Prototipagem Rápida com Impressão 3D: Revolucionando Processos de Fundição

Impacto da impressão 3D na fundição em areia e por investimento

A impressão 3D é um dos muitos avanços que permitem prototipagem mais rápida.

Um designer, empreendedor ou inventor tem uma ideia e começa o processo de trazê-la à vida. No início, a ideia é feita de esboços e planos, pesquisa e design, mas o foco do designer está voltado para criar um objeto físico. Não há substituto para segurar um modelo ou protótipo e ver uma visão ganhar vida. A prototipagem permite ao designer ter confiança em sua ideia, resolver falhas de produção, e conquistar investidores ou clientes.

Durante o primeiro lançamento de um objeto no mundo, um criador deve guiar seu novo produto através de questões de propriedade intelectual, análise final de custos, preocupações mecânicas e estéticas, e expectativas de investidores, clientes ou mercado. Uma boa execução de prototipagem abre espaço para todas estas questões serem exploradas.

Felizmente, a ascensão da prototipagem rápida, liderada por computador, simplificou os detalhes técnicos deste processo, permitindo ao criador produzir o melhor produto possível.

História da prototipagem

Antes da ascensão de tecnologias assistidas por computador, todos os protótipos de fundição de metais eram construídos a partir de modelos projetados à mão. Após a fase inicial de design, um modelista artesão renderizaria o desenho em uma escultura tridimensional. Para fundições em areia, estes modelos geralmente eram feitos de madeira, mas ocasionalmente de metal ou cerâmica. Alguns modelos eram renderizados em cera para um processo de fundição por investimento. Estes modelos soltos eram a primeira renderização geral do objeto final.

Estes modelos não seriam idênticos ao protótipo, embora pudessem parecer similares ao produto final. Modelos são frequentemente ligeiramente maiores que o modelo final, para compensar retração durante o processo de fundição de metal. Podem também ser separados em seções, criados como meros contornos geométricos para moldes de varredura, ou ter ângulos estranhos projetados para compensar a deformação do metal em contração ou para fornecer desmoldagem para o modelo ser removido de um molde de areia.

Modelos seriam dados a um moldador especialista no chão de fábrica, geralmente para criar um molde de areia necessário para a fundição do protótipo. A etapa de moldagem costumava ser desafiadora, não tão simples quanto apenas pressionar um modelo na areia. Um moldador tinha que esculpir as linhas de separação da fundição, e colocar os canais e furos necessários que permitiriam o metal fundido encher o molde uniforme e completamente, e resfriar sem defeitos. Estes canais incluem a cana de vazamento, ou a entrada na qual metal líquido é vazado; portas, que são canais de tamanho variável que controlam a taxa de fluxo do material fundido; canais de distribuição, que permitem metal líquido fluir de uma área do molde para outra; e alimentadores, grandes reservatórios de volume que permanecem quentes por mais tempo que a fundição, e portanto podem alimentar metal líquido na fundição à medida que esfria e retrai, prevenindo a formação de furos.

Desse trabalho meticuloso tanto do modelista quanto do moldador, protótipos metálicos seriam fundidos.

Uma vez que trabalhadores da fundição tivessem desmoldado uma fundição metálica limpa, o designer original poderia avaliá-la. Estética, peso, acabamento e ajuste ficariam claros. Se não fosse apenas um objeto decorativo, mas algo projetado para lidar com tensão mecânica, o designer testaria o objeto carregando-o até sua tolerância declarada, e além, para verificar a engenharia. Fundições também testariam protótipos destruindo-os: a fundição seria cortada em pedaços, para procurar deformidades internas.

Levar um design à fabricação também tornaria o investimento e retorno mais claros. Um designer ou inventor poderia usar a fase de prototipagem para orçar e encontrar eficiências para uma produção em escala real.

Após pensar sobre o protótipo de todas estas maneiras, mudanças no design poderiam ser necessárias. Se as modificações fossem grandes ou pequenas, geralmente criariam horas de trabalho novamente para o modelista artesão, e para o moldador depois.

Prototipagem era um processo longo e caro.

Digitalização e design assistido por computador

A ascensão da prototipagem rápida tornou muito mais fácil criar um modelo funcional. Também atrasa a primeira vez que um objeto físico é necessário.

Plantas e esboços técnicos eram feitos à mão. Agora, são digitalizados através de programas CAD (Design Assistido por Computador). É muito simples alterar arquivos CAD digitais muitas vezes através do processo de prototipagem, enquanto plantas históricas eram intensivas em trabalho para redesenhar.

Desenhos CAD podem ser transformados em simulações complexas e bem imaginadas da execução de fabricação e do produto final. São uma etapa de prototipagem digital, criando um modelo computacional completo que age mais como um protótipo inicial do que era possível com caneta e papel. Arquivos CAD também podem ser usados por programas de computador que têm informações de fabricação e produção. Se um designer envia arquivos CAD com seu objeto a uma fundição, metalurgistas podem usar programas com vastos bancos de dados de propriedades de metais e processos de moldagem para avaliar o esboço e prever possíveis problemas. Problemas que uma vez poderiam ter exigido uma execução de prototipagem para descobrir podem ser encontrados antes do primeiro metal ser vazado.

Estes programas também são úteis à fundição, ajudando a posicionar canas de vazamento, portas, canais de distribuição e alimentadores nos lugares que criarão a fundição mais sólida, antes que o modelo chegue ao chão de fábrica.

Ainda, não importa quão complexos ou bem imaginados, ainda são abstrações. Frequentemente as pessoas precisam de um protótipo físico para realmente entender um design.

Modelos e protótipos de pré-produção

Com o advento da impressão 3D, modelos podem ser feitos rapidamente e em qualquer escala, frequentemente bem antes de um fabricante ser contatado. Agora é comum designers construírem seus próprios primeiros protótipos internamente. Seja em miniatura ou em escala real, um designer pode segurar um modelo de seu projeto para ver como tudo pode se juntar.

A impressão 3D é parte de um novo estilo de "design iterativo" rapidamente mutável. Modelos 3D podem ser impressos, criticados, alterados e reimpressos tudo dentro de um dia. Isso é rápido e barato comparado ao complexo processo de modelagem e fundição de metais.

Na fundição, prototipagem rápida também pode ajudar a criar modelos para serem pressionados no molde de maneiras novas e inovadoras. Usinagem guiada a laser pode fabricar um modelo de metal. Impressão 3D pode criar diretamente modelos para fundição por investimento, o que pode ser eficiente para ciclos curtos ou complexos.

Protótipos de produção

Eventualmente, protótipos precisarão ser feitos do material certo no tamanho certo e uma curta produção será encomendada do fabricante. A chegada de tecnologias digitais significa que o modelista e o moldador são agora cada um guiados em seu trabalho por programas de computador, acelerando estas etapas de prototipagem. Ainda, nem tudo mudou. Um modelo solto de madeira é ainda geralmente criado para os primeiros protótipos de uma produção de fundição em areia (ou um modelo de cera para fundição por investimento). Estes modelos de trabalho serão feitos e testados como sempre foram.

A fundição ainda faz testes destrutivos. Metalúrgicos cortarão ou farão amostras de alguns dos fundidos para garantir que estão livres de defeitos, ou que quaisquer defeitos estão dentro de tolerâncias acordadas. Quando a fundição estiver confiante, enviarão amostras ao cliente. O cliente então finaliza a fundição como pretende, e a coloca para trabalhar. O protótipo funcional parece e age como pretendido? Pode lidar com sua carga esperada?

Em novas invenções, o inovador pode precisar de várias rodadas de protótipos funcionais para ajustar o design ou material. Para peças mais padrão, o protótipo funcional pode ser a prova de conceito que encontrará clientes ou investidores para pagar uma produção em escala real.

A velocidade destas execuções de prototipagem é aprimorada pela chegada de tecnologias como ultrassom e raio-X. Fundições podem agora testar de maneiras não destrutivas assim como destrutivas. Técnicos podem verificar a solidez do metal sem cortar a fundição. Isso significa que menos protótipos podem ser feitos e ainda fornecer prova completa na linha de produção. Itens inspecionados por uma fundição de maneiras não destrutivas podem ser enviados da fundição ao cliente para inspeção, acabamento e teste de carga. Prototipagem rápida, então, também é fornecida por novas opções de teste não destrutivo, que permitem menor investimento em execuções de prototipagem de produção.

Acordos de não divulgação e patentes

Não são apenas questões técnicas afetadas pela prototipagem rápida, mas também questões de propriedade intelectual. Assim que o design deixa a oficina do designer e entra no mundo da fabricação, PI torna-se uma preocupação.

Se um produto é o primeiro de seu tipo, um inventor geralmente estará planejando submeter uma patente. Em muitas situações, é imprudente submeter uma patente antes que um protótipo funcional de produção tenha sido testado. Tanto o trabalho que vai para a prototipagem, quanto o teste do design depois, podem pegar falhas que poderiam mudar a aplicação de patente.

Patentes são anunciadas publicamente quando arquivadas. Prototipagem rápida aquece o ciclo de produção para todos. Uma patente falha pode ser forragem criativa para um concorrente, que pode rapidamente lançar em sua própria pesquisa e desenvolvimento, usando a patente como base. Portanto, esperar até o fim da prototipagem para patentear é frequentemente tanto protetor de custo quanto de propriedade intelectual. Um inventor geralmente não quer gastar dinheiro em um processo de patente complicado, apenas para ter que refazê-lo com concorrência em seus calcanhares.

Este processo pode deixar um inventor sentindo-se vulnerável de que alguém no processo de prototipagem possa copiar seu design e levá-lo ao mercado primeiro. É portanto importante ter um bom relacionamento com um fabricante respeitável e ter designs protegidos com Acordos de Não Divulgação claros.

Prototipagem rápida para melhor design

O outro lado desta cautela é o impulso empresarial de colocar um produto lá fora, mesmo que em mercados de teste limitados ou para beta-testers. O fundador do LinkedIn, Reid Hoffman, é amplamente citado dizendo "Se você não se envergonha da primeira versão do seu produto, você lançou tarde demais."

Prototipagem rápida está ajudando designers a realizar um melhor produto antes de ir ao mercado. A facilidade desta etapa pode ser um canto de sereia, no entanto, que mantém designers mexendo para deixar as coisas perfeitas antes de lançar. É importante lembrar que o desenvolvimento não precisa terminar o trabalho de refinar e aperfeiçoar produtos. A vida de uma fundição pode começar com design e prototipagem, mas frequentemente gera gerações de produtos que mudam ligeiramente estilo, material, método de fundição, capacidade mecânica, tamanho ou função.