A prototipagem é um dos passos finais do desenvolvimento de produtos e busca materializar aquilo que foi idealizado no projeto. Transformando as ideias e conceitos planejados em realidade.

Contudo, com o crescente dinamismo das indústrias e a necessidade de produtos serem produzidos em menos tempo, com processos mais rápidos e baratos se apresentaram como solução natural para a prototipagem de produtos.

As técnicas convencionais, como a moldagem por injeção, demandam longos períodos de tempo e não apresentam bom custo-benefício. Visto que, não são viáveis para a produção de um único protótipo, mas apenas para produções em larga escala.

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Sendo assim, conceitos de prototipagem rápida, ou prototipagem 3D, são desenvolvidos desde a década de 1970. Consistem basicamente em processos que ocorrem diversas repetições contínuas de uma mesma ação, realizando pequenas mudanças até se obter o formato desejado. Levando essa definição em consideração, iremos exemplificar abaixo alguns dos mais importantes tipos de técnicas de prototipagem 3D.

Impressão 3D

Atualmente o método mais comum de prototipagem rápida é a impressão 3D. Ela que permite a manufatura de objetos a um baixo custo, mas é inviável para produção em massa, devido ao tempo necessário para a produção. Já que o material mais comum nessa técnica são polímeros sem qualquer tipo de tratamento.

A impressão 3D é um método de manufatura aditiva porque gera um produto a partir da adição sucessiva de material até alcançar o formato desejado. Baseado em um modelo digital, como os desenhos em softwares computacionais (conhecidos como CAD), mas além disso, existe um outro tipo de software, o slicer. Ele divide o objeto desenhado em diversas camadas que serão impressas, uma por cima da outra.

Apesar de ser capaz de trabalhar com formas muito complexas, uma das principais limitações da impressão 3D é o tamanho, que na maior parte dos casos a peça manufaturada tem suas dimensões limitadas pela área de impressão do equipamento, que podem ser de três principais tipos:

 

 

Principais tipos de impressão 3D

1. Modelagem por fusão e deposição (ou FDM, fused deposition modeling em inglês). Este método mais popular e barato, as impressoras FDM possuem um rolo de filamento, que é aquecido e forçado por um bocal, depositando camada sob camada em uma chapa. É o tipo de impressão 3D mais recomendado para protótipos iniciais e uso caseiro, por apresentar a menor precisão.

2. Estereolitografia (ou SLA, Stereolithography Apparatus): a impressão 3D por SLA possui uma plataforma móvel que afunda em um tanque fixo que comporta uma resina líquida. O piso desse tanque é feito de material transparente, por onde uma luz ultravioleta passa e inicia o processo de polimerização em pontos desejados. Com o endurecimento da resina em pontos específicos, a plataforma móvel sobe para que a próxima camada seja feita e esse processo se repete sucessivamente, até a obtenção do modelo tridimensional completo. Quando podemos retirá-lo da impressora e realizar a limpeza com um solvente específico para retirar o excesso de resina líquida. É um método com ótima precisão e alta resolução para a prototipagem 3D, mas mais caro que a FDM.

3. Sinterização a laser seletiva (ou SLS, selective laser sintering). Alimentada por material em pó, a impressão 3D por SLS aquece a matéria prima em altas temperaturas. Com o auxílio de um laser e um jogo de espelhos para direcioná-lo nas posições desejadas. Com isso, o modelo tridimensional vai tomando forma sob um pistão, que desce continuamente para que mais pó seja depositado em cima e a impressão 3D continue ocorrendo. É um método bem recente, e consideravelmente mais caro que os outros. É muito utilizado em diversas áreas da prototipagem 3D e necessita de tecnologia de ponta, como lasers específicos e um mecanismo mais completo. .

Corte e gravação a laser

Assim como o método de impressão 3D por SLS, outras técnicas de prototipagem 3D utilizam lasers para obtenção de objetos devido à grande qualidade e precisão que eles garantem, mesmo em dimensões muito pequenas.

Nesse sentido, a técnica de corte a laser permite com que se obtenha pedaços de material (metais, madeira, acrílico e até mesmo papelão) – de diferentes espessuras, com baixíssimo índice de erro e em tempo curto. Ela funciona com lasers de baixo diâmetro e grande potência, que elevam a temperatura do material de trabalho até ele derreter ou vaporizar.

Já a gravação a laser é um método voltado mais para questões estéticas do produto, adicionando detalhes, logos ou textos. Nesse caso, o mecanismo também funciona por elevação da temperatura do material, mas o tempo de exposição é menor, impedindo que o laser atravesse a espessura completa do protótipo. Ainda assim, há uma evaporação ou queima do material, modificando a cor e gerando um contraste na superfície do produto.

Apesar das diferenças de aplicações desses dois métodos de prototipação 3D, ambos são sistemas em que não há nenhum contato entre o material e o mecanismo de corte, baseado puramente em elevação de temperatura, capaz de produzir formatos complexos.

Torno CNC

É uma ferramenta de corte extremamente precisa, podendo cortar a grande maioria dos materiais, com poucas restrições. Muito utilizado na usinagem de metais, apresenta grande potencial em diversas áreas de manufatura.

Em oposição à impressão tridimensional, este método de prototipagem 3D retira material de um bloco de matéria prima ao invés de adicionar. Tem funcionamento similar ao de um torno mecânico comum, mas é automatizado e controlado por um comando numérico computadorizado, que indica as etapas que devem ser seguidas e sua ordem. Por isso, assim como a impressão 3D, também necessita de um desenho computacional do protótipo.

Após a programação do comando numérico, o funcionamento do torno é relativamente simples. A matéria prima é fixada no eixo principal do torno, que rotaciona em altas velocidades. A ferramenta de corte (que pode ter diversos formatos, dependendo do que se deseja) consegue se mover livremente ao longo de três direções distintas (usualmente, os eixos x, y e z), retirando material do bloco fixado e atingindo o formato desejado para o protótipo.

 

 

Conclusão

A impressão 3D, torno CNC e o corte e gravação a laser são apenas as ferramentas mais comuns da prototipagem 3D, que tem um potencial enorme de produção.

Essa maneira de produzir protótipos tem grande importância por possibilitar a validação de ideias durante o desenvolvimento de produtos. De forma extremamente ágil e, em grande parte dos casos, e consideravelmente mais barata que os métodos convencionais.

Por esses motivos, a prototipagem 3D é essencial por impedir que a versão final do produto seja lançada com erros de projeto. Acarretando assim, em gastos muito maiores.

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Texto escrito por Matheus Fonseca, consultor do Núcleo de Engenharia de Materiais da EESC jr. – Empresa Júnior de Engenharia e Arquitetura da USP São Carlos.