Prototipagem rápida

Prototipagem rápida é um grupo de técnicas usadas para fabricar rapidamente um modelo em escala de uma peça ou montagem física usando dados tridimensionais auxiliados por computador (CAD). A construção da peça ou montagem é geralmente feita usando impressão 3D ou tecnologia de “fabricação de camada aditiva”.

Os primeiros métodos de prototipagem rápida tornaram-se disponíveis no final dos anos 80 e foram usados ​​para produzir modelos e peças de protótipo. Hoje, eles são usados ​​para uma ampla gama de aplicações e são usados ​​para fabricar peças com qualidade de produção em números relativamente pequenos, se desejado, sem a típica economia desfavorável de curto prazo. Esta economia tem incentivado agências de serviços online. Pesquisas históricas sobre a tecnologia RP começam com discussões sobre técnicas de produção de simulacros usadas por escultores do século XIX. Alguns escultores modernos usam a tecnologia da descendência para produzir exposições. A capacidade de reproduzir designs a partir de um conjunto de dados deu origem a questões de direitos, uma vez que agora é possível interpolar dados volumétricos a partir de imagens unidimensionais.

Como nos métodos subtrativos CNC, o fluxo de trabalho de CAD -AM de fabricação assistida por computador – CAD no tradicional processo de Prototipagem Rápida começa com a criação de dados geométricos, seja como um sólido 3D usando uma estação de trabalho CAD, ou fatias 2D usando um dispositivo de digitalização. Para prototipagem rápida, esses dados devem representar um modelo geométrico válido; ou seja, uma cujas superfícies delimitadoras envolvem um volume finito, não contêm buracos que exponham o interior e não se dobram sobre si mesmos. Em outras palavras, o objeto deve ter um “interior”. O modelo é válido se, para cada ponto no espaço 3D, o computador puder determinar unicamente se esse ponto está dentro, fora ou fora da superfície limítrofe do modelo. Os pós-processadores CAD aproximarão os formulários geométricos CAD internos dos fornecedores de aplicativos (por exemplo, B-splines) com uma forma matemática simplificada, que por sua vez é expressa em um formato de dados especificado que é uma característica comum na manufatura aditiva: STL (estereolitografia) um padrão de fato para transferir modelos geométricos sólidos para máquinas SFF. Para obter as trajetórias de controle de movimento necessárias para conduzir o SFF real, prototipagem rápida, impressão 3D ou mecanismo de manufatura aditiva, o modelo geométrico preparado é tipicamente cortado em camadas, e as fatias são digitalizadas em linhas (produzindo um “desenho 2D” usado para gerar trajetória como no caminho da ferramenta do CNC), imitando de maneira reversa o processo físico de construção de camada a camada.

Visão geral:
A prototipagem rápida é um processo usado para fazer artigos de plástico, metal ou cerâmica.Também conhecido pelo seu nome em inglês como “tecnologia aditiva”, já que seu processo de fabricação é adicionar material camada por camada. Em alguns casos, com propriedades físicas semelhantes às que seriam produzidas por métodos convencionais, como moldagem por injeção e extrusão, ou moldagem por sopro, dessa forma você evita fazer os moldes caros para fazer um protótipo que possa mudar sua forma. Inicialmente, a prototipagem rápida foi usada apenas para a fabricação de protótipos. Hoje em dia é usado como um processo de fabricação mais. Um exemplo é encontrado no setor odontológico, onde é usado para fazer estruturas metálicas que posteriormente serão cobertas com cerâmica, criando coroas e pontes dentárias.

Protótipos de design:
Eles servem para avaliar aspectos estéticos e ergonômicos.

Protótipos geométricos:
Eles são usados ​​para testar concordância geométrica, formulário e montagens.

Protótipos funcionais:
Eles mostram as características e padrões de comportamento em um teste do produto final.

Protótipos técnicos:
Eles são usados ​​para avaliar todas as funções da peça final.

O conceito
A prototipagem rápida integra três conceitos essenciais: tempo, custo e complexidade das formas.

Tempo: o objetivo da prototipagem rápida é produzir modelos rapidamente, com o objetivo de reduzir o tempo de desenvolvimento do produto.
Custo: A prototipagem rápida permite que protótipos sejam feitos sem a necessidade de ferramentas caras, garantindo o desempenho do produto final. Somos, portanto, capazes de explorar diferentes variantes do produto que está sendo desenvolvido, a fim de manter a solução mais adequada.
Complexidade das formas: máquinas modernas de controle numérico (fresamento CNC, impressoras 3D, …) são capazes de produzir formas extremamente complexas (inclusão, cavidade …), que não podem ser realizadas por processos como usinagem, por exemplo.

Áreas de aplicação
Os sistemas de produção 3D permitem que os carros elétricos sejam construídos e testados em um ano. A prototipagem rápida também é comumente aplicada na engenharia de software para testar novos modelos de negócios e arquiteturas de aplicativos.

História
Na década de 1970, Joseph Henry Condon e outros da Bell Labs desenvolveram o Unix Circuit Design System (UCDS), automatizando a tarefa laboriosa e propensa a erros de converter manualmente desenhos para fabricar placas de circuito para fins de pesquisa e desenvolvimento.

Na década de 1980, os formuladores de políticas dos EUA e gerentes industriais foram forçados a perceber que o domínio dos EUA no campo da fabricação de máquinas-ferramenta evaporou, no que foi chamado de crise da máquina-ferramenta. Numerosos projetos procuraram conter essas tendências na área tradicional de CNC CAM, que havia começado nos EUA. Mais tarde, quando os Sistemas de Prototipagem Rápida saíram dos laboratórios para serem comercializados, foi reconhecido que os desenvolvimentos já eram internacionais e as empresas de prototipagem rápida dos EUA não teriam o luxo de deixar um lead escapar. A National Science Foundation foi um guarda-chuva da Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço (NASA), do Departamento de Energia dos EUA, do Departamento de Comércio NIST dos EUA, do Departamento de Defesa dos EUA, da Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA) e do Escritório de A Naval Research coordenou estudos para informar os planejadores estratégicos em suas deliberações. Um desses relatórios foi o Relatório do Painel de Prototipagem Rápida na Europa e Japão de 1997, no qual Joseph J. Beaman, fundador da DTM Corporation, oferece uma perspectiva histórica:

“As raízes da tecnologia de prototipagem rápida podem ser atribuídas a práticas de topografia e fotoescultura. Em TOPOGRAPHY, Blanther (1892) sugeriu um método em camadas para fazer um molde para mapas topográficos de papel relevo relevo. O processo envolveu o corte das linhas de contorno em uma série de placas que foram então empilhadas. Matsubara (1974) da Mitsubishi propôs um processo topográfico com uma resina fotopolimerizadora foto-endurecedora para formar camadas finas empilhadas para fazer um molde de fundição. PHOTOSCULPTURE foi uma técnica do século XIX para criar réplicas tridimensionais exatas de objetos. O mais famoso é que François Willeme (1860) colocou 24 câmeras em um arranjo circular e simultaneamente fotografou um objeto.A silhueta de cada fotografia foi então usada para esculpir uma réplica. Morioka (1935, 1944) desenvolveu uma escultura fotográfica híbrida e um processo topográfico usando luz estruturada para criar fotograficamente linhas de contorno de um objeto. As linhas poderiam então ser transformadas em folhas e cortadas e empilhadas, ou projetadas em material de estoque para talha.O processo de Munz (1956) reproduziu uma imagem tridimensional de um objeto ao expor seletivamente, camada por camada, uma emulsão fotográfica em um pistão de abaixamento. Após a fixação, um cilindro transparente e sólido contém uma imagem do objeto. ”
– Joseph J. Beaman

As tecnologias referidas como Solid Freeform Fabrication são o que reconhecemos hoje como prototipagem rápida, impressão 3D ou manufatura aditiva: Swainson (1977), Schwerzel (1984) trabalhou na polimerização de um polímero fotossensível na interseção de dois feixes de laser controlados por computador. Ciraud (1972) considerou a deposição magnetostática ou eletrostática com feixe de elétrons, laser ou plasma para revestimento de superfícies sinterizadas. Todos foram propostos, mas não se sabe se as máquinas em funcionamento foram construídas. Hideo Kodama, do Instituto de Pesquisa Industrial Municipal de Nagoya, foi o primeiro a publicar um relato de um modelo sólido fabricado usando um sistema de prototipagem rápida de fotopolímero (1981). Mesmo naquela data inicial, a tecnologia era vista como tendo um lugar na prática de fabricação. Uma saída de baixa resolução e baixa resistência teve valor na verificação de projeto, fabricação de moldes, gabaritos de produção e outras áreas. As saídas avançaram constantemente em direção a usos de especificação mais altos.

Inovações são constantemente procuradas, para melhorar a velocidade e a capacidade de lidar com aplicações de produção em massa. Um desenvolvimento dramático que a RP compartilha com áreas relacionadas ao CNC é o open source livre de aplicativos de alto nível que constituem uma cadeia de ferramentas CAD-CAM inteira. Isso criou uma comunidade de fabricantes de dispositivos de baixa resolução. Hobbyists até mesmo fizeram incursões em projetos de dispositivos mais exigentes afetados por laser.

Técnicas
Aproximadamente desde o início da década de 1980, as tecnologias de formação de objetos tridimensionais começaram a se desenvolver intensamente não removendo material (torneamento, fresamento, EDM) ou alterando a forma da peça de trabalho (forjamento, estampagem, prensagem), mas aumentando gradualmente ( adicionando) um material ou alterando o estado de fase de uma substância em uma determinada região do espaço. No momento, houve um progresso significativo na tecnologia de formação de camada por camada de objetos tridimensionais com base em suas imagens de computador. Estas tecnologias são conhecidas por vários termos, por exemplo, SFF (Solid Freeform Fabrication), FFFF (Fast Free Form Fabrication) ou CARP (Computer Aided Rapid Prototyping), mas o mais amplamente utilizado:

Fabricação de aditivos
A técnica de “prototipagem rápida” mais acessível é a manufatura aditiva.

Ela entende:

A estereolitografia; em um banho de plástico líquido e polimeriza-lo usando um feixe de luz (laser, UV, IR …) (falamos de fotopolimerização (SLA).
Deposição de fio fundido (FDM): deposição mecânica de material plástico em camadas sucessivas.A máquina deposita um fio de plástico através de um bocal. O processo é mecânico.
A impressão de areia: Como a modelagem de deposição fundida, é um material de deposição mecânica por camada sucessiva, permite a fabricação de moldes de areia (moldagem) para a produção de peças de metal (bom material)
As camadas sucessivas do Edifício Direto a Laser: fundem pós metálicos injetados coaxialmente em um feixe de laser para obter a deposição de metal em camadas sucessivas.
A sinterização a laser, em um recipiente de plástico em pó fino e a frita (sinterização seletiva, fusão dos grãos deste pó de plástico, abreviação SLS).

Caso de prototipagem rápida por deposição de arame – FDM (Modelagem por deposição fundida)
Esta técnica consiste em fundir uma resina (usualmente um termoplástico tipo ABS) através de um bocal aquecido a alta temperatura. Um filamento fundido (da ordem de um décimo de milímetro) sai.Este fio é depositado online e é colado por fusão no que foi arquivado antecipadamente.

Essas máquinas destinam-se tanto à prototipagem rápida quanto à produção digital direta, um mercado em desenvolvimento. O grande interesse do FDM é permitir a criação de peças em bom material, tendo características mecânicas, térmicas e estabilidade idênticas às peças termoplásticas injetadas. Esta técnica também tem uma vantagem importante relativamente à estrutura de suporte necessária para a produção das partes, uma vez que este suporte de construção é na maioria dos casos feito de um material que não o material termoplástico que é ele próprio solúvel.

A densidade das peças também é ajustável porque esta técnica por adição de material permite preencher apenas parcialmente os volumes, criando uma rede de favo de mel – um ganho apreciado para os tempos de produção e a leveza das peças feitas.

O processo foi patenteado pela Stratasys. Esta patente expirou recentemente (2012), novos participantes embarcaram na fabricação de máquinas FDM, tentando seduzir principalmente consumidores individuais, com máquinas como o Cubify / Cubix / 3D System, ou o “REPLICATOR” da Makerbot / Stratasys. Essas máquinas geralmente são vendidas por menos de US $ 3.000.

Técnicas para obtenção de um protótipo que não são técnicas de manufatura aditiva
UTGV ou usinagem de alta velocidade com máquinas de controle numérico de múltiplos eixos; a desvantagem é o desperdício de material. Você pode usinar uma peça ou seu molde.
Fresagem digital. Este é um método subtrativo.

Recursos de TI
Eles estão tomando um lugar cada vez maior em prototipagem rápida. Esses são:

a engenharia reversa (formas de sistemas de aquisição associadas a software de reconstrução de superfície);
o desenho assistido por computador (CAD), métodos de fabricação, adicionando e removendo material;
pós-tratamentos.

Geometrias possíveis com esses protótipos
Em geral, você pode criar quase todos os tipos de geometrias. Mesmo muitas vezes geometrias podem ser fabricadas que outros processos tradicionais não podem fabricar. O fato é que o resultado de protótipos rápidos é o que se pode criar em um arquivo CAD ou de terceira dimensão.Deve-se levar em conta que o protótipo que é criado nesses programas nem sempre pode ser produzido em grande escala, já que no caso do protótipo rápido é apenas uma amostra do conceito que será criado e o próximo passo pode assumir a base desse protótipo é engenharia

Tipos de Prototipagem Rápida
Fabricação de partículas balísticas (BPM)
Fabricação de luz direcionada (DLF)
Carcaça de produção com carcaça direta (DSPC)
Modelagem de Deposição Fundida (FDM)
Fabricação de objetos laminados (LOM)
Impressão de resina laminada (LRP)
Fabricação de deposição de forma (SDM) (e Mold SDM)
Cura de solo sólido (SGC)
Sinterização seletiva a laser (SLS)
Derretimento seletivo a laser (SLM)
Litografia estéreo (SLA)

Todas essas tecnologias pressupõem a presença de um modelo computacional tridimensional da peça. Os sistemas CAD mais conhecidos fornecem modelos de exportação no padrão para formato de prototipagem rápida STL.

Algumas das instalações da BP são chamadas de impressoras 3D.

Procedimento
Processos de prototipagem rápida são, portanto, processos de produção que têm o objetivo de converter dados CAD existentes direta e rapidamente em peças de trabalho, se possível sem desvios ou formulários manuais. A interface de dados relevante para este grupo de processos é o formato STL. Os conhecidos sob o termo de prototipagem rápida desde os anos 80 são geralmente métodos primários de moldagem, que constroem as camadas da peça de trabalho de material sem forma ou neutro usando efeitos físicos e / ou químicos.

Entre os métodos de prototipagem rápida incluem:

processo materiais
Elaboração de Contornos (CC) concreto
Fusão de feixe de elétrons (EBM) metais
Modelagem de Deposição Fundida (FDM) ABS, polilactidos
Modelagem de Objetos Laminados (LOM) Papel, plásticos, cerâmica ou alumínio
Modelagem de rede projetada por laser (LENS) metais
Revestimento a laser metais
Modelagem Multi Jet (MJM) termoplásticos cerosos, fotopolímeros sensíveis a UV, areia, pó metálico, pó de vidro
elenco de poliamida poliamidas
Derretimento seletivo a laser (SLM) Metais, Plásticos, Cerâmica
Sinterização seletiva a laser (SLS) Termoplásticos: policarbonatos, poliamidas, policloreto de vinila, metais, cerâmicas
Space Puzzle Molding (SPM) plásticos
Estereolitografia (SL ou SLA) duromers líquidos ou elastômeros
Jateamento de fichário (impressão 3D) Pós e Grânulos

Métodos como FDM, SLM e EBM, que aplicam o material em camadas, também são chamados de impressão 3D.

Aplicação
Nos últimos anos, os campos de aplicação da prototipagem rápida, que inicialmente se concentraram em fazer modelos e protótipos, foram estendidos para outros campos. Esses incluem:

o uso como ferramenta: Rapid Tooling e
o uso como peça acabada: Rapid Manufacturing.

Devido à amplitude das aplicações atuais, atualmente é apropriado falar do uso de técnicas de fabricação generativa.

Em conjunto com outras tecnologias modernas, como engenharia reversa (digitalização), CAD, realidade virtual e processos modernos de ferramentas, a cadeia de processos no desenvolvimento de produtos também é conhecida como Desenvolvimento Rápido de Produto.

Além disso, há também termos como processos de fabricação generativos, fabricação aditiva, fabricação de revestimento, fabricação Freeform, manufatura de desktop, tecnologia de fabricação de camadas, manufatura digital avançada (ADM), manufatura eletrônica, etc.

Devido a este intervalo de uso fortemente aumentado de componentes produzidos generativamente, novos requisitos são sempre colocados em componentes fabricados de forma generativa, que podem ser resolvidos seguindo as tecnologias em processos gerativos, como a tecnologia de superfície. Assim, é possível, por processos ablativos, como jateamento de areia ou acabamento vibratório, nivelar os níveis devido ao processo de construção. Também é possível pintar ou metalizar as peças fabricadas de forma generativa.

Aplicações especiais
análise de engenharia
visualização de fluxo
remédio

Benefícios
Reduzindo a duração da preparação técnica da produção de novos produtos por 2-4 vezes.
Reduzindo o custo de produção, especialmente na produção em pequena escala ou única por 2-3 vezes.
Aumento significativo na flexibilidade de produção.
Melhorar a competitividade da produção.
Através do uso de tecnologia informática, integração com sistemas CAD.

Desvantagens
O custo relativamente alto de instalações e consumíveis.
Modelos de resistência relativamente baixa (dependendo do material).
Tempo de produção
Com o tempo, as desvantagens são gradualmente eliminadas – os preços são reduzidos, a escolha de tecnologias e materiais aumenta.