Foundry Trend Spotting:Prototipagem Rápida com Impressão 3D

Como as fundições usam impressoras 3D para design rápido de produtos

O desenvolvimento de produtos é um processo emocionante de descoberta. Investir em novos produtos demonstra o comprometimento da empresa com as necessidades de seus clientes. Pesquisa e desenvolvimento podem levar muito tempo, iterações de construção e ajuste de modelos e protótipos. Leva tempo para aprender o que funciona — e o que não funciona. A impressão 3D é uma ferramenta muito útil para agilizar o design de muitos produtos manufaturados, incluindo produtos metálicos.

Por que protótipo?

A prototipagem é uma etapa essencial na fabricação de produtos, preenchendo a lacuna significativa entre o projeto teórico e o produto final de trabalho. Dá aos designers de produtos a oportunidade de trabalhar e aprender com modelos do mundo real. Isso permite que eles testem e experimentem novas ideias, com o objetivo de melhorar e refinar em direção a um produto final.

Ao projetar um novo produto, a forma e a função podem ser testadas em diferentes estágios. Alguns protótipos são produzidos apenas para examinar o tamanho e a aparência. Outros podem ser projetados para testar características específicas de função e ajuste.

O que você precisa saber sobre prototipagem rápida

Existem vários protótipos padrão. Tradicionalmente, os protótipos mais básicos são maquetes de papel, madeira ou espuma criadas por artesãos a partir de desenhos ou desenhos digitais. Outras etapas de prototipagem podem ser feitas, de complexidade contínua, durante o processo de design. Antes do início de uma produção, as fábricas fazem um teste, criando um protótipo de produção para avaliar a qualidade do produto e avaliar o processo na fábrica.

Os protótipos rápidos aumentam a utilidade e a eficiência de muitos dos primeiros estágios de prototipagem. Como os artesãos tradicionalmente fazem maquetes e os protótipos de produção geralmente exigem ferramentas personalizadas, a prototipagem geralmente é lenta e cara. Ser capaz de imprimir e ajustar protótipos em tempo real pode encurtar substancialmente esses estágios de design iterativo. Em alguns casos, um protótipo de plástico pode ser usado para ajudar a agilizar o processo de produção. Os métodos de fundição, em particular, geralmente exigem o uso de um padrão e/ou matriz, o que pode ser caro - e justificável apenas quando a produção em larga escala gerar retornos sobre o investimento - e a criação de maquetes de padrões em uma impressora 3D pode permitir que um designer detectar problemas antes de ir para madeira ou metal em maior escala.

Claro, esses protótipos não são protótipos de produção. Substituir plástico por metal durante este período significa que existem algumas propriedades do metal que não podem ser verificadas. Imprimir um poste de amarração em tamanho real em plástico em uma impressora 3D também é, por unidade, muito mais caro do que fundir um. No entanto, a impressão de modelos em escala oferece aos designers algo que eles podem examinar e manipular, e quaisquer alterações que surjam a partir disso exigem nada mais do que um ajuste no arquivo CAD digital e uma reimpressão rápida.

Muitos protótipos também são produzidos em escalas menores e/ou com menos detalhes do que o produto final. Embora representem apenas uma parte ou aspecto do projeto final, eles ainda podem ser valiosos na tomada de decisões no início da fase de projeto – em vez de mais tarde, quando se torna mais caro refinar.

Prototipagem rápida com impressoras 3D

A prototipagem rápida através da impressão 3D utiliza tecnologias de manufatura aditiva. Projetos digitais, ou modelos CAD, são tipicamente “fatiados” pelo algoritmo do computador em muitas camadas horizontais minúsculas, que são impressas uma de cada vez.

A impressão 3D existe de várias formas desde os anos 70 e 80, mas só recentemente evoluiu para ser útil em escala comercial. Embora existam limitações, a tecnologia está evoluindo rapidamente. As impressoras 3D mais avançadas podem imprimir vários materiais com propriedades e cores variadas. As impressoras de sinterização direta a laser de metal (DMLS) podem até imprimir produtos de metal.

As restrições de tamanho e a qualidade da superfície dos protótipos impressos em 3D também melhoraram muito ao longo dos anos, tornando-os especialmente úteis para designers à medida que percorrem as fases iniciais de desenvolvimento.

Criação de peças metálicas com impressão 3D

As impressoras DMLS desafiarão as indústrias de fundição de metal ou de trabalho? A indústria 3D é dinâmica, com novos desenvolvimentos anunciados quase todos os dias. Projetos de grande escala, como a ponte impressa em 3D pela MX3D em Amsterdã, mostram que há muito potencial na fabricação mesmo estrutural. No entanto, esta forma de impressão não está em concorrência com a fabricação tradicional de metal. Mesmo com esses desenvolvimentos, é mais provável que a impressão 3D melhore em vez de substituir a fabricação tradicional de metal em larga escala nas próximas décadas – até a ponte de Amsterdã é protegida com aço bruto tradicional fornecendo suporte no convés.

A impressão em metal 3D geralmente não é derramar e colocar em camadas metais fundidos, é claro. As tecnologias de hoje imprimem metal incorporando um pó metálico em uma matriz não metálica que é aquecida e canalizada em forma. Em alguns processos (embora não para a ponte acima), o metal é então aquecido para que a matriz evapore.

Este metal impresso pode fornecer mais resistência do que o plástico, mas não pode oferecer a ampla gama de ligas possíveis disponíveis em uma fundição tradicional. O calor incrivelmente alto e as condições de resfriamento controladas necessárias para muitos graus específicos de aço e ferro significam que trabalhar para atingir um grau versus outro é um equilíbrio complicado de temperatura e pressão. Além disso, a tensão do metal pode ser causada se uma parte de uma peça fundida esfria mais rápido do que outra – e precisa ser controlada no local de uma junção. A impressão 3D constrói um objeto através da deposição de camadas em ordem:mesmo que isso fosse possível com o tradicional aço quase fundido necessário para algumas ligas ferrosas, as tensões causadas por diferentes níveis de resfriamento mudariam fundamentalmente as propriedades do metal em comparação com um fundido completo peça.

Mesmo assim, o material impresso pelas impressoras de metal está mais próximo do aço do que do plástico. Curiosamente, para a fundição, essa tecnologia de impressão em metal pode um dia permitir o teste funcional de um protótipo rápido. Talvez uma peça de metal pudesse ser impressa de forma barata e submetida a um estresse relativo, e depois ajustada ao longo do processo de produção.

Prototipagem rápida para a fundição, hoje

Equipamentos e técnicas de fundição foram aprimorados ao longo de séculos de aprendizado e desenvolvimento. A fundição em areia dá aos fabricantes muito controle no comportamento do metal nos estados fundido e de resfriamento, que alteram as propriedades mecânicas do metal. O metal tratado de forma diferente através do processo de fundição pode ser cristalizado em diferentes formas, cada uma das quais pode ser trabalhada para propriedades adicionais. Isso explica a gama de propriedades mecânicas disponíveis para um cliente através da fundição de metal.

No entanto, fazer os padrões para essas fundições significava esculpir à mão os padrões de madeira para formar na areia. Esses padrões precisam ser criados sem locais que o metal possa “acumular” e, portanto, esfriar mais lentamente, criando tensão interna na peça. Eles precisam ser lisos o suficiente para sair da areia que estão imprimindo. A criação de um objeto impresso pode permitir que o designer e a fundição considerem alterações no objeto que ajudarão na criação do padrão mais eficiente e com melhor forma para o projeto.

A fundição por microfusão é um processo versátil, ideal para produção de alto volume, especialmente para projetos complexos e onde a qualidade da superfície é importante. Com a fundição por microfusão, geralmente é feita uma matriz para produzir padrões de cera, que são então revestidos para formar moldes cerâmicos. Os padrões de cera são facilmente derretidos, deixando as cavidades do molde prontas para o metal fundido.

No entanto, as matrizes podem ser caras para produzir, o que pode aumentar significativamente os custos unitários no início da fase de projeto. O que muitos fabricantes estão fazendo é imprimir padrões de cera em 3D para protótipos, eliminando a necessidade de moldes personalizados. Os designers podem revisar sua peça e trabalhar em direção a uma versão final antes de se comprometer com ferramentas mais caras para produção de longo prazo. Os padrões de impressão também são mais econômicos para tiragens curtas e produções únicas. Na fundição de investimento, as impressoras 3D podem, portanto, criar o padrão final para uso.

Uma revolução de prototipagem rápida

A impressão 3D é uma revolução na fundição de metais, mesmo que não substitua a fabricação tradicional de metais. Os setores tradicionais são limitados apenas por sua imaginação ao considerar como o futuro dessa tecnologia em rápido desenvolvimento pode aprimorar as práticas tradicionais de produção. As economias disponíveis na prototipagem permitem mais ajustes e alterações, iterações extras antes de entrar em produção em grande escala. O que quer que venha a seguir no futuro da impressão 3D, certamente será uma ferramenta útil para todos os designers que desejam criar os melhores produtos para seus clientes.