Veja o que de fato aconteceu com o desenvolvimento de produtos

A prototipagem rápida basicamente quebrou a manufatura da melhor maneira possível. Não como "não funciona mais", mas como "tudo o que costumávamos fazer de repente ficou irracional".

Imagine isso: 1995, um engenheiro precisa de um protótipo de suporte. Primeiro, desenha-o à mão (no AutoCAD, se tiver sorte). Em seguida, vai até a oficina mecânica, explica a Bob o que é necessário, Bob coça a cabeça, cita três semanas e $500. Três semanas depois, está errado porque Bob interpretou o desenho de forma diferente. Enxágue e repita.

E agora? O mesmo suporte leva quatro horas para ser impresso e custa talvez vinte dólares em plástico. Teste-o, deteste-o, redesenhe-o e imprima-o novamente. Faça isso cinco vezes em um dia, se necessário.

O NIST publicou alguns números sobre isso¹ - ciclos de desenvolvimento caindo 60-80% em todos os setores. Mas os números não capturam a mudança psicológica. Quando os protótipos eram caros e lentos, os engenheiros projetavam com medo. Quando eles são baratos e rápidos, os engenheiros projetam com ousadia.

Não se trata apenas de velocidade, embora isso seja obviamente muito importante. Trata-se do fato de a iteração se tornar basicamente gratuita. Ideias que nunca seriam testadas porque "e se não funcionar?" agora são testadas porque "por que não ver o que acontece?"

As máquinas que tornaram isso possível

A prototipagem rápida abrange mais do que apenas Impressão 3DMas a manufatura aditiva recebe mais atenção porque é a mudança mais drástica em relação aos métodos tradicionais.

Impressoras FDM: Os cavalos de batalha que todos conhecem

FDM (Fused Deposition Modeling, modelagem por deposição fundida) é o que a maioria das pessoas pensa como impressão 3D. A Wikipedia aborda os conceitos básicos², mas não menciona a curva de aprendizado. Essas máquinas são muito flexíveis e, ao mesmo tempo, muito frustrantes.

É assim que funciona: o filamento de plástico é aquecido e espremido para fora de um bocal e, em seguida, é colocado em camadas umas sobre as outras para criar objetos. Tudo parece simples até que a primeira camada não adira adequadamente, uma ponte na impressão se quebre no meio ou o filamento fique entupido no meio da noite quando você tem um prazo na manhã seguinte.

As alturas das camadas normalmente variam de 0,1 mm a 0,3 mm. Precisão dimensional? Talvez ±0,1 mm se tudo estiver alinhado corretamente. A orientação da impressão é muito mais importante do que o esperado - projetos idênticos são bem-sucedidos ou fracassam com base apenas no posicionamento da placa de construção.

O FDM é excelente para protótipos funcionais que não precisam ser bonitos. Excelente para suportes, caixas, acessórios de teste. Péssimo para superfícies lisas ou detalhes finos. As linhas de camada são sempre visíveis, dando a tudo aquela aparência distinta de "impresso em 3D".

SLA: quando o FDM não é bom o suficiente

A estereolitografia usa resina líquida curada por luz UV. Acabamento de superfície e resolução de detalhes muito melhores - pode atingir alturas de camada de 0,025 mm. Detalhes que parecem impossíveis com o FDM tornam-se rotina.

Mas há um preço. A resina líquida tem um cheiro horrível e irrita a pele. O pós-processamento envolve a lavagem com álcool, a cura por UV e o descarte cuidadoso de resíduos tóxicos. As impressoras são mais caras, os materiais são mais caros e tudo leva mais tempo quando se leva em conta o pós-processamento.

A UT Austin fez pesquisas sobre sistemas avançados de SLA³ que aumentam ainda mais a resolução, mas para a maioria das aplicações de fabricação de protótipos, o SLA padrão fornece mais detalhes do que o necessário a um custo mais alto do que o justificado.

SLS: A opção industrial

A sinterização seletiva a laser derrete o pó plástico com lasers. Não são necessárias estruturas de suporte, é possível obter geometrias internas complexas e as propriedades mecânicas se aproximam das peças moldadas por injeção.

O acabamento da superfície parece uma lixa fina, o que é realmente útil para testes funcionais. As peças saem da máquina prontas para uso, sem necessidade de pós-processamento extenso.

Qual é a desvantagem? Os sistemas custam seis dígitos, o manuseio de pó requer ventilação especial e os custos de material fazem com que o FDM pareça barato. Não é algo que a maioria das empresas possa justificar ocasionalmente prototipagem rápida necessidades.

Usinagem de prototipagem rápida: A velha escola encontra a nova velocidade

A usinagem de prototipagem rápida combina o CNC tradicional com a programação moderna para fornecer protótipos usinados em dias, em vez de semanas. O tempo de programação domina a configuração, mas quando a precisão dimensional é mais importante do que a velocidade, a usinagem geralmente continua sendo a única opção.

As normas ASTM abrangem a manufatura aditiva⁴, mas a usinagem segue regras diferentes. Revestimentos industriais em Ra 0,4um a Ra 3,2um de acordo com o tempo e o custo. Precisão dimensional de até +/- 0,01 mm por meio de configuração adequada.

As abordagens híbridas funcionam bem - imprimir próximo à forma final, usinar superfícies críticas. Economiza material em comparação com a usinagem de material sólido e, ao mesmo tempo, oferece precisão onde necessário.

Onde esse material é realmente aplicado

Automotivo: A velocidade atende às normas de segurança

As empresas automobilísticas adoram a prototipagem rápida porque os ciclos de desenvolvimento são brutais e as mudanças são constantes. O problema é que até mesmo os protótipos de veículos precisam atender aos requisitos de segurança.

A National Highway Traffic Safety Administration tem regras para testar protótipos que tornam a escolha de materiais mais complicada. Não se pode simplesmente imprimir algo em qualquer plástico que esteja à mão - a resistência à temperatura, as propriedades de impacto e a inflamabilidade são importantes para a conformidade regulatória.

O desenvolvimento de veículos elétricos da Ford utilizou extensivamente a prototipagem rápida para gabinetes de baterias. O ferramental tradicional significava um tempo de espera de 12 a 16 semanas; a impressão 3D reduziu esse tempo para 2 a 3 semanas. Mais importante ainda, foi possível testar vários projetos de canais de resfriamento e escolher o de melhor desempenho.

As limitações de materiais frustram os engenheiros automotivos. O ABS funciona para a maioria das aplicações, o PETG para peças visíveis, mas qualquer coisa que exija reforço de fibra de vidro ou aditivos especiais geralmente significa materiais especiais caros.

Aeroespacial: Tudo custa muito caro e leva muito tempo

A prototipagem rápida aeroespacial opera sob restrições completamente diferentes porque as consequências de falhas são normalmente catastróficas. Os requisitos da FAA para componentes de aeronaves⁶ são extensos - documentação para tudo, rastreabilidade de materiais, protocolos de teste que fazem com que os requisitos automotivos pareçam informais.

O desenvolvimento do 787 da Boeing utilizou a fabricação de protótipos para os componentes internos, economizando um tempo significativo em comparação com o ferramental tradicional. As mudanças no layout da cabine ocorrem constantemente à medida que as companhias aéreas modificam os requisitos, de modo que a capacidade de criar rapidamente diferentes configurações foi incrivelmente valiosa.

Os requisitos de material geralmente levam os recursos de prototipagem rápida ao limite. PEEK, ligas de titânio, compósitos de fibra de carbono - materiais que a maioria dos sistemas de impressão 3D não consegue manipular. Acabam necessitando de equipamentos industriais que custam mais do que a casa da maioria das pessoas.

Dispositivos médicos: As regulamentações tornam tudo mais complicado

A prototipagem médica rápida lida com os requisitos da FDA⁷ que parecem projetados para retardar o progresso. Até mesmo os testes de protótipos exigem documentação de biocompatibilidade para qualquer material que entre em contato com os pacientes.

As normas ISO 10993 definem as regras para testar a segurança de um produto médico, mesmo que seja apenas um modelo temporário. Isso significa que, mesmo para uso de curto prazo, são necessários muitos testes. A documentação e os registros necessários geralmente são maiores do que os necessários anteriormente para produtos médicos comuns.

Os dispositivos específicos para o paciente são um grande negócio na medicina. Eles incluem ferramentas como modelos para o planejamento de cirurgias, próteses personalizadas e guias para o encaixe de implantes. Coisas que costumavam ser muito difíceis de fazer com métodos antigos agora são fáceis com a impressão 3D.

A biocompatibilidade do material continua sendo o fator limitante. A maioria dos materiais de prototipagem rápida não é de grau médico e, portanto, acaba usando resinas especiais ou metais caros que limitam as opções de tecnologia.

A realidade técnica por trás do hype

Expectativas de precisão versus realidade

A precisão da prototipagem rápida pode sair da escala e variar muito, dependendo da tecnologia usada, bem como do tamanho da peça e do esforço empregado na configuração. O FDM geralmente tem +/-0,1-0,2 mm, o SLA pode ter +/- 0,05 mm em componentes pequenos e a usinagem pode chegar a +/- 0,01-0,02 mm com uma boa fixação.

O acabamento da superfície é o ponto em que a maioria dos protótipos decepciona. O FDM sempre mostra linhas de camada - Ra 6,3μm é o mais suave possível. O SLA pode atingir Ra 0,8 μm com configurações de alta resolução, mas o tempo de impressão aumenta drasticamente.

NIST mantém padrões de medição para manufatura aditiva⁹, mas a maioria das lojas opera com controle de qualidade informal. Deveria estar fazendo a verificação da CMM para dimensões críticas, mas isso adiciona tempo e custo que anulam o objetivo de muitas aplicações.

O pós-processamento geralmente é necessário para obter algo que se aproxime da aparência de produção. Lixamento, alisamento químico, usinagem - todas as operações de trabalho intensivo que adicionam tempo a uma produção supostamente rápida prototipagem rápida processos.

Materiais: A limitação perpétua

Unidades de seleção de materiais prototipagem rápida sucesso mais do que a escolha da geometria ou da tecnologia. Os materiais do protótipo devem representar as propriedades de produção de forma suficientemente próxima para que os testes sejam significativos e, ao mesmo tempo, compatíveis com o equipamento disponível.

Materiais comuns e suas personalidades:

• PLA: Fácil de imprimir, com cheiro de doce, inútil acima de 60°C
• ABS: Cavalo de batalha do setor, boa resistência a impactos, deforma se não for cuidadoso
• PETG: Resistente a produtos químicos, opticamente transparente, geralmente bem-comportado
• Nylon: Excelentes propriedades mecânicas, pesadelo para imprimir de forma consistente
• Fibra de carbono: Alta relação resistência/peso, caro, consome os bicos

Departamento de Energia acompanha o desenvolvimento de materiais avançados¹⁰, mas as novas opções sempre ficam aquém do que os designers realmente precisam. Normalmente, acabamos comprometendo os requisitos do protótipo para atender aos materiais disponíveis, em vez de encontrar materiais que atendam aos requisitos.

Economia: Os números sobre os quais ninguém fala

Quanto custa de fato

Os custos de prototipagem rápida abrangem uma faixa enorme. O FDM de mesa pode custar $2-20 por protótipo, o SLS industrial pode chegar a $200-2000 por peça, a usinagem de prototipagem rápida varia de $100-5000, dependendo da complexidade.

As comparações de tempo são mais drásticas do que as comparações de custo. O ferramental tradicional de moldagem por injeção requer de 6 a 12 semanas, Impressão 3D geometria idêntica leva de 4 a 24 horas. Os protótipos usinados passam de prazos de entrega de 4 a 6 semanas para 1 a 3 dias.

A pesquisa do MIT sobre economia de fabricação¹¹ mostra que a prototipagem rápida é econômica até aproximadamente 1.000 peças para a maioria das geometrias, mas os pontos de equilíbrio dependem muito da complexidade. As formas simples favorecem a manufatura tradicional em volumes menores, enquanto os recursos internos complexos favorecem a impressão 3D mesmo em volumes maiores.

Os custos ocultos incluem impressões com falha, ciclos de iteração de projeto, mão de obra de pós-processamento e desperdício de material de suporte. A maioria das estimativas de custo ignora esses fatores e acaba sendo otimista.

ROI: Quando faz sentido

O investimento em prototipagem rápida geralmente pode gerar um retorno sobre o investimento (ROI) de 3 a 5 vezes em 18 meses, mas somente quando a empresa muda os processos de design para explorar os recursos. A simples substituição da prototipagem tradicional pela impressão 3D não trará todos os benefícios, a menos que seja feita uma alteração no fluxo de trabalho.

Grandes economias vêm da detecção precoce de problemas de projeto. Encontrar problemas de interferência durante a prototipagem rápida pode custar $50 para consertar. Encontrar os mesmos problemas após o ferramental de produção custa $50.000 para consertar. Esses aspectos econômicos tornam os investimentos em prototipagem rápida fáceis de justificar.

O que está por vir (e o que provavelmente não está)

Sistemas multimateriais: Complicação

Os sistemas de prototipagem rápida de última geração estão lidando com construções multimateriais - propriedades diferentes em regiões diferentes, eletrônica incorporada, rigidez variável. A Carnegie Mellon tem uma pesquisa interessante¹² sobre a incorporação de sensores durante a impressão, criando protótipos com instrumentação incorporada.

Os sistemas de fabricação híbridos que combinam processos aditivos e subtrativos estão se tornando práticos para ambientes de produção. Imprima a forma básica, usine os recursos essenciais e talvez adicione operações secundárias - tudo isso sem o manuseio de peças entre as configurações.

Indústria 4.0: Palavras da moda com alguma substância

A fabricação de protótipos inteligentes com monitoramento em tempo real e controle adaptativo está surgindo nos sistemas industriais. Monitoramento de qualidade camada por camada, ajuste automático de parâmetros, manutenção preditiva - coisas que reduzem o desperdício e melhoram a consistência.

Os serviços de prototipagem rápida baseados em nuvem estão mudando a economia para empresas menores. Faça upload de arquivos de design, os algoritmos selecionam os melhores métodos e locais de produção com base nos recursos e nos requisitos de entrega. Democratiza o acesso a tecnologias caras de prototipagem rápida industrial.

Tomando decisões que realmente funcionam

A seleção da tecnologia de prototipagem rápida se resume à compreensão das vantagens e desvantagens. Precisa de um prazo de entrega rápido e não se importa com o acabamento da superfície? FDM. Geometria interna complexa sem remoção de suporte? SLS. Tolerâncias de precisão? Usinagem. Superfícies lisas? SLA com pós-processamento.

Os requisitos de material geralmente orientam a escolha da tecnologia mais do que a geometria. Resistência à temperatura, compatibilidade química, propriedades mecânicas - esses fatores restringem os métodos de prototipagem rápida que funcionarão para aplicações específicas.

O controle de qualidade deve corresponder aos requisitos de teste. Os protótipos de avaliação visual não precisam de verificação dimensional. Os protótipos de teste funcional precisam que todas as dimensões críticas sejam verificadas. As normas ASTM fornecem orientação¹³, mas a maioria das lojas opera informalmente.

A integração com os fluxos de trabalho de design existentes é mais importante do que a seleção da tecnologia. CADs que incorporam análise de capacidade de impressão, criação automática de suporte e otimização da geometria para a manufatura aditiva - essas ferramentas reduzem o tempo entre a ideia e a visualização real.

O melhor uso da produção de protótipos é quando ela é incorporada aos vários processos de design e não como substituta deles. As empresas que conhecem as limitações da tecnologia e projetam com essas limitações em mente são beneficiadas ao máximo. As pessoas que esperam que a impressão 3D possa salvá-las em todas as coisas tendem a se decepcionar.

O ponto: a prototipagem rápida alterou completamente o setor de desenvolvimento de produtos porque a iteração é barata e rápida. Mesmo assim, ela ainda é uma ferramenta. Para ser bem-sucedido, é importante usá-la adequadamente, mas não fazer milagres.