Tecnologia de fabricação rápida de protótipos e moldes para
injeção (Rapid prototyping & Tooling) dentro da filosofia de
empresas virtuais.
Prof. Aureo C. Ferreira, Ph.D. – UFSC / GRUCON / CIMJECT PAT Dra.Alexandra P. Klen – UFSC / GRUCON / G-SIGMA
Dr. Ricardo José Rabelo – UFSC / GRUCON / G-SIGMA
1. INTRODUÇÃO
A flexibilidade, a qualidade e a capacidade inovadora têm sido as grandes referências competitivas orientadoras das atividades empresariais nas últimas décadas. Esta competitividade traduz-se hoje em conquistar o cliente através do menor custo, de uma maior qualidade e de um menor prazo de entrega de um produto. Soma-se a isto o fato de que, devido ao consequente aumento no nível de exigência dos consumidores e das questões ambientais, as empresas são forçadas a lançarem, muito rapidamente, novos produtos em uma proporção sem precedentes na história industrial. A constatação desta realidade, por parte das empresas, tem exigido destas uma procura voraz pela redução dos tempos e custos de produção. Em outras palavras, toda a estrutura produtiva da empresa passa a ter que -constantemente - adaptar-se ao pedido de um cliente exigindo, assim, uma manufatura ágil [10, 11]. Esta adaptação reflete uma alteração na filosofia de manufatura de uma empresa, outrora funcional e agora orientada por "processos de negócios" (Business processes), outrora em regime de economia de escala e agora de economia por "nichos de mercado" (economy of scope). Do ponto de vista da estrutura de produção envolvida, toda essa nova realidade tem provocado uma busca incessante pelo aperfeiçoamento da eficiência e maior racionalização em todas as etapas da produção.
Com a crescente globalização e verticalização das empresas, a subcontratação (ou terceirização) de serviços tornou-se uma prática corrente. Como regra geral, uma empresa produz internamente os componentes fundamentais dos seus produtos, passando os componentes secundários a terceiros, que passam assim a funcionar como fornecedores, não apenas de matérias-primas, mas também de sub-componentes prontos. Na verdade, já se vem trabalhando com um cenário um pouco mais avançado [13]. Neste, a empresa é vista como responsável unicamente pela definição da estratégia e logística, bem como de outros elementos tais como : projeto, macro-gerenciamento da produção, venda e assistência pós-venda. Ou seja, toda (ou grande parte) da produção é deixada à rede de fornecedores (supply chain). Em suma, a empresa estende as suas fornteiras até os seus fornecedores. Surge, assim, o conceito de "empresa estendida" ou "empresa virtual" [12], uma rede cooperante de empresas autônomas que, interligadas via rede de comunicações, acrescentam um valor à cadeia de produção de um dado produto.
2. O CONTEXTO DA INDÚSTRIA NACIONAL DE INJEÇÃO
No contexto da indústria nacional de injeção de produtos de plástico, esta tendência de formação de rede de empresas, aliada às exigências impostas por um mercado cada vez mais competitivo, passaram a obrigar as empresas deste setor, a reverem os métodos usados para o projeto e a fabricação dos moldes, um dos principais gargalos no processo de desenvolvimento de peças injetadas, introduzindo (principalmente) tecnologias auxiliadas por
computador, denominadamente sistemas CAE/CAD/CAM [01]. Neste sentido, é essencial que a área de moldes, predominantemente constituída por empresas de pequeno e médio porte, encontre alternativas capazes de agilizar o processo de desenvolvimento de seus produtos, para que possa efetivamente se beneficiar com a introdução das referidas tecnologias. Assim, é fundamental que tais empresas disponham de uma estrutura organizacional integrada e ágil, sedimentada em conceitos de Engenharia Concorrente ou Simultânea, e conduzida por profissionais altamente qualificados.
Neste sentido, a existência de um número ainda insuficiente de instituições e entidades, dedicadas à pesquisa e formação de mão-de-obra especializada (embora já ocorra uma tendência de crescimento) é, sem sombra de dúvidas, um dos fatores que contribui para a defasagem tecnológica entre os diferentes mercados internacionais [02,03]. No Brasil, pesquisas aplicadas e formação de pessoal de alto nível, direcionados às áreas de projeto e fabricação de moldes, bem como prototipagem rápida e “rapid tooling”, utilizando modernas tecnologias CAE/CAD/CAM, já vêm sendo realizadas no GRUCON/CIMJECT/PAT da UFSC, com apoio da FINEP e do CNPq através, respectivamente, do programa PRONEX e de Projetos Integrados de Pesquisa tais como :
• “Desenvolvimento de Produtos e Processos de Alta Tecnologia”;
• “Avaliação do Emprego de Tecnologias CAE/CAD/CAM no Projeto e na Fabricação de Moldes para Produtos de Plástico Injetados” ;
• “Projeto e Fabricação de Moldes , Integrados por Computador, para Produtos de Plásticos Injetados”;
• “Tecnologias de Integração, Assistidas por Computador, Aplicadas ao Processo de Projeto e Fabricação de Moldes de Injeção de Plásticos, no Âmbito de Empresas Virtuais”
Da mesma forma, no GRUCON / G-SIGMA, estão sendo desenvolvidas pesquisas
aplicadas, no âmbito dos programas ESPRIT e KIT, da Comunidade Européia, e PROTEM, do CNPq, na área de Empresas Virtuais , tais como:
• “PRODNET-II: Production Planning and Management in an Extended Enterprise”;
• “MASSYVE-:Multiagent Agile Manufactuing Scheduling Systems for Virtual Enterprises”.
No que se refere às empresas que atuam no setor de moldes, estas podem ter infra-estruturas muito variadas. Conforme já mencionado, a tendência atual caminha ao encontro dos conceitos de globalização, terceirização e empresa virtual, onde as empresas são, cada vez mais, especialistas em partes específicas do ciclo de produção, exigindo um processo de integração e coordenação [14]. Para a elaboração do molde, por exemplo, normalmente conta-se com as conta-seguintes equipes de trabalho :
• equipe de projeto do produto e do molde (CAD)
• equipe de simulação e análise da moldagem por injeção (CAE)
Tais equipes de trabalho têm, como característica, a necessidade de trocar um grande volume de informações entre si, podendo atuar, pelo menos, de duas formas:
a) Seguindo um esquema tradicional: Neste caso todos os profissionais envolvidos, via de regra, pertencem a uma mesma empresa, onde a troca de informações é preponderantemente realizada por telefone, fax e pessoalmente, através de contatos bilaterais ou reuniões que, muitas vezes, são precedidas de viagens, o que acaba aumentando as despesas e, o que é pior, consumindo um tempo improdutivo considerável, que acarreta um atraso substancial em todo o ciclo de produção. b) Seguindo um esquema virtual : Neste caso as equipes representam, cada uma, via de
regra, um dos nós da rede de empresas (Empresa Virtual), cujo paradigma está alicerçado em uma aliança (em geral temporária) de empresas que se juntam para compartilhar competências e recursos, com o objetivo de melhor responder às oportunidades de negócio que surgem no mercado. Neste caso, a cooperação entre tais empresas, é suportada por uma rede de computadores, através da qual ocorre um intenso fluxo de informações [O4] (Fif. 01)
3. TECNOLOGIAS DE PROTOTIPAGEM RÁPIDA
3.1 - Introdução
No decorrer do processo de desenvolvimento e/ou aperfeiçoamento de um produto, vem crescendo cada vez mais, a nível mundial, a aceitação de modernas tecnologias de prototipagem rápida refletindo-se, não somente no volume de protótipos desenvolvidos, mas também, no surgimento de diferentes tecnologias. Especificamente na área de plásticos, esta tecnologia vem sendo considerada de grande utilidade, provavelmente em função de se poder utilizar tanto na etapa de desenvolvimento da peça quanto na de desenvolvimento e, em certos casos, de fabricação do próprio molde (rapid tooling).
Dentre os processos mais difundidos de prototipagem rápida destacam-se os seguintes:
• Estereolitografia (SL)
• Laminação de Objetos para Modelos (LOM)
• Sinterização a Laser Seletivo (SLS)
• Fusão e Deposição de Materiais (FDM)
O primeiro processo desenvolvido foi o de SL que, ainda hoje, é um dos mais difundidos no mundo inteiro. Como este é o único processo disponível nos laboratórios do PAT (Desenvolvimento de Produtos e Processos de Alta Tecnologia do EMC da UFSC) e no qual se tem alguma experiência, será também o único a ser apresentado em mais detalhes. Maiores informações sobre os outros processos podem ser encontrados na bibliografia especializada[05].
3.2 – Estereolitografia (SL)
Trata-se de um processo baseado na polimerização de resinas líquidas fotocuráveis, através de laser ultravioleta, desenvolvido pela empresa 3D Systems, de Valência,Califórnia, EUA, que teve seu primeiro sistema comercial, testado em versão beta, em 1988 [06]
Os sistemas SL atualmente comercializados (figuras 02 e 03) são compostos, principalmente, pelos seguintes itens [07,08]
• reservatório para a resina fotocurável ou fotopolímero;
• plataforma móvel (direção z ) para sustentação das peças;
• um laser ultravioleta hélio-cádmio (HeCd) ou argônio-ion, como fonte de luz;
• conjunto de espelhos galvanométricos, para o direcionamento do feixe de laser (direções x e y);
• microcomputador para controle do processo;
• equipamento de limpeza;
• estufa de pós-cura;
O processo se inicia com a disponibilidade do modelo geométrico 3D da peça a ser prototipada (arquivo CAD). Transferido para um programa no formato STL, este modelo é fatiado em finas camadas (seções retas) com espessuras que variam de 0,065mm a 0,75mm. Logo após é gerado o programa NC para a execução da construção de cada camada. O monitoramento do processo é feito pelo microcomputador de controle de processo e seu programa proprietário.
Figura 03: Esquema de funcionamento do princípio estereolitografia O processo de construção se inicia com a submersão da plataforma móvel dentro do reservatório de resina fotocurável a uma profundidade igual a espessura da primeira seção reta a ser construída. Um feixe de laser ultravioleta (UV) incide sobre a superfície da resina, “desenhando” a seção sobre a mesma e causando a sua polimerização e solidificação. Logo após, a plataforma submerge novamente, a uma profundidade adicional, equivalente a espessura da nova camada, repetindo o passo anterior e acrescentando uma nova camada à primeira (figura 03). O processo se repete sucessivamente até que a última camada seja construída. Cumprido estes passos, a plataforma emerge, a peça é retirada e colocada em um solvente para que o excesso de resina seja eliminado.
Neste ponto, a peça tem entre 40 e 60% da sua resistência final, pois a cura não se realiza por completo durante o processo. Para se alcançar a cura completa, a peça é colocada em uma estufa de luz ultravioleta (estufa de pós-cura), onde permanece por um prazo médio de uma a duas horas. Completada a cura, segue-se a retirada dos possíveis suportes construídos para dar sustentação às partes que formam ilhas durante o processo de polimerização ou para dar maior resistência à peça . Findo estas etapas, a peça está pronta para receber acabamentos posteriores como polimento, jateamento leve de areia, pintura e outros, ficando então com as características desejadas. Por mais complexa que seja a peça sempre é possível construí-la. Um exemplo disso está representado na figura 04. Trata-se do modelo da parte inferior de um crânio humano (produzido por
estereolitografia) de uma pessoa que sofreu um grave acidente e teve que passar por algumas cirurgias para recuperar as partes injuriadas. Para tanto os cirurgiões, utilizando o referido modelo (produzido a partir dos dados obtidos através de uma tomografia computadorizada do crânio e devidamente processados para servir de entrada para a máquina de SL) puderam ensaiar previamente, todos os procedimentos cirúrgicos, que depois foram repetidos com muito mais segurança, durante a cirurgia do paciente, que alcançou pleno êxito[09].
Figura 04: Exemplo de peça produzido pelo processo de estereolitografia.
4 – PROCESSOS PARA A OBTENÇÃO DE MÚLTIPLOS PROTÓTIPOS
VIA FERRAMENTA SECUNDÁRIA.
4.1 – Introdução
A obtenção de Ferramentas Secundárias envolve processos que utilizam um modelo, como ponto de partida, que pode ser um modelo eletrônico , obtido via CAD, ou mesmo um modelo sólido, obtido por processos de prototipagem rápida,conforme visto anteriormente. Em ambos os casos o objetivo é sempre produzir, o mais rapidamente possível, as cavidades da ferramenta (molde) que permitirão a produção ( normalmente pelos processos de fundição ou injeção) de uma quantidade variável de protótipos.
4.2 - Direct AIM™
Desenvolvido pelo IPI (Institute for Plastics Innovation),sediado em Lowell, Massachusetts, EUA, em conjunto com a 3D Systems, o processo se baseia na construção de postiços para injeção, feitos de resina fotocurável. Com o arquivo CAD das cavidades, necessárias para a injeção da peça, fabrica-se, pelo processo de estereolitografia, postiços em forma de casca, que são montados em um porta moldes. Tubos de cobre para a refrigeração são posicionados na parte de trás dos postiços e recobertos com um composto de epoxi, misturado com partículas de alumínio (ou bismuto,segundo pesquisas ainda em desenvolvimento no IPI) que auxiliarão no resfriamento dos mesmos (figura 05 e 06). Curada a resina o conjunto postiço/porta moldes é montado em uma injetora onde podem ser obtidos de 20 a 100 peças injetadas (figura 07).
Figura 05: Postiço feito em estereolitografia montado em um porta moldes com seus tubos de refrigeração posicionados.
5 – CONCLUSÕES
Neste artigo procurou-se dar uma idéia sobre os temas que tratam de dois assuntos : Empresas Virtuais e Desenvolvimento/Produção Rápida de Protótipos e Ferramentas de Injeção. Procurou-se ainda dar uma visão integrada destes dois assuntos, salientando a necessidade de uma manufatura ágil, indispensável à sobrevivência das empresas, em um mercado cada vez mais competitivo e globalizado. Tal sobrevivência vai depender não só das tecnologias já disponíveis no mercado, mas também de pessoal altamente qualidicado, para dar continuidade aos desenvovimentos e aplicar, com eficiência, tais tecnologias. As Universidades e Centros de Pesquisa de alto nível, trabalhando em redes nacionais e internacionais, em estreita cooperação com as empresas, desempenham uma papel importante nos vários elos dessa cadeia de relações que ocorrem (desde a concepção até a reciclagem e/ou descarte de um produto) além de cumprir com sua função precípua de formação profissional. É importante salientar ainda que, no centro de tudo, está a humanidade inteira que, como consumidora, deve ser a mais beneficiada em todos os sentidos, inclusive com a criação de novas oportunidades de trabalho em função do desenvolvimento e aplicação das novas tecnoligias.
6. - REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA
[01] MATTOS, P., "Implementação de sistemas CAD/CAM em empresas de moldes do Canadá: Relato de experiências", Apresentação de palestra junto ao GRUCON/EMC/UFSC, março/1993.
[02] AHRENS,C.H., "Características desejáveis para a implantação e o emprego de sistemas CAE/CAD/CAM no setor de moldes de injeção de plásticos", Tese de Doutorado, Departamento de Eng. Mecânica, UFSC, março/1994.
[03] CASTRO,F., "Indústria plástica deve treinar sua mão-de-obra", Plástico Moderno, p.22-24, set/1992.
[04] CAMARINHA– MATOS, L.M.; LIMA, C. ; OSÓRIO, A.L. , “The PRODNET II Platform for Production Planning and Management in Virtual Enterprises” , 4th International Conference on Concurrent Enterprising . ICE ’97 – Nottingham, UK [05] LAFRATTA, F. H. , “Avaliação do uso de Líquidos Refrigerantes Sob Alta Pressão
no Processo de Injeção de Termoplásticos Utilizando Técnicas de Rapid Tooling. Proposta para Tese de Doutorado – GRUCON/CIMJECT/EMC/UFSC
[06] JACOBS, P. , “Rapid Prototyping and Manufacturing – Fundamentals of Stereolitography. SME - 92
[07] 3D SYSTEMS . 3D Systems Report 44% Sales Growth in 1995, 52% in Fourth Quarter. Informativo Publicitário. FEV/96.
[08] 3D SYSTEMS . Maestro. Catálogo de Produto / 95.
[09] The Edge – Competitive Advantage Through Rapid Prototyping and Manufacturing 3D Systems,Vol. IV, N0. 4, 1995.
[10] KIDD, Paul. “Agile Manufacturing: Key Issues”. In: Advances in Agile Manufacturing – Integrating Technology, Organization and People, IOS Press, 1994. [11] GOLDMAN, S.; NAGEL, R.; PREISS, K. “Agile Competitors – Concorrência,
Organizações Virtuais e Estratégias para Valorizar o Cliente”. Editora Érica Ltda, 1995.
[12] PEREIRA KLEN, A.A.; HUNT, I.; ZHANG, J. “Cross Border Enterprise: Virtual and Extended!”, ISIP’97 DE/IFIP/IEEE International Conference on Integrated and Sustainable Industrial Production. Lisboa, Portugal, 14-16 Maio 1997.
[13] PEREIRA KLEN, A.A.; RABELO, R.J.; SPINOSA, L.M."Integrated Logistics in the Virtual Enterprise: The PRODNET-II Approach", a ser publicado no IMS'98 - 5th IFAC Workshop on Intelligent Manufacturing Systems, Gramado - Brasil, Novembro 1998.
[14] SPINOSA, L.M.; RABELO, R.J.; PEREIRA KLEN, A.A.; FERREIRA, A.C. "An oriented Decision Support System model for Virtual Enterprise Coordination", a ser publicado no Prolamat'98 / The Tenth International IFIP TC5 WG-5.2 WG-5.3 Conference, Setembro, 1998, Trento, Itália
