Universidade Federal do Rio de Janeiro
AVALIAÇÃO COMPARATIVA DAS TECNOLOGIAS DE PROTOTIPAGEM RÁPIDA
Guilherme Lorenzoni de Almeida
Livros Grátis
http://www.livrosgratis.com.br
COPPE/UFRJ COPPE/UFRJ
AVALIAÇÃO COMPARATIVA DAS TECNOLOGIAS DE PROTOTIPAGEM RÁPIDA
Guilherme Lorenzoni de Almeida
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil, COPPE, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil.
Orientador: José Luis Drummond Alves
Rio de Janeiro Setembro de 2008
AVALIAÇÃO COMPARATIVA DAS TECNOLOGIAS DE PROTOTIPAGEM RÁPIDA
Guilherme Lorenzoni de Almeida
DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO LUIZ COIMBRA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA DE ENGENHARIA (COPPE) DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA CIVIL.
Aprovada por:
____________________________________ Prof. José Luis Drummond Alves, D.Sc.
____________________________________ Prof. Luiz Landau, D.Sc.
____________________________________ Prof. Gerson Gomes Cunha, D.Sc.
____________________________________ Prof. Antônio Carlos de Abreu Mol, D. Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL SETEMBRO DE 2008
Almeida, Guilherme Lorenzoni de
Avaliação Comparativa das Tecnologias de Prototipagem Rápida/ Guilherme Lorenzoni de Almeida. - Rio Janeiro: UFRJ/ COPPE, 2008.
XIII, 118 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: José Luis Drummond Alves
Dissertação – UFRJ/ COPPE/ Programa de Engenharia Civil, 2008.
Referências Bibliográficas: p. 113-115.
1. Tecnologias de Prototipagem Rápida. 2. Modelagem Tridimensional. 3. Protótipos. I. Alves, José Luis Drummond. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE, Programa de Engenharia Civil. III. Título.
Aos meus pais Dagberto e Marlene, à minha querida Flávia, ao meu irmão Alexandre e aos meus amigos do INT.
À memória dos meus pais Dagberto Sayão de Almeida e Marlene Lorenzoni de Almeida.
AGRADECIMENTOS
Ao concluir este trabalho gostaria de externar meu agradecimento a todos aqueles que contribuíram, de alguma maneira, para a sua realização. Gostaria de agradecer, em especial:
À Diretoria do Instituto Nacional de Tecnologia – INT, onde trabalho, pelo estímulo e apoio oferecidos para que esta tese fosse realizada. Agradeço particularmente ao Diretor do INT, Domingos Manfredi Naveiro.
Aos meus orientadores, José Alves e Gerson Cunha, pela dedicação, paciência e confiança no desenvolvimento da tese.
Aos amigos da Divisão de Desenho Industrial – DvDI/INT representados pelo chefe da Divisão, Álvaro Guimarães de Almeida, pela compreensão e flexibilidade durante todo o período.
Agradeço especialmente à amiga de trabalho Flávia Pastura que muito me auxiliou em todas as etapas do desenvolvimento da tese.
Aos funcionários da COPPE, em especial à Beth e o Jairo da secretaria, que sempre me ajudaram, sendo sempre solícitos na resolução dos problemas burocráticos e em todos os problemas dos Mestrandos e Doutorandos desesperados ao final da tese.
Resumo da Dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)
AVALIAÇÃO COMPARATIVA DAS TECNOLOGIAS DE PROTOTIPAGEM RÁPIDA
Guilherme Lorenzoni de Almeida
Setembro / 2008
Orientador: José Luis Drummond Alves
Programa: Engenharia Civil
Este trabalho descreve algumas das principais tecnologias de prototipagem rápida que possibilitam a construção física de objetos virtuais tridimensionais que apresentem qualquer geometria, dispensando moldes e ferramentas, pois essas tecnologias utilizam as informações geométricas do modelo a ser fabricado diretamente do sistema CAD (Computer Aided Design) ou projeto auxiliado por computador. Procura apresentar as possibilidades de “impressão tridimensional” atualmente disponíveis no mercado, levando em consideração as diversas finalidades da construção de um protótipo como a avaliação da forma, a avaliação dimensional e a avaliação funcional. O objetivo é desmistificar essas tecnologias e demonstrar como essas já estão ao nosso alcance, comparando custos de execução, características dos diferentes materiais de construção e suas aplicações, níveis de resolução de impressão e tipos de acabamento possíveis, ou seja, que esta pesquisa possa orientar futuros usuários na escolha da tecnologia de prototipagem rápida mais adequada para o desenvolvimento de seus produtos.
Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)
RAPID PROTOTYPING TECNOLOGY COMPARATIVE ANALYSIS
Guilherme Lorenzoni de Almeida
September / 2008
Advisors: José Luis Drummond Alves
Department: Civil Engineering
This monography describes some of the main technologies of rapid prototyping that enables physical construction of virtual three-dimensional objects with any geometry and no need for molding and tooling, as the equipment uses geometric information from the object to be made, directly from CAD system (Computer Aided Design). It is presented the possibilities of "three-dimensional printing" currently available, taking into account the various purposes of building a prototype, for example, evaluation form, dimensional evaluation and functional evaluation. The goal is to demystify those technologies and show how their availability, comparing implementation costs of each technology, different materials characteristics and their applications, printing resolution levels and finishing available. That the research may guide future users on choosing the more adequate technology for product development.
SUMÁRIO
1 Introdução... 1
1.1 Considerações iniciais / Motivação... 1
1.2 Objetivos ... 2 1.2.1 Gerais ... 2 1.2.2 Específicos... 2 2 Prototipagem Rápida ... 4 2.1 Introdução ... 4 2.1.1 Definição ... 5
2.1.2 Princípios do Processo de Construção... 9
2.1.3 O Arquivo de Formato STL... 11
2.1.4 Parâmetros de Exportação do Arquivo STL ... 16
2.1.5 Resolução do Formato STL... 17
2.1.6 O Efeito Escada ... 19
2.1.7 Precisão Absoluta ... 21
2.1.8 A Orientação do Modelo em Relação à Plataforma Horizontal do ... 22
Equipamento de Prototipagem 2.1.9 Planejamento do Processo de RP ... 25
3 Processos de Prototipagem Rápida ... 31
3.1 Estereolitografia – SL (stereolithography)... 32
3.2 Impressão Tridimensional – 3DP (3D Printing)... 35
3.3 Modelagem por Fusão e Deposição – FDM (Fused Deposition Modeling) ... 37
3.4 Sinterização Seletiva a Laser - SLS (SLS – Selected Laser Sintering) ... 40
3.5 Impressão a Jato de Tinta IJP (Benchtop)... 43
3.6 Manufatura de Objetos Laminados - LOM (Laminated Object Manufaturing) 47 3.7 Impressão por Jato de Tinta (Thermojet)... 49
3.8 Cura Sólida na Base - SCG (Solid Ground Curing) ... 51
3.9 Fabricação da Forma Final a Laser - LENS... 52
(Laser Enginnered Net Shaping) 3.10 Usinagem Controlada por Computador ... 56
3.10.1 Usinagem a Laser ... 59
4 Avaliação das Tecnologias de Prototipagem Rápida ... 61
4.1 Avaliação Comparativa das Tecnologias 3DP, SLA e FDM quanto a ... 62
Critérios de Custo e Tempo 4.2 Ensaios Mecânicos dos Materiais e Aferição Dimensional dos Corpos...68
de Prova realizados no Laboratório de Tecnologia de Materiais Poliméricos do INT 4.2.1 Ensaio de Dureza...68
4.2.2 Ensaio de Tração...69
4.2.3 Aferição Dimensional dos Corpos de Prova...71
4.2.4 Resultados da Aferição Dimensional dos Corpos de Prova e dos...73
Ensaios de Tração das Seis Amostras 4.2.4.1 Tecnologia: FDM / Material: plástico ABS...73
4.2.4.2 Tecnologia: SLA / Material: Resina Epóxi fotossensível - Acura SI50...75
4.2.4.3 Tecnologia: 3D Print Z Corp / Material: Composite...78
4.2.4.4 Tecnologia: Fresadora Tridimensional (CNC) / Material: Acrílico...80
4.2.4.5 Tecnologia: Fresadora Tridimensional (CNC) / Material: Ren...82
Shape (poliuretano de alta densidade) 4.3 Quadro Geral dos Resultados dos Ensaios Mecânicos...84 – Tensão e Dureza – e da Aferição Dimensional dos Corpos de Prova
5 Estudo de Caso ... 85
5.1 Utilização da Prototipagem Rápida em Medicina e Paleontologia ... 85
5.2 Utilização da Prototipagem Rápida em Pesquisa Científica ... 89
5.3 Utilização da Prototipagem Rápida no Desenvolvimento de Produto ... 95
6 Considerações Finais ... 111
7 Referências Bibliográficas... 113
8 Sites Relacionados ...116
Anexo 1: Fábrica de órgãos ... 117
LISTA DE SIGLAS E SÍMBOLOS Siglas e
Símbolos
Inglês Português
3DP 3D Printing Impressão Tridimensional
CAD Computer Aided Design Projeto Auxiliado por Computador
CAE Computer Aided Engineering Engenharia Auxiliada por Computador
CAM Computer Aided Manufacturing Manufatura Auxiliada por Computador
CATE Computer Aided Tissue Engineering
Engenharia de Tecidos “Ósseos” Auxiliada por Computador
CN Numerical Control (NC) Comando Numérico
CNC Computerized Numerical Control Comando Numérico Computadorizado
CT Computer Tomography Tomografia Computadorizada (TC)
DICOM Digital Imaging and
Communication in Medicine
Imagem Digital e Comunicação na Medicina
FDM Fused Deposition Modeling Modelagem por Fusão e Deposição
IGES Initial Graphics Exchange Specification
Especificação inicial de troca gráfica
LOM Laminated Object Manufaturing Manufatura de Objetos Laminados
LENS Laser Enginnered Net Shaping Fabricação da Forma Final a laser
MMC Coordinate Measuring Machine
(CMM)
Máquina de Medir por Coordenadas
MSHCT Multi-Slice Helical Computer Tomography
MRI Magnetic Ressonance Imaging Ressonância Nuclear Magnética (RNM)
LISTA DE SIGLAS E SÍMBOLOS Siglas e
Símbolos
Inglês Português
NURBS Nonuniform Rational B-Splines
PET Positron Emission Tomography Tomografia por Emissão de Pósitrons
PMMA Polymethylmethacrylate Polimetilmetacrilato
RE Reverse Engineering Engenharia Reversa (ER)
RP Rapid Prototyping Prototipagem Rápida (PR)
SCG Solid Ground Curing Cura Sólida na Base
SL StereoLithography Estereolitografia
SLA StereoLithography Apparatus Aparelho de Estereolitografia
SLS Selected Laser Sintering Sinterização Seletiva a Laser
STL Stereolithography Estereolitografia
TE Tissue Engineering Engenharia de Tecidos Ósseos
US Ultrasound Ultrassonografia (USG)
ap [mm] Depth of Cut Profundidade de Corte
Tc [min] Cutting Time Tempo de corte
Vc [m/min] Cutting Speed Velocidade de Corte
1 INTRODUÇÃO
1.1 Considerações Iniciais / Motivação
Gostaria de iniciar esse trabalho apresentando as motivações para escrever sobre esse fascinante tema. Desde 1999 trabalho no Laboratório de Modelos Tridimensionais da Divisão de Desenho Industrial do Instituto Nacional de Tecnologia/MCT com softwares de modelagem tridimensional e equipamentos de prototipagem rápida utilizados para o desenvolvimento de protótipos e de novos produtos. A divulgação dessas tecnologias e conseqüentemente a oferta desses serviços fizeram surgir um novo perfil de cliente interessado em utilizar a “impressão tridimensional” como alternativa para a construção de protótipos. Esse público é formado principalmente por instituições de pesquisa e ensino, pequenas e médias empresas, profissionais liberais, escritórios de Design e alunos de cursos superiores tais como Desenho Industrial e Engenharia e de cursos de especialização tais como o curso de Modelagem de Jóias oferecido pela PUC/RJ.
No desenvolvimento desse trabalho, além da modelagem virtual e da prototipagem física de produtos, uma das tarefas é receber os arquivos de modelos tridimensionais enviados por esses clientes, avaliá-los, corrigi-los, caso seja necessário, e finalmente prototipá-los nos mais diversos equipamentos. Desse modo, percebemos a dificuldade da maioria das pessoas que buscam esse tipo de serviço na elaboração de arquivos corretos, ou seja, arquivos que contenham modelos tridimensionais virtuais sólidos que possam ser exportados para os softwares que preparam o processo de construção e que controlam as máquinas de prototipagem rápida. Além disso, existe o desconhecimento quanto às características dos materiais disponíveis para cada tecnologia e, portanto, quanto às possibilidades desses materiais, tais como, resistência mecânica, possibilidade de aplicação de cor, níveis de acabamento superficiais etc.
Espero que essa dissertação possa contribuir para uma melhor compreensão das tecnologias de prototipagem rápida, considerando a carência de publicações específicas sobre o tema em nosso idioma.
1.2 Objetivos
1.2.1 Gerais
Os objetivos gerais deste trabalho são:
- Apresentar as tecnologias de prototipagem rápida atualmente mais representativas;
- Demonstrar as etapas do processo de obtenção de modelos tridimensionais físicos por meio das tecnologias de prototipagem rápida;
- Desmistificar as tecnologias de prototipagem rápida e demostrar como essas tecnologias já estão ao nosso alcance, comparando custos de execução, características dos diferentes materiais de construção, aplicações e tipos de acabamento possíveis, ou seja, que esta pesquisa possa orientar futuros usuários na escolha da tecnologia de prototipagem rápida mais adequada para o desenvolvimento de seus produtos.
1.2.2 Específicos
Os objetivos específicos deste trabalho são:
1. Comparar as tecnologias de prototipagem rápida disponíveis no Laboratório de Modelos Tridimensionais do Instituto Nacional de Tecnologia (LAMOT/INT).
2. Elaborar um modelo com padrões dimensionais precisos, denominado “corpo de prova”, que será modelado virtualmente e fisicamente prototipado nas tecnologias de prototipagem rápida do LAMOT/INT - 3D Systems Viper SLA Si2; Zcorp 3D Color Printing; Stratasys FDM Vantage e Roland MDX 650 Fresadora CNC – de modo que essas tecnologias possam ser avaliadas e comparadas;
3. Avaliar a resistência mecânica dos corpos de prova – ensaios de dureza e de tração;
4. Apurar e comparar o tempo de construção de modelos tridimensionais similares nas diversas tecnologias de prototipagem rápida do LAMOT/INT;
O texto desta dissertação está assim organizado:
No capítulo 1 foram apresentados os objetivos desse trabalho e os motivos que levaram a escolha do tema.
No capítulo 2 são apresentados os conceitos que definem o processo de prototipagem rápida; são citados os princípios de construção de modelos tridimensionais e apresentadas vantagens e desvantagens dessas tecnologias quando comparadas a outros processos de fabricação. Nesse capítulo são ainda apresentados alguns parâmetros de exportação dos arquivos STL e características que devem ser observadas na preparação dos arquivos a serem enviados para as máquinas de prototipagem.
No capítulo 3 são apresentados os diferentes processos de prototipagem rápida, segundo sua classificação: processos baseados em líquido, processos baseados em sólido e processos baseados em pó. Também são descritas as mais importantes tecnologias comercialmente difundidas.
No capítulo 4 são apresentados: uma avaliação comparativa das tecnologias de prototipagem rápida disponíveis no LAMOT/ INT, a aferição dimensional dos corpos de prova, os ensaios mecânicos (dureza e tração) dos materiais prototipados e os resultados obtidos.
No capítulo 5 são apresentadas algumas aplicações da prototipagem rápida na Medicina e na Paleontologia, além de um estudo de caso de utilização da RP no desenvolvimento de um produto industrial.
No capítulo 6 são apresentadas as considerações finas e a conclusão do trabalho.
2 PROTIPAGEM RÁPIDA (RP)
2.1 Introdução
Em agosto de 1984, Charles W. Hull, responsável pela área de Engenharia da UVP (Ultra-Violet Products) Inc. de San Gabriel / Califórnia, depositou um pedido de patente para um equipamento de produção de objetos tridimensionais por estereolitografia. Essa patente descrevia a tecnologia de base para a primeira máquina de fabricação industrial de modelos e protótipos do mundo, o equipamento esteriolitográfico ou “SLA” (Stereo Litography Aparatus), apresentado em novembro de 1987 pela 3D systems, hoje uma das grandes empresas fabricantes e fornecedoras de equipamentos de prototipagem rápida, formada a partir da UVP em 1986.
Segundo SANTOS (1999), SLA foi a primeira máquina de fabricação industrial de modelos e protótipos, mas não a primeira utilizada industrialmente. Esse mérito pertence a Efrem V. Fudin, imigrante russo em Milwaukee, Wisconsin / EUA. A revista Machine Design de março de 1986 publicou um artigo de Fudin denominado “Esculpir com a luz”, no qual o autor fornecia detalhes técnicos sobre seu processo de lâmpada mascarada. Nesse artigo ele descrevia um método de fabricação de modelos anatômicos tridimensionais onde uma seção desejada da anatomia do paciente era obtida a partir de uma série de cópias de imagens tomográficas. As imagens eram utilizadas como máscaras em um processo fotográfico para produzir camadas que eram fundidas para formar o modelo desejado. A curiosidade levantada a partir do artigo fez com que a nova empresa de Fudin, Light Sculpting, pudesse fornecer objetos fabricados com seu sistema para algumas indústrias.
Segundo BEAL, V. E., (2002) no final da década de 80, surgiram os resultados das primeiras pesquisas que buscavam desenvolver tecnologias capazes de produzir objetos diretamente de um modelo tridimensional desenvolvido em um programa CAD (Computer Aided Design). Essas tecnologias tornaram-se conhecidas como “Prototipagem Rápida", pois fabricam objetos que visavam, inicialmente, auxiliar equipes de engenharia simultânea na visualização, montagem e teste de produtos, acelerando o processo de desenvolvimento. Atualmente, existe uma grande discussão quanto a uma definição mais apropriada, uma vez que os objetos construídos não são necessariamente protótipos.
2.1.1 Definição
O termo prototipagem rápida (RP) designa um conjunto de tecnologias utilizadas para se fabricar objetos físicos a partir de fontes de dados gerados por sistemas de projeto auxiliado por computador (CAD). Tais tecnologias são bastante peculiares, uma vez que elas agregam e fundem materiais, camada a camada, de modo a constituir o objeto tridimensional desejado. Essas tecnologias também são conhecidas pelos nomes: produção aditiva, impressão tridimensional, produção de forma sólida livre (solid freeform fabrication), produção em camadas (layer manufacturig), manufatura acrescendo material (material incress manufacturing) e manufatura de bancada (desktop manufacturing), porém o nome original tem prevalecido (VOLPATO, N. et al., 2007).
Todo processo de manufatura que proporcione a fabricação de objetos tridimensionais a partir de um modelo CAD com o auxílio de um sistema CAM (Computer Aided Manufacturing) em um curto espaço de tempo, incluindo o tempo de programação CAM, pode ser considerado um processo de prototipagem rápida. Nesse contexto podem ser citadas como algumas das principais tecnologias a Estereolitografia (SL), a Modelagem por Fusão e Deposição (FDM), a Sinterização Seletiva a Laser (SLS), a Thermojet, a Fabricação de Objetos Laminados (LOM), a Impressão Tridimensional (3DP), a Usinagem à Alta Velocidade (HSC), a Usinagem a laser, dentre outras.
O processo de prototipagem rápida é um processo "aditivo", combinando camadas de papel, resina, cera, metal ou plástico para se criar um objeto sólido. A natureza aditiva desse processo permite a criação de objetos com geometrias internas complexas que não podem ser obtidas por meio de outros processos como, por exemplo, o fresamento, a furação, o torneamento e a eletro-erosão, que são processos "subtrativos", ou seja, removem o material a partir de um bloco sólido.
Existe uma discussão entre as comunidades internacionais que consideram prototipagem rápida como sendo apenas os processos de fabricação por adição sucessiva de camadas bidimensionais (LMT- Layer Manufacturing Technologies), ou seja, os processos aditivos; não sendo consideradas como tecnologias de RP os processos de remoção de material ou processos subtrativos, porém essa afirmação ainda não é um consenso.
criar rapidamente protótipos tridimensionais físicos complexos a partir de seus projetos, ao invés de modelos bidimensionais. Esses protótipos possuem diversas finalidades: constituem-se em um meio para a discussão do projeto dentro da equipe; tornam-se um excelente auxílio visual na apresentação do projeto aos clientes; podem permitir testes prévios como, por exemplo, ensaios em túnel de vento para componentes aeronáuticos ou análise foto-elástica para verificação de pontos de concentração de tensões na peça.
A verdade é que os projetistas sempre construíram protótipos; os processos de prototipagem rápida permitem que estes sejam feitos mais depressa e de forma mais barata. Estima-se que a economia de tempo e de custos proporcionada pela aplicação das técnicas de prototipagem rápida na construção de modelos seja da ordem de 70 a 90% (VOLPATO, N. et al., 2007).
A prototipagem rápida também pode ser utilizada na fabricação de moldes ou ferramental protótipo, essa possibilidade deu origem a um processo conhecido como ferramental rápido (RT de Rapid Tooling), ou seja, a fabricação automática de moldes para a produção de peças em série; porém, vale salientar que esses moldes gerados por RP não conseguem substituir os moldes definitivos feitos em metal.
A produção de ferramentas (moldes e matrizes) é uma das etapas mais lentas e caras no processo de manufatura, em função da qualidade extremamente alta exigida. Ferramentas geralmente apresentam geometrias complexas e precisam ser dimensionalmente precisas, em torno de centésimos de milímetro. Além disso, devem ser duras, resistentes ao desgaste e apresentar baixa rugosidade. Por esses motivos, ferramentas são tradicionalmente fabricadas por usinagem CNC, eletro-erosão ou manualmente. Todos esses processos são caros e demorados, o que torna a implementação das técnicas de prototipagem rápida uma boa alternativa. Estima-se que a prototipagem rápida permita economizar 75% do tempo e dos custos envolvidos na fabricação de ferramentas (VOLPATO, N. et al., 2007).
As técnicas de prototipagem rápida também permitem a obtenção de peças com o mesmo nível de qualidade da produção seriada, na chamada manufatura rápida. Na verdade essa tecnologia é o melhor processo de manufatura quando se quer produzir pequenos lotes de peças e/ou componentes de geometria complexa.
O termo "rápido" associado a esses processos é relativo. A construção de um protótipo pode levar de 3 a 72 horas, dependendo do tamanho e da complexidade do objeto. Ainda assim esses processos são bem mais rápidos que os métodos
tradicionais que podem requerer dias ou mesmo meses para a produção de um único protótipo.
Segundo VOLPATO, N. et al., (2007), as vantagens e desvantagens da prototipagem rápida (RP) quando comparada a outros processos de fabricação, em especial com a usinagem CNC, podem ser sintetizadas como:
Vantagens:
• Independência da complexidade geométrica da peça. Geometrias normalmente impossíveis de serem fabricadas por outros processos podem ser obtidas por RP;
• Não requer dispositivo ou ferramental especial para fixação. Geralmente as peças são fixadas nas plataformas de construção por suportes criados pela própria tecnologia;
• Não é necessária a troca de ferramentas de trabalho. Normalmente, um único meio de processamento do material é utilizado, do início ao fim do processo;
• A peça é fabricada em uma única etapa de processo. Um único equipamento é necessário para construir a peça do início ao fim;
• Não são necessários cálculos complexos de trajetórias de ferramentas. O planejamento do processo é bastante simplificado, pois se reduz basicamente a cálculos de trajetórias no plano bidimensional (2D) e, por isso, é realizado de forma praticamente automática por sistemas dedicados;
• Menor tempo e menor custo de obtenção de protótipos, principalmente no caso dos modelos que apresentam geometrias mais complexas.
Desvantagens:
• Os materiais de construção e suas propriedades mecânicas não são as mesmas dos metais e plásticos geralmente utilizados no produto final. Somente alguns materiais, desenvolvidos especificamente para cada uma das tecnologias, podem ser empregados nos processos e, devido ao fato da fabricação ser por adição de camadas, o material possui uma certa anisotropia1. Esse fato implica em limitações na aplicação das peças produzidas por esses processos.
característica da sua superfície é o serrilhado decorrente do efeito-escada em regiões inclinadas e curvas. Esse efeito provoca um desvio da geometria da peça modelada no CAD, que é inerente ao processo de RP;
• Devido ao custo envolvido, existe uma limitação na quantidade de protótipos que podem ser produzidos com os sistemas de RP atuais;
• Em virtude da natureza térmica/química de alguns processos, problemas como distorções, empenos, dilatações e retrações podem ser observadas em alguns processos. Esses problemas vem sendo minimizados nos últimos desenvolvimentos das tecnologias de RP.
1
Anisotropia: é uma das principais características dos sistemas de prototipagem rápida, o que implica em que o material do protótipo possui diferentes propriedades mecânicas para cada eixo de construção. A anisotropia é bastante pronunciada no eixo Z de construção afetando fortemente o desempenho do protótipo nesta direção.
2.1.2 Princípios do Processo de Construção
O primeiro passo consiste na obtenção de uma representação tridimensional do objeto a ser construído, a partir de um software CAD. O arquivo gerado é exportado no formato STL (STereoLithography), representação aproximada do objeto em malha triangular, para o software dedicado à máquina de prototipagem onde será secionado em fatias com aproximadamente 0,1 mm de espessura, paralelas entre si e perpendiculares ao eixo de construção Z. Na seqüência, o software processa a trajetória da ferramenta de modo bidimensional nos eixos X e Y, para cada uma das fatias (camadas), calcula e gera os suportes necessários. O arquivo gerado é então armazenado e posteriormente enviado para a máquina de prototipagem rápida. A máquina inicia a fabricação do objeto tridimensional pela adição das camadas bidimensionais, onde cada camada construída é adicionada à camada anterior (ver figura 1).
Figura 1: etapas do processo de construção de um objeto por meio da prototipagem rápida Fonte: 3D Systems
Uma característica marcante da maioria dos processos de prototipagem rápida é a presença do efeito-escada, causado pela sobreposição das camadas de construção. Quanto mais finas essas camadas, menor será o efeito-escada. Para reduzir esse efeito, geralmente são realizadas operações de pós-processamento, como lixamento ou jateamento com material abrasivo e recobrimento da superfície da peça.
Existem diversas características físicas que distinguem os protótipos tais como, a precisão, a qualidade superficial, o material de construção, as operações de
acabamento, o tempo de fabricação e a espessura das camadas. Essas características serão detalhadas nos capítulos seguintes.
Em resumo, pode-se dizer que os processos de prototipagem rápida atualmente existentes são constituídos por cinco etapas (ver figura 2):
1 - Criação de um modelo em CAD do objeto que está sendo projetado; 2 - Conversão do arquivo CAD em formato STL;
3 - Fatiamento do arquivo STL em finas camadas transversais;
4 - Construção do modelo físico, empilhando-se uma camada sobre a outra; 5 - Limpeza e acabamento ou pós-processamento do protótipo.
Modelo em CAD 3D Modelo em arquivo STL Planos transversais de fatiamento
Interseção de um plano de Prototipagem dafatia gerada Adição sucessiva de
fatiamento camadas
Figura 2: etapas dos processos de prototipagem rápida (Fonte: adaptado do CIMJECT)
Cada processo de prototipagem rápida possui uma etapa de pós-processamento ao final da construção do objeto. Cabe apenas decidir os níveis de acabamento que se pretende alcançar.
2.1.3 O Arquivo de Formato STL
O arquivo STL foi desenvolvido em 1988 pela Albert Consulting Group a pedido da 3D Systems (EUA). Esse formato se caracteriza por ser uma forma simples e robusta de representar modelos tridimensionais por meio de um conjunto de triângulos irregulares, que formam uma malha recobrindo todas as superfícies do objeto (VOLPATO, N., 2007). O arquivo STL é um formato padrão utilizado para gerar informações necessárias para a construção de modelos tridimensionais físicos na maioria dos equipamenttos de Prototipagem Rápida (RP) e implementados na maioria dos sistemas CAD 3D conhecidos.
A extensão "STL" é derivada da palavra "Estereolitografia", mas se considerarmos uma definição mais abrangente, o arquivo STL é uma representação em malha triangular de um objeto 3D, onde a superfície do objeto é representada por uma série não ordenada de triângulos irregulares (ver figura 3). Cada triângulo é definido por um vetor normal e por três pontos representando seus vértices no espaço em coordenadas cartesianas X, Y e Z (ver figura 4).
Lista dos vértices dos triângulos: Vértice 1: x1 y1 z1
Vértice 2: x2 y2 z2 .
.
Série não ordenada dos triângulos irregulares: 1 2 5 1 5 9 9 5 7 . .
Figura 3: Malha triangular de um objeto 3D. A superfície do objeto é representada por uma série não ordenada de triângulos irregulares (SHU, C., 2008).
Figura 4: Cada triângulo da malha é definido por um vetor normal e por seus vértices no espaço em coordenadas cartesianas X, Y e Z
Se muitos triângulos são formados o arquivo STL pode se tornar muito pesado, porém o objeto representado estará mais bem definido, com alta resolução; caso contrário, com baixa resolução, o arquivo STL será mais leve, mas o objeto representado ficará muito facetado, as áreas curvas não estarão devidamente definidas e, conseqüentemente, não representarão o objeto 3D original ( figuras 5 e 6).
Figura 5: arquivo STL com alta resolução Figura 6: arquivo STL com baixa resolução. O objeto se apresenta demasiadamente facetado
Um “bom” arquivo STL deve obedecer a duas regras básicas:
- A primeira regra estabelece que triângulos adjacentes devem apresentar dois vértices em comum e que as arestas de cada um desses triângulos devem ter o mesmo comprimento (ver figuras 7 e 8).
Figura 7: triângulos adjacentes com vértices em comum e arestas com o mesmo comprimento Fonte: VOLPATO, N., 2007.
Figura 8: malha triangular com uma boa construção de triângulos adjacentes
Fonte: SHU, C., 2008.
- A segunda regra diz respeito à orientação dos triângulos, ou seja, a direção do vetor normal que representa a superfície externa de cada triângulo e dos modelos tridimensionais por eles representados. A orientação é determinada pelos vértices e
pelo vetor normal que devem seguir a mesma direção. Cada elemento triangular da malha STL é independente e possui um único vetor normal “apontando” para o lado externo da superfície (ver figura 9).
Figura 9: A direção do vetor normal determina para o equipamento de prototipagemas superfícies externas do objeto
Fonte: VOLPATO, N. et al., 2007
Em determinados softwares de modelagem 3D, tais como o Rhinocerus 3D, a superfície interna e externa do objeto são diferenciadas por cor para facilitar a identificação da direção dos vetores normais.
Se alguma dessas regras não é observada o arquivo STL apresenta problemas. Pequenas lacunas e incoerências normalmente podem ser corrigidas por softwares específicos para o tratamento de arquivos STL. Entretanto, problemas maiores ou mais significativos exigem que o modelo em CAD seja revisado no software onde originalmente foi desenvolvido para que se realizem as modificações necessárias e o arquivo possa ser novamente exportado, com as correções realizadas (ver figuras 10 e 11).
Figura 10: erro na construção da malha poligonal Figura 11: correção feita na malha poligonal Fonte: SHU, C., 2008
Na figura 12 abaixo, pode-se observar o erro na divisão da malha STL: uma pequena lacuna foi gerada onde as arestas dos triângulos adjacentes não coincidem em tamanho. Esse erro pode ser corrigido gerando-se uma subdivisão no triângulo defeituoso, de modo que os triângulos formados apresentem arestas com o mesmo comprimento e vértices comuns aos triângulos adjacentes. Deve-se ter certeza que todos os vértices que ocupam as mesmas coordenadas estejam unidos. Quando duas geometrias estão associadas e os vértices apenas superpostos se tem a impressão que apenas um vértice existe, quando de fato existem dois ou mais vértices na mesma localização. Se existem múltiplos vértices ou arestas no mesmo lugar podem ocorrer erros, como falhas ou buracos.
Figura 12: erro e correção da malha STL pela subdivisão do triângulo defeituoso
Um arquivo STL pode ser designado como "ruim" por erro na conversão da malha poligonal, ou seja, por erro na exportação do arquivo em CAD 3D para arquivo de malha triangular (STL), como o exemplo já apresentado na figura 12.
Freqüentemente ocorrem problemas na exportação de modelos que utilizam formato quadrangular. Nesses modelos cada uma das faces da superfície é formada por quatro pontos. Caso um dos quatro pontos não esteja localizado no mesmo plano que os outros três uma falha será formada, pois o sistema de prototipagem não processará os dados fornecidos. Na representação de uma superfície plana, três pontos são sempre melhores do que quatro pontos.
2.1.4 Parâmetros de Exportação do Arquivo STL
Existem vários parâmetros que podem ser utilizados para controlar a malha triangular gerada de modo a se obter a melhor precisão com o menor tamanho de arquivo. Dentre esses, os mais comumente utilizados pelos sistemas CAD comerciais são o comprimento da corda e o ângulo de controle.
Comprimento da flecha - Esse parâmetro controla a distância (flecha) máxima entre a superfície original do modelo 3D (arco) e a superfície da malha triangular STL (corda). Quanto menor o valor estabelecido para o comprimento da flecha, maior será a precisão do modelo STL resultando em uma malha com um maior número de polígonos (triângulos) e, consequentemente, um arquivo de tamanho maior (ver figura 13).
Figura 13: o comprimento da corda é definido como a distância entre a superfície do modelo 3D e a superfície da malha triangular (STL)
Ângulo de controle – O ângulo de controle é utilizado para especificar uma tolerância para curvas com raios pequenos e para detalhes de pequenas dimensões do modelo (ver figura 14). Nesses casos, o comprimento da corda não é suficiente para manter a integridade da geometria, mesmo especificando valores muito baixos para o comprimento da corda (VOLPATO, N. et al., 2007).
Figura 14: o ângulo de controle “otimiza” o número de polígonos da malha triangular (STL)
2.1.5. Resolução do Formato STL
Um fator importante para a qualidade do acabamento superficial do modelo tridimensional físico é a resolução ou refinamento em que foi exportada a malha triangular na geração do arquivo STL, ou seja, na transformação da superfície do modelo CAD (superfície NURB2 - Nonuniform Rational Bézier-Splines) para a malha poligonal STL.
Em razão das faces triangulares, uma superfície curva não pode ser perfeitamente representada. De modo a melhor representar uma superfície curva, o tamanho das faces deve ser ajustado para que haja um número suficiente de faces e o modelo não apresente bordas irregulares ou facetadas (ver figuras 15 e 16).
2
Superfície NURB é uma superfície B-Splines não uniforme e racional. Vem da geometria projetiva que descreve os parâmetros de uma superfície por meio de uma equação matemática. Tipo de curva de forma livre que utiliza curvas B-Splines e permite a verificação de valor de cada ponto da superfície. B-Spline e Bézier são exemplos de curva Spline, que é uma curva de forma livre que conecta uma série de pontos de controle com uma curva suave. Mudanças nos pontos de controle resultam em mudanças na curva. (Fonte: In IMPERIALE, A.; New Flatness: Surface Tension In Digital Arquiteture. Birkhäuser 2000).
Figura 15: superfície do modelo CAD Figura 16: modelo STL muito facetado
(superfície Nurb) com baixa resolução
Por outro lado, caso as faces triangulares sejam muito pequenas o arquivo será muito volumoso e isso poderá causar problemas no processamento computacional (vide figura 17). Na figura 18 abaixo o modelo apresenta um número de faces triangulares suficiente para uma boa construção, o tamanho do arquivo é relativamente pequeno de modo a garantir a capacidade de processamento.
Figura 17: modelo STL com alta resolução Figura 18: modelo STL com média resolução
Ao contrário dos modelos tridimensionais virtuais gerados em baixa resolução (low poly) para visualizações científicas e animações, os modelos para prototipagem
rápida devem ser gerados em alta resolução (high poly) visando obter um melhor acabamento da superfície do objeto e reduzir o tempo de pós-processamento (ver figura 19).
Wireframe em alta resolução e baixa resolução Shade em alta resolução e baixa resolução
Figura 19: modelo tridimensional virtual de um objeto em alta e baixa resolução
2.1.6 O Efeito Escada (ou Degrau)
Conforme já mencionado, uma característica dos processos de prototipagem rápida é o chamado “efeito-escada”, inerente ao processo de construção em camadas e que aparece em todas as superfícies planas ou não planas que estiverem inclinadas em relação ao eixo de construção (eixo Z). Esse efeito afeta diretamente a qualidade do protótipo tanto dimensionalmente quanto na sua resistência mecânica.
Segundo VOLPATO, N. (2007), o efeito-escada pode ser minimizado pela diminuição da espessura da camada, porém esse é um limitante em vários sistemas de RP, pois a mínima espessura possível de camadas ainda é considerada grande. Outro problema é que normalmente a relação linear de redução pela metade da espessura da camada dobra o tempo de construção. Na figura 20, pode-se observar o efeito-escada sendo influenciado pelo ângulo de inclinação da superfície em relação ao eixo de construção Z e pela espessura da camada de deposição.
Figura 20: influência do ângulo de inclinação da superfície e da espessura da camada no efeito-escada Fonte: VOLPATO, N. (2007)
O efeito escada é menos perceptível nos processos de RP que produzem camadas com menor espessura e também nas superfícies cujo ângulo de inclinação, em relação ao eixo de construção Z, é menor. Esse efeito torna-se mais pronunciado em superfícies com partes curvas ou com grandes angulações (ver figura 21).
Figura 21: o efeito escada é mais pronunciado em partes curvas ou com grandes angulações
Entre as tecnologias de RP atualmente existentes a Inkjet-Benchtop (Solidscape Inc.) produz as camadas mais finas com a espessura de 0,0127
milímetros. Isso torna o processo bastante lento e um dos meios utilizados para acelerar esse processo é a construção de camadas com diferentes espessuras. O processo de Estereolitografia (StereoLithography ou StereoLithography Aparatus) também tem a capacidade de produzir camadas finas mas não com a mesma espessura que a Inkjet-Benchtop. Esse recurso é utilizado na Estereolitografia apenas na construção de peças muito pequenas. Outros processos de RP tais como os métodos baseados em pó - Sinterização Seletiva a Laser (SLS) e a Impressão Tridimensional (3DP) - apresentam como fator limitante o tamanho do grão do pó. Esse tamanho não pode ser reduzido indefinidamente porque a carga estática adquirida dificultará a aglutinação uniforme.
O efeito-escada é um tipo de imprecisão que diferencia as tecnologias de RP dos métodos subtrativos, como a usinagem CNC. A figura 22 apresenta exemplos de como esse efeito pode ser imperceptível dependendo da tecnologia de RP empregada. Efeito escada na Estereolitografia (SLA) Stratasys Efeito escada na Impressora Tridimensional Colorida (3DP) ZCorp Efeito escada na Impressora Jato de Cera
Inkjet-Benchtop da Solidscape Efeito escada na Impressora de Jato de Tinta (MJM) Thermojet (modelo e resultado de fundição)
Figura 22: efeito-escada em diferentes tecnologias de RP
2.1.7 Precisão Absoluta (Tolerância)
A precisão absoluta pode ser definida como a diferença entre uma determinada dimensão de um modelo virtual e a real dimensão do objeto encontrada na medição física. Além das dimensões lineares, existem especificações de precisão para características como tamanhos de falhas (buracos) e curvaturas.
Alguns estudos foram feitos comparando-se as tecnologias de prototipagem rápida entre si e normas relativas à precisão. As tecnologias de RP avançaram quanto aos níveis de tolerância, mas esses níveis não alcançam a tolerância dos processos CNC.
Não se pode dizer que um método de RP é sempre mais preciso do que outro ou que um determinado método sempre apresenta a mesma tolerância. Isso porque, ao contrário dos processos CNC, onde a posição da ferramenta de corte como ponto de referência é precisamente definida e esta opera sobre a superfície de uma forma muito direta, todos os métodos de RP envolvem operações sujeitas a reações químicas complexas. No processo de Estereolitografia, por exemplo, quando expomos a resina líquida (foto polímero) a um laser, embora se possa determinar com precisão onde o centro do laser sinterizará a superfície da resina, esse processo é bem mais impreciso do que quando se utiliza uma ferramenta de corte. O laser provoca uma reação química complexa na resina. Isso é devido ao fato de que o raio laser tem um perfil não uniforme de energia e que a resina tem propriedades óticas que afetam a reação. O modo como a cura da resina ocorre será afetado pela camada anterior da superfície e pelo tempo de exposição à resina restante. Sabe-se que a prototipagem rápida é menos precisa quando comparada aos processos de CNC, entretanto, considerando suas características, o grau de precisão alcançada é muito bom.
2.1.8. Orientação do Modelo em Relação à Plataforma Horizontal do Equipamento de Prototipagem
A orientação do modelo em relação à plataforma horizontal do equipamento é uma etapa muito importante do processo de prototipagem, pois afeta o tempo de construção, a complexidade e a quantidade de suporte necessário, a resistência mecânica do modelo, o empenamento, o encolhimento, o acabamento, etc.
O modelo segue a mesma orientação do projeto em CAD 3D, porém essa orientação pode ser alterada conforme desejado no software dedicado ao equipamento de prototipagem que prepara o arquivo final (CAM) que será enviado para esse equipamento.
Segundo VOLPATO, N. et al. (2007), a orientação da peça em qualquer sistema de RP vai influenciar em uma série de características intrínsecas à manufatura por adição de camadas planas 2D. Entre elas podemos destacar o efeito-escada e a anisotropia, característica que implica em que o material do protótipo possui diferentes propriedades mecânicas para cada eixo de construção. A anisotropia é bastante pronunciada no eixo Z de construção afetando fortemente o desempenho do protótipo nesta direção. As camadas são depositadas ao longo do eixo Z e a agregação resultante entre as camadas normalmente apresenta maior fragilidade que a agregação de material na mesma camada (eixo XY). A figura 23 representa
esquematicamente algumas camadas de um cilindro fabricado na horizontal (A) e na vertical (B) em relação ao eixo de construção e o efeito da aplicação de uma força perpendicular à direção de adição de camadas (B) e na mesma direção (A). Observa-se, portanto, que a orientação de construção do modelo deve ser considerada em função da aplicação do protótipo e que regiões mais frágeis, como paredes finas e pinos, devem ser considerados na construção para evitar a fragilização indesejável dessas estruturas.
Figura 23: variação de resistência do protótipo em função da orientação de fabricação (Fonte: adaptado do livro Prototipagem Rápida: Tecnologias e Aplicações – 2007)
Segundo BEAL et al. (2001), como o custo do protótipo está associado à orientação de construção em relação à plataforma horizontal, os modelos devem ser orientados de modo a serem construídos segundo o menor tempo de prototipagem e, conseqüentemente, o menor custo de produção. Quando o modelo apresentar superfícies livres, ou seja, superfícies que necessitam de suporte ou volumes retidos, a orientação dependerá de quanto o efeito-escada prejudicará a resolução da superfície (ver figura 24). Caso o modelo necessite de acabamento superficial, poderá ocorrer uma retirada de material excessiva através da lixação e do polimento, o que prejudicará ainda mais a sua precisão. O acabamento pode ser melhorado com operações de recobrimento e pintura da superfície do objeto, que dependerão da aplicação do protótipo.
Figura 24: modelo que apresenta superfície livres. A orientação de construção dependerá de quanto o efeito-escada prejudicará a resolução da superfície
Na figura 25 abaixo podem ser observados dois resultados diferentes para o mesmo modelo (1) e (2), dependendo da orientação selecionada para a construção do modelo em relação à plataforma. Em (3) a mesma peça (2) pós-processada por processo manual de acabamento.
( 1 ) ( 2 ) ( 3 )
Figura 25: diferentes resoluções do mesmo modelo segundo à orientação do modelo em relação à plataforma
De modo geral podemos afirmar que o tempo de execução de um modelo está diretamente relacionado à sua altura, ou seja, à sua construção vertical no eixo Z. Quando se analisa o tempo de prototipagem (hora/máquina) observa-se que, quanto maior o número de camadas, maior o tempo gasto para processar o mesmo volume de
material do modelo. A figura 26 apresenta planos de fatiamento distintos, onde o modelo construído na posição vertical possui maior número de camadas demandando maior tempo de execução e, conseqüentemente, com custo maior que o modelo na posição horizontal.
Figura 26: o modelo construído na posição vertical apresenta maior número de camadas que o mesmo modelo construído na posição horizontal
As considerações mais importantes sobre as etapas do planejamento do processo de RP serão apresentadas no próximo ítem, não se atendo a processos específicos. No entanto, sempre que for importante ressaltar que a informação diz respeito especificamente a um ou mais processos, isso será feito.
2.1.9 Planejamento do Processo de RP
Cada tecnologia utilizada para prototipar um modelo tridimensional (3D) virtual possui diferentes características tais como, capacidade dimensional, diferentes tolerâncias de resolução, acabamentos superficiais variados, diferentes materiais de construção, resistências mecânicas distintas, aplicação de cores etc.
O primeiro passo do planejamento do processo é salvar o modelo virtual no formato correto e, em seguida, garantir que se trata de um modelo 3D único e sólido. Gerar um modelo 3D para prototipagem rápida significa que devem ser realizadas as seguintes etapas:
1. Salvar o modelo em arquivo de formato padrão estereolitográfico (STL); 2. Verificar se o modelo tem volume suficiente (o volume é a quantidade de material necessário para a construção do modelo);
4. Verificar se não há interseção e/ou sobreposição de superfícies;
5. Assegurar que as cores sejam aplicadas a cada face da superfície e não apenas "texturizar" a superfície;
6. Assegurar que o modelo seja um objeto sólido.
Todas essas etapas serão abaixo detalhadas:
1. Salvar o modelo em arquivo de formato padrão estereolitográfico (STL)
Conversão do arquivo do modelo em CAD 3D para o formato STL.
2. Verificar se o modelo tem volume suficiente
Caso o modelo 3D seja formado por faces e planos que não estejam unidos entre si, o equipamento de prototipagem construirá um número elevado de finas paredes que não se sustentarão. O volume é um bom indicador se o modelo é sólido ou não. Na figura 27, o modelo parece correto, mas apresenta erro, destacado em amarelo na figura. Esse erro faz com que apenas uma pequena parte do volume do modelo seja “lida” pelo computador e interpretada como sendo formada por inúmeras paredes finas. Na figura 28, o modelo foi corrigido e o volume aumentado para o valor correto.
Figura 27: erro no modelo, destacado pelas linhas Figura 28: Modelo corrigido. Volume com
3. Assegurar que o modelo não tenha qualquer falha (naked edges)
Todas as faces triangulares que formam a superfície do modelo devem estar unidas, de modo a representar corretamente essa superfície. A falha ou buraco ocorre quando uma ou mais faces triangulares estão faltando. Como já apresentado no item 2.1.3, um dos meios pelo qual a falha ocorre é a inversão do vetor normal. Cada face triangular possui uma superfície externa – o lado que reflete a luz, também denominado lado normal - e outra que não reflete. Quando a superfície que não reflete a luz está voltada para fora, tem-se a impressão que existe uma falha. Esse fenômeno, denominado normal invertida, será interpretado pelo sistema de prototipagem como intencional e o arquivo como formado por inúmeras paredes finas, sem volume. Para que o modelo 3D configure-se como um sólido, pronto para a prototipagem, o vetor normal de cada face triangular da malha deverá “apontar” para fora (ver figura 29).
Figura 29: modelo 3D sólido. Vetor normal “aponta” para fora
Existem situações em que falhas não são erros na superfície como, por exemplo, uma área interna oca de um modelo (ver figura 30). Nesse caso uma segunda superfície deverá ser construída para representar a parede interior do modelo (superfície interna). Normalmente o material fica preso nessa área oca e um pequeno furo tem ser feito para se extrair o material.
Figura 30: área interna oca de um modelo 3D. O material ficará preso nessa área e precisará ser retirado através de um pequeno furo
4. Verificar se não há interseção e / ou sobreposição de superfícies
Em muitos programas de modelagem 3D uma representação visual do objeto pode ser feita rapidamente fazendo-se um esboço das superfícies e as aproximando. Entretanto, modelos cujas superfícies estão apenas próximas não são modelos sólidos para a prototipagem. Todas as superfícies do modelo devem estar unidas pelas arestas, de modo a se obter uma malha poligonal contínua. A figura 31 abaixo apresenta um erro de interseção de superfícies que deve ser corrigido a fim de que essas superfícies se configurem em uma malha única (ver figura 32).
Outro erro comum é a sobreposição de superfícies para se “cobrir” espaços. Do mesmo modo que na interseção de superfícies, a máquina de prototipagem não será capaz de processar os dados corretamente.
5. Assegurar que as cores sejam aplicadas a cada face da superfície e não apenas "texturizar" a superfície
Muitos programas CAD permitem que sejam aplicadas texturas no modelo 3D para que a superfície desse modelo se assemelhe à pele, cabelo etc. Essas texturas, normalmente, são apenas “representações visuais”, não sendo realmente aplicadas à superfície do modelo. Nesse caso, quando o modelo é exportado para a prototipagem, as cores não serão exportadas e a cor final do modelo será a cor do material de construção.
No entanto, existem pacotes CAD que possibilitam aplicar texturas diretamente sobre cada face triangular da malha poligonal, o que assegura que o modelo exportado manterá todas as suas cores. O modo de garantir que o software CAD irá exportar a cor da superfície corretamente é salvar o arquivo com extensão VRML, formato padrão para arquivos de cor e reabri-lo no software CAD onde o arquivo foi gerado, para verificar se as cores se mantiveram no modelo. O arquivo VRML apresentado na figura 33, é muito semelhante ao arquivo de formato triangular STL (figura 34), com exceção que no arquivo VRML foi aplicada a cor correspondente à cada uma das faces triangulares que compõe a superfície do modelo.
6. Assegurar que o modelo seja um objeto sólido
Como já descrito caso o modelo CAD tenha sido criado a partir da interseção de várias superfícies, a união dessas superfícies deverá ser realizada de modo que o modelo se configure como um objeto sólido, com a realização de operações boleanas3 de união. Como resultados dessa união poderão surgir superfícies interiores que deverão ser extraídas, pois erros de integridade do modelo poderão ocorrer, caso essas superfícies interiores sejam deixadas como parte integrante do modelo. Na figura 35 podemos observar que o primeiro exemplo é composto de três objetos que se interceptam gerando superfícies interiores, enquanto que no segundo, a união boleana já foi realizada, eliminando as superfícies redundantes indesejadas.
Figura 35: o objeto composto por três elementos e o objeto único sólido, resultante da operação boleana de união
3
A lógica boleana tem origem na matemática. Foi elaborada pelo lógico e matemático inglês George Boole (1815 -1864). Consiste em utilizar sinais de operações matemáticas para estabelecer uma ligação lógicaentre dois elementos distintos, isto é, definir sob a forma de uma equação, o tipo de relações (união, interseção e diferença).
3. PROCESSOS DE PROTOTIPAGEM RÁPIDA (RP)
Segundo KAI et al. (2003), existem hoje no mercado mais de vinte diferentes sistemas de prototipagem rápida que, apesar de utilizarem diferentes tecnologias de adição de material, se baseiam no mesmo princípio de adição e sobreposição de camadas planas. Os mais importantes processos de RP podem ser agrupados pelo estado ou forma inicial da matéria-prima utilizada na construção dos modelos físicos. Nesse sentido, podemos classificar esses processos como: Processos baseados em Líquido, Processos baseados em Sólido e Processos baseados em Pó:
• Processos baseados em Líquido - a matéria-prima para fabricar a peça encontra-se no estado líquido antes de ser processada. Nessa categoria encontram-se as tecnologias que envolvem a polimerização de uma resina líquida por um laser UV (Ultra-Violeta) onde podemos citar como exemplo, a Estereolitografia SL ou SLA, de StereoLithography Aparatus e as tecnologias IJP, de Ink Jet Printing e MJM, de Multi Jet Modeling, que se caracterizam por múltiplo jateamento de resina líquida por um cabeçote semelhante ao de impressoras a jato de tinta e posterior cura em forno pela exposição à luz UV.
• Processos baseados em Sólido – nesses processos o material utilizado encontra-se no estado sólido podendo estar na forma de filamento de ABS, lâmina de papel, esferas de cera etc. Alguns processos fundem o material antes da sua deposição, como na tecnologia de Modelagem por Fusão e Deposição – FDM, de Fused Deposition Modeling. Outros somente recortam uma lâmina do material adicionado, como na tecnologia de Manufatura de Objetos Laminados – LOM, de Laminated Object Manufaturing.
• Processos baseados em Pó – nesse caso a matéria-prima está na forma de pó. Pode-se utilizar laser de CO2 para o seu processamento como, por exemplo, a Sinterização Seletiva a Laser – SLS, de Select Laser Sintering e a Fabricação da Forma Final a Laser – LENS, de Laser Engineered Net Shaping, ou um aglutinante aplicado por um cabeçote tipo jato de tinta como, por exemplo, a Impressão Tridimensional – 3DP, de 3 Dimensional Printing, entre outros processos.
3.1 Estereolitografia - SL (StereoLithograph) ou SLA (StereoLithography Aparatus)
Material: resina líquida fotossensível epóxi ou acrílica.
Fabricante: 3D Systems
Esse processo pioneiro, patenteado em 1986, deflagrou a revolução da prototipagem rápida. Os modelos tridimensionais físicos são construídos a partir de polímeros líquidos sensíveis à luz que se solidificam quando expostos à radiação ultravioleta.
O modelo é construído sobre uma plataforma metálica perfurada situada a 0,1 mm abaixo da linha da superfície de um recipiente que contém resina líquida epóxi ou acrílica. Uma fonte de raio laser ultravioleta, com alta precisão de foco, traça a primeira camada solidificando ou sinterizando uma seção transversal do modelo. A seguir, por meio de um elevador, a plataforma é mergulhada no banho de polímero líquido e o raio laser cria a segunda camada de polímero sólido, acima da primeira camada. O raio laser funde essas duas camadas por sua capacidade de penetração na resina de 0,2 mm. Entre a solidificação de uma camada e outra, uma régua ou faca desliza sobre a superfície da resina com o objetivo de “quebrar” a tensão superficial e uniformizar essa superfície. Esse procedimento é necessário pela elevada viscosidade da resina. Usualmente a espessura da camada é de 0,1 mm, porém nos casos em que se necessita de alta resolução, como nos modelos para o setor joalheiro em que se utilizam resinas especiais, essa espessura pode chegar a 0,05 mm. Os dados referentes a cada camada são utilizados para nortear a movimentação do feixe de raio laser nos eixos X e Y sobre a superfície do polímero líquido, onde primeiramente é sinterizado o contorno do modelo e posteriormente o seu preenchimento. O processo é repetido sucessivas vezes até que o protótipo esteja construído (ver figura 36).
O processo de construção é seguido de um pós-processamento. Uma vez finalizado o modelo sólido é removido do banho de polímero líquido e lavado. Geralmente a peça é limpa com álcool isopropílico para remoção dos resíduos de polímero não endurecido. Os suportes são retirados e o modelo é colocado em um forno de luz ultravioleta para que o processo de cura seja concluído. O acabamento superficial pode ser necessário em superfícies funcionais e/ou superfícies onde a aparência externa é uma exigência. Como a Estereolitografia foi a primeira técnica de prototipagem rápida bem sucedida, tornou-se um padrão de avaliação para as técnicas que surgiram posteriormente.
Figura 36: equipamento de prototipagem rápida SLA Viper Si2 da 3D Systems (Fonte: Instituto Nacional de Tecnologia – INT)
Um esquema simplificado do funcionamento do equipamento pode ser observado na figura 37. No processo SLA, antes de se iniciar a construção da peça propriamente dita, são gerados aproximadamente 10 milímetros de suporte para garantir a ancoragem ou fixação da peça à plataforma de construção e facilitar a remoção da mesma, após o término do processo. O suporte é construído com a mesma matéria-prima da peça. O feixe de laser UV é direcionado por um conjunto de espelhos sobre a superfície líquida da resina foto-sensível, polimerizando a matéria-prima para formar uma camada da peça em construção. Ao final da polimerização da camada, a plataforma é abaixada por um elevador, referente à espessura da camada anterior. Uma faca nivela a camada de resina líquida e novamente o feixe de laser é direcionado sobre a resina, polimerizando e fundindo uma camada à outra.
Figura 37: esquema básico do processo da Estereolitografia da 3Dsystems (Fonte: INT e CIMJECT4)
Vantagens da tecnologia SLA
• Por se um dos processos mais difundidos no mundo conta com representação e assistência técnica na maioria dos países;
• Apresenta uma variedade de materiais que podem ser utilizados, sendo uma das poucas tecnologias que permitem executar peças semitransparentes;
• Possui boa precisão, o que torna viável o seu uso em muitas aplicações;
• Possui excelente qualidade superficial e acabamento sendo considerada, entre os processos de RP, uma das melhores nesses aspectos.
Desvantagens da tecnologia SLA
• Necessita de suporte para a ancoragem da peça em regiões com angulações inferiores a 30 graus e peças não conectadas;
• Necessita de pós-processamento manual para a remoção do suporte e o excesso de matéria prima não sinterizada;
• Geralmente requer pós-cura para completar o processo de polimerização e assegurar a integridade da estrutura, o que deixa a peça mais rígida;
• A resina fotossensível utilizada como matéria-prima é agressiva (tóxica) para o operador, devendo ser manuseada com cuidado.
4
O CIMJECT é um grupo de pesquisa, do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina, constituído de professores doutores, doutorandos, mestrandos e estagiários de iniciação científica.
3.2 Impressão Tridimensional - 3DP (3D Printing)
Material a base de pó: gesso, plástico, cerâmica e metal.
Fabricante: Z Corporation
A tecnologia 3D Printing não utiliza laser para processar o material em forma de pó. O princípio desse processo para agregar a matéria-prima é a ação de um líquido aglutinante expelido em gotículas por um cabeçote do tipo "jato-de-tinta", semelhante aos utilizados em impressoras comuns. O líquido aglutinante é aspergido sobre uma camada de pó depositado sobre uma plataforma que se movimenta na direção Z. Um rolo é utilizado para depositar uma nova camada de matéria-prima e compactar uma camada sobre a outra. A plataforma desce a medida igual à espessura da camada fatiada no CAD. Esse ciclo se repete até que todas as camadas sejam depositadas e o modelo finalizado. Este processo não necessita da geração de suporte, pois o material não processado sustenta a peça. O pó não aglutinado é removido ao final do processo com o auxílio de uma escova, ar comprido ou aspirador de pó e pode ser reutilizado em novos modelos. Após a limpeza manual a peça “verde” necessita de um pós-processamento com infiltração de resina epóxi ou de um adesivo a base de cianoacrilato (super bonder) para se obter uma peça mais resistente. O processo, esquematizado na figura 38, foi desenvolvido pelo MIT (Massachusetts Institute of Technology, Massachusetts, E.U.A.) e a patente do processo foi segmentada em diferentes atividades industriais. Existem impressoras tridimensionais específicas para a fabricação de objetos com matérias-primas plásticas, cerâmicas e metálicas, além de outras aplicações mais específicas como a fabricação de próteses biomédicas. Na figura 39 é apresentado o equipamento que utiliza gesso como matéria-prima e na figura 40 dois modelos prototipados nesse equipamento.
Figura 39: equipamento de prototipagem rápida colorida ZCorp Spectrum Z510 que utiliza gesso como matéria-prima
(Fonte: Instituto Nacional de Tecnologia – INT)
Figura 40: modelos prototipados na ZCorp Spectrum Z510 (Fonte: Instituto Nacional de Tecnologia – INT)
Vantagens da tecnologia 3DP
• Permite imprimir peças multicoloridas utilizando o padrão STL colorido;
• Velocidade na construção dos modelos, pois a 3DP é considerada a tecnologia mais rápida do mercado até o momento;
