Aula 7 Simulação de Processamentos de Materiais

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AULA 7 – SIMULAÇÃO DE 
PROCESSAMENTOS DE MATERIAIS
Prof ª M.a. Camila Boldrini Nascimento 
Prototipagem
2Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Prototipagem
Objetivo: redução do tempo de desenvolvimento de
produtos e custo de fabricação do ferramental.
Grupo de técnicas de fabricação as quais a forma física da
peça é criada a partir de adição de material layer by layer.
Permite não só a produção de modelos e protótipos de
visualização como também peças funcionais, como moldes
de injeção para termoplásticos (RT – Rapid Tooling).
3Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Prototipagem
• OBJETIVOS
• Otimização do desenvolvimento durante PDP.
• Redução da probabilidade de falhas.
• Melhoria da qualidade.
• Avaliação antecipada do cliente.
• Integração entre departamentos envolvidos no desenvolvimento
(produto, ferramentaria, manufatura, logística, marketing e
comercial).
4Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Prototipagem
• PANORAMA INDUSTRIAL
• Alta concorrência.
• Maior número de inovações e rapidez na adequação de produtos,
lançamentos.
• Adequação do PDP (Processo e Desenvolvimento de Produto) 
menor tempo de desenvolvimento, produtividade e qualidade.
• Aparecimento de novas técnicas computacionais de projeto,
análise, simulação e otimização de componentes fabricados.
• O processo automatizado de prototipagem foi impulsionado
em 1980 com a maior divulgação de sistemas CAD.
5Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Prototipagem
Os processos convencionais de fabricação derivam..
- Fusão e posterior moldagem do material (fundição, injeção).
- Remoção de material até se obter a peça com geometria
final (torneamento, fresamento, furação, usinagem, etc).
- Conformação/deformação plástica até a geometria final
(forjamento, estampagem, extrusão, laminação, etc).
- Adição de material (soldagem, brazagem, colagem, etc).
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Prototipagem
• TIPOS DE PROTOTIPAGEM
• Mais de 20 tipos de técnicas com basicamente o mesmo
sistema de layer by layer.
• A diferença principal entre tais técnicas é a forma inicial
da matéria-prima:
• Pó
• Líquido
• Sólido
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Prototipagem
• TIPOS DE PROTOTIPAGEM
8Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Prototipagem
• TIPOS DE PROTOTIPAGEM – MATÉRIA-PRIMA LÍQUIDA
• Polimerização (cura) da resina líquida por um feixe UV.
• Estereolitografia (SL).
• Resina líquida jateada por um cabeçote e posterior
exposição à uma luz UV.
• IJP (Ink Jet Printing).
9Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Prototipagem
• TIPOS DE PROTOTIPAGEM – MATÉRIA-PRIMA SÓLIDA
• Solidificação de um filamento de material/lâmina,
deposição e posterior solidificação em camadas.
• FDM (Fused Deposition Modeling): modelagem por fusão e
deposição.
• Recorte de lâmina de material já depositado.
• LOM (Laminar Object Modeling): manufatura laminar de objetos.
• PLT (Paper Lamination Tecnology): Tecnologia com Lâminas de
Papel.
10Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Prototipagem
• TIPOS DE PROTOTIPAGEM – MATÉRIA-PRIMA EM PÓ
• Fusão de uma matéria-prima em seu estado sólido
através de laser.
• SLS (Selective Laser Sintering): sinterização seletiva à laser.
• LENS (Laser Engineerd Net Shaping): fabricação da forma final à
laser.
• Aplicação de aglutinante através de cabeçote jato de
tinta.
• Impressão tridimensional 3DP (3 Dimensional Printing).
11Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Prototipagem
• ETAPAS
• Independente do tipo de material, todas as técnicas
devem passar por etapas de processo:
• Modelagem 3D no CAD.
• Geração de arquivo STL 3D.
• Verificação do arquivo gerado.
• Planejamento do processo de execução  fatiamento, suportes e
estratégia de deposição.
• Construção física do molde layer by layer.
• Acabamento limpeza, lixamento, polimento, etc.
12Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Prototipagem
• PROCESSO DE FATIAMENTO
13Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Representação das principais etapas do processo de manufatura por camada.
Prototipagem
• VANTAGENS COMO PROCESSO DE FABRICAÇÃO
• Independe da complexidade da peça.
• Não requer dispositivos especiais de fixação na plataforma.
• Único meio de processamento (laser, deposição, etc).
• Não requer múltiplos equipamentos, no máximo um suporte para a
peça.
• Simplificação da rota de processamento e de ferramental.
• Menor tempo e custo.
• Possibilidade de obtenção de ferramental para teste.
14Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Prototipagem
• DESVANTAGENS COMO PROCESSO DE FABRICAÇÃO
• Diferença nas propriedades dos materiais utilizados comparado ao
material da peça real.
• Anisotropia das propriedades da peça (deposição de camadas).
• Carência na precisão dimensional e acabamento superficial
(serrilhado, “efeito escada”).
• Limitada quantidade de peças.
• Distorção/empenamento da peça (consequências químicas ou
térmicas).
15Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Prototipagem – Representação do Produto
• Panorama atual - Processo de desenvolvimento do
produto:
• Necessidade do cliente a um custo competitivo e projeto inovador
/diferenciado.
• Implementação de um projeto eficiente.
• Uso de ferramentas CAD/CAE/CAM.
• Uso de representações físicas do produto (protótipos)
para acelerar o desenvolvimento dos requisitos
planejados do produto.
16Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Prototipagem – Representação do Produto
• Tipos de representações:
• Bidimensionais: diagramas, layout...
• Tridimensionais: físicas ou não físicas.
• Função:
• Dinamismo.
• Integração entre áreas.
• Auxílio na tomada de decisões.
• Facilitação/redução de tempo de desenvolvimento de produto.
17Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Prototipagem – Representação do Produto
• Formas de representações do produto
• FASES DO PDP
• Estudos de concepções, formas e ergonomia do produto.
• Detalhamento técnico do produto (protótipo ou modelo/
representação total ou parcial) e avaliação da primeira amostra do
que será produzido.
• Análise do modelo tridimensional físico de uma peça, componente,
mecanismo ou produto que se realiza antes de sua industrialização
com o objetivo de validação do projeto.
• Protótipo físico ou visual.
• Protótipo analítico ou virtual.
• Requisitos impostos definidos pelo teste funcional.
18Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Prototipagem – Representação do Produto
• Representações iniciais do produto
• Maquete
• Primeiro esboço experimentais (reduzidas) e didáticas (ensino).
• Modelo Volumétrico
• Representação tridimensional simples em sua confecção com
materiais baratos.
• Ocupação volumétrica.
• Mock-ups
• Criados em uma escala de 1:1 reproduzindo o produto final com o
propósito de estudo de ergonomia e análise da volumetria.
19Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Prototipagem – Representação do Produto
• Representações iniciais do produto
• Modelo de Apresentação
• Aproximação máxima do modelo final em textura, brilho, etc.
• Tamanho original ou reduzido.
• Modelo destinado para fotografias e criação de mídia impressa ou
eletrônica.
• Materiais: PU rígido, fiber glass, termoplásticos termoformados.
20Simulação de Processamentosde Materiais – Profª Camila Boldrini
Prototipagem – Representação do Produto
• Representações finais do produto
• Protótipo = proto (primeiro) e typus (tipo)
• Modelo = parcial e protótipo = total.
• São todas as representações físicas e eletrônicas de um produto
21Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Prototipagem – Representação do Produto
• Representações finais do produto
• Protótipo físico/visual
• Artefato tangível ao que se aproxima do produto.
• Aprova o conceito visual.
• Foco na geometria.
• Possui textura apesar do material ser distinto.
• Mock-up escala de 1:1.
22Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Prototipagem – Representação do Produto
• Representações finais do produto
• Protótipo analítico/digital
• Representação não tangível matemática do produto.
• Todos os aspectos são analisados na computador (2D e 3D).
• Suavidade nas curvas.
• Interferência de montagem.
• Avaliadas fabricabilidade e performance do produto (ferramentas
CAE).
• Migração do uso de prototipagem para as fases de ferramentaria e
manufatura.
23Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Prototipagem – Representação do Produto
• Alternativas em relação a abrangência da análise
• Protótipo Parcial/Focalizado
• Utilizado para avaliar funcionalmente uma parte do componente.
Preferência para uso do material final, entretanto, usa métodos de
fabricação manuais.
• Protótipo Completo/Funcional
• Utilizado para avaliar todo o produto normalmente em escala real.
O processo de manufatura se difere da produção em série, mas os
materiais usados devem ser os finais de produção.
• Exemplo: peças obtidas de ferramentas protótipos.
24Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Prototipagem – Representação do Produto
• Técnicas de obtenção de protótipos
• Manual
• Prototipagem Virtual
• Usinagem CNC
• RP (Prototipagem Rápida)
25Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Prototipagem – Representação do Produto
• Técnicas de obtenção de protótipos
• Manual
• Artesanal.
• Usadas em fases iniciais devido ao baixo custo.
• Processos de subtração, adição e modelagem.
• Prototipagem Virtual
• Ampliação dos limites em relação a complexidade de produtos.
• Total validação funcional pelo computador.
26Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Prototipagem – Representação do Produto
• Técnicas de obtenção de protótipos
• Usinagem CNC
• Alavancado pelo crescimento do CAD/CAM.
• Menor custo de equipamento.
• Maior precisão dimensional e maior gama de materiais utilizáveis.
• Fresadoras e ferramentas de corte auxiliam neste segmento.
• Limitações: alcance da ferramenta, cantos internos, paredes
delgadas.
27Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Prototipagem – Representação do Produto
• Técnicas de obtenção de protótipos
• Prototipagem Rápida
• Tecnologia de deposição por camadas.
• Geometria 3D é fatiada , obtendo-se curvas de nível 2D.
• Layer by layer.
• Processo: fatiamento, processamento, empilhamento e aderência
(da base ao topo).
• Limitações: camadas aparentes, anisotropia de propriedades,
limitação de materiais.
28Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Prototipagem – Representação do Produto
• Técnicas de obtenção de protótipos - Finalidades
• Buscar dentre as várias soluções disponíveis, uma que
atenda os requisitos funcionais, legais, ambientais e de
mercado e os diversos departamentos envolvidos no
PDP.
• A impressão subjetiva do produto tem grande influência
no processo, limitando o uso de ferramentas CAD 3D e
seus recursos de visualização (ruído, manuseio, aromas,
percepção).
29Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Prototipagem – Representação do Produto
• Técnicas de obtenção de protótipos - Finalidades
• Aprendizagem
• Visualização das necessidades, requisitos e restrições de todas as
etapas, do conceito ao ponto de venda.
• Comunicação
• Compartilhamento de ideias, troca de informações, visão
sistêmica.
• Integração
• Base de informações comuns  montagem, manuseio, vendas,
etc.
30Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Prototipagem – Representação do Produto
• Técnicas de obtenção de protótipos - Finalidades
• Identificação de falhas
• Projetos deficientes são a grande causa de problemas do produto.
A visualização física diminui a chance de falha.
• Menor custo total quando a falha é identificada em fases
preliminares.
• Marco do projeto
• Reforçam o uso de cronogramas.
• Redesign
• Visualização de melhorias ou correções feitas ao longo do
desenvolvimento histórico do desenvolvimento.
31Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Prototipagem – Representação do Produto
• Técnicas de obtenção de protótipos - Finalidades
• Publicidade e Pesquisa de Mercado
• Oportunidade de avaliação do mercado antes de grandes
investimentos.
• Mídia pode oferecer retornos antecipados na publicidade prévia,
como pedidos, encomendas, contratos, etc.
• Usabilidade/Ergonomia
• Previsão do bom e mau uso do produto.
• Simulação dos recursos funcionais e avaliação quanto ao seu
atendimento.
32Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Prototipagem Rápida
•PROCESSOS BASEADOS EM 
MATÉRIA-PRIMA LÍQUIDA
33Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Prototipagem Rápida
•ESTEREOLITOGRAFIA 
(SLA – StereoLitography Apparatus) 
34Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Prototipagem Rápida - Estereolitografia
• ESTEREOLITOGRAFIA
Processo desenvolvido primeiramente pela 3D Systems com
patente em 1986.
Constrói modelos tridimensionais a partir de polímeros líquidos 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.
35Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Espectro eletromagnético. (VOLPATO et al., 2007)
Prototipagem Rápida - Estereolitografia
• ESTEREOLITOGRAFIA – PROCESSO
1. A resina é inserida em uma cuba ou recipiente.
2. Dentro da cuba há uma plataforma imersa que se desloca
para baixo a cada camada depositada e curada.
3. A cura se dá pelo movimento do feixe do laser UV auxiliado
por um conjunto óptico, reproduzindo a geometria.
4. Após a cura ou polimerização da superfície da resina, a
plataforma se desloca para baixo, e a cura de uma nova
camada é iniciada se aderindo a camada anterior.
5. Após a inserção da última camada, os suportes são
removidos.
6. A peça também é removida e levada para um forno para que
aconteça a cura total da resina objetivando o aumento da
resistência da peça.
36Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
(VOLPATO et al., 2007)
Prototipagem Rápida - Estereolitografia
• ESTEREOLITOGRAFIA – PROCESSO
37Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Esquema processo de estereolitografia.
(VOLPATO et al., 2007)
Prototipagem Rápida - Estereolitografia
• ESTEREOLITOGRAFIA – PROCESSO
38Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Equipamento processo de estereolitografia.
(VOLPATO et al., 2007)
Prototipagem Rápida - Estereolitografia
• ESTEREOLITOGRAFIA – PROCESSO
• Necessita de estruturas de suporte para peças com formas
geométricas desconectadas ou complexas, evitando que a
camada afunde ou flutue na resina.
• Material usado em suporte geralmente é o mesmo material
utilizadona fabricação da peça economia.
• Normalmente, o planejamento de suportes é feito pelo
software que acompanha o equipamento.
• Laser: He-Cd, potência de 6 a 12 mW e comprimento de onda
de 325 nm.
• A movimentação do laser se dá através de um conjunto de
espelhos, onde as lentes e o sistema de abertura controlam o
foco do feixe, o qual percorre a superfície da resina/peça.
39Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
(VOLPATO et al., 2007)
Prototipagem Rápida - Estereolitografia
• ESTEREOLITOGRAFIA – PROCESSO
40Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Comparativo de propriedades entre matérias-primas. (VOLPATO et al., 2007)
Prototipagem Rápida - Estereolitografia
• ESTEREOLITOGRAFIA – PROCESSO
• Diâmetro do laser: 0.075 mm a 0.25 mm.
• Espessura da camada constante: 0.025 mm a 0.5 m.
• Materiais a base de acrilatos e epóxi (mais comum).
• Epóxi: menor contração, melhores propriedades
mecânicas/térmicas, maior energia de cura e maior tempo de
processamento (considerando a mesma potência do laser).
• Possibilidade de uso de fibras de carbono (curtas ou
longas).
• Possibilidade de uso de cargas cerâmicas em pó, ou até
em 50% em volume  pós processamento em fornos
para sinterização da cerâmica.
41Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
(VOLPATO et al., 2007)
Prototipagem Rápida - Estereolitografia
• ESTEREOLITOGRAFIA – PROCESSO (3D SYSTEMS)
• Pós processamento:
• Limpeza em solvente (banho) para retirada da resina não
polimerizada.
• Retirada das estruturas de suporte.
• Cura final em forno UV para cura completa.
• Acabamento final: lixamento, aplicação de verniz ou pintura.
42Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
(VOLPATO et al., 2007)
Prototipagem Rápida - Estereolitografia
• ESTEREOLITOGRAFIA – PROCESSO (3D SYSTEMS)
• Vantagens:
• Mais difundido
• Boa precisão
• Elevada qualidade superficial
• Desvantagens
• Requer suporte
• Pós processamentos
• Matéria-prima limitada
43Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
(VOLPATO et al., 2007)
Prototipagem Rápida - Estereolitografia
• ESTEREOLITOGRAFIA – PROCESSO (3D SYSTEMS)
• Aplicações
• Testes anatômicos
• Testes funcionais
• Padrões de ferramental rápido
• Peças com bom detalhamento
• Modelos de apresentações
• Aplicações em altas temperaturas
44Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
(VOLPATO et al., 2007)
Prototipagem Rápida
• Impressão por Jato de Tinta 
(IJP) – Polyjet (Object)
45Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Prototipagem Rápida – IJP Polyjet Object
• IJP – Polyjet da Object
• Tecnologia recente desenvolvida pela Object Geometries
Ltd., empresa israelense fundada em 1998.
• Utiliza resinas fotocuráveis, porém com um processo
diferente da SLA.
46Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
(VOLPATO et al., 2007)
Prototipagem Rápida – IJP Polyjet Object
• IJP – Polyjet da Object
• Princípio e Processo:
• Sistema jato de tinta que deposita pequenas gotas de uma resina
líquida sobre uma bandeja. É imediatamente curada com um feixe
de luz UV.
• Segunda geração do equipamento permite maior resolução e
espessura de camada de 16 microns.
• Oito cabeças injetoras trabalham simultaneamente.
• Utiliza um material diferente para o suporte (gel fotocurável) e
outro para a peça.
• Material do suporte retirado com jato de água ou manualmente.
• Atóxico – cartucho selado e cura total durante o processo
47Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
(VOLPATO et al., 2007)
Prototipagem Rápida – IJP Polyjet Object
• IJP – Polyjet da Object
48Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
(VOLPATO et al., 2007)
Funcionamento do processo Polyjet (IJP).
Prototipagem Rápida – IJP Polyjet Object
• IJP – Polyjet da Object
• Vantagens:
• Boa precisão
• Excelente qualidade superficial
• Não requer pós cura
• Desvantagens
• Requer suporte
• Requer pós processamento
• Menores opções de matérias-primas
49Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
(VOLPATO et al., 2007)
Prototipagem Rápida
• Impressão por Jato de Tinta 
(IJP) – InVision (3D Systems)
50Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
Prototipagem Rápida – IJP InVision 3D Systems
51Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
(VOLPATO et al., 2007)
• IJP – InVision 3D Systems
• Tecnologia similar ao processo da empresa Object
também considerada como Multi-Jet Modeling.
• Consiste na deposição de material fotocurável em
pequenas gotas com cura por incidência de um feixe de
luz UV.
• Necessário uso de suportes.
• Material da peça é resina epóxi fotossensível com 30%
de cera.
• Material do suporte é compatível com esta cera.
• Múltiplos cabeçotes para processo mais rápido (352
jatos).
Prototipagem Rápida – IJP InVision 3D Systems
52Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
(VOLPATO et al., 2007)
• IJP – InVision 3D Systems
• Pós processamento em forno onde o material de suporte
deve ser eliminado.
• O tempo é proporcional à quantidade.
• O diferencial desta técnica é a alta resolução.
Prototipagem Rápida – IJP InVision 3D Systems
53Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
(VOLPATO et al., 2007)
• IJP – InVision 3D Systems
Funcionamento do processo InVision (IJP).
Prototipagem Rápida – IJP InVision 3D Systems
54Simulação de Processamentos de Materiais – Profª Camila Boldrini
(VOLPATO et al., 2007)
• IJP – InVision 3D Systems
• Vantagens:
• Boa precisão
• Boa qualidade superficial
• Desvantagens:
• Requer suporte para regiões desconectadas
• Pós processamento
• Menores opções de matérias-primas