APLICAÇÃO DA IMPRESSÃO 3D NO SETOR NAVAL

Leonardo Trisciuzzi

Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Naval e Oceânica, Escola Politécnica, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro Naval e Oceânico.

Orientadora: Marta Cecilia Tapia Reyes

RIO DE JANEIRO

SETEMBRO DE 2018

APLICAÇÃO DA IMPRESSÃO 3D NO SETOR NAVAL

Leonardo Trisciuzzi

PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE ENGENHARIA NAVAL E OCEÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO NAVAL E OCEÂNICO.

Examinado por:

Orientadora: Prof.ª D.Sc. Marta Cecilia Tapia Reyes

Prof. D. Sc. Alexandre Teixeira de Pinho Alho

Prof.D.Sc.Severino Fonseca da Silva Neto

RIO DE JANEIRO, RJ- BRASIL

SETEMBRO DE 2018

iv

Trisciuzzi, Leonardo

Aplicação da Impressão 3D no Setor Naval Leonardo Trisciuzzi -

Rio de Janeiro: UFRJ/ ESCOLA POLITÉCNICA, 2018

X, 70 p.: il.: 29,7 cm.

Orientador: Marta Cecilia Tapia Reyes

Projeto de Graduação - UFRJ/ POLI/ Engenharia

Naval e Oceânica, 2015.

Referências Bibliográficas: p.70.

1.Introdução 2. Impressoras 3D 3. Materiais Usados

Na Impressão 3D 4. Aplicação no Setor de Construção

Naval 6. Conclusão I. Tapia Reyes, Marta Cecilia. II.

Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica,

Curso de Engenharia Naval e Oceânica. III. Aplicação da

Impressão 3D no Setor Naval

v

AGRADECIMENTOS

Primeiramente obrigado a Mariângela Trisciuzzi e José Francisco Trisciuzzi meus pais que são pessoas que levam consigo a forma de amor mais pura.

Obrigado as minhas avós Irma Abila Flores e Ida Trisciuzzi porque eu sei que escondem a dor na perna enquanto faz aquele bolo delicioso com o sorrisão no rosto.

Obrigado aos meus amigos Igor Jablausky (gordigão) ,Davi Pegado (Davizord), Renan Jablausky(Fenan), Guilherme Givigier(Guigui), Mateus Bernardes(Teteus), Mateus Nobre (Pato Roco) e Mauricio Barros por terem construído memórias que são a definição da verdadeira felicidade.

Obrigado aos meus amigos de república casarão Emmanuel Maluf(Manu) e Eliezer Ferreira (Magrão), por estarem comigo durante as vacas mais magras vistas desde a crise de 1929.

Obrigado aos meus companheiros de tatame, por me ensinarem princípios que me ajudam a buscar evolução em tudo que faço, em especial ao Sensei Gustavo Corrêa, Rodrigo Garreta, Eduardo Brandão, Luciano Ribeiro , Vinicius Sá, Mauricio Zidde, Dudu , André Montani, Alváro , Raphael Reis, Felipe Mendes , Leandro Franco e Marcelo Motta.

E um obrigado especial a minha namorada Renata Brandão (Magrela) por me aturar diariamente e por acreditar em mim mesmo quando nem eu mesmo acreditei .

Também gostaria de agradecer aos meus professores por me ensinarem a lidar com a dureza da realidade e que com foco e determinação é possível superar desafios definidos como impossíveis.

E finalmente gostaria de agradecer a uma classe especial de professores que são uma mistura de mestres e amigos. Gostaria de agradecer ao Professor Floriano Peixoto, ao Professor Luiz Felipe de Assis e a Professora Marta Tapia Reyes que apesar de suas diferenças sempre foram a minha Santíssima Trindade no caminho da iluminação através do estudo e aos quais entrego o meu mais alto grau de admiração.

vi

Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Naval e Oceânico.

APLICAÇÃO DA IMPRESSÃO 3D NO SETOR NAVAL

Leonardo Trisciuzzi

Agosto/2018

Orientadora: Marta Cecília Tapia Reyes

Curso: Engenharia Naval e Oceânica

O trabalho descreve algumas das tecnologias de manufatura aditiva existentes no momento que podem se desdobrar em importantes aliados para indústria naval. São apontadas vantagens e desvantagens de cada tecnologia, algumas aplicações existentes na indústria naval e alguns desenvolvimentos visando a aplicação da tecnologia no atual cenário econômico.

Palavras-Chave: Impressão 3D, Inovação Setor Naval, Aplicação Impressão 3D setor naval, inovação construção naval

Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Naval Engineer.

APPLICATION OF 3D PRINTING IN THE NAVAL SECTOR

Leonardo Trisciuzzi

August/2018

Advisor: Marta Cecília Tapia Reyes

Graduation: Naval Engineering

The paper describes some of the existing additive manufacturing technologies that can be deployed in important allies for the naval industry. Advantages and disadvantages of each technology are pointed out, some existing applications in the naval industry and some developments aimed at the application of technology in the current economic scenario.

Keywords: 3D printing, Naval Sector Innovation, Application 3D printing naval sector, shipbuilding innovation

INDICE

1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................... 10

2 IMPRESSORAS 3D .................................................................................................................. 1

2.1 Impressoras que funcionam por extrusão de material ................................................. 1

2.1.1 Big Area Aditive Manufacturing - BAAM ............................................................... 1

2.1.2 Fused Deposition Modeling(FDM) ......................................................................... 2

2.1.3 Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) .......................................................... 4

2.1.4 Binder Jetting(BM) ................................................................................................ 6

2.2 Impressoras que sinterizam pó de material .................................................................. 7

2.2.1 Electon Beam Melting(EBM) ................................................................................. 7

2.2.2 Laser Melting(LM) ................................................................................................. 8

2.2.3 Laser Sintering(SLS) ............................................................................................. 10

2.2.4 Direct Metal Laser Sintering(DMLS) .................................................................... 11

2.3 Impressoras que solidificam resinas ........................................................................... 12

2.3.1 Stereolithography(SL) .......................................................................................... 12

2.4 Tabela resumo dos principais tipos de impressora ..................................................... 13

3 MATERIAIS USADOS NA IMPRESSÃO 3D ............................................................................. 15

3.1 Materiais Poliméricos .................................................................................................. 15

3.1.1 ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) ................................................................. 15

3.1.2 PLA (Polylatic Acid - Ácido Polilático) .................................................................. 16

3.1.3 PVA (Polyvinyl alcohol - Álcool de Polivinila) ...................................................... 16

3.1.4 2PC (Polycarbonate - Policarbonato) .................................................................. 16

3.2 Materiais Metálicos ..................................................................................................... 16

4 APLICAÇÃO NO SETOR DE CONSTRUÇÃO NAVAL ................................................................ 22

4.1 Impressão de estruturas otimizadas navios ................................................................ 23

4.2 Construção de submarino ........................................................................................... 24

4.3 Impressão 3D de casco de embarcação - LSAM .......................................................... 25

4.4 Moldes de casco .......................................................................................................... 27

4.5 Aplicação em peças ..................................................................................................... 32

4.5.1 Polo Náutico ........................................................................................................ 32

4.5.2 WAAMpeller- Aplicação Propulsor Real .............................................................. 34

4.6 Aplicação em protótipos ............................................................................................. 35

5 APLICAÇÃO DA TECNOLOGIA PARA PROTÓTIPOS NA CONSTRUÇÃO NAVAL ..................... 36

5.1 Considerações iniciais ................................................................................................. 36

5.2 Modelagem ................................................................................................................. 41

5.3 Exportação para impressora (arquivo .stl) .................................................................. 42

5.4 Impressão .................................................................................................................... 44

5.5 Aplicação em modelo simplificado ............................................................................. 46

5.5.1 Antepara .............................................................................................................. 46

5.5.2 PTV....................................................................................................................... 48

5.5.3 Corpo paralelo de Petroleiro ............................................................................... 54

5.5.4 Aplicação para molde de protótipos ................................................................... 60

6 CONCLUSOES ....................................................................................................................... 65

7 BIBLIOGRAFIA ...................................................................................................................... 66

1 INTRODUÇÃO

De tempos em tempos surge uma grande inovação que rompe os antigos métodos e leva a humanidade a um novo patamar de produção. Atualmente se discute se estamos de uma destas revoluções, a chamada indústria 4.0 que é um novo conceito de indústria baseada em soluções que utilizam Sistemas Cyber-Fisicos, automação e tecnologia da informação aplicadas a manufatura.

A questão central desta revolução é a conectividade e a busca por soluções capazes de reduzir custos e aumentar a produtividade, isto coloca o desenvolvimento de soluções que incluem uso de impressão 3D como um pré requisito para a adaptação a esse novo mercado.

A impressão 3D é uma tecnologia aparente simples, mas revolucionária. O uso deste novo método de manufatura é capaz de descentralizar a produção aproximando os centros de consumo dos centros de produção. Esse novo comportamento vai reduzir os custos relacionados a cadeia de suprimentos .

Outra vantagem imediata do uso da tecnologia é a mudança na relação entre o custo e complexidade da peça, a impressão 3D permite a manufatura de objetos mais complexos sem aumento de custo por unidade. Este novo paradigma pode,por exemplo, permitir a fabricação de estruturas cuja forma mais complexa é mais eficiente mas não produzidas por serem economicamente inviáveis.

Apesar de todas as vantagens que oferece, a impressão 3D vem sendo pouco explorada pelos setores que compõe o mercado naval no Brasil, o que pode manter o setor distanciado das soluções que a aplicação presente e futura desta tecnologia pode oferecer. Portanto pode ser vital buscar aplicações desta tecnologia no setor.

De modo generalizado a aplicação desta tecnologia traz os seguintes benefícios.

Tabela 1.1 Tabela resumo dos benefícios da fabricação usando impressão 3D

Produto Esclarecimento Supply Chain Esclarecimento

Menores Custos - Uso de menos material

- Sem necessidade do uso de ferramentas

- Só existe adição de material não há necessidade de retirar material para acabamento

- Menos transporte

- Sem necessidade de armazenamento da peças fabricadas

- Só há necessidade de entrega do material as peças são produzidas no local ou próximo do local

Projetos melhorados

- Não há custo para aumento da complexidade das peças

- Uso de diferentes materiais ou multimateriais

- Menor peso das peças (controle da densidade)

- Podem ser feitas peças com várias partes sem necessidade de montagem

- É possível impressão de uma peça em várias partes depois colar

- O processo opera independentemente da complexidade, facilitando estruturas leves, combinação de várias partes em uma

- Agilidade na entrega e flexibilidade de produto

- Todos os tipos de forma podem ser feitos com uma só máquina

Customização de produto

- Estética

- Possibilidade de mudança rápida no design

- Engenharia Reversa

Como o aumento da complexidade não implica aumento de custo a melhoria estética não exige diretamente trabalho extra, assim como uma mudança no design.

Sustentabilidade - Menos produção de lixo

- Menos consumo de combustível

Com redução do peso e uso de material há geração de menos livo e de consumo de combustivel

Redução da Cadeia de suprimentos

Necessidade diminuída de capacidade de transporte resultando na redução da emissão de gases no transporte

Novos modelos de negócio

- Prototipagem rápida

- Produção em lotes menores

- Redução do custo operacional

O custo da produção por unidade independe do número de unidades produzidas.

- Produção no local

- Diminuição no lead time

- Redução nos custos de importação/ exportação

- Redução no risco de falha na entrega do fornecedor

A produção no local permite customização, diminui o tempo de entrega e os fornecedores não são mais os únicos que podem fornecer o produto já que é necessário o insumo que normalmente é produzido por vários fornecedores.

Entretanto o uso da tecnologia também apresenta muitos desafios, principalmente quando o objetivo é a implementação de um produto com finalidade comercial.Os principais desafios a serem superados pela impressão 3D são:

Tabela 1.2 Desafios na aplicação da fabricação usando impressão 3D

Desafios no uso da manufatura aditiva Explicação

Economia de escala e viabilidade econômica Os custos da manufatura aditiva não diminuem com o aumento da produção, e o custo total ainda é relativamente alto em comparação com os métodos de produção clássicos.

Integridade das propriedades mecânicas e quimicas do material

Como as partes produzidas por manufatura aditiva são depositadas em camadas, as propriedades do material variam ao longo da direção perpendicular às camadas causando anisotropia. Além disso, os efeitos da fadiga não são bem conhecidos.

Acabamento superficial As camadas podem formar uma superfície excessivamente rugosa

Pós processamento Para alcançar as propriedades mecânicas esperadas ou necessárias e um bom acabamento superficial podem ser necessários o tratamento térmico ou a usinagem da peça.

Trade-off entre velocidade e precisão Sempre existe uma correlação inversa entre velocidade e precisão na impressão, Frazier (2014).

Segurança Derretimento de plástico e metal em pó podem trazer problemas de segurança, LR (2016)

O desenvolvimento do trabalho busca ,entre outros objetivos, descrever o estado atual da tecnologia e algumas de suas aplicações com a finalidade de esclarecer os desafios e o potencial da tecnologia(Figura 1.1 Fluxograma de desenvolvimento do trabalho).

Figura 1.1 Fluxograma de desenvolvimento do trabalho

O método desenvolvido visa o uso da impressão 3D no desenvolvimento de protótipos em pequenas oficinas e estaleiros. O objetivo foi gerar um método simples para o uso em novos projetos. Outro objetivo é estimar o tempo e custo do desenvolvimento e impressão de modelos.

2 IMPRESSORAS 3D

Antes da impressão 3D a tecnologia mais eficiente para fabricação era através do uso de braços robóticos, ou ainda a fabricação tradicional cuja viabilidade dependia fortemente de um grande número de unidades produzida. O advento da tecnologia 3D nos leva a um novo nível de produção já que descentraliza a fabricação e desvincula o custo de produção ao número de unidades produzidas ou complexidade de seu projeto.

A impressão 3D surgiu em 1984, a primeira impressão funcionando foi criada por Chuck Hull. utilizando a estereolitografia As primeiras versões comerciais foram criadas pela Stratasys Ltd em 1989. A empresa ainda existe tendo comprado a Makerbot a alguns anos.

Imprimir usando uma impressora 3D é um processo de fabricação aditiva que é um tipo de fabricação onde se forma o produto através da deposição de material. No caso da impressão 3D essa deposição em camadas que ao se agregarem compõe uma impressão tridimensional.

A seguir serão apresentados alguns dos tipos de impressora com objetivo de esclarecer seu processo de impressão.

2.1 Impressoras que funcionam por extrusão de material

Não só é o modelo mais difundido para aplicação doméstica e em pequenas empresas como também é o tipo de processo de impressão mais usado em impressoras de grande porte. Trata-se basicamente um extrusor que deposita material em regiões definidas a partir da leitura de um arquivo que descreve o objeto coordenadas tridimensionais.

2.1.1 Big Area Aditive Manufacturing - BAAM

As impressoras desse tipo são impressoras para produção de objetos considerados grandes. Mais de uma empresa desenvolveu impressoras desse tipo e no mercado há um tipo de competição pelo tamanho e produtividade das impressoras.

Comparativamente, impressoras 3D desktop costumam ter dimensões de um cubo com algo que varia entre 30 e 40 centímetros de lado já uma BAAM(Figura 2.1 Exemplo de BAAM,Figura 2.2 Parte interna de uma BAAM )possui 400x400x400 cm e deposita 45 quilos de material por hora.

Os materiais de impressão mais comuns são ABS e compostos de fibra de carbono, mas existem impressoras capazes de usar mais de um material por vez ou até biomateriais compostos por bambu e celulose.

Figura 2.1 Exemplo de BAAM

Figura 2.2 Parte interna de uma BAAM

2.1.2 Fused Deposition Modeling(FDM)

A impressão ocorre a partir da extrusão de um filamento quente. Este filamento é extrudado em seções que vão se empilhando dando forma a peça tridimensional. As impressoras deste tipo podem produzir muitos tipos de peças funcionais que muitas vezes dispensam montagem (são impressas montadas).

Figura 2.3 Exemplo de impressora do tipo FDM

Impressoras do tipo FDM são as mais comumente encontradas em aplicações domésticas e em pequenas empresas. Além de ser uma grande inovação existem muitos projetos português?de código aberto(‘open source’) de construção de impressoras deste tipo, muitos de baixo custo usando placas como Arduino que é uma placa programável bastante usada para projetos relacionados a IOT[1] ou ‘Internet of things’ internet das coisas..?

As impressoras FDM são bastante úteis para aplicação doméstica, impressão de peças de reposição, impressão de modelos em escala ou fabricação de pequenos objetos. No desenvolvimento das peças foram usadas impressoras deste tipo.

Tabela 2.1 Características de impressoras do tipo Binder Jetting

Tamanho comum a impressora 400𝑥300𝑋300 𝑚𝑚

Precisão máxima 0.150 𝑚𝑚

Tolerância ± 0.178 𝑚𝑚

Menor espessura de impressão 0.05 𝑚𝑚

Rugosidade tipica da superfície impressa Varia muito

Densidade da peça Decisão do projetista

Figura 2.4 Impressão em Chocolate

Outro diferencial das Impressoras do tipo FDM é a grande disponibilidade de materiais o que se deve a quantidade de aplicações encontradas para a tecnologia. Existem modelos para imprimir desde polímeros até chocolate (Figura 2.4).

2.1.3 Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM)

A WAAM (Fabricação de Fios e Arc Aditivos) é uma tecnologia que vem sendo investigada nos últimos 30 anos. É um tipo de impressão com capacidade de produzir peças de metal. O WAAM é uma impressora que deposita material tipicamente usado em solda para imprimir formas tridimensionais complexas. Este tipo de impressora já foi usado para impressão de pontes(Figura 2.5).

Figura 2.5 Ponte impressa usando uma impressora do tipo WAAM

A impressora usa equipamentos derivados de equipamentos de soldagem para depositar o material, esses equipamentos são conectados um braço mecânico que deposita material segundo instruções numéricas. A deposição do material ocorre até a obtenção da forma tridimensional desejada.

Figura 2.6 Berço de uma impressora do tipo WAAM

Figura 2.7 Deposição de material usando solda

Figura 2.8 Exemplos de peças impressas usando impressoras WAAM

A WAAM é uma tecnologia que possui grande potencial de aplicação em diferentes áreas.Por isso existem muitas pesquisas em andamento para o uso da tecnologia. Um dos principais desafios é imprimir peças com propriedades isotrópicas pois as peças produzidas possuem fragilidade na direção perpendicular aos planos de deposição do material.

Além disso seu uso em larga escala exige mais controle sobre as variáveis envolvidas. Alguns parâmetros como corrente da solda e distância da deposição devem ser extremamente bem controlados, já que a integridade estrutural depende de uma deposição sem falhas. Além disso, outras tecnologias relacionadas a controle dos processos, projetos de peças e pós tratamento ainda devem ser desenvolvidas.

Com melhorias nessas áreas, o WAAM poderia se tornar um substituto para métodos convencionais de produção. As impressoras deste tipo permitem impressão de grandes estruturas em materiais como o aço e tem potencial para substituir métodos tradicionais de construção.

Uma das vantagens do uso da tecnologia sobre métodos tradicionais de construção é que o custo de fabricação não aumenta com a complexidade da estrutura, o que possibilita a exploração de soluções oferecidas por campos de otimização estrutural que geram formas muito complexas.O uso de estruturas otimizadas pode leva ao desenvolvimento de estruturas mais leves e resistentes.

Apesar de ser uma tecnologia nova, algumas empresas já perceberam o potencial da tecnologia e tiveram sucesso em seu uso. É o que observamos na aplicação desta tecnologia na impressão de um propulsor que foi impresso, classificado e hoje está em operação em um rebocador na Holanda.

Tabela 2.2 Características de impressoras do tipo WAAM

Dimensões Impressoras grandes (maiores que 1x1x1 m)

Materiais Fe3Al, TiAl, Al-6Mg, NiAl Bronze, Ti-6Al-4V entre outros

Taxa de deposição 1 a 10 kg/hora

Equipamento de solda mais comum TIG, MIG e MAG

2.1.4 Binder Jetting(BM)

A impressora aplica um jato de liquido com um agente colante em camadas finas de pó de material. Conforme as camadas vão se empilhando é formado o objeto tridimensional. O ponto negativo é que normalmente é necessário algum tratamento na peça já que sua resistência costuma ser baixa quando analisada imediatamente após o fim da impressão.

Figura 2.9 Binder Jetting Printer

O Binder Jetting é capaz de imprimir uma variedade de materiais, incluindo metais, areia e cerâmica. Alguns materiais, como areia, não requerem processamento adicional. Outros materiais

são normalmente curados e sinterizados e às vezes infiltrados com outro material, dependendo da aplicação. A prensagem isostática a quente pode ser empregada para atingir altas densidades em metais sólidos.

Tabela 2.3 Características de impressoras do tipo Binder Jetting

Tamanho da impressora 4000 x 2000 x 1000 mm

Precisão máxima 0.1 mm

Tolerância ± 0.13

Menor espessura de impressão 0.09 𝑚𝑚

Rugosidade típica da superfície impressa Varia

2.2 Impressoras que sinterizam pó de material

Este tipo de impressora atrai grande interesse da indústria Sua aplicação produz peças empregadas em indústrias como a aeroespacial e aeronáutica e recebe bastante atenção com relação a criação e emprego de novos materiais.

Seu uso para aplicação pessoal ainda é bastante restrito devido ao alto custo do equipamento.

2.2.1 Electon Beam Melting(EBM)

Neste tipo de impressão uma pequena camada de pó do material (normalmente metal) é seletivamente derretida por um feixe de elétrons. As camadas vão se empilhando no container que contém o pó de material.

Figura 2.10 Exemplo de Impressora do tipo EBM

A grande vantagem deste método de impressão é que as partes podem ser fabricadas usando metais padrão e o resultado é uma peça de grande densidade. Em contrapartida a disponibilidade de materiais é pequena o tempo de impressão considerado alto e o custo de impressão alto.

Tabela 2.4 Características de impressoras do tipo Electron Beam Melting

Tamanho da impressora 350𝑋350𝑋380 𝑚𝑚

Precisão máxima 0.1 𝑚𝑚

Tolerância ± 0.2 𝑚𝑚

Menor espessura de impressão 0.05 𝑚𝑚

Rugosidade típica da superfície impressa 20.3 − 25.4 𝑚𝑖𝑐𝑟𝑜𝑛𝑠

Densidade da peça ± 99 %

2.2.2 Laser Melting(LM)

Uma fina camada de pó de metal é derretida seletivamente por um laser. As partes são empilhadas dando forma ao modelo desejado. Assim como a impressora de feixe de elétrons a impressora de derretimento a laser é capaz de gerar modelos com grande densidade. Seu contraponto é também exatamente o mesmo, a impressora possui alto custo e a impressão pode ser um pouco demorada.

Figura 2.11 Exemplo de Impressora LM

DMLS, ou sinterização a laser direta de metal é um processo que possibilita a criação de produtos com um elevado grau de precisão e possui excelentes propriedades mecânicas através da sinterização de metal em pó.

O processo de sinterização direta de metais envolve a criação de um objeto camada por camada, usando metal tratado por laser. A espessura média de cada camada é de 20 mícrons. O material em pó é distribuído por um braço de metal que desliza sobre a plataforma da impressão. O arquivo 3D dirige o laser para pontos específicos da substância em pó, que funde o pó de metal e une suas

partículas, transformando-o em material sólido. A plataforma da impressão é então rebaixada a uma medida igual à espessura de uma camada. Mais uma vez, o braço de metal distribui mais pó sobre a plataforma, que é aquecida pelo laser, e todo o processo se repete até que todas as camada tenham sido concluídas

Figura 2.12 Diagrama do Funcionamento de uma LM

Figura 2.13 Diagrama do Funcionamento de uma LM

A disponibilidade de impressoras desse tipo no mercado é menor que a dos outros modelos. O custo de uma impressora considerada acessível desconsiderando impostos é de $10000 ou aproximadamente R$ 40000. O custo é justificado pelo fato da tecnologia produzir modelos com grande precisão e sem a necessidade de material de suporte. Empresas que usam impressora deste tipo.

Tabela 2.5 Características de impressoras do tipo Binder Jetting

Tamanho da impressora 600x400x500 𝑚𝑚

Precisão máxima 0.04 − 0.2 mm

Tolerância ± 0.05 − 0.2 mm (+/− 0.1 − 0.2%)

Menor espessura de impressão 0.03 𝑚𝑚

Rugosidade típica da superfície impressa 4 – 10 microns

Densidade da peça ± 99.9 %

2.2.3 Laser Sintering(SLS)

Neste método a impressão se inicia com a deposição de uma fina camada de pó polimérico. O local de deposição é então pré aquecido a uma temperatura que depende do material que está sendo usado. Depois de atingida uma certa temperatura um feixe de laser percorre a região de uma sessão transversal da peça a ser impressa. Feito isso a impressora deposita outra camada de pó e o laser percorre a região, o processo se repete até que a peça tenha sido impressa.

Figura 2.14 Exemplo Impressora tipo Laser Sintering

O número de materiais disponível tem crescido bastante. No entanto as peças ainda não possuem as mesmas características mecânicas de seus semelhantes produzidos usando injeção plástica.

Tabela 2.6 Características de impressoras do tipo laser sintering

Tamanho da impressora 550x550x750 mm3

Precisão máxima 0.15 mm

Tolerância ± 0.25 mm

Menor espessura de impressão 0.1 mm

2.2.4 Direct Metal Laser Sintering(DMLS)

Direct Metal Laser Sintering ou DMLS é um processo de fabricação aditiva que cria partes metálicas partindo de um projeto tridimensional em software CAD. Usa materiais como metais e ligas metálicas e é uma ótima escolha quando o projetista deseja partes metálicas funcionais. A adição do material em camadas ocorre do mesmo modo que outros processos aditivos.

Figura 2.15 Impressora SL

O projetista prepara o desenho tridimensional em CAD, o desenho tridimensional é imprimido em seções bidimensionais. Uma vez que uma camada é concluída a base se move a distância de uma camada, o pó do material base é espalhado novamente e o laser solidifica a próxima camada. Como não há suporte do pó (é adicionado por camada) pode ser necessário o uso de material de suporte.

Uma vez que a peça é impressa ocorre sua remoção do container de impressão e a peça é levada para tratamento térmico. Se houver algum material de suporte este também é retirado nesta parte do processo.

Figura 2.16 Funcionamento de uma impressora DMLS

Este processo é tipicamente usado para impressão de ferramentas, pequenas partes metálicas, partes que integram outras estruturas, implantes cirurgicos e peças para indústria aeroespacial.

Existem muitos tipos de liga disponíveis para impressoras desse tipo, como aço inoxidável, cobalto-cromo, cobalto e superligas de cobalto e niquel. Além de ligas para odontologia e de titânio.

2.3 Impressoras que solidificam resinas

Este tipo de impressora usa tipos de resina fotossensível, a aplicação de luz em certa frequência solidifica a peça em camadas. Impressoras deste tipo são promissoras em campos de pesquisa para impressão mais rápida e com material com características isotrópicas.

2.3.1 Stereolithography(SL)

Impressoras deste tipo solidificam um polímero ou material fotossensível a partir da aplicação de um feixe de luz de certa frequência, normalmente raios UV.

Figura 2.17 Impressora SL

Um raio UV é direcionado a um liquido polimérico armazenado em um container. A parte é impressa em camadas que vão se formando conforme a base do container abaixa em um valor equivalente a espessura de cada camada.

Este método de impressão pode produzir grandes partes com grande precisão e ótimo acabamento superficial. O ponto fraco deste método de impressão é que fotopolimeros podem perder estabilidade com o tempo e isso prejudica suas propriedades mecânicas.

A impressora gera protótipos com boa qualidade e acabamento podendo usar materiais com diferentes características fisico-quimicas, como alta resistência a temperatura ou a certo valor de PH.

Tabela 2.7 Características de impressoras do tipo Stereolithography

Tamanho da impressora 2100 x 700 x 800 𝑚𝑚

Precisão máxima 0.1 mm

Tolerância ± 0.015 mm

Menor espessura de impressão 0.016 𝑚𝑚

2.4 Tabela resumo dos principais tipos de impressora

As listas que descrevem impressoras 3D são normalmente não exaustivas, ou seja, existem muitas impressoras sendo desenvolvidas e outras sendo aplicadas para campos mais específicos mas não menos importantes. A seguir listamos os métodos, materiais e patentes mais comuns da tecnologia para que se tenha uma visão mais clara das tecnologias e materiais mais comumente encontrados.

Tabela 2.8 Métodos, materiais e patentes mais comuns da tecnologia

Powder Bed Fusion

Directed Energy Deposition

Extrusão de material

Jateamento de materal

Binder Jetting Solidificação de Fotopolimeros

Metal X X X

Plástico X X X X X

Compósito X X X

Outros Cerâmica Cera, Fotopolimero

Areia, Cerâmica Resina, Resina de

Fotopolimero

Durabilidade Alta Alta Média Média Média Baixa

Velocidade de impressão

Baixa Média para alta Média Média Alta Média

Custo Alto Médio para alta Baixo Baixo Médio Média

Pós-processamento

Médio Alto Baixo Baixo Médio Não

Precisão de detalhes

Média Médio Média Mèdio Médio Alta

Rugosidade superficial

Alta Baixa Média Médio Médio Baixa

Outros Grande variedad de performance

Principais métodos e termos licenciados

EBM, SLM, SHS, SLS, DMLS, DMP, SPS, Laser

LMD-w, EBAM,EBDM, EBF,DMD,LENS,LBMD,DLF,LFF,LC,CMB,IFF,WAAM

FDM,FFF,FLM,PKP,Robocasting

Inkjet, Polyjt, MKM,Aerosoljet, Thermojet, DOD,DLP

3DP, LPS, DSPC SLA, SL, Fabricação òtica, Impressão em resina, DLP, MPSL, FTI

3 MATERIAIS USADOS NA IMPRESSÃO 3D

As impressoras 3D usam materiais de vários tipos e direcionados a aplicação do projeto. Os mais comuns são poliméricos mas existem muitas aplicações bastante uteis e interessantes usando metal, ligas metálicas e cerâmicas.

3.1 Materiais Poliméricos

A maioria das impressoras 3D disponíveis usa materiais poliméricos como insumo. As características físico-quimicas dos polímeros usados varia muito e sua aplicação vai desde prototipagem até impressão de partes humanas na medicina.

Um polímero menos comum mas com importância para indústrias como a automotiva e aeroespacial é o Policarbonato (PC). Ele possui maior resistência a impacto e a riscos. Mas seu ponto de derretimento é de aproximadamente 260 célsius, a maioria das impressoras não consegue sustentar esta temperatura.

Também são usadas as Poliamidas ou Nylon. É um material especialmente relevante quando o projeto exige um produto flexível e com grande aderência entre as camadas depositadas. A temperatura de extrusão fica entre 240 e 270 célsius. Outra vantagem é que o Nylon resiste a dissolução por acetona (que dissolve ABS e PLA), uma propriedade química que pode ser relevante dependendo da aplicação. Outra vantagem da impressão em Nylon é que os produtos costumam ter maior estanqueidade dada a grande aderência entre as camadas.

Outro material muito importante é o Álcool Polivinilico(PVA). Seu principal uso é como material de suporte já que é solúvel em água. Sua temperatura de derretimento é entre 180 e 200 célsius. Outro diferencial de sua aplicação é que algumas variedades de PVA são condutoras de eletricidade, apesar disso o modelo deve ser mantido em lugares com baixa humidade.

3.1.1 ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene)

O ABS é um polímero bastante utilizado em impressoras de prototipagem 3D do tipo FDM de baixo custo. O ABS é um material amplamente utilizado na indústria é encontrado em para choques de carros, mesas, eletrodomésticos, dentre outros utensílios.

O polímero tem boas propriedades mecânicas e possui um acabamento brilhante. A temperatura de extrusão do ABS situa-se entre 210°C e 240ºC dependendo de características do próprio fabricante do ABS.

Durante a de extrusão o ABS libera um odor característico que pode ocasionar desconforto em algumas pessoas. Outra característica que dificulta seu uso é sua adesão ao plástico da mesa já que o ABS tende a se contrair no processo de resfriamento e portanto as peças tendem a descolar da mesa. A contração pode não ser acompanhada do descolamento da peça mas normalmente fica com a base bastante deformada (com os cantos levantados).

A solução mais comum é utilizar uma mesa aquecida, geralmente entre 100 e 120ºC, recoberta por fita Kapton. Outra solução é aquecer o volume da impressora.

3.1.2 PLA (Polylatic Acid - Ácido Polilático)

O plástico PLA possui características bastante interessantes pois além de ser um plástico compostável é biodegradável, reciclável, biocompatível e bioabsorvível. Entretanto é importante ressaltar que apesar de todas essas características o plástico depende de condições adequadas para ser biodegradável e deve ser descartado em usinas de compostagem.

Este polímero é uma matéria prima comum e amplamente utilizada na prototipagem rápida com impressoras FDM. Sua principal vantagem é a facilidade de impressão pois há possibilidade de impressão sem a necessidade da mesa aquecida. Sua temperatura de extrusão fica entre 170°C e 200ºC.

Mecanicamente o PLA é mais rígido que o ABS e resiste um pouco mais a tensões de flexão/torção. Um de seus pontos negativos é a baixa resistência térmica já que o PLA não suporta temperaturas muito altas. Algumas pesquisas têm desenvolvido misturas de PLA com alguns aditivos que buscam melhorar as suas propriedades e reduzir seu custo de produção.

3.1.3 PVA (Polyvinyl alcohol - Álcool de Polivinila)

O PVA é um plástico pouco conhecido se comparado ao PLA e ABS. O grande diferencial do PVA é sua capacidade de se dissolver em água o que possibilita seu uso como material de suporte.. Máquinas dotadas de duas cabeças de extrusão imprimem a peça em ABS ou PLA e o suporte em PVA. O processo termina com a peça sendo imersa em água, o que causa a dissolução do PVA.

Uma das desvantagens do PVA é seu baixo ponto de fusão. Quando o plástico é exposto a temperaturas acima de 200ºC por um certo período de tempo ocorre a formação de aglutinados que entopem o bico de extrusão, a retirada destes aglutinados é trabalhosa.

Para contornar este problema, a temperatura de extrusão deve estar na a faixa de 160°C a 190ºC.

3.1.4 2PC (Polycarbonate - Policarbonato)

O policarbonato é um termoplástico maleável que aceita ser dobrado, é transparente e muito resistente. Sua utilização é ampla, incluindo desde o modelismo até a manufatura de vidros a prova de bala.

O PC é extrudado entre 260 e 310ºC e é muito sensível a umidade.Essas características são importantes quando se deseja obter peças transparentes. O ambiente deve ser mantido seco assim como o plástico.

Sua utilização em prototipagem rápida com impressoras 3D ainda não é muito comum, mas novos métodos de impressão estão sendo aprimorados para o uso desse termoplástico.

3.2 Materiais Metálicos

A expansão do uso da impressão 3D e a manufatura aditiva de peças metálicas atualmente é alvo de muitas pesquisas e está avançando rapidamente. Existe um grande fluxo na direção de sua aplicação para produção industrial de uma vasta gama de produtos. Este movimento se intensificou nas últimas duas décadas e é acompanhado pelo aumento na disponibilidade de novos materiais. A aplicação das impressoras para produção de peças metálicas oferece novas soluções o que

implica em mudanças no cenário econômico além de trazer a tona diversos desafios inerentes a criação e aplicação de uma nova tecnologia.

Algumas patentes são especialmente importantes para produção de peças metálicas, são as que envolvem contêineres com pó metálico e feixes de elétrons e luz como fonte de energia. O equipamento direciona digitalmente a fonte de energia nos pontos descritos pelo arquivo do objeto projeto produzindo peças com grande precisão além de possibilitar automação e controle a distância. Além das características excepcionais das peças produzidas a aplicação dispensa o uso de ferramentas e desenvolve peças a partir de objetos projetados em CAD.

Entretanto, ainda existem muitos desafios científicos e técnicos a serem superados. Muitos deles relacionados a aplicação em larga escala das tecnologias. Um dos pontos delicados de sua aplicação é a microestrutura e estrutura cristalina observada em peças produzidas por este tipo de manufatura. As estruturas normalmente diferem daquelas encontradas em peças produzidas por outros métodos.

Além disso, existem as variações causadas pelos processos físicos de consolidação dos materiais. O modo como o metal se consolida pode variar com o lote do material de ‘input’, com os parâmetros de processamento do material, com a arquitetura dos equipamentos entre outros. Assumir o controle sobre todos estes parâmetros é uma tarefa de grande complexidade.

O desenvolvimento do uso deste tipo de impressão também depende de grande controle sobre as variáveis de pós processamento das peças. Estão sendo desenvolvidos protocolos para tratamento por calor e pressão afim de obter características micro estruturais mais homogêneas objetivando obter variações pequenas o suficiente para permitir seu uso comercial.

Figura 3.1 Primeira peça produzida por impressão 3D em metal 1990 Bourelll

Alguns metais já estão sendo usados desde 1990 (Figura 3.1) para produção de peças, mas houve um grande avanço no uso da tecnologia após 1991 com a pesquisa da universidade do texas e posterior desenvolvimento feito pela 3D-systems.

Titânio

As ligas com base de titânio por exemplo possuem características mecânicas e químicas excepcionais, sob o revés de um grande custo. A resistência a tensão das ligas de titânio se deve ao

formato hexagonal da microestrutura. O ponto negativo das ligas é sua ductilidade mas isso pode ser controlado com diferentes tratamentos térmicos.

Figura 3.2 Exemplo de uso de impressão em liga de titânio

O uso de ligas de titânio oferece muitas vantagens apesar de seu elevado custo (Tabela 3.1). A impressão pode produzir peças de grande complexidade o que aumenta as possibilidade de otimização e design. As propriedades mecânicas do titânio são conservadas ou seja, as peças são leves, resistentes.

Outra vantagem é a eliminação de pontos de solda diminuindo o número de regiões potencialmente frágeis.

Durante a fabricação tradicional é comum remover material em excesso, como o titânio é um material caro isso pode ter um impacto não desprezível sobre o custo. Peças impressas usando impressão 3D dispensam esse passo e portanto reduzem o custo de desperdício do material.

Tabela 3.1 Vantagens e desvantagens do uso da tecnologia para peças de titânio

Vantagens do uso Desvantagens

Possibilidade de impressões complexas Alto custo do pó de titânio

Elimina pontos de solda

Elimina passos no processo de fabricação

Fabricação rápida

Redução de perda de material

A impressão 3D de objetos metálicos normalmente é feita a partir da aplicação de calor no pó do material. Essa aplicação é feita em camadas sucessivas até termos o sólido formado. Alguns modelos são mais adequados para certos tipos de liga de titânio.

Tabela 3.2 Modelos de impressoras mais comuns para impressão em ligas de titânio

Tipo de impressora Fabricante Modelos Ligas

DMLS(Direct Metal Laser Sintering)

EOS Titanium 3D Printers

M 280, M 290, M 400)

Ti6Al4V

EBM(Electron Beam Melting)

Arcam Titanium 3D Printers

Ti6Al4V Grade 5, Ti6Al4V ELI Grade 2 e Titanium Grade 2

DMD (Direct Metal Deposition)

Titanium 3D printer: Lens

CP Ti, Ti 6-4(Ti6Al4V), Ti 6-2-4-2(Ti6Al2Sn4Zr2Mo)

SLM(Selective Laser Melting)

SLM Solutions Titanium 3D Printers (

SLM 125 HL, SLM 280 HL, SLM 500 HL

Ti, Ti6Al4V, TiAl6Nb7

Níquel

As ligas de níquel em pó possuem uma microestrutura diferente das ligas fabricadas usando métodos convencionais. Isso pode fazer com que sejam mais fortes e entreguem melhor performance e durabilidade. A dureza das ligas em pó é maior e isso significa que espessuras menores podem tornar componentes mais leves e compactos, o que é relevante para economia de combustível por exemplo.

O maior desafio no uso deste tipo de liga é lidar com a microestrutura do material e com a qualidade do pó de liga usado.

Alumínio

As ligas de alumínio exigem uma potência maior dos lasers pois o alumínio possui uma grande condutividade térmica. Outra questão das peças impressas em ligas de alumínio é sua oxidação. Peças impressas em ligas de alumínio estão sujeitas a geração de regiões de fragilidade. Uma liga que merece destaque é a Al-10Si-Mg pois de acordo com pesquisas realizadas a liga mantém suas características mecânicas da pré-fabricação. A precisão das peças normalmente é melhorada quando a máquina é pré-aquecida.

Figura 3.3 Peça impressa em alumínio

Tabela 3.3 Tabela de vantagens e desvantagens do uso da tecnologia de para peças de alumínio

Vantagens Desvantagens

Criação de estruturas complexas Limitação no tamanho das peças

Redução do tempo de montagem Necessidade de revisão das propriedades do material

Uso de Otimização topológica

Permite design e construção remotamente

Tabela 3.4 Modelos de impressoras mais comuns para impressão em ligas de Alumínio

Tipo de impressora Descrição do processo

DED(Direct Energi Deposition) É um tipo de impressora que deposita energia no pó de material usando um laser, feixe de elétrons ou arco elétrico ou de plasma

PBF(Powder Bed Fusion) A energia térmica é aplicada em regiões métodos como SLS(selective laser sintering), SLM (Selective Laser Melting), EBM (Electron Beam Melting)

Ligas de aço inoxidável

As impressoras mais comuns para esse tipo de material usam Binder Jetting. Esse tipo de impressão envolve “colar” camadas de aço inoxidável com a ajuda de um agente colante que se solidifica depois de aplicação de calor por uma lâmpada.

Assim como em outros materiais o uso do aço possui muitas vantagens, desvantagens e aplicações (Tabela 3.5).

Tabela 3.5 Tabela de vantagens e desvantagens do uso da tecnologia de para peças de ligas de aço inoxidável

Vantagens Desvantagens Aplicações

Durável Dificuldade de impressão Militar

Relativamente Barato Estudo das características do material

Dental

Leve Ferramentas

Resistente ao calor Indústria automotiva

Produção rápida Jóias

Implantes

Manufatura

Construção

Decoração

4 APLICAÇÃO NO SETOR DE CONSTRUÇÃO NAVAL

A manufatura aditiva, também conhecida como impressão 3D tem crescente relevância em diversos setores da economia, incluindo o de construção marítima. O uso dessa tecnologia muda radicalmente as cadeias de suprimento, os projetos de produtos e o modo de produção em diversos setores graças a benefícios como produção localizada sob demanda e maior liberdade na forma.

No entanto ainda existem dúvidas relacionadas ao custo benefício da tecnologia devido a lacunas no conhecimento, alta variação tecnológica e falta de padronização. Essas incertezas limitam bastante a ampliação do uso no setor de construção marítima. Esta questão é especialmente relevante para a fabricação de blocos ou partes em larga escala já que existem muitas pesquisas na área estrutural que ainda estão em desenvolvimento ou pendentes.

A tecnologia como um todo ainda apresenta muitos desafios que são trazidos para realidade do setor da construção naval, mas suas vantagens também são incontáveis. Modelos para análise de projeto e criação de novos projetos e novos métodos de produção também são necessários para a ampliação da confiança na tecnologia e de seu uso no setor

Um dos desafios para implantação da tecnologia seria classificar as peças ou blocos fabricados. A questão já recebeu atenção da classificadora DNV-GL que já publicou um ‘guideline’ para o uso da tecnologia no setor naval. Segundo a classificadora o uso da tecnologia é uma inovação capaz de “mudar o jogo” no setor naval. (DNV-GL, 2018)

“Additive manufacturing, also known as 3D printing, is another potential game changer in shipping. Not only can AM result in new designs for more efficient machinery components, it could also allow spare parts to be produced locally around the world. This shortens the time required for repairs and contributes to more efficient ship operations.”

Além disso a DNV já oferece serviço de classificação para peças fabricadas usando manufatura aditiva como a impressão 3D, o “caminho” (‘pathway’) de classificação seria o seguinte:

Figura 4.1 Caminho para classificação de peças produzidas usando manufatura aditiva

A aplicação da manufatura aditiva na indústria naval pode gerar novos caminhos para pesquisa e novas soluções para tornar projetos mais lucrativos. Explorar e implementar as soluções que oferece pode ser essencial para a prosperidade do setor nos próximos anos.

A aplicação na construção de cascos e partes de embarcação vem sendo pesquisada e explorada por algumas empresas e laboratórios. A impressão de cascos inteiros normalmente é feita em polímero e usando impressoras de grande porte com alguns metros de área de impressão. A área já recebeu atenção de sociedades classificadoras como a DNV-GL. A impressão dos cascos ainda está limitada a embarcações de pequeno porte, mas o desenvolvimento da tecnologia aliada a otimização estrutural parece ter um futuro promissor na construção de blocos de embarcações maiores.

4.1 Impressão de estruturas otimizadas navios

Nas últimas décadas o desenvolvimento de técnicas de otimização estrutural permitiram que os engenheiros idealizem projetos estruturais da forma mais eficiente possível. A principal motivação para este aumento de eficiência é a redução da quantidade de material o que tem efeito positivo no impacto ambiental e ônus econômico. A desvantagem das técnicas é que o processo de fabricação das estruturas pode se tornar extraordinariamente difícil. (Bartels & Houben, 2016)

Neste ponto o uso de impressão 3D se torna extremamente favorável, por permitir a impressão de estruturas tão complexas quanto necessário sem aumento de custo por unidade.

Figura 4.2 Exemplo de resultado de otimização topológica

Figura 4.3 Exemplo de suporte para indústria aeroespacial otimizado e impresso usando impressão

3D

O uso de estruturas otimizadas no setor de construção deve superar o desafio de imprimir componentes de forma confiável. Um dos requisitos é termos uma grande taxa de deposição de material garantindo e garantir a durabilidade e confiabilidade das partes impressas. (D. Brackett, 2011)

Alguns modelos modelos para impressão de blocos relativamente grandes estão disponíveis.

Tabela 4.1 Modelos comerciais de impressoras cogitados para construção de blocos relativamente

grandes

4.2 Construção de submarino

A marinha estado unidense está sendo uma das protagonistas na utilização da tecnologia. E uma de suas aplicações a instituição imprimiu um protótipo de casco de submarino em 4 semanas. A impressora usada é um tipo de impressora aditiva chamada BAAM.

A impressora BAAM é uma impressora para produção de itens grandes, mais de 10 vezes maior do que os produzidos em impressoras 3D comuns. Outro diferencial é seu funcionamento a uma velocidade de 200 a 500 vezes maior que qualquer outra máquina de manufatura aditiva. Este mesmo modelo de impressora já foi usado para imprimir um carro em escala real.

Figura 4.4 Casco de Submarino impresso usando uma BAAM

A impressão 3D algo que está revolucionando o mundo de várias maneiras. Se até alguns anos atrás esses equipamentos só trabalhavam com plásticos frágeis, hoje em dia, é possível até mesmo imprimir peças em ferro e fibra de carbono.

Todas essas características estão fazendo com que a técnica seja adotada pelo setor militar. Não demorou muito para que exércitos do mundo inteiro percebessem as vantagens de manufaturar

aditivamente equipamentos de batalha, em vez de manter um estoque de peças reserva no campo de batalha (ou tentar consertar algum equipamento que quebrou), é muito mais fácil levar uma ou duas impressoras e fabricar na hora um componente caso seja necessário.

Outra grande vantagem da impressão do submarino foi seu custo, que apesar de chegar aos 800 mil dólares representou uma redução de custos de 90%.

4.3 Impressão 3D de casco de embarcação - LSAM

LSAM significa large scale additive manufacturing. De modo simplificado pode ser descrita como uma impressora 3D do tipo FDM mas com dimensões maiores.

O desenho do casco foi dividido em blocos que foram impressos em grupos, a deposição de material foi feita na longitudinal da embarcação. Os blocos foram colados e receberam tratamento para tornar a superfície menos rugosa.

Figura 4.5 Sequência de impressão e montagem de um casco fabricado em 3DP

4.4 Moldes de casco

Fabricar um casco de fibra de vidro ou de carbono exige a produção de um molde ou ‘plug macho’, que normalmente possui grande complexidade e cujo tempo de fabricação é bastante longo. A impressão 3D pode diminuir o tempo de produção destes ‘machos’, reduzindo o custo e tempo de fabricação dos cascos. (Brian Post, 2018)

Figura 4.6 . Fabricação tradicional de um plugue

Figura 4.7 Molde produzido por fabricação tradiciona

A manufatura aditiva começa com o desenvolvimento de um molde em software de CAD. O molde nessa fase é uma única peça virtual, mas que posteriormente será cortada em quantas partes for necessário para impressão dentro do volume da impressora.

Figura 4.8 Exemplo de molde em software de CAD

No caso analisado foi usada uma impressora do tipo BAAM, que simplificadamente é uma impressora do tipo FDM com grandes dimensões. Os desafios de impressão foram exatamente superar as limitações dimensionais da impressora e escolher uma boa disposição na impressora já que ângulos de casco muito acentuados resultam em uma impressão ruim, dado que a impressão é feita em camadas.

Outro problema é a espessura do bico de proa, que pode ser menor que o material extrudado, é um ponto de atenção para acabamento.

No caso estudado o projetista dividiu o molde em 12 partes, 6 em cada bordo.

Figura 4.9 Molde para impressão composto por 12 partes

Uma vista importante para fabricação do molde é a variação da superfície. A variação não deve ser muito acentuada ou podem ocorrer problemas durante o processo de impressão.

Figura 4.10 Variação da superfície

Os blocos foram então posicionados para a montagem do molde inteiro. Foram colocadas guias de madeira e cola epóxi entre as partes.

Figura 4.11 Blocos posicionados e com cola epóxi

Foram usadas ‘threaded rods’ para alinhas os blocos, suportes de madeira e aplicada tensão transversal para garantir que os blocos fiquem alinhados enquanto colam.

Figura 4.12 Threaded Rods

Figura 4.13 . Estruturas de suporte de madeira

Figura 4.14 Fitas aplicando tensão as partes

Cada seção levou aproximadamente três horas para ser montada, e as seções não foram manuseadas por 24 horas para permitir que o epóxi curasse completamente. (Brian Post, 2018)

Feito isso o molde está completo e segue a laminação do casco. Tomando cuidado com a solubilidade do plástico nas resinas usadas e a temperatura do ambiente.

Figura 4.15 Fibra de vidro laminando o molde

Figura 4.16 Aplicação de espuma no molde

Figura 4.17 Infusão de resina no molde

Figura 4.18 Casco finalizado

Tabela 4.2 Dados de dimensão, tempo de fabricação, material e custo do molde

Peso do molde 5500 lbs

Custo por libra $5/lb

Custo total 27.500 libras

Material Fibra de carbono e plástico ABS

Tempo de impressão 5 dias

Tamanho da BAAM 8 ft x 20 ft x 6 ft

4.5 Aplicação em peças

A produção de peças para pequenas e grandes embarcações é uma grande área para aplicação da impressão 3D. A impressão pode ser de peças inteiras, em plástico ou metal. Ou de peças que servirão como moldes para facilitar o processo de produção. Além disso existe interesse na impressão de peças de reposição para navios em operação.

4.5.1 Polo Náutico

O Polo Náutico é um núcleo acadêmico dedicado a atividades de pesquisa e desenvolvimento relacionados à engenharia de embarcações de lazer, esporte e serviço. O polo se concentra no projeto e construção de embarcações e busca desenvolver projetos junto a instituições e empresas.

Algumas soluções e tecnologias são desenvolvidas pelo polo principalmente nas área de fabricação de embarcações através da laminação em moldes.

Impressão de perfil para campeonato de hidrodinâmica

Um dos alunos da engenharia naval Renan Jablausky, imprimiu um fólio para participar de um campeonato de hidrodinâmica de uma das disciplinas do curso. O uso da impressora entrega muito mais liberdade na forma a ser impressa mas exige cuidado com relação a rugosidade da peça já que o material é depositado em camadas. Muitas vezes a rugosidade é controlada a partir do pós tratamento da peça, ou com lixas ou com algum material solvente capaz de suavizar a superfície de impressão.

Outro detalhe é que as peças foram deixadas no carro o que levou ao derretimento e comprometimento da forma. As peças deve ser guardadas em lugares não muito quentes ou podem estragar.

Figura 4.19 Impressão de perfil para campeonato de hidrodinâmica

Impressão de molde de proa e Popa para pequenas embarcações

A empresa FUSE, que funciona no polo náutico imprimiu um molde para popa e proa de uma pequena embarcação.

Para esta aplicação a impressora 3D foi usada para impressão do macho do molde da proa e popa de uma pequena embarcação. Alguns detalhes foram observados como a rugosidade da peça, que foi reduzida através do uso de uma resina adicionada de um sólido afim aumentar a viscosidade e evitar o escorrimento durante a adição de fibra. Outro detalhe é que deve-se tomar cuidado com o tipo de resina usada pois algumas podem reagir quimicamente com o PLA o que leva ao derretimento da peça. Existem resinas não reativas que devem ser selecionadas e usadas.

Figura 4.20 Proa e popa de embarcação impressas pela FUSE no polo náutico

4.5.2 WAAMpeller- Aplicação Propulsor Real

WAAM significa (wire + Arc additive manufacturing),

O grupo composto por Damen Shipyards, RAMLAB, Promarin, Autodesk e Boureau veritas buscou imprimir um propulsor em tamanho real com propósito de verificar seu potencial. O propulsor impresso foi classificado pela BV e está em operação.

O propulsor possui 298 camadas de impressão 3D, pesa 400 quilos e possui 1.30 metros de diâmetro e é feito de uma liga de níquel, alumínio e bronze, o material foi depositado usando uma impressora de solda em arco.

Sua fabricação é considerada um marco no desenvolvimento da impressão 3D aplicada ao mercado naval.

Figura 4.21 Propulsor impresso por 3DP que recebeu classificação

Figura 4.22 Processo de impressão do propulsor usando WAAM

4.6 Aplicação em protótipos

O uso de modelos reduzidos apresenta diversas vantagens amplamente exploradas por campos da engenharia. Os modelos permitem maior controle sobre variáveis ambientais gerando dados com menor distorção e são muito mais baratos de construir. Muitos laboratórios são altamente especializados na fabricação e análise do comportamento destes modelos como o LabOceano.

5 APLICAÇÃO DA TECNOLOGIA PARA PROTÓTIPOS NA CONSTRUÇÃO NAVAL

A impressão de partes de reposição, cascos inteiros e propulsores já é possível e estas soluções já estão sendo usadas em empresas ou em alguns casos até embarcadas. Entretanto, no cenário Brasileiro a tecnologia vem sendo pouco explorada, principalmente por exigir grande investimento e conhecimento técnico .Tendo isso em vista será proposto um método de aplicação da tecnologia com a finalidade de desenvolver e imprimir protótipos para uso em setores da construção naval usando impressoras do tipo desktop, software acessível e comandos simplificados afim de aproximar o uso da tecnologia no setor.

O trabalho foi desenvolvido com auxilio de uma parceria entre o laboratório Construa da UFRJ que forneceu todo o apoio intelectual e infraestrutura e com o SENAI – FIEMG onde os modelos foram impressos e de onde foi disponibilizado fontes de informação relacionadas ao processo de impressão, uso de Softwares e estado atual da aplicação da tecnologia.

Além disso SENAI disponibilizou as impressoras e o material usados para impressão dos modelos. As impressoras usadas são das fabricantes Makerbot e Cliever que são duas fabricantes de impressoras que apesar de acessíveis entregam boa qualidade na impressão.

Foram analisados os custo de impressão e os tempos de desenvolvimento do modelo 3D para que se tenha uma boa aproximação dos custos e dificuldades na aplicação e uso da tecnologia.

O método foi desenvolvido a partir da escolha de um software e de considerações sobre a escolha da escala e sua importância. A partir dai foram gerarados modelos tridimensionais que foram exportados e levados para impressora 3D (Figura 5.1)

O fluxograma de desenvolvimento

Figura 5.1. Fluxograma de desenvolvimento do método

5.1 Considerações iniciais

Na fase preliminar vai ser definido o propósito do modelo buscando o uso de software e escala adequados, afim de se obter uma impressão que atenda aos propósitos do projetista.

O primeiro passo é a obtenção do arquivo a ser impresso e a definição do propósito do modelo. O propósito o modelo é a visualização de interesse para a aplicação. Isso é importante porque define

qual a escala que deve ser usada para impressão. Um exemplo é a importância de imprimir ou não os reforçadores do chapeamento. Imprimir esses reforçadores exige uso de uma escala que gera um modelo grande e a subdivisão do modelo depende do modelo da impressora. Ou seja, dependendo do tamanho do modelo a ser impresso o número de peças pode ser muito grande e isso pode inviabilizar a impressão.

Feito isso deve-se definir o Software a ser usado para modelagem. Existe um grande número de programas disponíveis no mercado, foram analisados alguns programas afim de definir aquele que atende melhor aos objetivos do nosso trabalho.

Parâmetros de Escolha

Foram levados em conta alguns parâmetros para escolha do Software, o custo, o conhecimento do software no mercado e seu peso computacional e facilidade de uso e aprendizado.

Foi atribuído um valor entre 0 e 3 para cada um dos critérios avaliados

Rhinoceros

O Rhinoceros (Rhino ou Rhino3D) é um software de modelagem tridimensional baseado na tecnologia NURBS. A tecnologia NURBS ou “Non Uniform Rational Basis Spline” é um modelo matemático usado para representar curvas e superfícies.

O custo do programa para uso comercial fica em torno de 1000 dólares. Os profissionais consultados conheciam o programa mas não reconheciam seu uso.

AutoCad

O AutoCad é o programa de CAD mais utilizado no mercado, é um programa baseado em AutoLISP (derivada do LISP que é uma variação do visual basic). O software é vendido como uma assinatura e o custo da assinatura anual fica em torno de 1200 dólares.

DraftSight

O DraftSight não é conhecido pelo mercado, mas é uma opção de baixo custo já que é nativo do Linux e possui código aberto. Existe a opção paga mas dada a simplicidade do método que desenvolveremos sua opção gratuita entrega todos os recursos necessários.

Muitos outros programas podem ser utilizados para gerar os modelos. O limitante mais forte é que o programa deve exportar arquivos para .stl, mas isso também pode ser contornado usando um conjunto de programas que possibilite essa importação.

Tabela Comparativa

Deve-se decidir qual programa usar para executar o projeto e fazer isso do modo mais racional e imparcial possível. Deste modo deve-se listar os atributos considerados mais relevante para seleção do programa e então buscar o programa que melhor atende ao proposito e limitações do projeto.

Para o projeto projeto foram eleitos como critérios relevantes o custo, o uso no mercado, os requisitos computacionais do programa e a facilidade de uso (ou disponibilidade de material de apoio) aos critérios foi atribuído um valor de 1 a 3 a cada um dos critérios. Quanto mais alta a nota melhor.

Custo

O custo é relevante dado que o objetivo é tornar viável o desenvolvimento de um projeto semelhante em pequenas oficinas e estaleiros. O custo deve ser o menor possível. Dos programas considerados o Autocad é o mais caro e nas versões mais recentes oferece uma assinatura anual.), seguido do Rhinoceros e DraftSight que é gratuito e disponível para Linux.

Uso no mercado

O uso no mercado é relevante por facilitar o uso do modelo em diferentes locais e reduzir a necessidade de treinamento para uso do software

Dos softwares considerados o mais utilizado no mercado é o Autocad, seguido do Rhinoceros e

DraftSight.

Peso Computacional

. O peso computacional do programa reduz a necessidade do uso de computadores dedicados ou com configuração mais restrita

Facilidade de uso

A facilidade de uso considera os comandos a serem usados para modelagem e a disponibilidade de material de treinamento.

Tabela 5.1. Critérios de seleção do programa

Programa/Parâmetro Rhinoceros AutoCad DraftSight

Custo 2 1 3

Uso Mercado 2 3 1

Peso Computacional 2 2 3

Facilidade de uso 2 3 1

Nota: 8 9 8

O AutoCad foi o Software selecionado para modelação dos blocos principalmente por sua facilidade de uso, disponibilidade de cursos e por ser a ferramenta consolidada no mercado.

Alguns outros programas podem ser considerados em especial o DraftSight por ser um Software gratuito nativo de um sistema de código aberto, ou ainda o SolidWorks e o Siemens Nx, que são programas um pouco menos acessíveis sob o ponto de vista financeiro mas que permitem modelagem paramétrica.

Definido o programa que será utilizado deve-se definir a escala do modelo. A escala é relevante porque se relaciona com a visualização do modelo depois de impresso e com os custos de impressão e complexidade da montagem do modelo impresso.

Definição da escala:

A definição da escala deve levar em conta o que se deseja imprimir. A limitação do fator de escala é dada por uma relação entre a menor estrutura desejada e a expessura mínima de impressão. Para impressão da estrutura de um navio o limitante normalmente são os reforçadores ou seja caso o projetista opte por imprimir reforçadores deve estar consciente que pode ter que lidar com a impressão de modelos modelos de grande dimensão, já que os reforçadores possuem alguns milímetros de expessura que serão representados em 1.5 mm da limitação de expessura de impressão

Em teoria os modelos podem ser tão grandes quanto se desejar já que o material polimérico das peças pode ser colado. Mas o custo dos modelos pode ser elevado e a montagem complexa demais.

Pode-se desenvolver um exemplo de cálculo de escala. Vamos supor o projeto de uma

embarcação com as seguintes dimensões:

𝐿𝑝𝑝 = 90 𝑚, 𝐵 = 20 𝑚 , 𝐷 = 10 𝑚

Onde:

𝐿𝑝𝑝 = 𝐶𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑝𝑒𝑟𝑝𝑒𝑛𝑑𝑖𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟𝑒𝑠

𝐵 = 𝐵𝑜𝑐𝑎 𝑑𝑎 𝑒𝑚𝑏𝑎𝑟𝑐𝑎çã𝑜

𝐷 = 𝑃𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙

Espessura mínima de aço = 30 mm

(uma chapa grossa adiciona um coeficiente de segurança para nossa estimativa do tamanho de modelo)

Supomos que a espessura mínima de impressão é 1.5 mm, o filamento extrudado tem diâmetro de 0.1 mm mas modelos com espessura da parede menores que 1.5 mm ficam quebradiços.

Dimensões da impressora:

𝑙_𝑏𝑎𝑠𝑒 = 300 𝑚𝑚

ℎ_𝑏𝑎𝑠𝑒 = 300 𝑚𝑚

ℎ_𝑖𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑜𝑟𝑎 = 400 𝑚𝑚

𝑡_ min = 1.5 𝑚𝑚

𝑡 = 30 𝑚𝑚

𝑙_𝑏𝑎𝑠𝑒 = 𝑙𝑎𝑟𝑔𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑎 𝑏𝑎𝑠𝑒

ℎ_𝑏𝑎𝑠𝑒 = 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑎 𝑏𝑎𝑠𝑒

ℎ_𝑖𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑜𝑟𝑎 = 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑎 𝑖𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑜𝑟𝑎

𝑡_ min = 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑠𝑠𝑢𝑟𝑎 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑎 𝑎 𝑠𝑒𝑟 𝑟𝑒𝑝𝑟𝑒𝑠𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑎

𝑡 = 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑠𝑠𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑎 𝑚𝑒𝑛𝑜𝑟 𝑐ℎ𝑎𝑝𝑎 𝑎 𝑠𝑒𝑟 𝑟𝑒𝑝𝑟𝑒𝑠𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑎 𝑓𝑖𝑒𝑙𝑚𝑒𝑛𝑡𝑒

Ou seja, para representarmos uma chapa de 30 mm teríamos uma escala de :

𝜆 = 𝑒𝑠𝑐𝑎𝑙𝑎 =𝑡

𝑡=

30

1.5= 20

Para uma escala de 20, ou seja, a escala mínima necessária para representar o menor

Chapeamento.

Deste modo as dimensões do modelo:

𝑙𝑝𝑝 =𝑙𝑝𝑝

𝑒𝑠𝑐𝑎𝑙𝑎=

90

20= 4.5 𝑚

𝐷 =𝐷

20=

10

20= 0.5 𝑚

𝐵 =𝐵

𝑒𝑠𝑐𝑎𝑙𝑎=

20

20= 1 𝑚

Feito isso e interessante desenvolver o modelo no software de CAD. Decidir qual o software de CAD adequado é importante dado os diferentes custos e recursos de cada um dos programas. É importante ressaltar que podemos dividir os programas de CAD (computer aided design) em dois grandes grupos. Os programas de modelagem paramétricos e programas de modelagem não paramétricos.

Os programas de modelagem paramétricos são aqueles que permitem um controle maior sobre as dimensões dos modelos. Além permitir maior controle sobre as dimensões em si eles permitem a manipulação de relações geométricas e dimensionais. Programas desse tipo permitem

modificações no desenho dada uma entrada de novos valores, como o programa armazena relações entre as partes do desenho essas partes são corrigidas automaticamente. A grande vantagem no uso desse tipo de programa é a facilidade de editar o desenho sem a necessidade de retrabalho nas outras dimensões.

Outro tipo de modelagem é não paramétrica ou seja, caso seja necessária alguma correção esta deve ser feita em cada um dos elementos do desenho envolvidos.

Ao usar um processo de modelagem não paramétrica se corre um maior risco de retrabalho mas também aumenta a simplicidade nos comandos aplicados o que diminui uma potencial curva de aprendizado caso seja necessário treinamento. Definida a escala pode-se iniciar a modelagem do objeto tridimensional.

5.2 Modelagem

O objetivo desta etapa é gerar um modelo tridimensional composto apenas pelas partes interessantes para impressão. Para realizar a modelagem é necessário realizar os seguintes passos:

Partir de um arranjo 2D e obter arranjo 3D Garantir continuidade do modelo Exportar para .st

Neste ponto tem-se ou um arranjo bidimensional que que deve se tornar tridimensional, ou um modelo 3D pronto. No caso em que se tem um arranjo bidimensional deve-se partir deste modelo que já deve estar com a escala correta e garantir que o arranjo contenha apenas as partes que desejamos no modelo.

Figura 5.2 Exemplo de arranjo bidimensional a ser trabalhado

Pode-se ter que partir do modelo bidimensional e gerar o 3D ou partir direto do tridimensional. As etapas de modelagem deve ser seguidas até que se obtenha um objeto em cad3D pronto para importação. Escreveu acima o mesmo!!

Figura 5.3 Fluxograma básico para gerar o modelo 3D

Temos então ou um modelo 3D obtido ou um modelo 3D entregue.

Figura 5.4 Exemplo de modelo 3D pronto para exportação

Esses modelos 3D devem então ser verificados para garantir que não haja descontinuidades. Pode acontecer que durante o processo de modelagem ocorram erros que levem a existência de pequenos vãos quase imperceptíveis, deve ser tomado muito cuidado para que isso não ocorra ou essas pequenas descontinuidades podem ser lidas como região de não deposição de material e isso pode comprometer o modelo.

5.3 Exportação para impressora (arquivo .stl)

A conversão para arquivo .stl é um processo de importação do modelo tridimensional para um arquivo com uma estrutura de dados que pode ser lida pela impressora gerando um conjunto de instruções para movimentação do bico de extrusão.

Um arquivo .stl armazena as coordenadas dos vértices de cada triângulo e os componentes da normal unitária da superfície de cada triângulo. O vetor normal aponta para fora do modelo. Definir o que fica dentro e fora de um modelo 3D é tarefa da geometria computacional.

Figura 5.5 Vértices e normal em um triângulo formador de geometria no computador

O arquivo .stl é gerado pelo software que usamos para o modelo, no Autocad basta usar o comando exportar e escolher a extensão .STL. Outros programas usam processos parecidos. Modelos em .STL são descrições geométricas de um conjunto numérico(‘tesselation’), a descrição é feita a partir da definição de triângulos.

Figura 5.6 Comparação do modelo no CAD e em STL

O uso do formato .STL é considerado como ‘raw’ ou ‘cru demais’ para algumas aplicações já que armazena apenas informações geométricas, algumas vezes é necessário armazenar cores ou diferentes materiais. É por isso que a sociedade americana de teste e materiais (ASTM) está criando um padrão para a manufatura aditiva criando um novo tipo de arquivo, o formato chamado *.amf e deverá substituir os formatos majoritariamente usados hoje (.stl, .igs, .step). Consequentemente surgirão novas máquinas que poderão imprimir modelos dotados de um número maior de parâmetros.

Ao ser importado, o modelo deve ser estanque, ou seja, o modelo não pode ter furos ou descontinuidades, essa condição é indispensável para que a exportação gera um arquivo .stl com boa qualidade.

Normalmente o programa não conclui a importação quando essa condição não é atendida. Pode acontecer do programa gerar um arquivo .stl mesmo que existam algumas descontinuidades furos melhor? no modelo. Mesmo que essas descontinuidades ou furos não possuam dimensão para impressão (sejam muito pequenos quando comparados com o diâmetro da extrusão) a impressora pode não depositar material naquela região e isto compromete a integridade do modelo. Ele pode ficar quebradiço naquela região.

Figura 5.7 Exemplo da antepara vista anteriormente agora exportada em .stl

Essas informações de natureza mais matemática e computacional não são necessárias para exportar o modelo. É preciso apenas se preocupar com a escolha de um bom programa e uma modelagem sem falhas nas superfícies e usar o comando para exportar.

5.4 Impressão

O processo de impressão é basicamente transferir o arquivo para impressora ou através da rede (impressoras que se conectam a redes) , usando um pen drive ou através de outro método de transferência de dados (como Bluetooth).

Feito isso deve-se tomar alguns cuidados para evitar falhas, a seguir descrevemos alguns dos principais desafios do processo de impressão.

Cada modelo de impressora apresenta configurações e detalhes de manutenção próprios. Para nosso trabalho usamos modelos das fabricantes Makerbot e Cliver. Ambas impressoras apresentaram desafios durante o processo de impressão.

Desafios de impressão

Os desafios para imprimir um arquivo são problemas relacionados a fabricação de um modelo. Variam desde problemas computacionais até problemas mecânicos da impressora ou material.

Falta de filamento

É um problema simples, a falta de filamento não permite que a impressora faça seu modelo. Verificar se o filamento instalado é suficiente para imprimir seu modelo no início do processo é essencial. Se o filamento acabar no meio da impressão a substituição pode prejudicar a qualidade do modelo. Pode não ocorrer aderência entre a extrusão do novo filamento e o material depositado pelo filamento antigo ou ainda a impressora pode perder seu referencial.

Se a impressora perder seu referencial o bico não sabe onde estava o modelo antigo e a impressão normalmente tem que ser reiniciada.

Bico extrusor muito próximo do berço

Quando o bico extrusor fica muito próximo do plano de impressão a impressão não ocorre. Em impressoras que posicionam seu bico automaticamente normalmente é necessário que a impressora seja reiniciada ou ainda que seja feita a configuração do posicionamento inicial do extrusor. As vezes é necessário fazer esse reposicionamento mais de uma vez.

Em outras impressoras pode ser feito o afastamento manual do bico extrusor. Em ambos os casos depois de refeito o posicionamento podemos imprimir o arquivo de teste da impressora para verificar a qualidade da impressão.

Entupimento do bico extrusor

O bico extrusor pode entupir. Muitas vezes porque o material aquecido se solidifica após o final de uma impressão anterior e o bico permanece entupido. Nesse caso o bico deve ser desentupido seguindo a recomendação do fabricante.

Problemas de temperatura

Outro problema encontrado foi da temperatura do bico extrusor. A temperatura tem relação com o ponto do material que vai ser extrudado. Uma temperatura muito alta faz com que o material extrudado seja muito mais fluido do que deveria e a qualidade do modelo fica comprometida. Caso o bico esteja frio demais o material pode não ter aderência comprometendo a impressão.

Retirada do modelo do berço

O modelo normalmente é colocado sobre material antiaderente ou o próprio berço é feito com esse tipo de material. Mesmo assim o modelo fica um pouco “grudado” no fundo. A retirada é feita com uma espátula e deve ser feita com bastante cuidado porque as bordas do modelo podem ser bastante frágeis.

Outros problemas

O problema mais observado durante a impressão dos modelos foi alguma falha da impressora seguida da necessidade de reconfigurar o referencial da impressora. Um exemplo foi uma queda de energia que interrompeu a impressão. A interrupção fez a impressora esfriar e perder o referencial e a impressão teve que ser reiniciada depois de muitas horas.

5.5 Aplicação em modelo simplificado

Foi realizada a impressão de diversos modelos afim de verificar a viabilidade da aplicação da tecnologia no mercado naval. Os modelos foram feitos em Autocad e um dos objetivos do trabalho foi usar o menor número de funções no Autocad, buscando garantir simplicidade no processo afim de diminuir eventuais barreiras na aplicação e uso das técnicas e de reduzir a curva de aprendizado para desenvolvimento de novos modelos.

5.5.1 Antepara

A impressão de uma antepara com reforçadores objetivou o teste da espessura mínima real da impressão. Antes do desenvolvimento desta peça a recomendação de espessura era de no mínimo 2 mm o que é um limitante forte para impressão de blocos grandes já que limita a expessura de impressão dos reforçadores e portanto a escala do modelo.

A antepara foi impressa com reforçadores de espessura 1 mm que ficaram muito frágeis. No entanto graças a esta impressão conseguimos chegar a uma nova espessura mínima de 1.5 mm que é suficiente para impressão de peças fortes e permite uma redução de 25% na escala mínima da peça quando comparada com as geradas levando 2.0 mm como mínimo o que reduz proporcionalmente o custo e tempo de impressão da peça.

O modelo impresso partiu de uma antepara contida no arranjo de um PSV (Figura 5.8).O objetivo desta peça é verificar a espessura mínima de impressão objetivando adiantar eventuais desafios que surgirem quando o objetivo da impressão exigir a fabricação de uma peça detalhada, como pode ser necessário em peças usadas para treinamento ou acompanhamento de projetos.

Figura 5.8 Cad 2d Antepara

A partir do modelo 2D (Figura 5.8) foi gerado um modelo tridimensional (Figura 5.9)composto pela montagem de uma grande placa ( a antepara) e seus reforçadores. O conjunto foi montado no software e enviado como uma só peça para impressora através de um arquivo .stl.(.

Figura 5.9 Antepara - Modelo em CAD3D vistas

A impressão foi feita usando a impressora um modelo da fabricante Makerbot, que em teoria possui maior precisão e um material de extrusão mais homogêneo. O custo do material desta impressora é um pouco maior e sua velocidade de impressão é superior. Entretanto durante a experiência de impressão o modelo mostrou-se menos confiável que a impressora Cliever o que contrariou o que era esperado.

Características da peça para impressão

A tabela apresenta uma aproximação do tempo e custo de impressão(Tabela 5.2).

Tabela 5.2. Tabela de aproximação de custo e tempo de impressão da antepara

Volume da peça 28,52 𝑐𝑚

Impressora Usada Makerbot

Produtividade da impressora 11 𝑐𝑚

ℎ𝑜𝑟𝑎

Material 𝑃𝐿𝐴

Preço por volume 𝑅$ 3,60/𝑐𝑚

Custo total aproximado R$ 103,00

Tempo de impressão aproximado 3 horas

Tempo de Modelagem 7 dias

Figura 5.10 Antepara Modelo em .STL

Figura 5.11 Antepara Modelo Impresso

5.5.2 PTV

Tendo em mãos o arranjo bidimensional de um PSV decidiu-se modelar a região do pique tanque de vante ou PV. O objetivo é aplicar o método de impressão a esta região afim de analisar a qualidade de impressão em sua aplicação nas regiões fora do corpo paralelo, normalmente mais complexas.

Seguimos o método criado partindo do arranjo bidimensional de um PSV com dimensões reais(Tabela 5.3) com a finalidade de tridimensional em escala pronto para exportação para impressora.

Tabela 5.3 Dimensões do PSV

Dimensões da embarcação:

LOA 78,20 m

LPP 72,60 m

Boca 17,00 m

Pontal 7,20 m

Calado de projeto 5,00 m

O objetivo é imprimir o pique tanque de vante como um bloco único e sem reforçadores pois assim tem-se a forma do chapeamento em uma escala que permite a impressão do bloco em uma parte. Deve-se definir a região a ser impressa, simplificar o autocad e definir a escala de immpressão de acordo com o volume da impressora.

Para esta impressão foi utilizada uma impressora da Cliver, seu volume de impressão é pouco maior que 300 cm^3 e a limitação de sua impressão é 1,5 mm. Essas dimensões definem respectivamente o tamanho máximo da peça e o tamanho mínimo de partes impressas.

Nossa região a ser impressa vai das cavernas 112 a 120(Figura 5.12,Figura 5.13,Figura 5.14,Figura 5.15,Figura 5.16,Figura 5.17) com impressão dos conveses dessa região.

Figura 5.12 Vista lateral cavernas 112 a 117

Figura 5.13 Vista transversal caverna 112

Figura 5.14 Vista transversal caverna 115

Figura 5.15 Vista transversal caverna 117

Figura 5.16 Deck cavernas 112 a 120

Figura 5.17 Stringer Deck cavernas 112 a 120

Obtida a região de interesse devemos calcular a escala do desenho. Para o bloco de interesse chegamos a uma escala de 1 para 60. Com esta escala garantimos que os blocos contido entre as cavernas 112 e 120 não ultrapassem o volume da impressora.

Tabela 5.4. Dimensões da região e do modelo do tanque

Dimensões da região Dimensões da região Dimensões do modelo

Comprimento total 4800 mm 80 mm

Altura máxima 7200 mm 120 mm

largura 9644 mm 160 mm

A expessura do chapeamento foi mantida como expessura mínima de impressão, e portanto todas as chapas impressas possuem expessura de 1.5mm.

A partir dessas restrições e do arranjo foi gerado o peça modelo tridimensional (Figura 5.18) o modelo possui curvatura, encontro de planos, furos de diversos formatos e não é simétrico o que poderia ser um desafio para fabricação usando fabricação tradicional a partir de moldes.

Caso o volume do modelo superasse o da impressora seria necessário recortar o modelo em várias partes e exportar cada uma delas para .STL Como as dimensões de nosso modelo são menores que as da impressora basta exportarmos para .STL usando o comando ‘exportar’ do Autocad e selecionando o formato .stl, deste modo é obtido o arquivo para impressão(Figura 5.18).

Figura 5.18 PTV – CAD3D

O maior desafio de impressão desta peça foi a reduzir a necessidade de material de suporte. Já que alguns planos favoreciam a impressão e outros não. Posicionar a peça no plano transversal dispensou o uso de material de suporte(Figura 5.20), o posicionamento da peça em qualquer outro plano (Figura 5.19) implicaria no uso de uma grande quantidade de material de suporte.

Figura 5.19 Posicionamento do .STL do PTV que necessita de material de suporte

Figura 5.20 Posicionamento do .STL do PTV usada, dispensa material de suporte

Com o modelo .stl em mãos basta enviar o modelo a imp