Como SLA e SLS Estão Revolucionando a Prototipagem Rápida

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Publicado em: 13 de julho de 2018, | Por Will, Gerente de Projetos da WayKen

Com o desenvolvimento da tecnologia, impressão 3D evoluiu para realidade a partir de um mero conceito. A saturação das indústrias fez o objetivo principal do fabricante não apenas fabricar produtos mas também usar métodos inovadores para produzir mais produtos em menor espaço de tempo para aumentar a produção. Então os fabricantes hoje em dia estão usando diferentes técnicas de prototipagem rápida. Estes métodos inovadores não apenas economizam tempo mas também são custo-efetivos. Uma tal técnica de prototipagem rápida sendo empregada hoje em dia é o uso de impressão 3D (prototipagem SLA & prototipagem SLS). Impressão 3D, além de economizar tempo e custo, também produz o melhor protótipo funcional a partir de um modelo CAD 3D do produto.

História da Impressão 3D

O conceito de impressão 3D é tão antigo quanto 1981 quando o Instituto de Pesquisa Industrial Municipal de Nagoya utilizou polímeros termofixos foto-endurecíveis para fabricar modelos tridimensionais onde um padrão de máscara foi usado para controlar a área de exposição UV. Mas naquela época seu uso era menor devido à restrição de materiais e software de modelagem 3D. Já em 2000, a China havia importado equipamentos comerciais de prototipagem rápida, entre as principais aplicações estava impressão 3D industrial. Tornou-se uma palavra popular no mundo industrial em 2013 quando dois funcionários da NASA, Samantha Snabes e Matthew Fiedler, introduziram o primeiro protótipo de uma impressora 3D acessível, Gigabot.

Impressão 3D: Tendência Líder em Prototipagem Rápida

Da redução de custos ao aumento de eficiência com inovação, muitas pessoas estão animadas sobre o impacto que a impressão 3D terá no futuro da manufatura. No entanto, a verdade é que já fez um impacto significativo na indústria assim como clientes domésticos.

Uma impressora 3D doméstica é usada como produto de P&D e para projetar modelos 3D nas indústrias. Mas é errado dizer que é apenas um produto para clientes industriais. Agora está se tornando amplamente popular entre clientes civis devido às suas grandes aplicações. Principalmente porque o material usado em impressão 3D está se tornando mais barato e prontamente disponível com a passagem do tempo. Além disso, impressora 3D ocupa muito menos espaço comparado a métodos convencionais de sala de ferramentas subtrativos como fresamento CNC, torno e retificação de precisão.

A disponibilidade de software de modelagem hoje em dia também está ajudando no desenvolvimento desta tecnologia. Geralmente, o modelo é salvo em formato STL que é um formato de arquivo CAD para prototipagem rápida que armazena dados baseados em triangulações de modelos CAD. Mas este formato costumava salvar o arquivo em um grande número de estruturas de treliça que produz erros. Mas o software mais novo salva o arquivo em Formato de Arquivo de Manufatura Aditiva (AMF) que produz menor número de erros. Além disso, estes softwares têm interface amigável que torna fácil para usuários domésticos e industriais modelar um modelo 3D do produto.

Um estudo recente mostrou que 6,7 milhões de impressoras 3D serão enviadas mundialmente até 2020, o que é 14 vezes mais que em 2016. À medida que novas tecnologias melhoram os usos de impressoras 3D, a tecnologia continuará a trazer a indústria de manufatura a maiores alturas de glória.

Figura 1: Envios globais de unidades de impressoras 3D de 2015-2020

Tecnologia de Impressão 3D

Quando se trata de tecnologia de impressão 3D, existem duas tecnologias mais comumente usadas: Prototipagem Rápida SLA & prototipagem rápida SLS.

1. Prototipagem Rápida SLA

Prototipagem rápida SLA também conhecida como Estereolitografia é um tipo de tecnologia de impressão 3D que é usada para criar diferentes protótipos, modelos, padrões de forma camada por camada usando a técnica de Fotopolimerização. Fotopolimerização é um processo de moléculas ligando para formar polímeros sob a ação da luz. Então basicamente a resina (material usado na criação do protótipo) é solidificada usando luz e raios ultravioletas. Dessa forma, o protótipo desejado é criado camada por camada usando prototipagem rápida SLA.

Figura 2: Uma figura mostrando os processos de prototipagem rápida SLA

Raios UV são usados para construir uma forma pré-programada no tanque de fotopolímero. Como os fotopolímeros são sensíveis a radiações UV, portanto, a resina é solidificada e forma uma única camada do protótipo desejado. Dessa forma, camadas de resinas são solidificadas até o protótipo desejado ser formado.

Produtos prototipados SLA têm a mais alta resolução e acabamento de superfície de todas as técnicas de prototipagem rápida 3D mas sua versatilidade reside na resina usada. Com o desenvolvimento da tecnologia, engenheiros de materiais criaram diferentes resinas usadas em prototipagem SLA com propriedades correspondentes às de materiais termoplásticos de engenharia padrão.

Usos

Prototipagem rápida SLA é amplamente usada em diferentes indústrias para desenvolvimento de produtos desde sua criação.

· Modelagem Médica

Produtos prototipados SLA estão sendo usados na medicina desde que a tecnologia foi introduzida. É usado para criar modelos anatômicos 3D de diferentes regiões do corpo de um paciente baseados em dados obtidos de escaneamentos computadorizados. Estes modelos são então usados no auxílio de diagnóstico e tratamento. Cirurgiões usam estes modelos pois os auxiliam em cirurgia enquanto Protesistas os usam para fabricar implantes de ajuste personalizado.

Figura 3: Um modelo produzido por prototipagem rápida SLA

· Prototipagem

Prototipagem rápida SLA também é usada para criar protótipos de materiais de forma par/ímpar a custo relativamente menor. Protótipos feitos pelo método de prototipagem rápida SLA são capazes de serem usinados e padrões de várias operações de fundição de metal podem ser formados.

2. Prototipagem Rápida SLS

Sinterização Seletiva a Laser comumente chamada de prototipagem rápida SLS usa o laser como solidificador para o material em pó. Principalmente o material em pó usado é nylon. Nylon é um termoplástico de engenharia com propriedades mecânicas impressionantes e é leve e estável. Este tipo de impressora 3D mira automaticamente o laser no material em pó fazendo-o solidificar para criar a estrutura requerida. Prototipagem rápida SLS é diferente de Fusão Seletiva a Laser como em SLM. O material é derretido em vez de ser sinterizado como em prototipagem rápida SLS.

Figura 4: Uma figura mostrando os processos de prototipagem rápida SLS

Prototipagem rápida SLS, como prototipagem rápida SLA, usa designs assistidos por computador para desenvolver o protótipo requerido com a ajuda de pó sinterizado. Usa laser de alta potência principalmente laser de dióxido de carbono que é fonte de fusão de pequenas partículas na forma de pó para formar o protótipo requerido. O laser varre as seções transversais geradas pelo modelo cad e funde seletivamente os materiais sinterizados na forma de um protótipo requerido. Após a seção transversal ser varrida, o leito de pó é abaixado e uma nova camada de material é aplicada no topo até o produto desejado ser formado.

O material nylon usado em prototipagem rápida SLS torna útil para criar protótipos de alta resistência mecânica assim como protótipos resistentes a impacto, luz e água. Custo de produção mais baixo e alta produtividade tornam esta técnica bastante popular entre indústrias para prototipagem rápida.

Usos

Prototipagem rápida SLS é amplamente usada em diferentes indústrias para desenvolvimento de produtos desde sua criação

· Indústria Aeroespacial

Prototipagem rápida SLS é bastante popular entre indústrias onde peças de alta qualidade são requeridas em quantidades menores. Uma tal indústria é a aeroespacial onde protótipos para aeronaves são requeridos. Como aeronaves e outros veículos aeroespaciais são construídos em menor número e permanecem em serviço por décadas, prototipagem rápida SLS é usada para produzir peças de alta qualidade para a indústria aeronáutica.

Figura 5: Um painel de compartimento produzido pela Airbus usando prototipagem rápida SLS

· Prototipagem de Geometrias Complexas

Prototipagem rápida SLS é amplamente usada nas indústrias para produzir geometrias com formas complexas usando seu modelo CAD. É porque prototipagem rápida SLS pode produzir protótipos com uma variedade de materiais fazendo-os fundir sob a ação do laser. Não precisar de estruturas de suporte também a torna amplamente popular entre indústrias produzindo peças de maior qualidade.

Figura 6: Uma hélice projetada por prototipagem rápida SLS

Comparação entre SLA e SLS

1. Matéria-Prima Usada

SLS - A matéria-prima usada varia de Pó de Nylon; Pó de policarbonato carbonatado a Cloreto de vinil; Pó mas com alto desempenho.

SLA - A matéria-prima usada é um polímero líquido com qualidade não comparável à de materiais termoplásticos.

2. Contrações do Material

SLS - Contrações do material variam de 2-4%.

SLA - Contrações do material são menores que 0,4%, então peças mais detalhadas podem ser produzidas.

3. Tamanho de Construção

SLS - Protótipos de tamanho até 1500 x 750 x 500 mm podem ser produzidos.

SLA - Protótipos de tamanho até 145 x 145 x 175 mm podem ser produzidos.

4. Acabamento de Superfície

SLS - O acabamento do material é áspero e um pouco solto.

SLA - O acabamento do material é relativamente liso.

5. Resistência

SLS - A resistência das peças produzidas é alta devido à matéria-prima usada.

SLA - A resistência do material produzido é relativamente baixa.

6. Operação de Usinagem

SLS - Os protótipos produzidos são fáceis de serem usinados como fresamento, torno, furação etc.

SLA - A resistência do protótipo é baixa então usinagem é difícil e grande cuidado deve ser tomado.

7. Resistência a Desgaste

SLS - Resistência a desgaste é similar à de materiais termoplásticos.

SLA - Pobre resistência a condições ambientais. Uso de resinas epóxi pode melhorar consideravelmente a resistência.

Figura 7: Um Modelo produzido por prototipagem rápida SLS

Benefícios: Impressão 3D Usando SLA e SLS

Para produzir em massa os produtos dentro de um período menor de tempo, impressão 3D é uma ferramenta essencial. Existem muitos benefícios que podem ser desfrutados empregando esta técnica.

1. Custo-Efetividade

Custo-efetividade é um dos principais benefícios da impressão 3D. A resistência e acabamento no protótipo produzido deste processo não querem modificações que economizam dinheiro. Além disso, os produtos podem ser produzidos em massa o que também economiza muito dinheiro.

2. Velocidade

Esta técnica permite que industriais produzam maior número de produtos em velocidade mais alta consumindo muito menos tempo comparado a processos industriais convencionais usados. O usuário apenas requer um modelo CAD e a impressora usa aquele modelo e desenvolve o produto em muito menos tempo. Além disso, o protótipo projetado é de alta qualidade e resistência tornando esta técnica popular em indústrias assim como civis ao redor do mundo.

3. Redução de Espaço de Armazenamento

Impressora 3D consome muito menos espaço comparado a maquinário de produção em massa convencional sendo empregado pelas indústrias até agora. Além disso, as ferramentas daquelas máquinas são pesadas e caras comparadas a uma impressora 3D compacta que consome muito menos espaço.

4. Mitigação de Risco

Impressão 3D também permite a verificação de um design antes da produção de um protótipo caro no modelo CAD. Então o modelo CAD é corrigido de acordo. Além disso, a produção de moldes de teste é muito mais barata que alterar um molde já produzido.

5. Feedback

Com um protótipo, pode-se testar o potencial de mercado do produto antes de realmente produzi-lo. A resposta dos compradores antes de realmente produzir o produto pode prever a perspectiva futura do produto e pode ajudar a decidir o número de produtos a serem produzidos em massa para serem fornecidos ao mercado.

6. Personalização

Com operações de usinagem padrão sendo usadas para produção em massa, todas as peças saem da máquina ou do molde com o mesmo design ou defeitos se houver. Mas no caso de impressão 3D, sempre há espaço para customização, personalização do produto conforme requerido pelo cliente ou demandas de mercado.

Observações Finais

Tanto prototipagem SLA quanto prototipagem SLS são consideradas uma das grandes revoluções no mundo tecnológico. Produção de um protótipo funcional agora não é mais uma tarefa difícil porque pode ser facilmente produzida pelo emprego destas duas técnicas conforme requerido pelas características do protótipo. SLA é melhor para acabamento de superfície mas SLS é melhor para produção de produtos de alta resistência. Ambos são técnicas de prototipagem rápida de primeira linha e podem ser usados para produção em massa de produtos com menos erros neles.