Prototipagem Rápida:a Evolução da Impressão 3D

Prototipagem rápida tem sido, desde o seu início, uma das principais vantagens da manufatura aditiva. Enquanto os protótipos podem levar dias, semanas ou até meses usando tecnologias anteriores, com manufatura aditiva, os protótipos podem ser produzidos virtualmente durante a noite, acelerando significativamente o design do produto e estágio de desenvolvimento.

A capacidade de criar conceito ou durabilidade , protótipos funcionais em uma fração do tempo tornam a impressão 3D a solução ideal para ir da concepção à produção muito mais rapidamente. Hoje, vamos dar uma olhada na evolução da prototipagem rápida e AM, e seu valor para o estágio de desenvolvimento do produto.

O que é Prototipagem Rápida?

Prototipagem rápida refere-se à produção rápida de modelos e protótipos usando dados CAD. Esses modelos são testados visualmente e / ou funcionalmente e validados durante a fase de desenvolvimento do produto.

Existem múltiplos benefícios na prototipagem rápida, principalmente porque fornece uma maneira econômica de avaliar e testar o desempenho antes de produzir o produto final. Embora outros métodos, como moldagem por injeção, possam ser usados ​​para a prototipagem, essa pode nem sempre ser a opção certa, devido aos altos custos de ferramentas envolvidos e à incapacidade de fazer mudanças rápidas no projeto.

A busca por soluções de design mais inovadoras e mais rápida para o mercado levou, portanto, ao desenvolvimento de processos mais eficientes, particularmente adequados para a criação rápida de protótipos - que é como a impressão 3D surgiu pela primeira vez.

Levando a prototipagem a um novo nível

Com o advento da impressão 3D, os designers e engenheiros de produto têm uma maneira de levar a prototipagem para o próximo nível. A tecnologia não tem ferramentas (eliminando a necessidade de ferramentas caras), bem adequada para produção de baixo volume e pode produzir peças em um período de tempo muito mais curto. Isso significa que os protótipos podem ser produzidos com muito mais rapidez e economia - e como todas as peças impressas em 3D se originam de arquivos CAD digitais, os projetos também podem ser atualizados e ajustados com muito mais facilidade. A prototipagem rápida também pode ajudar os engenheiros a decidir sobre o projeto final antes de ir para a produção, reduzindo a probabilidade de erros caros. Por exemplo, designers de produto da Wöhler, fabricante alemã de metrologia e tecnologia de inspeção, recentemente imprimiram em 3D um protótipo funcional de um medidor de umidade de madeira, com estética próxima ao produto final. O protótipo do dispositivo era composto por componentes rígidos e flexíveis e deveria ser feito de diferentes materiais. Para isso, a empresa usou resinas de grau de engenharia Stereolithography (SLA) para criar um protótipo durável capaz de resistir a testes funcionais sem qualquer dano. Protótipos funcionais são particularmente cruciais na fase de desenvolvimento do produto, proporcionando uma oportunidade de testar as propriedades mecânicas de uma peça final.

Prototipagem rápida:as tecnologias de impressão 3D

O surgimento das tecnologias de impressão 3D levou a noção de prototipagem a novos patamares. Protótipos funcionais agora podem ser produzidos em questão de horas e em uma variedade de plásticos e metais, graças ao desenvolvimento da tecnologia AM.

Estereolitografia

O surgimento da estereolitografia (SLA) na década de 1980 marcou o início da era da prototipagem rápida. A tecnologia usa um laser ultravioleta para curar e solidificar camadas ultrafinas de resina de fotopolímero e é uma escolha para protótipos que requerem precisão ou acabamento de superfície liso. As primeiras impressoras SLA eram máquinas grandes e pouco confiáveis, produzindo modelos com superfícies ásperas. Três décadas depois, no entanto, SLA evoluiu para uma ferramenta bem estabelecida e econômica para a produção de peças com alta precisão dimensional e um acabamento de superfície liso. Existem agora muitas ofertas de máquinas SLA no mercado, de impressoras de mesa a máquinas industriais maiores. SLA também oferece grande variedade de materiais, com uma ampla gama de materiais de resina em oferta.

Embora SLA seja considerada uma das tecnologias de impressão 3D mais rápidas disponíveis, avanços recentes nas tecnologias de polimerização em cubas (para as quais SLA pertence) levaram ao desenvolvimento de processos potencialmente mais rápidos. Um exemplo é a tecnologia de Produção Contínua de Interface Líquida (CLIP) da Carbon. Lançado em 2015, o CLIP pode ser usado para criar protótipos funcionais e peças finais com propriedades mecânicas, resolução e acabamentos de superfície muito semelhantes às peças moldadas por injeção.

Sinterização seletiva a laser A Sinterização Seletiva a Laser (SLS) é outra das primeiras tecnologias de impressão 3D, tendo surgido no final dos anos 1980. O processo envolve a fusão de material plástico em pó usando um poderoso laser. É mais frequentemente usado em indústrias como aeroespacial e medicina, onde as propriedades do material do protótipo são críticas.

Com o tempo, o SLS evoluiu para uma tecnologia de fabricação madura, oferecendo uma combinação de alta precisão, velocidade, durabilidade e falta de estruturas de suporte necessárias - é por isso que é normalmente escolhido para protótipos funcionais mais complexos. Embora a tecnologia pudesse produzir inicialmente apenas pequenos objetos, hoje os sistemas SLS podem produzir protótipos em uma variedade de tamanhos, com algumas das máquinas maiores imprimindo peças de um metro ou mais. Uma ampla gama de materiais, de náilon e cerâmica a vários metais, também podem ser usados ​​com SLS, tornando-se uma ótima opção de prototipagem para aplicações comerciais

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Os sistemas SLS são historicamente mais caros para as empresas adquirirem (custando centenas de milhares de dólares). Porém, em 2014, a patente da tecnologia expirou, surgindo alternativas mais acessíveis, como a impressora 3D de bancada Formlabs Fuse 1.

Modelagem por Deposição Fundida

Desde seu surgimento no mercado pela Stratasys na década de 1990, Fused Deposition Modeling (FDM) se tornou a tecnologia de impressão 3D mais comumente usada. Isso é em parte explicado pela expiração de várias patentes FDM em 2009, que desde então deu origem a uma onda de impressoras 3D FDM desktop com um preço significativamente mais baixo - tornando a tecnologia um grande ponto de entrada para amadores e empresas. Com FDM, os filamentos termoplásticos são extrudados completamente para a plataforma de impressão, uma camada de cada vez. A gama de materiais adequados para FDM também aumentou significativamente:hoje, os fabricantes podem escolher entre termoplásticos com várias propriedades, desde TPU elástico a ABS durável e reforçado, a materiais de alto desempenho como PEEK, permitindo maior flexibilidade na produção de protótipos funcionais.

Prototipagem colorida e multimaterial

Jateamento de aglutinante e material

O surgimento da impressão 3D colorida e multimaterial no início dos anos 2000 criou oportunidades empolgantes para criar protótipos que são uma réplica exata da peça final. Binder e Material Jetting são duas tecnologias-chave cada vez mais usadas para criar modelos que podem representar a aparência de uma peça final. As possibilidades multicoloridas desses processos também ajudam a agilizar as etapas de pós-processamento, como a pintura. A principal diferença entre as duas tecnologias é que o Binder Jetting usa um agente aglutinante para fundir pós de plástico, enquanto o Material Jetting funciona depositando gotículas de resinas fotocuráveis.

Com o Material Jetting, não só os protótipos com cores diferentes podem ser impressos em 3D, mas também as peças que combinam diferentes propriedades do material (por exemplo, flexível e rígido simultaneamente). Isso abre muitas oportunidades para criar modelos que realizam o ajuste e a função da peça final. Por exemplo, a impressora 3D J750 da Stratasys é a mais recente em sistemas de jateamento de material da empresa. O J750 conta com a tecnologia PolyJet de propriedade da Stratasys e oferece impressão 3D multicor e multimaterial com 6 materiais diferentes simultaneamente.

A impressão 3D colorida de alta qualidade está crescendo em um ritmo rápido, particularmente com o surgimento da tecnologia HP Multi Jet Fusion (MJF), que opera de forma semelhante ao Binder Jetting. Diz-se que o MJF adiciona ainda mais precisão, cores vibrantes e qualidade de superfície às peças impressas em 3D, produzindo protótipos de náilon funcionais em apenas um dia. A tecnologia Multi Jet também pode ser usada para criar moldes de injeção para produzir peças para teste, praticamente da mesma forma que a peça final.

Prototipagem de metal

Certas aplicações, como nos campos aeroespacial e automotivo, requerem protótipos de metal funcionais e únicos para validar o desempenho de uma peça. Felizmente, a impressão 3D tornou a prototipagem econômica não apenas com plásticos, mas também com metal. A combinação de redução do desperdício de material, produção sem ferramentas e maior liberdade de design tornou a impressão 3D em metal uma opção atraente para a prototipagem.

E os desenvolvimentos na impressão 3D em metal tiveram implicações na produção de protótipos metálicos funcionais. A Markforged, por exemplo, tem seu sistema Metal X, capaz de imprimir peças de metal usando Metal Injection Molding (MIM) em uma fração do tempo e do custo das tradicionais impressoras 3D de metal.

Uma advertência:usar tecnologias convencionais como usinagem CNC ou fundição pode ser preferível quando grandes quantidades são necessárias, embora a impressão 3D seja freqüentemente a escolha mais prática para pequenos lotes de protótipos com recursos internos complexos.

Onde a prototipagem rápida é usada?

Médico, automotivo, aeroespacial, de bens de consumo, o que quiser - quase todos os setores verticais já estão se beneficiando do uso da impressão 3D para produzir protótipos.

Considere o setor automotivo, por exemplo, onde a prototipagem rápida continua sendo a principal aplicação da tecnologia aditiva. Fabricante de automóveis Ford conseguiu economizar meses de tempo de espera usando a impressão 3D para prototipagem. Os engenheiros da Ford podem usar a impressão 3D para produzir várias cópias de um protótipo simultaneamente, cada uma com um recurso exclusivo. Isso permite que eles realizem testes paralelos, acelerando e melhorando o desenvolvimento de peças. Recentemente, a Ford embarcou na prototipagem rápida de peças automotivas maiores. Usando a impressora Infinite Build 3D da Stratasys, a empresa planeja desenvolver peças novas e leves com o objetivo de melhorar a eficiência de combustível.

A prototipagem rápida por meio de impressão 3D também é cada vez mais usada para desenvolver eletrônicos, particularmente placas de circuito impresso (PCB). PHYTEC , um fornecedor de soluções de ponta para o mercado industrial embarcado, recorreu à impressora 3D DragonFly 2020 da Nano Dimension para desenvolver placas de circuito funcionais. A máquina usa tecnologia de impressão 3D multimaterial, que deposita tintas condutoras e pode imprimir em 3D um PCB em 12 a 18 horas - 10 a 15 vezes mais rápido do que solicitar e fazer PCBs com métodos tradicionais. Isso permite que a empresa receba protótipos funcionais mais cedo durante o estágio de desenvolvimento, reduzindo substancialmente o tempo do ciclo de desenvolvimento e, por fim, melhorando a qualidade do produto final.

RP e impressão 3D - ainda em evolução

A impressão 3D para prototipagem rápida percorreu um longo caminho desde a década de 1980 - e evoluiu para uma solução de manufatura robusta. Para empresas novas na tecnologia, a impressão 3D oferece uma solução ideal para a produção de protótipos confiáveis ​​e funcionais e para acelerar o design do produto e a fase de desenvolvimento. As principais questões serão como integrar a tecnologia às estruturas e processos existentes, para garantir que as empresas possam aproveitar melhor os benefícios das tecnologias de manufatura digital.

Claro, enquanto olhamos para a evolução da impressão 3D para prototipagem rápida, o mercado também está vendo um movimento em direção à impressão 3D para peças finais. Olhando para o futuro, a impressão 3D continuará seu avanço em direção à produção final, tornando-se uma solução de manufatura flexível em todos os estágios de desenvolvimento e produção.