Produção de moldes ganha tempo com prototipagem

A tecnologia de prototipagem rápida aplicada à fabricação de moldes, ou ferramental rápido como é tecnicamente denominada, caminha a passos largos no Laboratório de Projeto e Fabricação de Componentes de Plástico Injetados (Cimject). O fato ficou evidente na palestra proferida por Diovani Lencina durante o Fórum do Plástico, em Sapucaia do Sul-RS. “Trata-se de uma tecnologia com enormes vantagens na produção de peças-protótipo com bom padrão estético e com boa resistência física, utilizada no auxílio aos projetos de peças confeccionadas em resinas termoplásticas e termofixas”, assinalou Lencina. Segundo ele, o seu uso vem crescendo rapidamente devido à pressão por redução de tempo e custo, obrigando as empresas do setor a buscarem novas tecnologias nas áreas de projeto e manufatura.

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Ferramental rápido fabricado em resina

Além disso, essas tecnologias têm o seu efeito multiplicado, quando utilizadas em conjunto com as ferramentas digitais,  desenvolvidas para agilizar o desenvolvimento de produtos como CAE, CAD-CAM, CNC e CAPP, diz ele. O princípio básico das tecnologias de prototipagem rápida se baseia na fabricação de objetos físicos tridimensionais, a partir de modelos CAD, pela adição sucessiva de finas camadas de material, explicou. Como evolução natural, a tecnologia passou a ser aplicada não apenas em protótipos, mas também na construção de ferramentas para moldagem por injeção, fundição, extrusão, moldagem por sopro,  termoformagem, estampagem e repuxo. 

A primeira tecnologia comercial de prototipagem rápida surgiu no final dos anos 80, denominada estereolitografia, criada pela empresa americana 3D Systems, originando o formato STL, hoje utilizado como formato de arquivo padrão em qualquer equipamento de prototipagem rápida. O processo se baseia na fotopolimerização de uma resina líquida em camadas através de um feixe de laser ultravioleta. Os materiais utilizados são resinas a base de epóxi-acrilato, com propriedades físicas e químicas variáveis.

Algumas podem inclusive imitar termoplásticos como ABS, polipropileno e polietileno. Esse é o sistema mundialmente mais comercializado. Além disso, a estereolitografia permite a construção de insertos para moldes em alta velocidade, resultando em peças com acabamento superficial com aparência estética de boa qualidade.

Lencina destacou quatro métodos para obtenção de pequenos lotes de peças ou protótipos a partir da estereolitografia: moldes de silicone, 3Dkeltool, Quickcast e moldes por estereolitografia. Os três primeiros necessitam de um modelo fabricado por prototipagem rápida como base para a obtenção dos insertos do molde, por isso são denominados métodos indiretos. Já no caso dos moldes por estereolitografia, linha mestra das pesquisas iniciadas em 1998 no Cimject, os próprios insertos são confeccionados em resina.

Conforme Lencina, os moldes de silicone (RTV) são maneiras rápidas, precisas e baratas de obter pequenos lotes de peças em poliuretano. O número de peças obtidas varia de 20 a 100, dependendo da geometria. Reproduzem com fidelidade pormenores e texturas da peça modelo. O processo consiste em posicionar o modelo suspenso em uma caixa onde o silicone líquido é vazado até curar com a ajuda de calor e catalisadores. 
O resultado são peças com cores diversas e transparentes, com ótima capacidade de reprodução, excelente acabamento superficial e boas propriedades mecânicas. Embora a aparência da peça confeccionada em molde de silicone seja a de um termoplástico, trata-se de um poliuretano termofixo. “Algumas resinas termofixas empregadas neste processo simulam termoplásticos como o polipropileno, mas não são a mesma coisa”, reconhece. De qualquer forma, para protótipos e pequenas tiragens é uma boa alternativa contra um molde convencional.

Outro método indireto é o 3D Keltool, de propriedade da 3D Systems, que usa um modelo de resina como base para a produção de um molde de silicone sobre o qual é moldada uma mistura composta de 70% de TiC e Aço A6 e 30% de epóxi (aglomerante). Após desmoldadas, as peças são levadas a um forno onde o epóxi é substituído por cobre, por um processo de queima e infiltração. Obtém-se, então, uma liga composta de TiC+Aço A6+Cu de propriedades comparáveis com moldes convencionais. Sobre os insertos produzidos por este método pode-se injetar mais de 500 mil peças de termoplásticos reforçados com fibra de vidro, com ciclos cerca de 30% menores, proporcionados pela melhor refrigeração decorrente da presença do cobre na liga.

Já o processo Quickcast é bastante similar à fundição por cera perdida. Os tradicionais modelos de cera são substituídos por padrões fabricados por estereolitografia e, devido à sua estrutura interna, se assemelham a uma colméia. O fenômeno ocorre porque o volume geométrico da peça é obtido mediante a construção de uma rede formada por uma fina casca sólida de resina, com aproximadamente 70% de espaços vazios ocupados por ar.

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Máquina de estereolitografia para prototipagem rápida

Dentre os sistemas diretos Lencina destacou  os moldes por estereolitografia, cujo processo de fabricação foi inicialmente denominado de DirectAIM, que usa os dados do computador para produzir núcleos e insertos de cavidades a partir de fotopolímeros para estereolitografia no estilo de construção ACES (Accurate Clear Epoxy Solid). Os fabricantes de ferramentas simplesmente montam as metades do molde em um porta-molde através de camisas de meta. Ar e água podem ser adicionados juntos ou separadamente para o resfriamento do molde. “As ferramentas resultantes são resistentes o suficiente para moldagem de termoplásticos de protótipos e até mesmo de produção de médios lotes de peças em uma escala de tempo reduzida de uma a duas semanas  a partir da entrega do projeto da peça”, enfatizou Lencina. A mesma técnica também pode ser usada para produzir ferramentas para obtenção de padrões para fundição por cera perdida. 

O ciclo de injeção desses moldes deve ser prolongado devido à baixa condutividade térmica do material do molde. Também as pressões de injeção devem ser menores que as usuais, devido à pequena resistência mecânica dos moldes comparados aos obtidos por processos de usinagem. Além das tecnologias de ferramental rápido que usam como base a estereolitografia, Lencina descreveu outros processos como a Modelagem por Fusão e Deposição (FDM – Fused Deposition Modeling), onde um cabeçote com movimentação em três eixos extruda um fio termoplástico (ABS, PS ou PC) depositando-o em camadas até a construção do objeto. 

Outro tipo de tecnologia abordada na apresentação foi a sinterização de pós com laser, onde materiais cerâmicos, metálicos, plásticos e compostos são fundidos em camadas através da incidência localizada de calor, gerado por um feixe laser. Existem vários processos que se valem deste princípio. O mais antigo deles é a Sinterização Seletiva por Laser (SLS – Selective Laser Sintering) que obtém insertos a partir de um pó metálico recoberto com um termoplástico, permitindo a moldagem de ligas a base de cobre-poliamida e aço-bronze (RapidSteel). O processo ocorre com um laser de 50W fundindo o termoplástico e gerando a peça “verde”. Após a sinterização o termoplástico é queimado e as peças infiltradas com cobre ou bronze, produzindo camadas de 0,1mm. Os moldes têm boas propriedades mecânicas, mas pouca precisão dimensional, podendo produzir em torno de 100.000 peças. 

Na Sinterização Direta de Metais por Laser (DMLS – Direct Metal Laser Sintering) um raio de 200W atua diretamente sobre um pó metálico (mistura de bronze, níquel e aditivos). No caso da Deposição Direta de Metal, (DMD – Direct Metal Deposition) é empregado um feixe de 5000W para a fusão do pó. Em seguida, é soprado em camadas construindo o objeto. Os equipamentos DMD apresentam movimentos em 5 eixos, precisão em torno de 0,125mm em x e y e 0,1mm em z. A velocidade de construção, nesse caso específico, é de 22,94 mm3/h. Os materiais empregados são variados: super ligas de níquel, cobalto, ligas de tungstênio, cobre e cromo, aços inoxidáveis, H13, P20 e materiais com gradientes funcionais (FGM – Funtionally Graded Materials). 
Existem cerca de 20 processos de Ferramental Rápido em desenvolvimento no mundo. Algumas empresas criam sistemas para uso próprio, com o objetivo de alcançar vantagens competitivas. O mercado mundial dessa tecnologia movimentou US$ 500milhões em 2002 e não pára de crescer.  

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