Inovação em Fundição: Acelerando Desenvolvimento de Produto com Impressão 3D

Como fundições usam impressoras 3D para design rápido de produto

Desenvolvimento de produto é um processo emocionante de descoberta. Investir em novos produtos demonstra o compromisso de uma empresa com as necessidades de seus clientes. Pesquisa e desenvolvimento podem levar muito tempo, iterações de construção e ajuste de modelos e protótipos. Leva tempo para aprender o que funciona — e o que não funciona. Impressão 3D é uma ferramenta muito útil para agilizar o design de muitos bens manufaturados, incluindo produtos metálicos.

Por que prototipar?

Prototipagem é uma etapa essencial na fabricação de produtos, preenchendo a lacuna significativa entre design teórico e o produto final funcional. Dá aos projetistas de produtos a oportunidade de trabalhar com, e aprender de, modelos do mundo real. Permite testar e experimentar novas ideias, com o objetivo de melhorar e refinar rumo a um produto final.

Ao projetar um novo produto, forma e função podem ser testadas em diferentes estágios. Alguns protótipos são produzidos apenas para examinar tamanho e aparência. Outros podem ser projetados para testar características específicas para função e ajuste.

O que você precisa saber sobre prototipagem rápida

Existem vários protótipos padrão. Tradicionalmente, os protótipos mais básicos são maquetes de papel, madeira ou espuma criadas por artesãos a partir de desenhos ou designs digitais. Estágios de prototipagem adicionais podem ser feitos, de complexidade contínua, durante o processo de design. Antes de uma produção ser lançada, fábricas fazem uma corrida de teste, criando um protótipo de produção para avaliar a qualidade do produto e avaliar o processo na fábrica.

Protótipos rápidos avançam a utilidade e eficiência de muitos dos primeiros estágios de prototipagem. Como artesãos tradicionalmente faziam maquetes, e protótipos de produção geralmente requeriam ferramentas personalizadas, a prototipagem tem sido geralmente lenta e cara. Ser capaz de imprimir e ajustar protótipos rapidamente pode encurtar substancialmente estes estágios iterativos de design. Em alguns casos, um protótipo de plástico pode ser usado para ajudar a agilizar o processo de produção. Métodos de fundição em particular frequentemente requerem o uso de um modelo e/ou matriz, que pode ser caro — e justificável apenas quando produção em larga escala gerará retorno sobre investimento — e a criação de maquetes de modelo em uma impressora 3D pode permitir que um projetista pegue problemas antes de ir para madeira ou metal em maior escala.

Claro, estes protótipos não são protótipos de produção. Substituir plástico por metal durante este período significa que existem algumas propriedades de metal que não podem ser verificadas. Imprimir uma barreira (bollard) em tamanho real em plástico em uma impressora 3D é também, em nível por unidade, muito mais caro que fundir uma. No entanto, imprimir modelos em escala dá aos projetistas algo que podem examinar e manipular, e quaisquer mudanças que surjam disto requerem nada mais que um ajuste no arquivo CAD digital e uma reimpressão rápida.

Muitos protótipos também são produzidos em escalas menores e/ou com menos detalhes que o produto final. Embora representem apenas uma parte ou aspecto do design final, ainda podem ser valiosos para tomar decisões no início da fase de design — em vez de depois quando se torna mais caro refinar.

Prototipagem rápida com impressoras 3D

Prototipagem rápida através de impressão 3D usa tecnologias de manufatura aditiva. Designs digitais, ou modelos CAD, são tipicamente "fatiados" pelo algoritmo do computador em muitas camadas horizontais minúsculas, que são então impressas uma por vez.

Impressão 3D existe em várias formas desde os anos 70 e 80, mas só recentemente evoluiu para ser útil em escala comercial. Embora existam limitações, a tecnologia está evoluindo rapidamente. As impressoras 3D mais avançadas podem imprimir múltiplos materiais com propriedades e cores variadas. Impressoras de sinterização a laser direta de metal (DMLS) podem até imprimir produtos metálicos.

Restrições de tamanho e qualidade de superfície de protótipos impressos em 3D melhoraram muito ao longo dos anos, tornando-os especialmente úteis para projetistas enquanto iteram através de fases iniciais de desenvolvimento.

Criando peças metálicas com impressão 3D

Impressoras DMLS desafiarão as indústrias de fundição ou trabalho de metal? A indústria 3D é dinâmica, com novos desenvolvimentos anunciados quase todos os dias. Projetos de grande escala, como a ponte impressa em 3D pela MX3D em Amsterdã, mostram que há muito potencial até em manufatura estrutural. Ainda assim, esta forma de impressão não está em competição com manufatura de metal tradicional. Mesmo com estes desenvolvimentos, impressão 3D é mais provável de melhorar que substituir manufatura de metal tradicional em larga escala nas próximas décadas — até a ponte de Amsterdã é segura com aço bruto tradicional fornecendo suporte no convés.

Impressão 3D de metal não é geralmente vazamento e camadas de metais líquidos, claro. Tecnologias atuais imprimem metal incorporando pó metálico em uma matriz não metálica que é aquecida e canalizada em forma. Em alguns processos (embora não para a ponte acima) o metal é então aquecido para que a matriz evapore.

Este metal impresso pode fornecer mais resistência que plástico mas não pode oferecer a ampla gama de ligas possíveis disponíveis em uma fundição tradicional. O calor incrivelmente alto e condições controladas de resfriamento necessárias para muitos graus específicos de aço e ferro significam que trabalhar para alcançar um grau vs. outro é um equilíbrio delicado de temperatura e pressão. Além disso, tensão metálica pode ser causada se uma parte de uma fundição esfria mais rápido que outra — e precisa ser controlada no local de uma junta. Impressão 3D constrói um objeto através de deposição de camadas em ordem: mesmo que isso fosse possível com aço quase líquido tradicional requerido para algumas ligas ferrosas, as tensões causadas por diferentes níveis de resfriamento mudariam fundamentalmente as propriedades do metal comparado a uma peça fundida integral.

Ainda assim, o material impresso por impressoras de metal é mais próximo de aço que plástico. Excitante, para a fundição, esta tecnologia de impressão de metal pode um dia permitir teste funcional de um protótipo rápido. Talvez uma peça metálica pudesse ser impressa barato e colocada sob tensão relativa, e então ajustada através do processo de produção.

Prototipagem rápida para a fundição, hoje

Equipamentos e técnicas de fundição foram melhorados através de séculos de aprendizado e desenvolvimento. Fundição em areia dá aos fabricantes muito controle no comportamento do metal nos estados líquido e de resfriamento, que mudam as propriedades mecânicas do metal. Metal tratado diferentemente através do processo de fundição pode ser cristalizado em diferentes formas, cada uma das quais pode ser trabalhada para propriedades adicionais. Isso explica a gama de propriedades mecânicas disponíveis a um cliente através de fundição de metal.

Ainda assim, fazer os modelos para estas fundições significava trabalhosa escultura manual de modelos de madeira para formar na areia. Estes modelos precisam ser criados sem lugares onde o metal possa "acumular" e portanto esfriar mais lentamente, criando tensão interna na peça. Precisam ser lisos o suficiente para serem puxados da areia que estão imprimindo. A criação de um objeto impresso pode permitir que o projetista e a fundição considerem mudanças no objeto que ajudarão na criação do modelo mais eficiente, melhor moldado para o projeto.

Fundição por investimento é um processo versátil ideal para produção de alto volume — especialmente para designs complexos e onde qualidade de superfície é importante. Com fundição por investimento, uma matriz é geralmente feita para produzir modelos de cera, que são então revestidos para formar moldes cerâmicos. Modelos de cera são facilmente derretidos, deixando cavidades de molde prontas para metal líquido.

Matrizes podem ser caras de produzir, no entanto, o que pode aumentar significativamente custos unitários no início da fase de design. O que muitos fabricantes estão fazendo é imprimir modelos de cera em 3D para protótipos — eliminando a necessidade de matrizes personalizadas. Projetistas podem revisar sua peça e trabalhar rumo a uma versão final antes de se comprometer com ferramentas mais caras para produção de longa duração. Imprimir modelos também é mais econômico para produções curtas e produções únicas. Na fundição por investimento, impressoras 3D podem portanto criar o modelo final para uso.

Uma revolução em prototipagem rápida

Impressão 3D é uma revolução em fundição de metal, mesmo que não substitua manufatura de metal tradicional. Setores tradicionais são limitados apenas por suas imaginações ao considerar como o futuro desta tecnologia em rápido desenvolvimento pode melhorar práticas de produção tradicionais. As economias disponíveis em prototipagem permitem mais ajustes e mudanças, iterações extras antes de ir para produção em escala total. O que vier a seguir no futuro da impressão 3D, certamente será uma ferramenta útil para todos aqueles projetistas buscando criar os melhores produtos para sua clientela.