FACULDADE DE TECNOLOGIA SENAI ANTÔNIO ADOLPHO LOBBE
HAMANDA APARECIDA DA SILVA PERIN
CUSTO DE MODELOS OBTIDOS NA IMPRESSORA
TRIDIMENSIONAL STRATASYS DIMENSION
SÃO CARLOS
HAMANDA APARECIDA DA SILVA PERIN
CUSTO DE MODELOS OBTIDOS NA IMPRESSORA
TRIDIMENSIONAL STRATASYS DIMENSION
São Carlos 2014
Trabalho de Iniciação Científica desenvolvido na Faculdade de Tecnologia SENAI “Antônio Adolpho Lobbe” e apresentado ao docente Ms Moacir Aparecido Rossi, no 1º semestre 2014. Orientador: Prof. Ms Moacir Aparecido Rossi
AGRADECIMENTO
Agradeço aos meus pais Zuleide e Norberto pelo carinho e apoio que venho recebendo, em especial durante a minha formação profissional. Agradeço aos meus professores e ao meu orientador que com sua dedicação e incentivo me permitiu concluir este trabalho. Agradeço a Deus.
“O tempo dura bastante para aqueles que sabem aproveitá-lo” (Leonardo Da Vinci)
RESUMO
A utilização da prototipagem rápida vem aumentando significativamente nos últimos anos. Com isso a demanda por serviços nesse ramo vai exigir dos fornecedores um preço menor e mais justo para oferecer aos seus clientes. Definiu-se aqui uma forma de custear esse tipo de serviço e conclui-se por uma fórmula prática, sem ter a intenção de que seja a forma mais exata para esse fim, mas servirá de base para avaliar o custo pelo ponto de vista do fornecedor e do cliente.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
1 Modelo obtido em CAD... 11
2 Modelo representado por triângulos... 12
3 Modelo obtido pela tecnologia FDM... 12
4 Modelo obtido por meio de material pulverulento... 13
5 Modelo biocompatível: mão humana ... 14
6 Fatiamento do modelo ... 15
7 Aplicações de prototipagem rápida ... 18
8 Projeções do modelo virtual (amostra) obtido em CAD ... 21
9 Modelo virtual sólido obtido em CAD ... 21
10 Modelo físico impresso em 3D ... 21
11 Impressora Stratasys Dimension, modelo Elite ... 22
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 9 1.1 Objetivo ... 9 1.1.1 Objetivo Geral ... 10 1.1.2 Objetivos Específicos ... 10 1.2 Justificativa ... 10 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 11 2.1 O processo de impressão 3D ... 16
2.2 Limitações tecnológicas das impressões 3D ... 16
2.3 Aplicações das impressoras 3D ... 17
2.4 Aplicações atuais da impressão 3D ... 17
2.5 Aplicações futuras da impressão 3D ... 18
2.6 Mercado de serviços das impressões 3D (4) ... 18
3 METODOLOGIA ... 20
3.1 Corpo de prova ... 20
3.2 A prototipagem... 21
3.3 Consumo de energia elétrica ... 24
3.4 Depreciação do equipamento ... 24
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 25
5 CONCLUSÃO ... 26
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1 INTRODUÇÃO
A modelagem física de objetos tendo como origem um desenho virtual, denominado prototipagem rápida, vem se difundindo com grande rapidez no mercado mundial. No Brasil, ainda é um processo pouco utilizado devido ao custo bem como à falta de conhecimento do processo nos meios profissionais que demandariam esse tipo de serviço.
No entanto, o crescimento da demanda entre os brasileiros tem aumentado muito, dando origem a projetos que visem incentivar sua aplicação no mercado brasileiro.
Segundo Giorni (2013), o Instituto Nacional de Tecnologia (INT), a Pontifícia Universidade Católica do Rio Janeiro (PUC-Rio) e a Organização Nacional da Indústria do Petróleo (ONIP) lançaram o projeto “Fabricação Digital” que tem por objetivo trazer ao Brasil todos os tipos de tecnologia de prototipagem em 3D para aplicação na indústria de petróleo e gás. O laboratório contará com equipamento para aplicação de técnicas de prototipagem com oito tipos diferentes de materiais incluindo titânio, alumínio, aço, poliamida e outros plásticos de alta resistência. Estará disponível também uma impressora capaz de gerar em 3D protótipos de equipamentos de grandes dimensões.
A divulgação dessa tecnologia vai, a cada dia, aumentar a demanda por serviços e consequentemente existe a necessidade de se definir claramente e de forma justa o quanto cobrar do cliente pelo serviço prestado. Apresenta-se aqui uma proposta para precificação de serviços de prototipagem rápida, tendo em vista o consumo de matéria prima, o consumo de insumos, o consumo de energia elétrica e ainda entrou nessa composição um valor para custear a depreciação do equipamento. Atentou-se também para a influência que teria a configuração do modelo no consumo de matéria prima e no tempo demandado para a impressão. Por fim uma fórmula foi proposta envolvendo todos esses parâmetros, que vai ao encontro da definição de um valor mais justo para o serviço de prototipagem rápida.
1.1 Objetivo
Identificou-se uma oportunidade para colaborar com fornecedores de serviços de prototipagem rápida. Para isso foram estabelecidas metas descritas a seguir.
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1.1.1 Objetivo Geral
Definir uma função que permita calcular o custo de modelos obtidos na impressora tridimensional Stratasys Dimension, modelo Elite.
1.1.2 Objetivos Específicos
- Identificar o consumo das matérias primas Material e Suporte e seu respectivo tempo de impressão;
- Identificar o custo da impressão relativo ao consumo de energia elétrica durante o processo de impressão;
- Definir o custo da impressão tendo em vista o prazo para depreciação do equipamento.
1.2 Justificativa
Tem-se observado que empresas fornecedoras de serviço de prototipagem rápida atribuem o custo do serviço baseado exclusivamente no tempo de impressão. Isto reflete a ausência de um cálculo mais preciso para esse fim. Essa incerteza pode resultar em valor aquém do real ou além deste; normalmente o segundo caso é o mais comum. Isto pode resultar no afastamento dos profissionais que necessitam deste tipo de serviço. Assim, um preço justo permitirá maior procura pelo serviço e consequentemente maior lucratividade, aliada à divulgação desta tecnologia junto ao mercado brasileiro.
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2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Prototipagem Rápida (PR), segundo Vasconcelos (2014), define um conjunto de modelação física para produzir modelos oriundos de uma prévia modelação digital sólida obtida em Computer Aided Design (CAD), por digitalização, por varrimento (computed tomography), por ressonância magnética (magnetic resonance imaging) ou ainda por dados obtidos por digitalização, conforme exemplos mostrado na figura 1.
Figura1: modelo obtido em CAD.
Fonte: (KNOPE, 2009)
No processo da PR um modelo sólido é convertido numa representação baseada em triângulos formados por segmentos de retas, como pode ser visto na figura 2, assemelhando-se à uma malha de arame (wire frame) e o arquivo assim construído recebe a extensão .STL (stereolithography file). A seguir o software da impressora transforma esse arquivo 3D numa série de camadas paralelas (slicing) que se constituem em arquivos 2D. A distância entre essas camadas corresponde à espessura da camada a ser depositada pela impressora (VASCONCELOS, 2014).
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Figura 2: Modelo representado por triângulos.
Fonte: (KNOPE, 2009)
Dentre as diversas tecnologias aplicadas na obtenção de modelos, a primeira a ser utilizada foi modelagem por deposição de material conhecida por FDM (fusion deposition material), Foi desenvolvida pela empresa americana Stratasys Inc (figura 3). O material de adição é o termoplástico ABS que possui propriedades mecânicas que melhor atendem aos requisitos para esta aplicação. Já existe no mercado impressoras que utilizam outro tipos de termoplásticos, inclusive com variação de cores (FOGGIATTO, 2014).
Figura 3: modelo obtido pela tecnologia FDM.
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Outras tecnologias são aplicadas para obtenção de modelos, como aquela em que o modelo é obtido por meio da incidência de um feixe de laser no interior de um volume de pó polimérico específico (material pulverulento). O laser endurece a região delimitada pelo modelo. Este tipo de processo apresenta menor custo, maior rapidez e possibilita obter variação de cores (FOGGIATTO, 2014), conforme mostrado na figura 4.
Figura 4: Modelo obtido por meio de material pulverulento.
Fonte: (THREE DIMENSIONAL PRINTING, 2009)
Segundo Vasconcelos, (2014) a PR justifica-se ao permitir ajustes do produto ainda na sua fase de projeto, ao invés de serem feitos na fase de produção ou de comercialização. Se esses ajustes forem feitos nessa segunda fase apresentaria custos elevados, da ordem de cem vezes maior do que se forem corrigidos na fase de projeto.
Na área médica, a imagem de partes do corpo humano pode ser obtido pela tomografia computadorizada e criado modelos ósseos pelo processo da PR. Nesse caso são utilizados polímeros biocompatíveis, isto é, que são aceitos pelo metabolismo humano (figura 5). Com isso, permite reduzir tempo de cirurgias e minimizar erros médicos. Apesar de que nessa área ainda é timidamente utilizada. Isso acontece devido à pouca disponibilidade de fornecedores deste serviço, ao custo ainda alto da tecnologia e do próprio desconhecimento dos profissionais da área, conforme argumentado por Foggiatto, (2014).
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Figura 5: Modelo biocompatível: mão humana.
Fonte: (REHOVOT, 2011)
A PR a cada dia vem sendo mais empregada pelas indústrias principalmente devido à redução de custos na fase de desenvolvimento de um novo produto, em que permite visualizar previamente a funcionalidade, avaliar as formas, avaliar o processo de manufatura, entre outras. (FOGGIATTO, 2014).
Uma grande vantagem da utilização de modelos virtuais está no fato de poderem ser enviados via internet facilitando a troca de informações entre profissionais envolvidos no assunto. Os modelos virtuais podem ser medidos, rotacionados, reduzidos/ampliados. A prototipagem então traduz esse arquivo virtual em modelo físico. É importante que o usuário tenha domínio sobre a utilização da tecnologia CAD para interagir com eficiência sobre todo esse processo (FOGGIATTO, 2014).
Foggiatto (2014) ainda ressalta que a utilização dessa tecnologia ainda é tímida no Brasil:
A maior parte dos equipamentos de PR está instalada no EUA, representando aproximadamente a metade do existente no mundo. No Brasil, os números vêm crescendo bastante a cada ano, junto com o conhecimento dos benefícios desse processo, bem como pela redução dos custos deste serviço.
A Faculdade de Tecnologia e Escola SENAI Antônio Adolpho Lobbe, localizada na cidade de São Carlos/SP, dispõe de um equipamento de PR pelo processo aditivo (FDM) e vem disponibilizando serviços para empresas da região, bem como aplicando na aprendizagem dos alunos da escola.
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A popularização deste tipo de impressão vem ocorrendo em ritmo espantoso e ainda em estado bastante preliminar no Brasil, onde pode-se prever um mercado em rápido crescimento.
A tecnologia da impressão 3D se baseia no fatiamento de um desenho virtual. Essas camadas são reconstituídas na impressora criando o objeto-modelo (TAKAGAKI, 2012), conforme mostrado na figura 6.
Figura 6: Fatiamento do modelo.
Fonte: (FUSED DEPOSITION MODELING)
O material mais comum é o plástico denominado ABS, mas podem ser diversos outros, variando do metal ao chocolate.
Além da impressora 3D produzida e comercializada pela empresa Stratasys, tendo como desenvolvedor Charles Hull em 1984, existem outras técnicas para execução deste processo, conforme Foggiatto, (2014).
Stereolithography
Nesse caso um feixe de luz ultravioleta (laser) incide sobre um polímero liquido endurecendo-o e fendurecendo-ormandendurecendo-o-se assim endurecendo-o endurecendo-objetendurecendo-o-mendurecendo-odelendurecendo-o.
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Nessa tecnologia o laser é direcionado para uma camada de material sob a forma de pó, endurecendo-o e também formando-se o objeto-modelo (TAKAGAKI, 2014).
Direct Metal Laser Sintering (DMLS)
Essa tecnologia também utiliza o laser como fonte de energia para a fusão e é aplicada para obter objetos-modelo metálicos (TAKAGAKI, 2014).
Fused Deposition Modelling (FDM)
Nesse caso um material plástico, normalmente ABS (acrilonitrilo butadieno estireno) ou PLA (ácido poliláctico) e similares; que se funde ao passar por um cabeçote aquecido e é depositado em finas camadas sobrepostas, formando o objeto-modelo (TAKAGAKI, 2014).
2.1 O processo de impressão 3D
A obtenção do modelo em PR vai desde a idealização por um projetista até sua obtenção física final na impressora 3D e podem ser resumidas da seguinte forma, conforme Takagaki (2014) :
a) Desenho do objeto desejado em um software CAD 3D sólido.
b) Esse arquivo é convertido em sistema inteligível pela impressora 3D e tem a extensão .stl. Esse sistema de arquivo gera na superfície do objeto uma camada composta de minúsculos triângulos.
c) Para ser impresso esse arquivo é fatiado virtualmente em diversas superfícies, tanto mais preciso quanto mais finas forem as fatias.
d) Cada fatia é então traduzida na linguagem das máquinas CNC utilizando o código G que comanda a cabeça de impressão, como início e final da linha e velocidade de deslocamento, gerando assim o objeto-modelo.
O deslocamento da cabeça de impressão formando as camadas sucessivamente sobrepostas darão origem ao modelo físico do protótipo.
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Apesar da vantagens anteriormente citadas por Takagaki (2014), o autor ainda ressalta que o tempo para impressão de uma peça é relativamente longo. Uma peça com dimensões 30 x 30 x 30 mm pode levar algumas horas. Deve-se ter em mente que uma peça complexa poderia requerer um tempo extremamente maior se for feita pelos processos convencionais. A fabricação de peças em srie ainda é inviável tendo em vista essa baixa produtividade. Ainda deve ser considerado o tamanho das peças, que é limitado ao tamanho da impressora.
2.3 Aplicação das impressoras 3D
Uma aplicação que vem se consolidando com o tempo é a fabricação de protótipos de peças industriais.
Com o uso de impressão 3D, podemos criar os protótipos reais, praticamente em tempo real, e a custos aceitáveis. Podemos testar os protótipos com relação á forma, peso, ergonomia, resistência, cores (dependendo da tecnologia) e encaixe as múltiplas peças, reduzindo os erros à praticamente zero (TAKAGAKI, 2014).
Qualquer pessoa, mesmo sem grandes habilidades, será capaz de gerar formas complexíssimas de maneira simples.
A produção em série ainda é inviável devido ao custo imposto pelo tempo de impressão. No entanto, a impressora poderá fazer um molde para produção da peça em série.
As empresas de arquitetura tiverem grandes avanços na sua forma de trabalhar, ao permitir ao usuário final caminhar por dentro dos projetos nas telas do computador graças aos softwares de CAD. A impressão de uma maquete em tempo real vai permitir um passo a frente neste processo de realismo antecipado (TAKAGAKI, 2014).
Na Itália foi desenvolvida uma impressora para produzir uma casa em tamanho real.
Um laboratório de pesquisa está desenvolvendo aplicações da impressão 3D em nanotecnologia.
Já existem impressoras destinadas ao uso doméstico utilizando tecnologia mais simples e de baixo custo.
2.4 Aplicações atuais da impressão 3D
Empresas conceituadas no mercado vêm aplicando essa tecnologia (figura 7): - Fabricação personalizada de óculos, joias, sapatos
- Fabricação de aeronaves que realmente voam (Universidade de Southampton) - Fabricação de carro elétrico denominado Urbee
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- Peças automotivas (Audi)
- O escultor Bathsheba Grossman já usa impressoras 3D para criar suas obras.
- Digitalização de obras de arte para exposição em diversos lugares no mundo (museu Smithsonian)
Figura 7. Aplicações de prototipagem rápida.
Fonte: Disponível em: <http://www.welexmold.com/products/plastics-rapid-prototype/>
2.5 Aplicações futuras da impressão 3D
Para Takagaki (2014) em futuro não distante as aplicações desta tecnologia poderão ser aplicadas em:
- Eliminar estoques de peças de reposição;
- Produção de peças de reposição em jornadas espaciais; - Produção de peças de reposição no campo de batalha;
- Produção de elementos de concreto no local de obras de construção civil; - Confecção de órgãos e ossos para reposição no corpo humano.
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Segundo Takagaki (2014), uma grande oportunidade é o fornecimento de serviços com aplicação das impressoras 3D. O cliente fornece o desenho e o serviço de impressão é então terceirizado.
A impressão 3D vem se popularizando e tendo seus custos reduzidos o que permitirá em breve a aquisição desse equipamento a preços acessíveis caracterizando a profecia de uma terceira revolução industrial, assinala Gorni (2013).
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3 METODOLOGIA
3.1 Corpo de prova
A fim de se obter um resultado eficaz para esta pesquisa definiu-se um modelo a ser impresso que se denominou corpo de prova. Esse modelo foi definido para atender as seguintes características:
a) Permitir a construção de uma camada de suporte para uma superfície plana b) Permitir a construção de uma camada de suporte para um furo
c) Apresentar uma superfície curva
d) Apresentar dimensões pequenas para permitir um curto tempo de impressão
Assim foi desenvolvido um desenho utilizando o software Auto Cad, conforme figura 8.
Figura 8: Projeções do modelo virtual (amostra) obtido em CAD
Fonte: Próprio autor
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Figura 8 : Modelo virtual sólido obtido em CAD.
Fonte: próprio autor
O modelo impresso pode ser visto na figura 9
Figura 10: Modelo físico impresso em 3D.
Fonte: próprio autor
3.2 A prototipagem
Para obtenção do protótipo físico foi utilizada a impressora 3D disponível na escola SENAI Antônio Adolpho Lobbe localizada na cidade de São Carlos/SP. Trata-se de um equipamento fabricado pela Stratasys Dimension, modelo Elite, conforme figura 11.
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Figura 11: Impressora Stratasys Dimension, modelo Elite.
Fonte: (STRATASYS, 2014)
No Auto Cad foi gerado um arquivo com extensão .stl. No computador conectado à impressora 3D foi utilizado o software Catalisty EX versão 4.3.
Nesse software o modelo virtual foi orientado conforme mostrado na figura 10, a fim de atender os requisitos da pesquisa.
A configuração do modelo a ser impresso é feita segundo os parâmetros abaixo: a) Espessura de camada (layer resolution)
0,2540 mm 0,1778 mm
b) Interior do modelo (model interior) Solid
Sparse - high density Sparse - low density
c) Preenchimento do suporte (support fill) Smart
Surround Basic Sparse
Foram impressos modelos atendendo toda a gama de configuração possível com esses parâmetros. Obtiveram-se os resultados mostrados na figura 12.
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Figura 12. Configuração dos modelos. Fonte: Autor
Corpo de prova
Layer resolution
Model
interior Support fill
Consumo material (cm3) Consumo de suporte (cm3) Tempo de impressão (h) 1 0,2540 Sparse HD Smart 2,36 1,11 0:33 2 Surround 2,36 1,89 0:39 3 Basic 2,36 1,29 0:33 4 Sparse 2,36 1,03 0:32 5 Sparse LD Smart 1,90 1,14 0:34 6 Surround 1,91 1,90 0:38 7 Basic 1,88 1,24 0:33 8 Sparse 1,86 1,03 0:32 9 Solid Smart 2,70 1,11 0:32 10 Surround 2,70 1,89 0:39 11 Basic 2,70 1,29 0:33 12 Sparse 2,70 1,03 0:32 13 0,1778 Sparse HD Smart 2,36 1,11 0:51 14 Surround 2,36 1,89 0:52 15 Basic 2,35 1,29 0:54 15 Sparse 2,36 1,03 0:52 17 Sparse LD Smart 1,90 1,14 0:53 18 Surround 1,92 1,90 0:52 19 Basic 1,89 1,24 0:51 20 Sparse 1,86 1,03 0:52 21 Solid Smart 2,70 1,11 0:54 22 Surround 2,72 1,89 0:52 23 Basic 2,71 1,29 0:53 24 Sparse 2,70 1,03 0:52
Fonte: próprio autor
O custo unitário da matéria prima foi estimado no custo do kit disponibilizado pelo fornecedor, ou seja, R$ 23 000,00. Este kit compõe-se de:
10 cartuchos de Material ABS (900 cm3)
4 cartuchos de Suporte
24 bases plástico
10 kg de reagente (Water Works)
Como estimativa considerou-se que ao se consumir os 10 cartuchos de ABS, será consumido o restante dos componentes do kit. Assim o custo unitário atual de matéria prima (M) é de:
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3.3 Consumo de energia elétrica
O consumo de energia foi estimado pela valor da corrente elétrica medida durante o processo de impressão, em que se obteve-se o valor de 6A. A diferença de potencial utilizada foi 220 V com um fator de potência de 0,9. Assim a potência P envolvida foi de:
P = 220 V . 6 A . 0,9 = 1188 VA = 1,19 kVA = 1,19 kW Ec = P . t
Ec = 1,19 . t [kWh]; onde:
Ec = energia elétrica consumida durante o tempo t (horas) de impressão.
O valor atual da energia elétrica é de aproximadamente Ei = R$ 0,40/kWh O custo da energia para impressão pode ser expressa como:
E = Ei . P . t E = 0,40 . 1,19 . t E = 0,48 . t
3.4 Depreciação do equipamento
O preço do equipamento utilizado é de Ci = US$20 000,00. Estipulou-se a depreciação em Td = 10 anos. Assim o custo de depreciação (D) foi definido como;
D = Ci / Td / mês
D = US$ 20 000,00 / 10 anos = US$ 2 000,00 / ano = US$ 167,00 / mês; sendo cotação do dólar atual de R$ 2,22temos:
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4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
A composição custo de um modelo produzido neste equipamento é definido como a soma do custo da matéria prima (M), o custo da energia elétrica (E) e o custo da depreciação da impressora (D):
M = R$ 2,55 (m + s); E = Ec . P . t; D = Ci/Td/mês
Assim somando–se esses custos temos:
C = M + E + D; ou seja:
C = R$ 2,55 (m + s) + 0,48. t + 370,64
; sendo:C = custo do modelo a ser impresso [R$] m = consumo de material (ABS) [cm3] s = consumo de suporte [cm3]
t = tempo demandado para impressão [h]
Nota-se que a maior incidência do custo está na depreciação do equipamento. O fornecedor deve, para viabilizar o seu negócio, ter uma demanda de serviços mensal que viabilize o custo da depreciação.
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5 CONCLUSÃO
A fórmula obtida constitui-se uma boa aproximação do custo real. A proposta inicial foi atingida uma vez que se substituída pela tradicional estimativa baseada somente no tempo de impressão leva a um custo mais justo. Outra colaboração na aprendizagem, ocorreu de forma não intencional, foi devido à exploração das opções de configuração da impressora. Isso proporcionou um leque de opções para se selecionar a melhor forma de se obter as características exigidas pelo modelo físico impresso.
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REFERÊNCIAS
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produção de maquetes de arquitetura. Disponível em:
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http://www.pessoal.utfpr.edu.br/foggiatto/arquivos/O_Uso_da_Prototipagem_na_area_medic o-odontologica.pdf>. Acesso em: 28 maio 2014.
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http://www.cs.cmu.edu/~rapidproto/students.03/rarevalo/project2/Process.html>. Acesso em: 28 maio 2014.
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Metais, São Paulo, v.9, n.103, p. 22-30, nov. 2013.
KNOPE, Ryan W. A rapide prototyping and .STL informative guide. Instatus.com, nov. 2009. Disponível em: http://instatuts.com/featured/a-rapid-prototyping-and-stl-informative-guide%3E/. Acesso em: 28 maio 2014.
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