Prototipagem

Prototipagem CNC.

O Controlo numérico computorizado (CNC) é uma tecnologia utilizada já há muitos anos, e que evoluiu e foi aplicada a vários tipos de máquinas, determinando uma eficiência maior, uma precisão maior e uma redução substancial dos resíduos. A prototipagem CNC não utiliza uma fresadora simples, mas uma ferramenta para corte cilíndrico que pode variar a direção e se mover em mais eixos (de 3 até 5), fazendo operações complexas de gravação, perfuração e aplanamento com precisão de nível milimétrico.
Estas máquinas CNC podem produzir formas específicas que praticamente não podem ser produzidas utilizando utensílios manuais. Para além disso, a maioria das fresadoras CNC possuem um mecanismo especial que bomba o fluido para a ferramenta de corte durante o processo produtivo para reduzir o atrito.
A prototipagem CNC é o ideal para as empresas que precisam realizar componentes de alta precisão. O que é necessário é ter uma exata programação do software.

As fresadoras CNC podem utilizar qualquer tipo de material que se possa perfurar ou cortar. Contudo, a maiora das máquinas CNC trabalha com materiais metálicos, plásticas duras e resinias. Conforme a densidade do material, será necessário utilizar uma fresadora apropriada.

Sinterização.

A sinterização é uma das tecnologias mais avançadas do momento para realizar protótipos.
A técnica prevê o utilizo de pequenas partículas sólidas (“pós”) que são soldadas por tratamento térmico e/ou mecânico, obtendo um produto sólido. Considerado o tipo de processo, é preciso evidenciar que o mesmo produto não poderia ser obtido utilizando outras técnicas de moldagem. A escolha da composição e da dosagem dos pós e da cola tem um peso considerável no processo todo, determinando a qualidade do resultado. A peculiaridade de um componente fabricado por sinterização é a dureza estrema da superfície de trabalho, a precisão da forma, a resistência (no caso de pós metálicos), e uma produção em série relativamente barata.
A difusão dessa tecnologia é devida a algumas caraterísticas específicas:
- o utilizo de pós de tipo diferente;
- a possibilidade de obter produtos ocos com outros produtos dentro, deixando somente um buraco para eliminar os pós resíduos (por exemplo, um apito, feito por um corpo oco perfurado e com uma bolinha dentro, pode ser fabricado numa vez só);
- as ferramentas adicionais (as tecnologias de hoje excluem o utilizo delas na concepção do produto final mas o utilizo dessa tecnologia direto na produção poderia abrir novos horizontes para a parte de projeto, seja estéticos que técnicos).

O processo

A sinterização seletiva por laser começa depositando uma camada fina de pó que funde por calor em cima duma plataforma controlada no eixo z.
Os datos Cad são divididos em seções bidimensionais com espessura predefinida. Estes dados guiam o raio laser, que desenha a seção em cima da superfície pré-aquecida com uma temperatura levemente inferior ao ponto de fundição. A energia aplicada funde o pó e solidifica a seção. O raio laser funde somente a área interessada.
Um rolo deposita uma camada adicional de pó em cima da outra.
O processo é repetido até que a parte é completa. Dessa forma, se criam partes homogêneas de complexidade ilimitada.
O pó na área de trabalho constitui um apoio natural para a peça, portanto não tem necessidade de outros suportes, e isso é sem dúvida uma vantagem.
As peças construídas são extraídas da câmara de trabalho, e o pó em excesso é removido (e recuperado para ser novamente utilizado). Sucessivamente, as peças podem ser pintadas.
De forma geral, quase todo material pode ser sinterizado, desde que as propriedades óticas de absorvimento sejam compatíveis com as caraterísticas da radiação do laser.


Os materiais

Os pós mais utilizados são os pós de poliamida, material plástico com caraterísticas que poderíamos definir intermédias na gama dos materiais plásticos utilizados para realizar produtos: de forma geral, menos rígido do ABS, e menos macio do polietileno. Esse material pode ser enriquecido com fibra de vidro para aumentar a resistência caso o protótipo seja utilizado para testes realísticos.
O Somos é um pó de elastómero que permite obter protótipos “em borracha” com caraterísticas de elasticidade e resistência elevadas.
Os pós de alumínio e metálicos são os mais recentes. Para os protótipos realizados com pós metálicos tem mais uma fase no processo. Uma mistura de pós metálicos e resinas plásticas é sinterizada; uma vez obtida, a peça é colocada dentro duma câmara ou dum forno especial aonde o material plástico é sublimado, e depois os espaços vazios são enchidos com o bronze. Dessa forma, o protótipo final é completamente em metal.
Essa tecnologia é já utilizada para produzir pequenos moldes para a injeção de material plástico.

Estereolitografia.

A estereolitografia (que, literalmente, significa impressão em 3 dimensões) constitui uma das tecnologias mais importantes e mais utilizadas de Prototipagem Rápida. Com base nos modelos realizados pelo CAD, permite produzir em tempos breves modelos tridimensionais em resina, eliminando a fase intermédia de produção dos moldes. A técnica da estereolitografia inclui quatro aspetos diferentes:

   - laser
   - ótica
   - química
   - informática

O processo começa com a preparação de um arquivo 3D aonde é prevista a posição da peça na plataforma, são gerados os suportes necessários à peça durante a realização, e o protótipo é subdividido por camadas XY que representam os planos de construção. O formato STL vai tornar o objeto do projeto CAD 3D compreensível para os softwares de gestão das máquinas para a Prototipagem Rápida.
Fase de construção: é um processo de solid free form fabrication (SFFF), e, portanto, o protótipo é construído pela adição sucessiva de partículas ou camadas, até alcançar a forma desejada (processos aditivos).
Durante a fase de construção, o feixe laser é focado, através de um oportuno sistema ótico, na superfície da cuba aonde tem a resina líquida fotossensível. O feixe laser provoca uma reação polimerização criando uma camada líquida que representa uma seção do protótipo. O elevador desce da espessura do foto-polímero solidificado, e uma camada fina de resina cobre a seção recém construída por meio de um sistema de cobertura de precisão. O processo recomeça com a solidificação duma camada sucessiva, que adere estavelmente à seção que está por baixo. O processo continua até a produção completa do protótipo, que será extraído da cuba levantando o elevador.
Por razões de tempo da polimerização, o laser não pode solidificar integralmente a seção, mas somente na parte do perfil e de algumas linhas que ligam o perímetro interno com o perímetro externo. Uma vez acabada esta fase, a parte externa da peça é solidificada, enquanto que a parte interna ainda não de forma completa. Sendo que nesta fase a consistência física ainda não este finalizada, a peça deverá subir um post-tratamento para completar o processo de polimerização: a peça será exposta a uma lâmpada de ultravioletas especial, e a duração do processo irá variar segundo o dimensional da peça, a complexidade da geometria e o tipo de resina utilizada. Dessa forma a polimerização da resina líquida ainda encaixada dentro da peça irá se completar.
Com o fim do post-tratamento, os suportes, se presentes, são eliminados, e a peça é acabada (pintura, jateamento ou outros acabamentos).
A estereolitografia oferece uma boa precisão das peças e permite realizar formas complexas com paredes finas e uma boa qualidade de superfície.
A definição dos detalhes permite a análise técnica, funcional e de design do protótipo. A peça feita por estereolitografia é muito frágil, e, portanto, não pode ser sujeita a ensaios mecânicos.

Protótipos de silicone.

O Vacuum Castin, ou impressão por meio de ferramentas de silicone, é uma das técnicas mais conhecidas e utilizadas na construção rápida de moldes flexíveis que garantem a produção de um número limitado de peças (de 1 até 25) em material, por algumas caraterísticas físicas, mecânicas e estéticas, muito similar ao definitivo.
Objetivo do processo

Obter, em tempos breves e sem construir os moldes definitivos, uma série prévia experimental de um produto novo para ter a possibilidade de fazer muitas das avaliações funcionais necessárias para testar o produto.


Processo de fabricação do molde em resina de silicone

O ponto de partida é um máster, geralmente construído por estereolitografia, que é oportunamente suspenso dentro dum recipiente. Após ter posicionado orifícios de ventilação e canais de vazamento, o máster é coberto por silicone líquido desgaseificado. No fim do processo, o molde é colocado dentro de um forno especial para que endureça. O molde, depois, é cortado em duas ou mais partes, seguindo perfis irregulares, para obter depois um acoplamento perfeito por grampeamento. Esta ferramenta permite obter protótipos por fundição no vácuo.

Os moldes realizados por esse processo permitem de:

- obter detalhes muito similares aos definitivos
- fazer avaliações funcionais
- fazer avaliações de marketing
- adiantar (em alguns casos) a homologação do produto

Testes funcionais

A possibilidade de fazer testes funcionais nos protótipos não é absoluta, mas limitada a algumas caraterísticas da peça, que poderá ser sujeita a testes físicos e químicos. Consequentemente, é importante estabelecer, antes de produzir uma série prévia, quais os aspetos do produto que devem ser testados nos protótipos.
A caraterística testada mais frequentemente é o módulo elástico. Isso porque é possível obter materiais com o módulo elástico típico dos termoplásticos de produção, como o ABS, PA, PP, etc., seja utilizando resinas disponíveis no mercado (para os termoplásticos mais comuns), seja formulando o próprio poliuretano. Essa segunda hipótese é a mais perseguida quando é necessário simular outras caraterísticas, como a resistência térmica, a resistência à tração e torsão, a resistência a alguns produtos químicos agressivos, a auto-extinção, a absorção de som.
Somente algumas caraterísticas mecânicas e físicas podem ser simuladas contemporaneamente: é essencial definir antecipadamente quais testes é mais importante conduzir para desenvolver o material de poliuretano que representa o compromisso ideal para alcançar os objetivos estabelecidos.
Foram evidenciados limites no utilizo de poliuretanos nos testes destrutivos, nos casos em que é necessário obter dados muito precisos acerca dos pontos de quebra e os limites estruturais. Muitas vezes nessas situações é melhor integrar ou substituir a fase de prototipagem com moldes em silicone com técnicas de rapid tooling e trabalhar então com protótipos feitos no material definitivo, com exatamente o mesmo método da produção.
A excelência do protótipo está na capacidade de simular as caraterísticas estéticas, relativamente a forma, cor, transparência e acabamentos superficiais. Isso permite às pré-séries de silicones de ser utilizadas para apresentações, testes de marketing, afinação da embalagem, fotos publicitárias, apresentações à imprensa, etc.
Eis alguns dos fatores que influenciam a qualidade estética, dimensional e funcional da pré-série:
- o desgaste do molde em silicone: conforme o material e a geometria da peça, é possível garantir uma qualidade boa para um número de peças entre 5 e 25.
- o desgaste dos moldes ao longo do tempo: quando os moldes não são utilizados o silicone perde elasticidade e esmigalha. Um molde tem 6 meses de vida no máximo.
- Os limites dos materiais de poliuretano, cujas propriedades variam ao longo do tempo. O protótipo nasce para ser utilizado logo que fabricado, quando as características técnicas e funcionais são íntegras. Ao passar do tempo, pelo contrário, o material se deforma, fica mais rígido e frágil devido às caraterísticas higroscópicas do poliuretano, do processo de reticulação e da sensibilidade à radiação UV.

Dados técnicos

Precisão:±0,2% com uma repetibilidade de 0,1% (máx. ±0,2mm)
Espessura mínima das paredes: um bom enchimento do molde é garantido com uma espessura da parede de 0,5mm. Uma espessura de 1,5mm permite obter resultados melhores.
Dimensões máximas: a dimensão do molde é limitada pelo dimensional da máquina e do volume de peças (máx. 10 litros)
Materiais de fundição: poliuretanos e outros materiais disponíveis em todas as cores RAL standard.
Aplicações: encaixes, peças feitas por 2 materiais diferentes.