APLICAÇÃO DA MANUFATURA ADITIVA NA FABRICAÇÃO DE

UNIVERSIDADE DE TAUBATÉ

Eduardo Henrique Souza Fontes

APLICAÇÃO DA MANUFATURA ADITIVA NA FABRICAÇÃO

DE PROTÓTIPOS E VALIDAÇÃO DE PEÇAS DA INDÚSTRIA

AUTOMOTIVA DE VEÍCULOS COMERCIAIS

Taubaté – SP

2019

Eduardo Henrique Souza Fontes




Monografia apresentada para obtenção do Título de

Especialista pelo Curso de Pós-graduação em Projetos

Mecânicos do Departamento de Engenharia Mecânica

da Universidade de Taubaté.

Área de Concentração: Engenharia Mecânica

Orientador: Prof. Dr. Roque Antônio de Moura

Taubaté – SP

2019

EDUARDO HENRIQUE SOUZA FONTES




Monografia apresentada para obtenção do Título de

Especialista pelo Curso de Pós-graduação em Projetos

Mecânicos do Departamento de Engenharia Mecânica da

Universidade de Taubaté.

Área de Concentração: Engenharia Mecânica

Orientador: Prof. Dr. Roque Antônio de Moura

Data:__________________________

Resultado:_____________________

BANCA EXAMINADORA

Prof. Dr. Roque Antônio de Moura

Assinatura_____________________

Prof. Me. Milton Koiti Akiyama

Assinatura_____________________

Universidade de Taubaté

______________________________

______________________________

______________________________

______________________________

AGRADECIMENTOS

Ao Prof. Dr. Roque Antônio de Moura, pela orientação na confecção deste trabalho.

A minha família, que me deu o suporte durante todo o período de estudo.

RESUMO

As empresas tem utilizado cada vez mais a tecnologia para se tornarem mais eficientes

e competitivas. Neste sentido, o objetivo é quantificar os ganhos obtidos através da

implementação dessas tecnologias. Este trabalho apresenta um estudo de caso de uma

montadora de veículos comerciais que optou por investir em uma impressora 3D para

tornar mais eficiente o processo de fabricação de peças para veículos protótipos. O

método utilizado é comparação de custo e tempo de fabricação das peças fabricadas na

impressora 3D com as peças fabricadas através dos métodos convencionais. Os

resultados mostram ganhos expressivos tanto no custo, quanto no tempo de fabricação

em um determinado grupo de peças protótipos. Os dados foram coletados em 2018 e

representam 5 anos de operação do equipamento.

Palavras-chave: Impressora 3D, Protótipos e Tecnologia.

ABSTRACT

Companies have increasingly used technology to become more efficient and competitive.

The objective is to quantify the gains obtained through the implementation of these

technologies. This paper present a commercial vehicle factory case who decided to invest

in a 3D printer in order to become the manufacturing process more efficient for vehicles

prototype parts. The method used is the cost and manufacturing time comparison of the

parts manufactured in the 3D printer with the parts manufactured by conventional

methods. The results show significant gains in cost and manufacturing time in a particular

group of prototype parts. Datas were colected on 2018 and represent 5 years of

equipament operation.

Keywords: 3D printer, prototype and technology.

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1: Representação das principais etapas do processo de manufatura aditiva......14

Figura 2: Equipamento e o processo de SLA..................................................................15

Figura 3: Equipamento e o processo de LOM.................................................................16

Figura 4: Equipamento e o processo de SLS..................................................................17

Figura 5: Equipamento e o processo de FDM.................................................................18

Figura 6: Equipamento e o processo de MJT..................................................................19

Figura 7: Equipamento e o processo de IJP...................................................................20

Figura 8: Equipamento e o processo de LENS ..............................................................21

Figura 9: Custo de alteração do projeto no ciclo de desenvolvimento do produto..........24

Figura 10: Impressora Fortus 400mc..............................................................................26

Figura 11: Retorno de investimento................................................................................28

Figura 12: Calota de roda dianteira veículos comerciais leves.......................................30

Figura 13: Calota de roda dianteira fabricada por FDM montada e em teste.................30

Figura 14: Calota com indicação de componentes com diferentes materiais.................31

LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Comparação dos tipos de processo de impressão 3D ...................................23

Tabela 2: Custo das mudanças de engenharia em várias etapas do PDP ....................25

Tabela 3: Quantidade de peças fabricadas na impressora 3D com redução de custo...33

Tabela 4: Redução de custo proveniente da fabricação de peças na impressora 3D....35

Tabela 5: ROI – Retorno sobre o investimento...............................................................36

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO .............................................................................................................11

2 ORIGEM E EVOLUÇÃO DA PROTOTIPAGEM...........................................................13

3 TIPOS DE IMPRESSORAS 3D ....................................................................................14

3.1 Estereolitografia ........................................................................................................15

3.2 Manufatura de objetos em lâminas ...........................................................................16

3.3 Sinterização seletiva a laser ......................................................................................17

3.4 Modelagem por deposição de material fundido ........................................................18

3.5 Impressão por jato de tinta ........................................................................................19

3.6 Método da impressão a jato de tinta..........................................................................20

3.7 Conformação próxima ao formato final via laser .......................................................21

3.8 Comparação dos tipos de impressão 3D....................................................................22

4 PROTÓTIPOS NO DESENVOLVIMENTO DO PRODUTO .........................................24

5 INVESTIMENTO...........................................................................................................26

5.1 Manutenção...............................................................................................................27

5.2 Retorno de investimento (ROI) ..................................................................................27

6 MÉTODOS ...................................................................................................................29

6.1 Comparativo de tempo e custo da calota de roda .....................................................31

7 RESULTADOS .............................................................................................................34

8 CONCLUSÃO ..............................................................................................................38

REFERÊNCIAS...............................................................................................................39

11

1. INTRODUÇÃO

A tecnologia de impressão em 3 dimensões, ou impressão 3D, além de ser um dos

pilares da indústria 4.0, também é conhecida como manufatura aditiva. O conceito da

indústria 4.0 surgiu na Alemanha para manter o país entre os líderes mundiais e não se

limitará somente às empresas, pois o conceito mais evidente dessa revolução é a

digitalização das informações frente às demandas em pesquisas e

desenvolvimento tecnológico que compõe uma fábrica inteligente (MOURA et al., 2018).

Atualmente a informação, o conhecimento e a capacidade de resposta às

necessidades do mercado, são ativos valiosos que as empresas utilizam para estarem

na vanguarda da competitividade em um mercado que exige uma grande variedade de

produtos de qualidade com tempo e custo reduzido. Para isso as empresas recorrem às

novas tecnologias de produção para integrar vários setores das organizações por meio

do conhecimento dos envolvidos, tecnologias e equipamentos capazes de promover e

interpretar os resultados desta integração. (JUNIOR, 2007).

A indústria automobilística constantemente investe em novos produtos para

atender as necessidades de seus clientes, melhorar a qualidade dos produtos, reduzir

custos de manufatura em prol de uma melhor margem de lucro focada nas tendências e

demandas do mercado. A quantidade de marcas presentes no setor automotivo e a

maturidade que os produtos alcançaram faz com que a competitividade seja cada vez

mais acirrada tornado este mercado muito sensível aos avanços que tragam vantagens

na corrida entre os concorrentes. Uma das principais vantagens quando o assunto é

competitividade acirrada é a capacidade de resposta, ou seja, o tempo de

desenvolvimento, validação e lançamentos de novos produtos (GLOBO, 2018).

Este trabalho tem o objetivo de apresentar a importância de se investir em

tecnologias que reduzam o tempo de desenvolvimento, como por exemplo, a

prototipagem em impressoras 3D, que de forma ágil, elabora, cria e materializa novos

produtos, tornando a empresa altamente competitiva além de reduzir os custos durante

os projetos.

12

A prototipagem rápida torna o desenvolvimento de produtos mais ágil, otimizando

a fase de fabricação de protótipos e testes com o sigilo industrial necessário, uma vez

que se fabrica estas peças dentro da própria empresa desenvolvedora. Além disso

através da prototipagem rápida é possível produzir peças praticamente sem limites

dimensionais. (CAMPBELL, BOURELL e GIBSON, 2012).

Na última década houve um avanço significativo no desenvolvimento da tecnologia

de impressão 3D, tornando as impressoras mais acessíveis e garantindo mais qualidade

no produto final. Existem diversas tecnologias relativas a impressão 3D as quais

oportunamente serão detalhadas neste trabalho.

Além das tecnologias de impressão 3D, este trabalho apresentará um caso de

sucesso de uma indústria do ramo automotivo de veículos comerciais que investiu em

uma impressora 3D para atuar no desenvolvimento e validação de peças, através de

protótipos no desenvolvimento de seus produtos e processos de fabricação. Os

resultados apresentados referem-se as vantagens trazidas com esta tecnologia, não só

para protótipos mas também para produtos finais.

Uma das características fundamentais da manufatura aditiva é a redução do

número de etapas de processos e economia de material na fabricação de uma peça.

Muitas vezes é possível produzir peças em uma única etapa, pois na manufatura aditiva

a peça é produzida por deposição de material, reduzindo o descarte de material

proveniente dos processos quando comparado com os processos convencionais, onde

são necessárias várias etapas, equipamentos, ferramentais especificos. (GIORDANO et.

al, 2016).

Este trabalho apresentará uma conclusão que não esgotará o tema, demonstrando

a evolução da tecnologia das impressoras 3D, os tipos disponíveis no mercado, o

funcionamento de cada uma delas e o benefício que se obtém no desenvolvimento de

novos produtos com qualidade e rapidez, buscando melhorar a competitividade no

mercado automobilístico.

13

2. ORIGEM E EVOLUÇÃO DA PROTOTIPAGEM

Segundo Dabague (2014), a primeira técnica de se produzir um protótipo a partir

de um arquivo virtual foi criada por Chuck Hull em 1984. Esta técnica pioneira de

prototipagem rápida nomeada como estereolitografia, ou SLA (Stereolithography), foi

definida pelo próprio Hull como “método e máquina para fazer objetos sólidos através da

impressão sucessiva de finas camadas do material ultravioleta curável, uma em cima da

outra”.

A SLA é somente um dos tipos de técnicas de impressão 3D existentes dentro da

manufatura aditiva. Alguns anos após ter sido inventada, a SLA ganhou a companhia da

técnica de modelagem por deposição de material fundido, ou FDM, patenteada em 1989

por Scott Crump. Nas décadas seguintes surgiram as demais tecnologias que serão

abordadas no próximo capítulo (DABAGUE, 2014).

De acordo com Rodrigues (2017), a origem do nome “manufatura aditiva” se dá

devido a técnica de fabricação que adiciona material camada por camada, podendo

fabricar peças metálicas ou não.

A manufatura aditiva vem ganhando enorme atenção por parte da grande mídia.

Praticamente todos os dias surgem registros sobre o uso dessa técnica nas mais variadas

aplicações, tais como autopeças, brinquedos, drones, implantes cirúrgicos e até mesmo

alimentos. Por exemplo, a Boeing já fabrica mais de 200 componentes em dez

plataformas usando manufatura aditiva. Esse novo processo está sendo saudado como

sendo a chave para uma terceira revolução industrial, na medida em que ela poderia

viabilizar a total descentralização da manufatura. (GORNI, 2013).

Um dos principais motivos das empresas migrarem para a manufatura aditiva é a

capacidade que ela possui de produzir peças com alto nível de complexidade e de forma

muito mais rápida. Com ela se gasta um tempo muito menor na concepção e

desenvolvimento do produto em relação aos métodos convencionais, gerando economia

de recursos, tempo e dinheiro para empresa. (FERREIRA et al, 2016).

14

3. TIPOS DE IMPRESSORAS 3D

Existem diversas técnicas de impressão 3D, cada uma delas possui métodos de

impressão diferentes de acordo com a tecnologia aplicada. Algumas técnicas são mais

modernas que as outras, porém mesmo as mais antigas como a SLA, ainda são utilizadas

nos dias de hoje, muito provavelmente de uma forma mais otimizada porém seguindo os

mesmos princípios de fabricação.

Todas as técnicas de prototipagem rápida empregam o mesmo processo básico

de fabricação com 5 passos, conforme Figura 1: Criação de um modelo virtual do projeto

(Figura 1a). Conversão do modelo para um formato .STL, que é compatível com o

software de leitura da impressora (Figura 1b). Fatiamento do arquivo .STL em camadas

finas de seção transversal (Figura 1c-e). Construção do modelo de camada sobre

camada (Figura 1f). E para finalizar, limpeza e acabamento do modelo. (PRADELLA e

FOLLE, 2014).

Figura 1: Principais etapas do processo de manufatura aditiva

Fonte: Hotza (2009).

15

3.1 Estereolitografia

Estereolitografia, ou SLA, foi a primeira técnica de impressão 3D criada em 1984

e patenteado em 1986 por Chuck Hull. Ela constroi modelos tridimensionais a partir de

polímeros líquidos sensíveis à luz, que se solidificam quando expostos à radiação

ultravioleta conforme ilustrado na Figura 2.

Figura 2: Equipamento e o processo de SLA

Fonte: Pradella e Folle (2014).

O modelo foi construído sobre uma plataforma situada imediatamente abaixo da

superfície de um banho líquido de resina epóxi ou acrílica, formando uma fina camada

líquida acima da plataforma. Uma fonte de raio laser ultravioleta, com alta precisão de

foco, traça a primeira camada, solidificando a seção transversal do modelo e deixando

as demais áreas líquidas. A seguir, um elevador mergulha levemente a plataforma no

banho de polímero líquido e o raio laser cria a segunda camada de polímero sólido acima

da primeira camada. 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 introduzido num forno de radiação

ultravioleta para ser submetido a uma cura completa. Uma vez que a estereolitografia foi

a primeira técnica bem sucedida de prototipagem rápida ela se tornou o benchmarking

para as demais que surgiram. (GORNI, 2001).

16

3.2 Manufatura de objetos em lâminas

Manufatura de objetos em lâminas, ou LOM, é uma técnica com deposição por

camadas de material, na forma de tiras adesivas, que se unem umas as outras dando

forma ao protótipo.

O material original consiste de bobinas de papel laminado com cola ativada pelo

calor, ou seja, um rolo coletor avança com a tira de papel sobre a plataforma de

construção, onde há uma base feita de 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 (GORNI, 2001).

A Figura 3 ilustra o processo, uma vez que os modelos são feitos de papel, devem

ser selados e revestidos com tinta ou verniz para se evitar eventuais danos provocados

pela umidade. Atualmente o processo permite o uso de novos tipos de materiais, incluindo

plástico e papel hidrófobo. (GORNI, 2001).

Figura 3: Equipamento e o processo de LOM


17

3.3 Sinterização seletiva a laser

Sinterização Seletiva a Laser, ou SLS, é uma técnica que usa um raio de laser

para fundir, de forma seletiva, materiais pulverulentos, tais como nylon, elastômeros e

metais, num objeto sólido. As peças são construídas sobre uma plataforma a qual está

imediatamente abaixo da superfície de um recipiente preenchido com o pó fusível por

calor. O raio laser traça a primeira camada, sinterizando o material. A plataforma é

ligeiramente abaixada, reaplica-se o pó e o raio laser traça a segunda camada. O

processo continua até que a peça esteja terminada. O excesso de pó que não foi

sinterizado pelo laser faz a função de suporte ao componente durante sua construção.

Ao remover a peça da plataforma o excesso de pó se desprende facilmente da peça,

eliminando a etapa de remoção de suportes. A Figura 4 ilustra o processo. (GORNI,

2001).

Figura 4: Equipamento e o processo de SLS


18

3.4 Modelagem por deposição de material fundido

Modelagem por deposição de material fundido, ou FDM, são filamentos de resina

termoplástica aquecidas e extrudadas a partir de uma matriz em forma de ponta que se

move num plano X-Y. Da mesma maneira que um confeiteiro enfeita um bolo usando um

saco de confeitar, a matriz de extrusão controlada deposita filetes de material muito fino

sobre a plataforma de construção, formando a primeira camada do componente. A

plataforma é mantida sob uma temperatura inferior à do material, de forma que a resina

termoplástica endurece rapidamente. Após esse endurecimento a plataforma se abaixa

ligeiramente e a matriz de extrusão deposita uma segunda camada sobre a primeira. O

processo é repetido até a construção total do protótipo. São construídos suportes durante

a fabricação, utilizando um segundo material, mais fraco, para garantir a sustentação do

protótipo durante sua fabricação. As resinas termoplásticas adequadas a esse processo

incluem poliéster, polipropileno, ABS, elastômeros e cera usada no processo de fundição

por cera perdida. A Figura 5 ilustra o processo. (GORNI, 2001).

Figura 5: Equipamento e o processo de FDM


19

O material mais comum utilizado no método de impressão FDM, é o Acrilonitrilo

butadieno estireno, ou ABS. Segundo Sampaio (2016) o ABS é um copolímero formado

de Acrilonitrilo, butadieno e estireno, patenteado em meados da década de 1940. É um

polímero leve que apresenta elevada resistência ao impacto, possui boa resistência

química, resiste a altas temperaturas e tem estabilidade dimensional. Este será o material

aplicado no estudo de caso abordado neste trabalho.

3.5 Impressão por jato de tinta

A impressão por jato de tinta, ou MJT, é uma técnica onde os protótipos são

construídos sobre uma plataforma situada num recipiente preenchido com material

pulverulento. Um 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 resinada, removendo-se o pó que

ficou solto. A Figura 6 ilustra o processo. (GORNI, 2001).

Figura 6: Equipamento e o processo de MJT


20

3.6 Método da impressão a jato de tinta

Método da impressão a jato de tinta, ou IJP, utiliza um sistema de jato de tinta para

deposição da resina em pequenas gotas sobre uma bandeja. Após a deposição do

material, uma luz ultravioleta é lançada para cura da camada. A Figura 7 mostra de forma

esquemática o princípio de funcionamento deste processo. (SILVA, 2008).

A cabeça de impressão gera o modelo em camadas aplicando a resina de

construção e suporte para frente e para trás ao longo do eixo X, similar a uma impressora

de jato de tinta, depositando uma camada ultrafina de resina foto sensível sobre a

plataforma ou bandeja de impressão. Imediatamente após cada aplicação de resina de

construção, as lâmpadas emitem luz ultravioleta curando imediatamente as resinas,

eliminando assim o processo de cura pós-impressão, necessário em outras tecnologias.

O pós-processo para eliminação da resina de suporte é feito com um jato d'água

pressurizada.

Figura 7: Equipamento e o processo de IJP


21

3.7 Conformação próxima ao formato final via laser

Conformação Próxima ao Formato Final via Laser, ou LENS, é um processo

relativamente novo, que apresenta a vantagem de produzir protótipos em metal

plenamente densos, com boas propriedades metalúrgicas e sob velocidades razoáveis

de construção. Neste processo um gerador de raio laser de alta potência é usado para

fundir pó metálico fornecido coaxialmente ao foco do raio laser, através de um cabeçote

de deposição. O raio laser passa através do centro do cabeçote e é focado para um

pequeno ponto através de uma lente ou conjunto de lentes. Uma plataforma 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 finalizada. A Figura 8 ilustra o processo.

Figura 8: Equipamento e o processo de LENS


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 poça de metal líquido do

22

oxigênio atmosférico, de forma a se garantir as propriedades metalúrgicas e promover

melhor adesão entre camadas. Podem ser usados pós de diversas ligas metálicas, tais

como aço inoxidável, 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. Os protótipos produzidos requerem usinagem

para acabamento, com densidade plena, boa microestrutura e propriedades similares ou

melhores ao metal convencional (GORNI, 2001).

3.8 Comparação dos tipos de impressão 3D

Cada processo da manufatura aditiva apresenta características próprias, porém

todos se baseiam no mesmo princípio (adição de camadas sucessivas). Pode-se separá-

los em função do estado inicial da matéria-prima em três grupos: baseados em sólidos,

líquidos e pós. Na Tabela 1 estão mostrados os processos, o estado inicial do material,

técnica de fabricação e materiais típicos de cada tecnologia abordada neste trabalho.

(LIMA e SANTOS, 2018).

23

Tabela 1: Comparação dos tipos de impressão 3D.

Estado inicial do Material

Processo Técnica de fabricação da camada Materiais típicos

Líquido

SLA Varredura por fonte de laser Resina curável por UV

IJP Varredura por jato de tinta Resina curável por UV

Pó

SLS Varredura por fonte de laser Nylon, elastômeros e

metais

MJT Ligação de pó através de

aglutinantes Polímeros

LENS Varredura por fonte de laser de alta

potência Metal

Sólido

LOM Alimentação e ligação de folhas finas

com adesivos Papel

FDM Extrusão contínua e deposição de

material fundido Termoplásticos

Fonte: Elaborado pelo autor.

24

4. PROTÓTIPOS NO DESENVOLVIMENTO DO PRODUTO

Segundo Silva (2008), o uso de protótipos no processo de desenvolvimento de

produtos, ou PDP, se faz necessário pois traz maturidade ao projeto, reduz incertezas e

auxilia na conservação do fluxo de informações do produto durante todo o

desenvolvimento.

Alterações no design ou na funcionalidade de um produto, quando este já se

encontra nas fases de produção e comercialização, implicam normalmente custos

elevados. Estíma-se que, em média, estas alterações aumentem aproximadamente uma

ordem de grandeza de dez vezes entre duas fases significativas do ciclo do produto,

conforme indicado na Figura 9. Isto é, uma alteração realizada na fase de produção

provavelmente terá um custo cem vezes superior ao que teria se o design do produto

fosse corrigido na fase de prototipagem e testes. Isto sugere que a equipe multidisciplinar

deve investir um maior esforço nas fases preliminares de concepção, de modo a obter o

máximo de informação, realizar mais iterações e revisões de projeto (RAULINO, 2011).

Figura 9: Custo de alteração do projeto no ciclo de desenvolvimento do produto

Fonte: Wohlers (2008)

Neste cenário, qualquer problema durante o desenvolvimento do produto

certamente comprometerá os objetivos da empresa. Devido à necessidade de

lançamento do produto cada vez mais rápida, time to market, os objetivos estão se

tornando cada vez mais difíceis de serem alcançados.

25

Segundo Junior (2004), as principais finalidades dos protótipos são as reduções

de tempo e custo, aprendizagem, comunicação, integração e redução de riscos,

encurtando assim as etapas do processo de desenvolvimento do produto. O custo de um

protótipo é justificado com a economia no tempo de desenvolvimento do produto e no

ganho da qualidade do produto final. Isso resultará em grandes economias em estágios

mais avançados deste processo. Na Tabela 2 o custo das mudanças de engenharia em

várias etapas do processo de desenvolvimento do produto.

Tabela 2: Custo das mudanças de engenharia em várias etapas do PDP

Etapas do PDP

Descrição Custo médio por

mudança (Dolar EUA)

1 Fase de simulação inicial $ 1.000 - 4.000

2 Fase de testes, antes da liberação do produto $ 20.000

3 Depois da liberação do produto $ 100.000

Fonte: Adaptado de Júnior (2004)

Isso significa que, se um problema ou oportunidade de melhoria for identificado na

fase inicial do projeto, o custo desta modificação será relativamente pequeno. Nesta

etapa, este custo estará associado apenas à mão de obra empregada no novo projeto a

ser elaborado, pois ainda não há investimento em processos de fabricação. Na fase

seguinte, será a soma dos custos relativos ao tempo consumido no novo projeto,

investimento efetuado em ferramentais e moldes experimentais, construção de

protótipos, à mão de obra utilizada nestas atividades e aos testes já realizado (JUNIOR

e KAMINSKI, 2004).

Para Junior (2004), atividades de engenharia, gerenciamento, marketing e

manufatura podem ser consideravelmente beneficiadas com o uso de protótipos como

base para o aprendizado rápido, unificação do time e chegada a um consenso sobre as

características do produto.

26

5. INVESTIMENTO

O principal objetivo de se investir em uma impressora 3D, é dar agilidade na

fabricação de protótipos. No caso apresentado neste trabalho, protótipos não funcionais

denominados PMU (Physical mockup). O PMU é o primeiro protótipo construído após

todas as peças serem projetadas e tem o objetivo de realizar análises de montagem,

possíveis interferências com peças flexíveis e chicotes elétricos, os quais são muito

difíceis de serem representados com exatidão em ambientes virtuais.

Além das peças não funcionais, a impressora 3D também cria peças para análises

de design, túnel de vento (análises de fluxo de ar) e testes veiculares nos casos em que

a peça não tem função estrutural ou é submetida a cargas elevadas.

Como o objetivo do investimento foi suprir as necessidades dos eventos descritos

acima, a empresa responsável por este case optou por investir em uma impressora de

tecnologia de impressão FDM, pois ela atende as necessidades dos protótipos PMU e

seu custo de aquisição não é tao elevado quanto as impressoras que permitem a

fabricação de peças metálicas. O valor total investido na aquisição da impressora 3D,

adquirida em 2013, foi em torno de R$500.000,00. A impressora adquirida foi o modelo

400mc da marca Fortus, ilustrada na Figura 10, com capacidade de imprimir peças com

dimensões até 400mm³.

Figura 10: Impressora Fortus 400mc

Fonte: www.stratasys.com (2018).

27

5.1 Manutenção

Além da matéria prima e recursos como energia elétrica e mão de obra qualificada,

um dos pontos que gera um custo expressivo para operação das impressoras 3Ds é o

custo de manutenção. Qualquer que seja o tempo que a impressora permaneça parada

para uma manutenção preventiva ou por algum problema inesperado faz com que a

empresa gaste recursos que não estavam previstos e torne mais longo o retorno do

investimento .

Com o intuito de evitar problemas com manutenções não programadas ou

problemas por quebra do equipamento, foi realizado um contrato de manutenção com a

empresa responsável pela venda da impressora 3D, que prevê a troca imediata da

impressora em caso de quebra e existe uma impressora backup na sede da empresa

reponsável pelo contrato de manutenção para operar durante as manutenções

preventivas. Este contrato gera um custo anual de 10% do custo total do equipamento no

ano seguinte a implementação com reajuste aproximado de 10% ao ano, ou seja,

R$ 50.000,00 no ano de 2014, R$ 55.000,00 em 2015 e assim por diante.

5.2 Retorno de investimento (ROI)

Para se verificar a viabilidade de qualquer tipo de investimento, deve-se considerar

o tempo em que este investimento efetivamente começará a trazer retorno a empresa

que o realizará. O cálculo do retorno do investimento pode ser feito através a formula

mostrada na Figura 11, conhecida como ROI (Return on investment). O ROI é uma

métrica usada para saber quanto a empresa ganhou com os investimentos. Através do

ROI pode-se verificar o tempo necessário para o investimento começar a efetivamente

trazer retorno financeiro ou redução de custo operacional para a empresa. O ROI é o

resultado da diferença dos ganhos obtidos e o valor investido, dividido pelo valor

investido.

28

Figura 11: Retorno de investimento

Fonte: mentalidadeinvestidora.net (2018)

29

6. MÉTODO

Este trabalho trata-se de um estudo de caso de uma montadora de veículos

comerciais situada no sudeste do país, onde são executadas todas as fases do

desenvolvimento do produto desde a conceituação até a fase final com o lançamento e

comercialização do produto.

A montadora em questão optou por investir em uma impressora 3D com o intuito

de ser mais competitiva, produzindo protótipos de uma forma mais eficaz e rápida,

assegurando seus segredos industrias uma vez que as peças passaram e ser fabricadas

internamente.

Para iniciar o estudo, escolhemos um dos grandes projetos que estava em fase

final. Este projeto teve a duração completa, da conceituação ao início de vendas, de

aproximadamente cinco anos. Dentro deste projeto foram listadas e avaliadas todas as

peças que foram fabricadas na impressora 3D. A partir daí foi possível obter um

panorama geral de custos de cada peça fabricada na impressora 3D, e juntamente com

o time responsável por custear as peças protótipas fabricadas a partir de métodos

convencionais, foi possível estimar a redução de custo e tempo de fabricação gerada por

optar fabricá-las na impressora 3D.

Feitas todas as análises de custos das peças do projeto, escolhido para este

estudo, foi observado que a calota de roda possui custo e tempo de fabricação médio em

relação as outras peças avaliadas, sendo então uma ótima opção para ser o centro do

estudo, que possui caráter comparativo com métodos convencionais, ou manufatura

subtrativa. A peça definida é a calota de roda de um veículo leve, conforme Figura 12 e

13.

30

Figura 12: Calota de roda dianteira veículos comerciais leves


Figura 13: Calota de roda dianteira fabricada por FDM montada e em teste


A calota de roda, além de ter a função estética no veículo, tem a função de atender

o artigo 2° da resolução 426 do Conselho Nacional de Trânsito (CONTRAN) que diz:

31

“Rodas, seus elementos de fixação e seus enfeites, não devem ter partes cortantes ou

elementos protuberantes”. Em outras palavras, a calota tem a função de garantir que os

parafusos utilizados para fixar as rodas ao eixo não tenham partes cortantes expostas na

extremidade do veículo.

6.1 Comparativo de tempo e custo da calota de roda

A calota de roda é uma peça composta por dois diferentes materiais, metálico e

plástico, unidos através de um processo de rebitagem plástica. Como ilustrado na Figura

14, a peça 1 trata-se do suporte metálico fabricado com aço NBR 1020, e a peça 2

fabricada com Nylon PA 6.6.

Figura 14: Calota com indicação de componentes com diferentes materiais


A necessidade do projeto foi a aquisição ou impressão de 20 peças, que seriam

montadas nos 10 protótipos utilizados em testes veiculares de durabilidade, uma vez que

se usa 2 peças por veículo.

Antes da decisão de fabricar a calota de roda através da impressão 3D foi aberto

um processo de compra destinado a fornecedores especializados em peças plásticas e

homologados para fornecer peças protótipos com o nível de qualidade requerido no

projeto, porém com métodos convencionais. Este processo visa buscar um fornecedor

32

que esteja apto a fabricar a peça com a qualidade requerida no menor prazo e custo

possível. O processo de negociação e definição do fornecedor durou em média 90 dias.

Após a definição do fornecedor ainda existe o tempo de fabricação e entrega da peça,

que no caso da calota foi de 45 dias.

Com relação aos custos, a compra das calotas de fornecedores externos,

fabricadas com métodos convencionais, geraria um gasto total de R$ 60.000,00, que

estão divididos em custos de material, moldes de injeção, processo de rebitagem,

acabamento e o lucro do fornecedor, gerando um custo unitário de R$ 3.000,00 por

calota.

Já a impressão da calota na impressora 3D, considerando que o custo de

fabricação total é composto de material, energia elétrica, mão de obra qualificada para

operação do equipamento e custo de manutenção, cada calota tem um custo aproximado

de R$700,00, ou o custo total do lote R$ 14.000,00. Na fabricação da calota de roda na

impressora 3D o material utilizado é Acrilonitrilo butadieno estireno, ou ABS.

A quantidade total de material utilizado por peça é de 480cm³ e são necessárias

9:00 hs para a impressão e remoção dos suportes, ou seja, tempo total de fabricação de

cada unidade da calota. Considerando que a impressora opera 20 horas por dia, é

possível a impressão de 2 calotas por dia, com um total de 10 dias para impressão do

lote completo.

Além da redução no custo e tempo de fabricação e transporte, existe um fator que

não é mensurável mas tem um grande peso na decisão de adquirir uma impressora 3D,

a sigilosidade. Durante os desenvolvimentos automotivos o sigilo é uma questão levada

muito a sério, pois o vazamento de informações pode expor características importantes

do produto a ser lançado aos concorrentes. Fabricando peças internamente garante-se

que, durante o processo de cotação e fabricação de componente dentro de fornecedores

terceiros, a informação sigilosa não seja divulgada expondo as estratégias da empresa

responsável pelo produto final. Durante o desenvolvimento do veículo objeto deste estudo

foram impressas diversas peças de caráter sigiloso para apresentações a diretoria para

tomadas de decisões ou testes que possam acarretar em mudanças que afetem o design

da peça ou do veículo. Essa estratégia foi de grande importância para manter o design

desconhecido aos olhos do mercado até o lançamento.

33

A calota de roda foi escolhida para este estudo pois ela representa uma média de

tamanho, material e tempo de impressão de todas as peças que foram impressas na

impressora 3D, desde que foi feito o investimento no ano de 2013. Além disso ela

representa também um média de redução de custo quando comparado ao método

convencional de fabricação considerando 10% das peças que foram impressas até o

momento. Os outros 90% das peças fabricadas na impressora 3D não foram

considerados neste estudo pois precisaram ser fabricadas também pelos métodos

convencionais para que fossem submetidas a testes estruturais e validação do

componente, o que não seria possível através da peça fabricada na impressora com

tecnologia FDM. Nestes casos as peças foram fabricadas com outras finalidades como

análises de montagem, visualização de detalhes do projeto em tamanho real e análises

de design, o que não trouxe reduções de custos significativas de forma geral. Apenas

nos casos em que após a fabricação da peça e análises feitas, se optou pela mudança

total do design ou do conceito da peça.

A Tabela 3 traz a quantidade de peças fabricadas na impressora 3D com

expressiva redução de custo desde de que ela foi adquirida até o final do ano de 2018,

data em que os dados foram coletados.

Tabela 3: Quantidade de peças fabricadas na impressora 3D com redução de custo

Ano 2013 2014 2015 2016 2017 2018 Média

Peças fabricadas na impressora 3D com redução de custo

significativa

9 11 10 14 15 12 11,83


34

7. RESULTADOS

Considerando os dados obtidos em relação ao tempo para definição de

fornecedor, fabricação e entregas das calotas através de métodos convencionais,

comparando ao tempo de se obter o lote de 20 calotas através da impressão 3D podemos

observar um ganho expressivo de 92% aproximadamente, conforme mostrado no Gráfico

1.

Gráfico 1: Comparativo de tempo para aquisição de peças.


Com relação aos custos totais de fabricação, o mesmo comparativo nos

mostra ganhos em torno de 76% quando se opta por fabricar as peças na impressora 3D,

conforme mostrado no Gráfico 2.

35

Gráfico 2: Comparativo de custo para aquisição de peças.


Como a calota representa valores médios de tempo de fabricação e custo, os

valores foram extrapolados a quantidade de peças impressas por ano, com significativa

redução de custo, mostrado na Tabela 3. Esse total de peças multiplicado pela redução

de custo média apresentada no Gráfico 2, mostra o valor total de redução de custo

trazidos pela aquisição da impressora 3D em cada ano em que ela está em operação até

o momento onde os dados foram coletados. Está redução de custo anual proveniente do

uso da impressora 3D está mostrado na Tabela 4.

Tabela 4: Redução de custo proveniente da fabricação de peças na impressora 3D

Ano 2013 2014 2015 2016 2017 2018 Média

Redução de custo

anual devido a utilização

da impressora

3D

R$ 486K R$ 594K R$ 540K R$ 756K R$ 810K R$ 648K R$ 639K


Com relação ao retorno do investimento, ROI, pode-se observar que o

investimento da aquisição da impressora não tevw o retorno completo no primeiro ano de

36

operação, porém há um retorno de 97% do valor investido. Nos anos seguintes considera-

se no cálculo, além do valor investido, o valor gasto anualmente com o contrato de

manutenção. No segundo ano de operação da impressora, o retorno sobre o investimento

já pode ser identificado através do valor positivo do ROI e com significativa redução de

custo. A Tabela 5 mostra o ROI em cada ano desde a implementação da impressora e o

Gráfico 4 ilustra a redução de custo obtida em cada ano de operação.

Tabela 5: ROI – Retorno sobre o investimento.

Ano 2013 2014 2015 2016 2017 2018

Valor investido (aquisição)

R$ 500K 0 0 0 0 0

Valor investido

(contrato de manutenção)

0 R$ 50K R$ 55K R$ 60,5K R$ 66,5K R$ 73,2K

Ganhos obtidos R$ 486K R$ 594K R$ 540K R$ 756K R$ 810K R$ 648K

ROI -3% 96% 192% 324% 462% 569%


37

Gráfico 4: ROI – Retorno sobre o investimento.


38

8. CONCLUSÃO

O presente trabalho mostra que a manufatura aditiva traz vantagens competitivas

no desenvolvimento do produto de uma montadora de caminhões. A aquisição de uma

impressora 3D proporcionou a redução de aproximadamente 92% no tempo de

fabricação e 76% no custo de aquisição de uma parte das peças necessárias para a

montagem dos protótipos de testes. Considerando o volume de projetos e protótipos da

montadora objeto deste estudo, o investimento necessário para a aquisição da

impressora foi pago em pouco mais de 12 meses, através da redução de custo gerada

por ela. Os resultados obtidos reforçam a importância de se utilizar as novas tecnologias

a favor da estratégia de negócios das empresas incentivando assim a evolução destas

tecnologias e tornando o desenvolvimento de novos produtos cada vez mais eficaz. A

evolução da manufatura aditiva ocorre de maneira muito rápida, gerando uma infinidade

de novas possibilidades e aplicações para os produtos fabricados nas impressoras 3D,

com novos materiais e novas técnicas de impressão, com o potencial de um dia substituir

de forma definitiva e completa os processos de manufatura convencionais. A

continuidade de estudo pode-se dar através da análise de viabilidade econômica de se

investir em uma impressora com tecnologias que permitem a impressão de peças

metálicas para testes com fins estruturais e utilização no produto final, e também o

benefício ambiental obtido através da manufatura aditiva comparada a manufatura

subtrativa no âmbito da geração de resíduos provenientes do processo de fabricação e

demanda de recursos energéticos.

39

REFERÊNCIAS

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Dispõe sobre o sistema de travamento do capuz e rodas dos veículos automotores, e

seus elementos de fixação e enfeites. Código de Trânsito Brasileiro - CTB, e conforme o

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APLICAÇÃO DA MANUFATURA ADITIVA NA FABRICAÇÃO DE