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PROTOTIPAGEM RÁPIDA
Os processos de prototipagem rápida (RP) consistem basicamente na fabricação do objeto através do princípio de adição de camadas. Em outras palavras, a peça é obtida adicionando-se camadas sucessivas de material até que a sua geometria esteja completamente definida. Inicialmente é realizada a modelagem tridimensional da peça a ser fabricada em um sistema CAD. Em seguida, ocorre o planejamento do processo de fabricação com o “fatiamento eletrônico”, onde o modelo gráfico obtido é secionado em camadas dispostas em uma determinada direção, utilizando um programa computacional específico (CAM). O modelo gerado é então enviado para a estação de prototipagem onde finalmente ocorre a fabricação propriamente dita na estação de prototipagem. Os vários processos RP diferem-se pelo método pelo qual as sucessivas camadas são unidas e pelo tipo de material utilizado, sendo os mais difundidos listados a seguir: • • • • • •
Estereolitografia (SLA, Stereolithography) Manufatura de Objetos em Lâminas (LOM, Laminated Object Manufacturing) Sinterização Seletiva a Laser (SLS, Selective Laser Sintering) Modelagem por Deposição de Material Fundido (FDM, Fused Deposition Modeling) ThermoJet (MJT, Multi Jet Modeling) Adição Volumétrica a Laser (LENS, Laser Engineered Net Shaping)
Estereolitografia (SLA, Stereolithography) Originou-se com o advento da primeira máquina de prototipagem rápida, desenvolvida pela 3D Systems Inc. (Califórnia, E.U.A.), em 1988, com o intuito de fabricar um objeto a partir de seu modelo gráfico tridimensional. Este processo pioneiro possibilita a obtenção de protótipos rapidamente, independentemente de sua complexidade geométrica. Ele constrói modelos tridimensionais a partir de polímeros líquidos fotosensíveis (resinas fotocuráveis).
A máquina de Estereolitografia (vide figura ao lado) é provida de um laser ultravioleta e um conjunto de espelhos galvanométricos, cuja função é guiar o feixe de laser de tal forma que a sua incidência ocorra apenas nas regiões delimitadas pelo contorno da camada (Jacobs, 1992). O modelo é construído sobre uma plataforma móvel posicionada inicialmente acima do nível da resina fotocurável que desloca-se verticalmente para baixo até ser coberta por uma camada de resina equivalente à espessura da camada que será fabricada. Em seguida, uma fonte de raio laser ultravioleta, com alta precisão de foco, incide sobre a região limitada pela geometria da camada, solidificando a seção transversal do modelo e deixando as demais áreas líquidas. Após a construção da camada, um elevador desloca a plataforma móvel para baixo o suficiente para permitir a fabricação da camada subsequente. O processo é repetido sucessivas vezes até o protótipo estar completo. Uma vez pronto, o modelo sólido é removido do banho de polímero líquido e lavado. Os suportes são retirados e o modelo é, normalmente, introduzido num forno de radiação ultravioleta para ser submetido a uma cura completa. Devido ao formato parabólico do feixe de laser, existem pequenas quantidades de material não curado localizadas na região entre os caminhos percorridos pelo feixe de laser.
O material utilizado no processo de estereolitografia é um composto formado por uma resina epóxiacrilato como material base, acrescida de aditivos que proporcionam algumas propriedades desejadas e fotoinicadores, necessários para iniciar o processo de fotopolime- rização. O monômero da resina SL (Estereolitografia) é estabilizado para não reagir à temperatura ambiente, mantendo-se líquido antes do início do processo de fotopolimerização.
Manufatura de Objetos em Lâminas (LOM, Laminated Object Manufacturing) Esta técnica envolve a deposição de camadas de material, na forma de tiras revestidas de adesivo, sendo grudadas umas nas outras formando-se o protótipo. O material original consiste de bobinas de papel laminado com cola ativada pelo calor. Um rolo coletor avança a tira de papel sobre a plataforma de construção, onde há uma base construída em papel e fita com espuma nas duas faces. A seguir, um rolo aquecido aplica pressão para fixar o papel à base. Uma fonte de raio laser com alta precisão de foco corta o contorno da primeira camada sobre o papel e então quadricula a área em excesso, ou seja, o espaço negativo do protótipo.
Esse quadriculado rompe o material extra, tornando fácil sua remoção durante a etapa de pós-processamento. Esse material em excesso proporciona um excelente suporte para projeções, saliências e seções com paredes finas durante o processo de construção. Após o corte da primeira camada a plataforma é movida para baixo e então o rolo coletor avança a tira de papel e nova camada pode ser fabricada. Este processo é repetido tantas vezes quantas forem necessárias para construir a peça, a qual apresentará textura similar à de madeira. Uma vez que os modelos são feitos de papel, eles devem ser selados e revestidos com tinta ou verniz para se evitar eventuais danos provocados pela umidade. Os mais recentes desenvolvimentos deste processo permitem o uso de novos tipos de materiais, incluindo plástico e papel hidrófobo.
Sinterização Seletiva a Laser (SLS, Selective Laser Sintering) Esta técnica, patenteada em 1989, usa um raio de laser de CO2 para sinterizar seletivamente materiais pulverulentos, tais como náilon, elastômeros, termoplásticos e metais, num objeto sólido. Os sistemas de sisterização seletiva constituem basicamente as seguintes partes: 1) Um laser de CO2, com sistema ótico e espelhos robóticos; 2) Uma plataforma, que se movimenta verticalmente ao longo do eixo Z; 3) Um sub-sistema de alimentação, que armazena o pó e o distribui uniformemente sobre a plataforma. Sinterstation® HiQ™ Series SLS® System
O modelo é construído sobre a (Fonte: 3D Systems) plataforma onde está depositada uma camada de pó que é regularizada pelo sub-sistema de alimentação. O laser de CO2 percorre a superfície da camada, aquecendo as partículas e aglutinando-as, até formar uma camada sólida. Uma vez solidificada a primeira camada, a plataforma desloca-se verticalmente para baixo, o equivalente a espessura de camada a ser fabricada, e o sub-sistema de alimentação adiciona uma nova camada de pó e assim, sucessivamente, até a solidificação de todo o modelo. Existem, atualmente, dois sistemas de sinterização disponíveis: o DTM, americano, e o EOS, antigo sistema alemão, hoje incorporado pela 3D System (vide figura acima). A máquina Sinterstation 2500 Plus, da DTM, aceita qualquer material, como elastômeros, cerâmica, termoplásticos, compósitos e metais. O Sistema EOS é seletivo, necessita de uma máquina especial para cada tipo de material.
Modelagem por Deposição de Material Fundido (FDM, Fused Deposition Modeling) Baseia-se na deposição, sobre uma plataforma, de filamentos (arames) de resina termoplástica aquecida. Da mesma maneira que um confeiteiro enfeita um bolo usando um saco de confeitar, um bico extrusor, controlado, que se movimento no plano XY, deposita filetes de material muito finos sobre a plataforma de construção. A máquina de FDM (vide figura ao lado) possui uma plataforma, revestida de uma espuma densa e flexível, com temperatura inferior ao do material termoplástico, que se movimenta verticalmente (eixo Z) e um cabeçote provido de dois bicos de extrusão de arame aquecido: um para alimentar as camadas do modelo e outro para a construção automática dos suportes para as superfícies livremente suspensas do modelo. Esses arames ficam armazenados dentro da respectiva máquina, em ambiente a vácuo aquecido, pois uma possível umidade do material dentro do bico extrusor poderia causar formação de bolhas, que impediria a continuidade de sua deposição pelo bico. Prodigy Plus Um computador conectado à máquina, (Fonte: Stratasys) com um sistema CAD / CAM, monitora constantemente os comandos de construção, gerando coordenadas ou caminhos pelos quais o bico extrusor percorre depositando os filamentos fundidos. Ao final de cada camada a plataforma desce o equivalente à espessura de camada a ser fabricada, e o cabeçote inicia a deposição de mais material para a outra camada. O processo é repetido até a construção total do protótipo.
ThermoJet (MJT, Multi Jet Modeling) A Modelagem por jato Múltiplo, também conhecida Thermojet ( Jato Térmico ), é um processo de prototipagem rápida e usado como um conceito de modelagem. O processo produz modelos plásticos que são menos precisos do que os de esteriolitografia. Ao contrário das técnicas expostas anteriormente, esta aqui se refere a uma classe inteira de equipamentos que usam a tecnologia de jato de tinta. Os protótipos são construídos sobre uma plataforma situada num recipiente preenchido com material pulverulento, ou seja, em formato de pó. O mecanismo básico é um cabeçote, que se movimenta numa direção X, e uma plataforma, que se movimenta nas direções Y e Z, conforme
o tamanho do objeto. O material termoplástico aquecido é expelido pelo cabeçote, através de orifícios, que se abrem e se fecham enquanto ele executa um movimento repetitivo de vai-e-vem na direção X. Simultaneamente a plataforma se movimenta na direção Z, para criar uma nova camada. No caso de objetos maiores do que o cabeçote, a plataforma se movimenta também na direção Y, para permitir a construção do modelo.Desses canais saem pequenas gotas de material líquido que se juntam com o pó e ao se resfriarem e solidificar ficarão com o formato do objeto desejado. O cabeçote de impressão por jato de tinta "imprime" seletivamente um agente ligante que funde e aglomera o pó nas áreas desejadas. O pó que continua solto permanece na plataforma para dar suporte ao protótipo que vai sendo formado. A plataforma é ligeiramente abaixada, adiciona-se mais material pulverulento e o processo é repetido. Ao se terminar o processo a peça "verde" é sinterizada, isto é, a peça passa um processo térmico para aumentar sua resistência mecânica e remove-se o pó que ficou solto. Podem ser usados pós de materiais poliméricos, cerâmicos e metálicos.
Adição Volumétrica a Laser (LENS, Laser Engineered Net Shaping) Processo que pode ser considerado novo no ramo da Engenharia, tem como vantagem a produção de protótipos de metal plenamente densos, com boas propriedades metalúrgicas e razoáveis velocidades de construção. A fundição do pó metálico utilizado é feita através de um raio laser de alta potência. O pó metálico é fornecido coaxialmente ao foco do raio laser, através de um cabeçote de deposição. O raio laser atravessa o centro do cabeçote e é focado para um pequeno ponto através de uma lente ou um conjunto de lentes. Uma mesa X-‐Y é movida por varredura de forma a gerar cada camada do objeto. O cabeçote é movido para cima à medida que cada camada é completada. O raio laser pode ser conduzido até a área de trabalho através de espelhos ou fibra ótica. Os pós metálicos são fornecidos e distribuídos ao redor da circunferência do cabeçote por gravidade ou através de um gás portador inerte pressurizado. Mesmo nos casos onde não se necessitar de uma corrente de gás para se transportar o pó metálico é necessário ter uma corrente de gás inerte para se proteger a peça de metal líquido do oxigênio atmosférico, de forma a se garantir as propriedades metalúrgicas e promover melhor adesão entre camadas através de melhor molhamento superficial. São utilizados pós de diversas ligas metálicas, tais como aço inoxidável, inconel, cobre, alumínio e titânio. A potência do gerador de raio laser varia conforme o material usado, taxa de deposição e outros parâmetros, podendo oscilar desde algumas centenas até 20.000 watts ou mais. Os protótipos produzidos requerem usinagem para acabamento, apresentando densidade plena, boa microestrutura e propriedades similares ou melhores ao metal convencional.
