Prototipagem Rápida e a Fundição

Impacto da impressão 3D na areia e microfusão

A impressão 3D é um dos muitos avanços que permitem uma prototipagem mais rápida.

Um designer, empresário ou inventor tem uma ideia e inicia o processo para dar vida a ela. A princípio a ideia é feita de esboços e planos, pesquisa e design, mas o foco do designer é criar um objeto físico. Não há substituto para segurar uma maquete ou protótipo e ver uma visão ganhar vida. A prototipagem permite ao designer ter confiança em sua ideia, resolver falhas de produção e atrair investidores ou clientes.

Durante o primeiro lançamento de um objeto no mundo, um criador deve administrar seu novo produto por meio de questões de propriedade intelectual, análise de custo final, preocupações mecânicas e estéticas e expectativas do investidor, cliente ou mercado. Uma boa prototipagem abre espaço para que todas essas questões sejam exploradas.

Felizmente, a ascensão da prototipagem rápida, conduzida por computador, simplificou os detalhes técnicos desse processo, permitindo que um criador produza o melhor produto possível.

Histórico da prototipagem

Antes do surgimento das tecnologias assistidas por computador, todos os protótipos de metal fundido eram construídos a partir de padrões desenhados à mão. Após a fase inicial de projeto, um modelista artesão transformaria o desenho em uma escultura tridimensional. Para fundições em areia, esses padrões geralmente eram feitos de madeira, mas ocasionalmente de metal ou cerâmica. Alguns padrões foram renderizados em cera para um processo de microfusão. Esses padrões soltos foram a primeira representação geral do objeto final.

Esses padrões não seriam idênticos ao protótipo, embora possam parecer semelhantes ao produto final. Os padrões geralmente são um pouco maiores que o modelo final, para compensar o encolhimento durante o processo de fundição do metal. Eles também podem ser separados em seções, criados como meros contornos geométricos para moldes de varredura, ou ter ângulos estranhos projetados para compensar a deformação do metal em contração ou fornecer calado para o padrão a ser removido de um molde de areia.

Os padrões seriam dados a um moldador especialista no piso da fundição, geralmente para criar um molde de areia necessário para a fundição do protótipo. A etapa de moldagem costumava ser desafiadora, não tão simples quanto apenas pressionar um padrão na areia. Um moldador tinha que esculpir as linhas de separação da fundição e colocar os canais e orifícios necessários que permitiriam que o metal fundido enchesse o molde de maneira uniforme e completa e resfriasse sem defeitos. Esses canais incluem o sprue, ou a entrada na qual o metal líquido é derramado; portões, que são canais de tamanho variável que controlam a taxa de fluxo do material fundido; calhas, que permitem que o metal líquido flua de uma área do molde para outra; e risers, piscinas de grande volume que permanecem quentes por mais tempo do que a fundição e, portanto, podem alimentar o metal líquido na fundição à medida que esfria e encolhe, evitando a formação de furos.

A partir desse trabalho meticuloso tanto do modelista quanto do moldador, os protótipos de metal seriam moldados.

Uma vez que os trabalhadores da fundição desmoldaram uma fundição de metal limpa, o projetista original poderia avaliá-la. Estética, peso, acabamento e ajuste ficariam claros. Se não fosse apenas um objeto decorativo, mas algo projetado para lidar com o estresse mecânico, o designer testaria o objeto carregando-o até sua tolerância declarada e, além disso, para verificar a engenharia. As fundições também testavam os protótipos destruindo-os:a fundição era cortada em pedaços, para procurar deformidades no interior.

Trazer um design para a fabricação também tornaria o investimento e o retorno mais claros. Um designer ou inventor pode usar a fase de prototipagem para orçar e encontrar eficiências para uma produção completa.

Depois de pensar no protótipo de todas essas maneiras, podem ser necessárias mudanças no design. Se as modificações fossem grandes ou pequenas, elas normalmente criariam horas de trabalho novamente para o modelista artesão, e para o moldador depois.

A prototipagem era um processo longo e caro.

Digitalização e design assistido por computador

A ascensão da prototipagem rápida tornou muito mais fácil criar um modelo funcional. Também atrasa a primeira vez que um objeto físico é necessário.

Plantas e esboços técnicos já foram todos feitos à mão. Agora, eles são digitalizados por meio de programas CAD (Computer Assisted Design). É muito simples alterar arquivos CAD digitais muitas vezes durante o processo de prototipagem, enquanto os projetos históricos eram trabalhosos para serem redesenhados.

Os desenhos CAD podem ser transformados em simulações complexas e bem imaginadas da execução de fabricação e do produto final. Eles são uma etapa de prototipagem digital, criando um modelo computacional completo que funciona mais como um protótipo inicial do que era possível com caneta e papel. Os arquivos CAD também podem ser usados ​​por programas de computador que possuem informações de fabricação e produção. Se um projetista envia arquivos CAD com seu objeto para uma fundição, os metalúrgicos podem usar programas com vastos bancos de dados de propriedades do metal e processos de moldagem para avaliar o esboço e prever possíveis problemas. Problemas que uma vez podem ter levado uma corrida de prototipagem para descobrir podem ser encontrados antes que o primeiro metal seja derramado.

Esses programas também são úteis para a fundição, ajudando a colocar sprues, portões, corrediças e risers nos locais que criarão a fundição mais sólida, antes que o padrão chegue ao piso da fundição.

Ainda assim, não importa quão complexo ou quão bem imaginado, eles ainda são abstrações. As pessoas geralmente precisam de um protótipo físico para realmente entender um design.

Mockups e protótipos de pré-produção

Com o advento da impressão 3D, as maquetes podem ser feitas rapidamente e em qualquer escala, muitas vezes bem antes de um fabricante ser contatado. Agora é comum que os designers construam seus próprios primeiros protótipos internamente. Seja em miniatura ou em escala, um designer pode segurar uma maquete de seu projeto para ver como tudo pode se encaixar.

A impressão 3D faz parte de um novo estilo de “design iterativo” que muda rapidamente. Os modelos 3D podem ser impressos, criticados, alterados e reimpressos em um dia. Isso é rápido e barato em comparação com o complexo processo de modelagem e fundição de metal.

Na fundição, prototipagem rápida também pode ajudar a criar padrões a serem pressionados no molde de maneiras novas e inovadoras. A usinagem guiada a laser pode fabricar um padrão de metal. A impressão 3D pode criar diretamente padrões para microfusão, o que pode ser eficiente para tiragens curtas ou complexas.

Protótipos de produção

Eventualmente, os protótipos precisarão ser feitos do material certo no tamanho certo e uma pequena produção será solicitada ao fabricante. A chegada das tecnologias digitais significa que o modelista e o modelador são agora guiados em seu trabalho por programas de computador, acelerando essas etapas de prototipagem. No entanto, nem tudo mudou. Um padrão de madeira solta ainda é geralmente criado para os primeiros protótipos de uma produção de fundição em areia (ou um padrão de cera para uma fundição de precisão). Esses modelos de trabalho serão feitos e testados como sempre foram.

A fundição ainda faz testes destrutivos. Os metalúrgicos cortarão ou retirarão o núcleo de algumas das peças fundidas para garantir que estejam livres de defeitos ou que quaisquer defeitos estejam dentro das tolerâncias acordadas. Quando a fundição estiver confiante, enviará amostras para o cliente. O cliente então finaliza a fundição como pretende, e a coloca em prática. O protótipo de trabalho parece e age como pretendido? Ele pode lidar com sua carga esperada?

Em novas invenções, o inovador pode precisar de várias rodadas de protótipos funcionais para mexer no design ou no material. Para peças mais padronizadas, o protótipo funcional pode ser a prova de conceito que encontrará clientes ou investidores para pagar por uma produção completa.

A velocidade dessas execuções de prototipagem é aprimorada pela chegada de tecnologias como ultra-som e raio-x. As fundições agora podem testar de maneiras não destrutivas, bem como destrutivas. Os técnicos podem verificar a solidez do metal sem cortar a fundição. Isso significa que menos protótipos podem ser feitos e ainda fornecem provas completas na linha de produção. Itens inspecionados por uma fundição de forma não destrutiva podem ser enviados da fundição ao cliente para inspeção, acabamento e teste de carga. A prototipagem rápida, portanto, também é fornecida por novas opções de testes não destrutivos, que permitem menos investimento em execuções de prototipagem de produção.

Acordos de confidencialidade e patentes

Não são apenas questões técnicas que são afetadas pela prototipagem rápida, mas também questões de propriedade intelectual. Assim que o design sai da oficina do designer e entra no mundo da manufatura, a propriedade intelectual se torna uma preocupação.

Se um produto for o primeiro de seu tipo, um inventor geralmente planeja apresentar uma patente. Em muitas situações, é imprudente apresentar uma patente antes que um protótipo de produção em funcionamento tenha sido testado. Tanto o trabalho de prototipagem, quanto o teste do projeto posterior, podem detectar falhas que podem alterar o pedido de patente.

As patentes são anunciadas publicamente quando depositadas. A prototipagem rápida aquece o ciclo de produção para todos. Uma patente defeituosa pode ser uma fonte criativa para um concorrente, que pode lançar-se rapidamente em sua própria pesquisa e desenvolvimento, usando a patente como base. Portanto, esperar até o final da prototipagem para patentear geralmente protege tanto o custo quanto a propriedade intelectual. Um inventor geralmente não quer gastar dinheiro em um processo de patente complicado, apenas para ter que refazê-lo com a concorrência em seu encalço.

Esse processo pode deixar um inventor vulnerável de que alguém no processo de prototipagem possa copiar seu projeto e colocá-lo no mercado primeiro. Portanto, é importante ter um bom relacionamento com um fabricante respeitável e ter projetos protegidos com acordos de confidencialidade claros.

Prototipagem rápida para melhor design

O outro lado dessa cautela é o desejo comercial de lançar um produto, mesmo que em mercados de teste limitados ou para testadores beta. O fundador do LinkedIn Reid Hoffman é amplamente citado como dizendo:"Se você não está envergonhado com a primeira versão do seu produto, você lançou tarde demais".

A prototipagem rápida está ajudando os designers a criar um produto melhor antes de ir ao mercado. A facilidade desse estágio pode ser um canto de sereia, no entanto, que mantém os designers trabalhando para deixar as coisas perfeitas antes do lançamento. É importante lembrar que o desenvolvimento não precisa encerrar o trabalho de refinar e aperfeiçoar produtos. A vida de uma fundição pode começar com design e prototipagem, mas muitas vezes gera gerações de produtos que mudam ligeiramente de estilo, material, método de fundição, capacidade mecânica, tamanho ou função.



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