Como melhorar a velocidade, a precisão e a qualidade na fabricação aditiva
Por Rafael Hasbun,
Engenheiro sênior de Aplicação de Campo, FARO Technologies
A fabricação aditiva, ou seja, o processo de adição de materiais, camada sobre camada, para construir um produto completo, economiza tempo e dinheiro para os fabricantes. Portanto, não é surpresa que, à medida que os fabricantes se esforçam para atender a restrições orçamentárias e de tempo ao projetar e desenvolver novos produtos, o mercado de fabricação aditiva esteja preparado para um crescimento significativo.
Na verdade, um relatório recente do site Reportlinker.com, Relatório de análises do tamanho e da participação de mercado e das tendências do setor da fabricação aditiva global por tipo de impressora, tecnologia, componente, aplicações, material, área, perspectiva regional e previsão, 2022-2028”, prevê que o mercado global de fabricação aditiva terá uma taxa de crescimento anual composta de 18,9% durante o período previsto, chegando a atingir US$ 44,6 bilhões em 2028, um aumento de US$ 14 bilhões do porte atual. Espera-se que o crescimento seja alimentado pela demanda nos mercados automotivo, aeroespacial e de saúde, que alavancam processos de fabricação aditiva para acelerar a prototipagem de peças.
O que é fabricação aditiva?
Normalmente, a fabricação aditiva depende de desenho assistido por computador (CAD) ou scanners de objetos 3D e softwares sofisticados para direcionar o hardware, como impressoras 3D, no depósito do material, camada por camada, em formas geométricas precisas e criar um objeto, em vez de usar métodos tradicionais de subtração que removem material via fresagem, usinagem, entalhe ou moldagem para criar um objeto. O processo de fabricação aditiva permite que os fabricantes imprimam peças como peça única, reduzindo o desperdício de materiais e economizando tempo e custos na prototipagem e engenharia reversa de peças.
O papel dos laser scanners 3D na fabricação aditiva
Cada vez mais, os laser scanners 3D estão sendo usados como primeiro passo na fabricação aditiva, pois aceleram ainda mais o processo de desenvolvimento do produto. Os scanners 3D podem digitalizar as medidas, as características e os detalhes necessários para criar a peça em poucos minutos, ao passo que, usando métodos tradicionais de medição, tais como paquímetros e máquinas de medição por coordenadas (CMM), pode-se levar horas apenas para medir as mais simples dimensões físicas de uma peça. As digitalizações em 3D detalhadas são então enviadas a um sofisticado programa de computador, que usa os dados coletados para criar um modelo em 3D virtual para impressão.
Os scanners 3D não apenas proporcionam medições mais rápidas e detalhadas, mas também aumentam a precisão devido à alta resolução dos dados e reduzem os casos de erros humanos associados aos métodos tradicionais de medição, assegurando o controle de qualidade do primeiro item criado. A digitalização em 3D também pode ser usada para inspecionar e diagnosticar falhas em peças que foram criadas por um processo de fabricação aditiva. Uma peça impressa em 3D pode ser testada sob condições adversas no ambiente em que se pretende usá-la e, após esses testes, podem ser empregados laser scanners 3D para detectar e diagnosticar quaisquer deformidades ou pontos críticos de falha na peça, a fim de assegurar ainda mais a qualidade do produto e acelerar as iterações subsequentes do produto.
A digitalização em 3D também é superior aos métodos tradicionais de medição quando se trata de capturar objetos que têm superfícies pré-formadas, curvaturas complexas ou acabamentos de superfície texturizados, porque esse tipo de características não são facilmente medidas com ferramentas tradicionais. A digitalização em 3D também responde ao desafio da engenharia reversa, que é frequentemente empregada pela indústria automotiva para criar peças personalizadas ou descontinuadas. A engenharia reversa de um objeto físico para a fabricação aditiva requer a medição precisa da altura, largura, profundidade, diâmetro e circunferência da peça, assim como de detalhes complexos como o raio e as texturas de certas características. A digitalização em 3D adquire de maneira eficiente e precisa todos os dados associados às superfícies, detalhes e características intrincadas da peça, permitindo que dados precisos e detalhados sejam enviados à impressora para a fabricação aditiva.
Melhorias nas tecnologias de digitalização superam os desafios da fabricação aditiva
Apesar das diversas vantagens de usar a digitalização em 3D no processo de fabricação aditiva, há alguns desafios associados, tais como a digitalização de peças grandes e pesadas. Entretanto, reconhecendo o problema, algumas tecnologias mais recentes, como a máquina portátil de medição por coordenadas Quantum Max FaroArm®, oferecem maior alcance para proporcionar uma articulação mais confortável e garantir melhor extensão na parte superior e circundante dos objetos grandes. Quando combinada com a FARO® 8-Axis Max Rotary Worktable, um componente modular que pode ser usado com qualquer FaroArm, a necessidade de realocar ou reposicionar o dispositivo de digitalização é quase eliminada. Tradicionalmente, para digitalizar uma peça grande, os técnicos teriam que digitalizar uma seção de cada vez, e depois deslocar o scanner para a seção seguinte. O movimento poderia resultar na imprecisão dos dados, mas, com a mesa de trabalho rotativa, a peça pode ser montada na mesa, que gira como uma peça central, permitindo que a peça seja capturada sem mover o scanner, eliminando erros e aumentando a precisão dos dados.
Outro desafio associado aos scanners 3D tradicionais é que eles muitas vezes têm dificuldade para digitalizar peças que são escuras, brilhantes ou reflexivas. Nesses casos, os técnicos normalmente borrifam pó na peça para conseguir um acabamento fosco e conseguir uma digitalização precisa, mas isso pode ficar no passado devido à introdução da tecnologia de luz azul opticamente superior. O Quantum Max ScanArm da FARO, a mais avançada ferramenta de medição portátil que conta com três Laser Line Probes (LLPs) específicas que podem ser submetidas para troca a quente, oferece recursos como prototipagem rápida, engenharia reversa e modelagem em 3D de superfícies de forma livre. A tecnologia de luz azul permite a digitalização de superfícies desafiadoras, inclusive as que são escuras ou reflexivas, simplificando o processo e aumentando a precisão da digitalização desses objetos antes das aplicações de fabricação aditiva.
O software complicado usado para converter digitalizações para impressão era outro desafio para operadores de fabricação aditiva, mas, atualmente, até mesmo os programas de software mais sofisticados estão se tornando de fácil utilização. Por exemplo, o FARO RevEng™ Software permite aos usuários capturar com mais precisão e editar mais facilmente malhas para a criação de modelos para impressão em 3D. O uso do software em combinação com produtos de digitalização em 3D permite que dados, desde nuvens de pontos de cor de alta resolução até malhas simples, sejam transformados em malhas detalhadas, proporcionando mais percepção do design e da composição, bem como diferenciação visual entre materiais e texturas. A interface do usuário intuitiva exibe visualmente todas as ferramentas dentro de uma única tela, facilitando a fácil manipulação e personalização do objeto 3D para atender aos requisitos específicos de design, aumentando ainda mais a produtividade do fluxo de trabalho da engenharia reversa em aplicações de fabricação aditiva.
Resumindo
Recentemente, Adam LZ, um piloto automotivo e YouTuber de esportes motorizados, fez uma parceria com a FARO e o fornecedor de software Oqton para criar uma peça personalizada para um carro de corrida usando a tecnologia de digitalização em 3D da FARO, o software Geomagic Design X da Oqton e a fabricação aditiva. Inicialmente, o painel do carro continha um console de navegação que precisava ser removido porque estava acrescentando peso desnecessário ao veículo. O objetivo do projeto era criar rapidamente uma peça personalizada e leve que preenchesse adequadamente a abertura deixada no painel depois que o sistema de navegação fosse removido.
Primeiro, o painel e o console de navegação foram removidos do veículo e colocados no 8-Axis Max onde, apesar do grande tamanho, foram facilmente digitalizados com o FARO ScanArm. “Acoplar o painel no 8-Axis Max e girá-lo fez com que houvesse menos trabalho e mais precisão na digitalização porque não precisamos manipular ou mover a peça ou o scanner”, afirma Will Pitarello, engenheiro sênior de aplicações da FARO. “Menos movimento equivale a mais precisão e reduz as variáveis que poderiam introduzir erros na coleta de dados.”
A digitalização de todo o painel permitiu aos projetistas compreender em que local da peça estava o sistema de navegação. Com essa etapa concluída, o console de navegação foi removido e digitalizado para dar uma ideia da forma do próprio console, bem como dos grampos de metal que o mantinham firmemente preso dentro do painel. Uma terceira digitalização foi feita no espaço vazio deixado no painel, para que se entendesse a geometria da parte interna do espaço vazio, inclusive os pontos de montagem, de modo que a peça recém-criada se encaixasse no espaço e encaixasse adequadamente nos conjuntos existentes. “Foi importante digitalizar todo o painel e o próprio console de navegação, assim como o espaço aberto criado quando o sistema de navegação foi removido e a geometria abaixo dele, de modo que a nova peça personalizada não apenas cobrisse a área, mas se encaixasse corretamente nos pontos de montagem existentes”, conta Greg George, gerente de engenharia de aplicações da Oqton.
As três digitalizações foram então reunidas usando o software Geomagic Design X para criar um modelo em 3D que foi usado para fabricar muito rapidamente uma peça utilizando a fabricação aditiva. Graças à precisão da digitalização, que incluiu as geometrias do espaço vazio, as texturas da superfície do painel, os pontos de montagem e todas as outras características necessárias, bem como a rapidez da fabricação aditiva, o resultado foi bem-sucedido e obteve-se uma peça bem ajustada que combinava com a textura da superfície em couro do painel original, e a montagem nos grampos existentes foi projetada e produzida até o dia seguinte.
“A vantagem é que, com a fabricação aditiva, temos a capacidade de fabricar uma peça rapidamente e, uma vez que a peça esteja disponível, podemos determinar se é o ajuste certo e o peso certo”, diz George. “E, se por acaso for muito pesada ou não estiver correta, é possível produzir uma solução muito rápida usando essas mesmas tecnologias e, com a mesma velocidade, fabricar outra parte que sirva melhor ou que pese menos”.
É fácil ver que as tecnologias atuais de digitalização a laser em 3D e os pacotes de software de fácil utilização ajudam as empresas de fabricação aditiva inovadoras a acelerar seus fluxos de trabalho, ao mesmo tempo em que garantem a precisão e a qualidade das peças produzidas, tornando-as mais lucrativas e eficientes do que nunca.