UNIVERSIDADE DO MINHO MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA MECNICA TEORIA DO PROJECTO MECNICO ANO LECTIVO DE 2008-09

PROTOTIPAGEM RPIDA MODELAO POR DEPOSIO DE MATERIAL FUNDIDO (FDM)

N.50144, Amaro Gonalves de Castro

Escola de Engenharia, Guimares, 3 de Julho de 2009

NDICE 1. Resumo ....................................................................................................................................... 1 2. Introduo ................................................................................................................................. 2 3. Prototipagem Rpida por adio de materiais ...................................................................... 3 3.1. Aplicaes da Prototipagem Rpida ........................................................................................... 3 4. FDM Modelao por Deposio de Material Fundido ....................................................... 5 4.1. Equipamento ............................................................................................................................... 7 5. Concluso ................................................................................................................................... 9 6. Referncias ............................................................................................................................... 10 7. Bibliografia e Webgrafia......................................................................................................... 10

1. RESUMOO sucesso de um produto est directamente associado habilidade de uma empresa de identificar as necessidades de um cliente e imediatamente desenvolver produtos de forma a atend-la a um custo competitivo. Para atingir este objectivo, frequentemente necessria a utilizao de modelos fsicos do produto em desenvolvimento. Frente ao actual cenrio mundial, tem se tornado essencial sobrevivncia das empresas, de um modo geral, a diferenciao de seus produtos. Garantir a rpida concepo de um novo produto, com qualidade, custo final reduzido, privilegiando a capacidade de gerar peas, componentes ou qualquer produto com caractersticas tcnicas e ou tecnolgicas inovadoras, podendo ser a sua rpida comercializao determinante e estratgica. Esta realidade levou a procura de novos caminhos que viabilizassem a conquista de mercado. Dentre estes caminhos, cada vez mais se destaca no sector de projectos, a tecnologia de Prototipagem Rpida (RP Rapid Prototyping). A Prototipagem Rpida, uma tecnologia que tem emergindo desde a ltima dcada, trazendo contribuies importantes devido a sua capacidade de reduzir o tempo e o custo do projecto, o que acaba por garantir uma rpida concepo, produo, lanamento e comercializao, tornando-se uma das estratgias a ser utilizada por empresas que pretendam vencer no mercado. Este trabalho tem como principal objectivo detalhar a tecnologia de Prototipagem Rpida denominada Modelao por Deposio de Material Fundido (FDM Fused Deposition Modeling).

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2. INTRODUODentro do processo de desenvolvimento de um produto existem dois momentos distintos: o do design e desenvolvimento e o de projecto. A fase de design diz respeito necessidade de definir quais as aplicaes, usurios, processos e especificaes de um produto aquando do desenvolvimento deste. A fase de projecto diz respeito construo do produto, por vrios meios e prazos definidos. Segundo estes conceitos , ento, de concluir que existe uma sequncia para o processo de desenvolvimento de um produto, podendo ser utilizadas para este efeito as tecnologias de Prototipagem Rpida, quer para a anlise computacional do produto, quer para a compreenso do produto projectado. Frente ao cenrio mundial actual, tem-se tornado essencial sobrevivncia das empresas a diferenciao de seus produtos. Garantir a rpida concepo de um novo produto com qualidade, custo final reduzido, privilegiando a capacidade de gerar peas, componentes ou qualquer produto com caractersticas tcnicas e ou tecnolgicas inovadoras, a sua rpida comercializao pode ser determinante e estratgica. Esta realidade, levou a procura de novos caminhos que viabilizassem a conquista do mercado. Destes caminhos cada vez se destaca mais no sector de projectos a tecnologia de Prototipagem Rpida. A RP muito utilizada na indstria automvel, aeroespacial, nas telecomunicaes, mquinas industriais e em electrodomsticos. No entanto, outras possibilidades de aplicao esto em desenvolvimento, entre as quais o uso deste processo na rea da medicina. A questo do tempo, qualidade e custos juntamente com o aumento da variedade de produtos e da competio entre empresas tm tornado a Prototipagem Rpida parte integrante dos processos de negcios. A necessidade de reduo do tempo de desenvolvimento de um produto tem aumentado substancialmente a procura de uma construo rpida de prottipos fsicos. Tal facto, associado crescente complexidade das peas, torna indispensvel o uso de tcnicas de Prototipagem Rpida para encurtar o tempo de desenvolvimento do produto, descobrir falhas e melhorar a sua qualidade final. O termo "rpida" associado a estas tecnologias relativo, uma vez que, a construo de um prottipo pode levar de 3 a 72 horas, dependendo do tamanho e da complexidade do objecto. No entanto, estes processos so, mesmo assim, mais rpidos que os mtodos tradicionais que podem requerer dias ou mesmo meses para a produo de um nico prottipo. Um prottipo deve exibir a forma, permitir ajustes e ter a funo bsica do produto final. So feitos testes ao seu desempenho, sendo o prottipo redesenhado at se conseguir a performance pretendida. O prottipo serve tambm para se obter uma percepo e avaliao do mercado por meio de demonstraes a potenciais clientes, testes ou pesquisas do mercado. A grande velocidade e variedade de aplicaes da tecnologia informtica permitiram o surgimento e implementao dos sistemas CAD/CAM/CAE, que por sua vez tornaram possveis as anlises de fabricao antes do processo de produo. A Prototipagem Rpida mais um destes sistemas disponveis em tecnologias diferentes. Uma abordagem comum consiste em subdividir as tecnologias de prototipagem em dois grandes grupos: Prototipagem Rpida subtractiva, em que os modelos so obtidos por usinagem de blocos de diversos materiais; Prototipagem Rpida aditiva, que funcionam por adio de material: estereolitografia, SLS, LOM, FDM (sendo nesta que se ir focar o presente trabalho).

O tema do presente trabalho a tecnologia de Prototipagem Rpida denominada Modelao por Deposio de Material Fundido, em ingls Fused Deposition Modeling (FDM). Inicialmente, a tecnologia FDM foi desenvolvida para a indstria mecnica para elaborao de prottipos de peas. Actualmente tem sido aplicada em diversos campos. Quanto competitividade, o processo FDM o segundo processo mais utilizado a seguir Estereolitografia. Este consiste, essencialmente na deposio de um material termoplstico, o qual fornecido cabea extrusora atravs de uma bobine de fio.

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3. PROTOTIPAGEM RPIDA POR ADIO DE MATERIAISActualmente, existem diversos equipamentos que proporcionam a construo de prottipos rpidos por adio de camadas. Estes equipamentos possibilitam a construo de geometrias complexas, sem a necessidade de utilizao de ferramentas de construo tais como moldes, ou seja, os objectos so construdos de forma livre, surgindo assim o termo Solid Freeform Fabrication. O termo Prototipagem Rpida refere-se a uma classe de tecnologias que podem construir automaticamente modelos fsicos a partir de um modelo gerado num sistema CAD. Com estas tecnologias possvel executar testes repetitivos, tais como construir um prottipo, testar, re-projectar, construir e testar novamente. Na construo de uma pea por RP cada tecnologia compartilha dos mesmos passos tcnicos: o computador analisa um slido modelado em ambiente virtual (CAD) e define a fabricao deste objecto atravs de camadas. Estas camadas so, ento, sistematicamente recriadas e combinadas para formar um objecto 3D. Como existem vrios sistemas CAD e, uma vez que estes utilizam formatos diferentes de algoritmos para desenhar a pea, utiliza-se como padro para prototipagem o STL (Stereolithograph - Estereolitografia). Este modelo transforma um modelo CAD ou uma nuvem de pontos numa malha de tringulos, sendo que o arquivo contm as informaes dos vrtices e normas da figura. Esta malha tambm utilizada na anlise de elementos finitos e tambm podem ser criadas por softwares de Engenharia Inversa. Etapas do processo de Prototipagem Rpida: 1. 2. 3. 4. 5. 6. Modelagem no sistema CAD (obteno do modelo 3D); Converso do modelo CAD para o formato STL (linguagem padro para a prototipagem); Verificao da converso (verificar se no houve erros durante a converso); Criao dos suportes (tipos e localizao dos suportes); Orientao da construo (horizontal, vertical); Fatiamento e preparao para construo (parmetros de construo e programa de comando numrico); 7. Construo (execuo do modelo na mquina de estereolitografia); 8. Ps-processamento (retirado dos suportes, limpeza e acabamento superficial).

3.1. APLICAES DA PROTOTIPAGEM RPIDA As tecnologias de prototipagem rpida tm sido constantemente melhoradas, com aumento da qualidade, preciso e do leque de materiais disponveis para a obteno dos prottipos. A aplicao da RP num projecto foi estendida primeiramente para a engenharia, anlise e planeamento, e mais recentemente para etapas de manufactura e ferramentas. A Figura 1 ilustra como esta tcnica tem sido utilizada nos EUA.

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Figura 1 - Aplicaes de prototipagem rpida em diferentes reas nos EUA [1].

A Tabela 1 sintetiza algumas das aplicaes tpicas das tecnologias de RP. A tendncia crescente do uso de prottipos na engenharia, manufactura e fabrico de ferramentas pode ser visualizada pela mudana da demanda nas reas de aplicaes no decorrer dos anos. Adicionalmente, esto a ser desenvolvidos e aperfeioados os processos de fabrico de ferramentas rpido (RT, Rapid Tooling) que visam a produo de moldes-prottipo. Estes so necessrios para obteno de um nmero maior de prottipos quando aplicados avaliao do mercado, ensaios destrutivos e testes de campo. A maioria das tecnologias de RT disponveis utilizada para a obteno de moldes para pequenos ou mdios lotes de peas. Vrios so os sectores industriais que podem se beneficiar do uso das tecnologias de RP e RT, sendo j bastante difundidas na indstria aeroespacial, automobilstica, de bioengenharia (medicina e odontologia), de produtos elctricos e electrnicos (utenslios domsticos), sector de joalharia, artes, arquitectura, entre outros. Observa-se ainda que novos campos de aplicao esto a aparecer medida que aumenta o nmero de profissionais e empresas que tm contacto com estas tecnologias.

Aplicaes Projecto CAD verificao do modelo (especificao do projecto); Visualizao; Aprovao do conceito; Marketing e apresentao do modelo; Engenharia, anlise, planeamento Modelos de forma; Anlise de escoamento; Anlise da distribuio de tenses; Diagnstico e planeamento de uma operao cirrgica; Projecto e fabricao de implantes e prteses. Manufactura e fabrico rpido de ferramentas Peas moldadas em plstico; Fundio (em areia, cera perdida, em molde metlico);

Tabela 1 rea de aplicao tpica de prottipos obtidos por RP [1].

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4. FDM MODELAO POR DEPOSIO DE MATERIAL FUNDIDOO processo de RP que utiliza a tecnologia FDM produz prottipos em plstico ABS (Acrylonitrile Butadyne Styrene), elastmeros e cera. Este processo baseia-se num equipamento com um cabeote (C) provido de dois bicos extrusores (B) aquecidos, que so alimentados por um filamento plstico atravs de uma bobina (A), os quais se movimentam no sentindo horizontal (plano XY), e uma mesa ou plataforma (D) que se movimenta no sentido vertical (eixo Z), conforme mostram as Figuras 2 e 3. O equipamento conectado a um computador, que possui um software para interpretao das imagens padro STL e envia constantemente comandos de construo para o equipamento. O software gera, em cada camada, caminhos pelo qual o bico extrusor deve seguir e depositar o material. Ao final de cada camada a mesa desce e o cabeote extrusor comea a construir a prxima camada, repetindo o procedimento at formar o objecto tridimensional pretendido.

Figura 2 Esquema do equipamento do processo FDM [2].

a) Figura 3 Esquema do processo FDM [3, 4].

b)

Todo este sistema contido numa cmara trmica (forno), que mantm a temperatura muito abaixo do ponto de fuso do plstico (por exemplo, a temperatura de fuso do plstico ABS 270C e a temperatura da cmara de 75C). O bico extrusor, situado no cabeote, aquecido para derreter (fundir) o plstico, o qual tem um mecanismo que permite que o material fundido flua. O bico movido sobre a plataforma numa 5

determinada geometria e deposita um filamento de plstico fundido para formar cada camada. O plstico endurece imediatamente depois de fluir do bico e de ser depositado na camada (Figura 4).

Figura 4 Deposio do material [5].

Para superfcies que ficam suspensas livremente, o software cria suportes para que as mesmas possam ser fabricadas sem problemas pelo bico extrusor. Aps a concluso da pea estes suportes so removidos. por esta razo que existem dois bicos extrusores, um para o material do modelo (plstico ABS) e outro para os suportes (uma mistura de ABS com cal), (Figura 5). O material do suporte facilmente removvel do objecto, uma vez que so materiais solveis em gua, que podem ser removidos simplesmente lavando-se os objectos construdos.

a) b) Figura 5 a) Material para o modelo; b) Material para o suporte [6].

construda uma base para a pea e os suportes. Esta base feita porque a plataforma de apoio uma espuma densa e no possui preciso de paralelismo com o plano de movimentao do cabeote. Feito isto, o sistema pode criar as roads, ou seja, caminhos por onde os bicos extrusores devem seguir e depositar o material para o objecto e para os suportes. Este sistema permite diversos ajustes, como o vazamento do material, espessura da camada e estilo da construo. As roads seguem um padro bsico: primeiramente so feitos os contornos do objecto na camada de trabalho e depois criado um padro em diagonal no qual o caminho feito em cada camada perpendicular camada anterior. A unidade de trabalho da FDM pode ser operada dentro de qualquer ambiente, j que no utiliza nenhum material txico, alm de ser silencioso. Uma das mais conceituadas empresas que comercializa este processo a Stratasys. A Stratasys oferece uma grande variedade de termoplsticos para utilizao nesta tecnologia, nomeadamente ABS, ABS de alta resistncia, ceras e elastmeros. Devido sua resistncia ao impacto, tenacidade, estabilidade a diferentes temperaturas e resistncia qumica, o ABS permite a realizao de prottipos funcionais. As ceras possibilitam a realizao de prottipos com acabamento superficial de elevada qualidade. 6

A seguir apresentam-se algumas vantagens e desvantagens do processo FDM: Vantagens do processo FDM: A fabricao de peas resistentes a testes funcionais. Segundo o fabricante, as peas produzidas pela tecnologia FDM possuem at 75% das caractersticas de uma pea injectada com o mesmo material; Pode ser utilizada em ambientes de escritrio; No requer ps-cura e fornece uma pea limpa; No utiliza laser.

Desvantagens do processo FDM: A velocidade do processo lenta e limitada pela taxa de fluxo do material; A preciso do processo no muito elevada; Necessita da gerao de suporte onde existem superfcies inclinadas; Necessita de ps-processamento para a remoo dos suportes. Para o caso de suportes removveis manualmente, algumas regies pequenas e de difcil acesso podem dificultar ou at impedir a remoo completa; No possibilita uma grande variedade de materiais.

4.1. EQUIPAMENTOS Em seguida so demonstrados alguns sistemas do processo FDM (Figura 6) de uma linha avanada de produtos chamada Focus 3D Production Systems fabricados pela empresa Stratasys e algumas das suas caractersticas (Tabelas 2 e 3).

Figura 6 Sistemas do processo FDM [7].

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Sistema Fortus 200mc Fortus 360mc Fortus 400mc Fortus 900mc

Rendimento

Volume (in3)

Exactido

Materiais

Tabela 2 Comparao dos sistemas Fortus [7].

Sistema Fortus 200mc Fortus 360mc Fortus 400mc Fortus 900mc

Modelao conceptual

Prototipagem funcional

Fabrico e ferramentas de montagem

Utilizao final de peas

Tabela 3 Aplicaes dos sistemas Fortus [7].

A ttulo de exemplo o sistema Fortus 200mc, com cmara de 203 x 203 x 305 mm, custa aproximadamente 14.300,00 .

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5. CONCLUSOActualmente o termo Prototipagem Rpida tem-se tornado mais usual e adequado a todo o tipo de prototipagem de rpida execuo, uma vez que permite o encurtamento dos prazos de um projecto e uma melhor proximidade pea final pretendida, permitindo assim a deteco de falhas estruturais na concepo dos produtos. Permite ainda a apresentao da geometria da pea em CAD 3D com preciso aprecivel, a qual possibilita a execuo de testes repetitivos, tais como construir um prottipo, testar, re-projectar, construir e testar novamente. O processo FDM permite a obteno de prottipos com grande exactido, alta resistncia e elevado rendimento. No entanto, o custo de produo elevado no s devido aos materiais termoplsticos utilizados para a modelao, mas tambm devido ao custo do equipamento. Este processo pode ser operado em qualquer ambiente, uma vez que no utiliza nenhum material txico e bastante silencioso.

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6. REFERNCIAS [1] ECKHARDT, M., Integrao da prototipagem na elaborao do produto (2008). [2] people.moreheadstate.edu [3] www.cimject.ufsc.br [4] ALMEIDA, G., Avaliao Comparativa das Tecnologias de Prototipagem Rpida (2008), Universidade Federal do Rio de Janeiro. [5] www.emeraldinsight.com [6] www.carlosmello.unifei.edu.br/Documentos/EPR401/Slide_Aula%2010_EPR401_2008.pdf [7] www.fortus.com/

7. BIBLIOGRAFIA E WEBGRAFIA CAPUANO, E.; CARVALHO, MARLY M., Prototipagem Rpida: a escolha da tecnologia PR mais adequada estratgia para o desenvolvimento de produtos. CARVALHO, A., Prototipagem na odontologia: obteno e uso (2007), 10 Congresso Internacional de Tcnicos em Prtese Dentria. DEMENICIS, L. (2006), Construo e Anlise de Clula Robtica para Usinagem de Modelos Tridimensionais Aplicados a Estruturas Navais, Rio de Janeiro. MELLO, CARLOS H. P.; SILVA, CARLOS E. S.; COSTA, SEBASTIO C. (2006), Comparao de trs diferentes tecnologias de prototipagem rpida em relao a critrios de custo e tempo, XXI ENEGEP, Fortaleza, Brasil. PARRA, B. ROSA; MARTINS, RAFAEL M., Proposta de Metodologia para Formao de Preo de Pea Fabricada pela Tecnologia FDM de Prototipagem Rpida, Universidade Federal de Itajub. www.cimm.com.br/ www.stratasys.com

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