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AULA 4 TENDÊNCIAS EM PERSONALIZAÇÃO E MANUFATURA ADITIVA INTRODUÇÃO Devido ao surgimento da prototipagem rápida, diferentes funcionalidades estão aparecendo e, entre elas, podemos destacar o uso de máquinas de baixo custo para produção de objetos funcionais. Cada vez mais são empregados diferentes métodos e ferramentas para apoiar ações referentes ao levantamento de soluções e à análise de viabilidade técnica para o desenvolvimento de máquinas de prototipagem rápida, baseando-se em projetos como de replicating rapid prototyping (RepRap). A tecnologia que vem ganhando destaque é a fused deposition modeling (FDM), que é uma solução de baixo custo, utilizada para efetivar sistemas. Entre as vantagens de se utilizar máquinas oriundas desse tipo de tecnologia, o que as define como produtos de inovação, está a capacidade de levar às casas de pessoas comuns um ferramental com potencial de efetuar a fabricação de uma imensidão de produtos essencialmente úteis, derivados de poucos cliques, restrita apenas à imaginação dos usuários, compreendendo inclusive as peças necessárias para a fabricação de outra máquina RepRap. TEMA 1 – ENTENDENDO O PROCESSO DE DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO Nos últimos anos, a utilização de tecnologias de manufatura aditiva (additive manufacturing – AM) tem crescido, ampliando seus benefícios para inúmeras áreas, como engenharia e saúde, encurtando também o tempo de desenvolvimento de produtos. A AM vem transformando os processos produtivos, as cadeias de suprimento, conservação, desenvolvimento de diferentes produtos e a globalidade do modelo de economia produtiva como um todo. Existem, no mercado atual, inúmeras tecnologias de AM e diferentes ferramentas para sua utilização; porém, não existem procedimentos, benchmarking ou aplicações que suportem a tomada de decisão em relação à escolha apropriada. Na atualidade, devido a exigência de clientes e consumidores, as organizações veem-se pressionadas a aumentar a complexidade de seus produtos. Por outro lado, de maneira a se manterem competitivas, precisam encurtar os prazos de desenvolvimento desses produtos. De modo geral, as tecnologias de AM apresentam a produção de objetos tridimensionais (3D), tendo o processo de adição de material camada por camada como sendo seu princípio 2 básico de funcionamento. Na Figura 1, ilustra-se um esquema simplificado de funcionamento por meio da imagem de impressão. Figura 1 – Esquema simplificado de funcionamento de tecnologias de AM por meio de imagem de impressão Crédito: Zern Liew/Shutterstock. A prototipagem rápida (rapid prototyping – RP) pode ser entendida como sendo um processo de fabricação fundamentado na adição de material, camada a camada, em um plano de segunda dimensão (2D), criado na segunda metade dos anos 1980 por conta da crescente imposição, à indústria, de metas de redução de custos no processo de desenvolvimento de produtos. Em um primeiro momento, buscou-se integrar design e processamento na primeira etapa ou etapa de desenvolvimento do produto; contudo, de forma mais abrangente, o 3 mecanismo é ampliado à avaliação do mercado e à área de comercialização. A Figura 2 ilustra essas etapas. Figura 2 – Ciclo de vida de um produto Crédito: Ashalatha/Shutterstock. As modificações aplicadas à programação visual ou mesmo à funcionalidade de um produto, após este já estar nas etapas de produção e comercialização, demandam, de maneira geral, uma elevação dos custos. Estima- se que essas modificações elevem em aproximadamente uma ordem de grandeza duas etapas relevantes do ciclo de um produto. Os processos aditivos, ao contrário dos processos subtrativos, operam pela adição de material para se produzir o produto. Os tipos de processos aditivos variam conforme a matéria-prima e o método empregados, conforme apresentado na Figura 3. 4 Processos aditivos Pó Líquida Sólido Material + aglomerante MJM – Multi-Jet Modeling (impressão 3D) Material + Laser SLS – Selective Laser Sintering (Sintetização Seletiva a Laser) Material + laser MJM – Multi-Jet Modeling (impressão 3D) Material SGC – Solid Ground Curing (Cura Sólida na Base) Material + aglomerante + laser LOM – Laminated Object Manufacturing (Manufatura de Objetos em Lâminas) Material + laser MJM – Multi-Jet Modeling (impressão 3D) Material SLA – Stereolithography (Estereolitografia) Material Lends – Laser Engineered NetShaping (Fabricação da Forma Final Via Laser) Material FDM – Fused Deposition Modeling (Modelagem por Deposição de Material Fundido) Processos aditivos Matéria-prima Figura 3 – Distribuição de processos aditivos Quanto à composição dos materiais, a maioria dos processos aditivos não exige a utilização de produto químico nocivo, e também não libera fumaça tóxica ao meio ambiente. 1.1 Tecnologias de rapid prototyping (RP) As tecnologias baseadas no conceito de RP encontram-se segmentadas em duas classes principais: os métodos com adição de material e os com remoção de material. A classe com remoção de material, denominada de prototipagem rápida subtrativa (subtractive rapid prototyping – SRP), constitui-se em aparar blocos de diversos materiais, usualmente madeira ou espumas. A diferença 5 fundamental entre elas está no preceito de construção do protótipo; contudo, conforme o aspecto computacional, as etapas do processo de preparação e planejamento apresentam pontos que são comuns a ambas. Assim, encontram- se divididas em três estágios: pré-processamento, processamento rápido e pós- processamento do modelo. Figura 4 – Modelo sendo impresso em 3D Crédito: Sergi Lopez Roig/Shutterstock. As ações referentes ao estágio de pré-processamento iniciam-se com a criação de um arquétipo da peça em software de projeto assistido por computador (computer-aided design – CAD) 3D ou captura de dados digitalizados por meio de um escaneamento. Logo após isso, o arquivo produzido é convertido em um modelo aceito pelo equipamento de RP. O modelo de formatação stereo lithography (STL) é amplamente empregado e é composto da representação geométrica da face plana superior do modelo em malha triangular, sem que existam detalhamentos de cores ou mesmo texturas habituais em sistemas CAD, o que é supérfluo para a prototipagem. Assim, os triângulos definem um vetor normal singular, assistido pelas coordenadas de um sistema cartesiano, de modo tridimensional. A etapa de processamento das informações inseridas no arquivo STL é realizada por meio da elaboração do modelo, imprescindível para as próximas fases. Ela sofre uma sequência de ajustes referentes ao validamento e reparação 6 do modelo. É realizada a elucidação da orientação do objeto, o que impacta as propriedades do protótipo final, a exemplo do total de fatias produzidas no slicing e da porção de suporte obrigatória (no caso de haver disponibilidade no equipamento). O suporte é fundamental a todo momento em que a ação da gravidade venha a impactar alguma extensão do sólido, acarretando sua caída ou instabilidade. É usualmente composto por um material diferenciado do que realmente será empregado na elaboração do protótipo. Depois desse processo, é factível sua remoção de forma mecânica ou química. Na Figura 4, existem furos internos de impressão, no formato horizontal, que carecem de um suporte para uma impressão perfeita. Ademais, para o uso desse suporte, em alguns tipos de tecnologia, é necessário que haja uma camada de sustentação, na base, como forma de auxiliar a remoção do objeto, evitando possíveis deformações estruturais. Após a finalização dessa etapa, o objeto é cortado em camadas que serão confeccionadas em formato sequencial, na máquina de RP (Figura 3). As camadas correspondem a um plano de divisão transversal relacionado a uma densidade uniforme, e cada plano é lido (scan) para possibilitar a determinação exata do formato pretendido e a programação da trajetóriade adição. Isso contempla a determinação das rotas para que sejam preenchidas as bordas, o depósito de material e de suporte, nos casos em que isso for necessário. Trata- se assim de uma etapa com diversas configurações, alternadas de forma diferente conforme cada tipo de tecnologia, sendo extremamente relevante ao estipular o tempo de construção e a qualidade final do produto impresso. Por fim, ocorre a etapa de controle de produção do objeto, cuja função proporciona realmente a fabricação do modelo físico. Isso ocorre por meio do envio de sinais de controle que vistoriam ou direcionam o processo de adição de material. A partir daí, se inicia o pós-processamento, que abrange as tarefas de correção, extração da estrutura de suporte e limpeza do componente ou produto final quando for preciso, para se desempenhar o processo de acabamento final do produto. TEMA 2 – AM E SUA REPRESENTAÇÃO GEOMÉTRICA 3D A representação geométrica tridimensional dos produtos ou objetos a serem desenvolvidos resultam na AM. Mesmo com a existência e a utilização massiva de diversas tecnologias como common layer interface (CLI), additive 7 manufacturing format (AMF), entre outras, a mais utilizada é a STL. Os formatos geométricos são criados, em sua maioria, de uma modelagem criada em sistemas do tipo CAD. Além dessa forma, existe também a possibilidade de se ter essa modelagem partindo- se de uma leitura com equipamentos como scanners 3D. Como exemplos desses scanners, podemos encontrar dispositivos de ressonância magnética, ultrassonografia 3D, entre outros. Independentemente da origem, em geral, ocorre na sequência um aperfeiçoamento em sistemas CAD 3D, onde são aprimorados e sofrem correções por possíveis falhas, promovendo seu uso mediante tecnologias de AM. Esse fato desencadeia uma sequência de problemas como demora ou atraso em muitos projetos, devido ao excesso de tempo que é despendido com correções de arquivos do tipo STL. Além disso, existe uma dificuldade com sistemas do tipo CAD 3D, cujo suporte de ferramentas não se apresenta de maneira apropriada para acelerar todo esse processo. De maneira a minimizar esses problemas e visando à agilização do processo como um todo, são utilizadas ferramentas próprias para essa finalidade. 2.1 Caracterização de CAD 3D Em AM, as ações que englobam sólidos e superfícies são oriundas de sistemas CAD, o que resulta na criação de modelos geométricos 3D. A modelagem sólida (MS) se apresenta como a melhor forma para se conseguir gerar arquivos em 3D para a AM, sendo que isso reduz os problemas quanto à conversão do modelo primário em um formato utilizado amplamente na AM. Uma necessidade apresentada para as geometrias derivadas de modeladores de superfícies está na demarcação bem definida destes. Essa demarcação reforça a não existência de falhas, quebras, defeitos por conexões ou sobreposição de dimensões do modelo 3D. Dessa forma, o modelo criado precisa estar completamente ocluso, de modo a estabelecer o volume correto do produto final. Quando a modelagem ocorre de maneira incorreta, há como resultado o impedimento da criação de um sólido e, consequentemente, a geração de arquivos inadequados para utilização em AM. 8 Quadro 1 – Alguns sistemas de CAD 3D gratuitos ou pagos Sistemas CAD 3D NX Unigraphics SolidWorks OpenCascade Empresa Tipo Siemens PLM Software Pago Dassault Systemes Pago 2.2 Problemas oriundos de defeitos na modelagem CAD – Gratuito Quando os padrões de modelagem para a criação de um modelo em CAD não são seguidos, acabam ocorrendo defeitos na geometria do sólido que impedem sua fabricação de maneira adequada. Diversos são esses possíveis defeitos gerados, dos quais relacionamos os principais, nesta sequência: a. Desacoplamento de superfícies: ocorre essa deficiência quando as camadas não se conectam. Primeiramente, se faz necessário constatar se essas camadas estão ou não se tocando de maneira completa. Caso ocorram conexões parciais, existe uma grande chance de a causa do desacoplamento de uma superfície ter sido originada pelas correias, que podem estar folgadas. Contudo, caso não haja conexão em todos os pontos, o defeito Inventor Autodesk Inc. Pago Solid Edge Siemens PLM Software Pago FreeCA D – Gratuito deve estar localizado na extrusão. Nesse caso, como o software da impressora solicita a utilização de linhas de 0,4 mm e na extrusão essas linhas não se conectam de maneira adequada por se encontrarem mais finas do que o necessário, para resolver pode-se reduzir a velocidade da impressão ou efetuar a elevação da temperatura. b. Subextrusão (subextrusion): esse defeito se caracteriza pela carência de material para a formação das camadas. Pode se apresentar como o defeito mais comum observado, ocorrendo quando a impressora tenta acompanhar a velocidade de extrusão determinada e o filamento não segue a mesma velocidade. Um fato relevante é que, à medida que se aumenta a velocidade de impressão, se reduz o tempo em que o filamento é aquecido antes de ser direcionado pelo bico de extrusão, isso resultando em seu bloqueio. Como solução, deve-se evitar adquirir filamentos 9 ovalizados que possuam muita variação de diâmetro e, ainda, manter sempre limpo esse filamento. c. Sobreposição de superfícies: esse defeito apresenta como resultado uma rede com triângulos sobrepostos, sendo gerado pelo uso de um modelador de superfície no processo de modelagem do objeto. Sua detecção é complicada e requer correção por meio da modelagem CAD. d. Impressão inclinada: esse defeito acontece pelo movimento, menor do que o esperado, do conjunto de extrusão. Isso ocorre pelo motivo da existência de uma prisão de movimento de impressão que exige uma força maior na movimentação da cabeça de impressão. Os motivos que levam a isso podem ser que a cabeça de impressão tenha sofrido uma colisão com algum objeto, como um filamento acumulado em parte da impressão; ou que a impressora está configurada para uma velocidade superior à que os motores conseguem desempenhar. e. Arranhões e marcas na superfície superior do objeto: esse defeito pode ocorrer pela movimentação do bico extrusor, ou seja, pela movimentação com arrasto de material já impresso. A origem desse problema pode estar no filamento, pois há extrusão de muito filamento. TEMA 3 – COMO OBTER O MODELO GEOMÉTRICO 3D Entende-se a captura de imagens para o formato 3D como sendo uma forma de obtenção de imagens que contenham as informações relativas à sua profundidade. O processo de obtenção de um modelo geométrico 3D ou escaneamento possibilita adquirir camadas de objetos mediante a utilização de equipamentos como máquinas fotográficas ou scanners. Após essa obtenção e tratamento, é realizada a sua conversão, em arquivo, para utilização em modelos de arquivos padronizados para ações de engenharia. 3.1 Visões de obtenção de imagem 3D A utilização do processo de captura de uma imagem 3D ocorre pela captura de cada pixel da imagem associado diretamente com uma grandeza relativa à sua distância de um dado ponto de observação. Esse processo de captura de imagem se destaca principalmente em aplicações como simultaneous localization and mapping (Slam), proporcionando a capacidade de orientação de espaços 10 tridimensionais para robôs. Os programas utilizados para isso em geral criam arquivos no formato STL. Entre esses programas, temos o Remake, da Autodesk Inc., com ferramentas para tratativa e geração de arquivos STL. Quadro 2 – Exemplos de tecnologias usadas em processos de digitalização 3D PROCESSO DE ESCANEAMENTO 3D Apalpamento Charge-coupled device (CCD) linear Triangulação eletromagnética Registro por fotogrametria digital 3.2 Características da obtenção de modelos A integração, vinculação e avaliação sistemática do processo de obtenção de modelos em 3D tem como característica a capacidade de ser realizada por medição de coordenadas ou porapalpamento. Contudo, a realização da obtenção dos pontos da camada de superfície de um objeto qualquer é morosa e complicada de se efetuar onde existam áreas oclusas. Outra característica de obtenção de modelos 3D se apresenta nas tecnologias de imagens não invasivas. Como exemplo, temos a tomografia computadorizada, o ultrassom 3D e a ressonância magnética, em que os dados relativos à anatomia de um paciente são tratados por softwares próprios que se destinam a essa tratativa e que efetuam uma segmentação e reconstrução já em formato 3D. A tomografia computadorizada na área médica, por exemplo, se traduz na emissão e captura de raios X cuja radiodensidade é convertida em formato de imagem, em que as escalas de cinza têm seus tons mais claros representando áreas mais densas, a exemplo de ossos e seus tons mais turvos demonstrando regiões com menor adensamento, como músculos e peles. TEMA 4 – SISTEMAS CAD 3D: EXPORTAÇÃO E PROBLEMAS EM ARQUIVOS STL As formas de arquivos para operacionalização são apresentadas em diferentes estruturas para tratamento. Contudo, o formato desenvolvido em 1988 pelo Albert Consulting Group, demandado pela 3D Systems Inc. (Estados Unidos), 11 denominado STL, tornou-se o padrão mais adotado. A característica principal desse formato está no formato de uma malha ou rede triangular sobre as superfícies de um determinado objeto. A questão que levou esse formato de arquivo a se tornar um padrão de utilização em AM destaca a sua concepção, que visa possibilitar sua interpretação por uma infinidade de sistemas de AM. Isso proporciona uma gama maior de utilização, uma vez que podem ser empregados diversos sistemas operacionais com capacidades computacionais variadas. 4.1 Questões relevantes quanto a problemas do formato STL O portfólio de programas que utilizam o formato STL é amplo; contudo, deficiências no formato do arquivo resultam em problemas consideráveis. O formato foi criado para ser simples e, por isso, seus dados referentes a topologias visam à garantia da conectividade para além da própria estabilidade e regularidade da malha. Ainda, os dados referentes à direção do vetor normal não apresentam confiabilidade além da existência de dados redundantes, resultando no aumento do tamanho do arquivo, de forma desnecessária. Outras questões a serem consideradas estão na inexistência de dados relacionados a cor, tipos de gradação funcional de materiais (functionally graded materials – FGM). Mas o destaque dessas questões se encontra na incapacidade de armazenamento de Utilizando contato Sem utilização de contato Braço mecânico Radar a laser Triangulação ultrassônica Triangulação por laser informações referentes à unidade de medida referenciada, podendo dessa forma resultar em defeitos por interpretação, a exemplo de centímetros ou polegadas. Nessa última questão, é importante ficarmos atentos à unidade correta considerada no momento da utilização. 4.2 Questões de algoritmo Ao se considerar a questão da qualidade da malha ou rede do objeto impresso em formato STL, o algoritmo utilizado é um dos seus fatores determinantes. Essa qualidade está alinhada ao resultado do algoritmo gerador que opera nos módulos dos sistemas CAD responsáveis pela exportação. Caso esses algoritmos não estejam em um formato adequado, isso pode desencadear uma instabilidade. Reparar a falha gerada na malha elaborada demanda a execução de uma sequência de ações onerosas, que exigem o uso de ferramentas específicas, além de muita calma, paciência e atenção para que 12 sejam atingidos os níveis mínimos de lealdade e exatidão à geometria modelada para o objeto. 4.2 Exportando arquivos STL Os programas CAD fornecem um módulo de exportação de dados de maneira nativa, para o STL, fato que ocorre devido a esse formato de arquivo ter se tornado padrão nos dispositivos de AM. Ao se converter modelos sólidos ou mesmo superfícies fechadas em uma malha STL, há uma harmonização dessas superfícies do modelo CAD 3D em uma malha de triângulos. A quantidade de triângulos integrantes dessa malha representa uma base decisiva para a exatidão do modelo STL gerado. Para que o arquivo não se torne muito grande em questão de armazenamento, é preciso determinar a melhor quantidade de triângulos a ser utilizada, existindo diversos parâmetros capazes de controlar a malha gerada, sendo os mais usados por sistemas do tipo CAD o comprimento da corda ou flecha e o ângulo de controle. TEMA 5 – OUTROS FORMATOS DE ARQUIVOS UTILIZADOS EM AM Pensando nos diversos formatos de arquivos que podem ser utilizados em AM, uma análise de padrões e exceções se apresenta como uma boa oportunidade para obtenção de melhores resultados. O STL vem se apresentando como sendo o padrão adotado pela indústria com a finalidade de guardar e transmitir informações entre diferentes programas CAD e ferramentas da AM. Devido ao crescimento do uso de impressão do tipo 3D, cresce também a exigência por formatos mais eficientes na questão de armazenamento e transferência de todos os dados imprescindíveis aos objetos 3D a serem impressos no formato. 5.1 Formato AMF Buscando atender às insuficiências apresentadas pelo formato STL para AM é que foi criado o AMF. Nesse formato, existe a possibilidade de se efetuar a inclusão de dados referentes a materiais, gradientes, cores, unidades, entre outros. O AMF foi inicialmente padronizado pela American Society for Testing and Materials (ASTM) e designado por F2915-11, constituindo em 2013 a padronização internacional ISO/ASTM 52915. 13 Esse formato armazena seus dados no padrão extensible markup language (XML), sendo composto por texto simples editável e amplamente usado em sítios web. A inovação que apresenta em comparação ao formato STL está na capacidade da representação por meio de triângulos de lados curvos ou também por superfícies que são curvas triangulares, diferentemente do uso de apenas uma malha de triângulos planos, pelo STL. Esse fato, além de reduzir a quantidade de triângulos necessários, diminui o tamanho do arquivo e incrementa a exatidão da representação do objeto. 5.2 Formato VRML A primeira versão do formato virtual reality modeling language (VRML) foi apresentada em 1994 destacando três requisitos: independência relativa ao tipo de plataforma; extensibilidade; e eficiência mesmo em situações de conexão por internet de baixa velocidade. O objetivo da criação desse formato foca a capacidade de leitura e visualização mediante o uso de navegadores de internet. O VRML armazena as coordenadas da rede de pontos da superfície 3D, além das cores empregadas. Contudo, traz consigo dados pouco relevantes para AM, a exemplo de animação, luzes, transparência, sons e links para navegação web. 5.3 Formato CLI O formato CLI foi desenvolvido para o atendimento das tecnologias de AM, oferecendo-lhes maior qualidade. Sua geometria é estruturada por contornos 2D, de forma fechada, nas camadas dispostas e em sequência ascendente, cuja primeira camada, denominada blind slice, contém apenas os dados do ponto extremo inferior da peça. As suas camadas têm início pelo conteúdo do valor de sua altura, sendo sua representação dada por meio de linhas poligonais denominadas polylines, em sentido horário, estruturando os contornos internos, com os contornos externos sendo, por sua vez, orientados no sentido anti-horário, com capacidade de eclipsarem outros contornos ou a si próprios. 5.4 Formato OBJ O formato object file Wavefront 3D (OBJ) teve sua implementação inicial voltada para a visualização das animações realizadas pelos aplicativos do próprio desenvolvedor, a empresa americana Wavefront Technologies, e posteriormente 14 foi empregado em outros programas gráficos devido a sua simplicidade e por possuir seu código de desenvolvimento em formato aberto. O seu armazenamento da geometria ocorre por meio das coordenadas dos vértices das entidades geométricas,posicionadas em sentido anti-horário, sendo dispensável o armazenamento do vetor normal. Esse formato proporciona a reprodução de objetos poligonais usando-se pontos, linhas e lados. Uma quarta coordenada, chamada de peso, pode ser utilizada quando existem formas livres ou free forms, com curvas racionais e superfícies. Ainda, o formato OBJ é capaz de armazenar dados complementares como material e textura do objeto. 15
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