O que é Prototipagem Rápida – Definição, Processo, Tipos, Técnicas

Neste artigo vamos discutir sobre Prototipagem Rápida , Técnicas, Tecnologias envolvidas, processo completo e suas aplicações. Vamos começar com a definição de Prototipagem Rápida.

O que é Prototipagem Rápida?

Prototipagem rápida (RP ) é o nome mais comum dado a uma série de tecnologias relacionadas que são usadas para fabricar objetos físicos diretamente de fontes de dados CAD. Esses métodos são únicos, pois adicionam e ligam materiais em camadas para formar objetos.

Tais sistemas também são conhecidos pelos nomes de fabricação aditiva, impressão tridimensional, fabricação de forma livre sólida (SFF) e fabricação em camadas. As tecnologias aditivas de hoje oferecem vantagens em muitas aplicações em comparação com os métodos clássicos de fabricação subtrativa, como fresamento ou torneamento.

As capacidades das técnicas de Prototipagem Rápida podem ser listadas conforme mostrado abaixo:

1. Reduza substancialmente o tempo de desenvolvimento do produto, por meio da criação rápida de modelos 3D.
2. Melhore a comunicação (visualização) em equipes de design multidisciplinares.
3. Aborde questões de maior flexibilidade e tamanhos de lotes pequenos, mantendo-se competitivo (fabricação rápida).

Processo de prototipagem rápida

O processo básico

Embora existam várias técnicas de prototipagem rápida, todas empregam o mesmo processo básico de cinco etapas. A figura abaixo mostra a representação conceitual de uma técnica de PR. As etapas estão listadas aqui em:

1. Crie um modelo CAD do projeto.
2. Converter o modelo CAD do formato STL
3. Divida o arquivo STL em finas camadas transversais
4. Construa o modelo camada por camada
5. Limpe e finalize o modelo

1. Crie um modelo CAD do projeto

Primeiramente, o objeto a ser construído é modelado usando um pacote de software Computer-Aided Design (CAD). Modeladores de sólidos, como o pro/ENGINEER, tendem a representar objetos 3-D com mais precisão do que os modeladores de estrutura de arame, como o AutoCAD, e, portanto, produzirão melhores resultados. O designer pode usar um arquivo CAD pré-existente ou pode desejar criar um expressamente para fins de prototipagem. Este processo é idêntico para todas as técnicas de construção de RP.

2. Converta o modelo CAD para o formato STL:

Os vários pacotes CAD usam vários algoritmos diferentes para representar objetos sólidos. Para estabelecer consistência no formato STL (stereolithograghy, a primeira técnica de Rap) foi adotado como padrão da indústria de prototipagem rápida. O segundo passo, portanto, é converter o arquivo CAD para o formato STL. Este formato representa uma superfície tridimensional como um conjunto de triângulos planares, “como as facetas de uma joia lapidada” .

O arquivo contém as coordenadas dos vértices e a direção da normal externa de cada triângulo. Como os arquivos STL usam elementos planejadores, eles não podem representar superfícies curvas exatamente. Aumentar o número de triângulos melhora a aproximação, mas diminui o custo do tamanho do arquivo maior. Arquivos grandes e complicados exigem mais tempo para pré-processar e construir, portanto, o designer deve equilibrar a precisão com a capacidade de gerenciamento para produzir um arquivo STL útil. Como o formato de arquivo STL é universal, esse processo é idêntico para todas as técnicas de construção de RP.

3. Divida o arquivo STL em camadas transversais:

Na terceira etapa, um pré-processamento programa o arquivo STL a ser construído. Vários programas estão disponíveis, e a maioria permite ao usuário ajustar o tamanho, localização e orientação do modelo. A orientação de construção é importante por vários motivos. Primeiro, as propriedades dos protótipos rápidos variam de uma direção coordenada para outra.

Por exemplo, os protótipos são geralmente mais fracos e menos precisos na direção z (vertical) no plano x-y. Além disso, a orientação da peça determina parcialmente a quantidade de tempo necessária para construir o modelo. Colocar a dimensão mais curta na direção z reduz o número de camadas, reduzindo assim o tempo de construção. O software de pré-processamento divide o modelo STL em várias camadas de 0,01 mm a 0,7 mm de espessura, dependendo da técnica de construção.

4. Construa o modelo camada por camada:

A quarta etapa é a construção real da peça. Usando uma das várias técnicas (descritas na próxima seção), as máquinas RP constroem uma camada de cada vez a partir de polímeros, papel ou metal em pó. A maioria das máquinas é bastante autônoma, necessitando de pouca intervenção humana.

5. Limpe e finalize o modelo :

A etapa final é o pós-processamento. Isso envolve a remoção do protótipo da máquina e a remoção de quaisquer suportes. Protótipos também podem exigir menor, limpeza e tratamento de superfície. Lixar, selar e/ou pintar o modelo melhorará sua aparência e durabilidade.

Técnicas de prototipagem rápida

Várias técnicas de RP são desenvolvidas. Eles podem ser classificados em três categorias principais, dependendo da forma do material de partida no processo de RP:

1. Bases líquidas
2. Base sólida e
3. Com base em energia

1. Tecnologias de prototipagem rápida baseadas em líquidos

Nesta categoria, três métodos de RP serão discutidos:

1. Estereolitografia
2. Cura em solo sólido e fabricação de deposição de gotículas.

Estereolitografia

Estereolitografia é um tipo de tecnologia de impressão 3D usada para a criação camada por camada de modelos, protótipos, padrões e peças de produção usando processos fotoquímicos nos quais a luz faz com que monômeros e oligômeros químicos se liguem para formar polímeros.

A estereolitografia (SL) foi introduzida comercialmente pela 3D system Inc. (Valencia, CA) no final de 1987 com base em um processo patenteado originalmente desenvolvido pelo Sr. Charles Hull. Uma vez que esta foi a primeira técnica de RP, vários sistemas estão atualmente disponíveis comercialmente para as indústrias.

Cura em Solo Sólido

A Cubital limited desenvolveu este sistema RP. Neste processo, uma camada de resina polimérica líquida é curada por luz ultravioleta. Isso é feito expondo a camada de maneira rápida ou inundada. O limite e a área de exposição gerados pelo desenvolvimento de uma placa de máscara de vidro por deposição eletrostática de toner preto por fresagem para fornecer um suporte plano para a próxima camada. Quando todas as camadas estão completas, a parte do protótipo é lavada para remover a cera solúvel em água. A resina fotopolimérica cubital é completamente curada durante a fabricação de cada camada.

Fabricação de Deposição de Gotas

Usando esta tecnologia, as gotas de metal podem ser geradas de forma flexível e controladas com precisão. A fabricação líquida de componentes ou lingotes com base em gotículas de metal controladas com precisão está ganhando interesse industrial devido à promessa de melhoria da qualidade do componente resultante do rápido processamento de solidificação e dos benefícios econômicos associados a um componente estrutural em uma operação integrada.

2. Técnicas de Prototipagem Rápida Baseada em Sólidos

Nesta categoria, dois métodos de RP serão discutidos:

1. Fabricação de objetos laminados e
2. Modelagem de deposição fundida

Fabricação de objetos laminados

Fabricação de objetos laminados é um processo de fabricação aditiva menos conhecido que envolve camadas sucessivas de folhas de material de construção, unindo-as com calor e pressão e depois cortando-as na forma desejada com uma lâmina ou um laser de carbono.

O processo de fabricação de objetos laminados (LOM) da Helisys, Inc. (Torrance, CA) usa materiais de folha sólida, geralmente papel de açougueiro branqueado para criar peças de protótipo. Nesse processo, a máquina LOM posiciona automaticamente uma fina folha de material de um rolo em uma plataforma de elevador.

Modelagem de Deposição Fundida

Modelagem de deposição fundida (FDM) é uma tecnologia que utiliza o método de extrusão por fusão para depositar filamentos de plásticos térmicos em um padrão específico. O FDM, como o 3DP, possui um cabeçote de impressão que pode se mover ao longo dos eixos X e Y acima de uma plataforma de construção.

Fused Deposition Modeling (FDM) é o nome da tecnologia utilizada pelos sistemas Commercial Rapid Prototyping (RP) da stratasys, Inc. (Minneapolis, MN). Os sistemas stratasys são direcionados principalmente para termos de desenvolvimento de produtos para uso durante o estágio de projeto conceitual. O sistema utiliza operação simples. Materiais inertes e falta de fumos tornam o processo FDM bastante compatível com um ambiente de escritório.

3. Tecnologias de Prototipagem Rápida Baseadas em Pó

Nestas categorias, serão discutidos três métodos de Prototipagem Rápida:

1. Sinterização seletiva a laser
2. Impressão tridimensional e
3. Forma de rede projetada a laser

Sinterização seletiva a laser

A Sinterização seletiva a laser (SLS) da DTM Corporation (Austin, Texas) constrói peça camada por camada usando um laser para unir o material em pó na forma desejada da peça. Neste processo, uma camada de pó termoplástico é espalhada. Em seguida, usando um feixe de laser de alta potência, a porção necessária para o modelo é derretida e resfriada. Um rolo então espalha a próxima camada e o processo é repetido.

O Pó não centrado tem a função de suporte para recursos pendentes. Recentemente, o processo foi estendido para a produção de peças cerâmicas e metálicas. O processo requer sinterização em um forno para ligação completa. O processo é simples. A gama de materiais é ampla. A limitação visual é que as peças são porosas e, portanto, são úteis apenas para aplicações específicas.

Impressão tridimensional

Nesse processo, um objeto tridimensional é fabricado pela aplicação seletiva de aglutinante em finas camadas de pó, fazendo com que as partículas de pó grudem umas nas outras. Cada camada é formada gerando uma fina camada de pó e, em seguida, aplicando aglutinante a ela com o mecanismo de jato de tinta. As camadas são formadas sequencialmente e aderem umas às outras para gerar o objeto tridimensional.

Gotículas indesejadas de aglutinante são desnatadas antes de atingir o pó, alterando-as eletricamente no bocal e, em seguida, desviando-as do fluxo aplicando um potencial aos eletrodos localizados abaixo do bocal. Depois que todos são formados, o pó não colado é removido e a peça é queimada em um forno para curar e fortalecer.

Este processo pode ser usado para fabricar peças em uma ampla variedade de materiais, incluindo cerâmica, metal, compósitos metalocerâmicos e polímeros. As limitações são o acabamento superficial e a porosidade inadequados.

Forma de rede projetada a laser

A força dessas tecnologias está na capacidade de fabricar peças metálicas totalmente densas com boas propriedades metalúrgicas em velocidades razoáveis. Um laser de alta potência é usado para fundir o pó metálico fornecido coaxialmente ao foco do feixe de laser através de um cabeçote de deposição. Uma variedade de materiais pode ser usada, como aço inoxidável, cobre, alumínio, etc. De particular interesse são os materiais reativos, como o titânio.

A maioria dos sistemas usa matéria-prima em pó. Os objetos fabricados estão próximos da forma líquida, mas geralmente requerem usinagem de acabamento. Eles são totalmente densos com boa estrutura de grãos e possuem propriedades semelhantes ou até melhores que os materiais intrínsecos. As aplicações iniciais estão concentradas na fabricação e reparo de ferramentas de moldagem por injeção e na fabricação de grandes peças de titânio e outras peças metálicas exóticas para aplicações aeroespaciais.

Limitações da Prototipagem Rápida

Os sistemas de prototipagem rápida ainda não podem produzir peças em uma ampla gama de produtos, em um ritmo rápido. No entanto, um número crescente de aplicações está aproveitando a fabricação aditiva e agora incorporando peças que são feitas diretamente por processos de RP. Hoje, normalmente, esses requisitos são itens de baixo volume com geometrias complexas usados ​​em aplicações de alto valor agregado, como medicina ou aeroespacial.

À medida que os materiais e as tecnologias melhoraram e as capacidades se tornaram mais amplamente compreendidas, a fabricação direta tornou-se uma área de rápido crescimento na Prototipagem Rápida.

Para atender a uma ampla gama de aplicações mais cedo, a RP também é frequentemente usada como ponto de partida para tornar os processos de fabricação convencionais mais rápidos, baratos e melhores. A prototipagem rápida é usada de duas maneiras para conseguir isso:Os moldes podem ser fabricados diretamente por um sistema RP, ou as peças geradas por RP podem ser usadas como padrões para fabricar um molde através dos chamados processos indiretos ou secundários.

Aplicativos de prototipagem rápida

A prototipagem rápida é usada para modelar novos produtos em um ritmo muito rápido. Jacob identificou as seguintes aplicações de Prototipagem Rápida:

1. Visualizações
2. Verificação
3. Iteração
4. Otimização
5. Fabricação

1. Visualização

Em blue prints e modelos CAD, os visualizadores têm algumas dificuldades para identificar corretamente algumas das características do produto. Isso é verdade especificamente quando o produto contém furos cegos, passagens internas complexas e superfícies curvas compostas, etc. A prototipagem rápida pode detectar todas as características, pois o protótipo do produto final está disponível para inspeção e tomada de decisão adequada.

2. Verificação

Engenheiros e gerentes de fabricação podem verificar as características como tensão, fadiga de temperatura operacional etc. em protótipos totalmente funcionais. Assim, o produto pode ser verificado antes de entrar em um ciclo completo de fabricação.

3. Iteração

Uma vez feito o protótipo, o projetista pode realizar testes dentro do limite físico do protótipo. Por exemplo, o teste de fluxo dinâmico de fluido pode ser feito em um protótipo de material fotopolímero curado. Caso seja detectado algum problema durante o teste a geometria pode ser modificada no modelo, um novo PR pode ser construído e o mesmo teste pode ser feito para sua utilização.

4. Otimização

A otimização de design pode melhorar ainda mais a situação. A tecnologia RP permite que o design altere o design sem nenhum problema. Tendo alcançado um projeto aceitável através da Iteração RP, o projetista tem a oportunidade de atender para otimizar o projeto alterando vários parâmetros do produto e testar qual é o melhor.

5. Fabricação

Uma vez que um protótipo otimizado tenha sido desenvolvido usando qualquer um dos métodos da RP Technologies, é importante fabricar um modelo de teste funcional (FTM). Como esse modelo ainda não foi fabricado ou testado, não se sabe se ele passará nos requisitos de teste funcional. RP pode ser usado para realizar testes funcionais no FTM. Se o resultado do teste for satisfatório, as ferramentas são pré-início das atividades de fabricação.

Espero que tenha gostado deste artigo sobre Prototipagem Rápida – A visão geral completa incluindo as definições, técnicas, tecnologias e aplicações.