Fundamentos da prototipagem rápida: Um guia abrangente

I. Princípios de formação discreta/acumulativa

A Prototipagem Rápida (RP), também conhecida como Manufatura de Prototipagem Rápida (RPM), refere-se à criação rápida de protótipos ou peças, um termo técnico especializado no meio acadêmico e no setor.

No entanto, ela não se refere apenas à prototipagem rápida, mas representa um conceito de formação, referindo-se amplamente ao processo de fabricação de formação rápida, às técnicas de formação rápida e ao software, aos materiais, aos equipamentos e a toda a cadeia tecnológica correspondentes. Atualmente, a manufatura rápida (RM) é reconhecida como uma importante tecnologia de manufatura avançada que se refere amplamente à manufatura de formação rápida.

Academicamente, os métodos de formação baseados no princípio de formação discreta-acumulativa são chamados coletivamente de formação rápida ou manufatura rápida, o que significa a tecnologia que impulsiona diretamente a fabricação de qualquer entidade tridimensional complexa a partir de um modelo CAD.

O processo de formação de RP pode ser dividido em processos discretos e acumulativos, conforme mostrado na Figura 1. O processo discreto decompõe o modelo CAD da entidade tridimensional em uma determinada direção, ou seja, amostragem da entidade contínua (superfície) em uma determinada espessura, decompondo-a em camadas descontínuas e obtendo uma série de dados de seção transversal.

Vários processos, de acordo com seus próprios requisitos, processam os dados da seção transversal (como preenchimento, deslocamento, etc.) e, por meio de um planejamento de processo razoável, geram a trajetória de movimento da ferramenta de formação. No processo acumulativo, sob o controle da trajetória de movimento, a ferramenta de formação processa as camadas e acumula e conecta as camadas recém-formadas com as peças já formadas. O processo de geração de camadas e conexão de acúmulo é repetido até que a peça seja completamente processada.

A discretização e a acumulação são dois processos exclusivos da tecnologia de RP; a discretização é a preparação e a base para a acumulação, e a acumulação é a restauração da discretização. Eles se complementam para obter a modelagem digital das peças.

Claramente, o processo de discretização é um processo de processamento de dados que envolve a discretização de modelos tridimensionais de CAD, enquanto o processo de acumulação é um processo de realização física que conclui a disposição em camadas e a modelagem por meio da movimentação de entidades físicas.

Entre esses dois processos, é necessário realizar um planejamento de processo razoável de acordo com os diferentes requisitos de várias tecnologias de RP, principalmente com base nas características do processo de formação e nos requisitos do usuário para formular razoavelmente as regras do processo, gerar trajetórias de movimento de unidades de acumulação e selecionar parâmetros de processo adequados, etc.

Assim, pode-se observar que o planejamento do processo é a ponte que liga o processo de discretização (processamento de dados) e o processo de acumulação (realização física), e é o processo de processamento de informações que realiza a amostragem de informações no momento da discretização para a restauração de informações no momento da acumulação, refletindo as diferenças e as características das diferentes tecnologias de RP.

Recentemente, especialistas do meio acadêmico e da comunidade de engenharia denominaram esse método de manufatura por conformação como manufatura aditiva, para diferenciá-lo da manufatura subtrativa tradicional, como a usinagem, e da manufatura por conformação usando moldes, como fundição e forjamento.

II. Definição da tecnologia de prototipagem rápida

A prototipagem rápida (manufatura) é um termo geral para a ciência e a tecnologia que impulsiona diretamente a montagem (acumulação) de unidades de material a partir de dados do modelo CAD tridimensional do produto para completar peças de qualquer complexidade com uso funcional. O processo básico é primeiro completar o modelo tridimensional do computador (modelo digital, modelo CAD) da peça de trabalho.

Em seguida, de acordo com os requisitos do processo, o modelo é discretizado em uma série de unidades ordenadas, geralmente discretizadas na direção Z em uma espessura definida (estratificação, fatiamento), transformando o modelo tridimensional CAD original em uma série de camadas sobrepostas ordenadas; em seguida, com base nas informações de contorno de cada camada, insira os parâmetros de processamento e gere automaticamente o código CNC; por fim, a máquina de moldagem conclui a fabricação de uma série de camadas e as conecta automaticamente em tempo real, resultando em uma entidade física tridimensional.

Isso transforma uma usinagem tridimensional complexa em uma série de usinagem de camadas bidimensionais, reduzindo muito a dificuldade de usinagem, o que é chamado de fabricação com redução de dimensão. Como o processo de conformação envolve o empilhamento de unidades de material padrão, o processo de conformação não exige ferramentas e acessórios especiais e, portanto, a dificuldade do processo de conformação não está relacionada à complexidade da entidade física a ser formada.

O ponto central e básico da definição acima está no acionamento direto de dados e na montagem controlada (acumulação) de materiais durante o processo de formação. Essas características estabelecem a posição importante da prototipagem rápida na ciência e na tecnologia de fabricação modernas. A rapidez da fabricação de protótipos rápidos baseia-se em sua flexibilidade de montagem, portanto, pode-se dizer que a montagem é a base da rapidez da fabricação de protótipos rápidos.

Não há necessidade de ferramentas ou acessórios especializados; basta alterar o modelo CAD da peça que está sendo formada para obter uma nova peça formada, alcançando assim a rapidez no sentido pleno da fabricação de peças. O termo "Rapid" (rápido) em Rapid Prototyping (prototipagem rápida) e Rapid Manufacturing (manufatura rápida) destaca o atributo mais importante das tecnologias de formação e manufatura de RP (RM), ganhando assim amplo reconhecimento. Além disso, essas tecnologias também são conhecidas por outros nomes, como Solid Freeform Fabrication (SFF).

III. Características da tecnologia de prototipagem rápida

Com base na definição de RP, a tecnologia de prototipagem rápida tem as seguintes características básicas:

1. Diretamente orientado por modelos CAD

A tecnologia de prototipagem rápida integra design e fabricação. No processo de prototipagem rápida, os dados do modelo CAD no computador são convertidos por meio de um software de interface em instruções CNC que podem acionar diretamente o equipamento de prototipagem rápida. O equipamento de prototipagem rápida conclui o processamento de protótipos ou peças de acordo com as instruções do CNC. Esse também é o significado de acionamento direto.

2. Capacidade de fabricar entidades tridimensionais com qualquer forma complexa

A tecnologia de prototipagem rápida, ao usar um processo de fabricação camada por camada, discretiza entidades tridimensionais complexas em uma série de camadas para processamento e empilhamento, simplificando muito o processo de fabricação. Portanto, teoricamente, ela pode fabricar protótipos e peças com qualquer formato complexo.

3. Equipamento de prototipagem rápida

Os equipamentos de prototipagem rápida não requerem acessórios ou ferramentas especializadas. É uma máquina universal. A tecnologia de prototipagem rápida não exige acessórios ou ferramentas especializadas durante o processo de formação, que tem uma flexibilidade extremamente alta. Esse é um recurso técnico muito importante da tecnologia de prototipagem rápida. O equipamento de prototipagem rápida é um equipamento de processamento universal típico.

4. Nenhuma ou mínima intervenção humana durante o processo de formação

A prototipagem rápida é um processo de formação totalmente automático, sem nenhum processo de instalação e ajuste. Durante todo o processo de conformação, o operador precisa de pouca ou nenhuma intervenção. Se ocorrer uma falha, o equipamento parará automaticamente, emitirá um aviso e preservará os dados atuais; quando o processo de conformação for concluído, a máquina parará automaticamente e exibirá os resultados relevantes.

5. Os materiais usados na prototipagem rápida são diversos

A tecnologia de prototipagem rápida tem uma gama extremamente ampla de opções de materiais, desde polímeros até metaisO fato de que a tecnologia de prototipagem rápida é uma tecnologia que pode ser usada em todos os tipos de materiais, de orgânicos a inorgânicos e de não vivos a vivos (células), o que fornece uma premissa para a ampla aplicação da tecnologia de prototipagem rápida.

É possível alterar os componentes dos materiais de formação durante o processo, fabricando assim peças com gradientes de material, o que é difícil de conseguir com outros processos tradicionais e é uma das vantagens significativas da tecnologia de prototipagem rápida em relação aos processos tradicionais. O processo de prototipagem rápida integra intimamente a preparação do material com a formação do material.

IV. Os principais processos de prototipagem rápida

Desde o surgimento do primeiro equipamento de prototipagem rápida SLA-1 em 1986, quase 20 anos se passaram e cerca de vinte métodos e processos de formação diferentes surgiram em todo o mundo, com novos métodos e processos aparecendo continuamente. Os principais processos da tecnologia de RP existente incluem:

1. O processo SL (Stereolithography, estereolitografia), conhecido como fotopolimerização ou estereolitografia, é o processo de RP mais antigo. Ele é formado pela cura da resina líquida com um laser, ponto a ponto, e atualmente é o processo de formação de alta precisão mais amplamente utilizado.

2. O LOM (Laminated Object Manufacturing) ou SSM (Sliceing Solid Manufacturing), conhecido como processo de fabricação de sólidos em camadas, usa corte a laser de material de folha metálica, os materiais de folha metálica são derretidos pelo calor e pela pressão dos rolos quentes e do adesivo térmico, obtendo-se a colagem e o empilhamento camada por camada para fabricar protótipos.

3. O processo SLS (sinterização seletiva a laser), conhecido como sinterização seletiva a laser, usa um laser para sinterizar o material em pó ponto a ponto, fazendo com que o aglutinante sólido que cobre o material em pó ou o próprio material em pó derreta e adira, obtendo a formação do material.

4. O processo FDM (Fused Deposition Modeling) ou MEM (Melted Extrusion Modeling), conhecido como modelagem por deposição fundida ou modelagem por extrusão fundida, usa material de formação termoplástico filamentoso, continuamente alimentado no bocal, onde é aquecido e fundido, e extrudado do bocal, acumulando-se gradualmente para formar.

5.O processo 3DP (Three Dimensional Printing, impressão tridimensional), conhecido como impressão tridimensional, usa jato de aglutinante ponto a ponto para unir materiais em pó para fabricar protótipos. Esse processo pode produzir modelos coloridos e é competitivo em aplicações conceituais.

6. processo PCM (Patternless Casting Manufacturing), conhecido como fundição sem padrão, usa jato ponto a ponto de aglutinante e catalisador, ou seja, um método de duas varreduras ao longo do mesmo caminho, para obter a ligação entre os grãos de areia de resina e concluir a fabricação automática de moldes de areia. Esse processo foi desenvolvido com sucesso pela Universidade de Tsinghua e outros.

7.3D Plotting (Three Dimensional Plotting), conhecido como processo de plotagem tridimensional, usa uma bomba para extrudar material fundido a uma determinada temperatura por meio de um bocal extremamente preciso (0,05 mm de diâmetro) para acumular e formar. Esse processo foi comercializado e levado ao mercado pela Solidscape Inc. (anteriormente Sanders Proto-

empresa de digitação).

8. o processo SGC (Solid Ground Curing), conhecido como cura por moagem sólida, usa a tecnologia de placa de máscara para formar uma camada de resina fotocurável de uma só vez, em vez de curar cada camada (resina) ponto a ponto, como o equipamento SL, acelerando assim a fabricação de protótipos. Esse processo foi desenvolvido e comercializado com sucesso pela Cubital Company em Israel.

9. o processo da impressora 3D, conhecido como impressora tridimensional, usa materiais de formação termoplásticos sólidos em bloco, que são aquecidos e derretidos após entrarem no bocal, e extrudados do bocal para acumular e formar ponto a ponto. A impressora Genisys3D, desenvolvida com sucesso em cooperação com a IBM pela Stratasys, foi lançada como um dispositivo de mesa.

10. O processo CC (Contour Crafting), conhecido como processo de elaboração de contornos, usa uma combinação de empilhamento de contornos e fundição de materiais fundidos para formar. Durante o empilhamento de contornos, são usados dispositivos simples de raspagem ou lâmina, e as camadas do protótipo são quase tridimensionais. A Universidade do Sul da Califórnia alcança um avanço na pesquisa.

11.RIPF (Rapid Ice Prototype Forming), conhecido como processo de formação rápida de protótipos de gelo em baixa temperatura, usa bicos de modulação de largura de pulso para pulverizar gotículas discretas em alta frequência, acumulando protótipos de gelo em baixas temperaturas. Desenvolvido em conjunto e com sucesso pela Universidade de Tsinghua e pela Universidade de Missouri-Rolla, nos EUA.

12. SIS (Selective Inhibition Sintering), conhecido como processo de sinterização por inibição seletiva, proposto e pesquisado pela Universidade do Sul da Califórnia. Esse processo usa cabeçotes de jato de tinta para pulverizar inibidores seletivamente e, em seguida, usa radiadores térmicos para aquecer a camada, fazendo com que as peças não cobertas pelo inibidor se unam rapidamente e se formem.

Além disso, a manufatura rápida se desenvolveu muito rapidamente nos últimos anos, produzindo também muitas novas tecnologias e processos.

O processo de RP mencionado anteriormente pode ser classificado de acordo com a forma das matérias-primas utilizadas, veja a Figura 2. Ele também pode ser classificado pela tecnologia de capacitação usada durante o acúmulo de material, como tecnologias que usam feixes de alta energia, como lasers, feixes de elétrons e tecnologias que usam pulverização ou deposição.

V. Aplicação da tecnologia de prototipagem rápida no desenvolvimento de novos produtos

A tecnologia de prototipagem rápida tem sido amplamente aplicada em muitos campos, como aeroespacial, automotivo, máquinas, eletrônicos, eletrodomésticos, medicina, brinquedos, construção e arte, obtendo resultados notáveis, refletidos principalmente nos seguintes aspectos:

1. Design de forma

Muitos produtos, especialmente eletrodomésticos e automóveis, têm requisitos extremamente altos de aparência estética e inovadora. Por ser "visível, mas não fácil de tocar", não é intuitivo. Usando a tecnologia de RP, os protótipos podem ser rapidamente disponibilizados para que os designers e usuários os analisem a partir de vários padrões e perspectivas, tornando o design e a inspeção de formas mais intuitivos, eficazes e eficientes.

2. Verificar a qualidade do design

A tecnologia de RP pode fabricar protótipos de peças de forma precisa e realista antes da abertura do molde, permitindo que vários problemas e erros menores no projeto sejam claramente exibidos no modelo, reduzindo muito os riscos da abertura do molde. Com a fabricação rápida de modelos físicos, as avaliações de projeto podem ser realizadas mais cedo, encurtando o ciclo de feedback do projeto, acelerando o feedback do projeto, aumentando a taxa de sucesso do desenvolvimento do produto, reduzindo os custos de desenvolvimento e, de modo geral, encurtando o tempo de desenvolvimento.

3. Teste funcional

Os projetistas podem usar a tecnologia de RP para realizar rapidamente testes funcionais para determinar se o projeto atende melhor aos requisitos, otimizando assim o projeto do produto.

4. Teste tátil

Por meio de protótipos, as pessoas podem tocar e sentir a entidade física, o que é extremamente importante para o projeto das partes de fixação de câmeras, ferramentas elétricas portáteis etc., e tem um amplo significado na aplicação da ergonomia.

5. Inspeção de interferência na montagem

É muito importante realizar inspeções de interferência de montagem em espaços limitados, e o teste de montagem de protótipos pode concluir com êxito o projeto de uma só vez.

6. Consulta de suprimentos e avaliações de clientes, etc.

A capacidade de fornecer modelos de produtos para avaliação do cliente em tempo hábil aumenta muito a competitividade do produto.

7. Modelo de análise dos resultados do teste

A tecnologia de RP também pode ser aplicada em análises computacionais e modelos experimentais. Por exemplo, modelos físicos podem ser criados a partir dos resultados da análise de elementos finitos, ajudando assim a entender a distribuição de tensão e deformação do objeto de análise.

8. Modelo biomédico

Várias operações cirúrgicas, especialmente as complexas, exigem urgentemente modelos de entidades físicas in-situ de órgãos danificados em escala real. Ao inserir dados de TC em dispositivos de RP para obter modelos sólidos tridimensionais, isso pode ser muito eficaz para ajudar os cirurgiões a decidir sobre planos cirúrgicos.

VI. Tendências de desenvolvimento da tecnologia de prototipagem rápida

Nos últimos anos, a tecnologia de prototipagem rápida tem se desenvolvido em duas direções: por um lado, a precisão dos protótipos, o desempenho das peças moldadas e a velocidade da moldagem estão melhorando continuamente; por outro lado, o custo dos equipamentos e materiais está diminuindo. Juntamente com a popularização gradual dos sistemas CAD 3D, seus campos de aplicação e mercado estão se tornando cada vez mais amplos. Com o desenvolvimento ao longo desses anos, a proporção de aplicações de protótipos gerais diminuiu gradualmente, e os modelos conceituais e as peças funcionais ocuparão a maior parte do mercado de aplicações de prototipagem rápida.

1. Fabricação de peças funcionais

A fabricação direta de peças funcionais sempre foi um ponto importante e a direção mais desafiadora na pesquisa de RP, com muitas empresas profissionais, instituições de ensino superior e organizações de pesquisa dedicadas a essa área.

2. Fabricação de modelos conceituais

Os protótipos usados para o projeto conceitual são chamados de modelos conceituais, que não exigem altas propriedades físicas e químicas ou precisão de moldagem, mas requerem principalmente uma velocidade de moldagem rápida, adequada para o projeto, ambientes de escritório (equipamento compacto, operação confiável sem poluição, limpo, sem ruído) e fácil operação.

As principais aplicações dos modelos conceituais incluem design de estilo, inspeção estrutural, inspeção de interferência de montagem, testes estáticos e dinâmicos e ergonomia, abrangendo uma ampla gama. Os modelos conceituais são responsáveis por mais da metade das aplicações de P.

3. Biofabricação

A combinação da tecnologia de prototipagem rápida com as ciências da vida e a tecnologia biomédica é uma das principais tendências no desenvolvimento da fabricação de prototipagem rápida neste século, como suas importantes aplicações na engenharia de tecidos e na montagem controlada tridimensional de células.

Fabricação no local de trabalho

Com a miniaturização e a ultra-miniaturização dos equipamentos de prototipagem rápida, semelhantes às impressoras a jato de tinta, o tamanho dos equipamentos de RP pode ser reduzido ao tamanho de um computador, tornando-se um periférico do computador. À medida que o preço do equipamento diminui ainda mais, a popularidade dos equipamentos de prototipagem rápida de pequeno porte também está aumentando. Portanto, a tecnologia de RP de pequeno porte é mais comumente chamada de tecnologia de impressão 3D (3DP).

Os alunos do ensino fundamental, médio e superior, especialmente os de escolas técnicas e profissionalizantes, podem facilmente dominar todo o processo, desde o design criativo até a obtenção de protótipos ou modelos em escala reduzida de peças mecânicas, modelos arquitetônicos, obras de arte artesanais ou até mesmo rabiscos infantis, por meio do aprendizado de software CAD 3D e da operação de equipamentos de RP. Para designers, artistas, arquitetos e aqueles que estão começando empresas on-line, o equipamento de RP pequeno está se tornando uma ferramenta essencial para escritórios domésticos.

Com o desenvolvimento da tecnologia de RP em vários países, surgiram associações internacionais de RP. A Global Alliance Rapid Prototyping Association (GARPA) foi oficialmente criada em 1998 sob a liderança do professor Terry Wohler, dos EUA, e do Dr. Ian Gibson, de Hong Kong. A GARPA é uma aliança de associações de PR (sociedades, comitês técnicos, etc.) registradas em vários países, atualmente com 17 países membros, regiões e líderes de associações, conforme mostrado na Tabela 1.

Tabela 1 Visão geral da GARPA (Global Alliance Rapid Prototyping Association)

VII. Status atual da tecnologia de prototipagem rápida

A pesquisa e a aplicação da tecnologia de RP estão concentradas principalmente nos Estados Unidos, na Europa e no Japão. As principais universidades dos Estados Unidos que realizam pesquisas sobre a tecnologia de RP incluem:

MIT, liderada pelo Prof. Emanuel Sachs, pesquisando e desenvolvendo o processo 3DP; a Universidade de Dayton, liderada pelo Prof. Allan J. Lightman, envolvida em pesquisas sobre vários processos de RP, e essa universidade realiza uma conferência acadêmica internacional de RP em conjunto com a Sociedade de Engenheiros de Manufatura (SME) todos os anos; a Universidade do Texas em Austin, liderada pelo Prof. Joseph J. Beaman, pesquisando principalmente o processo de SLS, onde é realizada a conferência acadêmica internacional de SFF; a Universidade de Stanford, liderada pelo Prof. Fritz B. Prinz, pesquisando principalmente o processo e as aplicações de SDM (Shape Deposition Manufacturing).

A Carnegie Mellon University, liderada por Lee E. Weiss, pesquisa principalmente a aplicação da RP na micromecânica. Além disso, muitas universidades e instituições de pesquisa nos Estados Unidos estão envolvidas em pesquisas sobre novos processos de RP, novas tecnologias e fabricação direta de protótipos de cerâmica ou metal.

Principal situação de pesquisa e desenvolvimento das principais empresas de RP nos Estados Unidos: A 3D Systems Inc. pesquisa principalmente o processo, os equipamentos e as aplicações de SLS; a antiga TM Corp. pesquisa principalmente o processo, os equipamentos e as aplicações de SLS; a Stratasys Inc. pesquisa principalmente o processo, os equipamentos e as aplicações de FDM; a Z Corp. pesquisa e produz equipamentos de RP baseados principalmente no processo 3DP; a Solidscape está no nível mais alto do mundo em RP para protótipos de precisão, como joias, com um processo de jateamento de material termoplástico não metálico (Jetting).

As principais unidades de pesquisa no Japão incluem: A Universidade de Tóquio, liderada pelo professor Takeo Nakayama, envolvida em pesquisas sobre processos e tecnologias SL e LOM; a subsidiária da SONY, D-MEC, que lançou o equipamento SCS para processos SL; a subsidiária da Mitsubishi, CMET INC., que lançou o equipamento SOUP para processos SL, ocupando um mercado significativo no Japão; a subsidiária da Mitsui, MES, que lançou máquinas de moldagem CO-LAMM para processos SL; a empresa Du Pont/Teijin-Seiki, que lançou o equipamento SOMOS para processos SL.

Muitas instituições de pesquisa e fabricantes da Europa Ocidental também estão se concentrando nesse campo, como: A Electro-Optical System Gmbh, ou EOS, da Alemanha, que se dedica principalmente à pesquisa e ao desenvolvimento de processos SL e SLS; a Sparx AB (Larson Brothers CO.AB), da Suécia, lançou o sistema "Hot Plot Rapid Prototyping", semelhante ao processo LOM da Helisys; a Laser3D, da França, lançou o sistema RP.