UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA
CENTRO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE
PRODUÇÃO
Marlon Leandro Henrique Cheiram
ANÁLISE DA PROTOTIPAGEM RÁPIDA POR PROCESSOS DE
MANUFATURA ADITIVA E SUBTRATIVA UTILIZANDO ABORDAGEM
DE DECISÃO MULTICRITÉRIO
Santa Maria, RS
2020
Marlon Leandro Henrique Cheiram
ANÁLISE DA PROTOTIPAGEM RÁPIDA POR PROCESSOS DE MANUFATURA ADITIVA E SUBTRATIVA UTILIZANDO ABORDAGEM DE DECISÃO
MULTICRITÉRIO
Projeto de dissertação apresentado ao Curso de Mestrado do Programa de Pós-Graduação em Engenharia da Produção, Linha de Pesquisa Inteligência Organizacional, da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), como requisito parcial para a obtenção do grau de
Mestre em Engenharia de Produção.
Orientador: Prof. Dr. Julio Cezar Mairesse Siluk Coorientador: Prof. Dr. Álvaro Luiz Neuenfeldt Júnior
Santa Maria, RS 2020
RESUMO
ANÁLISE DA PROTOTIPAGEM RÁPIDA POR PROCESSOS DE MANUFATURA ADITIVA E SUBTRATIVA UTILIZANDO ABORDAGEM DE DECISÃO
MULTICRITÉRIO
AUTOR: Marlon Leandro Henrique Cheiram ORIENTADOR: Prof. Dr. Julio Cezar Mairesse Siluk
Este estudo tem como objetivo analisar a prototipagem rápida por manufatura aditiva e manufatura subtrativa para protótipos conceituais, visando compreender, verificar e estabelecer qual dos processos apresenta maior viabilidade técnica e econômica. Para tanto, será empregado o método de decisão multicritério Processo de Hierarquia Analítica (Analytic Hierarchy Process – AHP) para ranquear e quantificar os critérios de análise. As alternativas estudadas serão a prototipagem por adição de material, empregando o processo de modelagem por fusão e deposição (Fused
Deposition Modeling – FDM) e, por remoção de material utilizando processos de
usinagem CNC (Computer Numeric Control). Os critérios de avaliação FCS foram: Qualidade da Peça, Custo e Tempo e, os subcritérios: Tempo de Pré-Processamento, Processamento e Pós-Pré-Processamento, Precisão dimensional, Acabamento superficial, Custo de Material e Custos Gerais de Operação. Com a aplicação prática da manufatura aditiva e manufatura subtrativa na fabricação do protótipo, o estudo visa verificar o desempenho, reconhecer as especificidades, observando vantagens e desvantagens. Os critérios de avaliação passaram por análise de especialistas que responderam questionário via eletrônico, no qual classificaram em ranking o grau de importância de cada um. O resultado deste estudo aponta a prototipagem rápida por manufatura subtrativa como a alternativa mais adequada de acordo com os critérios FCS Tempo, enquanto a manufatura aditiva, o fator Custo de Material e Tempo pesaram de forma negativa. Fica concluído que, a prototipagem rápida tem um amplo campo de abrangência em diversas áreas do conhecimento como: na medicina, aeronáutica, industrial, mas, a escolha da manufatura depende do propósito do protótipo e a importância dos critérios envolvidos.
Palavras-chave: Prototipagem rápida. Manufatura aditiva. Manufatura subtrativa.
ABSTRACT
ANALYSIS OF RAPID PROTOTYPAGE BY ADDITIVE AND SUBTRATIVE MANUFACTURING PROCESSES USING MULTICRITERIA DECISION METHODS
APPROACH
AUTHOR: Marlon Leandro Henrique Cheiram ADVISOR: Prof. Dr. Julio Cezar Mairesse Siluk
This study aims to analyze rapid prototyping by additive manufacturing and subtractive manufacturing for conceptual prototypes, in order to understand, verify and establish which of the processes has the greatest technical and economic viability. For that, the Analytic Hierarchy Process (AHP) multicriteria decision method will be used to rank and quantify the analysis criteria. The alternatives studied will be prototyping by adding material using the process of fusion and deposition modeling (Fused Deposition Modeling - FDM), and by removing material using CNC machining processes (Computer Numeric Control). The FCS evaluation criteria were: Part Quality, Cost and Time and the subcriteria: Pre-Processing Time, Processing and Post-Processing, Dimensional accuracy, Surface finishing, Material cost and General operating costs. With the practical application of additive and subtractive manufacturing in the manufacture of the prototype, the study aims to verify the performance, recognize the specificities, observing advantages and disadvantages. The evaluation criteria were analyzed by specialists who answered a questionnaire via electronic means in which they ranked the degree of importance of each one. The result of this study points to rapid prototyping by subtractive manufacturing as the most appropriate alternative according to the FCS Tempo criteria, while additive manufacturing, the Material Cost and Time factor weighed in a negative way. It is concluded that rapid prototyping has a wide field of coverage in several areas of knowledge such as medicine, aeronautics, industrial, but the choice of manufacture depends on the purpose of the prototype and the importance of the criteria involved.
Keywords: Rapid Prototyping. Additive Manufacturing. Subtractive Manufacturing.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Representação das principais etapas do processo de manufatura por
camada ... 26
Figura 2 – Processos de Manufatura Aditiva ... 27
Figura 3 – Princípio de impressão por Estereolitografia (SL) ... 28
Figura 4 – Princípio de impressão sistema Jato de tinta In Vision ... 29
Figura 5 – Princípio de impressão FDM ... 31
Figura 6 – Princípio do processo EOSINT ... 34
Figura 7 – Usinagem CNC ... 40
Figura 8 – Procedimento para desenvolvimento da pesquisa ... 45
Figura 9 – Etapas para a construção da modelagem ... 46
Figura 10 – Estrutura hierárquica desenvolvida com base na AHP ... 76
Figura 11 – Desenho técnico com base modelagem em software de CAD ... 85
Figura 12 – Relação volume de matéria-prima e resíduo na prototipagem ... 89
Figura 13 – Modelagem do protótipo conceitual ... 92
Figura 14 – Simulações do protótipo com o programa CAM. ... 93
Figura 15 – Importância dos Subcritérios ... 94
Figura 16 – Processamento de manufatura aditiva alternativa A2 ... 99
Figura 17 – Operações de manufatura subtrativa alternativa A3 ... 101
Figura 18 – Resultado geral do desempenho das alternativas A1, A2 e A3 ... 108
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 – Comparativo das tecnologias de prototipagem rápida baseado em
líquido ... 30
Quadro 2 – Comparativo das tecnologias de prototipagem rápida baseado em sólido ... 33
Quadro 3 –Comparativo entre as tecnologias de prototipagem rápida baseado em pó ... 36
Quadro 4 –Diferenças construtivas entre a prototipagem por usinagem CNC e impressão FDM ... 52
Quadro 5 – Métodos e Critérios ... 72
Quadro 6 – Escala de avaliação do índice de desempenho. ... 77
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Classes de Rugosidade ... 59
Tabela 2 – Matriz de julgamento paritária. ... 78
Tabela 3 – Ranqueamento das alternativas em escala padrão... 80
Tabela 4 – Funções de valor dos subcritérios ... 81
Tabela 5 – Avaliação da precisão dimensional dos protótipos. ... 96
Tabela 6 – Resultados dos afastamentos dos processos avaliados. ... 97
Tabela 7 – Resultado do acabamento superficial dos parâmetros Ra, Rz e Rt ... 97
Tabela 8 – Tempo de manufatura aditiva alternativa A1 ... 100
Tabela 9 – Tempo de manufatura aditiva alternativa A2 ... 100
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
2D Duas Dimensões 3D Três Dimensões
3DP Tridimensional Printing ou Impressão Tridimensional
ABS Acrilonitrila Butadieno Estireno
AHP Analytic Hierarchy Process ou Processo de Hierarquia Analítica
ASTM American Society for Testing and Materials ou Sociedade Americana de
Ensaios e Materiais
CAD Computer Aided Design ou Desenho Assistido por Computador
CAE Computer Aided Engineering ou Engenharia Assistida por Computador
CAM Computer Aided Manufacturing ou Manufatura Assistida por Computador
Cm³ Centímetro Cúbico
CNC Computer Numerical Control ou Controle Numérico Computadorizado
CTISM Colégio Técnico Industrial de Santa Maria cv Cavalo-vapor
EOSINT Lazer Sintering ou Sinterização a Lazer FCS Fatores Críticos de Sucesso
FDM Fused Deposition Modeling ou Modelagem por Fusão e Deposição
Ia Índice de aproveitamento ou desempenho IJT impressora jato de tinta
ISO International Organization for Standardization ou Organização Internacional de Padronização
ITA Instituto Tecnológico de Aeronáutica Kg Quilograma
kVA Quilovoltampere
LENS Laser Engineering Net Shaping ou Fabricação da Forma Final a Laser
LOM Laminated Object Manufacturing ou Fabricação de Objetos por
Laminação m³ Metro Cúbico
NC Numerical Control ou Controle Numérico
P&D Pesquisa e desenvolvimento PC Policarbonato
PCMCIA Personal Computer Memory Card International Association ou Associação Internacional de Cartão de Memória de Computador Pessoal
PDP Product Development Process ou Processo de Desenvolvimento de Produto
PEKK poli-éter-cetona
PLA Polylactic Acid ou Ácido Poliláctico
PLT Paper Lamination Technology ou tecnologia de Laminação de Papel
POM Poli-oxi-metileno
PUC-PR Pontifícia Universidade Católica do Paraná RP Rapid Prototyping ou Prototipagem Rápida
rpm Rotações por minuto
RT Rapid Tooling ou Ferramental Rápido
SL Stereolithography ou Estereolitografia
SLA Stereolithography Apparatus ou Máquina de Estereolitografia
SLM Seletive Laser melting ou Fusão Seletiva a Laser
SLS Selective Laser Sintering ou Sinterização Seletiva a Laser.
SLS Seletive Laser sintering ou Sinterização Seletiva a Laser
SRP Subtractive Rapid Prototyping ou Prototipagem Rápida Subtrativa
STL Stereolithography Files, formato padrão de arquivos para RP UDESC Universidade do Estado de Santa Catarina
UFABC Universidade Federal do ABC UFBA Universidade Federal da Bahia
UFMG Universidade Federal de Minas Gerais UFRGS Universidade Federal do Rio Grande do Sul UFRP Universidade Federal do Paraná
UFSC Universidade Federal de Santa Catarina UFSM Universidade Federal de Santa Maria
UNESP Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho UNIFEI Universidade Federal de Itajubá
USP Universidade de São Paulo UV Radiação Ultravioleta
VDI Verein Deutscher Ingenieure ou Associação de Engenheiros Alemães Vol. Volume
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 19 2 REFERENCIAL TEÓRICO ... 23 2.1 PROTOTIPAGEM ... 23 2.1.1 Prototipagem manual ... 24 2.1.2 Prototipagem virtual ... 24
2.1.3 Prototipagem por usinagem CNC ... 25
2.1.4 Prototipagem rápida ... 25
2.2 MANUFATURA ADITIVA ... 26
2.2.1 Etapas e aplicações do processo de manufatura aditiva ... 37
2.2.2 A popularização do FDM ... 38
2.3 MANUFATURA SUBTRATIVA ... 39
2.3.1 Operações da manufatura subtrativa ... 41
2.3.2 Etapas e aplicações da manufatura subtrativa... 42
3 METODOLOGIA ... 45 3.1 CONSTRUÇÃO DA MODELAGEM... 46 3.1.1 Definição do protótipo ... 46 3.1.2 Alternativas de prototipagem ... 50 3.1.3 Geometria do protótipo ... 52 3.1.4 Modelagem CAD ... 56
3.1.5 Fatores críticos de sucesso ... 57
3.1.6 Ponderação dos critérios ... 63
3.1.7 Ranqueamento das alternativas ... 76
4 APLICAÇÃO PRÁTICA ... 83 4.1 CENÁRIO DA PESQUISA ... 83 4.2 DEFINIÇÃO DO PROTÓTIPO ... 84 4.3 ALTERNATIVAS DE PROTOTIPAGEM ... 86 4.4 GEOMETRIA DO PROTÓTIPO ... 88 4.5 MODELAGEM CAD ... 91
4.6 PONDERAÇÃO DOS CRITÉRIOS ... 93
4.7 RANQUEAMENTO DAS ALTERNATIVAS ... 95
4.7.1 Atributos FCS Qualidade ... 95
4.7.2 Atributos FCS Tempo ... 98
4.7.3 Atributos FCS Custo ... 103
4.7.4 Índice de desempenho das alternativas ... 107
5 CONCLUSÃO ... 115
REFERÊNCIAS ... 117
APÊNDICE A – DIAGNÓSTICO DAS IMPORTÂNCIAS DOS FCS E SUBCRITÉRIOS ... 125
APÊNDICE B – CUSTOS DE PROCESSAMENTO – ALTERNATIVAS A1 E A2 ... 127
1 INTRODUÇÃO
A prototipagem rápida representa o desenvolvimento e a integração de métodos e tecnologias que sincronizam projeto e produção por meio de desenho assistido por computador (do inglês Computer Aided Design – CAD) e Manufatura Assistida por Computador (do inglês Computer Aided Manufacturing – CAM) (CANCIGLIERI JUNIOR, et al., 2007). Os protótipos podem ser produzidos por processos de remoção ou adição de material, os quais representam os dois principais processos de prototipagem por meio de sistemas CAD/CAM (BORDONI; BOSCHETTO, 2012; CANCIGLIERI JUNIOR, et al., 2007;).
A popularização dos computadores, no final da década de 1980, permitiu o desenvolvimento das tecnologias de fabricação digital. Sob o controle do computador, os materiais são empilhados ou cortados camada por camada, de acordo com o princípio da integração digital, de modo que, o modelo digital CAD tridimensional possa ser transformado em modelo físico (BAI; HU, 2018).
A prototipagem busca adquirir informações suficientes para avançar no desenvolvimento de produtos com gasto mínimo de tempo e custo (CAMBURN, et al., 2017). O protótipo visa melhorar a comunicação entre os envolvidos no processo de desenvolvimento do produto, a detecção de erros e falhas, ainda em fases iniciais, agregando uma maior qualidade e confiabilidade ao produto (GRIMM, 2004). Além disso, o emprego da prototipagem rápida auxilia a execução das tarefas inerentes ao processo de desenvolvimento do produto, nas fases de planejamento estratégico, projeto conceitual, detalhamento e pré-fabricação. Outrossim, a possibilidade de construção de modelos físicos para a realização de testes funcionais e ergonômicos, com planejamento das operações de montagem e fabricação, permite um melhor atendimento dos requisitos de projeto com uma redução do tempo de fabricação.
Nos dias de hoje, a competição de mercado torna a sobrevivência da indústria da manufatura dependente da implementação de tecnologias, para produzir produtos mais rápidos, de maneira econômica (MONDAL et al., 2017). A prototipagem é uma ferramenta valiosa dentro dos processos de desenvolvimento de produtos, serve para refinar as soluções existentes ou explorar novas possibilidades (ELVERUM et al., 2016).
No desenvolvimento de novos produtos, a prototipagem pode ser aplicada em diferentes esferas na indústria devido à capacidade e eficiência na produção de protótipos (MONDAL et al., 2017).
A tecnologia de prototipagem rápida é vital à manutenção e acréscimo da competitividade das indústrias manufatureiras. Sua aplicação proporciona a melhoria no processo de pesquisa e desenvolvimento de produtos, promovendo a redução do seu custo final (BAI; HU, 2018). A produção de protótipos conceituais ou funcionais pode ser efetuado através de processos de manufatura aditiva ou manufatura subtrativa. Ambas tecnologias permitem produzir peças em uma variedade de materiais e formas (DIAZ, 2016).
Em virtude da expansão do seu emprego, atualmente existem diversos processos de prototipagem rápida que utilizam o princípio da manufatura aditiva e subtrativa. A identificação do processo mais adequado para a fabricação de um determinado modelo pode ser decisiva para o sucesso do produto. A escolha do processo mais adequado a uma determinada aplicação, precisa estar de acordo com o propósito do protótipo e os requisitos dos clientes (BAI; HU, 2018), sendo uma tarefa difícil mesmo para usuários mais experientes da tecnologia de prototipagem rápida, pois, depende de muitos critérios. Assim, o desenvolvimento de uma ferramenta que possa identificar o processo ideal para atender os requisitos específicos de cada modelo se faz necessária, justificando a realização do presente trabalho.
Nesse sentido, identificar qual manufatura aditiva ou subtrativa é mais indicada a uma determinada aplicação, possibilitará a redução do tempo de desenvolvimento do produto, o aumento da sua qualidade, a confiabilidade e a redução de custo (CANCIGLIERI JUNIOR, et al., 2007). Com base nisso, estabelecem-se os objetivos deste trabalho.
A fim de responder a problemática levantada, o objetivo principal da pesquisa é analisar alternativas de prototipagem rápida por manufatura aditiva e subtrativa para protótipos conceituais.
Para que o objetivo principal seja alcançado, os seguintes objetivos específicos devem ser atendidos:
a) Compreender os principais aspectos teóricos e práticos sobre prototipagem, manufatura aditiva e subtrativa;
c) Construir uma modelagem multicritério para mensurar o desempenho das alterativas de prototipagem rápida; e
d) Verificar o desempenho das alternativas de prototipagem rápida, utilizando a modelagem proposta para o reconhecimento das especificidades, vantagens e desvantagens.
O presente trabalho está dividido em cinco capítulos, incluindo este primeiro que faz a introdução ao tema que será abordado neste projeto. O capítulo 2 apresenta uma revisão bibliográfica dos temas relevantes ao desenvolvimento desta dissertação, apresentando a fundamentação teórica necessária para o seu entendimento. O capítulo 3 aborda a metodologia e os procedimentos experimentais que serão utilizados para a execução da pesquisa aqui proposta, descrevendo o material, equipamentos e processos empregados. O capítulo 4 apresenta a aplicação prática da modelagem multicritério na manufatura aditiva e subtrativa com a produção de protótipo em três alternativas distintas com a análise dos fatores críticos de sucessos e subcritérios. Finalizando o trabalho, o capítulo 5 aponta se os objetivos propostos inicialmente foram amplamente concluídos ou parcialmente e análise final.
2 REFERENCIAL TEÓRICO
Este capítulo é dedicado à apresentação dos principais processos de produção de protótipos envolvendo manufatura aditiva e manufatura subtrativa, além de uma breve descrição do método Processo Hierárquico Analítico (do inglês
Analytic Hierarchy Process - AHP). A revisão bibliográfica auxilia na identificação do
princípio de funcionamento e das principais características da manufatura aditiva e subtrativa empregados para tal finalidade. Outrossim, são explicitados os critérios de avaliação do método AHP para determinação do melhor processo a ser utilizado na obtenção do protótipo.
2.1 PROTOTIPAGEM
O protótipo é a representação física de todos ou apenas um componente de um produto que, embora limitado de alguma forma, pode ser usado para análise, projeto e evolução, norma ASTM F2792 (2015).
Os requisitos para peças, usadas como protótipos, dependem das necessidades individuais de análise e avaliação e, portanto, serão tipicamente determinados em um agreste entre o fornecedor e o usuário.
Protótipo pode ser definido como uma aproximação do produto ao longo de uma ou mais dimensões de interesse. Desta forma, qualquer indivíduo que exiba, ao menos, um aspecto do produto que seja de interesse para a equipe de desenvolvimento, pode ser visto como um protótipo (ULRICH; EPPINGER, 2008).
Para a equipe de desenvolvimento de produto, os protótipos podem ser usados para ajudar a planejar, experimentar e aprender processos enquanto projeta o produto. Sua construção permite que perguntas e dúvidas sobre certos aspectos do projeto possam ser abordadas e estudadas. Os protótipos desempenham vários papéis no processo de desenvolvimento de produtos, incluindo a experimentação e aprendizagem, testes, provas, comunicação e interação, síntese e integração e agendamento e fabricantes (CHUA, et al., 2010).
Vários processos de fabricação podem ser utilizados na construção de protótipos. De acordo com Volpato et al. (2007), até pouco tempo, muitas empresas não utilizavam protótipos nas fases iniciais do processo de desenvolvimento de produto, por entenderem que sua construção era demorada e dispendiosa.
Assim, negligenciando o real potencial de seu emprego nas fases iniciais do processo de desenvolvimento de produto, o protótipo era apresentado apenas antes da produção em série.
2.1.1 Prototipagem manual
Embora ainda sejam utilizadas nos dias de hoje, tem custo elevado e são processos artesanais muito demorados e extremamente trabalhosos. As técnicas de moldagem manual tridimensionais não deixarão de ter espaço na indústria e na área da educação pois ainda são uma realidade no meio automotivo. Quanto as técnicas podem ser executados de várias formas possíveis, conforme o conceito formal do modelo e do conhecimento dos processos, empregando processos de subtração, processos de adição e processos de modelagem (PALHAIS, 2016; VOLPATO et al., 2007).
No processo de subtração ou desbaste, o modelo final é obtido a partir da retirada de porções (com a forma de sobras) de um substrato (material). No processo de adição ou união de elementos os modelos são produzidos com base na colagem de partes fabricadas separadamente. No processo de modelagem plástica ou de utilização de materiais de conformação plástica, como argila, plasticina e resinas plásticas moldáveis os protótipos são construídos auxilio de ferramentas manuais (VOLPATO et al., 2007).
2.1.2 Prototipagem virtual
A prototipagem virtual tornou-se mais difundida com a evolução dos recursos computacionais e o desenvolvimento de aplicativos específicos no início dos anos 80. Com a aplicação de tecnologias CAD/CAM, a prototipagem virtual assume um novo significado oferecendo modelos computacionais geométricos que podem agora ser enfatizados, montados, testados, com análise térmica ou de fluídos, submetidos a carregamentos e modificados como se fossem um protótipo físico. Com essas ferramentas no computador os produtos mesmo que complexos, podem ser desenvolvidos alterando apenas parâmetros dos modelos no computador (CHUA, et al., 2010; VOLPATO et al., 2007).
Contudo, não há garantia de que o protótipo virtual seja realmente livre de problemas. Os programas não podem testar os protótipos virtuais quanto a fenômenos que não estejam previstos ou contabilizados (CHUA, et al., 2010).
2.1.3 Prototipagem por usinagem CNC
Com o surgimento das tecnologias CAD/CAM, ampliou-se a utilização da usinagem CNC para fabricação de protótipos físicos mais complexos, em menor tempo. O desenvolvimento de ferramentas de corte para fresamento à alta velocidade somado ao uso de fresadoras CNC de cinco eixos tornaram o processo mais versátil, reduzindo tempo para a remoção de material.
Embora o processo tenha algumas restrições geométricas como: remover somente o material que pode ser alcançado pela ferramenta, também apresenta melhor precisão dimensional e uma ampla gama de materiais que pode ser utilizado (VOLPATO et al., 2007).
A usinagem CNC tem sido uma das formas mais populares de produção de protótipos devido a poucas limitações no material usado para fazer os protótipos (CHOI, et al. 2001).
2.1.4 Prototipagem rápida
Qualquer produto novo ou melhorias no produto antigo são tratadas, inicialmente, na forma deste conceito. As representações computacionais de modelagem do conceito nem sempre são suficientes para visualizar o produto real, assim, a prototipagem rápida representa a realização física deste conceito (INGOLE et al., 2008). A prototipagem rápida é amplamente utilizada por disciplinas de engenharia mecânica, aeronáutica, medicina, entre outros. Há alguns anos a arquitetura também começou a utilizar o potencial da prototipagem rápida (OLIVEIRA, 2011).
A prototipagem rápida viabiliza a produção de modelos físicos tridimensionais a partir de informações de um arquivo digital gerado por um software de CAD. As tecnologias de prototipagem rápida dependem, geralmente, de métodos de adição de material para a produção dos modelos. O processo tem como ponto forte a possibilidade de mudanças rápidas nos modelos para atender as necessidades do
cliente em tempo reduzido (NISHIMURA et al., 2016; VISHWAS; BASAVARAJ, 2017).
Uma das tecnologias básicas de prototipagem rápida é a modelagem por fusão e deposição (FDM) que utiliza como matéria-prima os materiais: ABS (Acrilonitrila Butadieno Estireno), poliamida, policarbonato, polietileno e polipropileno (NOVAKOVA-MARCINCINOVA; KURIC, 2012).
A Estereolitografia foi o primeiro processo de prototipagem rápida. O processo serve, principalmente, como veículo de visualização, mas, também pode ser usado em testes como, por exemplo, a simulação de um aerofólio em um túnel de vento (NOVAKOVA-MARCINCINOVA et al, 2012).
A prototipagem rápida pode ser integrada a um sistema global de fabricação digital e inteligente, com transferência de informações em nuvem ou no gerenciamento de big data, onde as informações são analisadas visando reduzir os custos e tempo no desenvolvimento de peças complexas como moldes, por exemplo (CAO et al., 2016).
2.2 MANUFATURA ADITIVA
A manufatura aditiva pode ser definida como um processo de manufatura através da qual, o componente é produzido pela adição de material em forma de camadas planas e sucessivas (Figura 1), a partir de informações obtidas diretamente do modelo geométrico gerado em um sistema CAD, de forma rápida, automatizada e totalmente flexível (VOLPATO et al., 2007).
Figura 1 – Representação das principais etapas do processo de manufatura por camada
Esta tecnologia permite que um desenho sob a forma de um sólido modelado em software de CAD 3D, possa ser transformado diretamente em um produto acabado, sem o uso de acessórios adicionais e ferramentas de corte. Este método permite que peças com geometria complexas e difíceis de serem obtidas empregando os processos tradicionais por subtração de material, sejam construídas com o uso eficiente da matéria-prima produzindo o mínimo de resíduos e atingindo uma precisão geométrica satisfatória (HUANG et al., 2013).
A capacidade do processo de construir geometrias complexas significa que, muitas partes anteriormente separadas, podem ser consolidadas em um único objeto. Em função dessa flexibilidade, o projetista pode otimizar o design para uma produção mais enxuta que, por sua natureza, reduz os resíduos. (HUANG et al., 2013). Atualmente, estima-se que existem no mercado mais de vinte processos distintos de prototipagem rápida. Os principais dentre estes processos são indicados na Figura 2.
Figura 2 – Processos de Manufatura Aditiva
Fonte: VOLPATO et al. (2007).
Por esses motivos, a taxa de crescimento da manufatura aditiva entre pesquisadores e indústrias tem aumentado. A aplicabilidade em diferentes áreas do
conhecimento ressalta a necessidade em conhecer e implementar com as tecnologias existentes (POUR et al., 2016).
Os processos são classificados de acordo com a forma da matéria-prima utilizada, divididos em três grupos: os baseados em líquidos, os baseados em pó e os que utilizam material sólido (VOLPATO et al., 2007). No tópico seguinte é feita uma breve descrição dos processos que compõem cada um destes agrupamentos.
Os processos baseados em líquidos são constituídos por tecnologias de prototipagem rápida, cuja matéria-prima, antes de ser processada encontra-se no estado líquido. O principal processo de prototipagem rápida que emprega a matéria-prima na forma de líquido, corresponde a Estereolitografia (do inglês
Stereolithography – SL), como pode ser observado na Figura 3.
Figura 3 – Princípio de impressão por Estereolitografia (SL)
Fonte: VOLPATO et al., 2007.
Esse processo permite construir modelos 3D, a partir de polímeros fotossensíveis que, após a exposição à radiação a um feixe de luz colimado, sofrem síntese. Um feixe de laser atinge a resina que sintetiza uma camada de cada vez, até que todas as camadas do modelo sejam moldadas. Em seguida, o modelo sólido é removido, lavado e colocado em um forno para a cura completa O uso desta tecnologia é limitado à aplicação de polímeros sensíveis à luz, necessitando de operações de pós-processamento e pós-cura para melhorar o acabamento e propriedades das peças (MANÇANARES, et al. 2015).
Outro processo de manufatura aditiva é a impressão à jato de tinta Polyjet. Este processo utiliza uma matriz de pontos sem impacto, tecnologia utilizada
originalmente para impressão 2D. Este processo emprega uma solução de polímero dissolvido ou disperso em um solvente. Uma quantidade fixa de tinta é injetada, a partir de uma câmara de armazenamento para um bico de injeção através da redução repentina do volume da câmara via ação piezelétrica (HUANG et al., 2013). Pequenas gotas de resina são depositadas sobre uma bandeja de construção, sendo na sequência, curadas pela exposição à radiação ultravioleta (UV).
A tecnologia utiliza dois materiais diferentes para a manufatura, sendo uma resina para a peça e um material foto-curável para o suporte. Não é necessário procedimento de pós-cura e o material de suporte é facilmente removido após o término do processo (VOLPATO et al., 2007).
O processo de impressão de jato de tinta In Vision, Figura 4, é outro exemplo de processo que emprega a matéria-prima no estado líquido. Neste processo, o material utilizado para a construção da peça é uma resina epóxi fotossensível com 30% de cera, e para a confecção do suporte, um material com propriedades semelhantes a cera. O seu princípio de funcionamento é similar a uma impressora jato de tinta, porém, a cura da resina é realizada através de uma luz ultravioleta aplicada sobre as camadas depositadas.
Figura 4 – Princípio de impressão sistema Jato de tinta In Vision
Fonte: VOLPATO et al., 2007.
Para acelerar o processo, utiliza-se um cabeçote com vários jatos de impressão, sendo disponibilizados no mercado, cabeçotes com até 352 jatos. O material de suporte é retirado da peça em uma etapa de pós-processamento em
forno, no qual a peça é aquecida gradativamente, e o material de suporte é eliminado. O tempo de forno depende da quantidade de material de suporte (VOLPATO et al., 2007). No Quadro 1 apresenta-se um panorama geral das principais características dos processos de manufatura aditiva baseados em líquidos.
Quadro 1 – Comparativo das tecnologias de prototipagem rápida baseado em líquido
Processos SL IJP Polyjet IJP In Vision
Empresa 3D System Object 3D System
Custo Inicial da Aquisição
Alto Médio Baixo
Custo de Material Alto Alto Médio
Custo do Protótipo Alto Médio Baixo
Precisão Alta Média Média
Variedade de materiais Pequena Pequena Pequena Velocidade de
construção
Média Média Alta
Resistência dos mecânica
Média Média Baixa
Cuidados especiais com ambiente de instalação
Resina tem certo nível de toxicidade; Manuseio da resina deixa sujeira; ocupa muito espaço nos modelos maiores
Necessita de local de lavagem das peças e retirada dos suportes
Necessita de forno para a retirada do suporte
Necessidade de suporte Sim Sim Sim
Acabamento superficial Excelente Bom Bom-Regular Protótipo em cores Sim, duas cores
translucidas com resina especial
Não Sim, monocromáticos
Perda de material (Reutilização do material não processado)
Material do suporte é o mesmo da peça e não é reaproveitável, Reutilização parcial Somente há perda do material de suporte Somente há perda do material de suporte Necessidade de pós-processamento
Sim. Pós cura em forno e retirada do suporte
Sim. Retirada do suporte
Sim. Retirada do suporte
Tamanho máximo das peças
508 x 508 x 584mm 336 x 326 x 200 mm 298 x 185 x 203 mm Fonte: VOLPATO et al., 2007.
Os processos baseados em sólidos utilizam a matéria-prima na forma sólida, como lâminas, filamentos ou um sólido de formato qualquer. Dentre os processos que integram este grupo, aquele que apresenta maior aplicação corresponde ao processo de Modelagem por Fusão e Deposição (do inglês Fused Deposition
O FDM constrói objetos por extrusão de polímeros, tais como: a poliamida e o ABS, em um sistema onde uma plataforma se desloca verticalmente ao longo do eixo Z permitindo que um cabeçote seja deslocado no plano X-Y (Figura 5). A facilidade de operação da impressora e o baixo custo do material tornou esta tecnologia rapidamente conhecida na construção de protótipos por adição. Porém, este processo apresenta baixa precisão e baixa velocidade de construção (MANÇANARES, et al., 2015).
Figura 5 – Princípio de impressão FDM
Fonte: VOLPATO et al., 2007.
Outro processo que utiliza a matéria-prima no estado sólido corresponde a Manufatura Laminar de Objetos (do inglês Laminated Object Manufacturing – LOM). Neste processo, a alimentação da matéria-prima é feita na forma de folhas de papel revestidos com adesivo. O adesivo permite que as folhas sejam unidas umas às outras. Peças 3D são construídas por uma sequência de cortes e laminações em seções transversais 2D. O corte é feito utilizando um feixe de laser, sendo sua velocidade e foco ajustado de forma que a profundidade de corte corresponda exatamente à espessura da camada, garantindo assim, que danos não ocorram às camadas subjacentes.
O LOM apresenta baixo custo, não forma resíduos gasosos tóxicos e é facilmente automatizado, apresentando uma variedade de materiais que podem ser empregados incluindo papel, metais, plásticos, tecidos, materiais sintéticos e
compostos. Porém, os modelos produzidos por esse processo estão suscetíveis à ocorrência de problemas de estabilidade dimensional e precisão no eixo Z. Essas limitações podem acarretar a formação de cavidades internas que afetam a qualidade do produto. Em alguns casos, processos secundários são necessários para gerar peças funcionais de precisão (HUANG et al., 2013).
A tecnologia com Lâminas de Papel (do inglês Paper Lamination Technology -
PLT) corresponde a outro processo de manufatura aditiva que emprega
matéria-prima (papel) no estado sólido e no formato laminar. O processo tem como base o princípio da fotocópia, com camadas sobrepostas e corte mecânico (YU et al. 2003). O papel pode ser fornecido na forma de rolo ou cortado no tamanho desejado, sendo este automaticamente alimentado sobre a plataforma de construção. Posteriormente, um sistema de deposição deposita pó de resina do tipo pega (adesivo) sobre a folha de papel seguindo uma trajetória em 2D. A plataforma sobre a qual o material encontra-se apoiado é elevada e prensada contra uma placa aquecida, a qual promove a ativação do adesivo colando a folha subsequente à subjacente. O contorno em 2D é delimitado através de um sistema de corte que se movimenta nos eixos X e Y. A sucessão destas operações promove a fabricação do sólido 3D. O processo PLT tem sido muito utilizado em vários segmentos industriais como a indústria automotiva e a indústria de máquinas elétricas. Sua principal aplicação é a modelagem conceitual e visualização (CHUA, C. et al., 2003).
No processo de Impressão Jato de Tinta Thermojet, IJP – Thermojet, a matéria-prima alimentada na forma de filamentos é aquecida e depositada no formato de pequenas gotas, similarmente, a uma impressora tipo jato de tinta. A solidificação do material ocorre pelo contato das gotas com a plataforma onde a peça vai ser construída, ou com as camadas já depositadas. A utilização de cabeçotes com múltiplos jatos de impressão acelera o processo de fabricação (VOLPATO et al., 2007).
O processo de Impressão Jato de Tinta Benchtop, IJP – Benchtop, utiliza somente dois cabeçotes de deposição à jato de tinta, sendo que um deposita um material termoplástico que irá compor a peça final, e outro que deposita um material (cera) de suporte. O primeiro cabeçote injeta o material liquefeito que se solidifica em contato com o material da peça, então, o segundo cabeçote injeta a cera para a construção dos suportes necessários. Após a impressão de cada camada, uma ferramenta tipo fresa é passada sobre toda a superfície depositada deixando-a plana e suave. Uma das qualidades deste processo é a alta precisão dimensional, a
possibilidade de obter pequenos detalhes e uma superfície lisa. Estas características favorecem o desenvolvimento de peças pequenas como joias e relógios (VOLPATO et al., 2007).
No Quadro 2 são apresentadas as principais diferenças entre as tecnologias baseadas em sólido, descritas anteriormente.
Quadro 2 – Comparativo das tecnologias de prototipagem rápida baseado em sólido
Processos FDM LOM PLT IJP
Thermojet
IJP Benchtop
Empresa Stratasys Cubic Kira 3D Systems Solidscape Custo Inicial da
Aquisição Médio Média Médio Baixo Baixo
Custo de Material Alto Baixo Baixo Alto Alto
Custo do
Protótipo Médio-Alto Baixo Baixo Médio Médio-Alto
Precisão Média Baixa Baixa Média Alta
Variedade de
materiais Média Pequena Pequena Pequena Pequena Velocidade de
construção Baixa Alta Média-Alta Média-Alta Baixa Cuidados especiais com ambiente de instalação Gera um pouco de calor; Modelos de equipamentos maiores requerem mais espaço Ocupa muito espaço nos modelos maiores N/D Não requer Gera ruído devido à operação de fresamento Resistência dos
mecânica Média Média Média Baixa
Baixa Necessidade de
suporte Sim Não Não Sim Sim
Acabamento
superficial Regular Regular-Ruim
Regular
Regular Excelente Protótipo em
cores
Sim,
monocromáticos Não Não Não Não
Perda de material (Reutilização do material não processado) Somente perda do material de suporte Grande. Não permite reutilizar Grande. Não permite reutilizar O material do suporte é o mesmo da peça e não é reaproveitável Somente há perda do material do suporte Necessidade de pós-processamento Sim. Retirada do suporte Sim. Retirada do suporte, lixamento e selamento superficial Sim. Retirada do suporte, lixamento e selamento superficial Sim. Retirada do suporte Sim. Retirada do suporte Tamanho máximo das peças 600 x 500 x 600 mm 813 x 559 x 508 mm 400 x 280 x 300 mm 250 x 204 x 204 mm 304 x 152 152 mm Fonte: VOLPATO et al., 2007.
Nos processos baseados em pó a matéria-prima utilizada encontra-se em forma de pó, sendo que a principal diferença entre os processos é o uso ou não de laser no processo de manufatura. Devido ao fato de se trabalhar com pó, uma grande variedade de material pode ser processada.
Dentre os processos que integram este grupo, pode-se citar a Sinterização Seletiva a Laser ou (do inglês Selective Laser Sintering – SLS). O processo SLS é a única tecnologia que tem a capacidade de processar diretamente uma variedade de materiais de engenharia como: materiais termoplásticos, materiais metálicos, materiais cerâmicos e compósitos termoplásticos. As peças são construídas por sinterização, quando uma camada fina de material em pó é atingida por um feixe de laser de CO2. A partir da interação do laser com o pó, a temperatura é elevada até seu ponto de fusão, fundindo as partículas para formar um sólido. A peça é construída camada por camada, sendo a camada seguinte sinterizada pelo feixe de laser diretamente sobre àquela depositada previamente, após uma fina camada de pó ser espalhada sobre esta. A densidade da peça é afetada pelo fator de empacotamento das partículas durante a sinterização, geralmente, quanto maior a densidade de empacotamento, melhor as propriedades mecânicas da peça (CHUA, et al. 2003).
A tecnologia de sinterização à laser EOSINT constitui outro processo de manufatura aditiva que emprega matéria-prima na forma de pó (Figura 6). O princípio de funcionamento desta tecnologia é muito semelhante ao da tecnologia SLS apresentada previamente.
Figura 6 – Princípio do processo EOSINT
O processo tem início com o material sendo espalhado por um sistema de lâminas em uma câmara de trabalho. A câmara encontra-se sob temperatura controlada e atmosfera inerte (através da utilização de gás nitrogênio) que, diferentemente dos outros sistemas, é gerado na própria máquina. O feixe de laser CO2 é controlado por um sistema de varredura por espelhos, descrevendo a geometria da camada sobre o material espalhado. A incidência do laser funde as partículas do material, unindo-se umas às outras e à camada anterior. Após concluir a sinterização da camada, o sistema incrementa uma descida em Z num valor equivalente a espessura da próxima camada a ser depositada. Posteriormente, o processo se repete até o final da última camada. O pó não processado é removido com o auxílio de uma escova, aspirador de pó ou ar comprimido. O material não sinterizado funciona como suporte à peça, tornando desnecessário a preparação de suportes durante o processamento de arquivos de CAD (VOLPATO et al., 2007).
O processo de Fabricação da Forma Final à Laser (do inglês Laser
Engineered Net Shaping – LENS), constrói componentes de forma aditiva, a partir de
metais em pó utilizando um laser de alta potência. Uma cabeça de deposição fornece o pó, o qual é fundido e diluído sobre o material previamente depositado por um feixe de laser focado por meio de espelhos angulados de precisão ou fibra ótica. Como o feixe de laser precisa traçar a seção da parte que está sendo produzida de forma transversal, um sistema de movimento de impressão move a plataforma horizontalmente e lateralmente. Entre as principais aplicações deste processo, podem ser citados: a produção de peças de titânio para indústria de corridas, a construção de moldes, a fabricação de componentes de titânio para implantes biológicos e a produção de estruturas com gradientes funcionais (CHUA et al., 2003).
O processo de Impressão Tridimensional (do inglês 3 Dimensional Printing – 3DP), foi desenvolvido e patenteado pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts (Massachusetts Institute of Technology – MIT). Este processo não utiliza laser para fundir o material particulado. Neste processo, o material é agregado por um aglutinante, o qual é depositado por um cabeçote de impressão do tipo jato de tinta. Sobre o pó previamente espalhado e nivelado por um rolo, o aglutinante é depositado pela cabeça de impressão, seguindo a geometria 2D da camada processada (VOLPATO et al., 2007).
No processo de Impressão Tridimensional ProMetal (do inglês 3 Dimensional
Printing ProMetal – 3DP ProMetal), o pó metálico é coletado de um reservatório de
suprimento, espalhado e nivelado sobre a superfície do pistão de construção (que conterá a peça fabricada) por um rolo. Um líquido aglutinante, foto polimérico é impresso pelo cabeçote jato de tinta, sobre as partículas do pó metálico espalhado, descrevendo a geometria da camada. Após a distribuição do aglutinante, uma lâmpada de luz UV é utilizada para curá-lo. Para o incremento de espessura, a plataforma desce em Z. Ao final do processo, o pistão de construção sobe para a extração da peça. A peça formada necessita de operação de pós-processamento em um forno para adquirir resistência suficiente para sua aplicação final. Operações de acabamento envolvendo usinagem também são necessárias (VOLPATO et al., 2007). O Quadro 3 apresenta uma exposição geral dos processos abordados nesse agrupamento.
Quadro 3 – Comparativo entre as tecnologias de prototipagem rápida baseado em pó
(continua)
Processo SLS EOSINT LENS 3 DP 3 DP ProMetal
Empresa 3D System EOS Optomec Z Corporation EX One Custo inicial da
aquisição Alto Alto Alto Baixo Médio
Custo de material Médio Médio N/D Médio N/D
Custo do protótipo Alto Alto N/D Baixo N/D
Precisão Média Média Baixa Baixa Baixa
Variedade de
materiais Grande Grande
Grande
(metal) Média
Pequena (metal) Velocidade de
construção Média Média Baixa Alta Alta
Resistência dos
mecânica Alta Alta Alta Baixa Média
Necessidade de
suporte Não Não Sim Não Não
Acabamento
superficial Bom Bom Regular-Ruim Regular Regular
Cuidados especiais com ambiente de instalação Gera muito calor; Gera pó em suspensão no manuseio; Necessita de fonte de hidrogênio; Gera ruído Gera muito calor; Gera pó em suspensão no manuseio; Ocupa muito espaço; Gera ruído Gera muito calor; Ocupa muito espaço; Gera ruído Gera pó no ambiente de manuseio; Sujeira e odores na infiltração da resina; Necessita jateador e aspirador de ruído alto Gera pó no ambiente de manuseio; Requer forno de alta temperatura para infiltração metálica; Acabamento superficial
Quadro 3 – Comparativo entre as tecnologias de prototipagem rápida baseado em pó
(conclusão)
Processo SLS EOSINT LENS 3 DP 3 DP ProMetal
Protótipo em
cores Não Não Não
Sim; Tom pastel Não Perda de material (Reutilização do material não processado) Reutilização parcial Reutilização
parcial Não há perda
Não há perda; Reutilização total Não há perda; Reutilização total Necessidade de pós-processamento Sim; Jateamento com ar e esferas de vidro Sim; Jateamento com ar Sim; Retirada do suporte e acabamento superficial (usinagem, lixamento, polimento) Sim; Jateamento com ar e infiltração com resina Sim; Infiltração metálica; Acabamento superficial (usinagem, lixamento, polimento) Tamanho máximo das peças 381 x 330 x 457 mm 700 x 380 x 580 mm 1500 x 900 x 900 mm 508 x 609 x 406 mm 1500 x 750 x 700 mm Fonte: VOLPATO et al., 2007.
2.2.1 Etapas e aplicações do processo de manufatura aditiva
O desenvolvimento de processos inovadores e avançados de manufatura aditiva tem avançado muito e permitido espraiar os seus segmentos de aplicação. Comparado com a manufatura subtrativa, a manufatura aditiva é mais adequada à produção de pequenos lotes, principalmente, para peças de geometria complexa. O processo se destaca pelo alto potencial para personalização, como a fabricação e inserções personalizadas para substituição de joelho e quadril. Está presente, principalmente, nas áreas aeroespacial, automobilística, biomédica e de energia, conforme será descrito brevemente na sequência (PRAKASH et al., 2018).
Os componentes de sistemas aeroespaciais têm geometria complexa e são produzidos com materiais avançados, como ligas de titânio, superligas de níquel, aços especiais e/ou cerâmicas de ultra alta temperatura. Estes materiais são de difícil trabalhabilidade pelos processos convencionais de fabricação, o que onera a produção de componentes. Portanto, a tecnologia de manufatura aditiva é altamente adequada para estas aplicações.
A empresa Stratasys, referência em sistemas de manufatura aditiva, lançou no segundo trimestre de 2018, um novo material termoplástico de alto desempenho, para aplicação em processos de impressão 3D na configuração FDM, com base de poli-éter-cetona (PEKK). Este novo material permite que os fabricantes de veículos
aeroespaciais, e outros de alto desempenho, passem a usar a manufatura aditiva em peças expostas a ambientes químicos e de altas temperaturas (produção de modelos funcionais) (STRATASYS, 2018).
Na indústria automotiva, o desenvolvimento de um novo produto é um processo caro e demorado, mas, fundamental na indústria automotiva para obtenção de resultados positivos. A tecnologia de manufatura aditiva tem sido empregada como ferramenta importante para a concepção e desenvolvimento de componentes automotivos, pois, pode encurtar o ciclo de desenvolvimento e reduzir os custos de fabricação e do produto acabado. Neste segmento industrial, os processos de manufatura aditiva também são utilizados para produzir pequenos lotes de partes funcionais, tais como: eixos de transmissão, escapamentos de motor, componentes de caixa de engrenagens, entre outros.
Empresas e institutos de pesquisa têm aplicado com sucesso os processos de manufatura aditiva na produção de componentes funcionais de carros de corrida, que ao contrário dos automóveis de passageiros, geralmente utilizam ligas leves como por exemplo ligas de titânio e alumínio, para produção de estruturas altamente complexas e em baixos volumes de produção (PRAKASH et al., 2018).
Na indústria biomédica o desenvolvimento da manufatura aditiva, bem como dos biomateriais, biomedicina e ciências biológicas, permitiu a aplicação de processos de manufatura aditiva no campo biomédico envolvendo ortopedia, implantes, estrutura de tecidos, órgãos artificias, dispositivos médicos, redes de microvasculares e chips biológicos (PRAKASH et al., 2018). Um exemplo é o planejamento cirúrgico para a realização do implante da prótese de ombro, no qual permite criar um molde em tamanho real da estrutura do ombro, facilitando o entendimento da patologia e evitando surpresas. Com o método, é possível preparar a prótese antes da cirurgia.
2.2.2 A popularização do FDM
Entre as tecnologias de manufatura aditiva, o processo FDM é um dos mais populares. Conforme descrito anteriormente, este processo utiliza polímeros na forma de filamento, que são fundidos e depositados camada sobre camada, ligando e endurecendo instantaneamente. A matéria-prima utilizada pode ser manuseada
com facilidade e flexibilidade, o tempo de aquecimento é curto e permite um processo de fabricação contínuo (ULLAH; HARIB, 2018).
Embora a impressão FDM seja um dos processos mais utilizados, ainda não é completamente industrializado. Isto se deve à falta de estudos, padronização, comunicação e de parâmetros que regem o processo (VALERGA, et al., 2018).
A empresa que desenvolveu a tecnologia 3D FDM, a Stratasys, introduziu no mercado as primeiras máquinas no ano de 1991. As vendas cresceram e, em 2006, já representavam 54,7% de todos os sistemas de manufatura aditiva comercializados pela empresa. Após expirada a patente, muitas empresas ao redor do mundo passaram a fazer negócio empregando a tecnologia FDM (WOHLERS REPORTS, 2015). A comercialização de sistemas similares à tecnologia desenvolvida pela Stratasys cresceu já no primeiro ano em que a patente expirou (2008), atingindo o pico de 437%, sendo que, no ano de 2009, manteve o crescimento de 411%, em 2010 com 229%, em 2011 fechou com o crescimento de 305%, no ano de 2012 teve uma queda nas vendas, fechando com um crescimento de apenas 46%, recuperando-se em 2013 com 104% e, em 2014 com 92% de crescimento. O baixo custo desta tecnologia tornou esse processo de impressão 3D o mais popular em todo o mundo (WOHLERS REPORTS, 2015).
A tecnologia FDM é limpa, simples de usar, não necessita configurações complicadas e os equipamentos podem ser instalados e utilizados até mesmo em escritórios, sem a necessidade de adaptações estruturais. Os equipamentos de tecnologia FDM constroem com facilidade peças com geometrias complexas, cuja produção por outros processos é difícil e dispendiosa (STRATASYS, 2018).
2.3 MANUFATURA SUBTRATIVA
A manufatura subtrativa é caracterizada pela transformação da matéria-prima em produto acabado, por meio da remoção de material, gerando na maioria dos processos materiais excedentes que são descartados como subproduto (SANTOS; SALLES, 2007). A manufatura subtrativa emprega em grande parte, equipamentos de usinagem CNC (Controle Numérico Computadorizado).
A ampla aplicação destes equipamentos deve-se ao desenvolvimento de
softwares de CAD/CAM, que permitem produzir modelos mais complexos em menor
aceitam remover somente o material que pode ser alcançado pela ferramenta. (Figura 7) Dessa forma, cavidades com ângulos internos não podem ser obtidas, bem como a dificuldade de fixação de peças com paredes delgadas, e a necessidade de empregar sistemas de fixação da matéria-prima, o que aumenta o custo de execução destes processos (VOLPATO et al., 2007).
Figura 7 – Usinagem CNC
Fonte: Elaborado pelo Autor (2019).
Na década de 1980, popularizou-se na indústria metalmecânica o emprego e a aplicação de máquinas CNC. Já, na metade da década de 1990, as indústrias que pretendiam realizar usinagem de geometrias complexas e não possuíam uma plataforma CAD/CAM/CNC estavam destinadas a fracassar. Isso em função da dificuldade da execução de programas CNC de forma manual quando se tratava de peças com geometrias complexas (SOUZA; ULBRICH, 2013). Com o desenvolvimento das tecnologias CAD/CAM houve um aumento na utilização da usinagem CNC para a fabricação de protótipos, permitindo dessa forma, alcançar geometrias mais complexas e em menor tempo (VOLPATO et al., 2007).
A usinagem geralmente tem início com a modelagem a partir de um software de CAD, que consiste em representar um objeto tridimensional em um ambiente computacional. A geometria é alcançada pela utilização de coordenadas cartesianas (x,y,z) e informações da topologia da construção, representadas por meio de pontos, curvas, retas, arestas, faces e outros objetos tridimensionais (SOUZA; ULBRICH, 2013).
A usinagem é o processo mais frequentemente utilizado na construção de protótipos. Apresenta benefícios, como: precisão dimensional, rigidez mecânica da
máquina e altas taxas de produção. Porém, a execução do processo requer recursos humanos devidamente treinados e, dependendo da complexidade da peça e, consequentemente, do caminho da ferramenta, a sua execução pode exigir a construção de fixadores para uma usinagem eficiente (CHOI et al., 2001).
Um sistema de manufatura assistida por computador CAM é empregado na geração de programas CNC para equipamentos de fresamento, retificação, torneamento, eletroerosão, entre outros. Entretanto, é na usinagem por fresamento que o sistema tem maior destaque e desenvolve três funções principais: calcular as trajetórias para a movimentação de modo que a usinagem possa ser executada pela máquina, realizar a simulação da usinagem calculada e, por fim, gerar programas CNC para máquinas de controle numérico computadorizado específicos (SOUZA; ULBRICH, 2013).
2.3.1 Operações da manufatura subtrativa
Dentre os processos de usinagem aqueles que utilizam ferramentas com geometria definida constituem os mais aplicados dentro dos processos de prototipagem rápida. Ainda, entre todos os processos de usinagem que se encaixam nessa subdivisão, os processos de torneamento, fresamento e furação são comumente empregados (SOUZA; ULBRICH, 2013). Dessa forma, na sequência, é feita uma breve descrição destes processos.
O fresamento é uma operação de usinagem através da qual a remoção de material na forma de cavaco é realizada usando ferramentas de múltiplas arestas de corte. Neste caso, a ferramenta rotativa multicortante gira, e a mesa sobre a qual a peça está fixa, avança sob a ferramenta, descrevendo uma trajetória qualquer que depende do perfil da peça a ser obtida. Através deste processo é possível gerar superfícies planas ou perfis em uma peça de seção regular ou irregular (BOOKER; SWIFT, 2014).
As operações de fresamento são realizadas em uma máquina ferramenta denominada fresadora. Atualmente, considerando a assistência por CNC nestes tipos de equipamentos existem duas variações: a fresadora e o centro de usinagem CNC.
A fresadora CNC constitui um equipamento mais simplificado que possui comando numérico computadorizado para realizar as movimentações. Porém, não
realiza a troca automática das ferramentas e não possui controle de posicionamento e monitoramento das ações da máquina.
O centro de usinagem CNC permite maior precisão de movimentação e posicionamento (angular e linear) utilizando transdutores. As ferramentas de corte ficam armazenadas em dispositivo denominado magazine, conforme o comando especificado no programa CNC, a máquina realiza a troca da ferramenta, automaticamente.
Os equipamentos mais modernos podem empregar a movimentação em cinco eixos simultâneos, aumentando a flexibilidade de produção no que tange a geometria da peça a ser fabricada.
O torneamento tem por objetivo produzir peças cilíndricas de revolução em que uma ferramenta, geralmente monocortante, descreve uma trajetória retilínea paralela ou inclinada em relação ao eixo principal de rotação da máquina. A ação de corte é dada pela força de usinagem gerada pela composição das forças de avanço e de corte geradas pela rotação da matéria-prima contra a ferramenta de corte (SOUZA; ULBRICH, 2013).
Os centros de torneamento CNC são equipamentos capazes de realizar uma grande variedade de operações como, por exemplo: torneamento, mandrilamento, furação, etc. Estes equipamentos possuem uma extensa gama de geometrias de ferramentas fabricadas, a partir de materiais distintos (BOOKER; SWIFT, 2014).
A furação é um processo de remoção de material na forma de cavaco utilizando ferramentas rotativas, com duas ou mais arestas de corte, para produzir furos cilíndricos em uma peça. A furação também pode ser realizada em centros de usinagem CNC e fresadoras. Os processos de furação abrangem furos de centro, rebaixamento de furos e escareamento (BOOKER; SWIFT, 2014).
2.3.2 Etapas e aplicações da manufatura subtrativa
Para gerar um programa CNC utilizando um sistema CAM é preciso que o modelo geométrico esteja modelado em um programa de CAD. Esta geometria CAD é utilizada pelo CAM como base para o cálculo das trajetórias das ferramentas. Após os cálculos, o CAM também pode realizar a simulação do percurso da ferramenta e codificar os comandos de forma que possam ser interpretados pelos equipamentos CNC (SOUZA; ULBRICH, 2013).
Inicialmente a modelagem do protótipo é executada com o auxílio de um
software de CAD. Então a geometria modelada é importada para o sistema CAM,
onde se define para cada operação de usinagem as ferramentas de corte e seus parâmetros, como velocidade de corte, rotação e avanço.
O programa CAM utiliza a geometria produzida no CAD para realizar os cálculos de trajetória das ferramentas empregadas na manufatura subtrativa do protótipo, possibilitando a simulação da produção e apresentando as linhas de corte das ferramentas. Também realiza a verificação de colisões e informa os tempos de usinagem. O programa gera o código G de acordo com os pós-processadores que são dedicados ao equipamento que está sendo utilizado (SOUZA; ULBRICH, 2013).
As indústrias automobilística e aeroespacial compõem uma parcela significativa da base mundial de consumidores de tecnologias de prototipagem rápida por subtração de material. Outros grandes usuários dos processos de prototipagem rápida por subtração são as indústrias agrícolas, de equipamentos eletroeletrônico, de implantes médicos e próteses, entre outros (RELVAS; SIMÕES, 2004).
No campo da medicina, a tecnologia de prototipagem rápida por subtração de material proporcionou melhorias no cuidado dos pacientes. A utilização de protótipos permite melhor visualização tridimensional de locais anatômicos, planejamento cirúrgico, projeto e fabricação de implantes e próteses (RELVAS; SIMOES, 2004).
3 METODOLOGIA
A presente seção descreve o procedimento metodológico empregado para contemplar o objetivo da pesquisa, desde o contexto do problema, construção da modelagem, aplicação prática e conclusão, conforme apresenta a Figura 8.
Figura 8 – Procedimento para desenvolvimento da pesquisa
Fonte: Elaborado pelo autor (2019).
A engenharia precisa testar seus produtos antes de iniciar uma produção em massa, o protótipo permite que as correções sejam feitas ainda no início da fase de projeto, contribuindo assim para que o processo de fabricação seja de menor custo e comercializado mais rapidamente (ESLAMI, 2017).
Os protótipos podem ser produzidos por processos de remoção ou processos da adição de material (BORDONI; BOSCHETTO, 2012; DIAZ, 2016; PEKO et al., 2018). Estes processos de fabricação apresentam pontos fortes e fracos. A compreensão das diferenças entre os processos prototipagem permite relacionar possíveis ganhos ou perdas para projetar a fabricação dos protótipos (TOWNSEND; URBANIC, 2012). Desta forma, identificar quais os processos de prototipagem podem ser melhor empregados no desenvolvimento de produtos, perceber as características, vantagens e desvantagens de cada um dos sistemas pode ajudar na tomada de decisão que é algo fundamental no contexto da competitividade industrial (CANCIGLIERI JUNIOR, et al., 2007).
3.1 CONSTRUÇÃO DA MODELAGEM
A construção da modelagem da prototipagem por processos de prototipagem rápida e prototipagem rápida subtrativa segue as seguintes etapas (Figura 9).
Figura 9 – Etapas para a construção da modelagem
Fonte: Elaborado pelo autor (2019).
3.1.1 Definição do protótipo
A prototipagem é uma prática significativa na maioria dos processos de desenvolvimento de produtos. O ponto mais importante ao desenvolver uma estratégia de prototipagem é definir o propósito do protótipo. Embora pareça um notório ponto de partida, é preciso também deliberar ao definir o propósito do protótipo, identificar as questões críticas e as lacunas do conhecimento (BAI; HU, 2018; CHAUDHARI et al., 2018; ELVERUM et al., 2016; GUO; LEU, 2013).
Um protótipo é o resultado do design e da geração de uma ou mais características do produto que permite a equipe de projeto executar testes relacionados aos requisitos do usuário. Assim, a definição do protótipo pode ser determinada através das classes, propósitos e materiais para os quais os protótipos são desenvolvidos (RIX et al., 2016).
Os protótipos, de acordo com Rix, Haas e Texeira (2016) e VDI 3404 (2009), em referência a sua aplicabilidade, são classificados em quatro classes: protótipos conceituais, protótipos geométricos, protótipos funcionais e protótipos técnicos.
Os protótipos de design ou conceituais representam a primeira idealização do conceito do produto e/ou fabricação. Estes protótipos têm como prioridade, uma revisão de projeto visando requisitos óticos, estéticos e ergonômicos.
Esta classe inclui os protótipos necessários antes do lançamento da documentação do produto, além do auxílio visual ao design também servem para fins especiais, como propostas de conceito, solicitações de cotação, estudos ergonômicos. Porém, os aspectos como: precisão, acabamento e resistência, geralmente são negligenciados em um modelo conceitual (ARMILLOTTA, 2008).
Uma segunda classe representa os protótipos geométricos que têm como foco a geometria e não os aspectos materiais. São empregados na avaliação de tamanho, da forma e avaliação das sensações causadas pelo toque no produto e/ou na fabricação.
Os protótipos funcionais representam a terceira classe de protótipos, geralmente se definem como um subsistema de um produto que reproduz um conjunto de funcionalidades. Viabilizam o teste de alguns ou todos os aspectos funcionais e a sua forma geométrica não necessita ser igual ao produto final ou fabricação.
Por fim, os protótipos técnicos cobrem todos os aspectos funcionais da peça e podem ser utilizados como tal, porém, a forma de fabricação pode variar quando comparada ao produto final. Protótipos técnicos também podem ser produzidos em material diferente ao material utilizado na produção em série.
A VDI 3404 (2009) ainda apresenta uma quinta classe denominada protótipo final. Segundo a norma, estes protótipos são, essencialmente protótipos físicos, usados com uma finalidade determinada como, por exemplo, a produção de um pequeno lote de produtos que, em alguns casos, podem ser comercializados.
Os protótipos são feitos para demonstrar, verificar e explorar as soluções propostas a partir de ciclos iterativos. Buscam atingir um valor de desempenho limite que visa obter resultados de conformidade ou não conformidade (ELVERUM; WELO, 2015; TRONVOLL et al., 2016).
Os protótipos precisam ser testados, durante os testes de protótipos ocorrem muitas variações que podem afetar no desenvolvimento do produto. As propriedades do ambiente de teste e do protótipo podem ser introduzidas ao experimento empregando três tipos principais de replicação ou uma combinação das replicações: replicação de propriedades de classe, estimativa analítica e estimativa reflexiva (TRONVOLL et al., 2016).
A replicação de propriedades de classe abrange todos os tipos de replicação em que a propriedade é recriada, conectando-se à propriedade física real ou a uma
