máquinas com esse princípio de funcionamento na linha de produção para produzir peças que não possuem quantidade suficiente para fabricação de moldes e peças especiais para clientes que assim as exigem.
1.2 PORQUE UTILIZAR UMA FERRAMENTA DE PROTOTIPAGEM RÁPIDA (PR)
Segundo VOLPATO (1999), um problema que passe despercebido pelas fases de projeto, simulação e testes iniciais, vindo a ser percebido somente após a liberação do produto, pode causar um custo de correção até vinte e cinco vezes superior quando comparado a um problema detectado na fase de simulação e até cinco vezes superior quando comparado a um problema detectado na fase de testes finais antes da liberação do produto.
Atualmente, os desenvolvimentos observados nesta área estão concentrados principalmente no aumento da velocidade de produção, na busca de novos materiais que se aproximem do material do produto final, na precisão dimensional dos modelos através de melhorias no processo de confecção dos protótipos, em avanços na utilização da energia a laser,
13 em melhorias na performance dos softwares de suporte e na descoberta de novas aplicações para a tecnologia (NAKAGAWA, 1998).
Alguns dos motivos que levam um número crescente de empresas a adotar ferramentas de prototipagem rápida são, entre outros:
Garantem uma maior integração entre as diversas equipes de pesquisa, projeto, desenvolvimento, produção e vendas, através de visualização física e demonstração de funcionalidades proporcionadas pelo protótipo (FERREIRA, 1998), permitindo assim a Engenharia simultânea;
Torna possível avaliar a reação do cliente/consumidor frente ao produto quando ainda está na fase inicial de projeto;
Podem ser feitos protótipos por PR (prototipagem rápida) desde a fase inicial de projeto, aumentando-se a confiabilidade das informações que servirão de base para as etapas seguintes (VOLPATO, 1999);
Reduz os riscos de inovação para produtos considerados de natureza inovadora e revolucionária, que utilizam tecnologias que possuem alto custo associadas a uma falha de projeto;
Diminuição dos custos de desenvolvimento pela redução do número de ciclos necessários.
14 2 PROTOTIPAGEM RÁPIDA EM PLACAS DE CIRCUITO IMPRESSO
Um circuito impresso consiste em uma placa formada por camadas de materiais plásticos e fibrosos (como fenolite, fibra de vidro, fibra e filme de poliéster, entre outros polímeros) que conta com finas películas de substâncias metálicas (cobre, prata, ouro ou níquel). Essas películas formam as “trilhas” ou “pistas” que serão responsáveis pela condução da corrente elétrica pelos componentes eletrônicos.
Esses impulsos elétricos são transmitidos para os componentes, viabilizando o funcionamento de cada peça e, consequentemente, do sistema completo formado pela PCI. As placas de circuito impresso tiveram sua origem em 1936 pelas mãos do engenheiro austríaco Paul Eisler, embora a técnica fundamental para o desenvolvimento das PCIs tenha surgido no ano de 1903 com as pesquisas do inventor alemão Albert Hanson.
A prototipagem rápida em placas de circuito impresso não é algo muito comum na maioria das empresas, mas é uma das ferramentas que melhor permite aos projetistas e desenvolvedores testar os circuitos que estão sendo propostos, com agilidade e custo reduzido. Existem várias formas e técnicas de prototipagem rápida para circuitos impressos, assim como para qualquer outro tipo de prototipagem. Nesse capítulo serão apresentadas brevemente as principais ferramentas de prototipagem para placas de circuito impresso, suas vantagens e desvantagens e as justificativas pela opção de uma máquina fresadora CNC para a realização desses protótipos, além da apresentação de alguns cases reais com comparação de custos e prazos de algumas placas de circuito impresso confeccionadas através da ferramenta.
2.1 TÉCNICAS DE PROTOTIPAGEM DE PLACAS DE CIRCUITO IMPRESSO
2.1.1 Transferência Térmica
O método de transferência térmica é bastante conhecido e muito utilizado por hobbistas para confecção de suas placas de circuito impresso em casa. Nesse processo, utiliza-se papel fotográfico para impressão das trilhas em uma impressora a lautiliza-ser e, em utiliza-seguida, com auxílio de uma prensa térmica ou ferro de passar roupa, realiza-se a transferência da impressão para a superfície cobreada da placa de cobre virgem.
Feito isso, expõem-se a placa de cobre virgem com as trilhas transferidas a uma solução de Percloreto de Ferro (FeCl3) por um determinado tempo, até que as partes de cobre
15 não cobertas com as trilhas (tonner da impressora transferido através do processo térmico) seja removida pelo ácido, procedendo com a lavagem da placa de circuito impresso em seguida.
Com as trilhas feitas, é preciso realizar a furação da placa de circuito impresso, processo esse que pode ser manual ou automatizado.
Esse método possui algumas limitações e problemas, conforme seguem:
Dificuldade no alinhamento das furações com as trilhas, fazendo com que alguns circuitos integrados exijam trabalho especial para encaixe na placa;
Embora seja possível realizar trilhas pequenas e de pequena largura (tudo depende da habilidade de quem está realizando as operações), normalmente o processo não oferece grande precisão;
Utiliza-se de componentes químicos nocivos para a saúde e que, em ambiente industrial, necessitam de condições especiais de armazenagem e pessoas capacitadas para seu manuseio;
Gera despesas adicionais para a empresa por gerar adicional por insalubridade; Em suma, o processo de transferência térmica apresenta baixa precisão, necessidade de mão de obra especializada, baixo custo e tempo de fabricação de curto para moderado.
2.1.2 Processo Serigráfico
Semelhante ao processo de transferência térmica, o processo serigráfico difere apenas na forma de transferir as trilhas do circuito impresso para a placa de cobre virgem. Ao invés de utilizar o processo térmico e papel fotográfico, são impressos fotolitos e produzidas telas de serigrafia para cada placa que se deseja fazer.
Após, procede-se com a aplicação de uma tinta fotossensível e exposição a luz ultravioleta por um determinado período de tempo para que as trilhas fiquem marcadas na placa de cobre virgem, sendo levada em seguida para o processo de corrosão em Percloreto de Ferro (FeCl3) e lavagem para retirada das sobras ácido.
Apresenta as seguintes características:
Dificuldade no alinhamento das furações com as trilhas, fazendo com que alguns circuitos integrados exijam trabalho especial para encaixe na placa;
Precisão inferior ao processo de transferência térmica para trilhas de pequenas larguras;
16 Utiliza-se de componentes químicos nocivos para a saúde e que, em ambiente industrial, necessitam de condições especiais de armazenagem e pessoas capacitadas para seu manuseio;
Gera despesas adicionais para a empresa por gerar adicional por insalubridade; Necessidade de ter uma serigrafia ou pelo menos telas serigráficas disponíveis e
saber como criar uma tela serigráfica;
Para quantidades maiores, torna-se mais interessante que o processo de transferência térmica
A exemplo do método por transferência térmica, no método por processo serigráfico há exigência de mão de obra experiente, apresenta um custo um pouco maior e (depois das telas prontas) é um processo relativamente rápido. Um dos seus maiores inconvenientes é a utilização de químicos e a necessidade de manter um processo serigráfico na empresa.
2.1.3 Ferramenta de Prototipagem a Laser
O processo a laser é um processo mais recente e proporciona excelentes resultados em termos de precisão e acabamento, sendo possível atingir larguras de trilhas inferiores a 100µm (micrometros). A Figura 1 apresenta uma máquina de prototipagem do modelo Protolaser S, fabricada pela empresa alemã LPKF Laser & Electronics.
Figura 1: Máquina prototipagem Laser Protolaser S da LPKF.
17 Dotada de um emissor laser classe IV e frequência de pulsos entre 15 e 200 kHz (quilo Hertz), essa ferramenta é capaz de produzir protótipos de maneira rápida, eficiente e totalmente sem a utilização de produtos químicos em diversos materiais, tais como placas de fibra de vidro, fenolite, laminados de alumínio, material cerâmico, estruturas RF (rádio frequência) e materiais semi-flexíveis.
Além da confecção das trilhas, é possível realizar furações e, com acréscimo de alguns acessórios, metalização de furos e aplicação de máscara de solda. Por não haver necessidade de troca de ferramentas, o processo de confecção é rápido e com pouco barulho.
O maior entrave para o investimento em uma ferramenta de prototipagem a laser consiste no preço da tecnologia, muito superior a qualquer outra disponível no mercado.
Como características desse processo pode-se citar: Alta precisão de trilhas e furações;
Tempo de produção relativamente curto;
Suporte a diversos tipos de material para a confecção da placa de circuito impresso; Investimento inicial relativamente alto.
2.1.4 Ferramenta de Prototipagem CNC
As ferramentas de prototipagem CNC consistem em mecanismos programados para seguir uma sequência de comandos pré-definidos gerados a partir de um software de edição ou gerenciamento.
Nesse processo, a exemplo da prototipagem a laser, ocorre a retirada do material indesejado da placa de cobre virgem, mudando apenas a forma como isso é feito, sendo que na prototipagem CNC esse processo é feito através de ferramentas de desbaste, furação e corte.
Nessa linha existem diversas ferramentas, umas mais completas e outras menos, cada qual com suas características em específico. A Figura 2 ilustra uma dessas ferramentas, a Protomat E33, LPKF Laser & Electronics.
Esse tipo de ferramenta de prototipagem, embora não consiga trabalhar com tantos materiais comparado com o laser e possuir uma precisão inferior, permite a confecção de placas com boa performance e igualmente livres de qualquer produto químico. Possui um custo inicial de investimento muito inferior as ferramentas de laser, no entanto apresenta manutenção com a substituição de ferramentas que apresentam problemas após certo tempo de uso.
18 Figura 2: Ferramenta de prototipagem rápida por CNC.
FONTE: ANACON(2), 2015.
Em termos de características, podemos citar as principais como sendo: Precisão na confecção de trilhas de média a alta e alta em furações; Tempo de produção relativamente curto;
Possui ferramentas de desbaste, corte e furação que necessitam de substituição periódica para correto funcionamento do equipamento;
Possui um baixo custo de investimento inicial; 2.1.5 Comparativo entre os Métodos de Prototipagem de PCI’s
Para facilitar a compreensão das vantagens e desvantagens de cada processo de prototipagem de placas de circuito impresso (PCI’s) apresentados. A Tabela 1 apresenta um resumo de suas funcionalidades, vantagens e desvantagens.
No ítem Tempo de Obtenção, foi considerada uma placa padrão de 70x40mm de tamanho. Para o tempo de obtenção a partir da ferramenta de prototipagem a laser realizou-se uma consulta ao fornecedor das máquinas de LPKF no Brasil, a Anacom.
19 Tabela 1 : Quadro Comparativo entre Métodos de Prototipagem Rápida de PCI's face Simples. Processo
Característica Transferência Térmica Serigráfico Processo Prototipagem Laser Prototipagem CNC Precisão de
Posicionamento Máxima
Baixa (depende
do operador) Baixa (depende do operador) Alta (2µm) Alta (5µm) Largura de Trilha Mínima Raramente inferior a 0,5mm Raramente inferior a 0,5mm 50µm (2 mil) 100µm (4 mil) Tempo de Obtenção 3-4 horas 4-5 horas Cerca de 30
minutos
2-3 horas Experiência do
Operador
Alta Alta Baixa Baixa
Uso de substâncias Químicas
Sim Sim Não Não
Padrão de Acabamento
Baixo Baixo Alto Alto
Custo de Implantação Baixo (menos de R$ 100,00) Baixo (menos de R$ 100,00) Alto (Acima de R$ 50.000,00) Intermediário (a partir de R$ 2.000,00)
Custo de Manutenção Médio Médio Baixo Baixo/Médio
Custo do Protótipo Baixo Baixo Baixo Baixo
Gera Adicional por Insalubridade
Sim Sim Não Não
Por serem processor manuais, o processo de transferência térmica e o processo serigráfico tem alta dependência do usuário para a obtenção de bons resultados. Alguns entusiastas e hobbistas conseguem resultados surpreendentes através da utilização desses métodos mas, de modo geral, sua precisão é baixo e o padrão de acabamento deixa a desejar.
Os métodos de transferência térmica e prototipagem CNC foram avaliados também na confecção de placas de dupla face. Nesse quesito, a prototipagem CNC apresenta grande vantagem pois, além de realizar a furação automaticamente e facilitar o alinhamento correto (algo difícil de ser obtido manualmente), ainda apresenta menos índice de retrabalho após as placas prontas, uma vez que utilizando o processo de corrosão via ácido normalmente uma face da placa de cobre virgem tende a desgastar mais rapidamente em função da exposição diferente de ambas as faces ao ácido responsável pela corrosão.
Nesses termos, e considerando que faz-se a utilização apenas de placas de cobre virgem com base em fibra de vidro para confecção das placas de circuito impresso, a melhor escolha envolvendo custo e benefício é a utilização da prototipagem através de uma fresa CNC. O custo de implantação (considerando que a empresa ou entidade já tenham por costume a realização de placas de circuito impresso) é intermediário, embora possa ser considerado baixo
20 perto de uma ferramenta a laser e os seus resultados são excelentes para placas de uso cotidiano, onde se utiliza trilhas com larguras e espaços entre trilhas superiores a 250µm (10 mil).
2.2 PROTOTIPAGEM POR FRESAGEM CNC NA PRÁTICA
Aqui serão apresentados os passos do processo de obtenção de um protótipo de placa de circuito impresso, seus resultados e comparações com prazo de entrega e custo de placas de protótipo confeccionadas com empresas terceirizadas especializadas nesse tipo de trabalho quando comparadas ao processo de obtenção por fresagem CNC.
2.2.1 Gerando o Arquivo de Desenho da PCI
O primeiro passo para que se possa obter uma placa de circuito impresso é o desenho esquemático do circuito que se deseja simular ou aplicar e, em seguida o desenho do layout desse circuito em uma placa de circuito impresso.
Várias ferramentas podem ser utilizadas para a realização dessas tarefas, cada qual com suas características. Na entidade onde esse trabalho foi desenvolvido, faz-se uso da ferramenta Proteus, uma suíte de aplicativos de desenho esquemático e layout de placa de circuito impresso desenvolvida pela Labcenter Electronics. Essa suíte de aplicativos, além de permitir a realização das funções básicas (desenho do circuito eletrônico e desenho do layout das placas de circuito impresso), apresenta mais alguns recursos interessantes que facilitam o trabalho de quem está criando um novo protótipo, sendo os principais:
Conectivity check: Checagem de conectividade. Ao realizar o desenho do layout da placa de circuito impresso (utilizando a ferramenta Proteus Ares) o software automaticamente confere a conectividade dos componentes inseridos no circuito eletrônico (na ferramenta Proteus Isis), impedindo erros de desenho na PCI. A Figura 3 ilustra esse processo de checagem de conexão;
BOM Report: permite a geração de uma lista de materiais de montagem da placa através do software de desenho do circuito eletrônico. A geração dessa lista de materiais agiliza e facilita o processo de criação das listas de um produto novo, além de reduzir erros por esquecimento de algum componente presente na PCI, o que pode vir a causar transtornos quando a mesma for para a linha de produção. Essa lista de materiais pode ser personalizada através de um formulário html para conter cabeçalho e dados de estoque da empresa, como aparece na Figura 4;
21 Figura 3: Erro de conexão e falta de conexão representados no Software de Desenho.
FONTE: O Autor.
Figura 4: Lista de Materiais Gerada pelo Software.
FONTE: O Autor.
Visualização 3D da PCI: a ferramenta de desenho da placa de circuito impresso possui ainda uma ferramenta de visualização em três dimensões do resultado final
22 da PCI, com os componentes posicionados. Essa visualização é interessante pois fornece uma ideia mais precisa de como a placa ficará depois de pronta e pode ajudar a prever problemas de posicionamento de componentes, principalmente quando os mesmos são mais altos. Uma prévia de uma visualização em três dimensões de uma aplaca de circuito impresso é apresentada na Figura 5;
Figura 5: Visão em três dimensões de uma Placa de Circuito Impresso.
FONTE: O Autor.
Geração de Gerber: funcionalidade disponível em praticamente todos os softwares de desenho de placas de circuito impresso, a geração dos arquivos de Gerber (arquivos com os dados para fabricação das placas de circuito impresso) é quem possibilita a fabricação das placas tanto por prototipagem (processo interno) quanto por produção industrial (processo externo). Uma interface amigável para a realização desse processo ajuda a evitar falhas de produção futuramente;
Auto Router: ferramenta para criação automática das trilhas que conectam os componentes em uma placa de circuito impresso. Essa função é bastante útil em placas complexas (onde o número de trilhas é elevado). É possível configurar a largura de cada trilha segundo a classe a qual ela pertence e especificar quais e quantas camadas deverão ser utilizadas para o posicionamento da tais trilhas. É uma ferramenta bastante útil para protótipos que necessitam de urgência e não possuem muitas zonas críticas (pontos com interferência eletromagnética ou eletrostática elevados), permitindo economizar várias horas de trabalho na etapa de desenho da placa de circuito impresso.
23 2.2.2 Gerando os Dados de Trabalho para a Fresa CNC
Existem diversos softwares comerciais utilizados para gerar os dados que permitam uma fresa CNC operar. Todos os softwares têm em comum a saída de um arquivo com comandos específicos, conhecidos como G code (código G). O G code é um código de coordenadas cartesianas comumente utilizado em controle de posicionamento e trabalho de equipamentos CNC e no controle de movimentação e posicionamento de robôs. É o G code que fornece as instruções necessárias a nossa fresadora CNC para que seja possível a confecção dos protótipos de placa de circuito impresso.
Para cada tipo de trabalho e aplicação existem softwares específicos para geração do G code. No caso de placas de circuito impresso, um dos softwares mais famosos e funcionais é o CopperCAM. Esse software, além de funcionalidades específicas para o uso com placas de circuito impresso, possibilita a importação direta dos arquivos de produção (arquivos Gerber) gerados a partir do software de desenho da PCI.
Figura 6: Tela Inicial do Software CopperCAM.
FONTE: O Autor.
Além disso, nele é possível gerenciar as ferramentas a serem utilizadas em cada processo de produção de um protótipo, o tipo de dados de saída (G code, DXF, Roland RDGL, etc), além de reconhecimento automático de furos e bordas das placas. Permite a confecção de placas de face simples ou face dupla por isolação de trilha (engraving) ou por remoção total de cobre (hatching). A tela inicial do software CopperCAM é apresentada na Figura 6.
24 De forma resumida, o processo para geração do arquivo de trabalho (G code) para uma placa de face simples se resume aos seguintes passos:
Abrir o arquivo contendo a camada (layer) principal de trabalho (camada superior ou inferior – top ou botton);
Abrir as camadas (layers) adicionais; Importar dados de furação (drill);
Demarcar o contorno da placa de circuito impresso para recorte; Cálculo dos contornos (engraiving);
Cálculo das áreas de remoção de cobre (hatching);
Geração dos arquivos de trabalho (G code) para cada tarefa.
Por se tratar de uma máquina com troca manual de ferramentas, deve-se tomar o cuidado de gerar os arquivos de saída independentes para cada ferramenta a ser utilizada. Para uma placa de face simples tem-se, normalmente, os arquivos de contorno (engraiving), remoção de cobre (hatching – presente apenas quando há componentes de montagem SMD ou zonas críticas que necessitam de remoção total do cobre), furação e recorte da placa de circuito impresso. As Figura 7 e Figura 8 ilustram, na sequência, a aparência final de uma placa gerada a partir do software e a tela de geração dos arquivos de trabalho.
Figura 7: Aspecto final de uma placa gerada pelo software CopperCAM.
25 Figura 8: Tela de Geração dos arquivos de Código G.
FONTE: O Autor.
Na Figura 9 tem-se uma amostra de um arquivo de trabalho em código G correspondente as furações da placa de circuito impresso apresentada na Figura 7, cujo arquivo completo pode ser encontrado no Anexo I deste trabalho.
Figura 9: Exemplo de arquivo em Código G gerado pelo Software CopperCAM.
26 Com os arquivos de trabalho em código G finalizados, o próximo passo é a confecção da placa de circuito impresso. Vale ressaltar aqui que o software CopperCAM não realiza o controle da máquina CNC, apenas gera os arquivos para a mesma, sendo o controle realizado por outro dispositivo ou software.
2.2.3 Confeccionando a Placa de Circuito Impresso
Para a confecção das placas de circuito impresso a empresa utiliza-se de uma fresa CNC modelo ZK-3030. Essa máquina de fresagem possui uma área de trabalho útil equivalente a 300x300x80mm, permitindo a confecção de placas com até esse tamanho. A fresa utilizada é apresentada na Figura 10.
Figura 10: Fresadora CNC ZK-3030.
FONTE: O Autor
Essa máquina permite ser controlada de duas maneiras, sendo uma delas via software, utilizando o software Mach3 (software específico para controle de máquinas CNC) e uma placa PCI-Express fornecida pelo fabricante e que deve ser instalada no computador que irá controlar a fresadora, ou através de um módulo com DSP (microprocessado), que importa os arquivos em código G gerados a partir do software CopperCAM e envia os comandos para a máquina.
27 Por questões de comodidade e custo de licença de software (software Mach3 não é gratuito), a empresa optou em utilizar o módulo de controle microprocessado, que permite a operação remota da máquina fresadora e não gera custos de licença adicional. A Figura 11 ilustra o módulo de controle microprocessado utilizados pela empresa.
Figura 11: Controle DSP da Fresadora CNC
FONTE: O Autor.
A base para a confecção das placas de circuito impresso por essa máquina fresadora são os arquivos de furação, contorno e desbaste gerados pelo software CopperCAM apresentado anteriormente.
Para interfacear esses arquivos com a máquina fresadora, os arquivos são salvos, em formato de texto, em uma unidade de memória USB e, posteriormente, essa unidade de memória é conectada ao DSP responsável por realizar o controle da máquina.
Antes de iniciar a execução dos comandos para confecção das placas de circuito impresso, é preciso realizar o ajuste e calibração da altura das ferramentas a serem utilizadas. Para isso, prende-se a placa de cobre virgem na base da mesa da máquina, ajusta a origem nos eixos X e Y e, com auxílio de um calibrador, ajusta-se também o ponto de origem (ponto de zero) no eixo Z. Ajustada a origem e com a unidade de memória USB conectada a máquina estará pronta para operar.
28 Nesse momento, já com a ferramenta presa e calibrada, carrega-se o arquivo com os dados de processamento que se deseja executar, configuração alguns parâmetros de operação diretamente no display do controlador DSP e inicia-se o processo de fresagem.
Esse processo pode ser bastante demorado, dependendo do diâmetro da ferramenta utilizada (tipicamente entre 0,1mm e 0,3mm de diâmetro na ponta inferior) e do tamanho da placa a ser confeccionada.
2.3 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Nessa seção serão avaliados os resultados obtidos através do uso dessa ferramenta de prototipagem no processo de desenvolvimento de novos produtos e redução de custos com protótipos na fase de desenvolvimento / teste de novos produtos.
A Figura 12 apresenta uma das placas de protótipo fabricadas com a ferramenta. Seu tamanho total é de 35x25mm e é uma interface de comunicação de um sensor de temperatura e umidade relativa do ar.
Figura 12: Protótipo 1 - Placa com trilhas de 0,3mm de largura e desbaste.
FONTE: O Autor.
A placa foi construída em face simples com alguns terminais de ligação (jumpers) na parte superior para interconectar algumas trilhas. O processo de fabricação utilizado foi o de desbaste (retirada de todo o matéria que não seja trilha ou pad - hatching) e a menor largura de trilha presente na placa de circuito impresso é de 12 mil (0,3mm) e furação de 0,5mm nos furos
29 menores e 1,0mm no furos maiores. A ferramenta utilizada para a confecção dessa placa foi uma fresa de desbaste cônica de 60º, dois cortes e diâmetro de ponta de 0,1mm. O tempo de confecção foi de 42 minutos.
Já a placa de circuito impresso apresentada na Figura 13 corresponde a um carregador de bateria e tem dimensões externas de 63x40mm. O processo de fabricação dessa placa difere da anterior por utilizar o processo de gravação (marcação das trilhas – engraving) em sua grande maioria e o processo de desbaste em alguns pontos, como embaixo de componentes de montagem em superfície (SMD).
Nessa placa de circuito impresso, as menores trilhas possuem largura de 20 mil (0,5mm) e as maiores de 60 mil (1,5mm). Os furos possuem diâmetros de 0,8mm e 1,5mm e a placa é de face simples. A ferramenta utilizada nessa placa é de desbaste, dois cortes, 60º de angulação e diâmetro na ponta da ferramenta de 0,2mm. O tempo aproximado de confecção dessa placa foi de 35 minutos.
Figura 13: Protótipo 2 – Trilhas sem desbaste
FONTE: O Autor.
Na placa de circuito impresso apresentada na Figura 14, também foi utilizado o processo de desbaste com a remoção de todos os pontos de cobre que não correspondem a trilhas ou pads de componentes. Nessa placa, no entanto, tem-se a furação para o conector de alimentação vazada, com furos maiores em seu comprimento do que em largura.
30 Com dimensões totais de 74x55mm, ela foi confeccionada com ferramenta de desbaste de dois cortes, ângulo de 60º e diâmetro de corte de 0,2mm, brocas 0,8mm e 1,0mm. O tempo de fabricação para essa placa foi de duas horas e vinte minutos.
Além da realização das trilhas e furação, a ferramenta permite ainda a realização do recorte da placa de acordo com o controle necessário para a aplicação e a realização de cortes na placa para isolamento elétrico ou magnético. É possível também confeccionar placas de duas faces com essa mesma ferramenta, sendo esse um processo manual (alinhamento e giro da placa, mas que apresenta resultados satisfatórios para prototipagem em geral.
Figura 14: Protótipo 3 – Placa com desbaste e furação vazada.
FONTE: O Autor.
Na Figura 15 são apresentadas algumas das ferramentas de furação, desbaste e recorte utilizadas no processo de confecção de uma placa de circuito impresso utilizando uma fresa CNC, sendo elas, da esquerda para a direita, duas brocas de 1,0mm e 0,8mm, duas ferramentas de desbaste cônicas de 60º e ponta de 0,1mm, uma ferramenta de desbaste cônica de 60º e ponta de 0,2mm e uma fresa para recorte de 2,0mm.
31 Figura 15: Ferramentas de furação, desbaste e corte de PCI's.
FONTE: O Autor.
Com o intuito de quantificar os resultados obtidos e compará-los com os métodos convencionais, a Tabela 2 traz um quadro resumo e comparativo entre as placas de circuito impresso para protótipo obtidas dos dois meios.
Tabela 2: Comparativo de custo e tempo de espera entre aquisição e confecção de protótipo. Protótipo 1 Protótipo 2 Protótipo 3 Protótipo Obtido por Fresagem CNC
Tamanho 35x25mm 63x40mm 74x55mm
Tempo de Fabricação 0,7 horas 0,6 horas 2,3 horas
Custo de Fabricação por Unidade R$ 6,06 R$ 6,71 R$ 20,46
Tempo de Montagem 25 min 32 min 42 min
Protótipo Terceirizado
Prazo de Entrega (dias úteis) 10 dias 10 dias 10 dias Custo do protótipo (por Unidade) R$ 91,00 R$ 96,00 R$ 96,00 Tempo de Montagem (tempo estimado) 18 min 23 min 30 min
Comparando o prazo de entrega com o prazo de confecção de uma placa de protótipo, temos uma diferença de vários dias. É importante salientar ainda que o prazo de entrega informado corresponde a dias úteis (não incluindo finais de semana e feriados) e que não estão sendo considerados os tramites internos da empresa necessários para efetivação da aquisição de um protótipo, tais como pedido de cotação e realização do pedido de compra.
Alguns fornecedores trabalham com entrega mais rápida de protótipos, finalizando-os em até 48 horas. No entanto, esse prazo corresponde somente ao prazo interno do fornecedor e
32 não compreende transporte da mercadoria do fornecedor até o cliente, além de possuir um custo de aquisição superior.
Em relação ao custo, protótipos sempre apresentam um alto custo por um motivo em especial: a quantidade. Para as empresas de fabricação de placas de circuito impresso industriais, fabricar cinco peças de uma placa ou fabricar uma centena delas causa o mesmo transtorno. É preciso parar a linha de produção, reprogramar máquinas, testar as máquinas com peças piloto (cujo custo é embutido no custo das peças entregues ao cliente) e, principalmente, produzir o fotolito (molde) para aquela placa. O fotolito tem normalmente um preço fixo até um determinado tamanho de placa (no caso do fornecedor considerado, seu custo é de cento e oitenta reais para qualquer modelo de placa apresentados), sendo que esse preço deve ser embutido no preço final do produto, dividindo-o pelo número total de unidades.
No custo de fabricação apresentado na Tabela 2, foram levados em conta os seguintes itens para sua compilação:
Custo da placa de cobre virgem, considerando placa de fibra de vidro de 1,6mm de espessura e camada de cobre de 1 oz (0,3 mm);
Custo de depreciação da máquina, considerando uma vida útil de 1000 horas de trabalho;
Custo de reposição de ferramentas, considerando que uma ferramenta dura, em média, 40 horas de trabalho;
Custo de operação da máquina;
Custo da energia elétrica consumida pela máquina no período de trabalho mencionado, tomando por base um consumo de 2 kW/hora.
Em relação ao custo de operação da máquina, não é necessário o acompanhamento em tempo integral do processo de confecção da placa de circuito impresso. Os processos que necessitam de acompanhamento são o de startup (colocar a máquina em funcionamento), como por exemplo, fixar a placa de cobre virgem na base da mesa da máquina e ajustar o ponto de origem, trocas de ferramentas e acompanhamento do processo de recorte externo da placa, além da geração dos arquivos de trabalho via software, depois de desenhada a placa. Esse tempo, quando comparado com o tempo total de fabricação da placa, representa, em média, 30% do tempo total.
No protótipo terceirizado, o prazo de entrega do protótipo já inclui o tempo de transporte, correspondendo o tempo apresentado ao tempo desde o recebimento dos arquivos necessários para fabricação do protótipo (arquivos de Gerber) até a entrega ao cliente. No
33 entanto, no custo de aquisição, não estão inclusos valores de frete e nem os impostos aplicáveis sobre os produtos (IPI – Imposto Sobre Produtos Industrializados – e ICMS – Imposto sobre Circulação de Mercadorias e Serviços).
Para a obtenção desses valores seguiu-se a lógica de licitação pública: análise de pelo menos três cotações e apresentação da que apresentasse menor valor, desde que atendidas as exigências técnicas mínimas necessárias para o fornecimento do produto.
Embora o tempo de obtenção de um protótipo de terceiros seja muito superior (e seu custo também), ele apresenta algumas vantagens sobre os protótipos confeccionados na empresa, a saber:
Possui máscara de solda, o que facilita o processo de montagem e isolamento das trilhas;
Possui serigrafia para orientação do posicionamento dos componentes. Nos protótipos feitos por fresagem CNC é preciso mais atenção na hora da montagem pois não há identificação de onde posicionar cada componente e nem dos pinos de referência, no caso de circuitos integrados;
As vias (para placas em dupla face) e os furos de terminais de componentes possuem metalização e não necessitam da colocação de “jumpers” entre uma face e outra do circuito impresso;
Por possuir serigrafia e furos metalizados, o processo de montagem é cerca de 30% mais rápido.
Os protótipos produzidos através de fresagem CNC possuem também algumas limitações quanto ao tamanho, número de faces e tamanho de trilhas que protótipos comerciais não possuem. Na fresadora, o tamanho máximo de placa de circuito impresso passível de ser obtido é de 30x30 centímetros, tamanho que atende a mais de 95% das necessidades de placas da empresa. Além disso, apresar de ser possível a confecção de placas de duas faces, é preciso tomar cuidado na hora de desenhar as placas pois, como já foi citado acima, as mesmas não possuem furos metalizados e isso implica na necessidade de ausência de vias embaixo de componentes de montagem de superfície (SMD) e alguns cuidados com as trilhas de componentes de pinos passantes (Through Hole), principalmente para não realizar a saída de uma trilha no lado oposto ao lado da solda dos pinos do componente.
Outra observação pertinente é em relação ao tamanho das vias (passagem de uma trilha de uma face para outra da placa): em placas industriais elas podem possuir diâmetros externos mínimos de 0,5mm e furo de 0,3mm, enquanto que nos protótipos produzidos por fresagem
34 CNC, os diâmetros mínimos externos devem ser iguais ou superiores a 1mm e furo igual a superior a 0,5mm. Parece pouco, mas em uma placa com restrição de espaço, realizar uma via com o dobro do tamanho pode resultar em falta de espaço para passar todas as trilhas posteriormente.
Em relação a largura das trilhas, é possível obter trilhas com larguras mínimas de 10 mil (0,25mm) em placas pequenas (como a apresentada na Figura 12) ou em pequenas regiões de uma placa maior, não sendo possível a obtenção dessas trilhas em toda a placa no caso de confecção de placas maiores.
Mesmo com as vantagens de uma placa comercial, o custo/benefício da obtenção de placas de circuito impresso através de fresagem CNC ainda é vantajoso para a fabricação de protótipos e o seu prazo de obtenção permite que um produto possa ser ter seu prazo de desenvolvimento encurtado em até três semanas se considerarmos uma média de dois protótipos por equipamento / produto desenvolvido (protótipo inicial e protótipo de validação). Em alguns casos, onde se propõem o uso de alguma tecnologia ou topologia nova, são necessários mais protótipos, aumentando mais ainda a diferença entre o prazo de finalização de um produto com prototipagem rápida.
Por praxe, a empresa adota hoje a confecção dos protótipos iniciais e para teste de funcionalidades com fresagem CNC (sempre que possível) e a aquisição de um protótipo de validação para finalização do produto. Por se tratar de protótipo de aprovação, mesmo solicitando como protótipo, o seu custo é menor pois o custo do fotolito pode ser diluído em uma quantidade maior de peças, uma vez que raramente são necessárias alterações no protótipo de validação do produto.
Para a empresa, a apresentação de um produto ou equipamento com duas ou três semanas de antecedência pode ser o diferencial entre tornar o produto competitivo comercialmente ou perder grande parte da participação na área de mercado em questão.
35 3 PROTOTIPAGEM RÁPIDA EM POLÍMEROS
Quando se fala em prototipagem rápida, a primeira coisa na qual pensamos é em impressão 3D. Não por menos essa tecnologia é a sensação do momento, pois permite um leque de alternativas na hora de criar e testar novas peças, produtos e equipamentos.
A prototipagem rápida em polímeros define-se como um processo de fabricação que utiliza a adição de material em forma de camadas planas e sucessivas, baseado na manufatura por camadas.
Os processos de prototipagem rápida em polímeros podem ser classificados segundo o estado ou a forma inicial da matéria-prima utilizada na fabricação. Sendo assim, podem-se classificar essas tecnologias em processos baseados em líquido, sólido e pó (MACEDO, 2011). Conforme VOLPATO (2007) tem-se a seguinte classificação:
Baseados em Líquidos: Nessa categoria, encontra-se a Estereolitografia, que se caracteriza pela polimerização de uma resina líquida por um laser Ultra-Violeta; e a Impressão a Jato de Tinta, na qual ocorre um jateamento de resina líquida por um cabeçote tipo jato de tinta e posterior cura pela exposição a uma luz Ultra-Violeta; entre outros;
Baseados em Sólido: Nesse processo o material pode estar na forma de filamento ou lâmina. Alguns desses processos fundem o material, antes de sua deposição, como o FDM – Deposição por Material Fundido, enquanto outros somente recortam uma lâmina do material adicionado, como no caso da Manufatura Laminar de Objetos;
Baseados em Pó: Pode ser utilizado laser para o seu processamento como no exemplo da Sinterização Seletiva a Laser, ou um aglutinote aplicado por um cabeçote tipo jato de tinta, utilizado na Impressão Tridimensional.
Em seguida serão abordados os principais métodos de obtenção de protótipos em polímeros, a apresentação da ferramenta utilizada pela empresa, algumas premissas e orientações de uso e resultados obtidos na impressão de algumas peças preliminares.
36 3.1 TÉCNICAS DE PROTOTIPAGEM RÁPIDA EM POLÍMEROS
3.1.1 Estereolitografia
A Estereolitografia foi a primeira tecnologia de prototipagem rápida apresentada ao mercado. O equipamento de Estereolitografia utiliza uma resina fotocurável líquida para a construção do protótipo por meio de superposição de camadas. De acordo com o desenho criado em CAD, os raios laser UV solidificam a resina polimérica, camada a camada dos contornos do objeto pretendido até completar a formação da peça (SELHORST, 2008).
A resina fotocurável é inserida num recipiente que contém uma plataforma mergulhada que se desloca para baixo a cada camada construída. A plataforma é inicialmente coberta por uma fina camada de resina (aproximadamente 0,15 mm). O equipamento já possui as informações relativas a geometria da primeira camada, então, o feixe de laser é movimentado por meio de um conjunto óptico que reproduz a geometria 2D obtida no fatiamento da peça representada no sistema CAD. Quando a resina é exposta ao laser, esta se polimeriza mudando do estado líquido para o sólido formando, assim, uma camada. O processo é repetido até que todas as camadas do objeto tenham sido formadas (MACEDO, 2011).
O processo de estereolitografia é apresentado ilustrativamente na imagem da Figura 16.
Figura 16: Ilustração gráfica do processo de estereolitografia.
37 Após o processo de formação da peça, a mesma é retirada da máquina e passa por um processo de limpeza para a retirada de resíduos de resina não curados. Após a limpeza, os suportes são removidos (quando presentes) e a peça é levada a um forno de radiação ultravioleta para cura total da resina.
3.1.2 Modelagem por Deposição de Material Fundido (FDM)
O segundo processo mais utilizado para a construção de protótipos rápidos é a modelagem por deposição de material fundido e, ao contrário da estereolitografia não utiliza laser durante o processo. Os protótipos são fabricados por meio da extrusão e deposição controlada de filamentos de termoplásticos (MACEDO, 2011). Para a fabricação dos protótipos por meio desse processo de prototipagem rápida são utilizados como materiais principais o ABS (Acrilonitrila Butadieno Estireno), o PLA (Ácido Poliláctico - biodegradável), o PVA (Acetato de polivinila, muito utilizado para produção de suporte por ser solúvel em água).
Figura 17: Ilustração gráfica do processo de FDM
FONTE: CUSTOMPARTNET, 2015 (traduzida).
Conforme exibido na Figura 17, a cabeça de extrusão se movimenta nos eixos X-Y, enquanto a plataforma se movimenta no eixo Z. O cabeçote recebe continuamente o material na forma de um fio, aquecendo-o até o ponto semi-líquido ou pastoso. Quando o filamento fino
38 de material extrusado entra em contato com o material da superfície da peça, ele se solidifica e adere à camada anterior. Nesse momento o suporte é movimentado para baixo no eixo Z num valor igual a espessura da camada a ser depositada, o processo é repetido até a peça esteja completamente formada.
Em termos de materiais, o PVA, utilizado na composição de colas brancas, por ser solúvel em água, é raramente utilizado para a fabricação de uma peça em sí, sendo amplamente utilizado na impressão de suportes para peças de ABS e PLA, o que facilita a limpeza da peça e remoção do suporte no final do processo.
O ABS é um composto plástico feito a partir do petróleo, possui uma temperatura de fusão de em torno de 210ºC e tem aplicações variadas, desde para-choques de carros, capacetes de motocicletas, instrumentos musicais, legos e muitos outros. Tem como principais vantagens alta resistência mecânica e rigidez, tempo de vida longo e baixo desgaste com pressão e fricção. Suas principais desvantagens são o tempo de degradação no ambiente (por ser derivado do petróleo demora vários anos para se degradas, a exemplo das garrafas PET), deforma se não for impresso sobre uma superfície aquecida (tipicamente em torno de 100ºC), libera gases nocivos durante a impressão (convém uso de ventilação) e não é recomendado para embalagens de alimentos (POWELL, 2014).
Já o PLA é um polímero biodegradável, feito a partir de amido de milho ou cana de açúcar (conhecido também como “plástico verde”) e não é tóxico, sendo, por esse motivo, amplamente utilizado para embalagens de produtos alimentícios. Suas principais vantagens são o menor consumo de energia para impressão (ponto de fusão do PLA é em torno de 170ºC e pode ser impresso em superfície fria sem problemas de deformação), tem aparência mais brilhante e superfície mais suave, não apresenta fumos nocivos durante o processo de impressão, permite uma velocidade de impressão mais alta e possibilita um melhor detalhamento das peças. Com desvantagens podem ser citadas a fácil deformação em função do calor, e menor resistência mecânica quando comparado com o ABS e o amarelamento, causado principalmente pela exposição ao sol (POWELL, 2014).
3.2 PROTOTIPAGEM POR FDM NA PRÁTICA
Nesta seção serão apresentados os principais pontos e procedimentos para a obtenção de protótipos em polímeros utilizando a tecnologia de Deposição de Material Fundido (FDM).
39 3.2.1 Desenho CAD e Preparação dos Dados
O primeiro passo para a confecção de um protótipo em polímeros utilizando FDM, assim como qualquer outro processo de prototipagem ou produção, consiste no projeto da peça que se deseja produzir.
No caso das impressões em três dimensões, os softwares de fatiamento (preparação dos desenhos para impressão) utilizam como formato de entrada padrão arquivos com a extensão stl. Sendo assim, é possível utilizar qualquer software de desenho técnico (CAD) que permita a geração desse formato de arquivos. No caso aqui abordado, utilizou-se a plataforma AutoCad em sua versão 2005 para a realização do desenho da peça a ser produzida, por ser um software já utilizado na empresa para outras tarefas e que possui licença de utilização.
Os procedimentos de desenho e preparação da peça em AutoCad não serão abordados aqui, sendo apenas apresentada a geração do arquivo com extensão stl a partir de um arquivo padrão do AutoCad 2005.
A Figura 18 ilustra o modelo desenhado no software AutoCad e pronto para ser convertido para o formato stl.
Figura 18: Peça desenhada no AutoCad e pronta para ser exportada em stl.
FONTE: O Autor.
Com a peça desenhada no AutoCad deve-se dar o comando “export” para dar início ao processo de exportação. Dado o comando, abrirá uma janela de escolha de formato de arquivo, na qual deverá ser selecionada a extensão desejada (stl – conforme Figura 19).
40 Figura 19: Exportação em formato stl a partir do AutoCad.
FONTE: O Autor.
Após selecionado o formato desejado, clicar sobre o botão “Save” e selecionar a peça que será exportada, escolhendo o local de salvamento adequado. Com o arquivo stl em mãos, abrir o software de preparação fornecido pelo fabricante da impressora e abrir o stl anteriormente salvo (Figura 20).
Com o arquivo importado, basta posicioná-lo no local desejado em cima da mesa virtual apresentada pelo software, configurar os parâmetros de temperatura, velocidade e preenchimento interno (de acordo com o material a ser utilizado) na aba lateral do software e efetuar o fatiamento do arquivo para gerar o código que será passado a impressora para realizar a impressão. Feito o fatiamento, deve-se salvar o arquivo de saída do software em um cartão de memória do tipo SD. O arquivo terá a extensão gcode e conterá, em suma, o código de máquina (padrão de código de CNC) para a impressão da peça desejada.
41 Figura 20: Arquivo stl importado no software da impressora 3D.
FONTE: O Autor. 3.2.2 Imprimindo a Peça
Com o arquivo de impressão em um cartão SD, deve-se proceder com a inserção do cartão SD no slot disponível na impressora e efetuar o carregamento do arquivo a partir do botão de controle disponível ao lado do display da impressora.
Ao importar o arquivo, a impressora fará o alinhamento e posicionamento na posição zero dos extrusores e da mesa para iniciar o processo de impressão da peça. Dependendo do material que está sendo impresso e da temperatura da mesa (quando utilizada mesa aquecida), a inicialização da impressora poderá demorar em virtude do lento aquecimento da mesa de vidro temperado.
A impressora FMD utilizada pela empresa (ilustrada na Figura 21) possui dois extrusores que podem ser utilizados concomitantemente para impressão em uma mesma camada ou de forma alternada, seja para impressão de suportes para a peça principal ou para imprimir partes da peça em outras cores. Além disso, ela conta ainda com mesa de vidro temperado aquecida, com dimensões máximas de 250x250x250mm (volume de impressão).
Após iniciado o processo de impressão, caso não ocorra troca de filamento após determinada camada, não há mais interferência do usuário no processo de confecção da peça, sendo a mesma entregue pronta pela impressora.
42 Figura 21: Impressora 3D FMD utilizada pela Empresa.
FONTE: MANKATI, 2015.
3.2.3 RESULTADOS E DISCUSSÕES
O processo de confecção de protótipos de polímeros através da técnica de FDM, embora pareça simples, exige alguns cuidados para que a impressão saia da maneira esperada.
Dependendo do material em uso, é preciso levar em consideração a contração do material e dimensionar furos e medidas externas aplicando os coeficientes de contração e dilatação desse material. Além disso, alguns materiais (como o ABS) necessitam de uma base aquecida e algum tipo de cola para realizar a fixação da peça na base da mesa de impressão, caso contrário a peça poderá se deslocar durante o processo ou ainda empenar no cantos, principalmente quando impressas peças grandes e com volume desuniforme (provocando esfriamento desuniforme na peça).
Os primeiros protótipos impressos na ferramenta utilizando material ABS apresentaram problemas com descolamento da peça durante o processo e empenamento da base
43 da peça, problemas esses corrigidos com a substituição do adesivo de fixação e com a manutenção do aquecimento da mesa até o final do processo, consecutivamente.
A Figura 22 ilustra o problema de empenamento ocorrido nas primeiras peças e o descolamento entre camadas em virtude da temperatura de extrusão muito baixa.
Figura 22: Empenamento e descolamento de camada nos primeiros protótipos.
FONTE: O Autor.
Outro recurso utilizado que pode ser configurado pela impressora é o preenchimento parcial entre as paredes do objeto, procedimento esse que reduz o tempo de impressão, reduz a quantidade de material utilizada e auxilia para um esfriamento mais uniforme da peça, reduzindo o empenamento. A Figura 23 ilustra o preenchimento parcial de 20% configurado para a peça.
Figura 23: Preenchimento parcial da parede da peça.
44 A peça em questão, e uma das primeiras realizadas na impressora, serve de enclausuramento para um sensor de posição solicitado por um cliente à empresa e foi a solução mais simples encontrada para atender a essa exigência. Quando comparada a outro enclausuramento, seja ele de metal ou outro polímero com seu formato realizado em um torno CNC por exemplo, o tempo de obtenção foi inferior a metade necessário no torno e o custo de material cerca de oito vezes inferior, por utilizar paredes vazadas e não realizar subtração de material como ocorre no torno CNC.
Para a confecção da peça de Figura 24 (peça concluída e com o sensor montado em seu interior), foram gastos 42 gramas de ABS e o processo demandou três horas e dez minutos para ser finalizado.
Figura 24: Aspecto final da peça com sensor montado em seu interior.
FONTE: O Autor.
Em testes práticos, a peça da Figura 24 suportou sem deformações em sua estrutura uma força de pressão de 600 kg exercida pelo equipamento na qual o sensor é montado.
45 CONCLUSÃO
Em termos de implantação, existem alternativas em praticamente todas as faixas de valores e que atendem a praticamente todas as exigências de produção. Na prototipagem de placas de circuito impresso, é possível implantar ferramentas de prototipagem desde as mais simples (como a detalhada neste trabalho) até ferramentas complexas e que permitem acabamentos muito próximos a placas industriais, com metalização de furos, aplicação de máscaras de solda e serigrafia nas placas e que, aliadas a mais algumas ferramentas de montagem e teste automatizadas, podem compor uma pequena linha de montagem de protótipos para empresas que utilizam-se desse recurso de maneira constante e com grande exigência de precisão e acabamento.
Tratando-se de prototipagem em polímeros, a impressão em três dimensões vem se popularizando nos últimos anos de tal forma que hoje já é possível ter uma impressora 3D em casa para impressão de pequenas peças. O investimento inicial para equipamentos do acabamento intermediário (com a impressora apresentada nesse trabalho) é baixo e os resultados apresentados atendem as necessidades da empresa em prototipagem. Para situações que exigem maior precisão e velocidades de trabalho superiores, existem outras soluções, com um investimento um pouco superior, que permitem inclusive a inclusão dessas impressoras em linhas de produção para produtos acabados.
Em relação aos resultados obtidos, a prototipagem de placas de circuito impresso, conforme discutido, propiciou a empresa uma redução considerável nos prazos de liberação dos produtos, ainda mais quando levarmos em consideração que um produto novo tem, em média, de três a quatro placas de circuito impresso e cada uma utiliza, em processo normal, de três a quatro protótipos até chegar a versão final de produção. Nessa situação, é possível uma redução de um mês no lançamento de um produto, período esse que é longo e, dependendo do produto, pode representar a metade do tempo de desenvolvimento do mesmo, além da redução de custos na confecção das placas de protótipo. Vale salientar também que, ao realizar a compra de uma placa de protótipo, todas as empresas apresentam um número mínimo de peças para a produção, mesmo de protótipos, geralmente em torno de cinco peças. Essas peças, em sua grande maioria, não são utilizadas, mas necessitam ser adquiridas e pagas, elevando ainda mais o custo de um protótipo.
Na prototipagem de polímeros, o principal objetivo da empresa é a produção de peças especiais solicitadas por clientes e que, se produzidas em meios convencionais, não permitem as formas necessárias e inviabilizariam o projeto, além da produção de peças para teste e
46 definição de ferramentas de injeção, uma vez que esse tipo de ferramenta apresenta um elevado custo e qualquer retrabalho é muito oneroso. Mesmo não sendo uma ferramenta que apresente o melhor acabamento do mercado, as peças resultantes apresentam acabamento suficiente para que possam ser avaliadas suas funcionalidades e, em casos de peças especiais, sejam utilizadas diretamente em aplicações finais.
Ambas as ferramentas mostram-se como sendo um excelente investimento para a empresa, melhorando em vários aspectos seus produtos, reduzindo custos e tempo de desenvolvimento e evitando gastos desnecessários com ferramentas de injeção sem uma avaliação prévia correta e detalhada de cada peça.
47 PROPOSTAS FUTURAS
Tratando-se da utilização de ferramentas de prototipagem rápida para placas de circuito impresso para protótipos indústrias, tem-se como propostas futuras as seguintes considerações:
Melhorar o processo para obtenção de larguras de trilhas inferiores a 0,25mm com maior fidelidade;
Implementação da troca automática de ferramentas para agilizar o processo de confecção da placa de circuito impresso;
Implementar guias na base da fresadora CNC para facilitar o processo de confecção de placas de circuito impresso de duas faces e minimizar as falhas nesse tipo de placa;
Estudar e testar métodos de aplicação de metalização em furos e, principalmente, aplicação de silk (serigrafia) nas faces das placas para facilitar a identificação dos componentes.
Em relação a prototipagem rápida em polímeros, as perspectivas futuras a serem consideradas são:
Melhorias no processo de impressão utilizando ABS, a fim de garantir melhor acabamento e reduzir anomalias em peças com esse material;
Testar outros matérias para impressão por FDM;
Pesquisar e implementar métodos de tratamento de superfície para peças impressas por processo FDM.
