Prototipagem Rápida Explicada: Tipos, Processos e Benefícios

O que é Prototipagem Rápida?

A prototipagem rápida é a fabricação rápida de uma peça física, modelo ou montagem usando design assistido por computador 3D (CAD). A criação da peça, modelo ou montagem é geralmente concluída usando manufatura aditiva, mais comumente conhecida como impressão 3D.

A prototipagem rápida é o processo de criar algo que pode ser usado para avaliar rapidamente um produto. Na engenharia, um protótipo é uma versão inicial de um produto. A prototipagem rápida permite que as empresas testem e analisem a tecnologia.

Quando o design corresponde de perto ao produto final proposto, diz-se que é um protótipo de alta fidelidade, em oposição a um protótipo de baixa fidelidade, onde há uma diferença distinta entre o protótipo e o produto final.

Em outras palavras, a prototipagem rápida é um método de teste. Você pode analisar o futuro de um produto e seu sucesso com os clientes. Como resultado, a análise dirá se funcionará bem. As empresas usam este processo em todas as fases do desenvolvimento do produto.

A eficiência torna o processo mais barato e rápido. Isso permite mais espaço para flexibilidade e erro ao criar um produto. A longo prazo, isso é mais benéfico que outros métodos.

MAIS: O que é Impressão 3D?

Existem três etapas principais na prototipagem rápida. A primeira é criar o protótipo. Eles fazem isso desenvolvendo uma solução para a empresa testar.

A próxima etapa é a revisão. Muitas empresas fazem isso compartilhando o protótipo com seus usuários e partes interessadas. Isso permite obter feedback para que possam corrigir o produto e melhorá-lo para seus clientes.

A última etapa é o refinamento. Com base no feedback que a empresa recebe, eles podem reparar ou alterar o produto. Isso também os ajudará a melhorar designs futuros.

Como Funciona a Prototipagem Rápida?

A Prototipagem Rápida, também conhecida como impressão 3D, é uma tecnologia de manufatura aditiva. O processo começa com a obtenção de um design virtual de software de modelagem ou design assistido por computador (CAD). A máquina de impressão 3D lê os dados do desenho CAD e deposita camadas sucessivas de material líquido, pó ou folha, construindo o modelo físico a partir de uma série de seções transversais.

Estas camadas, que correspondem à seção transversal virtual do modelo CAD, são unidas automaticamente para criar a forma final.

A Prototipagem Rápida usa uma interface de dados padrão, implementada como formato de arquivo STL, para traduzir do software CAD para a máquina de prototipagem 3D. O arquivo STL aproxima a forma de uma peça ou montagem usando facetas triangulares.

Tipicamente, sistemas de Prototipagem Rápida podem produzir modelos 3D em poucas horas. No entanto, isso pode variar amplamente, dependendo do tipo de máquina usada e do tamanho e número de modelos sendo produzidos.

Embora a manufatura aditiva seja o processo de prototipagem rápida mais comum, outros métodos mais convencionais podem ser usados para criar protótipos.

MAIS: O que é Manufatura Aditiva?

Estes processos incluem:

• Subtrativo – Onde se esculpe um bloco de material para criar a forma desejada por fresamento, retificação ou torneamento.
• Compressivo – Sendo prensado na forma desejada por material semi-sólido ou líquido antes da solidificação, por exemplo, por fundição, sinterização compressiva ou moldagem.

Diferentes Tipos de Prototipagem Rápida

Tipos de técnicas de prototipagem rápida:

• Estereolitografia (SLA)
• Sinterização Seletiva a Laser (SLS)
• Sinterização Direta a Laser de Metal (DMLS)
• Modelagem por Deposição Fundida (FDM)
• Jateamento de Aglutinante (Binder Jetting)
• Polyjet

Existem dezenas de maneiras de fazer protótipos. À medida que os processos de prototipagem continuam a evoluir, designers de produtos estão constantemente tentando determinar qual método ou tecnologia é melhor para sua aplicação única.

1. Estereolitografia (SLA) ou Fotopolimerização em Cubeta

Esta técnica rápida e barata foi o primeiro método bem-sucedido de impressão 3D comercial. Um banho de líquido fotossensível é usado, que é solidificado camada por camada usando luz ultravioleta (UV) controlada por computador.

A SLA é uma impressão 3D industrial, ou manufatura aditiva, um processo que constrói peças em um tanque de fotopolímero curável por UV usando um laser controlado por computador. O laser é usado para traçar e curar uma seção transversal do design da peça na superfície do resina líquida.

A camada solidificada é então abaixada logo abaixo da superfície da resina líquida e o processo é repetido. Cada nova camada curada adere à camada abaixo dela. Este processo continua até que a peça seja completada.

Vantagens: Para modelos de conceito, protótipos cosméticos e designs complexos, a SLA pode produzir peças com geometrias intrincadas e excelentes acabamentos superficiais em comparação com outros processos aditivos. O custo é competitivo e a tecnologia está disponível em várias fontes.

Desvantagens: Peças de protótipo podem não ser tão fortes quanto aquelas feitas de resinas de grau de engenharia, então as peças feitas usando SLA têm uso limitado para testes funcionais. Além disso, embora as peças passem por um ciclo UV para solidificar a superfície externa da peça, peças feitas em SLA devem ser usadas com exposição mínima a UV e umidade para que não se degradem.

2. Sinterização Seletiva a Laser (SLS)

Usada para prototipagem de metal e plástico, a SLS usa um leito de pó para criar um protótipo camada por camada com um laser para aquecer e sinterizar o material em pó. No entanto, a resistência das peças não é tão boa quanto a SLA, enquanto a superfície do produto final é geralmente áspera e trabalho secundário pode ser necessário para completá-lo.

Durante o processo SLS, um laser CO2 controlado por computador desenha sobre um leito quente de pó à base de náilon de baixo para cima, onde sinteriza levemente (funde) o pó em um sólido. Após cada camada, um rolo deposita uma nova camada de pó sobre o leito, e o processo se repete.

A SLS usa pós de náilon rígido ou TPU elastomérico similares a termoplásticos de engenharia reais, então as peças exibem maior tenacidade e são precisas, mas têm superfície áspera e carecem de detalhes finos. A SLS oferece grande volume de construção, pode produzir peças com geometrias altamente complexas e criar protótipos duráveis.

Vantagens: Peças SLS tendem a ser mais precisas e duráveis que peças SLA. O processo pode fazer peças duráveis com geometrias complexas e é adequado para alguns testes funcionais.

Desvantagens: As peças têm textura granulada ou arenosa e o processo tem escolha limitada de resina.

3. Sinterização Direta a Laser de Metal (DMLS)

DMLS é uma tecnologia de manufatura aditiva que produz protótipos de metal e peças funcionais de uso final. DMLS usa um sistema a laser que desenha sobre uma superfície de pó de metal atomizado. Onde desenha, suelda o pó em um sólido.

Após cada camada, uma lâmina adiciona uma nova camada de pó e repete o processo. DMLS pode usar a maioria das ligas, permitindo que protótipos sejam hardware funcional de plena resistência feito do mesmo material que componentes de produção.

Também tem o potencial, se projetado com manufaturabilidade em mente, de transicionar para moldagem por injeção de metal quando produção aumentada for necessária.

Vantagens: DMLS produz protótipos fortes (tipicamente 97% densos) de uma variedade de metais que podem ser usados para testes funcionais. Como os componentes são construídos camada por camada, é possível projetar características internas e passagens que não poderiam ser fundidas ou usinadas de outra forma. Propriedades mecânicas das peças são iguais a peças formadas convencionalmente.

Desvantagens: Se produzir mais que algumas peças DMLS, os custos podem subir. Devido à origem de metal em pó do processo direto de metal, o acabamento superficial destas peças é ligeiramente áspero. O processo em si é relativamente lento e também geralmente requer pós-processamento caro.

4. Modelagem por Deposição Fundida (FDM) ou Jateamento de Material

Este processo barato e fácil de usar pode ser encontrado na maioria das impressoras 3D desktop não industriais. Um carretel de filamento termoplástico é usado, que é derretido em um alojamento de bico de pressão antes que o plástico líquido resultante seja depositado camada por camada de acordo com um programa de deposição computadorizado.

Embora os resultados iniciais geralmente tivessem baixa resolução e fossem ruins, este processo melhora rapidamente e é rápido e barato, tornando-o ideal para desenvolvimento de produtos.

FDM usa um método de extrusão que derrete e re-solidifica resina termoplástica (ABS, policarbonato ou mistura ABS/policarbonato) em camadas para formar um protótipo acabado. Como usa resinas termoplásticas reais, é mais forte que binder jetting e pode ter uso limitado para testes funcionais.

Vantagens: Peças FDM são moderadamente precificadas, relativamente fortes e podem ser boas para alguns testes funcionais. O processo pode fazer peças com geometrias complexas.

Desvantagens: As peças têm acabamento superficial ruim, com efeito ondulado pronunciado. Também é um processo aditivo mais lento que SLA ou SLS e tem adequação limitada para testes funcionais.

5. Moldagem por Injeção Rápida

A moldagem por injeção rápida funciona injetando resinas termoplásticas em um molde, assim como na moldagem por injeção de produção. O que torna o processo "rápido" é a tecnologia usada para produzir o molde, que é frequentemente feito de alumínio em vez do aço tradicional usado em moldes de produção.

Peças moldadas são fortes e têm excelentes acabamentos. Também é o processo de produção padrão da indústria para peças plásticas, então há vantagens inerentes em prototipar no mesmo processo se a situação permitir.

Quase qualquer plástico de grau de engenharia ou borracha de silicone líquida (LSR) pode ser usado, então o designer não é limitado pelas limitações de material do processo de prototipagem.

Vantagens: Peças moldadas são feitas de uma variedade de materiais de grau de engenharia, têm excelente acabamento superficial e são um excelente preditor de manufaturabilidade durante a fase de produção.

Desvantagens: Há um custo inicial de ferramental associado à moldagem por injeção rápida que não ocorre com nenhum dos processos aditivos ou com usinagem CNC. Portanto, na maioria dos casos, faz sentido fazer uma ou duas rodadas de protótipos rápidos (subtrativos ou aditivos) para verificar ajuste e função antes de passar para moldagem por injeção.

6. Jateamento de Aglutinante (Binder Jetting)

Esta técnica permite que uma ou mais peças sejam impressas de uma vez, embora as peças feitas não sejam tão fortes quanto aquelas feitas com SLS. O binder jetting usa um leito de pó sobre o qual bicos pulverizam microgotas de líquido para ligar as partículas de pó e formar uma camada da peça.

Cada camada pode então ser compactada por um rolo antes que a próxima camada de pó seja aplicada e o processo comece novamente. Quando a peça está completa, pode ser curada em forno para queimar o aglutinante e fundir o pó em uma peça integral.

7. Polyjet

Polyjet usa uma cabeça de impressão para pulverizar camadas de resina fotopolimérica que são curadas, uma após a outra, usando luz ultravioleta. As camadas são muito finas, permitindo resolução de qualidade. O material é suportado por uma matriz de gel que é removida após a conclusão da peça. Peças elastoméricas são possíveis com Polyjet.

Vantagens: Este processo é moderadamente precificado, pode prototipar peças sobremoldadas com materiais flexíveis e rígidos, pode produzir peças em múltiplas opções de cores e facilmente duplica geometrias complexas.

Desvantagens: Peças Polyjet têm resistência limitada (comparável à SLA) e não são adequadas para testes funcionais. Embora PolyJet possa fazer peças com geometrias complexas, não dá visão sobre a eventual manufaturabilidade do design. Além disso, as cores podem amarelar quando expostas à luz ao longo do tempo.

Comparação de Processos de Prototipagem

PROCESSO	DESCRIÇÃO	RESISTÊNCIA	ACABAMENTO	MATERIAIS EXEMPLO
Estereolitografia	Fotopolímero curado a laser	2.500-10.000 (psi) 17,2-68,9 (MPa)	Camadas aditivas de 0,002-0,006 pol. (0,051-0,152 mm) típicas	Fotopolímeros termoplásticos
Sinterização Seletiva a Laser	Pó sinterizado a laser	5.300-11.300 (psi) 36,5-77,9 (MPa)	Camadas aditivas de 0,004 pol. (0,102 mm) típicas	Náilon, TPU
Sinterização Direta a Laser de Metal	Pó de metal sinterizado a laser	37.700-190.000 (psi)	Camadas aditivas de 0,0008-0,0012 pol. (0,020-0,030 mm) típicas	Aço inoxidável, titânio, cromo, alumínio, Inconel
Modelagem por Deposição Fundida	Extrusão fundida	5.200-9.800 (psi) 35,9-67,6 (MPa)	Camadas aditivas de 0,005-0,013 pol. (0,127-0,330 mm) típicas	ABS, PC, PC/ABS, PPSU
Multi Jet Fusion	Array de jato de tinta fundindo seletivamente leito de náilon	6.960 (psi) 48 (MPa)	Camadas aditivas de 0,0035-0,008 pol. (0,089-0,203 mm) típicas	Náilon 12 Preto
PolyJet	Fotopolímero jateado curado por UV	7.200-8.750 (psi) 49,6-60,3 (MPa)	Camadas aditivas de 0,0006-0,0012 pol. (0,015-0,030 mm) típicas	Fotopolímeros base acrílico, fotopolímeros elastoméricos
Usinagem CNC	Usinada com fresas e tornos CNC	3.000-20.000 (psi) 20,7-137,9 (MPa)	Subtrativa usinada (lisa)	A maioria dos termoplásticos e metais de commodity e grau de engenharia
Moldagem por Injeção	Moldada por injeção com ferramental de alumínio	3.100-20.000 (psi) 21,4-137,9 (MPa)	Moldada lisa (ou com textura selecionada)	A maioria dos termoplásticos e metais de commodity e grau de engenharia, e borracha de silicone líquida

Por que a Prototipagem Rápida é Importante?

Neste mercado de consumo moderno e acelerado, as empresas precisam desenvolver e lançar novos produtos mais rápido para se manterem competitivas. Como o desenvolvimento mais rápido de produtos e a inovação tecnológica são as chaves para o sucesso de uma empresa, a prototipagem rápida torna-se o elemento mais importante no desenvolvimento de novos produtos. Os seguintes objetivos são alcançados através da prototipagem rápida.

• Desenvolvimento mais rápido de novos produtos - A prototipagem desempenha papel vital no processo de criação de produtos bem-sucedidos porque acelera o processo de desenvolvimento de novos produtos
• Validação em estágio inicial de design/conceito de forma, ajuste e função do design
• Verificação em estágio final do produto contra requisitos técnicos e objetivos de negócio
• Permite testes de funcionalidade para testar os objetivos do conceito e finalizar a especificação
• Protótipo dá ao usuário final, cliente, participante experiência prática para obter feedback

Aplicações

Designers de produto usam este processo para a fabricação rápida de peças de protótipo representativas. Isso pode auxiliar na visualização, design e desenvolvimento do processo de fabricação antes da produção em massa.

Originalmente, a prototipagem rápida era usada para criar peças e modelos em escala para a indústria automobilística, embora desde então tenha sido adotada por uma ampla variedade de aplicações em vários setores, como médico e aeroespacial.

Ferramentaria Rápida (Rapid Tooling) é outra aplicação de RP onde peça de um plugue moldado por injeção ou cunha de sensor ultrassônico é feita e usada como ferramenta em outro processo.

Vantagens da Prototipagem Rápida

• Tempo reduzido de design e desenvolvimento
• Custo total de desenvolvimento do produto reduzido
• Eliminação ou redução de risco
• Permite testes de funcionalidade
• Envolvimento do usuário melhorado e aumentado
• Capacidade de avaliar fatores humanos e ergonomia

Desvantagens da Prototipagem Rápida

• Falta de precisão
• Custos iniciais adicionais
• Alguns processos de prototipagem rápida ainda são caros e não econômicos
• Propriedades de material como acabamento superficial e resistência não podem ser igualadas
• Requer mão de obra qualificada
• A gama de materiais que pode ser usada é limitada
• Negligenciar alguns recursos-chave porque não podem ser prototipados
• Confusão do usuário final, clientes confundindo com projeto acabado/desenvolvedor incompreendendo objetivos do usuário

Perguntas Frequentes

O que é Prototipagem Rápida?

A prototipagem rápida é a fabricação rápida de uma peça física, modelo ou montagem usando design assistido por computador 3D (CAD). A criação da peça, modelo ou montagem é geralmente concluída usando manufatura aditiva, mais comumente conhecida como impressão 3D.

Como Funciona a Prototipagem Rápida?

A Prototipagem Rápida, também conhecida como impressão 3D, é uma tecnologia de manufatura aditiva. A máquina de impressão 3D lê os dados do desenho CAD e deposita camadas sucessivas de líquido, pó ou material em folha, construindo o modelo físico a partir de uma série de seções transversais.

Quais são os Diferentes Tipos de Prototipagem Rápida?

Diferentes Tipos de Prototipagem Rápida:

1. Estereolitografia (SLA) ou Fotopolimerização em Cubeta.
2. Sinterização Seletiva a Laser (SLS)
3. Modelagem por Deposição Fundida (FDM) ou Jateamento de Material.
4. Fusão Seletiva a Laser (SLM) ou Fusão de Leito de Pó.
5. Manufatura de Objetos Laminados (LOM) ou Laminação de Folhas.

O que é um exemplo de prototipagem rápida?

Um exemplo comum e frequentemente usado de prototipagem rápida é a impressão 3D. A possibilidade de produzir um modelo 3D rápido usando esta variante de impressão pode economizar muito tempo e custos no processo de produção.

Onde a prototipagem rápida é usada?

A prototipagem rápida pode ser usada em qualquer estágio do ciclo de desenvolvimento do produto para quaisquer componentes ou subcomponentes. A prototipagem pode ser repetida numerosas vezes ao longo do processo de design de novo produto usando os dados de teste para alcançar a peça desejada.

Como funciona a prototipagem rápida?

A Prototipagem Rápida usa uma interface de dados padrão, implementada como formato de arquivo STL, para traduzir do software CAD para a máquina de prototipagem 3D. O arquivo STL aproxima a forma de uma peça ou montagem usando facetas triangulares. Tipicamente, sistemas de Prototipagem Rápida podem produzir modelos 3D em poucas horas.

O que é prototipagem rápida e suas características?

A prototipagem rápida é uma estratégia ágil usada durante todo o processo de desenvolvimento do produto. Com esta abordagem, protótipos 3-dimensionais de um produto ou recurso são criados e testados para otimizar características como forma, tamanho e usabilidade geral.

Qual é a principal vantagem da prototipagem rápida?

A prototipagem rápida fornece às equipes de engenharia, design e desenvolvimento vantagens distintas, como: a capacidade de explorar e realizar conceitos mais rapidamente. Esta eficiência em tempo e custo permite que as equipes vão além da mera visualização de um produto, facilitando a compreensão das propriedades e design de um produto.

Onde a prototipagem rápida se originou?

A prototipagem rápida no sentido moderno tem suas origens na impressão 3D, tendo sido desenvolvida nos anos 1980 como uma nova maneira inovadora de produzir protótipos. Desde então, a prototipagem rápida expandiu seu significado para cobrir uma gama de técnicas de manufatura, cada uma focada em um estágio diferente do desenvolvimento do produto.

O que é cadeia de processo de prototipagem rápida?

A cadeia de processo de prototipagem rápida apresentada aqui começa com o design dos componentes como modelos CAD tridimensionais. Os modelos mestres são realizados como peças de polímero por técnicas de RP e então copiados em moldes de borracha de silicone para serem usados diretamente como ferramentas para o processo de moldagem por injeção de baixa pressão.

A prototipagem rápida é o mesmo que impressão 3D?

O termo prototipagem rápida é diferente de impressão 3D/manufatura aditiva. Prototipagem rápida é a técnica de fabricar um modelo de protótipo a partir de um arquivo CAD. Em outras palavras, impressão 3D/manufatura aditiva é o processo, e prototipagem rápida é o resultado final.

O que é prototipagem rápida no desenvolvimento de produtos?

A prototipagem rápida é o grupo de técnicas usadas para fabricar rapidamente um modelo em escala de uma peça física ou montagem usando dados de design assistido por computador tridimensional (CAD). Usando impressão 3D, designers podem iterar rapidamente entre designs digitais e protótipos físicos, e chegar à produção mais rápido.

Quais são as desvantagens da prototipagem?

Desvantagens do uso do Modelo de Protótipo:

• Este modelo é caro.
• Tem documentação ruim devido a requisitos do cliente em constante mudança.
• Pode haver muita variação nos requisitos.
• Clientes às vezes exigem que o produto real seja entregue logo após ver um protótipo inicial.

Qual é a diferença entre prototipagem e prototipagem rápida?

O que costumava levar várias semanas com prototipagem tradicional agora leva apenas algumas horas com RP. Em geral, a prototipagem rápida é melhor para projetos que requerem várias modificações de design ou ajustes de componentes. Também é mais ideal para geometrias complexas e prazos apertados.

Quais são os tipos de prototipagem rápida?

Seguem os tipos de tecnologia de prototipagem rápida disponíveis para designers de produtos de engenharia: Manufatura aditiva – Estereolitografia (SLA), Sinterização seletiva a laser (SLS), Sinterização direta a laser de metal (DMLS), Modelagem por deposição fundida (FDM), MJF, Jateamento de aglutinante (Binder jetting) e Polyjet.

Quais são as aplicações da prototipagem rápida?

A prototipagem rápida é amplamente usada para planejamento cirúrgico, diagnóstico, treinamento e design e fabricação de implantes personalizados. O design e manufatura assistidos por computador 3D também são usados para o design e desenvolvimento de novos produtos médicos. Eles encurtam o tempo de mercado e ajudam ainda mais na pesquisa.

Quem inventou a prototipagem rápida?

A prototipagem rápida no sentido moderno é frequentemente considerada como tendo sido inventada nos anos 1980 por Hideo Kodama e Charles Hull com o desenvolvimento da impressão 3D.

Quais são os materiais usados na prototipagem rápida?

Novos materiais de protótipo estão sendo desenvolvidos constantemente que correspondem cada vez melhor às especificações de material de produção final. ABS, acrílico, polifenilsulfona, policarbonato e náilon são apenas alguns comumente usados, que oferecem funcionalidade, durabilidade e resistência excepcionais.

Qual é a diferença entre manufatura aditiva e prototipagem rápida?

Prototipagem rápida significa produzir um protótipo rapidamente. Manufatura aditiva refere-se a qualquer processo de manufatura que faz produtos adicionando materiais gradualmente.

O que é processo de manufatura rápida?

O termo manufatura rápida é usado para resumir diferentes métodos e processos de manufatura que servem para a produção rápida e flexível de protótipos e peças em série. Entende-se que a produção implicará o uso de ferramentas não convencionais lendo diretamente os dados CAD disponíveis.

Quais polímeros são usados na prototipagem rápida?

Polidimetilsiloxano (PDMS) tem sido o principal para prototipagem rápida na comunidade acadêmica de microfluídica, devido ao seu baixo custo, robustez e fabricação direta, que são particularmente vantajosos nas etapas exploratórias da pesquisa.

Qual é a diferença entre prototipagem e prototipagem rápida?

O que costumava levar várias semanas com prototipagem tradicional agora leva apenas algumas horas com RP. Em geral, a prototipagem rápida é melhor para projetos que requerem várias modificações de design ou ajustes de componentes. Também é mais ideal para geometrias complexas e prazos apertados.

Qual é a diferença entre prototipagem rápida e ferramentaria rápida?

"Prototipagem rápida" refere-se aos vários métodos de manufatura aditiva usados para a produção rápida de componentes de amostra – na verdade, é onde a manufatura aditiva se originou. Ferramentaria rápida é outra tecnologia que acelera a manufatura de produtos.