O que é Prototipagem Rápida? - Tipos e Funcionamento

O que é Prototipagem Rápida?

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

A prototipagem rápida é o processo de criar algo que pode ser usado para avaliar rapidamente um produto. Dentro da 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 se aproxima do 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 lhe dirá se funcionará bem. As empresas usam esse processo em todas as fases do desenvolvimento de produtos.

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

O próximo passo é revisar. Muitas empresas fazem isso compartilhando o protótipo com seus usuários e partes interessadas. Isso permite que eles obtenham feedback para que possam consertar o produto e melhorá-lo para seus clientes.

A última etapa é o refino. Com base no feedback que a empresa recebe, eles podem reparar ou alterar o produto. Isso também irá ajudá-los a melhorar projetos 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 projeto virtual de modelagem ou software de desenho assistido por computador (CAD). A máquina de impressão 3D lê os dados do desenho CAD e estabelece sucessivas camadas de material líquido, em pó ou em folha, construindo o modelo físico a partir de uma série de seções transversais.

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

A Prototipagem Rápida usa uma interface de dados padrão, implementada como o 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.

Normalmente, os sistemas de Prototipagem Rápida podem produzir modelos 3D em poucas horas. No entanto, isso pode variar muito, dependendo do tipo de máquina que está sendo usada e do tamanho e número de modelos que estão 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?

Esses processos incluem:

• Subtrativo – Onde esculpir um bloco de material para criar a forma desejada por fresagem, retificação ou torneamento.
• Compressão – Sendo pressionado na forma desejada por um material semi-sólido ou líquido antes da solidificação, por exemplo, por fundição, sinterização por compressão 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 de Deposição Fundida (FDM)
• Jato de ligante
• Polijateamento

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

1. Estereolitografia (SLA) ou fotopolimerização em cuba

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

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

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

Prós: Para modelos conceituais, protótipos cosméticos e projetos complexos, a SLA pode produzir peças com geometrias complexas e excelentes acabamentos superficiais em comparação com outros processos aditivos. O custo é competitivo e a tecnologia está disponível em várias fontes.

Contras: As peças do protótipo podem não ser tão fortes quanto as feitas de resinas de engenharia, portanto, as peças feitas com SLA têm uso limitado para testes funcionais. Além disso, enquanto as peças passam por um ciclo UV para solidificar a superfície externa da peça, o SLA integrado deve ser usado com exposição mínima a UV e umidade para que não se degrade.

2. Sinterização seletiva a laser (SLS)

Usado para prototipagem de metal e plástico, o 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 o SLA, enquanto a superfície do produto acabado geralmente é áspera e pode ser necessário um trabalho secundário para completá-lo.

Durante o processo SLS, um laser de CO2 controlado por computador desenha em um viveiro de pó à base de nylon de baixo para cima, onde sinteriza levemente (funde) o pó em um sólido. Após cada camada, um rolo coloca uma nova camada de pó em cima da cama e o processo se repete.

O SLS usa pós de nylon rígido ou TPU elastomérico semelhantes aos termoplásticos de engenharia reais, de modo que as peças apresentam maior resistência e são precisas, mas têm uma superfície áspera e carecem de detalhes finos. O SLS oferece um grande volume de construção, pode produzir peças com geometrias altamente complexas e criar protótipos duráveis.

Prós: As peças SLS tendem a ser mais precisas e duráveis ​​do que as peças SLA. O processo pode fazer peças duráveis ​​com geometrias complexas e é adequado para alguns testes funcionais.

Contras: As peças têm uma textura granulada ou arenosa e o processo tem uma 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. O DMLS usa um sistema de laser que desenha em uma superfície de pó metálico atomizado. Onde desenha, solda o pó em um sólido.

Após cada camada, uma lâmina adiciona uma nova camada de pó e repete o processo. O DMLS pode usar a maioria das ligas, permitindo que os protótipos sejam hardwares funcionais e de força total feitos do mesmo material que os componentes de produção.

Ele também tem o potencial, se projetado com a capacidade de fabricação em mente, para fazer a transição para moldagem por injeção de metal quando aumentar a produção, se necessário

Prós: O DMLS produz protótipos fortes (normalmente, 97% densos) de uma variedade de metais que podem ser usados ​​para testes funcionais. Uma vez que os componentes são construídos camada por camada, é possível projetar características internas e passagens que não poderiam ser fundidas ou usinadas de outra forma. As propriedades mecânicas das peças são iguais às peças formadas convencionalmente.

Contras: Se produzir mais do que algumas peças DMLS, os custos podem aumentar. Devido à origem do metal em pó do processo direto do metal, o acabamento superficial dessas peças é levemente áspero. O processo em si é relativamente lento e também geralmente requer um pós-processamento caro.

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

Esse processo barato e fácil de usar pode ser encontrado na maioria das impressoras 3D de mesa não industriais. Um carretel de filamento termoplástico é usado que é fundido em um alojamento de bocal de pressão antes que o plástico líquido resultante seja depositado camada por camada de acordo com um programa de deposição de computador.

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

A FDM usa um método de extrusão que derrete e solidifica novamente a resina termoplástica (ABS, policarbonato ou mistura ABS/policarbonato) em camadas para formar um protótipo acabado. Por usar resinas termoplásticas reais, é mais forte que o jateamento de aglutinante e pode ser de uso limitado para testes funcionais.

Prós: As peças FDM têm preços moderados relativamente fortes e podem ser boas para alguns testes funcionais. O processo pode fazer peças com geometrias complexas.

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

6. Moldagem por injeção           

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 utilizada para produzir o molde, que muitas vezes é feito de alumínio em vez do tradicional aço usado nos moldes de produção.

As peças moldadas são fortes e possuem excelentes acabamentos. É também o processo de produção padrão da indústria para peças plásticas, portanto, há vantagens inerentes à prototipagem no mesmo processo, se a situação permitir.

Quase qualquer plástico de engenharia ou borracha de silicone líquido (LSR) pode ser usado, para que o projetista não seja restringido pelas limitações de material do processo de prototipagem.

Prós: As peças moldadas são feitas de uma variedade de materiais de engenharia, têm um excelente acabamento superficial e são um excelente preditor de fabricação durante a fase de produção.

Contras: 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 o ajuste e a função antes de passar para a moldagem por injeção.

7. Jato de ligante

Essa técnica permite que uma ou mais peças sejam impressas de uma só vez, embora as peças feitas não sejam tão resistentes quanto as feitas com SLS. O jateamento de ligante usa um leito de pó no qual os bicos pulverizam gotículas microfinas de líquido para unir as partículas de pó e formar uma camada da peça.

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

8. Polyjet

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

Prós: Este processo tem um preço moderado, pode prototipar peças sobremoldadas com materiais flexíveis e rígidos, pode produzir peças em várias opções de cores e duplica facilmente geometrias complexas.

Contras: As peças Polyjet têm resistência limitada (comparável ao SLA) e não são adequadas para testes funcionais. Embora o PolyJet possa fabricar peças com geometrias complexas, ele não fornece informações sobre a eventual capacidade de fabricação do projeto. Além disso, as cores podem ficar amarelas quando expostas à luz ao longo do tempo.

Comparando processos de prototipagem

PROCESSO	DESCRIÇÃO	FORÇA	TERMINAR	EXEMPLOS DE MATERIAIS
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 semelhantes a 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	Nylon, 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. (0,020-0,030mm) típicas	Aço inoxidável, titânio, cromo, alumínio, Inconel
Modelagem de Deposição Fundida	Extrusões fundidas	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	Matriz de jato de tinta fundindo seletivamente em uma camada de pó de nylon	6.960 (psi) 48 (mpa)	Camadas aditivas de 0,0035-0,008 pol. (0,089-0,203 mm) típicas	Náilon Preto 12
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 à base de acrílico, fotopolímeros elastoméricos
Usinagem controlada numericamente por computador	Usado com fresas e tornos CNC	3.000-20.000 (psi) 20,7-137,9 (mpa)	Usinado subtrativo (suave)	A maioria dos termoplásticos e metais de qualidade e de engenharia
Moldagem por injeção	Moldado por injeção usando ferramentas de alumínio	3.100-20.000 (psi) 21,4-137,9 (mpa)	Moldado liso (ou com textura selecionada)	A maioria dos termoplásticos de qualidade e de engenharia, metal e borracha de silicone líquido

Por que a prototipagem rápida é importante?

Neste mercado consumidor moderno e acelerado, as empresas precisam desenvolver e lançar novos produtos mais rapidamente 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 um papel vital no processo de criação de produtos de sucesso porque acelera o processo de desenvolvimento de novos produtos
• Design em estágio inicial/validação de conceito de forma, ajuste e função do design
• Verificação final do produto em relação aos requisitos técnicos e objetivos de negócios
• Permite testes de funcionalidade para testar os objetivos do conceito e finalizar a especificação
• O protótipo oferece ao usuário final, cliente, cliente e participantes do usuário uma experiência prática para obter feedback

Aplicativos

Os designers de produtos usam esse processo para a fabricação rápida de peças de protótipos representativas. Isso pode ajudar na visualização, projeto 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 automotiva, embora desde então tenha sido adotada por uma ampla variedade de aplicações em várias indústrias, como médica e aeroespacial.

O Rapid Tooling é outra aplicação do RP onde parte de um plugue moldado por injeção ou uma cunha de sensor ultrassônico é feita e usada como ferramenta em outro processo.

Vantagens da prototipagem rápida

• Redução do tempo de design e desenvolvimento
• Custo geral de desenvolvimento de produto reduzido
• Eliminação ou redução do risco
• Permite testes de funcionalidade
• Envolvimento aprimorado e maior do usuário
• Capacidade de avaliar fatores humanos e ergonomia

Desvantagens da prototipagem rápida

• Falta de precisão
• Custos iniciais adicionados
• Alguns processos de prototipagem rápida ainda são caros e não econômicos
• As propriedades do material, como acabamento e resistência da superfície, não podem ser combinadas
• Requer mão de obra qualificada
• A gama de materiais que podem ser usados ​​é limitada
• Negligenciando alguns recursos importantes porque eles não podem ser prototipados
• Confusão do usuário final, os clientes confundem isso com o projeto finalizado/mal-entendido do desenvolvedor sobre os 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 o projeto 3D auxiliado por computador (CAD). A criação da peça, modelo ou montagem geralmente é concluída usando manufatura aditiva, mais 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 estabelece sucessivas camadas de material líquido, em pó ou 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 cuba.
2. Sinterização seletiva a laser (SLS)
3. Modelagem de Deposição Fundida (FDM) ou Jateamento de Material.
4. Fusão seletiva a laser (SLM) ou fusão em leito de pó.
5. Fabricação de objetos laminados (LOM) ou laminação de chapas.

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 várias vezes ao longo do processo de design do 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 o 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. Normalmente, os 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 utilizada em todo o processo de desenvolvimento do produto. Com essa abordagem, protótipos tridimensionais 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. Essa eficiência em tempo e custo permite que as equipes ultrapassem a mera visualização de um produto, facilitando a compreensão das propriedades e do design de um produto.

De onde surgiu a prototipagem rápida?

A prototipagem rápida no sentido moderno tem suas origens na impressão 3D, tendo sido desenvolvida na década de 1980 como uma nova forma inovadora de produzir protótipos. Desde então, a prototipagem rápida expandiu seu significado para abranger uma variedade de técnicas de fabricação, cada uma focada em um estágio diferente do desenvolvimento do produto.

O que é cadeia de processo de prototipagem rápida?

A cadeia de processos de prototipagem rápida apresentada aqui se inicia com o design dos componentes como modelos CAD tridimensionais. Os modelos mestres são realizados como peças de polímero por técnicas de RP e, em seguida, são 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 a mesma coisa que a impressão 3D?

O termo prototipagem rápida é diferente de impressão 3D/fabricação aditiva. A prototipagem rápida é a técnica de fabricação de um modelo de protótipo a partir de um arquivo CAD. Em outras palavras, a impressão 3D/fabricação aditiva é o processo e a 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 tridimensionais de desenho assistido por computador (CAD). Usando a impressão 3D, os designers podem iterar rapidamente entre projetos digitais e protótipos físicos e chegar à produção mais rapidamente.

Quais são as desvantagens da prototipagem?

Desvantagens de usar o modelo de protótipo:

• Este modelo é caro.
• A documentação é deficiente devido às constantes mudanças nos requisitos do cliente.
• Pode haver muita variação nos requisitos.
• Às vezes, os clientes 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 a prototipagem tradicional agora leva apenas algumas horas com RP. Em geral, a prototipagem rápida é melhor para projetos que exigem várias modificações de projeto ou ajustes de componentes. Também é mais ideal para geometrias complexas e prazos apertados.

Quais são os tipos de prototipagem rápida?

A seguir estão os tipos de tecnologia de prototipagem rápida disponíveis para projetistas de produtos de engenharia:Manufatura aditiva – Estereolitografia (SLA), Sinterização seletiva a laser (SLS), Sinterização direta a laser de metal (DMLS), Modelagem de deposição fundida (FDM), MJF, Jateamento de ligante e Jateamento poli.

Quais são as aplicações da prototipagem rápida?

A prototipagem rápida é amplamente utilizada para planejamento cirúrgico, diagnóstico, treinamento e projeto e fabricação de implantes personalizados. O projeto e a fabricação 3D auxiliados por computador também são usados ​​para o projeto e desenvolvimento de novos produtos médicos. Eles encurtam o tempo de colocação no mercado e ajudam ainda mais na pesquisa.

Quem inventou a prototipagem rápida?

A prototipagem rápida no sentido moderno é frequentemente considerada inventada na década de 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 atendem cada vez melhor às especificações do material de produção final. ABS, acrílico, polifenilsulfona, policarbonato e nylon são apenas alguns que são comumente usados, que oferecem excelente funcionalidade, durabilidade e resistência.

Qual ​​é a diferença entre manufatura aditiva e prototipagem rápida?

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

O que é processo de fabricação rápida?

O termo fabricação rápida é usado para resumir diferentes métodos e processos de fabricação que atendem à produção rápida e flexível de protótipos e peças em série. Entende-se que a produção implicará na utilização de ferramentas não convencionais de leitura direta dos dados CAD disponíveis.

Quais polímeros são usados ​​na prototipagem rápida?

O polidimetilsiloxano (PDMS) tem sido a base para a prototipagem rápida na comunidade acadêmica de microfluídica, devido ao seu baixo custo, robustez e facilidade de fabricação, 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 a prototipagem tradicional agora leva apenas algumas horas com RP. Em geral, a prototipagem rápida é melhor para projetos que exigem várias modificações de projeto ou ajustes de componentes. Também é mais ideal para geometrias complexas e prazos apertados.

Qual ​​é a diferença entre prototipagem rápida e ferramentas rápidas?

“Prototipagem rápida” refere-se aos vários métodos de manufatura aditiva usados ​​para a produção rápida de componentes de amostras – na verdade, foi aqui que a manufatura aditiva se originou. O ferramental rápido é outra tecnologia que acelera a fabricação de produtos.

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