Prototipagem Rápida de Metais: Acelere Desenvolvimento e Lançamento de Produtos

Produtos de qualidade estão progredindo – do design, à produção, ao mercado – mais rápido que nunca

Introduzir um novo produto ao mercado envolve um processo complexo de design, pesquisa de mercado, e fabricação. Prototipagem rápida é uma parte deste processo onde peças de componentes são feitas para desenvolver um modelo funcional do produto – testando sua funcionalidade e limitações. Estes protótipos podem ser feitos do mesmo material que o do produto final, ou um material alternativo pode ser usado para propósitos do caso de teste.

Alguns métodos de prototipagem de metais incluem:

• Impressão 3D
• Fundição em areia (modelo de madeira)
• Fundição de precisão (modelo de cera)
• Fabricação da peça diretamente de estoque metálico
• Usinagem da peça diretamente de estoque metálico

Métodos e aplicações de prototipagem rápida

Cada método de prototipagem tem suas vantagens e desvantagens, bem como fatores que o tornam mais adequado para certos projetos.

Impressão 3D

Impressão 3D é um processo relativamente novo também conhecido como fabricação aditiva – o processo de imprimir uma camada de produto de cada vez até um componente 3D ser construído pelas muitas camadas. Cada camada pode ter cerca de 100 mícrons de espessura. A impressora é controlada por um sistema computadorizado, que toma um design 3D como entrada e cria o produto 3D como saída.

A tecnologia evoluiu ao longo do tempo, e uma ampla variedade de materiais tornaram-se disponíveis para impressão. Plásticos, nylons, resinas, prata, titânio, aço, cera, fotopolímeros, e policarbonatos podem todos ser usados como material de impressão 3D.

Existem três principais tipos de máquinas de impressão 3D:

• Sinterização seletiva a laser (SLS) usa material de impressão fornecido em forma de pó. Cada camada da peça é criada derretendo o pó usando laser. Pó fresco é rolado sobre o topo da peça parcialmente completada e o processo é reiniciado até a peça inteira ser construída.
• Modelagem por deposição fundida (FDM) usa filamento termoplástico e derrete-o para extrusão. A extrusão é precisamente controlada pelo computador de acordo com o design 3D, imprimindo cada camada em sucessão.
• Estereolitografia também usa laser, mas neste caso, um produto líquido é solidificado uma camada de cada vez pela ação do laser – é controlado para corresponder ao design.

Impressão 3D é popular para prototipagem rápida porque o processo é muito eficiente em recursos. Nenhum ferramental de linhas de produção é requerido, requisitos de mão de obra são mínimos, e muito pouco desperdício é gerado. A desvantagem da impressão 3D é que pode ser demorada – levando horas, e às vezes dias, para construir peças complexas. O tamanho da peça é limitado pela área de impressão da máquina. Além disso, pode não ser possível produzir a peça no material desejado devido ao ponto de fusão muito alto de alguns metais.

Fundição em areia

Em fundições metálicas, modelos são usados para fazer o molde que será usado para fundir a peça metálica. Um modelo de protótipo é feito da forma mais simples e custo-efetiva, para que a peça possa ser testada e ajustada se necessário. Por esta razão, o modelo é frequentemente usado para fazer um molde de areia pois este é o molde mais barato e rápido de produzir. Do início ao fim, um protótipo pode ser feito em 2 a 4 semanas usando um modelo de madeira solto.

Um modelo de madeira solto é feito de madeira por um fabricante de modelos usando técnicas como torneamento, ferramentas, fabricação de matrizes, e marcenaria fina. O modelo é fabricado de acordo com o design do protótipo com algumas tolerâncias incorporadas para retração, que ocorre quando o metal arrefece. Onde o design do protótipo requer peças com contra-desmoldagem, estas peças são feitas como peças soltas do modelo mantidas no lugar por pinos.

Areia de moldagem é especialmente constituída com a mistura correta de componentes para que tenha as características necessárias para fundição de metais. Deve manter sua forma, não libertar muita umidade, e dar um acabamento de boa qualidade. Areia é compactada ao redor do modelo de madeira solto para formar um molde, que pode então ser usado para fazer o protótipo metálico.

Fundição de protótipo metálico é processo padrão de fundição onde metal é derretido, composição é controlada e metal fundido é vazado no molde. Uma vez arrefecido, o molde é quebrado e o protótipo metálico está pronto para acabamento.

Fundição de metal de protótipo rápido com modelo de madeira solto é popular devido ao baixo custo de produção, e a relativa facilidade de ajustar o modelo e refazer a fundição se necessário. Também é possível fazer o protótipo do mesmo material que o produto final, eliminando assim etapas adicionais de desenvolvimento. Fabricantes frequentemente descobrem que o processo para desenvolver um protótipo frequentemente se torna o método para produção final com modificações menores.

Fundição de precisão

Fundição de precisão é também um processo de fundição metálica, mas usa técnica diferente para fazer o modelo para criar o molde. O primeiro passo é a criação de um modelo de cera que corresponde ao design para o protótipo. Historicamente, modelos de cera foram feitos com máquinas de injeção ou prensas de cera, mas novos materiais e desenvolvimento de impressão 3D criaram oportunidade para modelos de fundição de precisão serem feitos mais fácil e rapidamente.

Uma vez que o modelo foi feito, é revestido em material cerâmico que toma a forma do modelo à medida que assenta. O molde é então aquecido até a cera derreter e fluir para fora do molde de fundição – daí seu nome alternativo, fundição de cera perdida. Processos padrão de fundição seguem, onde metal fundido é vazado no molde. Quando o metal arrefecido e solidificou, o molde cerâmico é quebrado, deixando o protótipo metálico pronto para acabamento.

As vantagens deste método de prototipagem rápida são similares às do modelo de madeira solto – com o benefício adicional de tolerâncias e acabamentos mais finos.

Fabricação de protótipos metálicos

Materiais metálicos de estoque incluem chapas, hastes, tubos, barras, e arame. Qualquer um destes pode ser usado como matérias-primas para fabricar protótipo metálico como etapa secundária downstream, em vez de através de fabricação primária como fundição ou impressão 3D.

Para fabricação de protótipo de chapa metálica, muitos processos diferentes podem ser empregados para fabricar um protótipo. Por exemplo, o modelo físico poderia ser achatado e disposto em chapa metálica para usá-lo como molde, então lasers ou maçaricos poderiam ser usados para cortar contornos e aberturas, e marcar dobras. Prensas poderiam ser usadas para dobrar o metal nos limites marcados, e equipamento de soldagem especializado pode ser usado para unir peças.

Tubos podem ser usados para prototipagem processando-os através de várias operações diversas para criar peça de protótipo que corresponda ao design:

• Alargamento - alargar abertura na extremidade de tubo em forma de funil
• Estiramento (Swaging) - reduzir ou aumentar diâmetro do tubo
• Recarte (Dimpling) - pequenas deformações na superfície metálica
• Dobramento - criar formas inserindo dobras em pontos definidos no tubo
• Achatamento - usar prensa para comprimir o tubo
• Furação (Piercing) - criar furos no material
• Expansão - usar calor e ferramentas para abrir diâmetro do tubo

A principal vantagem de fabricar protótipo metálico de materiais de estoque é eficiência de tempo. Modelos ou moldes não são necessários, e matérias-primas estão disponíveis prontas. A desvantagem é que alguns designs de protótipo serão demasiado complexos para processos de fabricação padrão e portanto não podem ser feitos com esta técnica.

Usinagem de protótipos metálicos

Usinagem é qualquer processo onde peça de matéria-prima é cortada numa forma e tamanho final desejados por processo controlado de remoção de material – também conhecido como fabricação subtrativa. Pode ser usada para fabricar vários produtos metálicos, bem como materiais como madeira, plástico, cerâmica, e compósitos. Na produção moderna, usinagem é realizada por controle numérico computadorizado (CNC).

CNC é o controle computadorizado de equipamento de usinagem para fazer peça de acordo com design 3D. Equipamento de usinagem inclui tornos, fresadoras, roteadores, furadeiras, e retificadoras. Matéria-prima para máquinas CNC são produtos de estoque metálico como chapas e barras de aço.

Um design 3D é convertido a programa de computador, que é então usado pelo sistema de controle para direcionar as máquinas. Matéria-prima selecionada deve ser maior que o protótipo sendo feito porque é através da remoção de metal por usinagem que o protótipo é fabricado. Máquinas CNC avançadas controlam operações em todos os 3 eixos (x, y, e z) e podem virar a peça e trocar ferramentas de usinagem automaticamente, resultando em acabamento de alta qualidade e nível de precisão.

A vantagem de máquinas CNC sobre outras técnicas de fabricação é a ação automatizada baseada num design 3D. Intervenção humana é limitada e o protótipo fabricado corresponde ao design com alto grau de precisão. Protótipos mais complexos podem ser fabricados usando máquinas CNC que através de operações manuais. Uma desvantagem de usinar peças é que a peça é feita removendo metal da matéria-prima e isso resulta em desperdício. Embora o material de desperdício possa ser reciclado, há implicações de custo e perdas que ocorrerão.

Estudos de caso em prototipagem rápida

Indústria automotiva

Pesquisa mostra que desenvolvimentos em impressão 3D estão causando impacto dramático na capacidade de engenheiros testarem suas ideias e levarem produtos ao mercado rapidamente. Um artigo automotivo destaca o fato que testar aerodinâmica de certas peças automotivas é crítico para medir seu impacto no desempenho do carro. À medida que resultados de teste são obtidos, ajustes menores podem ser feitos no design, e novo protótipo é reimpresso muito rapidamente. Para teste aerodinâmico, não é essencial que a peça seja feita do material final pois é a forma que está sendo testada, não a resistência. Impressão 3D está ajudando engenheiros automotivos a acelerar seu desenvolvimento e melhorar sua eficiência.

Diferentes aplicações são adequadas a diferentes métodos de fabricação. Num exemplo, um designer descobriu isto ao fabricar montagem de anel de 2 partes com espaço para cartão micro SD no espaço interno. Os primeiros protótipos foram feitos por Sinterização Direta a Laser de Metal (DMLS), mas acabamento superficial de baixa qualidade e montagem pobre levaram a investigação de usar máquina CNC com usinagem por descarga eletrostática. O desempenho melhorado do protótipo destacou as vantagens de CNC nesta aplicação específica.

Indústria de alta tecnologia

Reduzir custos de desenvolvimento é imperativo económico para muitas empresas de alta tecnologia ao levarem suas novas criações ao mercado. Quando a Icon Aircraft lançou o projeto para sua aeronave recreativa A5, investiram tempo e energia significativos em encontrar a forma mais custo-efetiva e eficiente de construir seus componentes para prototipagem e produção em massa. Um estudo de caso indica que a Icon Aircraft ganhou 2 a 3 semanas no cronograma de produção, $2000, e dois dias-pessoa por peça de ducto de ar ao reduzir necessidade de ferramental especializado.

Indústria aeroespacial

O prêmio da Sociedade Americana de Fundição para fundição do ano de 2017 foi concedido a uma empresa que desenvolveu nova fundição para estrutura de assento de passageiro de aeronave. Historicamente, este componente estrutural era feito de um único bloco, mas processo de design e engenharia detalhado resultou numa estrutura de treliça feita de magnésio – material mais leve que alumínio, mas que não pode ser impresso em 3D. O protótipo de fundição rendeu produto que tem resistência requerida mas é muito mais leve que peças usinadas existentes. Economia de $100k/ano numa única aeronave de passageiros foi calculada baseada em redução de custos de combustível devido aos assentos mais leves, bem como reduções de emissões associadas.

Prototipagem rápida e o caminho à frente

Um número crescente de métodos para fabricação de protótipo rápido estão disponíveis a inovadores e engenheiros. Cada método tem suas próprias vantagens e desvantagens. Processos de fundição são adequados a aplicações onde o protótipo deve ser feito no mesmo material que o produto acabado, especialmente para metais de alto ponto de fusão. Impressão 3D é adequada para componentes menores feitos de materiais imprimíveis específicos – esta tecnologia está desenvolvendo e melhorando continuamente. Usinagem pode ser usada para cortar metal de produto de estoque onde a complexidade não é demasiado severa e processos padrão como fresagem e retificação ainda podem ser usados.

Sir James Dyson é um inventor icônico, empreendedor e engenheiro, mais famoso por seu desenvolvimento do sistema de vácuo ciclônico que substituiu sistemas de vácuo a saco em sistemas de limpeza doméstica. Numa fascinante entrevista com a BBC, Dyson revelou que sua invenção levou cinco anos para aperfeiçoar e um total de 5.127 ajustes e modificações diferentes. Ele é um firme crente no lema antigo, "Se à primeira não tens sucesso, tenta, tenta outra vez!" História de Dyson destaca a realidade que desenvolvedores de produtos e engenheiros precisam de múltiplas iterações de desenvolvimento e melhoria para levar novos produtos ao mercado. Melhorias na prototipagem rápida continuarão a reduzir ineficiências e baixar custos para benefício de inovadores e consumidores.

Referências

• 3ders. "Fundamentos de Impressão 3D"
• Marlin Steel. "Impressão 3D versus Fabricação Tradicional"
• Invenções Mecânicas. "Tipos de Modelos"
• Engenharia Mecânica. "Modelos de Moldagem / Modelos de Fundição em Areia / Modelos e Moldes"
• miBot. "Fazendo Moldes e Modelos de Areia"
• Biblioteca de Fabricação. "Fundição de Precisão"
• Gestão e Tecnologia de Fundição. "Tornando Fundição de Precisão um Melhor Investimento"
• Thomas Net. "Mais sobre Usinagem CNC"
• Rapid Sheet Metal. "Fabricação de Protótipo Rápido"
• Mecanismos Criativos. "Tudo que você precisa saber sobre máquinas CNC"
• Wikipedia. "Usinagem"