Resultados

PPS 4 | Metodologias e sistemas digitais para Fabrico Aditivo

 

Resumo

O plano de atividades do PPS4 apresenta um conjunto de tarefas que procuram otimizar e integrar várias tecnologias distintas, concebendo um conjunto de equipamentos inovadores de alta performance que garantem a elevada qualidade dos produtos finais a preços competitivos.

Otimização topológica

A otimização topológica é um processo de otimização estrutural que consiste em calcular uma distribuição otimizada de material nos limites de um domínio de parâmetros de design. Por este meio é possível remover material redundante ou reforçar regiões específicas tendo em conta os requisitos funcionais. Embora a sua aplicação não seja restrita às tecnologias de fabricação aditiva, é nestas que a otimização topológica desenvolve todo o seu potencial.

Este é um desafio importante para a transição das tecnologias aditivas da prototipagem para a produção de peças finais, e que requer um contributo experimental assim como desenvolvimentos teóricos.

Customização e gradientes de propriedades

A flexibilidade proporcionada pelas tecnologias de FA (Fabricação Aditiva), nomeadamente ao nível das meso-estruturas, abre a possibilidade de adaptar localmente as propriedades do material. Se esta possibilidade é em parte do domínio da otimização topológica, pode ser estendida para além da simples distribuição de densidade, para por exemplo dotar o material de características de anisotropia específicas, propriedades térmicas diferenciadas, ou – com a fabricação multimaterial – propriedades mecânicas, elétricas ou químicas totalmente distintas.

Em particular nos processos SLM (Selective Laser Melting) ou SLS (Selective Laser Sintering), as propriedades do material inicial (pó) são alteradas, dependendo largamente dos parâmetros de fabricação, mas também sendo condicionadas pela própria geometria.

Smart materials

A inclusão de materiais com propriedades piezo-eléctricas, memória de forma, que respondem a alterações de temperatura, de luz, etc., poderão originar aplicações inovadoras. Propriedades como a hidrofilicidade podem ser ajustadas através de um controlo preciso da estrutura superficial. Diversos tipos de materiais ativos encontram aplicação em atuadores, sensores, etc. Já em 1997 (Weiss et al. 1997) se considerava altamente relevante a produção de estruturas multimaterial e heterogéneas.

 

Monitorização no Fabrico Aditivo

A falta de garantias ao nível da qualidade das peças produzidas por fabrico aditivo impõe uma barreira tecnológica que retém os fabricantes de utilizar estas tecnologias de fabrico, especialmente em peças com um nível de exigência muito elevado, como por exemplo, peças produzidas nas indústrias aeronáutica, médica e automóvel.

Ao contrário dos processos de subtração, onde a monitorização do processo é comum, nos processos de FA ainda não existe a incorporação de equipamentos capazes de identificar e corrigir as falhas internas que podem ocorrer no interior da peça processada.

Têm vindo a ser investigadas novas metodologias de instrumentação, bem como aproximações que quando integradas permitem reforçar e garantir um nível superior de acabamento superficial.

Um dos fatores críticos que condicionam o mau acabamento e os defeitos nas peças corresponde à não existência ou existência limitada das tecnologias de monitorização.

Em particular nos processos PBF (Powder Bed Fusion), as tensões residuais são uma causa de falhas, assim como a inadequada fusão do material, levando a porosidade indesejada. Os defeitos podem ser poros (com diferentes tipologias), excesso de fundido (‘balling’), ou fusão incompleta.

A aplicação de métodos ex-situ permite o controlo de qualidade das peças e será importante para um melhor entendimento das limitações de cada processo. No entanto, alguns dos defeitos e a caracterização das suas causas são mais bem conseguidos por métodos in-situ, visto que a caracterização da estrutura interna de uma peça terminada requere tecnologias bastante mais dispendiosas como tomografia de raios-x ou ultrassonografia. Assim, mesmo sem a introdução de controlo em malha fechada, o desenvolvimento de sensores e sistemas de monitorização embebidos nos equipamentos de FA é bastante relevante.

A maioria das soluções existentes no mercado centram-se na monitorização da temperatura, utilizando câmaras (no espectro visível, infravermelho próximo ou térmicas) ou pirómetros.

Os estudos mencionados apontam para a existência de sensores adequados e viabilidade técnica da sua aplicação para a deteção de defeitos na camada de pó, problemas na distribuição de temperatura, desvios durante o processamento (quer no sistema de posicionamento que por distorções da peça), e defeitos ao nível da camada processada. É claramente necessário continuar a desenvolver trabalho no sentido da integração destes sistemas nos equipamentos existentes, assim como no processamento computacional da informação obtida e sua aplicação ao controlo em malha fechada – este necessitando um maior trabalho na caracterização da relação entre parâmetros de trabalho e ocorrência de diferentes tipos de defeitos.

 

Trajetórias/ Padrões de preenchimento

A geração de trajetórias otimizadas no processo FA é de extrema importância no fabrico de peças e tem sido considerada desde os primórdios das ferramentas CAD/CAM e posteriormente dos sistemas de prototipagem rápida com especial atenção para o fabrico de componentes para as áreas médica, automóvel e aeroespacial.

Os primeiros modelos de geração de trajetórias (utilizados em tecnologias subtrativas) tiveram de ser reformulados após o aparecimento das primeiras tecnologias de FA, devido ao novo conceito de fabrico. Um dos maiores constrangimentos inerentes a esta tecnologia está presente no nível de acabamento que o sistema é capaz de executar. Outro aspeto que é importante referenciar corresponde à dificuldade que existe em gerar trajetórias contínuas numa determinada camada.

Desta forma e com base no estado da arte descrito o presente projeto visa formular e posteriormente implementar algoritmos que ambicionam reduzir e ou controlar a porosidade, aumentando a qualidade superficial das peças. Os algoritmos desenvolvidos terão a capacidade de recolher e analisar a informação dos sistemas de monitorização (engenharia inversa, termografia, tomografia) e otimizar as trajetórias dos sistemas concebidos nas PPS 1, 2 e 3.

 

Resultado Esperados:

O PPS4 permitirá reforçar a oferta atual dos diferentes promotores empresariais, através da apresentação de soluções e produtos transacionáveis e com um elevado potencial de internacionalização, gamas de produtos mais específicos e diferenciados, e soluções tecnológicas para fazer evoluir os sistemas produtivos, contribuindo de forma muito significativa para o crescimento e consolidação das empresas no mercado internacional.

Atuando num sector estratégico a nível nacional e exportador por excelência, os promotores empresariais alocados a este projeto contribuirão para o reforço do posicionamento deste sector no mercado internacional e para o posicionamento de Portugal enquanto marca de referência no desenvolvimento de soluções inovadoras.

A estratégia definida pelo consórcio está assente em objetivos bem delineados, a referir:

– Desenvolver produtos de valor acrescentado, implementando nas empresas processos avançados fabricação aditiva que otimizam e permitem a interoperabilidade entre sistemas;

– Reforçar a posição das empresas neste sector, mas como empresas com soluções avançadas de projeto de componentes de engenharia complexos por fabrico aditivo com foco nas áreas da saúde, aeroespacial e automóvel;

– Capitalizar o “know-how” da produção e reconstrução de peças de engenharia de alto desempenho com recurso às tecnologias de fabrico aditivo com soluções avançadas de produção;

– Cooperar de forma sistemática e de acordo com um plano de ação bem definido com todas as entidades do consórcio de forma a fortalecer as sinergias presentes no consórcio;

– Aumentar o volume de vendas e posicionarem-se na cadeia de valor mais próximos dos clientes, aumentando a sua envolvência, elevando preços, garantindo fidelização e obtendo, consequentemente, maiores ganhos financeiros/impacto a jusante.

Posto isto, o projeto terá impacto em outras organizações a jusante da cadeia de valor em que o mesmo se insere porque reduz de forma significativa os custos operacionais, aumentando a performance dos processos produtivos das empresas clientes, reforçando assim a sua competitividade e aumenta o seu volume de vendas pela maior capacidade de abordar o mercado com sucesso (impacto a jusante).

 

Progresso até ao momento:

Foi realizada uma análise do estado da arte de diversas tecnologias de fabricação aditiva e alguns dos materiais mais utilizados com as descritas tecnologias. Por outro lado, foi realizada uma abordagem de constrangimentos de fabrico com exemplos práticos baseados na atividade desenvolvida no CDRSP e apresentado um conjunto de estratégias de melhoria de fabrico.

Foi efetuada uma pesquisa do estado da arte no domínio de otimização topológica e foi apresentada uma metodologia para combinar a OT com a FA. Foi também apresentado um caso prático que permite identificar algumas das melhores práticas resultantes desta combinação, incluindo análises metrológicas para identificação dos desvios geométricos do objeto final produzido por FA.

O sucesso do presente projeto vai beneficiar dos conceitos implícitos nas condições a que devem obedecer as Estratégias de Valorização Económica de Base Territorial referidas no Enquadramento aprovado pelas Comissões Ministeriais de Coordenação do PO Fatores de Competitividade e dos PO Regionais. Fala-se de Estratégias de Eficiência Coletiva e de Clusters de Competitividade.

No que se refere efetivamente ao PPS4, pretende-se apresentar soluções de melhoria para a produção de protótipos ou modelos 3D com elevada qualidade. As regras de projeto que estão a ser investigadas potenciarão um avanço na fabricação aditiva, para o planeamento e produção de objetos 3D com características distintas. Estas diretivas irão reforçar a fabricação aditiva e assim a sua dinamização para uma valorização económica. 

 

Figura 1. Processos de fabricação aditiva [Singh et al. 2017].

 

 

Figura 2. Trajetória contínua em peças impressas.

 

 

Figura 3. Malhas de elementos finitos do componente original (à esquerda) e do componente otimizado topologicamente (à direita).