O que é Prototipagem Rápida?

• A criação de protótipos é uma das tarefas mais demoradas na criação de um componente.
• A prototipagem rápida surgiu da necessidade de criar protótipos de forma eficiente e rápida.

Agenda

• Tópicos a serem abordados: O que é um protótipo, prototipagem rápida, vantagens/desvantagens, CAD, processos principais e outros, aplicações e custos.

O que é um Protótipo

• Um protótipo é uma experiência da peça a ser fabricada, servindo como hipótese para estudo.
• Envolve explicar, discutir, desenhar e produzir a peça.
• Protótipos podem ser "Hard" ou "Soft".

Ciclo de desenvolvimento de um produto

• As etapas incluem modelo conceptual, desenho detalhado, protótipo e teste, produção e lançamento do produto.
• O preço de uma mudança no design do produto aumenta significativamente a cada etapa do ciclo.

Prototipagem Tradicional

• A prototipagem tradicional manual é um processo manual, artístico e lento.

Prototipagem Tradicional (Automático)

• A prototipagem tradicional automática utiliza um bloco de material, gerando desperdício e necessitando de programação, embora possa ser automática.
• É limitada a peças de complexidade limitada.

Vantagens dos Protótipos

• Permitem a visualização, verificação, desenvolvimento iterativo, interação, comparação e otimização do produto.
• Auxiliam no estudo do método de produção, criação de ferramentas e são confidenciais, sendo frequentemente usados na indústria.

Racional para a Prototipagem Rápida

• Permite vender primeiro e dominar o mercado.
• Ajuda a garantir encomendas em vez de perdê-las e a obter preços iniciais mais altos.
• Aumenta o dinamismo da empresa e acelera o aprendizado.
• Impulsiona a inovação e diferenciação em mercados dinâmicos, além de lidar com restrições técnicas e produtos personalizados.

O Que é Prototipagem Rápida (PR)?

• É um meio de produzir protótipos de forma rápida.
• Fabricação de componentes físicos tridimensionais diretamente de uma descrição numérica (CAD), através de um processo rápido, automático e flexível.

Como Funciona a Prototipagem Rápida

• Envolve o desenho digital da peça em 3D (CAD), corte eletrónico em fatias, download dessas fatias para um processo de construção aditivo e a criação do protótipo.

Vantagens da PR (Prototipagem Rápida)

• Permite a visualização da peça antes da produção e o "Concurrent Engineering".
• Reduz o tempo e o custo de criação do protótipo, além de possibilitar a deteção de erros precocemente.
• Os processos são automatizados, gerando menos desperdício e facilitando a implementação de mudanças no CAD.
• Possibilita a criação de múltiplos protótipos simultaneamente e pode operar sem intervenção humana, reduzindo o "stock".

Desvantagens da PR (Prototipagem Rápida)

• As superfícies não são perfeitas.
• O tamanho dos protótipos é limitado e as máquinas são extremamente caras.
• Nem sempre é possível usar o material desejado e faltam processos para peças 100% em metal.
• Não serve como método de produção.

Nomes Usados para Prototipagem Rápida

• Incluem "Rapid Prototyping", "CAD oriented manufacturing", "Design controlled Automated Fabrication", "Direct CAD manufacturing", "3D Printing" e outros.

CAD: Definição do Fabricante

• O CAD combina informações sobre a forma com a matéria-prima para criar um objeto sólido em 3D.

CAD: Para Que Serve

• O CAD é usado para digitalização, estética, funcionalidade, elementos finitos, encaixe/montagem, maquinagem, controle numérico e prototipagem rápida.

Funcionalidades do CAD

• Desenhar com sólidos, maquinagem (ponto a ponto e superfícies), montagem e prototipagem rápida.

CAD (Computer-Aided Design)

• É o ponto de partida para a Prototipagem Rápida (PR).
• Modela objetos com sólidos ou superfícies usando ferramentas 2D ou 3D.
• Requer hardware e software caros, além de um profissional experiente.

Formato STL

• É um formato comum usado na prototipagem rápida.

Cuidados com STL

• Atentar para o tamanho da peça, fissuras, tamanho em megabytes, espessura zero, molde ou peça, garantia de qualidade, coordenadas iniciais do desenho, tolerâncias e verificação do volume da peça.
• Nem todos os processos usam STL, e há software para validá-lo.

Características da Construção em Prototipagem Rápida

• Considera a orientação, suportes, base, fatias, percurso, preparação, construção e acabamentos.

Principais Processos de Prototipagem Rápida

• Stereolithography (SLA), Selective Laser Sintering (SLS), Fused Deposition Modelling (FDM), Laminated Object Manufacturing (LOM), Solider Ground Curing (SGC) e 3 Dimensional Printing (3D Printing).

Stereolithography (SLA)

• O modelo CAD é cortado eletronicamente em fatias e enviado para a máquina SLA.
• Um laser desenha cada fatia na superfície do líquido, solidificando a resina.
• O processo repete-se, descendo o recipiente e preenchendo as áreas sólidas com uma trama.
• Estruturas de suporte são necessárias para partes pendentes.

SLA: Características Técnicas

• Processo desenvolvido por Charles Hullin em 1984, patenteado em 1986.
• O sistema Stereo-Lithography Apparatus foi lançado na feira AutoFact em 1987, sendo o primeiro processo disponível comercialmente.
• Utiliza resinas sensíveis à luz.

Vantagens do SLA (Stereolithography)

• É um sistema comprovado, que permite criar moldes descartáveis mais baratos e com sucesso através do Quickcast.
• Oferece alta precisão, boa integridade estrutural, vasta gama de aplicações e o melhor acabamento de superfície.
• A maioria dos componentes é bem-sucedida na primeira tentativa, com processo desacompanhado e precisão de +/-0.1mm.

Desvantagens do SLA (Stereolithography)

• Matéria prima era cara, mas agora é mais acessível.
• Manutenção da máquina é cara.
• A gama de materiais é limitada a resinas fotossensíveis e necessita de estruturas de suporte criadas automaticamente pelo software.
• Os solventes usados na limpeza são perigosos, o processo é sujo e as peças podem empenar.

Selective Laser Sintering (SLS)

• Um modelo criado é enviado para a máquina, onde uma camada de pó é depositada e fundida por um laser de CO2.
• O processo repete-se, adicionando mais pó sobre a fatia acabada.
• O pó das fatias anteriores dispensa o uso de estruturas de suporte.

Características Técnicas do SLS

• Desenvolvido por Carl Deckard na Universidade do Texas em Austin.
• Materiais: Qualquer pó passível de ser fundido, PVC, plásticos, nylon, cerâmica.

Vantagens do SLS (Selective Laser Sintering)

• Oferece uma ampla gama de materiais e modelos de cera que podem ser usados diretamente para fundição por carcaça cerâmica.
• Modelos em policarboneto tratados com cera podem ser usados como moldes descartáveis.
• Os materiais são baratos, não requerem cura pós-criação e não necessitam de suportes para nylon ou policarboneto.
• Pode produzir componentes rígidos.

Desvantagens do SLS (Selective Laser Sintering)

• Os modelos de cera precisam arrefecer na máquina durante 12 horas e são muito frágeis.
• Estruturas de suporte podem ser necessárias e a manutenção da máquina é cara.
• É preciso cuidado ao reutilizar o material em pó e há uma curva de aprendizado para cada peça, além de superfícies porosas.

Fused Deposition Modelling (FDM)

• O modelo é cortado eletronicamente em fatias e uma cabeça controlada por computador deposita o material aquecido nas partes necessárias.
• Fatias sucessivas são criadas até o produto final estar pronto.

Características Técnicas do FDM

• Processo desenvolvido por Scott Crump em 1988.
• Utiliza cera maquinável e materiais tipo nylon.

Vantagens do FDM (Fused Deposition Modelling)

• Baixo custo inicial do sistema e materiais baratos.
• Pode operar em ambiente de escritório, com máquinas fiáveis e simples.
• Rápido para componentes com paredes finas, fácil de mudar o material e grande variedade de materiais.

Desvantagens do FDM (Fused Deposition Modelling)

• Acabamento fraco que requer trabalho manual.
• Necessidade de suportes para objetos complexos e peças pendentes.
• Lento para peças volumosas e resistência fraca na direção vertical.

Laminated Object Manufacturing (LOM)

• Envia-se um modelo para a máquina e gera-se uma fatia de cada vez.
• Um laser corta a forma da peça num pedaço de papel esticado, e áreas externas são cortadas em quadrados.
• Uma nova folha de papel é colada termicamente e o processo repete-se.
• No final, as áreas externas são retiradas manualmente, podendo necessitar de polimento.

Características Técnicas do LOM

• Desenvolvido por Michael Feygin em 1985.
• Utiliza papel preparado.

Vantagens do LOM (Laminated Object Manufacturing)

• Capital inicial relativamente baixo e materiais baratos.
• Produto final assemelha-se a madeira.
• Não requer tratamento final e nem suportes.
• Processo simples sem troca de material.

Desvantagens do LOM (Laminated Object Manufacturing)

• Risco de incêndio e necessidade de trabalho manual para melhorar o acabamento.
• Dificuldades com certas formas e em retirar material a mais.
• Máquina pouco fiável e peças que absorvem umidade.

Solid Ground Curing (SGC)

• Similar a uma fotocopiadora, cria uma imagem eletroestática da fatia num vidro.
• Esta máscara é aplicada sobre uma resina fotossensível, exposta a raios UV.
• O processo é instantâneo, não necessitando de laser.
• Inclui passos como criar suportes, remover excessos e arrefecer.

Características Técnicas do SGC (Solid Ground Curing)

• Desenvolvido pela Cubital Ltd., com sede em Israel e filiais na Alemanha e EUA.
• Utiliza resina e polímeros fotossensíveis.

Vantagens da SGC (Solid Ground Curing)

• Câmara de grande capacidade e, ao usá-la totalmente, pode ser o processo de prototipagem rápida mais barato.
• Permite construir modelos complexos, mesmo com componentes móveis, sem necessidade de suportes e com duração conhecida.

Desvantagens da SGC (Solid Ground Curing)

• Sistema caro, grande, pesado e barulhento.
• Propenso a avarias e requer pessoal presente.
• Consome e usa materiais caros e não permite modelos descartáveis para fundição.

3D Printing

• Sistema idêntico a uma impressora de jato de tinta, depositando um produto adesivo sobre cerâmica em pó.
• Repete-se para todas as fatias e, no final, remove-se o pó solto.
• Com calor, o modelo ganha características mais sólidas.

Características Técnicas da 3D Printing

• Desenvolvido no MIT pelo Dr. Emanual Sachs em 1992.
• Utiliza pó cerâmico.

Vantagens da 3D Printing

• Aplicação direta na produção de moldes de cerâmica para fundição por carcaça cerâmica.
• Vasta gama de materiais (logo que seja possível ser em pó).
• Tem potencial para ser uma máquina barata e usar materiais baratos.
• Possibilidade de fazer peças bastante complexas
• Possibilidade de usar mais de uma cabeça para aumentar velocidade
• Material normalmente de baixo custo

Desvantagens da 3D Printing

• Máquinas mais recentes
• Estrutura dos modelos muito frágil, especialmente em secções finas
• Remoção do pó de pequenas cavidades pode ser difícil
• Pó de cerâmica precisa de ser estabilizado com pequenas gotas de água
• Fraco acabamento em interiores
• Necessita de tratamento após construção

Outros Processos de Prototipagem Rápida

• Ballistic Particle Manufacture, Shape Metal Deposition, 3D Welding, Holographic Interference Solidification.

Aplicações da Prototipagem Rápida

• Visualização, teste funcional, verificação do produto, otimização, fabricação de moldes, produção e "Reverse Engineering".

Indústria e Prototipagem Rápida

• Utilizada em aeronáutica, automóveis, computadores, bens de consumo, eletrónica, joalharia, arquitetura, materiais, medicina e militar.

Reverse Engineering

• O uso de scanners 3D permite a cópia de peças, recuperação de moldes perdidos, aplicações médicas, fins comerciais, análise de peças intocáveis e "teletransporte".

Custos Associados à Prototipagem Rápida

• Incluem sistema CAD (hardware/software), sistema de prototipagem rápida, manutenção da máquina, consumíveis e preparação do local.