1. Como se Produz um Metal?

1.1.Prototipagem Rápida

Relatório desenvolvido no âmbito da unidade curricular de

Projeto FEUP

Ano letivo 2014/2015

Trabalho realizado por:

Beatriz Ferro

César Machado

José Tavares

Patrícia Lopes

Rita Cássia

Fundição e Prototipagem Rápida

Projeto FEUP 2014/15

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Índice

Resumo ..................................................................................................................................... 3

Palavras-chave .......................................................................................................................... 3

Agradecimentos ......................................................................................................................... 4

Introdução .................................................................................................................................. 5

Enquadramento teórico .............................................................................................................. 6

Fundição .................................................................................................................................... 6

Prototipagem Rápida e sua importância na fundição ................................................................. 7

Tipos de Prototipagem Rápida ................................................................................................... 8

Estereolitografia .................................................................................................................. 8

Modelação por extrusão de plástico .................................................................................... 9

Impressão Tridimensional ..................................................................................................10

Fabricação de Objetos por Camadas (LOM) ......................................................................11

Sinterização Seletiva por Laser ..........................................................................................12

Vantagens e Desvantagens ......................................................................................................13

Vantagens ..........................................................................................................................13

Desvantagens ....................................................................................................................13

Métodos ....................................................................................................................................14

Trabalho experimental ..............................................................................................................15

Exemplo do uso da Prototipagem Rápida .................................................................................16

Conclusão .................................................................................................................................17

Referências bibliográficas .........................................................................................................18

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Resumo

No âmbito da unidade curricular “Projeto FEUP”, este relatório visa dar a conhecer o

processo de fundição e a prototipagem rápida na conceção de modelos de fundição. Abordar-se-

á os vários tipos de prototipagem rápida e as suas vantagens e desvantagens.

Para além disto, será demonstrado o nosso trabalho prático que consiste na reprodução

de uma peça a partir de uma impressora 3D e as aplicações deste processo de prototipagem

rápida.

Palavras-chave

Fundição; Prototipagem Rápida; Impressora 3D.

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Agradecimentos

Não podíamos deixar de agradecer pelo árduo trabalho e dedicação das pessoas

envolvidas no Projeto FEUP que reuniram as melhores condições para a integração dos alunos

na Faculdade de Engenharia.

Uma palavra de apreço á orientadora do Projeto FEUP, Professora Filomena Viana e

claro, á monitora Tatiana Padrão.

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Introdução

O processo de fundição consiste num conjunto de etapas necessárias para moldar certos

materiais ou ligas. Na primeira etapa recorre-se à fusão do material, seguindo-se o seu

escoamento ou vazamento para moldes adequados e posterior solidificação.

A Metalurgia tornou-se um dos setores mais importantes da economia mundial por isso

urgia aperfeiçoar métodos de fundição e surgiram técnicas mais modernas e eficazes.

Hoje em dia, recorre-se cada vez mais á Prototipagem Rápida. Esta técnica consiste na

possibilidade de fabricar em série peças complexas a partir de um desenho em computador. A

principal função de se produzirem protótipos é a de auxiliarem na análise, na funcionalidade e

no efeito estético do produto projetado.

Para além disto, a prototipagem rápida é um processo fácil, de baixo custo e rápido. As

impressoras 3D são o equipamento mais conhecido e que ilustram um dos processos de

prototipagem.

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Enquadramento teórico

Fundição

A fundição é um processo que permite que através da fusão de um dado material se

obtenha uma peça com determinadas características. As matérias-primas são fundidas e vazadas

para um molde. Depois de solidificar, a peça é aperfeiçoada para adquirir as características

pretendidas.

Fig. 1- Esquema representativo das etapas do processo de fundição.

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Prototipagem Rápida e sua importância na fundição

A prototipagem rápida permite a obtenção de protótipos com características

dimensionais, geométricas e de acabamento superficial muito semelhantes às futuras peças.

Posteriormente, estes protótipos podem ser usados como modelos para fundição pois

tem todos os requisitos para a produção do objeto desejado.

Atualmente, existem vários processos de conversão de protótipos em peças em plástico,

metálicas, etc que tem como base o princípio da fundição. Em variadíssimos casos, os protótipos

são usados como modelos perdidos, da mesma forma que é usada a cera no processo de cera

perdida. No processo de modelos perdidos, o protótipo pode ser obtido em SL, de preferência

com estrutura interna tipo ninho de abelha, SLS, FDM (cera) ou LOM (papel). A eliminação do

modelo em papel, plástico ou cera é feita até a sua carbonização, seguida da combustão do

carbono (Fernando Alves). Os vários tipos de prototipagem rápida utilizados neste processo

estão representados na figura 2.

Fig. 2 - Algumas características dos principais processos de prototipagem rápida (Fernando Alves 2001).

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Tipos de Prototipagem Rápida

Estereolitografia

SL (Stereolithography) foi o processo pioneiro de prototipagem rápida. Consiste na

construção de modelos tridimensionais a partir de uma fotopolimerização de uma resina líquida

usando um feixe laser de raios ultravioleta.

Este processo vai construindo o modelo varrendo em cada camada o equivalente à

superfície correspondente ao “corte” local da peça, tal como se pode observar na figura3.

Na fase final, o modelo é sujeito a um processo de pós-cura para lhe conferir a resistência

máxima. Também, os protótipos são submetidos a operações de lixagem e/ou polimento para

melhorar o aspeto e funcionalidade(Magno 2013; Fernando Alves 2001) .

Fig. 3 – Esquema do princípio de funcionamento de uma máquina de

estereolitografia (Grellmann).

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Modelação por extrusão de plástico

O método FDM (Fused Deposition Modeler) consiste na conceção de protótipos por

adição de material em camadas, formadas pela extrusão de um material termoplástico.

O fio ( material termoplástico), é alimentado através de uma bobine. A cabeça extrusora

deposita o material em camadas muito finas, unindo-se sucessivamente as camadas sobrepostas

durante a solidificação. Este é o princípio das impressoras 3D (Fernando Alves 2001; Magno

2013). O esquema de funcionamento deste equipamento está representado na figura 4.

Fig. 4 – Esquema do processo de FDM (Fernando Alves 2001).

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Impressão Tridimensional

O princípio do TDP (Sanders Model Maker) é simples: construção de um protótipo a

partir de um material em pó.

Numa primeira fase dá-se a distribuição de uma camada uniforme de pó. De seguida, o

ligante líquido é depositado sobre a camada e sobre os pontos que correspondem ao corte local

da peça. Repete-se o processo as vezes necessárias até ficar concluída. Por fim, a peça é retirada

da máquina e o pó que não ficou aglutinado é sacudido (Magno 2013; Fernando Alves 2001) .Na

figura 5 apresenta-se um esquema sucinto do princípio de funcionamento deste processo.

Fig. 5 – Sequência de operações necessárias para a obtenção das peças pelo processo

TPD (Fernando Alves 2001).

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Fabricação de Objetos por Camadas (LOM)

Neste processo os modelos são produzidos colando sucessivamente folhas de papel, nas

quais são cortados, por um feixe laser. O equipamento desenrola um rolo de papel impregnado

com cola termoplástica. De seguida, um rolo pré-aquecido a cerca de 300ºC comprime a lâmina

de papel sobre a camada anterior dando-se a colagem das duas camadas. Após a colagem, um

feixe laser efetua o corte do contorno da peça (figuras 6 e 7). O papel que não faz parte do

componente é cortado em quadrados pequenos para facilitar a posterior remoção da peça

(Fernando Alves 2001; Magno 2013).

Fig. 6 - Esquema de uma máquina LOM (Protoclick!, 2001).

Fig. 7 - Processamento segundo o processo LOM (Fernando Alves 2001).

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Sinterização Seletiva por Laser

O processo SLS (Selective Laser Sintering) utiliza pós muito finos de materiais

poliméricos (p.e. nylon) ou ligas metálicas, os quais são aglutinados por varrimento de um feixe

laser.

Primeiramente é laminada uma camada de pó correspondente á espessura de cada

camada de construção. Depois, o feixe laser incide sobre as partículas, provocando a fusão

parcial das mesmas, obtendo-se uma estrutura sólida parcialmente porosa (Fernando Alves

2001; Magno 2013). O esquema de funcionamento do SLS pode ser observado na figura 8.

Fig. 8 – Esquema de uma máquina SLS (Fernando Alves 2001).

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Vantagens e Desvantagens

Vantagens

Capacidade de produzir formas tridimensionais complexas e detalhadas;

Rapidez na obtenção de protótipos, quando comparada com técnicas

convencionais;

Diminuição dos custos, pois já conseguimos provar se a peça é funcional ou não,

deste modo permite-nos reduzir o time to market, ou seja, o tempo útil que

demora até se colocar um artigo no mercado;

Redução substancial do tempo de lançamento do novo produto no mercado;

Redução de custos no projeto de produtos.

O modelo é fabricado numa única etapa de processo;

Desvantagens

Este processo não é apropriado para aplicações de grandes dimensões, pois a

maioria dos equipamentos somente pode fabricar protótipos até 500 mm3 de

volume;

A qualidade final da superfície do modelo normalmente necessita de um

acabamento secundário.

A precisão e o acabamento superficial são inferiores aos das peças obtidas por

técnicas convencionais (Antas 2007).

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Métodos

Os processos de prototipagem rápida atualmente existentes, são constituídos por cinco

etapas básicas:

1. Criação de um modelo CAD da peça que se quer projetar;

2. Conversão do arquivo CAD em formato STL (stereolitography) que é

próprio da estereolitografia;

3. O ficheiro.STL ao ser introduzido no equipamento é convertido num

ficheiro.SLI ( do inglês “slice”- fatia).

4. Construção física do modelo, onde a matéria-prima é aplicada camada a

camada;

5. Limpeza e acabamento do protótipo (F. Jorge Lino).

.

Fig. 9 - Evolução do modelo CAD 3D até á obtenção do protótipo (Fernando Alves 2001).

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Trabalho experimental

Objetivo: Produção de um modelo em plástico através de uma impressora 3D.

1. A partir de um desenho CAD, mandou-se imprimir o protótipo de uma chave. Para isso teve-

se que exportar o ficheiro para um ficheiro que a impressora pudesse “ler”.

2. A impressora estava a ser alimentada por um fio (polímero PVA) e iniciou-se a impressão na

plataforma móvel.

3. A impressão foi feita camada a camada até que o protótipo ficasse totalmente concluído.

4. Ao fim de 20 minutos, a “chave” ficou concluída.

Fig. 10 - Impressora 3D BeeTheFirst®

Fig. 11 - Protótipo (chave).

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Exemplo do uso da Prototipagem Rápida

A prototipagem rápida tem tido uma grande importância na área da Medicina, como por

exemplo, na confeção de moldes para implantes ou no planeamento cirúrgico, utilizando-se

modelos da anatomia produzidos a partir de dados obtidos em exames de imagem, como a

tomográfica computadorizada ou a ressonância magnética. A produção de um modelo físico 3D

com o uso da prototipagem é útil na condução de casos complexos, quando os exames de

imagem convencionais são duvidosos.

Na Engenharia a Prototipagem Rápida tem-se revelado uma mais-valia, uma vez que se

recorre a este método para o fabrico de ferramentas e protótipos de peças para automóveis.

Na área da arquitetura, este processo também é muito importante visto que é possível a

conceção física de maquetes através de um simples desenho em computador (Prado 2005).

Fig. 13 - Maquete (Green 2012)

Fig. 14 - Peças metálicas obtidas por conversão de um protótipo ("Prototipagem Rápida")

Fig. 12 - Crânio obtido por prototipagem rápida (Barbieri 2010)

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Conclusão

A realização deste projeto foi basilar para a consolidação de conhecimento relativo aos

processos e etapas da fundição e à descoberta de novas técnicas sobre a Prototipagem Rápida.

A prototipagem Rápida tem vindo a crescer na sociedade pois é muito vantajosa. Todos

os tipos de protótipos são construídos camada a camada e servem para testar a funcionalidade

do objeto projetado. Atualmente recorre-se principalmente á estereolitografia para a conceção

de peças pois é o processo mais simples e mais barato.

Na execução do trabalho prático tivemos a oportunidade de conceber uma peça através

de uma impressora 3D, cujo princípio de funcionamento baseia-se na Prototipagem Rápida.

Em suma, este projeto foi enriquecedor visto que foram abordados temas cruciais no

desenvolvimento de uma sociedade que depende da tecnologia.

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Referências bibliográficas

Antas, Ana Filipa Felgueiras. 2007. "Utilização das Tecnologias de Prototipagem Rápida na

Área Médica". Última atualização 10-2014. http://repositorio-

aberto.up.pt/bitstream/10216/11179/2/Texto%20integral.pdf

Barbieri, Jeverson. 2010. "Equipamento da FEQ Permite Produção de Órteses e Próteses

Personalizadas". Acedido a 20-10-2014.

http://www.unicamp.br/unicamp/unicamp_hoje/ju/maio2010/ju462_pag03.php#.

F. Jorge Lino, Rui J. Neto. "A Prototipagem Rápida na Indústria Nacional". Acedido a 05-10-

2014. http://paginas.fe.up.pt/~falves/Prototipagem.pdf.

Fernando Alves, Fernando Braga, Manuel Simão, Rui Neto, Teresa Duarte. 2001. Protoclick!,

Prototipagem Rápida.

Green, Sam. 2012. "Prototipagem Rápida em Arquitetura - Virtual a Físico". Acedido a 20-10-

2014. http://blog.stratasys.com/pt-br/2012/06/27/prototipagem-rapida-em-arquitetura-

virtual-a-fisico/.

Grellmann, Dauri. "O Processo de Microfusão Utilizando Padrões Fabricados por

Estereoligrafia". Acedido a 20-10-2014.

http://www.moldesinjecaoplasticos.com.br/microfusao.asp.

Magno, Sérgio. 2013. "Impressão 3D: o que é e como funciona". Acedido a 05-10-2014.

http://exameinformatica.sapo.pt/videos/2013-04-24-impressao-3d-o-que-e-e-como-

funciona.

Prado, Valmir Rodrigues do. 2005. "Uso de Prototipagem Rápida em Medicina: aplicação a

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http://www.bibliotecadigital.unicamp.br/document/?code=vtls000358430.

"Prototipagem Rápida". Acedido a 20-10-2014. http://www.drtmoldes.com/prototipagem-rapida/.