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Universidade Federal do Rio de Janeiro
AVALIAÇÃO COMPARATIVA DAS TECNOLOGIAS DE PROTOTIPAGEM RÁPIDA
Guilherme Lorenzoni de Almeida
2008
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COPPE/UFRJCOPPE/UFRJ
AVALIAÇÃO COMPARATIVA DAS TECNOLOGIAS DE PROTOTIPAGEM RÁPIDA
Guilherme Lorenzoni de Almeida
Dissertação de Mestrado apresentada ao
Programa de Pós-graduação em Engenharia
Civil, COPPE, da Universidade Federal do Rio
de Janeiro, como parte dos requisitos
necessários à obtenção do título de Mestre em
Engenharia Civil.
Orientador: José Luis Drummond Alves
Rio de Janeiro
Setembro de 2008
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AVALIAÇÃO COMPARATIVA DAS TECNOLOGIAS DE PROTOTIPAGEM RÁPIDA
Guilherme Lorenzoni de Almeida
DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO
LUIZ COIMBRA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA DE ENGENHARIA (COPPE)
DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS
REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM
CIÊNCIAS EM ENGENHARIA CIVIL.
Aprovada por:
____________________________________
Prof. José Luis Drummond Alves, D.Sc.
____________________________________
Prof. Luiz Landau, D.Sc.
____________________________________
Prof. Gerson Gomes Cunha, D.Sc.
____________________________________
Prof. Antônio Carlos de Abreu Mol, D. Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
SETEMBRO DE 2008
iii
Almeida, Guilherme Lorenzoni de
Avaliação Comparativa das Tecnologias de
Prototipagem Rápida/ Guilherme Lorenzoni de Almeida. -
Rio Janeiro: UFRJ/ COPPE, 2008.
XIII, 118 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: José Luis Drummond Alves
Dissertação – UFRJ/ COPPE/ Programa de Engenharia
Civil, 2008.
Referências Bibliográficas: p. 113-115.
1. Tecnologias de Prototipagem Rápida. 2. Modelagem
Tridimensional. 3. Protótipos. I. Alves, José Luis Drummond.
II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE,
Programa de Engenharia Civil. III. Título.
iv
Aos meus pais Dagberto e Marlene, à minha querida Flávia, ao meu irmão
Alexandre e aos meus amigos do INT.
v
À memória dos meus pais Dagberto Sayão de Almeida e Marlene Lorenzoni de
Almeida.
vi
AGRADECIMENTOS
Ao concluir este trabalho gostaria de externar meu agradecimento a todos
aqueles que contribuíram, de alguma maneira, para a sua realização. Gostaria de
agradecer, em especial:
À Diretoria do Instituto Nacional de Tecnologia – INT, onde trabalho, pelo
estímulo e apoio oferecidos para que esta tese fosse realizada. Agradeço
particularmente ao Diretor do INT, Domingos Manfredi Naveiro.
Aos meus orientadores, José Alves e Gerson Cunha, pela dedicação,
paciência e confiança no desenvolvimento da tese.
Aos amigos da Divisão de Desenho Industrial – DvDI/INT representados pelo
chefe da Divisão, Álvaro Guimarães de Almeida, pela compreensão e flexibilidade
durante todo o período.
Agradeço especialmente à amiga de trabalho Flávia Pastura que muito me
auxiliou em todas as etapas do desenvolvimento da tese.
Aos funcionários da COPPE, em especial à Beth e o Jairo da secretaria, que
sempre me ajudaram, sendo sempre solícitos na resolução dos problemas
burocráticos e em todos os problemas dos Mestrandos e Doutorandos
desesperados ao final da tese.
vii
Resumo da Dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos
necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)
AVALIAÇÃO COMPARATIVA DAS TECNOLOGIAS DE PROTOTIPAGEM RÁPIDA
Guilherme Lorenzoni de Almeida
Setembro / 2008
Orientador: José Luis Drummond Alves
Programa: Engenharia Civil
Este trabalho descreve algumas das principais tecnologias de
prototipagem rápida que possibilitam a construção física de objetos virtuais
tridimensionais que apresentem qualquer geometria, dispensando moldes e
ferramentas, pois essas tecnologias utilizam as informações geométricas do modelo a
ser fabricado diretamente do sistema CAD (Computer Aided Design) ou projeto
auxiliado por computador. Procura apresentar as possibilidades de “impressão
tridimensional” atualmente disponíveis no mercado, levando em consideração as
diversas finalidades da construção de um protótipo como a avaliação da forma, a
avaliação dimensional e a avaliação funcional. O objetivo é desmistificar essas
tecnologias e demonstrar como essas já estão ao nosso alcance, comparando custos
de execução, características dos diferentes materiais de construção e suas aplicações,
níveis de resolução de impressão e tipos de acabamento possíveis, ou seja, que esta
pesquisa possa orientar futuros usuários na escolha da tecnologia de prototipagem
rápida mais adequada para o desenvolvimento de seus produtos.
viii
Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)
RAPID PROTOTYPING TECNOLOGY COMPARATIVE ANALYSIS
Guilherme Lorenzoni de Almeida
September / 2008
Advisors: José Luis Drummond Alves
Department: Civil Engineering
This monography describes some of the main technologies of rapid
prototyping that enables physical construction of virtual three-dimensional objects
with any geometry and no need for molding and tooling, as the equipment uses
geometric information from the object to be made, directly from CAD system
(Computer Aided Design). It is presented the possibilities of "three-dimensional
printing" currently available, taking into account the various purposes of building a
prototype, for example, evaluation form, dimensional evaluation and functional
evaluation. The goal is to demystify those technologies and show how their
availability, comparing implementation costs of each technology, different materials
characteristics and their applications, printing resolution levels and finishing
available. That the research may guide future users on choosing the more adequate
technology for product development.
ix
SUMÁRIO
1 Introdução..................................................................................................................1
1.1 Considerações iniciais / Motivação.................................................................1
1.2 Objetivos........................................................................................................2
1.2.1 Gerais .........................................................................................................2
1.2.2 Específicos..................................................................................................2
2 Prototipagem Rápida.................................................................................................4
2.1 Introdução......................................................................................................4
2.1.1 Definição.....................................................................................................5
2.1.2 Princípios do Processo de Construção........................................................9
2.1.3 O Arquivo de Formato STL........................................................................11
2.1.4 Parâmetros de Exportação do Arquivo STL ..............................................16
2.1.5 Resolução do Formato STL.......................................................................17
2.1.6 O Efeito Escada ........................................................................................19
2.1.7 Precisão Absoluta ..................................................................................... 21
2.1.8 A Orientação do Modelo em Relação à Plataforma Horizontal do.............22
Equipamento de Prototipagem
2.1.9 Planejamento do Processo de RP.............................................................25
3 Processos de Prototipagem Rápida.........................................................................31
3.1 Estereolitografia – SL (stereolithography).....................................................32
3.2 Impressão Tridimensional – 3DP (3D Printing)............................................. 35
3.3 Modelagem por Fusão e Deposição – FDM (Fused Deposition Modeling) ... 37
3.4 Sinterização Seletiva a Laser - SLS (SLS – Selected Laser Sintering).........40
3.5 Impressão a Jato de Tinta IJP (Benchtop)....................................................43
3.6 Manufatura de Objetos Laminados - LOM (Laminated Object Manufaturing)47
3.7 Impressão por Jato de Tinta (Thermojet)...................................................... 49
x
3.8 Cura Sólida na Base - SCG (Solid Ground Curing) ...................................... 51
3.9 Fabricação da Forma Final a Laser - LENS.................................................. 52
(Laser Enginnered Net Shaping)
3.10 Usinagem Controlada por Computador...................................................... 56
3.10.1 Usinagem a Laser................................................................................... 59
4 Avaliação das Tecnologias de Prototipagem Rápida ...............................................61
4.1 Avaliação Comparativa das Tecnologias 3DP, SLA e FDM quanto a...........62
Critérios de Custo e Tempo
4.2 Ensaios Mecânicos dos Materiais e Aferição Dimensional dos Corpos.........68
de Prova realizados no Laboratório de Tecnologia de Materiais Poliméricos do
INT
4.2.1 Ensaio de Dureza........................................................................................68
4.2.2 Ensaio de Tração.........................................................................................69
4.2.3 Aferição Dimensional dos Corpos de Prova................................................71
4.2.4 Resultados da Aferição Dimensional dos Corpos de Prova e dos..............73
Ensaios de Tração das Seis Amostras
4.2.4.1 Tecnologia: FDM / Material: plástico ABS................................................73
4.2.4.2 Tecnologia: SLA / Material: Resina Epóxi fotossensível - Acura SI50.....75
4.2.4.3 Tecnologia: 3D Print Z Corp / Material: Composite..................................78
4.2.4.4 Tecnologia: Fresadora Tridimensional (CNC) / Material: Acrílico.............80
4.2.4.5 Tecnologia: Fresadora Tridimensional (CNC) / Material: Ren..................82
Shape (poliuretano de alta densidade)
4.3 Quadro Geral dos Resultados dos Ensaios Mecânicos.................................84
– Tensão e Dureza – e da Aferição Dimensional dos Corpos de Prova
xi
5 Estudo de Caso.......................................................................................................85
5.1 Utilização da Prototipagem Rápida em Medicina e Paleontologia................85
5.2 Utilização da Prototipagem Rápida em Pesquisa Científica .........................89
5.3 Utilização da Prototipagem Rápida no Desenvolvimento de Produto ...........95
6 Considerações Finais ............................................................................................ 111
7 Referências Bibliográficas......................................................................................113
8 Sites Relacionados ..................................................................................................116
Anexo 1: Fábrica de órgãos......................................................................................117
xii
LISTA DE SIGLAS E SÍMBOLOS
Siglas e
Símbolos
Inglês Português
3DP 3D Printing Impressão Tridimensional
CAD Computer Aided Design Projeto Auxiliado por Computador
CAE Computer Aided Engineering Engenharia Auxiliada por
Computador
CAM Computer Aided Manufacturing Manufatura Auxiliada por
Computador
CATE Computer Aided Tissue
Engineering
Engenharia de Tecidos “Ósseos”
Auxiliada por Computador
CN Numerical Control (NC) Comando Numérico
CNC Computerized Numerical Control
Comando Numérico
Computadorizado
CT Computer Tomography Tomografia Computadorizada (TC)
DICOM Digital Imaging and
Communication in Medicine
Imagem Digital e Comunicação na
Medicina
FDM Fused Deposition Modeling Modelagem por Fusão e Deposição
IGES Initial Graphics Exchange
Specification
Especificação inicial de troca gráfica
LOM Laminated Object Manufaturing Manufatura de Objetos Laminados
LENS Laser Enginnered Net Shaping Fabricação da Forma Final a laser
MMC Coordinate Measuring Machine
(CMM)
Máquina de Medir por Coordenadas
MSHCT Multi-Slice Helical Computer
Tomography
MRI Magnetic Ressonance Imaging Ressonância Nuclear Magnética
(RNM)
xiii
LISTA DE SIGLAS E SÍMBOLOS
Siglas e
Símbolos
Inglês Português
NURBS Nonuniform Rational B-Splines
PET Positron Emission Tomography Tomografia por Emissão de Pósitrons
PMMA Polymethylmethacrylate Polimetilmetacrilato
RE Reverse Engineering Engenharia Reversa (ER)
RP Rapid Prototyping Prototipagem Rápida (PR)
SCG Solid Ground Curing Cura Sólida na Base
SL StereoLithography Estereolitografia
SLA StereoLithography Apparatus Aparelho de Estereolitografia
SLS Selected Laser Sintering Sinterização Seletiva a Laser
STL Stereolithography Estereolitografia
TE Tissue Engineering Engenharia de Tecidos Ósseos
US Ultrasound Ultrassonografia (USG)
ap [mm] Depth of Cut Profundidade de Corte
Tc [min] Cutting Time Tempo de corte
Vc [m/min] Cutting Speed Velocidade de Corte
Vf [m/min] Feed Rate Velocidade de Avanço
1
1 INTRODUÇÃO
1.1 Considerações Iniciais / Motivação
Gostaria de iniciar esse trabalho apresentando as motivações para escrever
sobre esse fascinante tema. Desde 1999 trabalho no Laboratório de Modelos
Tridimensionais da Divisão de Desenho Industrial do Instituto Nacional de
Tecnologia/MCT com softwares de modelagem tridimensional e equipamentos de
prototipagem rápida utilizados para o desenvolvimento de protótipos e de novos
produtos. A divulgação dessas tecnologias e conseqüentemente a oferta desses
serviços fizeram surgir um novo perfil de cliente interessado em utilizar a “impressão
tridimensional” como alternativa para a construção de protótipos. Esse público é
formado principalmente por instituições de pesquisa e ensino, pequenas e médias
empresas, profissionais liberais, escritórios de Design e alunos de cursos superiores
tais como Desenho Industrial e Engenharia e de cursos de especialização tais como o
curso de Modelagem de Jóias oferecido pela PUC/RJ.
No desenvolvimento desse trabalho, além da modelagem virtual e da
prototipagem física de produtos, uma das tarefas é receber os arquivos de modelos
tridimensionais enviados por esses clientes, avaliá-los, corrigi-los, caso seja
necessário, e finalmente prototipá-los nos mais diversos equipamentos. Desse modo,
percebemos a dificuldade da maioria das pessoas que buscam esse tipo de serviço na
elaboração de arquivos corretos, ou seja, arquivos que contenham modelos
tridimensionais virtuais sólidos que possam ser exportados para os softwares que
preparam o processo de construção e que controlam as máquinas de prototipagem
rápida. Além disso, existe o desconhecimento quanto às características dos materiais
disponíveis para cada tecnologia e, portanto, quanto às possibilidades desses
materiais, tais como, resistência mecânica, possibilidade de aplicação de cor, níveis de
acabamento superficiais etc.
Espero que essa dissertação possa contribuir para uma melhor compreensão
das tecnologias de prototipagem rápida, considerando a carência de publicações
específicas sobre o tema em nosso idioma.
2
1.2 Objetivos
1.2.1 Gerais
Os objetivos gerais deste trabalho são:
- Apresentar as tecnologias de prototipagem rápida atualmente mais
representativas;
- Demonstrar as etapas do processo de obtenção de modelos tridimensionais
físicos por meio das tecnologias de prototipagem rápida;
- Desmistificar as tecnologias de prototipagem rápida e demostrar como essas
tecnologias já estão ao nosso alcance, comparando custos de execução,
características dos diferentes materiais de construção, aplicações e tipos de
acabamento possíveis, ou seja, que esta pesquisa possa orientar futuros usuários na
escolha da tecnologia de prototipagem rápida mais adequada para o desenvolvimento
de seus produtos.
1.2.2 Específicos
Os objetivos específicos deste trabalho são:
1. Comparar as tecnologias de prototipagem rápida disponíveis no Laboratório
de Modelos Tridimensionais do Instituto Nacional de Tecnologia (LAMOT/INT).
2. Elaborar um modelo com padrões dimensionais precisos, denominado
“corpo de prova”, que será modelado virtualmente e fisicamente prototipado nas
tecnologias de prototipagem rápida do LAMOT/INT - 3D Systems Viper SLA Si2; Zcorp
3D Color Printing; Stratasys FDM Vantage e Roland MDX 650 Fresadora CNC – de
modo que essas tecnologias possam ser avaliadas e comparadas;
3. Avaliar a resistência mecânica dos corpos de prova – ensaios de dureza e
de tração;
4. Apurar e comparar o tempo de construção de modelos tridimensionais
similares nas diversas tecnologias de prototipagem rápida do LAMOT/INT;
3
O texto desta dissertação está assim organizado:
No capítulo 1 foram apresentados os objetivos desse trabalho e os motivos que
levaram a escolha do tema.
No capítulo 2 são apresentados os conceitos que definem o processo de
prototipagem rápida; são citados os princípios de construção de modelos
tridimensionais e apresentadas vantagens e desvantagens dessas tecnologias quando
comparadas a outros processos de fabricação. Nesse capítulo são ainda apresentados
alguns parâmetros de exportação dos arquivos STL e características que devem ser
observadas na preparação dos arquivos a serem enviados para as máquinas de
prototipagem.
No capítulo 3 são apresentados os diferentes processos de prototipagem
rápida, segundo sua classificação: processos baseados em líquido, processos
baseados em sólido e processos baseados em pó. Também são descritas as mais
importantes tecnologias comercialmente difundidas.
No capítulo 4 são apresentados: uma avaliação comparativa das tecnologias
de prototipagem rápida disponíveis no LAMOT/ INT, a aferição dimensional dos corpos
de prova, os ensaios mecânicos (dureza e tração) dos materiais prototipados e os
resultados obtidos.
No capítulo 5 são apresentadas algumas aplicações da prototipagem rápida na
Medicina e na Paleontologia, além de um estudo de caso de utilização da RP no
desenvolvimento de um produto industrial.
No capítulo 6 são apresentadas as considerações finas e a conclusão do
trabalho.
4
2 PROTIPAGEM RÁPIDA (RP)
2.1 Introdução
Em agosto de 1984, Charles W. Hull, responsável pela área de Engenharia da
UVP (Ultra-Violet Products) Inc. de San Gabriel / Califórnia, depositou um pedido de
patente para um equipamento de produção de objetos tridimensionais por
estereolitografia. Essa patente descrevia a tecnologia de base para a primeira
máquina de fabricação industrial de modelos e protótipos do mundo, o equipamento
esteriolitográfico ou “SLA” (Stereo Litography Aparatus), apresentado em novembro de
1987 pela 3D systems, hoje uma das grandes empresas fabricantes e fornecedoras de
equipamentos de prototipagem rápida, formada a partir da UVP em 1986.
Segundo SANTOS (1999), SLA foi a primeira máquina de fabricação industrial
de modelos e protótipos, mas não a primeira utilizada industrialmente. Esse mérito
pertence a Efrem V. Fudin, imigrante russo em Milwaukee, Wisconsin / EUA. A revista
Machine Design de março de 1986 publicou um artigo de Fudin denominado “Esculpir
com a luz”, no qual o autor fornecia detalhes técnicos sobre seu processo de lâmpada
mascarada. Nesse artigo ele descrevia um método de fabricação de modelos
anatômicos tridimensionais onde uma seção desejada da anatomia do paciente era
obtida a partir de uma série de cópias de imagens tomográficas. As imagens eram
utilizadas como máscaras em um processo fotográfico para produzir camadas que
eram fundidas para formar o modelo desejado. A curiosidade levantada a partir do
artigo fez com que a nova empresa de Fudin, Light Sculpting, pudesse fornecer
objetos fabricados com seu sistema para algumas indústrias.
Segundo BEAL, V. E., (2002) no final da década de 80, surgiram os resultados
das primeiras pesquisas que buscavam desenvolver tecnologias capazes de produzir
objetos diretamente de um modelo tridimensional desenvolvido em um programa CAD
(Computer Aided Design). Essas tecnologias tornaram-se conhecidas como
“Prototipagem Rápida", pois fabricam objetos que visavam, inicialmente, auxiliar
equipes de engenharia simultânea na visualização, montagem e teste de produtos,
acelerando o processo de desenvolvimento. Atualmente, existe uma grande discussão
quanto a uma definição mais apropriada, uma vez que os objetos construídos não são
necessariamente protótipos.
5
2.1.1 Definição
O termo prototipagem rápida (RP) designa um conjunto de tecnologias
utilizadas para se fabricar objetos físicos a partir de fontes de dados gerados por
sistemas de projeto auxiliado por computador (CAD). Tais tecnologias são bastante
peculiares, uma vez que elas agregam e fundem materiais, camada a camada, de
modo a constituir o objeto tridimensional desejado. Essas tecnologias também são
conhecidas pelos nomes: produção aditiva, impressão tridimensional, produção de
forma sólida livre (solid freeform fabrication), produção em camadas (layer
manufacturig), manufatura acrescendo material (material incress manufacturing) e
manufatura de bancada (desktop manufacturing), porém o nome original tem
prevalecido (VOLPATO, N. et al., 2007).
Todo processo de manufatura que proporcione a fabricação de objetos
tridimensionais a partir de um modelo CAD com o auxílio de um sistema CAM
(Computer Aided Manufacturing) em um curto espaço de tempo, incluindo o tempo de
programação CAM, pode ser considerado um processo de prototipagem rápida. Nesse
contexto podem ser citadas como algumas das principais tecnologias a
Estereolitografia (SL), a Modelagem por Fusão e Deposição (FDM), a Sinterização
Seletiva a Laser (SLS), a Thermojet, a Fabricação de Objetos Laminados (LOM), a
Impressão Tridimensional (3DP), a Usinagem à Alta Velocidade (HSC), a Usinagem a
laser, dentre outras.
O processo de prototipagem rápida é um processo "aditivo", combinando
camadas de papel, resina, cera, metal ou plástico para se criar um objeto sólido. A
natureza aditiva desse processo permite a criação de objetos com geometrias internas
complexas que não podem ser obtidas por meio de outros processos como, por
exemplo, o fresamento, a furação, o torneamento e a eletro-erosão, que são
processos "subtrativos", ou seja, removem o material a partir de um bloco sólido.
Existe uma discussão entre as comunidades internacionais que consideram
prototipagem rápida como sendo apenas os processos de fabricação por adição
sucessiva de camadas bidimensionais (LMT- Layer Manufacturing Technologies), ou
seja, os processos aditivos; não sendo consideradas como tecnologias de RP os
processos de remoção de material ou processos subtrativos, porém essa afirmação
ainda não é um consenso.
A prototipagem rápida oferece vantagens quando comparada aos processos de
fabricação clássicos baseados em remoção de material, pois permite aos projetistas
6
criar rapidamente protótipos tridimensionais físicos complexos a partir de seus
projetos, ao invés de modelos bidimensionais. Esses protótipos possuem diversas
finalidades: constituem-se em um meio para a discussão do projeto dentro da equipe;
tornam-se um excelente auxílio visual na apresentação do projeto aos clientes; podem
permitir testes prévios como, por exemplo, ensaios em túnel de vento para
componentes aeronáuticos ou análise foto-elástica para verificação de pontos de
concentração de tensões na peça.
A verdade é que os projetistas sempre construíram protótipos; os processos de
prototipagem rápida permitem que estes sejam feitos mais depressa e de forma mais
barata. Estima-se que a economia de tempo e de custos proporcionada pela aplicação
das técnicas de prototipagem rápida na construção de modelos seja da ordem de 70 a
90% (VOLPATO, N. et al., 2007).
A prototipagem rápida também pode ser utilizada na fabricação de moldes ou
ferramental protótipo, essa possibilidade deu origem a um processo conhecido como
ferramental rápido (RT de Rapid Tooling), ou seja, a fabricação automática de moldes
para a produção de peças em série; porém, vale salientar que esses moldes gerados
por RP não conseguem substituir os moldes definitivos feitos em metal.
A produção de ferramentas (moldes e matrizes) é uma das etapas mais lentas
e caras no processo de manufatura, em função da qualidade extremamente alta
exigida. Ferramentas geralmente apresentam geometrias complexas e precisam ser
dimensionalmente precisas, em torno de centésimos de milímetro. Além disso, devem
ser duras, resistentes ao desgaste e apresentar baixa rugosidade. Por esses motivos,
ferramentas são tradicionalmente fabricadas por usinagem CNC, eletro-erosão ou
manualmente. Todos esses processos são caros e demorados, o que torna a
implementação das técnicas de prototipagem rápida uma boa alternativa. Estima-se
que a prototipagem rápida permita economizar 75% do tempo e dos custos envolvidos
na fabricação de ferramentas (VOLPATO, N. et al., 2007).
As técnicas de prototipagem rápida também permitem a obtenção de peças
com o mesmo nível de qualidade da produção seriada, na chamada manufatura
rápida. Na verdade essa tecnologia é o melhor processo de manufatura quando se
quer produzir pequenos lotes de peças e/ou componentes de geometria complexa.
O termo "rápido" associado a esses processos é relativo. A construção de um
protótipo pode levar de 3 a 72 horas, dependendo do tamanho e da complexidade do
objeto. Ainda assim esses processos são bem mais rápidos que os métodos
7
tradicionais que podem requerer dias ou mesmo meses para a produção de um único
protótipo.
Segundo VOLPATO, N. et al., (2007), as vantagens e desvantagens da
prototipagem rápida (RP) quando comparada a outros processos de fabricação, em
especial com a usinagem CNC, podem ser sintetizadas como:
Vantagens:
• Independência da complexidade geométrica da peça. Geometrias normalmente
impossíveis de serem fabricadas por outros processos podem ser obtidas por RP;
• Não requer dispositivo ou ferramental especial para fixação. Geralmente as peças
são fixadas nas plataformas de construção por suportes criados pela própria
tecnologia;
• Não é necessária a troca de ferramentas de trabalho. Normalmente, um único meio
de processamento do material é utilizado, do início ao fim do processo;
• A peça é fabricada em uma única etapa de processo. Um único equipamento é
necessário para construir a peça do início ao fim;
• Não são necessários cálculos complexos de trajetórias de ferramentas. O
planejamento do processo é bastante simplificado, pois se reduz basicamente a
cálculos de trajetórias no plano bidimensional (2D) e, por isso, é realizado de forma
praticamente automática por sistemas dedicados;
• Menor tempo e menor custo de obtenção de protótipos, principalmente no caso dos
modelos que apresentam geometrias mais complexas.
Desvantagens:
• Os materiais de construção e suas propriedades mecânicas não são as mesmas
dos metais e plásticos geralmente utilizados no produto final. Somente alguns
materiais, desenvolvidos especificamente para cada uma das tecnologias, podem
ser empregados nos processos e, devido ao fato da fabricação ser por adição de
camadas, o material possui uma certa anisotropia
1
. Esse fato implica em limitações
na aplicação das peças produzidas por esses processos.
• A precisão e o acabamento superficial são inferiores aos das peças obtidas por
usinagem. Pelo fato da peça ser construída pela adição de camadas planas, uma
8
característica da sua superfície é o serrilhado decorrente do efeito-escada em
regiões inclinadas e curvas. Esse efeito provoca um desvio da geometria da peça
modelada no CAD, que é inerente ao processo de RP;
• Devido ao custo envolvido, existe uma limitação na quantidade de protótipos que
podem ser produzidos com os sistemas de RP atuais;
• Em virtude da natureza térmica/química de alguns processos, problemas como
distorções, empenos, dilatações e retrações podem ser observadas em alguns
processos. Esses problemas vem sendo minimizados nos últimos
desenvolvimentos das tecnologias de RP.
1
Anisotropia: é uma das principais características dos sistemas de prototipagem rápida, o que implica em que o
material do protótipo possui diferentes propriedades mecânicas para cada eixo de construção. A anisotropia é bastante
pronunciada no eixo Z de construção afetando fortemente o desempenho do protótipo nesta direção.
9
2.1.2 Princípios do Processo de Construção
O primeiro passo consiste na obtenção de uma representação tridimensional
do objeto a ser construído, a partir de um software CAD. O arquivo gerado é exportado
no formato STL (STereoLithography), representação aproximada do objeto em malha
triangular, para o software dedicado à máquina de prototipagem onde será secionado
em fatias com aproximadamente 0,1 mm de espessura, paralelas entre si e
perpendiculares ao eixo de construção Z. Na seqüência, o software processa a
trajetória da ferramenta de modo bidimensional nos eixos X e Y, para cada uma das
fatias (camadas), calcula e gera os suportes necessários. O arquivo gerado é então
armazenado e posteriormente enviado para a máquina de prototipagem rápida. A
máquina inicia a fabricação do objeto tridimensional pela adição das camadas
bidimensionais, onde cada camada construída é adicionada à camada anterior (ver
figura 1).
Figura 1: etapas do processo de construção de um objeto por meio da prototipagem rápida
Fonte: 3D Systems
Uma característica marcante da maioria dos processos de prototipagem rápida
é a presença do efeito-escada, causado pela sobreposição das camadas de
construção. Quanto mais finas essas camadas, menor será o efeito-escada. Para
reduzir esse efeito, geralmente são realizadas operações de pós-processamento,
como lixamento ou jateamento com material abrasivo e recobrimento da superfície da
peça.
Existem diversas características físicas que distinguem os protótipos tais como,
a precisão, a qualidade superficial, o material de construção, as operações de
10
acabamento, o tempo de fabricação e a espessura das camadas. Essas
características serão detalhadas nos capítulos seguintes.
Em resumo, pode-se dizer que os processos de prototipagem rápida
atualmente existentes são constituídos por cinco etapas (ver figura 2):
1 - Criação de um modelo em CAD do objeto que está sendo projetado;
2 - Conversão do arquivo CAD em formato STL;
3 - Fatiamento do arquivo STL em finas camadas transversais;
4 - Construção do modelo físico, empilhando-se uma camada sobre a outra;
5 - Limpeza e acabamento ou pós-processamento do protótipo.
Modelo em CAD 3D Modelo em arquivo STL Planos transversais de
fatiamento
Interseção de um plano de Prototipagem da
fatia gerada Adição sucessiva de
fatiamento camadas
Figura 2: etapas dos processos de prototipagem rápida
(Fonte: adaptado do CIMJECT)
11
Cada processo de prototipagem rápida possui uma etapa de pós-
processamento ao final da construção do objeto. Cabe apenas decidir os níveis de
acabamento que se pretende alcançar.
2.1.3 O Arquivo de Formato STL
O arquivo STL foi desenvolvido em 1988 pela Albert Consulting Group a pedido
da 3D Systems (EUA). Esse formato se caracteriza por ser uma forma simples e
robusta de representar modelos tridimensionais por meio de um conjunto de triângulos
irregulares, que formam uma malha recobrindo todas as superfícies do objeto
(VOLPATO, N., 2007). O arquivo STL é um formato padrão utilizado para gerar
informações necessárias para a construção de modelos tridimensionais físicos na
maioria dos equipamenttos de Prototipagem Rápida (RP) e implementados na maioria
dos sistemas CAD 3D conhecidos.
A extensão "STL" é derivada da palavra "Estereolitografia", mas se
considerarmos uma definição mais abrangente, o arquivo STL é uma representação
em malha triangular de um objeto 3D, onde a superfície do objeto é representada por
uma série não ordenada de triângulos irregulares (ver figura 3). Cada triângulo é
definido por um vetor normal e por três pontos representando seus vértices no espaço
em coordenadas cartesianas X, Y e Z (ver figura 4).
Lista dos vértices dos triângulos:
Vértice 1: x1 y1 z1
Vértice 2: x2 y2 z2
.
.
Série não ordenada dos triângulos
irregulares:
1 2 5
1 5 9
9 5 7
.
.
Figura 3: Malha triangular de um objeto 3D. A superfície do objeto é representada
por uma série não ordenada de triângulos irregulares (SHU, C., 2008).
12
Figura 4: Cada triângulo da malha é definido por um vetor normal e por seus
vértices no espaço em coordenadas cartesianas X, Y e Z
Se muitos triângulos são formados o arquivo STL pode se tornar muito pesado,
porém o objeto representado estará mais bem definido, com alta resolução; caso
contrário, com baixa resolução, o arquivo STL será mais leve, mas o objeto
representado ficará muito facetado, as áreas curvas não estarão devidamente
definidas e, conseqüentemente, não representarão o objeto 3D original ( figuras 5 e 6).
Figura 5: arquivo STL com alta resolução Figura 6: arquivo STL com baixa resolução.
O objeto se apresenta demasiadamente
facetado
13
Um “bom” arquivo STL deve obedecer a duas regras básicas:
- A primeira regra estabelece que triângulos adjacentes devem apresentar dois
vértices em comum e que as arestas de cada um desses triângulos devem ter o
mesmo comprimento (ver figuras 7 e 8).
Figura 7: triângulos adjacentes com vértices em comum e arestas com o mesmo comprimento
Fonte: VOLPATO, N., 2007.
Figura 8: malha triangular com uma boa construção de triângulos adjacentes
Fonte: SHU, C., 2008.
- A segunda regra diz respeito à orientação dos triângulos, ou seja, a direção do vetor
normal que representa a superfície externa de cada triângulo e dos modelos
tridimensionais por eles representados. A orientação é determinada pelos vértices e
14
pelo vetor normal que devem seguir a mesma direção. Cada elemento triangular da
malha STL é independente e possui um único vetor normal “apontando” para o lado
externo da superfície (ver figura 9).
Figura 9: A direção do vetor normal determina para o equipamento de
prototipagem
as superfícies externas do objeto
Fonte: VOLPATO, N. et al., 2007
Em determinados softwares de modelagem 3D, tais como o Rhinocerus 3D, a
superfície interna e externa do objeto são diferenciadas por cor para facilitar a
identificação da direção dos vetores normais.
Se alguma dessas regras não é observada o arquivo STL apresenta
problemas. Pequenas lacunas e incoerências normalmente podem ser corrigidas por
softwares específicos para o tratamento de arquivos STL. Entretanto, problemas
maiores ou mais significativos exigem que o modelo em CAD seja revisado no
software onde originalmente foi desenvolvido para que se realizem as modificações
necessárias e o arquivo possa ser novamente exportado, com as correções realizadas
(ver figuras 10 e 11).
15
Figura 10: erro na construção da malha poligonal Figura 11: correção feita na malha poligonal
Fonte: SHU, C., 2008
Na figura 12 abaixo, pode-se observar o erro na divisão da malha STL: uma
pequena lacuna foi gerada onde as arestas dos triângulos adjacentes não coincidem
em tamanho. Esse erro pode ser corrigido gerando-se uma subdivisão no triângulo
defeituoso, de modo que os triângulos formados apresentem arestas com o mesmo
comprimento e vértices comuns aos triângulos adjacentes. Deve-se ter certeza que
todos os vértices que ocupam as mesmas coordenadas estejam unidos. Quando duas
geometrias estão associadas e os vértices apenas superpostos se tem a impressão
que apenas um vértice existe, quando de fato existem dois ou mais vértices na mesma
localização. Se existem múltiplos vértices ou arestas no mesmo lugar podem ocorrer
erros, como falhas ou buracos.
Figura 12: erro e correção da malha STL pela subdivisão do triângulo defeituoso
Um arquivo STL pode ser designado como "ruim" por erro na conversão da
malha poligonal, ou seja, por erro na exportação do arquivo em CAD 3D para arquivo
de malha triangular (STL), como o exemplo já apresentado na figura 12.
16
Freqüentemente ocorrem problemas na exportação de modelos que utilizam
formato quadrangular. Nesses modelos cada uma das faces da superfície é formada
por quatro pontos. Caso um dos quatro pontos não esteja localizado no mesmo plano
que os outros três uma falha será formada, pois o sistema de prototipagem não
processará os dados fornecidos. Na representação de uma superfície plana, três
pontos são sempre melhores do que quatro pontos.
2.1.4 Parâmetros de Exportação do Arquivo STL
Existem vários parâmetros que podem ser utilizados para controlar a malha
triangular gerada de modo a se obter a melhor precisão com o menor tamanho de
arquivo. Dentre esses, os mais comumente utilizados pelos sistemas CAD comerciais
são o comprimento da corda e o ângulo de controle.
Comprimento da flecha - Esse parâmetro controla a distância (flecha) máxima entre a
superfície original do modelo 3D (arco) e a superfície da malha triangular STL (corda).
Quanto menor o valor estabelecido para o comprimento da flecha, maior será a
precisão do modelo STL resultando em uma malha com um maior número de
polígonos (triângulos) e, consequentemente, um arquivo de tamanho maior (ver figura
13).
Figura 13: o comprimento da corda é definido como a distância entre a superfície
do modelo 3D e a superfície da malha triangular (STL)
17
Ângulo de controle – O ângulo de controle é utilizado para especificar uma tolerância
para curvas com raios pequenos e para detalhes de pequenas dimensões do modelo
(ver figura 14). Nesses casos, o comprimento da corda não é suficiente para manter a
integridade da geometria, mesmo especificando valores muito baixos para o
comprimento da corda (VOLPATO, N. et al., 2007).
Figura 14: o ângulo de controle
“
otimiza” o número de polígonos da malha triangular (STL)
2.1.5. Resolução do Formato STL
Um fator importante para a qualidade do acabamento superficial do modelo
tridimensional físico é a resolução ou refinamento em que foi exportada a malha
triangular na geração do arquivo STL, ou seja, na transformação da superfície do
modelo CAD (superfície NURB
2
- Nonuniform Rational Bézier-Splines) para a malha
poligonal STL.
Em razão das faces triangulares, uma superfície curva não pode ser
perfeitamente representada. De modo a melhor representar uma superfície curva, o
tamanho das faces deve ser ajustado para que haja um número suficiente de faces e o
modelo não apresente bordas irregulares ou facetadas (ver figuras 15 e 16).
2
Superfície NURB é uma superfície B-Splines não uniforme e racional. Vem da geometria projetiva que
descreve os parâmetros de uma superfície por meio de uma equação matemática. Tipo de curva de forma
livre que utiliza curvas B-Splines e permite a verificação de valor de cada ponto da superfície. B-Spline e
Bézier são exemplos de curva Spline, que é uma curva de forma livre que conecta uma série de pontos de
controle com uma curva suave. Mudanças nos pontos de controle resultam em mudanças na curva.
(Fonte: In IMPERIALE, A.; New Flatness: Surface Tension In Digital Arquiteture. Birkhäuser 2000).
18
Figura 15: superfície do modelo CAD Figura 16: modelo STL muito facetado
(superfície Nurb) com baixa resolução
Por outro lado, caso as faces triangulares sejam muito pequenas o arquivo será
muito volumoso e isso poderá causar problemas no processamento computacional
(vide figura 17). Na figura 18 abaixo o modelo apresenta um número de faces
triangulares suficiente para uma boa construção, o tamanho do arquivo é
relativamente pequeno de modo a garantir a capacidade de processamento.
Figura 17: modelo STL com alta resolução Figura 18: modelo STL com média
resolução
Ao contrário dos modelos tridimensionais virtuais gerados em baixa resolução
(low poly) para visualizações científicas e animações, os modelos para prototipagem
19
rápida devem ser gerados em alta resolução (high poly) visando obter um melhor
acabamento da superfície do objeto e reduzir o tempo de pós-processamento (ver
figura 19).
Wireframe em alta resolução e baixa resolução Shade em alta resolução e baixa resolução
Figura 19: modelo tridimensional virtual de um objeto em alta e baixa resolução
2.1.6 O Efeito Escada (ou Degrau)
Conforme já mencionado, uma característica dos processos de prototipagem
rápida é o chamado “efeito-escada”, inerente ao processo de construção em camadas
e que aparece em todas as superfícies planas ou não planas que estiverem inclinadas
em relação ao eixo de construção (eixo Z). Esse efeito afeta diretamente a qualidade
do protótipo tanto dimensionalmente quanto na sua resistência mecânica.
Segundo VOLPATO, N. (2007), o efeito-escada pode ser minimizado pela
diminuição da espessura da camada, porém esse é um limitante em vários sistemas
de RP, pois a mínima espessura possível de camadas ainda é considerada grande.
Outro problema é que normalmente a relação linear de redução pela metade da
espessura da camada dobra o tempo de construção. Na figura 20, pode-se observar o
efeito-escada sendo influenciado pelo ângulo de inclinação da superfície em relação
ao eixo de construção Z e pela espessura da camada de deposição.
20
Figura 20: influência do ângulo de inclinação da superfície e da espessura da camada no efeito-escada
Fonte: VOLPATO, N. (2007)
O efeito escada é menos perceptível nos processos de RP que produzem
camadas com menor espessura e também nas superfícies cujo ângulo de inclinação,
em relação ao eixo de construção Z, é menor. Esse efeito torna-se mais pronunciado
em superfícies com partes curvas ou com grandes angulações (ver figura 21).
Figura 21: o efeito escada é mais pronunciado em partes curvas ou com grandes angulações
Entre as tecnologias de RP atualmente existentes a Inkjet-Benchtop
(Solidscape Inc.) produz as camadas mais finas com a espessura de 0,0127
21
milímetros. Isso torna o processo bastante lento e um dos meios utilizados para
acelerar esse processo é a construção de camadas com diferentes espessuras. O
processo de Estereolitografia (StereoLithography ou StereoLithography Aparatus)
também tem a capacidade de produzir camadas finas mas não com a mesma
espessura que a Inkjet-Benchtop. Esse recurso é utilizado na Estereolitografia apenas
na construção de peças muito pequenas. Outros processos de RP tais como os
métodos baseados em pó - Sinterização Seletiva a Laser (SLS) e a Impressão
Tridimensional (3DP) - apresentam como fator limitante o tamanho do grão do pó.
Esse tamanho não pode ser reduzido indefinidamente porque a carga estática
adquirida dificultará a aglutinação uniforme.
O efeito-escada é um tipo de imprecisão que diferencia as tecnologias de RP
dos métodos subtrativos, como a usinagem CNC. A figura 22 apresenta exemplos de
como esse efeito pode ser imperceptível dependendo da tecnologia de RP
empregada.
Efeito escada na
Estereolitografia (SLA)
Stratasys
Efeito escada na
Impressora Tridimensional
Colorida (3DP)
ZCorp
Efeito escada na
Impressora Jato de Cera
Inkjet-Benchtop da
Solidscape
Efeito escada na
Impressora de Jato de
Tinta (MJM)
Thermojet (modelo e
resultado de fundição)
Figura 22: efeito-escada em diferentes tecnologias de RP
2.1.7 Precisão Absoluta (Tolerância)
A precisão absoluta pode ser definida como a diferença entre uma determinada
dimensão de um modelo virtual e a real dimensão do objeto encontrada na medição
física. Além das dimensões lineares, existem especificações de precisão para
características como tamanhos de falhas (buracos) e curvaturas.
Alguns estudos foram feitos comparando-se as tecnologias de prototipagem
rápida entre si e normas relativas à precisão. As tecnologias de RP avançaram quanto
aos níveis de tolerância, mas esses níveis não alcançam a tolerância dos processos
CNC.
22
Não se pode dizer que um método de RP é sempre mais preciso do que outro
ou que um determinado método sempre apresenta a mesma tolerância. Isso porque,
ao contrário dos processos CNC, onde a posição da ferramenta de corte como ponto
de referência é precisamente definida e esta opera sobre a superfície de uma forma
muito direta, todos os métodos de RP envolvem operações sujeitas a reações
químicas complexas. No processo de Estereolitografia, por exemplo, quando expomos
a resina líquida (foto polímero) a um laser, embora se possa determinar com precisão
onde o centro do laser sinterizará a superfície da resina, esse processo é bem mais
impreciso do que quando se utiliza uma ferramenta de corte. O laser provoca uma
reação química complexa na resina. Isso é devido ao fato de que o raio laser tem um
perfil não uniforme de energia e que a resina tem propriedades óticas que afetam a
reação. O modo como a cura da resina ocorre será afetado pela camada anterior da
superfície e pelo tempo de exposição à resina restante. Sabe-se que a prototipagem
rápida é menos precisa quando comparada aos processos de CNC, entretanto,
considerando suas características, o grau de precisão alcançada é muito bom.
2.1.8. Orientação do Modelo em Relação à Plataforma Horizontal do Equipamento de
Prototipagem
A orientação do modelo em relação à plataforma horizontal do equipamento é
uma etapa muito importante do processo de prototipagem, pois afeta o tempo de
construção, a complexidade e a quantidade de suporte necessário, a resistência
mecânica do modelo, o empenamento, o encolhimento, o acabamento, etc.
O modelo segue a mesma orientação do projeto em CAD 3D, porém essa
orientação pode ser alterada conforme desejado no software dedicado ao
equipamento de prototipagem que prepara o arquivo final (CAM) que será enviado
para esse equipamento.
Segundo VOLPATO, N. et al. (2007), a orientação da peça em qualquer
sistema de RP vai influenciar em uma série de características intrínsecas à manufatura
por adição de camadas planas 2D. Entre elas podemos destacar o efeito-escada e a
anisotropia, característica que implica em que o material do protótipo possui diferentes
propriedades mecânicas para cada eixo de construção. A anisotropia é bastante
pronunciada no eixo Z de construção afetando fortemente o desempenho do protótipo
nesta direção. As camadas são depositadas ao longo do eixo Z e a agregação
resultante entre as camadas normalmente apresenta maior fragilidade que a
agregação de material na mesma camada (eixo XY). A figura 23 representa
23
esquematicamente algumas camadas de um cilindro fabricado na horizontal (A) e na
vertical (B) em relação ao eixo de construção e o efeito da aplicação de uma força
perpendicular à direção de adição de camadas (B) e na mesma direção (A). Observa-
se, portanto, que a orientação de construção do modelo deve ser considerada em
função da aplicação do protótipo e que regiões mais frágeis, como paredes finas e
pinos, devem ser considerados na construção para evitar a fragilização indesejável
dessas estruturas.
Figura 23: variação de resistência do protótipo em função da orientação de fabricação
(Fonte: adaptado do livro Prototipagem Rápida: Tecnologias e Aplicações – 2007)
Segundo BEAL et al. (2001), como o custo do protótipo está associado à
orientação de construção em relação à plataforma horizontal, os modelos devem ser
orientados de modo a serem construídos segundo o menor tempo de prototipagem e,
conseqüentemente, o menor custo de produção. Quando o modelo apresentar
superfícies livres, ou seja, superfícies que necessitam de suporte ou volumes retidos,
a orientação dependerá de quanto o efeito-escada prejudicará a resolução da
superfície (ver figura 24). Caso o modelo necessite de acabamento superficial, poderá
ocorrer uma retirada de material excessiva através da lixação e do polimento, o que
prejudicará ainda mais a sua precisão. O acabamento pode ser melhorado com
operações de recobrimento e pintura da superfície do objeto, que dependerão da
aplicação do protótipo.
24
Figura 24: modelo que apresenta superfície livres. A orientação de construção dependerá
de quanto o efeito-escada prejudicará a resolução da superfície
Na figura 25 abaixo podem ser observados dois resultados diferentes para o
mesmo modelo (1) e (2), dependendo da orientação selecionada para a construção do
modelo em relação à plataforma. Em (3) a mesma peça (2) pós-processada por
processo manual de acabamento.
( 1 ) ( 2 ) ( 3 )
Figura 25: diferentes resoluções do mesmo modelo segundo à orientação
do modelo em relação à plataforma
De modo geral podemos afirmar que o tempo de execução de um modelo está
diretamente relacionado à sua altura, ou seja, à sua construção vertical no eixo Z.
Quando se analisa o tempo de prototipagem (hora/máquina) observa-se que, quanto
maior o número de camadas, maior o tempo gasto para processar o mesmo volume de
25
material do modelo. A figura 26 apresenta planos de fatiamento distintos, onde o
modelo construído na posição vertical possui maior número de camadas demandando
maior tempo de execução e, conseqüentemente, com custo maior que o modelo na
posição horizontal.
Figura 26: o modelo construído na posição vertical apresenta maior número de camadas
que o mesmo modelo construído na posição horizontal
As considerações mais importantes sobre as etapas do planejamento do
processo de RP serão apresentadas no próximo ítem, não se atendo a processos
específicos. No entanto, sempre que for importante ressaltar que a informação diz
respeito especificamente a um ou mais processos, isso será feito.
2.1.9 Planejamento do Processo de RP
Cada tecnologia utilizada para prototipar um modelo tridimensional (3D) virtual
possui diferentes características tais como, capacidade dimensional, diferentes
tolerâncias de resolução, acabamentos superficiais variados, diferentes materiais de
construção, resistências mecânicas distintas, aplicação de cores etc.
O primeiro passo do planejamento do processo é salvar o modelo virtual no
formato correto e, em seguida, garantir que se trata de um modelo 3D único e sólido.
Gerar um modelo 3D para prototipagem rápida significa que devem ser realizadas as
seguintes etapas:
1. Salvar o modelo em arquivo de formato padrão estereolitográfico (STL);
2. Verificar se o modelo tem volume suficiente (o volume é a quantidade de
material necessário para a construção do modelo);
3. Assegurar que o modelo não tenha qualquer falha (naked edges);
26
4. Verificar se não há interseção e/ou sobreposição de superfícies;
5. Assegurar que as cores sejam aplicadas a cada face da superfície e não
apenas "texturizar" a superfície;
6. Assegurar que o modelo seja um objeto sólido.
Todas essas etapas serão abaixo detalhadas:
1. Salvar o modelo em arquivo de formato padrão estereolitográfico (STL)
Conversão do arquivo do modelo em CAD 3D para o formato STL.
2. Verificar se o modelo tem volume suficiente
Caso o modelo 3D seja formado por faces e planos que não estejam unidos
entre si, o equipamento de prototipagem construirá um número elevado de finas
paredes que não se sustentarão. O volume é um bom indicador se o modelo é sólido
ou não. Na figura 27, o modelo parece correto, mas apresenta erro, destacado em
amarelo na figura. Esse erro faz com que apenas uma pequena parte do volume do
modelo seja “lida” pelo computador e interpretada como sendo formada por inúmeras
paredes finas. Na figura 28, o modelo foi corrigido e o volume aumentado para o valor
correto.
Figura 27: erro no modelo, destacado pelas linhas Figura 28: Modelo corrigido. Volume com
amarelas valor correto
27
3. Assegurar que o modelo não tenha qualquer falha (naked edges)
Todas as faces triangulares que formam a superfície do modelo devem estar
unidas, de modo a representar corretamente essa superfície. A falha ou buraco ocorre
quando uma ou mais faces triangulares estão faltando. Como já apresentado no item
2.1.3, um dos meios pelo qual a falha ocorre é a inversão do vetor normal. Cada face
triangular possui uma superfície externa – o lado que reflete a luz, também
denominado lado normal - e outra que não reflete. Quando a superfície que não reflete
a luz está voltada para fora, tem-se a impressão que existe uma falha. Esse
fenômeno, denominado normal invertida, será interpretado pelo sistema de
prototipagem como intencional e o arquivo como formado por inúmeras paredes finas,
sem volume. Para que o modelo 3D configure-se como um sólido, pronto para a
prototipagem, o vetor normal de cada face triangular da malha deverá “apontar” para
fora (ver figura 29).
Figura 29: modelo 3D sólido. Vetor normal “aponta” para fora
Existem situações em que falhas não são erros na superfície como, por
exemplo, uma área interna oca de um modelo (ver figura 30). Nesse caso uma
segunda superfície deverá ser construída para representar a parede interior do modelo
(superfície interna). Normalmente o material fica preso nessa área oca e um pequeno
furo tem ser feito para se extrair o material.
28
Figura 30: área interna oca de um modelo 3D. O material ficará preso nessa área e
precisará ser retirado através de um pequeno furo
4. Verificar se não há interseção e / ou sobreposição de superfícies
Em muitos programas de modelagem 3D uma representação visual do objeto
pode ser feita rapidamente fazendo-se um esboço das superfícies e as aproximando.
Entretanto, modelos cujas superfícies estão apenas próximas não são modelos sólidos
para a prototipagem. Todas as superfícies do modelo devem estar unidas pelas
arestas, de modo a se obter uma malha poligonal contínua. A figura 31 abaixo
apresenta um erro de interseção de superfícies que deve ser corrigido a fim de que
essas superfícies se configurem em uma malha única (ver figura 32).
Figura 31: interseções de superfícies Figura 32: malha contínua
29
Outro erro comum é a sobreposição de superfícies para se “cobrir” espaços. Do
mesmo modo que na interseção de superfícies, a máquina de prototipagem não será
capaz de processar os dados corretamente.
5. Assegurar que as cores sejam aplicadas a cada face da superfície e não apenas
"texturizar" a superfície
Muitos programas CAD permitem que sejam aplicadas texturas no modelo 3D
para que a superfície desse modelo se assemelhe à pele, cabelo etc. Essas texturas,
normalmente, são apenas “representações visuais”, não sendo realmente aplicadas à
superfície do modelo. Nesse caso, quando o modelo é exportado para a prototipagem,
as cores não serão exportadas e a cor final do modelo será a cor do material de
construção.
No entanto, existem pacotes CAD que possibilitam aplicar texturas diretamente
sobre cada face triangular da malha poligonal, o que assegura que o modelo
exportado manterá todas as suas cores. O modo de garantir que o software CAD irá
exportar a cor da superfície corretamente é salvar o arquivo com extensão VRML,
formato padrão para arquivos de cor e reabri-lo no software CAD onde o arquivo foi
gerado, para verificar se as cores se mantiveram no modelo. O arquivo VRML
apresentado na figura 33, é muito semelhante ao arquivo de formato triangular STL
(figura 34), com exceção que no arquivo VRML foi aplicada a cor correspondente à
cada uma das faces triangulares que compõe a superfície do modelo.
Figura 33: arquivo VRML colorido Figura 34: arquivo STL monocromático
30
6. Assegurar que o modelo seja um objeto sólido
Como já descrito caso o modelo CAD tenha sido criado a partir da interseção
de várias superfícies, a união dessas superfícies deverá ser realizada de modo que o
modelo se configure como um objeto sólido, com a realização de operações boleanas
3
de união. Como resultados dessa união poderão surgir superfícies interiores que
deverão ser extraídas, pois erros de integridade do modelo poderão ocorrer, caso
essas superfícies interiores sejam deixadas como parte integrante do modelo. Na
figura 35 podemos observar que o primeiro exemplo é composto de três objetos que
se interceptam gerando superfícies interiores, enquanto que no segundo, a união
boleana já foi realizada, eliminando as superfícies redundantes indesejadas.
Figura 35: o objeto composto por três elementos e o objeto único sólido, resultante da operação
boleana de união
3
A lógica boleana tem origem na matemática. Foi elaborada pelo lógico e matemático inglês George Boole (1815 -
1864). Consiste em utilizar sinais de operações matemáticas para estabelecer uma ligação lógica
entre dois elementos
distintos, isto é, definir sob a forma de uma equação, o tipo de relações (união, interseção e diferença).
31
3. PROCESSOS DE PROTOTIPAGEM RÁPIDA (RP)
Segundo KAI et al. (2003), existem hoje no mercado mais de vinte diferentes
sistemas de prototipagem rápida que, apesar de utilizarem diferentes tecnologias de
adição de material, se baseiam no mesmo princípio de adição e sobreposição de
camadas planas. Os mais importantes processos de RP podem ser agrupados pelo
estado ou forma inicial da matéria-prima utilizada na construção dos modelos físicos.
Nesse sentido, podemos classificar esses processos como: Processos baseados em
Líquido, Processos baseados em Sólido e Processos baseados em Pó:
• Processos baseados em Líquido - a matéria-prima para fabricar a peça
encontra-se no estado líquido antes de ser processada. Nessa categoria
encontram-se as tecnologias que envolvem a polimerização de uma resina
líquida por um laser UV (Ultra-Violeta) onde podemos citar como exemplo, a
Estereolitografia SL ou SLA, de StereoLithography Aparatus e as tecnologias
IJP, de Ink Jet Printing e MJM, de Multi Jet Modeling, que se caracterizam por
múltiplo jateamento de resina líquida por um cabeçote semelhante ao de
impressoras a jato de tinta e posterior cura em forno pela exposição à luz UV.
• Processos baseados em Sólido – nesses processos o material utilizado
encontra-se no estado sólido podendo estar na forma de filamento de ABS,
lâmina de papel, esferas de cera etc. Alguns processos fundem o material
antes da sua deposição, como na tecnologia de Modelagem por Fusão e
Deposição – FDM, de Fused Deposition Modeling. Outros somente recortam
uma lâmina do material adicionado, como na tecnologia de Manufatura de
Objetos Laminados – LOM, de Laminated Object Manufaturing.
• Processos baseados em Pó – nesse caso a matéria-prima está na forma
de pó. Pode-se utilizar laser de CO2 para o seu processamento como, por
exemplo, a Sinterização Seletiva a Laser – SLS, de Select Laser Sintering e a
Fabricação da Forma Final a Laser – LENS, de Laser Engineered Net Shaping,
ou um aglutinante aplicado por um cabeçote tipo jato de tinta como, por
exemplo, a Impressão Tridimensional – 3DP, de 3 Dimensional Printing, entre
outros processos.
32
3.1 Estereolitografia - SL (StereoLithograph) ou SLA (StereoLithography Aparatus)
Material: resina líquida fotossensível epóxi ou acrílica.
Fabricante: 3D Systems
Esse processo pioneiro, patenteado em 1986, deflagrou a revolução da
prototipagem rápida. Os modelos tridimensionais físicos são construídos a partir de
polímeros líquidos sensíveis à luz que se solidificam quando expostos à radiação
ultravioleta.
O modelo é construído sobre uma plataforma metálica perfurada situada a 0,1
mm abaixo da linha da superfície de um recipiente que contém resina líquida epóxi ou
acrílica. Uma fonte de raio laser ultravioleta, com alta precisão de foco, traça a
primeira camada solidificando ou sinterizando uma seção transversal do modelo. A
seguir, por meio de um elevador, a plataforma é mergulhada no banho de polímero
líquido e o raio laser cria a segunda camada de polímero sólido, acima da primeira
camada. O raio laser funde essas duas camadas por sua capacidade de penetração
na resina de 0,2 mm. Entre a solidificação de uma camada e outra, uma régua ou faca
desliza sobre a superfície da resina com o objetivo de “quebrar” a tensão superficial e
uniformizar essa superfície. Esse procedimento é necessário pela elevada viscosidade
da resina. Usualmente a espessura da camada é de 0,1 mm, porém nos casos em que
se necessita de alta resolução, como nos modelos para o setor joalheiro em que se
utilizam resinas especiais, essa espessura pode chegar a 0,05 mm. Os dados
referentes a cada camada são utilizados para nortear a movimentação do feixe de raio
laser nos eixos X e Y sobre a superfície do polímero líquido, onde primeiramente é
sinterizado o contorno do modelo e posteriormente o seu preenchimento. O processo
é repetido sucessivas vezes até que o protótipo esteja construído (ver figura 36).
O processo de construção é seguido de um pós-processamento. Uma vez
finalizado o modelo sólido é removido do banho de polímero líquido e lavado.
Geralmente a peça é limpa com álcool isopropílico para remoção dos resíduos de
polímero não endurecido. Os suportes são retirados e o modelo é colocado em um
forno de luz ultravioleta para que o processo de cura seja concluído. O acabamento
superficial pode ser necessário em superfícies funcionais e/ou superfícies onde a
aparência externa é uma exigência. Como a Estereolitografia foi a primeira técnica de
prototipagem rápida bem sucedida, tornou-se um padrão de avaliação para as
técnicas que surgiram posteriormente.
33
Figura 36: equipamento de prototipagem rápida SLA Viper Si2 da 3D Systems
(Fonte: Instituto Nacional de Tecnologia – INT)
Um esquema simplificado do funcionamento do equipamento pode ser
observado na figura 37. No processo SLA, antes de se iniciar a construção da peça
propriamente dita, são gerados aproximadamente 10 milímetros de suporte para
garantir a ancoragem ou fixação da peça à plataforma de construção e facilitar a
remoção da mesma, após o término do processo. O suporte é construído com a
mesma matéria-prima da peça. O feixe de laser UV é direcionado por um conjunto de
espelhos sobre a superfície líquida da resina foto-sensível, polimerizando a matéria-
prima para formar uma camada da peça em construção. Ao final da polimerização da
camada, a plataforma é abaixada por um elevador, referente à espessura da camada
anterior. Uma faca nivela a camada de resina líquida e novamente o feixe de laser é
direcionado sobre a resina, polimerizando e fundindo uma camada à outra.
34
Figura 37: esquema básico do processo da Estereolitografia da 3Dsystems
(Fonte: INT e CIMJECT
4
)
Vantagens da tecnologia SLA
• Por se um dos processos mais difundidos no mundo conta com representação e
assistência técnica na maioria dos países;
• Apresenta uma variedade de materiais que podem ser utilizados, sendo uma das
poucas tecnologias que permitem executar peças semitransparentes;
• Possui boa precisão, o que torna viável o seu uso em muitas aplicações;
• Possui excelente qualidade superficial e acabamento sendo considerada, entre os
processos de RP, uma das melhores nesses aspectos.
Desvantagens da tecnologia SLA
• Necessita de suporte para a ancoragem da peça em regiões com angulações
inferiores a 30 graus e peças não conectadas;
• Necessita de pós-processamento manual para a remoção do suporte e o excesso
de matéria prima não sinterizada;
• Geralmente requer pós-cura para completar o processo de polimerização e
assegurar a integridade da estrutura, o que deixa a peça mais rígida;
• A resina fotossensível utilizada como matéria-prima é agressiva (tóxica) para o
operador, devendo ser manuseada com cuidado.
4
O CIMJECT é um grupo de pesquisa, do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Santa
Catarina, constituído de professores doutores, doutorandos, mestrandos e estagiários de iniciação científica.
35
3.2 Impressão Tridimensional - 3DP (3D Printing)
Material a base de pó: gesso, plástico, cerâmica e metal.
Fabricante: Z Corporation
A tecnologia 3D Printing não utiliza laser para processar o material em forma
de pó. O princípio desse processo para agregar a matéria-prima é a ação de um
líquido aglutinante expelido em gotículas por um cabeçote do tipo "jato-de-tinta",
semelhante aos utilizados em impressoras comuns. O líquido aglutinante é aspergido
sobre uma camada de pó depositado sobre uma plataforma que se movimenta na
direção Z. Um rolo é utilizado para depositar uma nova camada de matéria-prima e
compactar uma camada sobre a outra. A plataforma desce a medida igual à espessura
da camada fatiada no CAD. Esse ciclo se repete até que todas as camadas sejam
depositadas e o modelo finalizado. Este processo não necessita da geração de
suporte, pois o material não processado sustenta a peça. O pó não aglutinado é
removido ao final do processo com o auxílio de uma escova, ar comprido ou aspirador
de pó e pode ser reutilizado em novos modelos. Após a limpeza manual a peça
“verde” necessita de um pós-processamento com infiltração de resina epóxi ou de um
adesivo a base de cianoacrilato (super bonder) para se obter uma peça mais
resistente. O processo, esquematizado na figura 38, foi desenvolvido pelo MIT
(Massachusetts Institute of Technology, Massachusetts, E.U.A.) e a patente do
processo foi segmentada em diferentes atividades industriais. Existem impressoras
tridimensionais específicas para a fabricação de objetos com matérias-primas
plásticas, cerâmicas e metálicas, além de outras aplicações mais específicas como a
fabricação de próteses biomédicas. Na figura 39 é apresentado o equipamento que
utiliza gesso como matéria-prima e na figura 40 dois modelos prototipados nesse
equipamento.
Figura 38: esquema básico do processo 3D Printing
(Fonte: O CIMJECT)
36
Figura 39: equipamento de prototipagem rápida colorida ZCorp Spectrum Z510
que utiliza gesso como matéria-prima
(Fonte: Instituto Nacional de Tecnologia – INT)
Figura 40: modelos prototipados na ZCorp Spectrum Z510
(Fonte: Instituto Nacional de Tecnologia – INT)
Vantagens da tecnologia 3DP
• Permite imprimir peças multicoloridas utilizando o padrão STL colorido;
• Velocidade na construção dos modelos, pois a 3DP é considerada a tecnologia
mais rápida do mercado até o momento;
• Não necessita da geração de suporte para regiões não conectadas;
37
• Grande economia de matéria-prima, pois o material não processado pode ser
reutilizado. Entre as tecnologias de prototipagem rápida atuais, é a que apresenta
o menor valor dos insumos (líquido aglutinante, matéria-prima, etc);
• Não utiliza laser.
Desvantagens da tecnologia 3DP
• Necessita de pós-processamento manual: limpeza da peça e infiltração com resina
epóxi para obter maior resistência da peça;
• Limitação na funcionalidade das peças obtidas;
• Acabamento superficial satisfatório para aplicações menos exigentes em relação à
precisão;
• Pouca variedade de matéria-prima.
3.3 Modelagem por Fusão e Deposição - FDM (Fused Deposition Modeling)
Material: termoplásticos como o Policarbonato, ABS e Polifenilsulfona.
Fabricante: Stratasys, Inc.
Nesse processo, os filamentos do material termoplástico aquecido são
extrudados a partir de uma matriz em forma de bico ou cabeçote que se move nos
eixos XY e são depositados sobre uma plataforma revestida por uma chapa de
policarbonato, que se movimenta no eixo Z (ver figura 41). O material termoplástico
fundido é micro-extrudado sobre a plataforma de suporte ou sobre a camada
produzida anteriormente, onde a lacuna entre a ponta do cabeçote e o substrato, ou a
camada anterior, causa um achatamento da seção redonda do material. Após
completar uma camada, a plataforma de suporte é abaixada de acordo com a
espessura determinada pela camada e a próxima camada é aplicada. Da mesma
maneira que um confeiteiro utiliza um saco de confeitar, a matriz de extrusão controla
e deposita um filete de material muito fino sobre a plataforma de construção formando
a primeira camada da peça. A plataforma é mantida a uma temperatura inferior a do
material, de modo que o material termoplástico endureça rapidamente. Após o
endurecimento da primeira camada a plataforma se abaixa ligeiramente e a matriz de
extrusão deposita a segunda camada sobre a primeira. O processo é repetido até a
construção total do protótipo. Suportes são construídos durante a fabricação para
assegurar a estabilidade do protótipo, principalmente onde existem superfícies
inclinadas e vãos livres. O próprio sistema estabelece a fixação de suportes ao
38
protótipo, quando há a necessidade. O material de construção dos suportes é mais
frágil podendo ser retirado com facilidade quando a peça é concluída. Atualmente esse
material é solúvel em água aquecida a aproximadamente 65°C, acrescida de
detergente à base de soda cáustica.
Figura 41: esquema simplificado do processo FDM
(Fonte: O CIMJECT e INT)
Na figura 42 abaixo é apresentado o equipamento de prototipagem rápida FDM:
Figura 42: equipamento de prototipagem rápida FDM
(Fonte: Instituto Nacional de Tecnologia - INT)
Vantagens do processo FDM
• a fabricação de peças resistentes a testes funcionais. Segundo o fabricante, as
peças produzidas pela tecnologia FDM possuem até 75% das características de
uma peça injetada com o mesmo material;
39
• Pode ser utilizada em ambientes de escritório;
• Não requer pós-cura e fornece uma peça limpa;
• Não utiliza laser.
Desvantagens do processo FDM
• A velocidade do processo é lenta e limitada pela taxa de fluxo do material;
• A precisão do processo não é muito alta;
• Necessita da geração de suporte onde existem superfícies inclinadas;
• Necessita de pós-processamento para a remoção dos suportes. Para o caso de
suportes removíveis manualmente, algumas regiões pequenas e de difícil acesso
podem dificultar o até impedir a remoção completa. Para o suporte solúvel este tipo
de problema não existe mais (ver Tabela 1 abaixo);
• Não possui uma boa variedade de materiais.
Tabela 1: Listagem de equipamentos FDM da Stratasys com dimensão do envelope, materiais e
tipo de suportes
Equipamentos
FDM
Envelope Materiais Tipos de Suporte
Dimension BST
768
203 x 203 x 305 mm ABS Breakaway¹
Dimension
BST1200
254 x 254 x 305 mm ABS Breakaway¹
Dimension SST
768
203 x 203 x 305 mm ABS Waterworks²
Dimension
SST1200
254 x 254 x 305 mm ABS Waterworks²
Dimension Elite 203 x 203 x 305 mm ABSPlus Waterworks²
Prodigy Plus 203 x 203 x 305 mm ABS Waterworks²
FDM Vantage I
(ABS)
355 x 254 x 254 mm ABS Waterworks²
FDM Vantage I
(PC)
355 x 254 x 254 mm PC Breakaway¹
FDM Vantage X
(ABS)
355 x 254 x 254 mm ABS, ABSi, PC-ABS Waterworks²
FDM Vantage X
(PC)
355 x 254 x 254 mm PC, PC-ISO, PC-ABS Breakaway¹ (PC e PC-ISO)
Waterworks² (PC-ABS)
FDM Vantage S 355 x 254 x 254 mm ABS, ABSi, PC, PC-ISO,
PC-ABS
Breakaway¹ (PC e PC-ISO)
Waterworks² (ABS, ABSi e PC-
ABS)
FDM Vantage
SE
406 x 355 x 406 mm ABS, ABSi, PC, PC-ISO,
PC-ABS
Breakaway¹ (PC, PC-ISO)
Waterworks² (ABS e PC-ABS)
FDM Titan 406 x 355 x 406 mm ABS, PC, PC-ISO,
PC-ABS, PPSF
Breakaway¹ (PC, PC-ISO e PPSF)
Waterworks² (ABS e PC-ABS)
FDM Maxum 600 x 500 x 600 mm ABS, ABSi Waterworks²
1 Breakaway Support System - Suporte retirado manualmente pelo operador.
2 WaterWorks - Suporte solúvel em água. Não necessita de intervenção do operador para ser retirado.
40
3.4 Sinterização Seletiva a Laser - SLS (Selected Laser Sintering)
Material: polímeros termoplásticos, cerâmicas, elastômeros e metais.
Fabricante: 3D Systems, Inc.
O processo de Sinterização Seletiva a Laser (SLS) utiliza um raio de laser de
CO
2
para fundir de forma seletiva materiais pulverulentos (a base de pó) em um objeto
sólido. Esse processo é baseado na soldagem local sob o efeito do calor induzido pelo
laser. Do mesmo modo que nos processos anteriores, os dados de controle para o
direcionamento do cabeçote a laser são gerados com base na geometria do CAD 3D,
exportado em forma de fatias planas a partir do arquivo estereolitográfico (STL). A
matéria-prima é aplicada de forma uniforme sobre uma plataforma suporte, camada a
camada, sob uma atmosfera inerte, com a ajuda de um rolo nivelador. Em seguida um
feixe de laser de CO
2
direcionado por espelhos incide sobre a superfície fazendo com
que o pó seja sinterizado, fundindo de forma seletiva os grãos da matéria-prima. A
plataforma é ligeiramente abaixada, reaplica-se uma nova camada do pó e o raio laser
funde essa nova camada. O processo continua até que a peça esteja terminada. Ver
figuras 43 e 44 :
Figura 43: Partes componentes do equipamento SLS Figura 44: esquema simplificado do processo SLS
(Fonte: DTM Corporation) (Fonte: Instituto Nacional de Tecnologia – INT)
A matéria-prima é pré-aquecida e o laser derrete o pó nas áreas que
constituem a estrutura da peça. O pó em excesso, não sinterizado, ajuda a dar suporte
à peça durante a sua construção. No processo de Sinterização Seletiva a Laser, a
estrutura de suporte típica do processo de Estereolitografia é desnecessária. A
geometria da peça é construída por camadas (ver figura 45), através do rebaixamento
gradual da plataforma de suporte. Após a última camada, a peça é retirada da área de
41
trabalho e segue para a fase de pós-processamento, conforme a necessidade da
aplicação. O pó não derretido pode ser empregado para futuros processos de
construção.
Figura 45: detalhe de uma camada construída
(Fonte: Centro de Tecnologia da Informação - CTI)
Na figura 46 abaixo é apresentado o equipamento de prototipagem rápida SLS:
Figura 46: equipamento de prototipagem rápida SLS
(Fonte: Centro de Tecnologia da Informação - CTI)
Segundo VOLPATO, N. (2001), existem duas abordagens para a sinterização
por laser: direta e indireta. A direta é quando o material é sinterizado pela ação direta
do laser e a indireta, somente para metais e cerâmicas, ocorre quando um material
42
ligante é utilizado para dar forma ao objeto fabricado, que é sinterizado posteriormente
em um forno.
Os parâmetros mais importantes para a fabricação de objetos por meio da
sinterização a laser são: a potência do laser, a velocidade de deslocamento do feixe e
o espaçamento entre as "passadas" do feixe do laser.
Normalmente são utilizados dois tipos de laser nos sistemas SLS: CO2 e
Nd:YAG. A potência do laser necessária para sinterizar um pó varia
consideravelmente com o material que está sendo processado. Além disso, outros
fatores como densidade da potência do laser e o tamanho do comprimento de onda
influenciam na eficiência da sinterização. Por isso o laser de Nd:YAG é recomendado
para uso na sinterização de metais e cerâmicas. Para o laser de CO2, que tem um
comprimento de onda maior, a aplicação é voltada para polímeros. As potências dos
lasers variam muito de material para material, mas 25 a 50 Watts é comumente
utilizado para polímeros e de 200 a 1000 Watts para metais e cerâmicas.
A velocidade de deslocamento do feixe do laser influencia na sinterização
simultaneamente com a potência. A redução da velocidade caracteriza maior energia
fornecida ao material fazendo com que este seja aquecido mais profundamente do que
o desejado provocando, por exemplo, empenamento da peça, aumento de densidade
e peça maior que o desejado (acréscimo de material devido à penetração profunda do
calor do laser). Inversamente, uma velocidade demasiadamente elevada impossibilita
a fusão e a aderência completa do pó à camada anterior, causando alterações nas
propriedades mecânicas do objeto fabricado.
Outro parâmetro que afeta a sinterização do material é o espaçamento entre
cada "passada" do feixe do laser. A correta sobreposição das passadas auxilia na
fusão do material proporcionando uma união mais homogênea. A figura 47 apresenta
como esse parâmetro influencia na união do material.
Figura 47: a sinterização do material é afetada pelo espaçamento entre as passadas do feixe do laser
43
Segundo HARDRO et al. (1998), além da velocidade, potência do laser e
espaçamento das passadas, a temperatura na câmara de construção também
influencia no processo de sinterização. A quantidade de energia a ser fornecida pelo
laser é menor quanto maior for a temperatura do pó (WANG, 1999).
Vantagens do processo SLS
• Vários materiais podem ser utilizados no mesmo equipamento, sendo esses não
tóxicos;
• Atua tanto na fabricação de protótipos para visualização quanto na fabricação de
peças funcionais, podendo se aproximar bastante das propriedades do produto
final;
• Dependendo do material o processo exige pouco pós-processamento, já que não
há necessidade de gerar suportes;
• Permite empilhar várias peças no mesmo processo de fabricação;
• Não necessita de pós-cura do material sinterizado (exceto o processo de
sinterização de metal com polímero, em que a peça é levada a um forno de alta
temperatura para sinterização final do metal).
Desvantagens do processo SLS
• Segundo KAI et al. (2003), esse processo tende a ter um acabamento superficial
não muito bom devido ao tamanho da partícula utilizada;
• Custo elevado do equipamento;
• Custo elevado de energia para sinterizar as partículas do material;
• Utiliza laser, que necessita de constante calibração.
3.5 Impressão a Jato de Tinta - IJP (Benchtop)
Material: termoplástico e cera de fundição.
Fabricante: SolidScape
O processo Impressão a Jato de Tinta (IJP) em cera é bem distinto em suas
características quando comparado a outros sistemas de RP devido ao direcionamento
dessa tecnologia para o setor joalheiro. Esse processo comercializado pela
SolidScape, é denominado Benchtop. Por se tratar de peças pequenas com alto nível
de resolução (ver figura 48), o arquivo tridimensional exportado na extensão STL é
mais pesado, sendo manipulado em um software específico que gera o fatiamento das
44
camadas bem mais finas que todos os outros sistemas, podendo variar de 0,076mm a
0,013 mm o que reduz sensivelmente o “efeito escada”, inerente a todos os sistemas
de RP. Esse software também gerencia o equipamento e comanda a movimentação
mecânica do sistema. A geometria da peça é construída pela deposição em camadas
da matéria-prima por meio de um jateamento capilar. A matéria-prima é derretida em
um reservatório e enviada por um duto aquecido ao cabeçote de impressão controlado
por um mecanismo similar a um plotter; o cabeçote é aquecido a uma temperatura
logo acima do ponto de fusão do material. O material fundido é então depositado sobre
a plataforma de suporte ou sobre a camada produzida anteriormente. Após completar
uma camada, a plataforma de suporte é abaixada de acordo com a espessura da
camada construída e a próxima camada é aplicada. Após a aplicação de uma camada,
ocorre um intervalo para o resfriamento e a secagem da mesma e, em seguida, uma
fresa horizontal nivela a camada prototipada. Nesse processo, o material principal e o
material do suporte são aplicados em todas as camadas, indiferentes à geometria do
modelo, ou seja, o suporte envolve o modelo por completo gerando uma proteção
integral (ver figura 49). Nessa tecnologia, o suporte é constituído de um material
composto basicamente de cera e o material principal, que irá construir o modelo,
composto de uma mistura de cera com um termoplástico.
Figura 48: modelos físicos construídos pelo processo Impressão a Jato de Tinta.
Peças pequenas com alto nível de resolução
(Fonte: SolidScape)
45
Figura 49: detalhe do cabeçote de impressão construindo as peças. O material principal (verde) e o
material do suporte (vermelho) são aplicados em todas as camadas, indiferentes à geometria do modelo.
(Fonte: Instituto Nacional de Tecnologia - INT)
Após o término do processo de prototipagem, a peça é retirada e levada a um
tanque de ultra-som contendo uma solução de limpeza aquecida a aproximadamente
45°C. Como o ponto de fusão do material de suporte (cera) é inferior ao do material
principal (cera+termoplástico), o suporte é derretido primeiro, deixando livre o modelo
construído no material principal.
O equipamento Model Maker II (ver figura 50), da SolidScape, é um exemplo
da tecnologia Impressão a Jato de Tinta, desenvolvido especificamente para a
construção de modelos de jóias em cera que possibilita a produção das peças pelo
processo convencional por fundição, que pode ser observado em seqüência da figura
51. Atualmente essa tecnologia vem sendo utilizada para a modelagem de próteses
odontológicas.
46
Figura 50: equipamento de prototipagem rápida Model Maker II (tecnologia IJP)
(Fonte: Instituto Nacional de Tecnologia - INT)
Figura 51: modelo virtual de jóia e seqüência do processo de produção do protótipo à peça real
(Fonte: Instituto Nacional de Tecnologia - INT)
47
Vantagens do processo Benchtop
• Alta precisão (±0,025 mm por milímetro nas direções X, Y e Z), sendo até cinco
vezes mais precisa do que alguns sistemas de prototipagem rápida;
• Alta resolução - 25 gotas por polegada quadrada e espessura da camada entre
0,013 mm e 0,076 mm;
• Materiais não tóxicos, o que torna o processo adequado para uso em escritório.
Desvantagens do processo Benchtop
• Limitado tipos de matéria-prima disponível para a obtenção de protótipos;
• Segundo KAI et al. (2003) esse é um processo consideravelmente lento, quando
comparado com alguns dos principais processos de RP;
• Exige um pós-processamento lento e delicado para a remoção do suporte.
3.6 Manufatura de Objetos Laminados – LOM (Laminated Object Manufacturing)
Material: papel tipo Kraft com adesivo, filme plástico, tecido, cerâmica e folhas
metálicas.
Fabricante: Cubic Technology, Inc. (antiga Helisys, Inc.)
Nesse processo, camadas de material na forma de tiras revestidas de adesivo
são coladas umas nas outras para construir o protótipo. A matéria-prima consiste de
bobinas de papel laminado com cola ativada por calor. Um rolo coletor avança a tira de
papel sobre a plataforma de construção, onde há uma base de papel e fita com
espuma. A seguir, um rolo aquecido aplica pressão para fixar o papel à base. Uma
fonte de raio laser de CO2 (de 25 a 50 W) com alta precisão de foco corta o contorno
da primeira camada sobre o papel e então quadricula a área em excesso, ou seja, o
espaço negativo do protótipo (ver figura 52). Esse quadriculado rompe o material
extra, tornando fácil sua remoção durante o pós-processamento (ver figura 53). Esse
material em excesso proporciona um excelente suporte para projeções, saliências e
seções com paredes finas durante o processo de construção. Após o corte da primeira
camada a plataforma é abaixada, liberando o caminho para que o rolo coletor avance
a tira de papel e exponha material novo. Então a plataforma se retrai até um ponto
ligeiramente inferior à altura original, o rolo aquecido funde a segunda camada a
primeira e a fonte de raio laser corta a segunda camada. Esse processo é repetido
tantas vezes quantas forem necessárias para construir a peça, que apresentará
48
textura similar à de madeira (ver figura 54). Uma vez que os modelos são feitos de
papel, eles devem ser selados e revestidos com tinta ou verniz para se evitar
eventuais danos provocados pela umidade. Os mais recentes desenvolvimentos desse
processo permitem o uso de novos tipos de materiais incluindo plástico, papel
hidrófobo, tecido, cerâmica e folhas metálicas.
Figura 52: esquema simplificado do sistema de Manufatura de Objetos Laminados – LOM
(Fonte: Instituto Nacional de Tecnologia - INT)
Figura 53: remoção do material extra (suporte) de peça construída no processo LOM
(Fonte: http://home.att.net/~castleisland/faq/faq450.htm)
Figura 54: peças construídas no processo LOM apresentam textura similar à da madeira
(Fonte:
http://home.att.net/~castleisland/faq/faq450.htm)
49
Vantagens do processo LOM
• Não necessita de suporte em regiões não conectadas;
• Não requer pós-cura dos materiais;
• A velocidade do processo é alta, pois não é necessário varrer com o laser a
superfície da seção transversal de cada camada, somente o perímetro.
Desvantagens do processo LOM
• Poucos materiais disponíveis para a obtenção dos protótipos;
• A etapa de pós-processamento para remoção do suporte (material quadriculado) é
demorada e trabalhosa;
• O processo não é muito indicado para a obtenção de paredes finas e pequenos
detalhes. Isso se deve a dificuldade de remoção do material quadriculado ao final
do processo.
3.7 Impressão por Jato de Tinta (Thermojet)
Material: pós cerâmicos, poliméricos e metálicos
Fabricante: 3D Systems, Inc.
Ao contrário dos processos apresentados anteriormente, a Impressão por Jato
de Tinta (Thermojet, Multi Jet Modeling – MJT e Ballistic Particle Manufacturing - BPM)
se refere a uma classe inteira de equipamentos que utilizam a tecnologia de jato de
tinta na construção dos modelos. O processo fabrica modelos menos precisos do que
os prototipados em Estereolitografia.
Os protótipos são construídos sobre uma plataforma situada num recipiente
preenchido com material pulverulento (a base de pó). Um cabeçote de impressão por
jato de tinta "imprime" seletivamente um agente ligante que funde e aglomera o pó nas
áreas desejadas (ver figura 55). O pó que continua solto permanece na plataforma
para dar suporte ao protótipo que vai sendo formado. Para cada nova camada, a
plataforma é ligeiramente abaixada, é adicionado mais material pulverulento e o
processo é repetido. Ao término da construção a peça "verde" é sinterizada por meio
de um processo térmico para aumentar a sua resistência mecânica, removendo-se o
pó que ficou solto. Podem ser usados materiais pulverulentos tais como: cerâmicos,
poliméricos e metálicos (ver figura 56).
50
Figura 55: tecnologia de jato de tinta: cabeçote “imprime" seletivamente um agente ligante
que funde e aglomera o pó nas áreas desejadas
Figura 56: no processo Thermojet materiais pulverulentos cerâmicos,
poliméricos e metálicos podem ser utilizados
Vantagens do processo Thermojet
• Facilidade de utilização, sendo recomendado para uso no escritório;
• Processo relativamente rápido pelo número de jatos utilizados podendo depositar
uma camada inteira em uma única passada;
• Não utiliza laser.
Desvantagens do processo Thermojet
• Necessita de suporte, sendo este confeccionado com o mesmo material da peça;
• Necessita de pós-processamento para remoção dos suportes;
• Poucos materiais disponíveis para a obtenção de protótipos;
• Protótipos frágeis.
51
3.8 Cura Sólida na Base - SCG (Solid Ground Curing)
Material: Resina líquida
Esse processo é bastante similar a Estereolitografia, pois ambos utilizam a
radiação ultravioleta para endurecer de forma seletiva polímeros fotossensíveis.
Entretanto, ao contrário da Estereolitografia, esse processo cura uma camada inteira
de uma só vez. As etapas apresentadas na figura 57 descrevem o princípio da Cura
Sólida na Base.
Figura 57: princípio de construção da Cura Sólida na Base - SCG
(Fonte: http://rpdrc.ic.polyu.edu.hk/content/rp_defuncted/sgc_introduction.htm)
Inicialmente a resina foto-sensível é borrifada sobre a plataforma de
construção. Em seguida a máquina gera uma foto-máscara (como um estêncil)
correspondente à camada a ser gerada. Essa foto-máscara é impressa sobre uma
placa de vidro acima da plataforma de construção, em um processo similar ao das
fotocopiadoras. A seguir a máscara é exposta à radiação ultravioleta que passa
apenas através das áreas transparentes da máscara e endurece seletivamente as
áreas desejadas do polímero, correspondente à camada atual (etapa 1). Após a cura
da camada, a máquina succiona por vácuo o excesso da resina líquida (etapa 2) e
borrifa cera em seu lugar para dar suporte ao modelo durante sua construção (etapa
3). Na seqüência, a superfície superior é fresada de modo a ficar plana (etapa 4). Uma
nova camada da resina foto-sensível é borrifada sobre a plataforma de construção
para dar seqüência a construção do modelo (etapa 5). Assim que a peça está
terminada é preciso remover a cera nela presente, por meio de sua imersão em um
52
banho de solvente. As máquinas que realizam esse processo são de grande porte e
podem produzir modelos de grande tamanho.
3.9 Fabricação da Forma Final a Laser - LENS (Laser Enginnered Net Shaping)
Material: pó metálico (aço e titânio)
Fabricante: Optomec – Arcam
O processo LENS (Laser Enginnered Net Shaping, Laser Engineering Net-
Shape, ou Volume Laser Cladding) é baseado na fusão de partículas que são
aspergidas por meio de um gás inerte sobre o foco de um potente feixe de laser (ver
figura 58). O laser funde as partículas que ao se solidificarem formam as camadas.
Podem ser utilizadas, entre outras, partículas de ligas de titânio, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2MO,
Ti-48Al-2Cr-2Nb, Ti-22Al-23Nb e de aço, como o H13. Os componentes fabricados por
essa técnica de prototipagem rápida possuem baixa porosidade, no entanto, a
precisão dimensional é pequena (ver figura 59).
Figura 58: processo LENS baseado na fusão de partículas aspergidas com um gás inerte
sobre o foco de um feixe de laser
53
Figura 59: as peças fabricadas no processo LENS apresentam baixa porosidade,
mas a precisão dimensional é pequena
O processo LENS é relativamente novo e tem a vantagem de fabricar
protótipos de metal totalmente densos, com boas propriedades metalúrgicas e em uma
velocidade de construção razoável. Como já descrito, um gerador de raio laser de alta
potência é utilizado para fundir o pó metálico, fornecido coaxialmente ao foco do raio
laser por meio de um cabeçote de deposição (ver figuras 60 e 61). O raio laser passa
através do centro do cabeçote e é direcionado por meio de um conjunto de lentes,
espelhos ou fibra ótica para um pequeno ponto na área de trabalho. Uma mesa é
movimentada por varredura nos eixos X e Y para gerar cada camada do objeto. O
cabeçote de deposição é movimentado para cima à medida que cada camada é
finalizada. Os pós metálicos são fornecidos por gravidade ou por meio de um gás
portador inerte pressurizado. Mesmo nos casos onde não é necessário um fluxo de
gás para transportar o pó metálico, é preciso um fluxo que para proteger a poça de
metal líquido do oxigênio atmosférico, de modo a garantir as propriedades
metalúrgicas e promover uma melhor adesão entre as camadas. Podem ser utilizados
pós de diversas ligas metálicas tais como, aço inoxidável, cobre, alumínio e titânio. A
potência do gerador de raio laser varia conforme o material utilizado e a taxa de
deposição, entre outros parâmetros, e pode oscilar de algumas centenas de Watts até
a mais de 20.000 Watts. As peças construídas precisam de acabamento por meio de
usinagem, apresentam plena densidade, uma boa microestrutura e propriedades
similares ou melhores que às do metal convencional (ver figuras 62). Os protótipos
funcionais construídos por meio desse processo podem suportar condições reais de
operação, incluindo cargas mecânicas e altas temperaturas (ver figura 63).
54
Figura 60: processo LENS - Um gerador de raio laser de alta potência é utilizado para fundir o pó
metálico, fornecido coaxialmente ao foco do raio laser por meio de um cabeçote de deposição.
Figura 61: detalhe do foco do raio laser e do cabeçote de deposição do pó metálico.
Equipamento Arcam AB.
LASER
ESPELHO OU OUTRA
FORMA DE ORIENTAÇÃO
DO RAIO LASER
LENTES
GÁS PORTADOR INERTE
PRESSURIZADO
PÓ METÁLICO
ENTRADA DE
GÁS INERTE
CABEÇOTE DE
DEPOSIÇÃO
MESA DE VARREDURA
NOS EIXOS X E Y
55
(1) (2)
Figura 62: peça construída no processo LENS. Em (1) a peça não sofreu acabamento. Em (2) a peça
sofreu acabamento por fresamento
Figura 63: modelos construídos pelo processo LENS apresentam plena densidade, boa microestrutura e
propriedades similares ou melhores que às do metal convencional
As características inerentes ao titânio e às suas ligas tais como a alta
resistência, o baixo peso e a excelente resistência à corrosão, associadas à busca por
elevados níveis de desempenho, tem levado a uma vasta e diversificada gama de
aplicações do processo LENS tanto na área médica (cirurgias de implantes de
próteses) e desportiva, quanto na indústria aeroespacial, automotiva, de energia
elétrica e de extração de petróleo e gás. Protótipos de titânio fabricados por meio
desse processo tem resultado em sistemas e componentes mais duráveis que os
similares fabricados por fundição e, em muitas situações, excedido consideravelmente
o desempenho e às expectativas de vida útil daqueles.
56
Vantagens do processo LENS
• Obtenção de peça metálica com material completamente denso e com alta
qualidade mecânica;
• Não necessita de pós-processamento quanto à forma, somente operações de
acabamento superficial;
• O processo pode ser utilizado para reparar peças danificadas, podendo ser
combinado com outros processos de fabricação para a adição de pequenos
detalhes, reforços ou até mesmo uma camada de revestimento mais resistente ao
desgaste.
Desvantagens do processo LENS
• Utiliza laser com alto consumo de energia;
• Somente oferece a possibilidade de se obter peças metálicas;
• Acabamento superficial não muito bom;
• Regiões desconectadas do corpo principal do modelo são de difícil fabricação.
Problemas na construção de suportes.
3.10 Usinagem controlada por computador
Segundo SANTOS (1999), os computadores já controlam máquinas de
usinagem há algum tempo, tendo sua origem nas máquinas de comando numérico. A
modelagem tridimensional surgiu a partir da possibilidade de se construir modelos e
moldes diretamente do computador. Essa tecnologia é conhecida como CNC —
Comando Numérico Computadorizado.
A partir do aparecimento das tecnologias CAD/CAM, intensificou-se a utilização
da usinagem CNC para fabricação de protótipos físicos mais complexos e em menor
tempo. A usinagem CNC já era utilizada para a obtenção de modelos e protótipos
antes do aparecimento das tecnologias de prototipagem rápida.
Inicialmente essa tecnologia tinha como principal objetivo a construção de
moldes, peças em série e matrizes mas, gradualmente, passou a ser empregada na
confecção de protótipos e modelos com a utilização de matéria-prima mais adequada
para essa finalidade.
No processo de usinagem de moldes e matrizes para a produção seriada são
57
utilizados materiais como o aço, por apresentar características como, resistência a
grandes esforços e a altas temperaturas e por ser capaz de suportar muitas repetições
durante o processo de modelagem. Já na construção de modelos e protótipos que
atenderão a outras necessidades e pré-requisitos, podem ser usinados materiais
menos densos, tais como plástico, madeira e poliuretano expandido. Os materiais à
base de poliuretano empregados na usinagem têm alta densidade e são conhecidos
por Cibatool, Ren Shape (ver figura 64) ou simplesmente por placas usináveis, que
podem receber outros materiais (cargas) em sua composição, tais como o alumínio
que, ao término do processo de usinagem, apresentará uma superfície
suficientemente lisa para receber a pintura.
O equipamento de usinagem automática mais utilizado na construção de
modelos é a fresadora CNC de três eixos, que executa o desbaste do bloco da
matéria-prima por meio do deslocamento vertical, no eixo Z, e lateral, no eixo X, de
uma ferramenta similar a uma broca (fresa) que trabalha em alta rotação e se desloca
horizontalmente no eixo Y sobre a placa onde está fixado o bloco (ver figura 65).
Fi
gura 64: matrizes usinadas em Ren Shape e peças em acrílico termomoldado
em vacuum forming para construção de um protótipo
Fonte: Instituto Nacional de Tecnologia (INT)
58
Figura 65: fresadora CNC
Fonte: Instituto Nacional de Tecnologia (INT)
Vantagens do processo de Usinagem
• A precisão dimensional e o acabamento superficial são superiores aos obtidos
pelos processos de prototipagem rápida;
• Permite gerar modelos em vários materiais;
• O custo de produção de modelos que apresentam geometria de baixa
complexidade é inferior ao custo dos processos de prototipagem rápida;
• Menor custo do equipamento quando comparado às tecnologias de RP.
Desvantagens do processo de Usinagem
• Apresenta restrições quanto à complexidade geométrica da peça que pode ser
produzida;
• Não permite usinar cantos retos internos devido à geometria da ferramenta de
corte (forma cilíndrica da fresa);
• Difícil fixação de peças que apresentam paredes delgadas (alta e fina).
59
3.10.1 Usinagem a laser
A usinagem a laser representa uma revolução, o que antes era limitado ao
trabalho de perfilar, onde a profundidade de corte não tinha importância, atualmente
pode ser controlado, disponibilizando a abertura de novas oportunidades na produção
de componentes e em fabricação de ferramentas. O laser uma vez calibrado pode
usinar virtualmente qualquer material, estabelecendo novas possibilidades como
trabalhar em cerâmica e outros materiais anteriormente impossíveis de usinar.
Apresentando um feixe de laser com o “diâmetro de ferramenta” de 0.1mm ou menos,
o laser pode atingir áreas restritas e criar detalhes que a usinagem tradicional nunca
poderia alcançar (ver figura 66). Como não há desgaste da “ferramenta”, o
desempenho cortante é sempre ideal até mesmo em aço pré-tratado ou carboneto de
tungstênio que são vaporizados quando o laser atravessa as superfícies.
Figura 66: exemplos de usinagem a laser
Fonte: Laser tools (http://www.lasertools.com.br)
O processo de usinagem por laser é semelhante ao processo de construção de
muitos sistemas de prototipagem rápida que trabalham em camadas, a diferença é se
tratar de um método subtrativo no qual essas camadas estão abaixo de um mícron de
espessura e, desse modo, uma cavidade ou seção é criada por meio da remoção de
material. Além do processo de corte, a usinagem por laser é empregada para
soldagem e tratamento superficial onde o corte é gerado na amplificação da luz pela
emissão da irradiação.
O corte a laser tem a vantagem de não causar contato mecânico da ferramenta
com o material, bem como, a zona afetada pelo calor e o kerf (largura do corte) serem
mínimos, acarretando muito pouca distorção do material em peças de desenho
complexo. As tolerâncias dimensionais podem ser mantidas dentro de +/- 0,02 mm em
materiais cujas espessuras sejam de até 3 mm, como apresentado nas figura 67 e 68.
60
Figura 67: exemplo das tolerâncias dimensionais de Figura 68: peça usinada a LASER
uma micro-usinagem. Fonte: Prof. Rodrigo Lima Stoeterau
Fonte: Laser tools (http://www.lasertools.com.br)
Vantagens da usinagem a laser:
• Minimiza a largura de corte (típica de 0.12 mm);
• Minimiza a zona afetada pelo calor;
• Minimiza o tempo de posicionamento da peça;
• Reduz ou elimina perdas;
• Produz contornos lisos e corte com lados paralelos;
• Ausência de distorção por contato;
• Pode cortar perfis de contornos complexos;
• Pode iniciar o corte em qualquer posição;
• Possui altas velocidades de corte.
Os tipos de LASER são abaixo apresentados:
• Nd:YAG
(de neodímio:ítrio-alumínio-granada )
laser com até 500 W de potência; é
um laser de estado sólido ideal para o processamento de precisão de uma enorme
gama de materiais, tais como os Metais (aços inoxidáveis, aços ferramenta e aços
mola; alumínio e suas ligas), Cerâmicas (alumina; titanato de bário e carbetos) e
Compósitos (laminados híbridos; fibras de carbono; fibra de vidro e kevlar).
• CO2: possibilidade de corte com laser de alta potência (de 500 a 1500 W.) com
aplicação ampla, porém não são adequados a cortes de precisão em materiais
muito finos.
• EXCIMER: permite uma baixa taxa de remoção, utilizado na micro-usinagem de
polímeros, materiais cerâmicos e também é utilizado em cirurgias oculares.
61
4 AVALIAÇÃO DAS TECNOLOGIAS DE PROTOTIPAGEM RÁPIDA
A tabela 2 apresenta um resumo comparativo das tecnologias para que o leitor
possa ter um panorama geral dos principais processos de RP.
Tabela 2: Comparação entre as tecnologias de RP mais importantes comercialmente
Tecnologia
Estereolitografia
Sinterização
Seletiva a Laser
Modelagem por
Fusão e
Deposição
Impressão
Tridimensio-nal
Manufatura de
Objetos
Laminados
Benchtop
Abreviação SLA SLS FDM 3DP LOM MM (IJP)
Fabricante
3D Systems 3D Systems Stratasys Z Corporation
Cubic
Technologies
Solidscape
Características Gerais
Custo inicial de
aquisição
alto alto médio baixo médio baixo
Custo do material
alto médio alto médio baixo alto
Custo do protótipo
alto alto médio-alto baixo baixo médio-alto
Tamanho máximo
de peças (mm)
508 x 508 x 584 381 x 330 x 457 600 x 500 x 600 508 x 609 x 406 813 x 559 x 508 304 x 152 x 152
Precisão
alta média média baixa baixa alta
Variedade de
materiais
pequena grande média média pequena pequena
Velocidade de
Construção
média média baixa alta média-alta baixa
Resistência
mecânica
média alta média baixa média baixa
Acabamento
superficial
excelente bom regular regular regular-ruim
excelente
Protótipo em cores
sim
Monocromático
translúcidas com
resina especial
não sim
Monocromático
sim
Tom pastel
não não
Necessidade de
suporte
sim não sim não não sim
Necessidade de
pós-processamento
sim
Pós-cura em
forno e retirada
de suportes
sim
Jateamento com
ar e com
microesferas de
vidro
sim
Retirada de
suporte
sim
Jateamento de ar
e infiltração de
resina
sim
Retirada de
suporte,
lixamento e
selamento
superficial
sim
Retirada de
suporte
Perda de material
(reutilização do
material não
processado)
Reutilização
parcial material
do suporte é o
mesmo da peça e
não é
reaproveitá-vel
Reutilização
parcial
Somente há
perda do material
de suporte
Não há perda
reutilização total
Grande
(não permite
reutilizar)
Somente há
perda do material
de suporte
Cuidados especiais
com ambiente de
instalação
Resina tem certo
nível de
toxicidade;
manuseio da
resina deixa
sujeira;
equipamen-tos
maiores ocupam
muito espaço.
Gera muito calor;
gera pó em
suspensão no
manuseio ; ocupa
muito espaço;
necessita fonte
de nitrogênio;
gera ruído.
Gera calor;
equipamentos
maiores
necessitam de
grande espaço
Gera pó no
ambiente ao ser
manuseado;
sujeira e odores
no pós-processa-
mento (infiltração
de resina);
necessita de
jateador de ar e
aspirador de pó
Equipamen-tos
maiores ocupam
muito espaço.
Gera ruído devido
à operação de
fresamento
Pontos Fortes
Capacidade de
fabricar peças
grandes;
precisão;
materiais
transparen-tes.
Precisão;
matéria-prima
exterma-
mente resistente.
Adequada para
uso em escritório;
custo do
equipamen-to;
matéria-prima
forte.
Velocidade de
construção;
adequada para
uso em escritório,
peças coloridas;
baixo custo do
equipamen-to.
Capacida-de de
fabricar peças
grandes;
boa para
fundições; custo
da matéria-prima.
Precisão;
acabamento;
adequada para
uso em escritório.
Pontos Fracos
Necessidade de
pós-processa-
mento; matéria-
prima de difícil
manuseio.
Tamanho e peso;
partes frágeis;
custo do
equipamen-
to; acabamento
da superfície.
Velocidade de
construção
média.
Gera calor
Matéria-prima
limitada;
partes frágeis;
acabamento.
Estabilida-de da
peça;
fumaça;
acabamento;
baixa precisão.
Velocidade de
construção baixa;
matéria-prima
limitada; tamanho
máximo das
peças
62
4.1 Avaliação Comparativa das Tecnologias 3DP, SLA e FDM quanto a Critérios
de Custo e Tempo
Nesse item serão avaliadas comparativamente as três tecnologias de RP
disponíveis no Laboratório de Modelos Tridimensionais (LAMOT) do Instituto Nacional
de Tecnologia (INT). Cada uma dessas tecnologias representa uma classe dos
processos de RP baseados no estado inicial da matéria-prima, ou seja, tecnologia
baseada em líquido (SLA), tecnologia baseada em sólido (FDM) e tecnologia baseada
em pó (3DP).
Na comparação entre as tecnologias de prototipagem 3DP, SLA e FDM, tomou-
se como base um relatório de benchmark entre impressoras 3D preparado pela T.A.
Grimm Associates (GRIMM, 2003), onde três modelos distintos são avaliados em sete
tecnologias.
No presente estudo apenas um modelo foi executado em função do custo e da
disponibilidade de uso das tecnologias 3DP, SLA e FDM. O modelo foi fabricado em
cada uma dessas tecnologias no decurso de aulas de introdução aos processos de
prototipagem rápida ministradas no LAMOT / INT.
O modelo fabricado foi a carenagem de um produto composta por três partes
(ver figura 69). Cada parte foi modelada virtualmente no software Rhinoceros 3D pelo
desenhista industrial Marcelo Gonzaga da empresa ODOIS Design e o arquivo
gentilmente cedido para esse estudo pelo idealizador do produto, Leopoldo Aquino
Almeida. Por se tratar de um produto novo ainda em desenvolvimento e por questão
de contrato de sigilo industrial, as características funcionais do produto não serão aqui
apresentadas.
Figura 69: modelo do estudo comparativo das tecnologias 3DP, SLA e FDM
63
Nesta avaliação comparativa, dois principais critérios foram considerados:
custo e tempo. O critério qualidade da superfície (acabamento), apesar de tratado no
estudo de GRIMM (2003), não será aqui abordado de modo aprofundado. Após o
processo de limpeza e cura das peças a qualidade da superfície foi avaliada;
entretanto, não foi realizada qualquer operação de pós-processamento, tais como
lixação, pintura e polimento da superfície.
Em relação ao critério custo foram avaliados os requisitos: despesa de
aquisição do equipamento, despesa operacional anual, processamento anual de
protótipos, taxa horária para operação do equipamento e custo médio do protótipo
(modelo do estudo); e em relação ao critério tempo foram avaliados os requisitos:
tempo médio de construção do protótipo e tempo médio total de processamento.
Durante o processo, todos os parâmetros de tempo e custo foram computados,
desde a abertura do arquivo em formato STL até o protótipo finalizado para uso e
avaliação formal.
O custo de aquisição do equipamento reflete o investimento no sistema de
prototipagem utilizado, incluindo equipamentos de apoio. A figura 70 apresenta uma
comparação entre os custos das tecnologias 3DP, SLA e FDM.
0
50
100
150
200
250
US$ (x 1000)
3DP SLA FDM
Tecnologia
US$ 75.000
US$ 230.000
US$ 130.000
Figura 70: custo de aquisição do equipamento
O custo operacional anual são as despesas contínuas, tais como contratos
anuais de manutenção, mão de obra e peças de reposição para serviços de rotina,
sem levar em consideração o custo da matéria-prima. A figura 71 apresenta o custo
operacional anual para cada tecnologia. Observa-se que a 3DP (Z Corporation) não
64
oferece serviço de manutenção anual limitando-se a repassar informações do
fornecedor norte-americano do equipamento durante visitas técnicas.
0
5
10
15
20
25
30
35
US $ (x 1000)
3DP SLA FDM
Tecnologias
US $ 2.000
US $ 17.000
US $ 32.000
Figura 71: custo operacional anual
Para determinar a produção anual de protótipos e as horas de máquinas
associadas, os tempos de construção foram considerados para peças típicas,
similares ao modelo do estudo, como a média das dimensões de largura,
comprimento, altura e volume das peças.
A pesquisa assumiu que as máquinas rodam em 25 a 50% de sua capacidade,
sendo utilizadas nove horas por dia, cinco dias por semana e 50 dias por ano, com
uma taxa de utilização de 60% (para cobrir tempos de reparos, manutenção e
ineficiências na programação). A figura 72 ilustra a comparação desse requisito entre
as tecnologias de prototipagem.
0
20
40
60
80
100
120
140
N° de Protótipos
3DP SLA FDM
Tecnologia
130
90
50
Figura 72: produção anual de protótipos
O custo da hora de utilização do equipamento foi medido a partir das horas
operacionais anuais e das despesas anuais, como mostra a figura 73. Para cada
65
sistema, os fatores mais significativos que afetam a taxa horária foram o
processamento anual, o custo do sistema e as despesas com manutenção.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
US $
3DP SLA FDM
Tecnologia
US $ 13
US $ 42
US $ 33
Figura 73: custo horário de utilização do equipamento
Utilizando a taxa horária de cada máquina, o tempo de produção, o custo do
material e as despesas com mão de obra, o custo do protótipo foi calculado para cada
equipamento e uma média foi determinada. O custo médio da peça inclui despesas de
mão de obra a uma taxa de US$ 40,00/hora para todas as operações que necessitam
de intervenção humana. O custo médio do protótipo foi considerado como uma medida
de viabilidade na avaliação de um sistema e é mostrado na figura 74.
0
20
40
60
80
100
120
140
US $
3DP SLA FDM
Tecnologia
US $ 50
US $ 115
US $ 90
Figura 74: custo médio do protótipo
O tempo médio para construção do protótipo considera apenas o tempo que
cada equipamento precisou para construir uma peça, não considerando o tempo para
preparação dos dados, preparação da máquina e operações de pós-processamento. O
tempo de construção geralmente é citado como uma medida de desempenho do
sistema e é mostrado na figura 75.
66
Figura 75: tempo médio para construção do protótipo
O tempo médio total de processamento de um protótipo, dado pela figura 76,
considera todos esses tempos, desde a preparação da máquina até o final das
operações de pós-processamento.
0
2
4
6
8
10
12
14
Horas
3DP SLA FDM
Tecnologias
protótipo
Figura 76: tempo médio total de processamento
A análise dos dados apresentados acima permite uma comparação entre as
tecnologias estudadas. Para uma melhor visualização dessa comparação foi
elaborada a tabela 3 a seguir. A qualidade da superfície do protótipo (acabamento) foi
avaliada após o processo de limpeza e cura das peças, não tendo sido essas
submetidas a qualquer tipo de pós-processamento.
67
Tabela 3: Comparação entre tecnologias de prototipagem
Tecnologias de Prototipagem
Critérios Requisitos
3DP SLA FDM
Custo de aquisição do equipamento 3 1 2
Custo operacional anual do equipamento 3 2 1
Custo da produção anual de protótipos 3 2 1
Custo da hora de utilização do equipamento 3 1 2
Custo
Custo médio do protótipo 3 1 2
Tempo médio para construção do protótipo 3 2 1
Tempo
Tempo médio total de processamento de protótipos 3 1 2
Acabamento
Qualidade da superfície do protótipo 1 3 2
Avaliação Final 22 13 13
Para tornar esta análise quantitativa e evitar falhas na interpretação de cada
requisito, optou-se por dar o valor três (3), que significa que o método é mais
vantajoso que os demais no requisito analisado, o valor dois (2), que significa que o
método tem uma vantagem intermediária, e o valor um (1), que significa que o método
é menos vantajoso que os demais. Desse modo, a tecnologia que apresentasse o
maior índice de avaliação final, dado pela soma do valor de cada requisito, poderia ser
considerada a de maior custo benefício.
Adotando-se essa forma de avaliação pode-se concluir que a tecnologia de
maior custo benefício, dentre as três analisadas, foi a 3DP; devido ao seu baixo custo,
baixo nível de ruído, quase nenhum desperdício de matéria-prima e possibilidade de
instalação em ambientes não industriais, o que permite seu uso para fins educacionais
e de pesquisa.
Entretanto, no caso de aplicações industriais, características como: o tamanho
do protótipo a ser fabricado, especificidades das matérias-primas e a resistência
mecânica dos materiais podem ser critérios qualificadores na escolha da tecnologia de
prototipagem rápida a ser empregada.
De modo a fornecer maiores subsídios aos usuários dessas tecnologias, seis
amostras, cada uma composta por cinco corpos de prova no formato gravata e
cilíndrico, foram prototipadas nas tecnologias 3DP, SLA, FDM e CNC e submetidas a
ensaios mecânicos e de aferição dimensional. As conclusões obtidas serão
apresentadas no próximo item.
68
4.2 Ensaios Mecânicos dos Materiais e Aferição Dimensional dos Corpos de
Prova realizados no Laboratório de Tecnologia de Materiais Poliméricos do INT
Para os ensaios mecânicos - dureza e tração - seis amostras foram
confeccionadas nos equipamentos de prototipagem rápida. Cada amostra, composta
por cinco corpos de prova nos formatos gravata e cilíndrico, foi identificada conforme a
seguir:
1. SLA Fast Acura SI50 (menor resolução),
2. SLA Exact Acura SI50 (maior resolução),
3. 3DP ZCorp,
4. FDM – plástico ABS,
5. Acrílico CNC,
6. Ren Shape CNC.
4.2.1 Ensaio de Dureza
Equipamento: Woltest SD 30 – durômetro Shore D – Modelo GS 702 (ver figura 77).
Tempo de ensaio: 1 segundo em temperatura ambiente de 25ºC.
Figura 77: equipamento Woltest SD 30 – durômetro Shore D – Modelo GS 702
Figura 78: momento da realização do ensaio de dureza e resultado
69
O equipamento Woltest SD 30 – durômetro Shore - é utilizado no ensaio de
dureza que consiste em medir a profundidade da impressão deixada pela ponta
metálica do equipamento no material avaliado, com aplicação de carga (ver figura 78).
Esse aparelho de medição foi desenvolvido em 1920 pelo fabricante de instrumentos
Albert F. Shore e é amplamente utilizado na medição da dureza de polímeros,
elastômeros e borrachas. Existem diversas escalas de dureza utilizadas para materiais
com diferentes propriedades. As mais comuns são a A e a D, sendo a A utilizada para
plásticos macios e a D para plásticos rígidos; utilizada nos ensaios com as amostras.
Cada escala varia de 0 a 100, de modo que os valores maiores indicam materiais mais
duros.
4.2.2 Ensaio de Tração
Equipamento: EMIC DL 2000 (ver figura 79).
Velocidade de separação entre as garras: 50 mm/min.
Célula de carga: 1000 N.
Temperatura ambiente: 25ºC.
Figura 79: equipamento EMIC DL 2000 e detalhe da fixação do corpo de prova
O ensaio de tração consiste em submeter o corpo de prova a um esforço que
tende a alongá-lo ou esticá-lo até à sua ruptura (ver figura 80). Geralmente o ensaio é
realizado em corpos de prova com forma e dimensão padronizadas para que os
resultados obtidos possam ser comparados ou, caso necessário, reproduzidos. No
ensaio de tração, o corpo de prova é fixado em uma máquina que aplica esforços
crescentes em sua direção axial sendo as deformações correspondentes medidas. Os
70
esforços ou cargas são mensurados na própria máquina e, normalmente, o ensaio
decorre até a ruptura do material
.
Figura 80: corpos de prova submetidos ao ensaio de tração no equipamento EMIC DL 2000
No ensaio de tração, praticamente todas as deformações promovidas no
material são uniformemente distribuídas, ao menos até que a carga máxima suportada
pelo material seja atingida, próxima ao final do ensaio. Durante o ensaio é possível
controlar a velocidade de aumento da carga em um modo relativamente lento, o que
permite medir satisfatoriamente a resistência do material. A uniformidade da
deformação permite ainda obter medições para a variação dessa deformação em
função da tensão aplicada. Essa variação é determinada pelo traçado da curva
tensão-deformação que pode ser obtida diretamente da máquina (ver figura 81).
A uniformidade da deformação cessa no momento em que é atingida a carga
máxima suportada pelo material, quando surge o fenômeno da estricção ou da
diminuição da seção do corpo de prova. A ruptura sempre se dá na região mais
estreita do material, a não ser que o material apresente algum defeito interno que
promova a ruptura do mesmo em outra região, o que raramente ocorre.
As deformações elásticas não são permanentes, ou seja, quando a carga é
removida o corpo retorna ao seu formato original, isso ocorre até o momento anterior
ao limite de escoamento. Acima dessa tensão os materiais começam a se deformar
plasticamente, ou seja, ocorrem deformações permanentes. O ponto no qual as
deformações permanentes começam a se tornar significativas é chamado de limite de
escoamento (ver figura 81).
Durante a deformação plástica, a tensão necessária para continuar a deformar
um material aumenta até um ponto máximo, denominado limite de resistência à tração,
71
onde a tensão é a máxima na curva tensão-deformação. Esse limite corresponde a
maior tensão que o material pode resistir; se esta tensão for aplicada e mantida, o
resultado será a fratura. Toda a deformação até esse ponto é uniforme na seção, no
entanto, após esse ponto começa a se formar uma estricção na qual toda a
deformação subseqüente está confinada e, é nesta região que ocorrerá ruptura. A
tensão que corresponde a fratura é denominada limite de ruptura (ver figura 81).
Deformação específica (%)
Figura 81: curva tensão-deformação obtida por meio de um ensaio de tração
1. Tensão Máxima de Tração (deformação plástica);
2. Tensão de Escoamento (deformação elástica);
3. Tensão de Ruptura, indica o ponto de fratura.
4.2.3 Aferição Dimensional dos Corpos de Prova
Conforme mencionado no ítem 4.2, cinco corpos de prova, nos formatos gravata e
cilíndrico, foram prototipados nas tecnologias - SLA Fast Acura SI50; SLA Exact Acura
SI50; 3DP ZCorp; FDM – plástico ABS; Acrílico CNC e Ren Shape CNC - e suas
medidas aferidas com paquímetro digital. Os formatos dos corpos de prova foram
modelados virtualmente no software Rhinoceros 3D a partir de uma amostra padrão
fornecida pelo Laboratório de Tecnologia de Materiais Poliméricos (LAMAP) do INT
(ver figura 82).
Tensão (Mpa)
72
Figura 82: modelagem virtual dos corpos de prova - formato gravata e cilíndrico
Sendo:
M1 = Comprimento haste = 74.45 mm
M2 = Largura maior da haste = 12.76 mm
M3 = Altura da haste = 2.20 mm
M4 = Largura menor da haste = 4.24 mm
M5 = Altura do cilindro = 6.08 mm
M6 = Diâmetro do cilindro = 13.00 mm
73
4.2.4 Resultados da Aferição Dimensional dos Corpos de Prova e dos Ensaios de
Tração das Seis Amostras
4.2.4.1 Tecnologia: FDM / Material: plástico ABS
Figura 83: corpos de prova prototipados em plástico ABS - tecnologia FDM
Média aritmética resultante de cada medida
M1 = 74.61 mm
M2 = 12.90 mm
M3 = 2.26mm
M4 = 4.25 mm
M5 = 6.10 mm
M6 = 13.16 mm
74
Gráfico 1: Resultado do ensaio de tração com a amostra FDM – plástico ABS
75
4.2.4.2 Tecnologia: SLA / Material: Resina Epóxi fotossensível - Acura SI50
Figura 84: corpos de prova prototipados em resina epóxi fotossensível - tecnologia SLA
Média aritmética resultante de cada medida
Resolução Fast Acura SI50 Resolução Exact Acura SI50
M1 = 74.74 mm M1 = 74.88 mm
M2 = 12.74 mm M2 = 12.88 mm
M3 = 2.48 mm M3 = 2.57 mm
M4 = 4.20 mm M4 = 4.32 mm
M5 = 6.41 mm M5 = 6.20 mm
M6 = 12.99 mm M6 = 13.10 mm
76
Gráfico 2: Resultado do ensaio de tração com a amostra SLA Fast Acura SI50
77
Gráfico 3: Resultado do ensaio de tração com a amostra SLA Exact Acura SI50
78
4.2.4.3 Tecnologia: 3D Print Z Corp / Material: Composite (gesso + termoplástico +
adesivo a base de cianoacrilato)
Figura 85: corpos de prova prototipados em composite - tecnologia 3D Print Zcorp
Média aritmética resultante de cada medida
M1 = 74.82 mm
M2 = 12.85 mm
M3 = 2.28 mm
M4 = 4.28 mm
M5 = 6.14 mm
M6 = 13.14 mm
79
Gráfico 4: Resultado do ensaio de tração com a amostra 3DP ZCorp
80
4.2.4.4 Tecnologia: Fresadora Tridimensional (CNC) / Material: Acrílico
Figura 86: corpos de prova prototipados em acrílico - tecnologia Fresadora CNC
Média aritmética resultante de cada medida
M1 = 74.46 mm
M2 = 12.72 mm
M3 = 2.24 mm
M4 = 4.23 mm
M5 = 5.97 mm
M6 = 12.82 mm
81
Gráfico 5: Resultado do ensaio de tração com a amostra Acrílico CNC
82
4.2.4.5 Tecnologia: Fresadora Tridimensional (CNC) / Material: Ren Shape
(poliuretano de alta densidade)
Figura 87: corpos de prova prototipados em poliuretano de alta densidade - tecnologia Fresadora CNC
Média aritmética resultante de cada medida
M1 = 74.45 mm
M2 = 12.94 mm
M3 = 2.22 mm
M4 = 4.37 mm
M5 = 6.15 mm
M6 = 12.96 mm
83
Gráfico 6: Resultado do ensaio de tração com a amostra Ren Shape CNC
84
4.3 Quadro Geral dos Resultados dos Ensaios Mecânicos – Tensão e Dureza – e
da Aferição Dimensional dos Corpos de Prova
Procedimentos observados segundo a norma DIN 53504
Tabela 4:Resultados dos ensaios mecânicos:
Amostras
Ensaios
ABS
FDM
SLA Fast
Acura SI50
SLA Exact
Acura SI50
3DP
ZCorp
Acrílico
CNC
Ren Shape
CNC
Tensão no
Escoamento (MPa)
22,5 28,0 23,1 7,7 51,2 20,8
Alongamento no
Escoamento (%)
1,9 3,8 51,4 Zero 1,4 5,7
Tensão na Ruptura
(MPa)
19,9 25,6 23,0 7,6 50,7 20,8
Alongamento na
Ruptura (%)
19,8 32,3 51,0 Zero 1,4 5,7
Dureza (Shore D)* 87 86 87 90 98 80
*Para o ensaio de dureza são encontrados valores entre 0 e 100, sendo que valores maiores indicam um
material mais duro.
Tabela 5: Tabela dimensional comparativa das tecnologias
Tecnologia
Medida base
FDM SLA Fast SLA Exact 3D Print
CNC
acrilico
CNC
ren shape
Comprimento da
haste
74.45 mm
74.61 mm. 74.74 mm. 74.88 mm 74.82 mm. 74.46 mm. 74.45 mm
Largura maior da
haste 12.76 mm
12.90 mm. 12.74 mm. 12.88 mm 12.85 mm. 12.77 mm. 12.74 mm.
Altura da haste
2.20 mm
2.26mm. 2.48 mm. 2.57 mm. 2.28 mm. 2.21 mm. 2.22 mm.
Largura menor da
haste 4.24 mm
4.25 mm. 4.20 mm. 4.32 mm. 4.28 mm. 4.23 mm. 4.25 mm.
Altura do cilindro
6.08 mm
6.10 mm. 6.41 mm. 6.20 mm. 6.14 mm. 6.07 mm 6.06 mm.
Diâmetro do
cilindro 13.00 mm
13.16 mm. 12.99 mm. 13.17 mm. 13.14 mm. 12.99 mm 12.98 mm.
Tomando como referência as medidas dos corpos de prova – formatos gravata
e cilíndrico - estabelecidas na modelagem virtual, podemos observar que a variação
dimensional encontrada nas amostras fabricadas por meio das tecnologias de RP
mantiveram-se na casa dos décimos de milímetros, enquanto as amostras fabricadas
por meio da usinagem CNC, mantiveram-se na casa dos centésimos de milímetro,
confirmando a característica, dessa tecnologia, de melhor precisão dimensional
85
5 ESTUDO DE CASO
5.1 Utilização da Prototipagem Rápida em Medicina e Paleontologia
Segundo JACOBS (1996), “uma outra importante vertente de uso da
Prototipagem Rápida é a área médico-hospitalar. Segundo o vice-presidente da Baxter
Healthcare´s Advanced Engineering Group, a prototipagem rápida para aplicações
médicas é um gigante adormecido. Na Europa, Estados Unidos e Japão, vários
estudos em casos práticos apontam para uma disseminação desse tipo de tecnologia
como uma das mais promissoras, o principal motivo pela não completa utilização atual
é o custo elevado sempre atrelado a tecnologias novas (principalmente devido ao fato
de que as companhias de seguro de saúde não cobrem esse tipo de despesa)”.
Ainda hoje a utilização dessa tecnologia na área médica é restrita devido aos autos
custos que envolvem o processo. O primeiro modelo em prototipagem rápida para
cirurgia de prótese, a partir de uma tomografia computadorizada, foi construído em
1999 no Instituto Nacional de Tecnologia para o hospital Sarah Kubitschek de Brasília
(ver figura 88). A construção desse tipo de modelo ainda está muito aquém da
demanda existente.
F
igura 88: estudo de prótese construída no Instituto Nacional de Tecnologia para o hospital Sarah
Kubitschek, a partir de imagem de ressonância magnética
(Fonte: INT)
86
Atualmente, os modelos são construídos no Centro de Tecnologia da
Informação Renato Archer (CTI) em Campinas/SP, no âmbito de um projeto
denominado PROMED (Prototipagem Rápida na Medicina) conforme será
apresentado a seguir.
Segundo Jorge Vicente Lopes da Silva, coordenador do projeto PROMED -
PROtotipagem rápida em MEDicina, “o projeto visa o processamento de imagens
médicas obtidas de tomógrafos computadorizados e aparelhos de ressonância
magnética e a sua integração com equipamentos de prototipagem rápida de peças por
Sinterização Seletiva a Laser (SLS). A motivação principal é a de disponibilizar,
integrar e difundir sistemas computacionais, metodologias que viabilizem a utilização
de prototipagem na medicina com objetivos de reduzir custos pós-operatórios e
diminuir os riscos decorrentes de informações insuficientes para um planejamento
cirúrgico eficiente. O projeto promove a integração de equipes multidisciplinares no
desenvolvimento para produzir resultados o mais próximo possível dos requisitos
finais. A utilização integrada destas tecnologias fornece aos médicos e cirurgiões
modelos físicos de estruturas internas do corpo humano para melhor planejar e
preparar cirurgias complexas que, se feitas com mais sucesso, têm menor custo
associado com tratamentos pós-cirúrgicos, riscos e sofrimento do paciente reduzidos,
o que aumenta substancialmente a qualidade dos resultados como um todo”.
O projeto PROMED foi criado pela Divisão de Desenvolvimento de Produtos do
CTI em agosto de 2001 e a metodologia é utilizada em casos não urgentes de
ortopedia, reconstrução bucomaxilofacial (ver figura 89) e cranial (ver figura 90).
Figura 89: modelos físicos de uma seção de um crânio
(Fonte: CTI)
87
Com um protótipo em mãos, o médico tem uma clara visão da situação clínica,
pode planejar e simular intervenções cirúrgicas e modelar implantes exclusivos para
cada caso. Tais procedimentos reduzem o tempo e os custos da operação, minimizam
o desconforto e aceleram a recuperação do paciente.
Figura 90: modelo virtual de um crânio
(Fonte: CTI)
Segundo Jorge V. L. da Silva, “Os protótipos são feitos com base nos dados
obtidos em exames de tomografia e ressonância magnética. As imagens médicas são
trabalhadas pelos softwares InVesalius e MIMICS, que constroem um modelo
tridimensional computadorizado da estrutura de interesse. Este volume é então
transformado em um modelo físico preciso e detalhado através da Prototipagem
Rápida” (ver figura 91).
Figura 91: modelagem das próteses
(Fonte: www.cti.gov.br)
88
O CTI também participa de pesquisa na área de paleontologia, em parceria
com o Museu Nacional do Rio de Janeiro e o Instituto Nacional de Tecnologia,
construindo modelos de fósseis em prototipagem rápida pelo processo SLS a partir de
arquivos tridimensionais obtidos por ressonância magnética.
O crânio de um Mariliasuchus amarali, um pequeno crocodilo que viveu há
cerca de 65 milhões de anos foi encontrado incrustado em uma rocha em Marília,
interior de São Paulo. O bloco de pedra, com o fóssil em seu interior, foi reconstruído
em três dimensões a partir das imagens obtidas em uma tomografia helicoidal. Os
diferentes níveis de cinza do volume permitem distinguir o fóssil do arenito (ver figura
92).
Figura 92: imagem virtual do crânio
O mapa de cores revela as variações de densidade do modelo
computadorizado (ver figura 93). A estrutura interna em amarelo evidencia o crânio do
crocodilo, enquanto o invólucro alaranjado representa o bloco de pedra. A análise
virtual permite ao pesquisador conhecer os dados e informações que não poderiam
ser estimados devido ao impossível acesso, sem danos, ao material ainda incluso na
matriz.
Figura 93: O mapa de cores revela as variações de densidade da imagem virtual do crânio
89
O uso das tecnologias de bio-modelagem e Prototipagem Rápida permitem que
uma réplica fidedigna do fóssil (ver figura 94) seja exposta, avaliada e comparada por
pessoas de diferentes localidades, o que garante o avanço das pesquisas sem
comprometer a integridade da peça original.
Figura 94: modelo físico do crânio
Fonte: www.cti.gov.br
5.2 Utilização da Prototipagem Rápida em Pesquisa Científica
Projeto: Reconstituição Facial de Múmias Egípcias do acervo do Museu Nacional.
Descrição do projeto: O projeto de reconstrução tridimensional virtual e física do
acervo do Museu Nacional tem como princípio a captura de imagens obtidas por
tomografia computadorizada de forma não invasiva, ou seja sem abertura de
sarcófagos, para posterior geração de modelos tridimensionais físicos.
Objetivo do trabalho: Catalogar o acervo do Museu Nacional por meio de imagens 3D
digitalizadas, reconstruídas fisicamente, objetivando a replicação das peças para
pesquisas, documentação e difusão da ciência no Brasil para a troca de informações,
imagens e modelos entre as instituições envolvidas no projeto.
Observação: Por se tratar de um projeto piloto cujo objetivo é a reconstituição da face
da múmia egípcia do acervo do Museu Nacional, apenas a prototipagem da parte
óssea da cabeça será realizada.
90
Entidades Participantes:
INT
Instituto Nacional de Tecnologia / MCT
Divisão de Desenho Industrial / Laboratório de Modelos Tridimensionais
Jorge Lopes (DvDI)
Museu Nacional
Ministério da Educação / UFRJ
Área de Antropologia / Arqueologia
Prof. Antônio Brancaglion Jr. (UFRJ)
Fiocruz
Escola Nacional de Saúde Pública - Ministério da Saúde
Dra. Sheila Maria Ferraz M. de Souza (Pesquisadora Titular)
CTI
Centro da Tecnologia da Informação Renato Archer antigo Centro de
Pesquisas Renato Archer / MCT
Dr. Jorge Vicente Lopes da Silva
CDPI
Centro de Diagnóstico por Imagem
Dr. Iugiro Kuroki
91
Descrição das etapas do projeto:
• Realização de tomografia computadorizada de múmias: a figura 95 abaixo,
demonstra os cuidados com o material do acervo do museu, devidamente
embalado para evitar a contaminação e os primeiros resultados da tomografia.
Figura 95: realização de tomografia computadorizada do sarcófago que contém a múmia
• Análise não invasiva das peças através de imagens tomográficas: a figura 96
abaixo, apresenta a retirada virtual das bandagens pela graduação da
densidade dos materiais. Essa etapa é realizada com o uso de programas
especializados a partir dos quais é possível separar o tecido das bandagens da
parte óssea. A partir dessa separação é possível gerar a reconstrução
tridimensional física do crânio, utilizando novas tecnologias à prototipagem
rápida.
Figura 96: análise não invasiva das peças através de imagens tomográficas
92
• De posse do modelo físico gerado pela prototipagem, a figura 97 abaixo,
apresenta a aplicação de técnicas de modelagem convencional feita por um
escultor com a orientação da antropóloga, Dra. Sheila Maria Ferraz M. de Souza
(pesquisadora da FioCruz), por adição de material são recolocados os tecidos,
músculos e pele, afim de se reconstituir as características anatômicas dessa
peça do acervo egípcio. A partir desse modelo físico, pode-se gerar um molde e
produzir réplicas a serem utilizadas tanto para a pesquisa quanto para fins de
divulgação científica e cultural.
Figura 97: aplicação de técnicas de modelagem convencional manual na reconstituição
das faces das múmias egípcias do acervo do Museu Nacional
93
• Na figura 98 abaixo é apresentado a digitalização da superfície do modelo
gerado com auxílio de um Scanner Tridimensional; com o objetivo de se
construir um de banco de imagens composto por cortes tomográficos, imagens
3D reconstruídas e imagens 3D digitalizadas.
Figura:98: digitalização das peças com auxílio de um scanner 3D e a construção de banco de imagens
Resultados Esperados
Avanços técnicos e aprimoramento de recursos humanos na área de produção,
processamento, uso e interpretação de imagens digitalizadas e sua aplicação à
prototipagem.
Utilização de novas tecnologias na área de captura de imagem, modelagem e
prototipagem.
Consolidação de um conjunto expressivo de informações sobre o acervo do
Museu Nacional, considerado um dos mais importantes das Américas.
Produção de objetos (réplicas de peças do acervo do Museu Nacional) através
do uso de scanner 3D e da construção de modelos atrvez da prototipagem
rápida.
Interação entre os órgãos públicos ligados à Ciência e Tecnologia
94
Resultados na mídia impressa
Diversas matérias publicadas sobre o projeto em jornais e revistas como: O
Globo, O DIA, Jornal do Brasil, Estado de São Paulo e Revista CAD Design (ver figura
99 abaixo).
Figura 99: matérias publicadas sobre o projeto
95
5.3 Utilização da Prototipagem Rápida no Desenvolvimento de Produto
Titulo: Aperfeiçoamento do Design do Produto “Terminal Telefônico Tipo Mesa de
Operações Financeiras Modelo Trade Deck IP”
A Empresa: INOVAX ENGENHARIA DE SISTEMAS LTDA. opera no segmento de
telecomunicações.
Problemática:
A empresa INOVAX observou ao longo de suas atividades que, grande parte
da sua principal demanda consiste nos produtos de Mesa de Operações Financeiras
cujo mercado conta atualmente apenas com alternativas de produtos importados além
da INOVAX.
Acrescente-se que, foi observada uma série de deficiências nos materiais
utilizados e na operacionalidade do produto acima referido, além das adaptações
realizadas sem especificações técnicas abalizadas.
Por essas razões, o cliente concluiu que, para melhor atender ao mercado
financeiro nacional e melhorar as suas oportunidades de exportação, necessitava de
um novo produto com design atualizado e sem as deficiências e adaptações existentes
no modelo atual.
Portanto este projeto representa um esforço da empresa em lançar no mercado
um produto com design marcante, dimensionado corretamente para os seus usuários
e acrescidos de outras funções, tais como: uso de tecnologia de comunicação de voz
digital baseado no protocolo IP.
Finalizando, a melhoria que será obtida por este projeto criará importante
diferencial na qualidade de atendimento a este mercado específico, propiciando um
equipamento dimensionado corretamente para o nível de atendimento acima descrito,
esperando-se com isto melhor desempenho, maior custo-benefício com conseqüente
crescimento da eficiência da empresa.
Tecnologias aplicadas:
As observações foram realizadas através de visitas a empresas do setor, com
entrevistas junto aos operadores do sistema de atendimento por telefonia, para
posteriores análises em laboratório.
96
Para a avaliação da relação dimensional das interfaces do sujeito envolvido
nas atividades com o equipamento e o espaço útil existente no posto de trabalho, foi
utilizado o software “ERGOKIT”, desenvolvido pelo INT/DvDI/LABER (laboratório de
ergonomia).
Foram confeccionados no Laboratório de Modelos Tridimensionais (LAMOT),
utilizando tecnologias de prototipagem convencional e informatizada, dois “MOCK-
UP’s” do novo produto, em escala natural, com o objetivo de proporcionar condições
físicas para simulações de uso.
Posteriormente, para o desenvolvimento conceitual e ilustrações do novo
produto, foi utilizado o software RHINOCEROS e para modelagem técnica visando à
confecção de um “MODELO FUNCIONAL” em escala natural.
Foi confeccionado no Laboratório de Modelos Tridimensionais (LAMOT),
utilizando tecnologias de usinagem CNC, um “MODELO FUNCIONAL” do novo
produto comportando todos os componentes necessários (fornecidos pela empresa)
para o funcionamento deste tipo de equipamento, com o objetivo de proporcionar
condições físicas para um teste real.
Atividades realizadas:
O projeto foi desenvolvido de acordo com as seguintes fases:
- Análise técnica;
- Proposta de alternativas conceituais;
- Escolha dos Conceitos;
- Desenvolvimento técnico dos conceitos aprovados;
- Avaliação dos aparelhos tecnicamente desenvolvidos;
- Confecção do mock-up;
- Confecção do modelo;
- Avaliação do modelo;
- Construção do modelo funcional;
- Arquivo eletrônico;
- Relatório técnico.
Visando não se estender com a descrição de todas as fases do projeto nesse
estudo de caso, vamos mencionar apenas a parte referente ao desenvolvimento do
produto.
97
O modelo do terminal “Trade-Deck TA”
a ser desenvolvido foi fornecido pela
empresa INOVAX, nas cores preto e branco, conforme figura 100.
Figura 100: Terminal “Trade-Deck TA” a ser desenvolvido
Fonte : INOVAX
A seguir pode-se observar uma linha de evolução dos conceitos virtuais elaborados:
Primeira Alternativa Conceitual Compacta Remota (ver figura 101).
Figura 101: denominação antasia – “Batman”
Fonte: INT/DvDI
98
Segunda Alternativa Conceitual Compacta Remota (ver figura 102).
Figura 102: denominação fantasia – “C3PO”
Fonte : INT/DvDI
Terceira Alternativa Conceitual Compacta Remota (ver figura 103).
Figura 103: denominação fantasia – “Rampa”
Fonte : INT/DvDI
Desenvolvimento Preliminar do Conceito Escolhido
Foi escolhida uma das três linhas de estudo a “Alternativa Conceitual
Compacta Remota”, por proporcionar um conceito inovador neste tipo de trabalho, que
é o controle móvel remoto, sistema este que acreditamos proporcionaria mais
liberdade de ação e conseqüentemente maior conforto ao operador do terminal
quando em uso.
Neste ponto já é apresentado um caminho conceitual com embasamento a
nível preliminar para a geração de uma tendência da forma externa do novo aparelho,
99
com dimensionamento real baseado num estudo, também preliminar, de
posicionamento das placas eletrônicas, terminais elétricos e outros componentes
existentes neste tipo de produto, tendo como resultado a formulação de um layout
interno básico (ver figura 104).
Figura 104: lay-out do posicionamento dos componentes eletrônicos internos.
Fonte : INT/DvDI
Estudo de variações cromáticas
Figura 105: Lay-out do estudo de variações cromáticas.
Fonte : INT/DvDI
Correções projetuais: Confecção de um “mock-up”
A execução do “mock-up” foi em poliuretano expandido usinado em uma
fresadora CNC, por partes a partir de arquivos eletrônicos projetados e construídos
pela equipe de projeto (ver figura 106). Posteriormente a mesma equipe montou o
modelo tridimensional e deu acabamento final, inserindo na tela (touchscreen) uma
página com leiaute da interface gráfica com o objetivo de proporcionar realismo a peça
e assim facilitar a experiência de uso em laboratório.
100
Montado o modelo foi executado um teste de interface de uso (usabilidade) em
laboratório cujos resultados, geraram subsídios para modificações visando o
aperfeiçoamento do conceito (ver figura 107).
Figura 106: construção do “mock-up”
Figura 107: Conceito virtual aperfeiçoado
101
Confecção do protótipo funcional
Inicialmente foram feitos os ajustes finais no arquivo eletrônico visando à
confecção dos modelos pelo processo de usinagem através de fresadora CNC,
utilizando como material o MDF (chapa de fibra de madeira média densidade), para
posteriormente modelar as partes do “corpo” do novo produto pelo processo de
“Vacuum forming”. O processo de vacuum forming, que consiste na utilização de
molde como matriz, o aquecimento de uma chapa de termoplásticos e sucção do ar,
para moldar formas em alto e baixo relevo, reproduzindo os mais variados formatos,
usando matérias-primas como ABS, PVC, PET, Poliestireno (PSAI), Polipropileno (PP)
e Acrílico (ver figura 108).
Figura 108: confecção dos modelos pelo processo de usinagem - fresadora CNC – e modelagem
das partes do “corpo” do novo produto pelo processo de “Vacuum forming”
102
As partes que compõe o corpo do protótipo foram finalizadas e montadas
artesanalmente. As telas (LCD e Touchscreen), teclados, botões, auto-falantes e
componentes eletroeletrônicos, são peças reais. As placas eletrônicas, no entanto,
são peças simuladas em tamanho real (ver figura 109).
Figura 109: As telas (LCD e Touchscreen), teclados, botões, auto-falantes e componentes
eletroeletrônicos são peças reais
103
Testes de usabilidade do protótipo funcional
Devido às placas eletrônicas não terem sido projetadas a tempo pelo cliente, o
teste do novo produto não pode ser realizado em ambiente real com operadores
diversos, como era a intenção inicial do projeto. No entanto, para promover um teste
de laboratório foi elaborada uma simulação de funcionamento do produto projetado
através da ligação do aparelho a um microcomputador, por intermédio de um
distribuidor VGA que permitiu operacionalizar a tela touchscreen e com isto testar os
principais layouts de interface projetados pela equipe de projeto (ver figura 110)
Figura 110: Testes de usabilidade do protótipo funcional
Alteração significativa no projeto inicial
Na análise comercial, técnica e de produção realizada pela empresa INOVAX
do produto “Trade Deck IP”, projetado e desenvolvido para esta mesma empresa pela
DvDI/INT com o apoio do PROGEX-RJ e finalizado em dezembro de 2005, foram
constatados futuros mercados e novas funções para o produto com uma nova função
104
denominada “Terminal Telefônico Tipo Distribuidor Paralelo de Chamadas Telefônicas”
além daquelas que normalmente fazem parte dos universos mercadológicos
anteriormente objetivados pela empresa demandante como “Terminal Telefônico Tipo
Mesa de Operações Financeiras”, por parte dos interessados na aquisição de
equipamentos desta natureza. Sendo assim, para viabilizar o equipamento projetado
as novas realidades mercadológicas detectadas, haveria a necessidade de
adaptações e modificações de uma série de fatores técnicos críticos relativos à
interface com os usuários somados a decisão em adotar o sistema de “INJEÇÃO”
como processo para a fabricação do “corpo” de seu novo produto em escala industrial,
fatores estes que geraram a necessidade de uma intervenção projetual corretiva.
A partir destas constatações, a INOVAX solicitou a DvDI/INT, o redesign do
produto “Trade Deck IP”, que passou a ser denominado inicialmente “TipTel” e
posteriormente denominado comercialmente “NeoPath” (ambas sugeridas pelo
cliente), de forma a configurá-lo de acordo com as novas exigências técnicas dos
novos mercados. O produto desta segunda fase foi realizado com recursos da própria
empresa e finalizado a contento em maio de 2007, conforme relatório expedido pela
DvDI/INT.
Nesta terceira fase a empresa INOVAX finalizou o mesmo produto no que
concerne ao design, processo de produção e construção do modelo funcional de cada
um dos elementos a seguir: microfone externo bem como a revisão e construção de
um modelo funcional do corpo principal da última versão do produto.
É preciso esclarecer que com a finalização projetual do equipamento
“NeoPath”, a INOVAX poderá complementar a fase de produção comercial (já em
andamento) através da encomenda dos moldes de injeção as empresas
especializadas.
Isso mostra como é importante a utilização de modelos físicos para tomadas de
decisões nesta fase do projeto, evitando maiores despesas futuras.
Tecnologias aplicadas
Para o desenvolvimento conceitual e ilustrações do novo produto, foi utilizado o
software RHINOCEROS e para modelagem técnica visando à confecção de um
“MODELO FUNCIONAL” em escala natural e a construção dos moldes para a
produção em série do novo produto desenvolvido, foi utilizado o software
SOLIDWORKS.
105
Foi confeccionado no Laboratório de Modelos Tridimensionais (LAMOT),
utilizando tecnologias de prototipagem rápida, um “MODELO FUNCIONAL” do novo
produto comportando todos os componentes eletrônicos necessários (fornecidos pela
empresa) para o funcionamento deste tipo de equipamento, com o objetivo de
proporcionar condições físicas para um teste real.
A seguir pode-se visualizar o futuro aparelho “NeoPath” na figura 111 abaixo e
na figura 112 o quanto foi dimensionalmente reduzido em relação ao modelo
anteriormente projetado, (“Trade Deck IP”); características, hoje, desejáveis como por
exemplo: dimensões externas reduzidas, conceito formal simplificado para facilitar a
confecção dos moldes de injeção, redução do peso e aumento dos reforços
estruturais. O conceito formal denominado “Rampa”, cuja visualização é mostrada a
seguir, serviria como base formal para o novo equipamento proposto.
Figura 111: o conceito formal denominado “Rampa” que se tarnsformou em “TipTel”
Fonte: DvDI/INT
Um fator decisivo para a modificação do conceito foi quanto à fabricação do
corpo do aparelho, cuja decisão foi de utilizar o processo de “Injeção” em “ABS” ou
“Poliestireno” por proporcionar melhor acabamento de superfície e de encaixe com
qualquer complexidade de forma, tanto na parte interna quanto na externa do “Corpo”,
sem a necessidade de qualquer tratamento ou complementação posterior.
106
Comparação Dimensional
Figura 112: mostra o quanto foi dimensionalmente reduzido em relação
ao modelo anteriormente projetado
Fonte: DvDI/INT
A seguir, na figura abaixo 113 pode-se visualizar o futuro aparelho “NeoPath”
com as modificações sugeridas pelo cliente e a perspectiva explodida apresentando
todos os itens que compõe o produto.
Figura 113: Modelo final “NeoPath”
com as devidas modificações sugeridas pelo cliente
Fonte: DvDI/INT
107
Perspectiva Explodida
Figura 114: Perspectiva Explodida
Listagem dos Itens
1- Painel do Teclado Esquerdo;
2- Painel do Teclado Central;
3- Painel do Teclado Direito;
4- Manta do Teclado Esquerdo do Volume;
5- Manta do Teclado Esquerdo;
6- Manta do Teclado Central;
7- Manta do Teclado Direito;
8- Manta do Teclado Direito do Volume;
9- PCI do Volume Esquerdo;
10- PCI do Teclado;
11- PCI do Volume Direito;
12- Auto-Falante;
13- Painel Frontal (moldura) do Corpo do Touchscreen / LCD;
14- Tela do Touchscreen;
15- Tela do LCD;
16- Painel Intermediário do Corpo do Touchscreen / LCD;
17- PCI Mãe;
18- Painel de Fechamento do Corpo do Touchscreen / LCD;
19- Painel de Acabamento do Microfone Embutido;
20- Microfone;
21- Lingüeta do Sistema de Pivoteamento;
22- Mancal da Lingüeta do Sistema de Pivoteamento;
23- Eixo de Pivoteamento do Corpo do Touchscreen / LCD;
24- Mancal do Sistema de Pivoteamento;
25- Tampa do Mancal do Sistema de Pivoteamento;
26- Painel Superior do Corpo Base;
27- PCI de Áudio;
28- Painel Inferior do Corpo Base;
29- “Pé” do Corpo da base.
108
Confecção do Modelo Funcional Final
As peças da carenagem do produto foram confeccionadas na maioria em “ABS
micro-extrudado” na tecnologia FDM visando oferecer uma melhor resistência
mecânica, já aquelas peças que possuem pequenos detalhes como as furações para
dos alto-falantes, foram confeccionadas em “Resina Fotossensível” na tecnologia SLA
e os botões do teclado foram feitos em silicone de alta densidade.
Sendo assim, este modelo não se configura como um ”Protótipo” e sim como
um “Modelo Funcional”, pois a carenagem do aparelho não foi produzida utilizando os
materiais finais. É importante frisar que apesar da resistência mecânica da carenagem
do aparelho executado com os materiais citados ficar reduzida em aproximadamente
20% em relação aos materiais propostos, não impede que o modelo possa ser testado
funcionalmente em condições de laboratório ou em condições reais de trabalho.
A seguir, pode-se observar alguns detalhes da prototipagem do “Modelo
Funcional Final” (figuras de 115 a 119).
Figura 115: final do processo de prototipagem na Viper SLA e início da retirada manual do suporte
Figura 116: final do processo de prototipagem na FDM e início do processo de retirada do suporte,
neste caso, solúvel.
109
Figura 117: Montagem e checagem dos encaixeis das peças prototipadas em tecnologias
diferentes (FDM e SLA)
Figura 118: Pintura das peças, acabamento e instalação dos componentes eletrônicos
Figura 119: Montagem final de todos os componentes e teste do sistema eletrônico
110
Figura 119: Verificação das regulagens de inclinação do monitor e teste do sistema touchscreen.
Para concluir esse estudo de caso, gostaria tentar responder as duas pergunta
que todos me fazem: Quanto tempo demora a prototipagem rápida e quanto custa ?
Apresentando a planilha de tempo e custo para a confecção de todas as peças
plásticas do modelo funcional final utilizando as tecnologias: FDM e SLA *
Planilha de tempo e
volume
tempo
volume cm³
Peças feitas na FDM:
nº
horas minutos modelo suporte
Aleta de Travamento 1 3 3 27,78 10,63
Base 1 14 28 186,55 18,94
Painel fechamento 1 1 44 25 205,53 308,87
Painel fechamento 2 1 44 22 208,52 304,93
Painel Frontal Corpo
Superior 1
1 5 20 51,23 10,99
Painel Frontal Corpo
Superior 2 1 13 0 105,88 41,82
Painel Microfone 1 2 18 29,33 3,53
Painel Superior 1 27 30 202,96 135,84
Peças feitas na SLA:
nº
horas minutos modelo suporte
Pé Corpo base 4 0 38 (cada)
0,97 (cada) 0,35 (cada)
Suporte Microfone 1 0 11 0,4 0,05
Tampa Mancal direito 1 1 31 11,39 1,25
Tampa Mancal esquerdo 1 1 32 11,38 1,25
Planilha de tempo e
custo
horas minutos
FDM (Total /horas) 152 146
CUSTO FDM
R$ 11.582,50
Total =
154: 23
SLA (Total /horas) 2 226
CUSTO SLA
R$ 954,00
Total =
5: 46
CUSTO TOTAL = SLA + FDM R$ 12.536,50
*
Aqui não estão computados os custos dos mock-up’s e modelos usinados na CNC, apenas as peças
feitas em prototipagem rápida.
111
6 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Este trabalho buscou avaliar o atual panorama das possibilidades de impressão
tridimensional e a oferta de equipamentos de prototipagem rápida nas principais
tecnologias disponíveis no mercado.
A vantagem da prototipagem rápida está principalmente em possibilitar, de
forma muito rápida, transformar arquivos de modelos 3D em modelos físicos para
testar e avaliar a forma, a resistência, a ergonomia e a possibilidade de produção, sem
a necessidade da construção de qualquer tipo de ferramental.
Na prototipagem rápida não existe um processo ideal, cada processo
apresenta vantagens e desvantagens. Ao se optar por um processo, devem-se levar
em conta fatores tais como: propriedades físicas, mecânicas e estéticas exigidas do
protótipo, material a ser utilizado, disponibilidade das tecnologias, custos envolvidos e,
finalmente, os prazos para a realização do protótipo.
Na avaliação comparativa realizada pode-se observar que não existe uma
tecnologia que possa ser considerada uma unanimidade. A tecnologia 3DP apresentou
o melhor custo benefício que às demais. A tecnologia FDM apresentou vantagens
quando comparada às tecnologias 3DP e SLA em relação a testes mecânicos e
manuseio de pós-processamento. Do mesmo modo, a tecnologia SLA é superior às
demais, quanto à qualidade do acabamento. As peças usinadas com tecnologia CNC
apresentaram maior precisão geométrica do que as similares construídas por
tecnologias de RP. Conclui-se, portanto, que apenas a análise dos critérios custo,
tempo e acabamento podem não ser suficientes para determinar a tecnologia a ser
adotada.
Em alguns aspectos, a prototipagem rápida ainda precisa ser desenvolvida,
principalmente com relação às peças que exijam uma perfeita transparência, aos
materiais médico-odontológicos biocompatíveis e às grandes tiragens de peças.
A melhoria nos processos atuais e o aparecimento de processos inovadores
como micro e nano prototipagem, impressão em multi-materiais, além da
especialização de materiais e processos para aplicações médicas tais como
bioimpressão de órgãos, próteses e implantes apontam algumas direções para o
desenvolvimento dessa tecnologia (vide o anexo 1).
112
Em breve será possível empregar processos de prototipagem rápida para a
produção de componentes funcionais complexos, como itens individuais e em
pequenos lotes, além das aplicações no campo da produção de protótipos funcionais.
A complexidade virtualmente ilimitada das geometrias confere ao projetista novas
possibilidades para desenvolver componentes que não poderiam ser construídos por
meio dos processos convencionais de produção.
A prototipagem rápida tornar-se-á, portanto, um elemento firmemente
consolidado na engenharia do futuro. Mas para que isso ocorra com sucesso, seria
necessário que as universidades começassem desde já a preparar seus alunos
visando o ensino básico das ferramentas de prototipagem virtual nos principais cursos
de graduação, pois o aprendizado dessas novas tecnologias, sobretudo para o
processo de desenvolvimento de projetos, é de grande ajuda, não para torná-los
apenas meros operadores de softwares CAD, mas sim para acostumá-los a pensar em
três dimensões desde cedo, para que isso se torne algo natural e intuitivo.
113
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116
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Arcam http://www.arcam.com/
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EOS GmbH http://www.eos-gmbh.de/
Light Sculping Inc http://lightsculpting.com/
O CIMJECT http://www.cimject.ufsc.br/
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Roland http://www.rolanddga.com/
Stratasys http://intl.stratasys.com/index.html
Solidscape http://www.solid-scape.com/
The Rapid Prototyping Home Page: http://www.cc.utah.edu/~asn8200/rapid.html
The world of Rapid Prototyping:
http://ecoleing.uqtr.uquebec.ca/geniedoc/gmm/productique/rpworld.htm
Wohlers Associates: http://www.wohlersassociates.com/
Z Corporation http://www.zcorp.com/
117
ANEXO 1
: Fábrica de órgãos
(Reportagem do FANTÁSTICO 25/11 2007)
No futuro planejado pelos cientistas, o nosso corpo será tratado pelos médicos
quase como uma máquina. Peças que não funcionam direito ou ficaram velhas
poderão ser trocadas por outras novinhas, construídas em laboratório. Esse futuro
está cada vez mais próximo. O Instituto de Medicina Regenerativa Wake Forest já está
produzindo 22 órgãos e tecidos fora do corpo, como uma bexiga, um músculo ou uma
válvula do coração. Daqui a alguns anos, eles poderão ser usados para substituir
órgãos danificados pela idade, câncer, ferimentos ou má formação. Ainda é uma
técnica experimental, mas já foi aplicada em alguns pacientes. Kaityline Macnamara,
de 18 anos, nasceu com uma doença chamada spina bifida, caracterizada por má-
formação da coluna vertebral. A doença afeta os movimentos e prejudica o
funcionamento da bexiga. Até os 11 anos de idade, Kaityline tinha que usar fraldas.
Por isso, em 2001, a família concordou que ela, ao lado de outras seis crianças,
participasse da experiência pioneira: receber parte de uma bexiga construída
manualmente em laboratório. “Eu estou excelente, 100% melhor do que estava antes.
Vou ao estádio de futebol e ao cinema com meus amigos. Vida normal: é assim que
eu me sinto. É assim que as pessoas que me cercam me vêem”, comenta Kaityline. A
pesquisa é comandada pelo doutor Anthony Atala.“Uma das grandes vantagens da
medicina regenerativa é que usamos as próprias células do paciente para fazer os
órgãos. Nós criamos o tecido e botamos de volta no paciente, por isso não há
rejeição”, diz o doutor Anthony Atala. Em uma sala, ocorre o momento mais importante
de todo o processo de criação de tecidos do corpo. Nela, os cientistas fazem as
células se multiplicarem e constroem, por exemplo, vasos sangüíneos. Máquinas
simulam o funcionamento do corpo humano. A temperatura é a mesma do nosso
corpo: 37ºC. Dentro de uma máquina, tubos funcionam como as artérias, levando para
as células alimento semelhante ao que existem no nosso sangue. Assim as células
podem se reproduzir. De lá, vai sair um vaso sanguíneo novo em folha. O doutor Atala
mostra que o vaso sangüíneo está quase pronto. É um tubo branco, envolvido por um
líquido cor-de-rosa, pulsando no ritmo do coração. “Do momento em que tiramos as
células dos pacientes, as cultivamos e implantamos de novo, leva seis semanas, para
muitos dos órgãos”, explica o doutor Anthony Atala.
É, realmente, impressionante. Mas para órgãos mais complexos, como o
coração, o laboratório está desenvolvendo uma técnica ainda mais sofisticada: em vez
de fazer o trabalho todo à mão, os cientistas usam uma impressora. Em vez de tinta,
os cientistas injetam células dentro do cartucho. A máquina é capaz de despejar 250
118
mil células por segundo e um programa de computador determina a forma que o órgão
deve ter. O doutor Tao Xu diz que um dos primeiros usos dessa máquina deve ser
para reconstruir a pele, por exemplo, de pessoas queimadas. Ele prevê que isso
poderá começar a ser testado em cinco anos e mostra como a pele danificada vai ser
substituída.“Por exemplo, digamos que eu seja o paciente e esteja deitado. Vai ser
deste jeito: célula a célula, camada a camada”, mostra o doutor Tao Xu. A pesquisa
pode parecer ficção científica, mas está recebendo investimento de grandes empresas
americanas e chamou atenção do comando militar dos Estados Unidos. O Pentágono
destinou um US$ 1 milhão para o instituto. A intenção é encontrar tratamentos para o
crescente número de feridos em guerras como a do Iraque.
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