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O uso da manufatura aditiva nos projetos de produtos

Quais devem ser as considerações de produto? Quais as considerações do ambiente térmico que o projeto deve se basear? Quais são as considerações de sustentabilidade do produto? Quais são as considerações comerciais para decidir se a MA é o melhor método para a produção de uma peça? Essas perguntas estão sendo respondidas na NBR ISO/ASTM 52910 de 05/2021 - Manufatura aditiva - Projetos - Requisitos, diretrizes e recomendações.

16/06/2021 - Equipe Target

NBR ISO/ASTM 52910 de 05/2021 - Manufatura aditiva - Projetos - Requisitos, diretrizes e recomendações

A NBR ISO/ASTM 52910 de 05/2021 - Manufatura aditiva - Projetos - Requisitos, diretrizes e recomendações contém requisitos, diretrizes e recomendações para o uso da manufatura aditiva (MA) nos projetos de produtos. contém requisitos, diretrizes e recomendações para o uso da manufatura aditiva (MA) nos projetos de produtos. Aplica-se à etapa de projetos de todos os tipos de produtos, dispositivos, sistemas, componentes ou peças que são fabricadas por qualquer método de MA. Este documento ajuda a determinar quais tipos de considerações podem ser utilizadas durante o projeto, para melhor aplicação dos recursos dos processos de MA.

São abordadas orientações gerais e identificação de problemas; soluções específicas de projeto, processos e materiais não fazem parte deste documento. O público-alvo compreende três tipos de usuários: projetistas e gerentes que estão desenvolvendo produtos a serem fabricados por sistemas de MA; estudantes que estão aprendendo projeto mecânico e desenho assistido por computador; e desenvolvedores de diretrizes de projeto e de sistemas de orientação de MA.

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Quais devem ser as considerações de produto?

Quais as considerações do ambiente térmico que o projeto deve se basear?

Quais são as considerações de sustentabilidade do produto?

Quais são as considerações comerciais para decidir se a MA é o melhor método para a produção de uma peça?

Este documento fornece requisitos, diretrizes e recomendações para os projetos de peças e produtos a serem produzidos por processos de MA. As condições da peça ou do produto que favorecem a MA são destacadas. Da mesma forma, as condições que favorecem os processos de fabricação convencionais também são destacadas. Os principais elementos incluem: as oportunidades e liberdade de projeto que a MA oferece aos projetistas (Seção 5); as características ou questões que os projetistas devem considerar ao projetar as peças para MA, que compreendem o principal conteúdo destas diretrizes (Seção 6); e os avisos ou questões críticas para os projetistas, que indiquem situações que frequentemente levem a problemas em muitos dos sistemas de MA (Seção 7).

A estratégia geral para um projeto de MA é apresentada na figura abaixo. Esta é uma representação de um processo que projeta peças mecânicas para aplicações estruturais, em que o custo é o principal critério de decisão. O projetista pode substituir prazo por qualidade, prazo de entrega ou outro critério de decisão, se aplicável.

Além de considerações técnicas relacionadas às características funcionais, mecânicas ou de processos, o projetista também deve considerar os riscos associados à seleção dos processos de MA. O processo para identificação da potencialidade geral de fabricação com MA é apresentado na figura abaixo.

Esta é uma expansão da caixa identificação de potencial de aplicação da MA, no lado esquerdo da figura abaixo. Como apresentado, os principais critérios de decisão focam na disponibilidade do material, se a peça cabe ou não no volume de fabricação da máquina e na identificação de pelo menos uma característica da peça (personalização, redução de peso, geometria complexa) em que a MA seja particularmente recomendada.

Esses critérios representam muitas aplicações de engenharia mecânica para peças técnicas, mas não têm pretensão de serem únicos. Uma expansão para a caixa seleção do processo de MA a ser utilizado da Figura abaixo é representada na outra figura abaixo, indicando que a escolha do material é crítica na identificação do processo ou dos processos recomendados.

Se o material e o processo recomendados forem identificados, a consideração de outros requisitos de projeto pode prosseguir, incluindo considerações sobre características da superfície, geométricas, propriedades físicas, estáticas e dinâmicas, entre outros. Essas figuras apresentam uma abordagem típica para muitas peças mecânicas, mas não convém que sejam interpretadas como prática necessária prescrita.

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A manufatura aditiva se diferencia de outros processos de manufatura por muitas razões, e estas diferenças proporcionam liberdades e oportunidades únicas de projeto que são destacadas nesta Seção. Em regras gerais, se uma peça puder ser fabricada de forma economicamente viável usando um processo de manufatura convencional, provavelmente esta peça não será fabricada utilizando a MA.

Entretanto, as peças que são boas candidatas para a MA tendem a ter geometrias complexas, geometrias customizadas, baixos volumes de produção, combinações especiais de propriedades ou características, ou combinações destas características. À medida que os processos e os materiais são melhorados, a ênfase nestas características provavelmente mudará. Na Seção 5, algumas oportunidades de projeto são destacadas e algumas limitações típicas são identificadas.

Para as oportunidades de projeto, deve-se entender o descrito a seguir. Contexto – A MA fabrica peças adicionando material camada por camada. Devido à própria natureza dos processos de MA, a MA tem muito mais grau de liberdade que outros processos de manufatura. Por exemplo, uma peça pode ser constituída por milhões de gotículas, se fabricada por um processo de jateamento de material.

O controle discreto sobre milhões de operações em micro e nanoescalas é, ao mesmo tempo, uma oportunidade e um desafio. Níveis de interdependência sem precedentes são evidentes entre as considerações e as variáveis do processo de manufatura, o que distingue a MA dos processos de manufatura convencionais. A capacidade de tirar a vantagem das oportunidades de projeto pode ser limitada pelas complexidades do planejamento de processo.

Visão global – A natureza aditiva, baseada em camadas, significa que qualquer formato de peça pode ser virtualmente fabricado sem ferramental, como moldes, matrizes ou dispositivos de fixação. Geometrias customizadas para indivíduos (clientes ou pacientes) podem ser fabricadas economicamente. Formas geométricas muito sofisticadas são possíveis com o uso de estruturas celulares (colmeia, lattice, esponja) ou estruturas convencionais. Frequentemente, múltiplos componentes de um conjunto fabricado por processos convencionais podem ser substituídos por uma única peça ou por um número menor de peças que sejam geometricamente mais complexas que os componentes sendo substituídos.

Isto pode levar ao desenvolvimento de peças mais leves e com melhor desempenho do que as montagens originais. Além disso, a redução do número de peças (chamada de consolidação de peças) tem vários benefícios para as atividades subsequentes. O tempo de montagem e de manutenção, a complexidade no chão de fábrica e o estoque de peças de reposição e ferramental podem ser reduzidos, levando à economia de custos ao longo da vida do produto.

Uma consideração adicional é que modelos para aplicações médicas com geometrias complexas podem ser facilmente fabricados a partir de dados de imagens médicas. Em muitos processos de MA, as composições e as propriedades do material podem ser variadas por meio de uma peça. Esta característica possibilita peças com gradiente funcional, nas quais as distribuições de propriedades mecânicas desejadas podem ser projetadas, variando-se a composição do material ou a sua microestrutura.

Sendo desejadas variações efetivas das propriedades mecânicas por meio de uma peça, o projetista pode fazer isso, tirando vantagem da capacidade dos processos de MA quanto à complexidade geométrica. Sendo desejadas variações na composição ou na microestrutura do material, estas variações podem ser alcançadas, mas com limites que dependem do processo ou do equipamento específico. Considerando todos os processos de MA, alguns deles permitem o controle de variação de material ponto a ponto, alguns fornecem controle discreto dentro de uma camada e a maioria permite controle discreto entre as camadas (a fotopolimerização em cuba é a exceção).

No processo de jateamento de material e de jato de aglutinante, a composição do material pode ser variada de maneira praticamente contínua, gota a gota, ou mesmo por mistura de gotículas. Do mesmo modo, o processo de deposição de energia direcionada pode produzir várias composições de materiais, variando a composição do pó que é injetado na poça de fusão (melt pool).

O controle discreto da composição de materiais utilizados pode ser implementado em processo de extrusão de material, utilizando, por exemplo, múltiplos bicos extrusores. O processo de fusão em leito de pó (PBF) pode ter limitações, uma vez que podem surgir dificuldades na separação dos pós não fundidos.

É importante notar que os recursos específicos dos equipamentos vão mudar e evoluir continuamente com o tempo, mas a tendência geral é aumentar a flexibilidade da composição do material e a capacidade de controle das propriedades. Existe uma importante oportunidade de otimizar o projeto de peças, para atingir propriedades estruturais sem precedentes.

O conceito de projeto para funcionalidade pode ser concretizado, o que significa que, se as funções de uma peça puderem ser matematicamente determinadas, a peça pode ser otimizada para adquiri-las. Novos métodos de otimização topológica e de forma foram desenvolvidos a este respeito.

Os projetos resultantes podem possuir geometrias muito complexas, utilizando estruturas internas tipo colmeia, lattice ou esponja, que, por sua vez, podem possuir combinações e variações complexas de materiais ou uma combinação de ambas. É necessária pesquisa nesta área, mas alguns exemplos práticos já estão surgindo.

Outras oportunidades envolvem algumas considerações comerciais. Como na MA nenhum ferramental é necessário para a fabricação de peças, os prazos de entrega podem ser reduzidos, quando comparados à manufatura convencional de novos projetos. É necessário pouco investimento em infraestrutura, o que permite a customização em massa e o incremento da capacidade de resposta às mudanças de mercado.

No caso de manutenção, a fabricação de componentes para reposição pode ser vantajosa em relação tanto aos custos quanto ao prazo de entrega. Visão global – É usual apontar as características do projeto que indicam situações em que a MA provavelmente não seria utilizada. Em termos concisos, se uma peça puder ser economicamente fabricada utilizando um processo de fabricação convencional e se puder atender aos requisitos, é improvável que seja uma boa candidata para a MA. Convém que o projetista considere custo, tempo de entrega e riscos ao decidir pela MA.

Uma importante vantagem dos processos de MA é a flexibilidade de fabricar uma variedade de peças com formatos complexos e personalizados, e a possibilidade de distribuições complexas de materiais. Se alguém desejar a produção em massa e em larga escala de peças simples, a MA pode não ser adequada sem melhorias significativas no tempo e no custo de produção.

O projetista deve estar atento às opções de materiais disponíveis, à variedade e à qualidade do material de alimentação, e a como as propriedades mecânicas e as outras propriedades físicas variam, quando comparadas entre a manufatura aditiva e a convencional. Os materiais para MA possuem diferentes características e propriedades, porque eles são processados de maneira diferente que os utilizados para fabricação convencional.

Convém que os projetistas estejam cientes de que as propriedades das peças fabricadas por MA são altamente sensíveis aos parâmetros de processo e que a estabilidade do processo é um problema significativo que pode limitar a liberdade do projeto. Além disto, convém que os projetistas entendam as anisotropias frequentemente presentes em materiais processados por MA.

Em alguns processos, as propriedades no plano de fabricação (direções X, Y) são diferentes das propriedades no eixo de fabricação (eixo Z). Com alguns metais, é possível obter propriedades mecânicas superiores às obtidas por processo de conformação mecânica. No entanto, normalmente, as propriedades de fadiga e de resistência ao impacto das peças fabricadas por MA, na condição de como fabricadas, são inferiores às de materiais processados convencionalmente.

Todas as máquinas de MA discretizam a geometria da peça antes de fabricá-la. A discretização pode ser feita de diversas formas. Por exemplo, muitas máquinas de MA fabricam peças em um modo camada por camada. Em jateamento de material e em jato aglutinante, gotas discretas de material são depositadas.

Em outros processos, percursos vetoriais discretos (por exemplo, de um laser) são usados para processar o material. Devido a esta discretização da geometria das peças, geralmente a superfície externa da peça não é lisa, uma vez que as divisões entre as camadas ficam evidentes. Em outros casos, as peças podem ter pequenos vazios internos.

A discretização da geometria gera muitos outros efeitos. Características pequenas podem ser mal formadas. Paredes ou estruturas finas, inclinadas em relação à direção de fabricação, podem ser mais espessas que o desejado. Além disso, se a parede ou a estrutura for quase horizontal, ela pode ser muito fraca, pois pode ocorrer pouca sobreposição de camadas. Da mesma forma, pequenas características negativas, como furos, podem sofrer o efeito oposto, ficando menores que o desejado e com formas distorcidas.

O pós-processamento das peças é requerido por muitos processos de MA ou pode ser solicitado pelo usuário final. Uma variedade de métodos mecânicos, químicos e térmicos pode ser aplicada. Vários tipos de processo de MA utilizam estruturas de suporte na fabricação das peças que precisam ser removidas.

Em alguns casos, os suportes podem ser removidos usando solventes, mas, em outros, os suportes precisam ser removidos mecanicamente. Convém que o usuário considere o trabalho, o tratamento manual do componente e o tempo adicionais que estas operações requerem. Adicionalmente, convém que os projetistas entendam que a presença de estruturas de suporte pode afetar o acabamento ou a precisão das superfícies suportadas.

Além da remoção da estrutura de suporte, outras operações de pós-processamento podem ser necessárias ou solicitadas, incluindo a remoção de pó em excesso, melhoria no acabamento da superfície, usinagem, tratamentos térmicos e revestimentos. Se uma peça tiver cavidades internas, convém que o projetista considere as características na peça que permitam remover das cavidades as estruturas de suporte, o pó não sinterizado (PBF) ou a resina líquida (fotopolimerização em cuba).

Dependendo dos requisitos de precisão e de acabamento da superfície, a peça pode requerer usinagem de acabamento, polimento, retificação, jateamento de esferas ou jateamento com granalha. Peças de metal podem requerer, por exemplo, um tratamento térmico para alívio de tensões residuais. Podem ser requeridos revestimentos, como pintura, galvanoplastia ou infiltração de resina.

As operações de pós-processamento aumentam o custo das peças fabricadas por MA. Cada processo de MA possui um envelope de fabricação limitado. Se uma peça for maior que o envelope de fabricação de um processo de MA, ela pode ser dividida em várias peças, a serem montadas após a fabricação. Em alguns casos, isto não é tecnicamente ou economicamente viável.

FONTE: Equipe Target

Baseado nos documentos visitados

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