6- Prototipagem Rápida - 2 AREA

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Prototipagem Rápida 
 Processos Discretos de Produção Prof. Cíntia Mazzaferro 
Universidade Federal do Rio Grande do Sul 
Curso de Graduação em Design de 
Produto, Engenharia de Produção, e 
Engenharia de Controle e Automação 
Prototipagem Rápida 
 O termo Prototipagem Rápida (PR) designa um conjunto 
de tecnologias que permite a fabricação de objetos em 3D a 
partir de um modelo geométrico tridimensional feito em 
computador (CAD –Computer Aided Design), com o auxílio de 
um sistema CAM (Computer Aided Manufacturing), em um 
curto espaço de tempo. 
 As informações do modelo computacional são utilizadas 
para gerar o sólido, camada por camada, usando líquido, pó ou 
lâminas de algum material. 
Separação das gêmeas siamesas unidas pelo crânio – uso da PR (SL) 
Reconstruções crânio-maxilofaciais 
-Osso frontal: implante em 
polímero biocompatível; 
estereolitografia (SL) 
-Mandíbula: 
implante em 
titânio (liga Ti-
6Al-4V, 
biocompatível; 
sinterização a 
laser 
Objetivos da PR 
 Existem diversos processos ou métodos de prototipagem 
rápida, desenvolvidos a partir de técnicas distintas de criação dos 
protótipos. Cada processo tem características específicas, podendo-
se considerar, entretanto, que os objetivos genéricos principais são 
os seguintes: 
• Testar intercambialidade; 
• Analisar aspectos construcionais; 
• Analisar montagem de conjuntos; 
• Analisar aspectos de fabricabilidade; 
• Testar colocação de pré-séries no mercado; 
• Reduzir possibilidade de erros; 
• Reduzir tempo total de projeto. 
Processo de criação dos protótipos 
 Todos os processos de prototipagem rápida existentes no 
momento, consistem das seguintes etapas: 
• Criação de um modelo tridimensional em computador (CAD), 
correspondente à peça que está sendo projetada, utilizando um dos 
aplicativos disponíveis; 
• Tradução do modelo tridimensional para formato .stl (contém as 
coordenadas x, y e z necessárias para representar superfícies na forma 
de pequenos polígonos); 
• Leitura, pelos programas de PR, das informações provenientes dos 
arquivos .stl, fatiando o sólido em diversas camadas transversais 
horizontais; 
• Construção física do protótipo, reproduzindo as camadas em algum 
material utilizado como substrato; 
• Limpeza e acabamento do protótipo. 
Acabamento comum aos processos PR 
Principais processos de PR 
 Existem diferentes princípios físicos que distinguem os 
protótipos em precisão, qualidade sperficial, material, operações de 
acabamento, tempo de fabricação e espessura de camadas. 
 Os principais sistemas de prototipagem rápida usados na 
produção de modelos são os seguintes: 
• Estereolitografia (SL,STL) 
• Modelagem por Fusão e Deposição (FDM) 
• Fabricação de Objetos Laminados (LOM) 
• Solidificação Guiada por Camada (SGC) 
• Sinterização Seletiva a Laser (SLS) 
• Conformação Próxima ao Formato Final via Laser (LENS) 
• Impressão Tri-Dimensional (3DP) 
 
 
Estereolitografia (SL - Stereolithography) 
 
 Este processo pioneiro, patenteado em 1986, desencadeou a 
revolução da prototipagem rápida. Ele permite a construção de modelos 
tridimensionais a partir de polímeros líquidos sensíveis à luz, que se 
solidificam quando expostos à radiação ultravioleta. 
 O modelo é construído sobre uma plataforma situada 
imediatamente abaixo da superfície de um banho líquido de resina epóxi ou 
acrílica. Uma fonte de raio laser ultravioleta, com alta precisão de foco, 
traça a primeira camada, solidificando a seção transversal do modelo e 
deixando as demais áreas líquidas. 
 A seguir, um elevador mergulha levemente a plataforma no banho 
de polímero líquido e o raio laser cria a segunda camada de polímero sólido 
acima da primeira camada. O processo é repetido sucessivas vezes até o 
protótipo estar completo. 
 Uma vez pronto, o modelo sólido é removido do banho de polímero 
líquido e lavado. Os suportes são retirados e o modelo é introduzido em um 
forno de radiação ultravioleta para ser submetido a uma cura completa. 
 Uma vez que a estereolitografia foi a primeira técnica bem 
sucedida de prototipagem rápida ela se tornou um padrão de avaliação para 
as demais, que surgiram (e continuam surgindo) posteriormente. 
Estereolitografia (SL) 
 
SL-Motorola 
Estereolitografia (SL) 
 
Exemplo de um protótipo 
em SL que serve de 
modelo para obtenção de 
um corpo de válvula de 
alumínio através do 
processo de fundição de 
precisão. 
 Obtenção do protótipo de um bloco de motor 
em escala reduzida para fundição de precisão 
(cera perdida). 
Estereolitografia (SL) 
 
Modelagem por Fusão e Deposição (FDM – 
Fused Deposition Modeling) 
 Este processo é baseado na extrusão de filamentos de plásticos 
aquecidos. A máquina FDM possui um cabeçote que se movimenta no plano 
horizontal (XY) e uma plataforma que se movimenta no sentido vertical (Z). 
 A matriz de extrusão controlada pelo sistema deposita filetes de 
material muito finos sobre uma plataforma de construção, copiando a 
geometria da fatia inferior do sólido fornecida pelo arquivo de computador, 
formando a primeira camada do componente. A plataforma é mantida sob 
uma temperatura inferior à do material, de forma que a resina 
termoplástica endurece rapidamente. 
 Após esse endurecimento a plataforma se desloca verticalmente 
para baixo uma distância correspondente à altura de cada uma das fatias e 
a matriz de extrusão deposita uma segunda camada sobre a primeira. O 
processo é repetido até a construção total do protótipo. 
 São construídos suportes durante a fabricação para apoiar o 
protótipo durante sua fabricação. Tais suportes são fixados ao protótipo 
usando-se um segundo material, mais fraco, ou uma junção perfurada. 
 As resinas termoplásticas adequadas a esse processo incluem 
poliéster, polipropileno, ABS, elastômeros e cera usada no processo de 
fundição por cera perdida. 
Modelagem por Fusão e Deposição (FDM) 
FDM 
Modelagem por Fusão e Deposição (FDM) 
 Exemplo de fabricação da carcaça de uma bomba de 
combustível em alumínio para aplicações aeronáuticas, a partir 
de um protótipo obtido por FDM. O tempo total de fabricação 
das peças, após o recebimento do arquivo CAD, foi de 3 
semanas. 
Fabricação de Objetos Laminados (LOM – 
Laminated Object Manufacturing) 
 
 Nesta técnica camadas de material, na forma de tiras revestidas 
de adesivo, são grudadas umas nas outras formando-se o protótipo. O 
material original consiste de bobinas de papel laminado com cola ativada 
pelo calor. 
 Um rolo coletor coloca a tira de papel sobre a plataforma de 
construção, onde há uma base feita de papel e fita com espuma nas duas 
faces. A seguir, um rolo aquecido aplica pressão para fixar o papel à base. 
 Uma fonte de raio laser com alta precisão de foco corta o 
contorno da primeira camada sobre o papel e então quadricula a área em 
excesso, ou seja, o espaço negativo do protótipo. 
 Esse quadriculado rompe o material extra, tornando fácil sua 
remoção durante o processamento posterior. Esse material em excesso 
proporciona um excelente suporte para projeções, saliências e seções com 
paredes finas durante o processo de construção. 
 Após o corte da primeira camada a plataforma é abaixada, 
liberando o caminho para que o rolo coletor avance a tira de papel e 
exponha material novo. 
 Então a plataforma se eleva até um ponto ligeiramente inferior à 
altura original, o rolo aquecido liga a segunda camada à primeira e a fonte 
de raio laser corta a segunda camada. O processo é repetido tantas vezes 
quantas forem necessárias para construir a peça, a qual apresentarátextura similar à de madeira. 
 Uma vez que os modelos são feitos de papel, eles devem ser 
selados e revestidos com tinta ou verniz para se evitar eventuais danos 
provocados pela umidade. Os mais recentes desenvolvimentos deste 
processo permitem o uso de novos tipos de materiais, incluindo plástico, 
papel hidrófobo e pós cerâmicos e metálicos. Estes materiais pulverulentos 
geram no final do processo uma peça "verde" que deve ser posteriormente 
sinterizada para que se alcance máxima resistência mecânica. 
Fabricação de Objetos Laminados 
(LOM) 
 
Fabricação de Objetos Laminados 
(LOM) 
 
LOM 
Fabricação de Objetos Laminados 
(LOM) 
 
Remoção manual do 
protótipo 
Sinterização Seletiva a Laser (SLS – 
Selective Laser Sintering) 
 
 Esta técnica, patenteada em 1989, usa um raio de laser para 
fundir, de forma seletiva, materiais inicialmente na forma de pós, tais 
como nylon, elastômeros e metais, transformando-os em um objeto 
sólido. 
 As peças são construídas sobre uma plataforma a qual está 
imediatamente abaixo da superfície de um recipiente preenchido com o 
pó fusível por calor. 
 Um raio laser aquece a primeira camada, sinterizando o 
material copiando a geometria da camada correspondente do modelo 
geométrico. 
 A plataforma é ligeiramente delslocada verticalmente para 
baixo, reaplica-se o pó e o raio laser sinteriza o mateial correspondente 
à segunda camada. 
 O processo continua até que a peça esteja terminada. Neste 
processo o pó em excesso ajuda a dar suporte ao componente durante 
sua construção. 
Sinterização Seletiva a Laser (SLS) 
 
Prot-SLS 
Sinterização Seletiva a Laser (SLS) 
 
 Conjunto de machos para o sistema de controle de 
combustível de uma turbina a gás feito por Sinterização 
Seletiva a Laser. Posteriormente a peça foi construída em 
alumínio através de moldagem em areia verde. 
Conformação Próxima ao Formato Final via 
Laser (LENS – Laser Engineering Net Shaping) 
 
 Neste processo, um gerador de raio laser de alta potência é usado 
para fundir o pó metálico fornecido coaxialmente ao foco do raio laser, 
através de um cabeçote de deposição. O raio laser passa através do centro 
do cabeçote e é focado para um pequeno ponto através de uma lente ou 
conjunto de lentes. Uma mesa XY é movida por varredura de forma a gerar 
cada camada do objeto. O cabeçote é movido para cima à medida que cada 
camada é completada. 
 O raio laser pode ser conduzido até a área de trabalho através de 
espelhos ou fibra ótica. Os pós metálicos são fornecidos e distribuídos ao 
redor da circunferência do cabeçote por gravidade ou através de um gás 
portador inerte pressurizado. Mesmo nos casos onde não se necessitar uma 
corrente de gás para transportar o pó metálico, é necessário uma corrente 
de gás inerte para proteger a poça de metal líquido do oxigênio 
atmosférico. 
 Os protótipos produzidos por este processo são bastante densos, 
com boas propriedades metalúrgicas e sob velocidades razoáveis de 
construção, mas possuem pouca precisão dimensional, necessitando de 
operações de acabamento posteriores, como usinagem. 
 
Conformação Próxima ao Formato Final 
via Laser (LENS) 
Conformação 
Próxima ao Formato 
Final via Laser 
(LENS) 
Conformação 
Próxima ao Formato 
Final via Laser 
(LENS) 
Uso do processo LENS na 
produção de implantes. Adaptado 
de Bartolo et al. 2012. 
Impressão Tri-dimensional (3DP – 
3D Printing) 
 O processo possui como princípio a aglutinação de pós pela ação de 
um líquido aglutinante expelido em gotículas por um cabeçote tipo “jato de 
tinta”, muito similar aos utilizados em impressoras comuns. 
 O jato aglutinante gerado pelo cabeçote é aspergido sobre uma 
camada de pó depositado sobre uma plataforma que se movimenta na 
direção Z. Um rolo é utilizado para depositar novas camadas de material e 
compactar uma camada sobre a outra. 
 Este processo foi desenvolvido pelo MIT (Massachusets Institute of 
Technology). Existem máquinas específicas para a fabricação de objetos 
como plásticos, cerâmicas e metais, além de aplicações mais específicas 
como próteses biomédicas e encapsulamento de remédios. 
Impressão Tri-dimensional (3DP) 
3D 
Impressão Tri-dimensional (3DP) 
Escolha do método de prototipagem 
A escolha do método de prototipagem mais adequado, deve ser 
feita em função das características específicas de cada tipo de 
aplicação, levando-se em conta os seguintes fatores: 
• Função 
• Matéria-prima 
• Número de peças 
• Precisão dimensional 
• Acabamento superficial 
• Características mecânicas 
• Geometria das peças 
Comparação entre os alguns processos PR 
Processo SL SGC SLS LOM 
Dimensões 
máximas peça 
(mm) 
254 x 254 x 
254 
508 x 508 x 
355 
Ø = 305 
Altura = 381 
330 x 2540 x 
381 
Espessura 
camada (min / 
max – mm) 
0,1 / 0,9 0,05 / 0,15 0,13 0,005 / 0,05 
Velocidade 
vertical 
Depende da 
geometria 
60 – 100 
camadas / h 
Depende da 
geometria 
10 mm / h 
Precisão 0,2 mm 0,1 % em 
todas direções 
± 0,05 – 
± 0,25 mm 
± 0,127 mm 
Matéria-prima Resinas 
foto-curáveis 
Resinas foto-
curáveis, cera 
Termoplásticos 
(PVC, nylon), 
cera 
Papel, nylon, 
poliester 
Vantagens da Prot. Rápida 
• ausência de custos com ferramentas; 
• prazos de entrega curtos; 
• ganhos consideráveis em termos de complexidade 
geométrica dos componentes (a prototipagem rápida 
é virtualmente insensível à complexidade 
geométrica); 
• flexibilidade produtiva. 
 
Algumas bibliografias... 
• P. Bartolo,J . Kruth, J. Silva, G. Levy, A. Malshe, 
K. Rajurkar, M. Mitsuishi, J. Ciurana, M. Leu. Biomedical 
production of implants by additive electro-chemical and 
physical processes. CIRP Annals - Manufacturing Technology 
61 (2012) 635–655. 
• D.T. Pham, R.S. Gault. A comparison of rapid prototyping 
technologies. International Journal of Machine Tools & 
Manufacture 38 (1998) 1257–1287. 
• Manufacturing Process Selection Handbook. K. G. Swift and J. 
D. Booker. 2013, Elsevier. 
• Y. Yan, S. Li, R. Zhang, F. Lin, R. Wu, Q. Lu, Z. Xiong, X. 
Wang. Rapid Prototyping and Manufacturing Technology: 
Principle, Representative Technics, Applications, and 
Development Trends. Tsinghua Science and Technology 14, 
S1 (2009) 1-12.