De acordo com Miranda (2009) existem dois grupos e tipos de tecnologias existentes envolvendo a prototipagem e a manufatura rápida: i) tecnologias aditivas de prototipagem (ARP-
Adictive Rapid Prototyping); e, ii) tecnologias subtrativas de prototipagem (SRP-Subtractive Rapid Prototyping).
No primeiro grupo, estão alocados todos os processos que se configuram pela adição de matéria-prima, por camadas finas sucessivas ou acomodação aglutinada de pequenas partículas sólidas resultando em estruturas tridimensionais. As técnicas do primeiro grupo foram convencionadas à prototipagem rápida propriamente dita.
A técnica é limitada pelo tamanho das peças que as máquinas de protótipo rápido conseguem produzir (no máximo 300mm3) e pela velocidade das máquinas, que são lentas se comparadas às técnicas de fabricação tradicionais. Por isso, a fabricação rápida é atualmente limitada à produção médica e aeroespacial, mas vem conquistando um espaço cada vez maior na produção em pequena escala. À medida que a tecnologia avança, essa pode se tornar uma das principais técnicas de fabricação do futuro. MORRIS (2010, p.135)
Miranda (2009) amparado em Chiu e Liao (2003), afirma que esse grupo também é conhecido por outras nomenclaturas como Manufatura por Camadas (Layered Manufacturing) ou ainda Impressão 3D (3D Printing). O sistema de adição de camadas também, comumente, encontra- se associada à própria Prototipagem Rápida (RP), por isso, pode ser denominada também de Manufatura de Formas Livres (Free Form Fabrication). Os processos envolvendo adição de materiais são bem melhor indicados para a obtenção de formas geométricas complexas, difíceis de serem obtidas por retirada de material, e nas solicitações de grande precisão geométrica automatizada, algo inviável com as intervenções humanas e sujeitas a erros e falhas. A diferença entre os tipos de processos por adição de material repousa nos tipos de materiais e no modo como são adicionados, vide Figura 132.
Figura 132: Representação esquemática da Tecnologia Aditiva.
Bártolo e Mateus (2002), por sua vez, citam a Wohlers Associates (2000) com dados pertinentes à principal aplicação da prototipagem rápida dentre os diferentes setores industriais, por ordem decrescente: 32% Automóveis; 18.4% Bens de consumo; 11% Equipamentos; 9% Medicina; 9% Instituições acadêmicas; 8% Aeroespacial; 8% Outros; 5% Governo militar. Já, ao citar a mesma associação, com dados mais atualizados, do ano de 2008, Raulino (2011) apresenta esta proporção da seguinte maneira como se pode verificar na Figura 133:
Figura 133: Distribuição dos setores que adotam a RP.
Fonte: Raulino (2011); Extraída de Wohlers Associates (2008).
Santos (2009) ao citar Sabino Netto (2003), assegura existir uma forte tendência pela substituição de protótipos físicos por virtuais e da utilização dos protótipos produzidos por tecnologias aditivas de material, aumentarem anualmente a uma taxa média de 25%, como mostra a Figura 134.
Figura 134: Aplicação de Tecnologia Aditiva na produção de protótipos.
Fonte: Extraída de Santos (2009) a partir de Wohlers e Sabino Netto (2003)
Cunico (2008), por sua vez, confirma o dado que nos últimos anos houve, consideravelmente, um crescimento com as tecnologias aditivas de prototipagem corroborando para sua devida importância e impacto real gerado mediante a Figura 135.
Figura 135: Investimentos realizados em Tecnologias Aditivas, entre 2003 e 2005.
Fonte: Cunico (2008); Extraída da 3D Systems (2006)
Este mesmo autor, ao citar Volpato, (2007) aponta para o fato curioso de não existirem aplicativos e equipamentos de fabricação nacionais voltados para as tecnologias aditivas algo que implica na aquisição por importações estrangeiras.
Para estes e outros autores os principais processos envolvendo tecnologia aditiva de material, descritos a seguir, são:
• Estereolitografia (SLA);
• Sinterização Seletiva a Laser (SLS);
• Modelagem por Deposição de Material Fundido (FDM);
• Manufatura de Objetos em Lâminas (LOM);
• Processo Impressão Tridimensional (3DP).
Raulino (2011), complementarmente, deu destaque em seu estudo de graduação às tecnologias aditivas quando apresenta a Figura 136.
Figura 136: Tecnologias relativas à prototipagem
Fonte: Raulino (2011); Extraída de Pham (1998).
Prototipagem Rápida
Remoção de Material Adição de
Material
Líquido Partículas Discretas Camadas Sólidas
Solidificação de um polímero líquido Ponto a ponto Camada a camada
Stereolitography Solid Ground Curing
Solidificação de um material fundido Ponto a ponto Camada a camada Junção de partículas por laser Junção de partículas com aglutinantes Selective Laser Sintering Three Dimensional Printing União de camadas com adesivo União de camadas com luz Laminated Object Manufacture Solid Foil Polimerization
a) A Estereolitografia (SLA)
Refere-se ao primeiro processo conhecido de tecnologias aditivas de prototipagem rápida e o mais usado mundialmente.
Segundo Cóser (2010), trata-se da construção de objetos a partir de resinas e polímeros fotossensíveis que são endurecidos pela incidência de raio laser do tipo ultravioleta (UV) camada a camada. Uma plataforma oscila no sentido vertical submergindo em uma cuba contendo a resina epóxi, acrílica ou vinil, em estado líquido.
De acordo com Raulino (2011), um computador transmite por comando numérico (NC) para a plataforma a informação referente à distância percorrida pela plataforma relativo a cada fatia do modelo digital a ser polimerizado. Espelhos se reposicionam e direcionam o feixe ultravioleta percorrendo e contornando a plataforma até produzir a primeira camada informada pelo computador. O endurecimento da resina se dá por uma reação química localizada e ativada pelo raio laser formando uma cadeia polimérica entre as moléculas dos monômeros conforme ilustra a Figura 137.
Figura 137: Representação esquemática da tecnologia SLA.
Fonte: Santos (2009); Extraída e adaptada de CustomPartnet (2009)
Para Santos (2009) uma lâmina espalha e nivela a resina com viscosidade preparando-a para o recebimento e a aderência de nova fatia acima. O processo se repete, cada vez que a plataforma desce um nível até se construir toda a peça. Após, finalizado o modelo já solidificado passa por lavagem e banho sendo retiradas as estruturas auxiliares de suporte. O modelo é introduzido em forno de radiação UV para a cura completa e aumento da resistência mecânica da peça. Normalmente, a aparência final é de material resinoso translúcido.
b) A Sinterização Seletiva a Laser (SLS)
O processo de prototipagem por tecnologia aditiva SLS (Selective Laser Sintering) é bastante similar ao SLA. A diferença básica reside no fato de envolver partículas em pó – material particulado ou pulverulento – do material a ser sinterizado por radiação laser CO2. A sinterização é um processo análogo à fundição, ou seja, o material sofre um aquecimento que contribui para a fusão e aderência entre as moléculas ou partículas.
Conforme Santos (2009) essa tecnologia fora desenvolvida e patenteada pela Universidade do Texas, EUA, e a empresa DTM Corporation, fundada em 1987, para viabilizar sua comercialização. Somente em 1992, o primeiro equipamento foi comercializado. Em 2001, a empresa
3D Systems, Inc. comprou a empresa DTM Corporation e passou a deter os direitos desta tecnologia.
Segundo Raulino (2011) a plataforma principal recebe o pó da matéria-prima aplicado por roletes cilíndricos coletado em reservatórios. O feixe é direcionado por espelhos de acordo com o desenho fornecido pelo computador referente a cada camada para solidificar o pó. A plataforma desce outro nível e nova fatia é formada sob a anterior já sinterizada e unida de modo químico pela ação de calor emitido e gerado pelo laser. O processo se repete até concluir a peça desenhada no computador, como mostra a Figura 138.
Figura 138: Representação esquemática da tecnologia SLS.
Fonte: Santos (2009); Extraída e adaptada de CustomPartnet (2009)
De acordo com Cóser (2010) o excesso de pó serve de suporte e apoio para a peça podendo ser retirado ao final do processo facilmente com ar comprimido ou uso de escovas e pincéis a seco. Este autor reforça a necessidade dos objetos serem projetados com furos para a retirada do pó. Caso isso não ocorra, os modelos ficam com pó acumulado em seu interior. A grande virtude desse processo refere-se ao leque maior de opções de matéria-prima tais como a poliamida, o elastômero, a cerâmica, o metal e outros compósitos.
Santos (2009) ao citar Volpato (2001), afirma que o processo SLS pode ser de dois tipos: i) na SLS direta, o material é sinterizado pela ação direta do laser; e, ii) na SLS indireta – aplicável em metais e cerâmicas – um material ligante é utilizado juntamente com o pó para dar forma ao objeto fabricado e que, posteriormente, será sinterizado em um forno.
Volpato (2007) salienta que os principais parâmetros para a fabricação de objetos através do processo SLS são: a potência do laser; a velocidade de deslocamento do feixe; e, o espaçamento entre as passadas do feixe do laser. Os protótipos oferecem considerável resistência mecânica e térmica. No entanto, o custo é bastante elevado.