Gramado – RS
De 29 de setembro a 2 de outubro de 2014
A PROTOTIPAGEM RÁPIDA APLICADA À JOALHERIA
Paula Lumi Goulart Nishimura
Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” (UNESP) [email protected]
Prof. Dr. Osmar Vicente Rodrigues
Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” (UNESP) [email protected]
Resumo: A fim de aperfeiçoar o Processo de Produção de seus produtos,
muitas empresas procuram investir em novas tecnologias, e um bom exemplo é a Prototipagem Rápida (PR), aplicada tanto na produção de protótipos, quanto na produção de produtos para o uso final, processo conhecido como Manufatura Rápida. As máquinas utilizadas para a Prototipagem e para a Manufatura Rápida são capazes de criar produtos com geometrias complexas e alta precisão dimensional, como também executar partes internas desses produtos sem necessitar de qualquer tipo de montagem. Por isso pode ser aplicada à Joalheria e outros segmentos da indústria cujas peças são pequenas, muito detalhadas, e que requerem um acabamento delicado e de alta qualidade superficial. Uma das técnicas de produção tradicionais adotadas na joalheira é a Fundição por Cera Perdida, no qual um modelo em cera é esculpido, e a partir dele é feito um molde, que posteriormente é preenchido por um metal derretido. A tecnologia de PR pode contribuir significantemente com a produção de tais modelos em cera, primeiro pelo tempo mais curto em que estas peças podem ser produzidas, assim como pela precisão tanto geométrica quanto dimensional, além de uma melhor qualidade de acabamento e riqueza de detalhes, que o trabalho manual não consegue garantir. Esta pesquisa foi desenvolvida com o objetivo de estudar alguns processos de PR adequados ao ramo joalheiro e foram realizados testes comparativos entre uma mesma peça (estudo de caso) produzida por meio de um processo convencional (modelagem manual por um ourives), e outra por meio de uma tecnologia aditiva de PR. Dentre os diversos tipos de tecnologia de PR, a escolhida para a produção da peça é baseada em resina líquida, no caso a Perfactory SI500, disponível no CADEP – Centro Avançado de Desenvolvimento de Produtos, da Unesp/Bauru –, onde parte desta pesquisa foi feita. Tal peça foi desenhada especialmente para esse propósito e tecnologia. Na comparação entre os dois processos estudados, foram analisadas as seguintes variáveis: tempo de produção, custo de produção, acabamento superficial, precisão dimensional, peso, e a
fidelidade geométrica e dimensional em relação ao modelo, inclusive um processo mais ecologicamente correto. A peça feita através da PR acabou ficando mais pesada, e um pouco mais cara (o que acabou sendo compensado pelo tempo de produção), como também o processo de produção não pode ser considerado ecologicamente correto, já que depois de pronta, tanto a peça quanto os suportes gerados não podem ser derretidos para um futuro reaproveitamento. Concluiu-se que a PR aplicada à joalheria pode ajudar na otimização do Processo de Desenvolvimento de Produto, pois acelera o tempo de produção, permite testes, provas e estudo com o protótipo, como também melhora a qualidade de acabamento e possibilita a criação de geometrias complexas. Porém, ela traz mais vantagens que a produção de peças em cera através da confecção manual, desde que seja utilizada uma tecnologia adequada, como também um material adequado para a criação dos modelos, inclusive se o processo for aplicado em uma produção em larga escala.
Palavras-chave: prototipagem, joalheria, fundição.
Abstract: In order to improve the fabrication of their products, many
companies invest in new technologies to achieve better results, and a good example of this is Rapid Prototyping (RP), applied in the production of prototypes as well as in the production of end-user products (in a process known as Rapid Manufacturing). The machines used for Prototyping and Rapid Manufacturing are able to create products with complex geometries and high dimensional accuracy, and even fabricate internal parts without requiring any type of fit. These features allow the technology to be applied to jewellery and other segments of industry that deal with small, highly detailed pieces, requiring a delicate, high quality surface finish. One of the traditional production techniques adopted in jewellery is “lost wax casting”, in which a wax piece is carved, and a mold is made from it, which is then filled with molten metal. RP can contribute significantly to the production of models in wax, providing faster production time, higher dimensional and geometrical accuracy, a better quality of workmanship and detail that manual labor can´t guarantee. The objective of this research was to study the appropriate type of RP to be used with jewellery, and make comparative tests between a same piece (case study) but one being produced by a conventional method (manual modeling by a goldsmith), and another through an additive technology RP. Among the various types of RP technology, the one chosen for the production of this model is based on a liquid resin, the Perfactory SI500, available atCADEP – Centro Avançado de Desenvolvimento de Produtos (Center for Advanced Product Development), the technology center located at UNESP/Bauru –, where part of this research was made. The piece was specially designed for this purpose and technology. The followings variables were analyzed in the comparison between the two processes studied: production time, production cost, surface finish, dimensional accuracy, weight and geometric and dimensional fidelity to the model, including a more environmentally friendly
process. The piece fabricated with RP became heavier and slightly more expensive (which ended up being offset by production time), and the production process couldn’t be considered ecologically friendly, since after completion, both the piece and supporters generated can´t be melted for future reutilization. It was concluded that the RP applied to jewelry can help optimize the Product Development Process. It accelerates the production time, allows tests, exams and studies utilizing the prototype, and also improves the quality of finish and allows the creation of complex geometries. However, its advantages over manually produced wax pieces are only assured given that a suitable technology and an appropriate material is utilized for the fabrication of models, even if the process is
applied to a large-scale production.
Keywords: prototyping, jewellery, casting.
1. INTRODUÇÃO
A Prototipagem Rápida (PR) consiste na produção de modelos e protótipos a partir da sobreposição de camadas. As estruturas de tais peças são obtidas através de informações de um modelo geométrico criado em softwares CAD. Além de acelerar o processo de produção, a PR é capaz de trabalhar detalhes precisos na peça, até mesmo os internos, e executar formas elaboradas com mais liberdade do que o processo convencional, inclusive gerar peças prontas para o uso, processo conhecido como Manufatura Rápida (MR). Dentre as vantagens, soma-se também a redução de material usado na confecção da peça e o fato de que a PR dispensa o uso de moldes e ferramentas ao longo do Processo de Desenvolvimento de Produtos (PDP).
As máquinas de PR são capazes de criar produtos com geometrias complexas e de alta precisão dimensional, como também executar partes internas desses produtos sem necessitar de qualquer tipo de montagem. É por isso que esta tecnologia pode ser aplicada à Joalheria e outros segmentos da indústria cujas peças são pequenas, muito detalhadas, e que requerem um acabamento delicado e de alta qualidade superficial. O uso e a confecção de adornos datam de milhares de anos, e ao longo dos tempos houve uma evolução seguida de um aperfeiçoamento das técnicas de produção. O que era feito manualmente, hoje pode ser feito através de equipamentos com tecnologias avançadas. Porém, mesmo com o avanço das técnicas de produção, ainda há certa dificuldade e exige certo tempo na confecção de algumas peças, sobretudo as mais detalhadas.
Uma das formas mais comuns e usadas na fabricação de joias é a fundição por cera perdida, no qual um modelo em cera é esculpido e usado em uma futura etapa para a confecção de um molde, que será levado à fundição. Adotando tecnologias de PR para a confecção de joias, pode-se eliminar as etapas de escultura do modelo e até mesmo a criação do molde em gesso, acelerando, assim, o processo.
A tecnologia de PR pode contribuir significantemente com a produção de tais modelos em cera, primeiro pelo tempo mais curto em que estas peças podem ser produzidas, assim como pela precisão tanto geométrica quanto dimensional, além de uma melhor qualidade de acabamento e riqueza de detalhes, que o trabalho manual não consegue garantir.
O Design procura sempre solucionar problemas de projeto, e buscar melhores maneiras, não só de aplicação, mas também de fabricação e uso correto de materiais. Por isso, este trabalho tem como objetivo mostrar as possibilidades e as viabilidades de se aplicar a PR na Joalheria, levando em consideração os fatores tempo, acabamento e economia de material.
2. DESENVOLVIMENTO
Inicialmente foram feitas pesquisas sobre tecnologias de PR, aplicações e materiais, e Joalheria, a fim de um melhor entendimento sobre a questão. Em seguida, foram desenvolvidos sketches baseados nas principais dificuldades encontradas na hora de executar um anel manualmente. A criação da peça contou com a colaboração de um ourives, que deu orientações gerais e dicas, e destacou as principais dificuldades a serem trabalhadas no sketch.
Figura 1 – Sketches com opções de anel para este projeto. Fonte: Elaborado pelo autor, com base na
pesquisa realizada
Os três anéis da Figura 1 foram selecionados porque englobam as maiores
dificuldades na execução de peças em cera, que no caso são: partes finas e delicadas, curvas, detalhes internos e superficiais e cravações. Outra dificuldade é deixar partes similares com as mesmas medidas. O modelo escolhido pelo ourives que auxiliou no projeto foi o número 2, porque era o que apresentava maior dificuldade de execução. O desenho foi encaminhado e explicado minuciosamente para outro ourives, que executou a peça em cera através do processo de remoção de material, feito em sua bancada. Usando uma serra, uma lima, um maçarico a gás, um bisturi e o Foredom (motor para fazer furos), foram necessárias 18 horas de trabalho, divididas em ciclos de 3 horas de trabalho para a conclusão da peça.
Figura 2 – Anel de Cera e sketch. Fonte: Elaborado pelo autor, com base na pesquisa realizada
Usando como base o sketch selecionado, foi feita a modelagem em 3D da peça através do programa SolidWorks. A modelagem durou cerca de uma hora, e este modelo 3D foi usado para a produção da peça na máquina de PR Envisiontec Ultra, disponível no CADEP, e que dentre as tecnologias disponíveis, era a mais adequada para o experimento.
Figura 3 – Modelo 3D feito através do programa SolidWorks. Fonte: Elaborado pelo autor, com base na
pesquisa realizada
Em seguida, este arquivo em 3D foi convertido no próprio SolidWorks para o formato STL (Stereolitografia), pois é através deste que as tecnologias de PR reconhecem o objeto a ser prototipado. Em seguida, o arquivo foi transferido para os bolsistas do CADEP, que usaram softwares específicos para editar o sólido, criar o suporte, consertar pequenas falhas na malha de triângulos, e posicionar o anel na plataforma de construção da máquina de PR.
Figura 4 – Suportes criados para possibilitar a confecção da peça. Fonte: Elaborado pelo autor, com
base na pesquisa realizada
A peça ficou pronta após 4 horas de trabalho da máquina, e em seguida precisou de um rápido lixamento e da remoção dos suportes gerados para sua construção, o que levou cerca de 1 hora. Totalizando 6 horas de trabalho, contando com a modelagem, conversão e correção do arquivo.
Figura 5 – Remoção de suportes e lixamento da peça. Fonte: Elaborado pelo autor, com base na
pesquisa realizada
A etapa posterior fora a comparação entre os dois modelos resultantes de cada
processo. Onde foram levados em conta a viabilidade técnica e econômica para a produção de ambas as peças.
Figura 6 – Modelo produzido pela PR e pelo processo manual lado-a-lado. Fonte: Elaborado pelo autor,
com base na pesquisa realizada
2.1 COMPARAÇÃO ENTRE AS PEÇAS
Quadro 1 – Comparação entre o processo manual e a PR
Processo manual Prototipagem Rápida
Tempo de confecção 18 horas 6 horas
Preço R$150,00 R$180,00
Peso 3,5g 4,7g
Material - Bastão de cera
- Resistente em estado natural, mas deve ficar protegido da luz
e calor, pois deforma
- A cera pode ser derretida e reaproveitada por várias vezes
- Perfactory SI500 - Muito resistente e não sobre deformações depois que a resina é polimerizada
- Depois de criada, a peça não pode ser reciclada, inclusive o suporte gerado é descartado
Acabamento Liso, bem feito Apareceram alguns riscos
quando o suporte foi tirado da peça
Fidelidade ao modelo Apresentou algumas diferenças em medidas, formatos e ficou levemente torto
Fielmente reproduzido
Fonte: Elaborado pelo autor, com base na pesquisa realizada
3. CONCLUSÃO
O objetivo deste trabalho era apontar as possibilidades e viabilidades de se de aplicar a PR na Joalheria. Constatou-se que esta tecnologia é responsável por acelerar o PDP, e embora o valor da peça produzida através da tecnologia de PR tenha ficado um pouco maior do que o da peça produzida pelo processo manual, o tempo gasto na
produção da peça pela PR foi exatamente um terço do protótipo obtido pelo processo convencional, além de ficar fiel ao modelo.
Vale ressaltar que a criação de protótipos possibilita também a realização de testes e provas, a fim de minimizar os erros no final do processo. É importante também destacar a automação do processo, onde o maior trabalho ao longo do PDP fora a modelagem, a conversão dos arquivos e geração de suportes no formato solicitado pela máquina. A peça é feita em apenas uma máquina do começo ao fim, onde também não é necessária a troca de ferramentas.
Uma das principais vantagens da confecção de joias através da PR é que, depois de executado, o modelo está praticamente pronto para o uso, inclusive existem lojas que vendem anéis em resina para serem usados desta maneira, restando apenas finalizar alguns detalhes, como limpar os resíduos de insumo, lixar e remover restos dos suportes (estruturas de sustentação). O modelo criado pode inclusive ser fundido diretamente, para criar uma peça banhada, no caso. Mas há também a possibilidade de fazer um molde a partir desta peça e criar joias através da fundição por cera perdida.
Uma das hipóteses iniciais do projeto era que a Prototipagem Rápida
melhorasse a qualidade do trabalho que costuma ser feito em cera, e que possui certas limitações. E isso foi constatado devido aos problemas apresentados no modelo feito pelo ourives, como erros na geometria e diferenças dimensionais. O protótipo
produzido através da PR apresentou melhor acabamento, melhor qualidade superficial e fidelidade em relação ao projeto. A PR, além de criar modelos mais fieis, possibilita a reprodução de geometrias complexas, como partes com alto grau de detalhamento e finas, difíceis de serem executadas no processo manual.
Porém, a tecnologia e o material usados para o desenvolvimento do protótipo para este estudo, no caso a Envisiontec Ultra e a resina Perfactory SI500,
respectivamente, não atenderam a hipótese de um processo mais ecologicamente correto, com economia de material e energia. A criação do protótipo gerou um suporte que não pode ser reciclado, e que acabou sendo descartado, enquanto a cera do anel pode ser derretida e usada outras vezes.
Pode-se concluir que a PR aplicada à produção joalheira pode ajudar na otimização do Processo de Desenvolvimento de Produto, pois acelera o tempo de produção, permite testes, provas e estudo com o protótipo, como também melhora a qualidade de acabamento e possibilita a criação de geometrias complexas. Ao final, tudo isso significa que, desde que seja utilizada uma tecnologia adequada, assim como também um material adequado para a criação dos modelos, é mais vantajoso a
obtenção de joias por meio da PR, do que a produção de peças em cera pelo processo manual.
AGRADECIMENTOS
À FAPESP, pelo financiamento da pesquisa “A Prototipagem Rápida Aplicada à
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