Desenvolvimento de uma Impressora 3D de grande volume para prototipagem rápida na empresa Espaço Sinergia Coworking

1. RESUMO (Ir ao topo)

  Esta pesquisa tem como objetivo desenvolver uma impressora 3D para utilização na empresa Espaço Sinergia Coworking, localizada em Itajaí – SC, visando suprir uma demanda de impressões com polímeros de engenharia e de grande volume de impressão (até 500mm de comprimento e largura e até 700mm de altura). O equipamento pode ser subdividido em 4 subconjuntos: mecânico, térmico, elétrico e software. O enfoque desta pesquisa será no projeto do equipamento buscando a otimização da funcionalidade da impressora 3D.

Palavras chave: Projeto, Manufatura Aditiva, Prototipagem.

2. INTRODUÇÃO (Ir ao topo)

  A Impressão 3D ganhou destaque recentemente, porém as primeiras tentativas de fabricação aditiva computadorizada datam da década de 1970. Segundo Sampaio (2017), apenas na década de 80 foram registradas as primeiras patentes, podendo ser destacadas as patentes registradas por Charlie Chuck Hull para o processo SLA (Stereolithography - Estereolitografia) em 1984, por Carl Deckard para o processo SLS (Selective Laser Sintering – Sinterização Seletiva por Laser) em 1987, e por S. Scott Crump para o processo FDM (Fused Deposition Modeling – Modelagem por Deposição de Material Fundido), em 1989. Estes processos são até hoje amplamente utilizados, e outros processos foram derivados destes para utilização em novas tecnologias e materiais.

  Contudo, a utilização das tecnologias de impressão 3D se restringia a ambientes industriais e acadêmicos, devido ao alto custo do maquinário e consumíveis. Este cenário se manteve quase constante até o término da vigência das patentes, com validade de 20 anos. Bruijn (2010) afirma que com a queda das patentes começou um grande desenvolvimento na área de impressão 3D, seguido por uma geração de demanda para este tipo de serviço.
A empresa Espaço Sinergia Coworking, fundada em 2017 na cidade de Itajaí - SC, fornece aos Coworkers (como são chamados os clientes do espaço) um ambiente colaborativo onde alugam estações de trabalho e sala de reunião para desenvolvimento de suas atividades comerciais, assim como serviços adicionais como workshops, impressão preto e branco e colorida, além da impressão 3D.

  A empresa conta hoje com apenas uma impressora 3D de baixo volume de impressão para trabalhos como porta-canetas, chaveiros e materiais de divulgação para o mercado de peças prontas e semi-prontas, como também fabricação de pequenos moldes e peças para eletrodeposição, no mercado de consumíveis e ferramentas.
Porém a empresa vem notando um crescente aumento na demanda por peças de grande volume, tendo hoje que adaptar os projetos, imprimindo em pequenas peças e após efetuando a solda das peças para gerar a peça final, o que demanda de um grande trabalho de pós-processamento, ou recusando as solicitações que não possam ser adaptadas.

  Dentro deste contexto, este trabalho propõe o desenvolvimento de um equipamento de impressão 3D de grande volume para atender a esta demanda da empresa.

3. OBJETIVOS (Ir ao topo)

3.1 OBJETIVO GERAL (Ir ao topo)

  Projetar uma impressora 3D para prototipagem rápida na empresa Espaço Sinergia Coworking, com volume de impressão de até 500mm de comprimento e largura e até 700mm de altura.

3.2 OBJETIVO ESPECÍFICO (Ir ao topo)

  • Realizar pesquisa exploratória e bibliográfica para fundamentação;
  • Levantar requisitos de projeto para Impressoras 3D de grande volume;
  • Analisar alternativas de softwares e componentes para atender aos requisitos delimitados;
  • Efetuar o levantamento dos diferentes tipos de cinemática e determinar o modelo cinemático a ser utilizado;
  • Dimensionar e especificar componentes estruturais;
  • Desenvolver o projeto virtual da Impressora utilizando software CAD;
  • Construir o protótipo;
  • Realizar testes e simulações;
  • Analisar e apresentar resultados;


4. JUSTIFICATIVA (Ir ao topo)

  A impressão 3D vem mudando a forma como os produtos são concebidos ao permitir que sejam feitos protótipos do produto em tempo e custos relativamente baixos, quando comparados a utilização de moldes para injeção e métodos subtrativos como fresamento e torneamento. Graças a isso, segundo BRUIJN e JONG (2013), o design iterativo se tornou uma excelente forma de permitir que diferentes aspectos do produto sejam rapidamente avaliados tanto pela equipe de desenvolvimento, quanto a possibilidades de melhoria no processo de manufatura, quanto por clientes em aspectos mercadológicos.

  Sampaio (2017) considera que impressoras 3D são máquinas de prototipagem rápidas, assim como máquinas “pick and place” e gravadoras de circuitos. Porém o processo de impressão tem seu tempo exponencialmente aumentado quando se trata de uma impressão de maior volume e principalmente quando requisitada uma alta resolução na peça a ser impressa. Enquanto uma peça duas vezes mais alta demore, provavelmente, o dobro do tempo de impressão, uma peça com todos os eixos duplicados demanda oito vezes mais tempo de impressão.
Por este motivo deve ser garantida uma alta confiabilidade na impressão, evitando tanto falhas que causem perda da qualidade de impressão (como variações de temperatura e folgas na cinemática) quanto falhas que causem a perda completa da peça (como falta de filamento, quedas de energia, perda de posicionamento do cabeçote de impressão e deformações devido contração térmica do material). Falhas como estas podem causar desperdício de material (materiais de engenharia muitas vezes tem custo elevado), energia e tempo para efetuar uma nova impressão, além da possibilidade de causar danos a impressora.
Projetar uma impressora com as funcionalidades desejadas, capaz de lidar com grandes velocidades de impressão, ainda buscando soluções para as possíveis falhas, também faz com que o tempo e custo do uso do equipamento e material seja reduzido e a experiência do usuário seja descomplicada.

  A empresa desconsiderou a ideia de comprar impressoras de grande volume já existentes devido ao grande custo desses equipamentos, pois considerou o investimento de compra muito alto em relação ao tempo de retorno, e identificou que mesmo as opções comerciais ditas como “grande volume” não possuíam o volume de impressão desejado, sendo muito semelhantes a impressora que a empresa já possui, ou que não tinham capacidade de imprimir em materiais complexos como Policarbonato e ABS, devido à falta de um gabinete de impressão fechado. Na tabela 1 pode-se comparar alguns modelos de impressoras desktop analisadas, com maior volume, enquanto na tabela 2 podemos analisar alternativas de impressoras de grande volume.

Marca e Modelo Ultimaker 3+ Makerbot Replicator Z18 Criality3D CR-10S
Gabinete Fechado Fechado Aberto
Volume de Impressão XYZ 215 x 215 x 305 mm 300 x 305 x 457 mm 300 x 300 x 400 mm
Número de Bicos 2 1 1
Resolução (Eixo XY) 5 micrômetros 11 micrômetros 5 micrômetros
Resolução (Eixo Z) 20 micrômetros 2.5 micrômetros 4 micrômetros
Temperatura Máxima 280ºC 280ºC 270ºC
Preço R$ 37310 R$ 40427,1 R$ 3596.19

Tabela 1. Comparativo entre impressoras 3D tipo desktop. Fonte: Própria.

Marca e Modelo Criality3D CR-10 Max Mass Portal GP ED 40 Stratasys Fortus 900mc
Gabinete Aberto Fechado Fechado
Volume de Impressão XYZ 500 x 500 x 500 mm 400mm (cilíndrico) 914 x 610 x 914 mm
Número de Bicos 1 3 2
Resolução (Eixo XY) 5 micrômetros 10 micrômetros 9 micrômetros
Resolução (Eixo Z) 5 micrômetros 10 micrômetros 18 micrometros
Temperatura Máxima 170ºC 300ºC 280ºC
Preço R$ 6241.90 R$ 51266.26 R$ 2082370,78

Tabela 2. Comparativo de impressoras 3D comerciais de grande volume. Fonte: Própria.


5. METODOLOGIA (Ir ao topo)

  Para esta pesquisa será aplicada uma metodologia de 10 etapas.
  A primeira etapa consiste do levantamento de bibliografias sobre projeto de produto e manufatura aditiva.

  A segunda etapa consiste do levantamento de dados através de questionário, aplicado a empresas, profissionais liberais e hobistas de impressão 3D, para identificar os principais requisitos e dificuldades encontradas pelo segmento, e comparação destas dificuldades com a literatura para determinar as falhas mais críticas.

  A terceira etapa compreende identificar quais são componentes comuns a um projeto de impressora 3D, analisando sua capacidade de resolver as possíveis falhas levantadas.

  A quarta etapa busca identificar a cinemática que mais se adequa às soluções identificadas e aos requisitos de projeto, através de pesquisa bibliográfica.

  A quinta etapa compreende o dimensionamento dos componentes estruturais, mecânicos, elétricos e térmicos.

  A sexta etapa consiste da criação de um modelo virtual da impressora conceitualizada, em software CAD.

  A sétima etapa compreende a construção do protótipo.

  A oitava etapa compreende a execução de testes estruturais, térmicos e mecânicos, para identificar se os objetivos foram alcançados, e aspectos ainda passíveis de melhorias.

  A nona etapa consiste da realização de testes e simulações.

  A décima etapa compreende a apresentação dos resultados.

  Em todas as etapas utilizar-se-á a fundamentação teórica, para sustentar todos os conceitos abordados de acordo com as bibliografias, trabalhos científicos, pesquisas, normas e livros técnicos utilizados.

6. CRONOGRAMA FISICO (Ir ao topo)

Cronograma
TICT I
Etapa Período de Duração
Objetivos/Definição 01 de Janeiro a 10 de Fevereiro
Fundamentação teórica 11 de Fevereiro a 10 de Maio
Metodologia 11 de Maio a 01 de Junho
Elaboração de Cronograma TICT II 02 de Junho a 15 de Junho
TICT II
Desenvolvimento De 01 de Julho a 10 de Setembro
Conclusão De 11 de setembro a 10 de Novembro


7. REFERÊNCIAS (Ir ao topo)

BRUIJN, Erik. On the viability of the open source development model for the design of physical objects: Lessons learned from the RepRap project. 2017. 87 f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Economia e Negócios, Gestão da Informação, University Of Tilburg, Tilburgo, 2010. Disponível em: <http://thesis.erikdebruijn.nl/master/MScThesis-ErikDeBruijn-2010.pdf>. Acesso em: 16 nov. 2017.

JONG, Jeroen P.j.; BRUIJN, Erik. Innovation lessons from 3-D printing. Ieee Engineering Management Review, Cambridge, v. 42, n. 4, p.86-94, 2014. Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). http://dx.doi.org/10.1109/emr.2014.6966948. Disponível em: <http://sloanreview.mit.edu/files/2012/12/819a3bcb5e.pdf>. Acesso em: 05 nov. 2017.

SAMPAIO, Cláudio Luís Marques. Guia Maker de Impressão 3D: Teoria e Prática Consolidadas. Campinas: Publicação Própria, 2017. 588 p. Disponível em: <https://github.com/Patola/ebook>. Acesso em: 06 set. 2017.

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