Podcast: Análise FEA para Impressão 3D?



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Hoje um avião comercial da Boing ou Embraer já possui de 100 à 1000 peças impressas. A troca desse componentes feitos por manufatura tradicional para a aditiva tem diversas variáveis que precisam ser levadas em conta. Mas não é só um avião que precisamos ter todo o esmero e cuidado do mundo, e sim em todas as vezes que substituímos componentes tradicionais por aditivos, em todas as indústrias.


Hoje vou discutir um pouco destes vetores com vocês, a conversa pode soar um pouco familiar para aqueles que acompanharam as discussões pelos “stories” do meu Instagram, junto à personagens como o Willow, do TechTeen3D, Marcelo Spinetti do SurfaceClass e o Ops3D, a ideia hoje é ligar os pontos para quem não participou de toda a discussão, ou apresentar o tema a quem perdeu a conversa toda. É depois da vinheta, vai!



Antes de falarmos sobre o assunto, uns recadinhos rápidos. Quero agradecer demais à todos que têm comentado e feito está discussão crescer. Seja no Linkedin, Facebook ou no Instagram, ou me escrevendo diretamente.


Do último episódio, o Cristiano Amorim reforçou no Linkedin que as impressoras 3D realmente são essenciais à indústria moderna, independente de terem valor de revenda. “Sim vale o investimento e é o próximo passo da revolução (da indústria 4.0)”.


Leandro Alves da Silva cobrou mais uma vez minha entrevista com o Cavallini e podemos ter boas notícias sobre isso em breve.


Odete Campos - o sobrenome não é mera coincidência - falou que gosto da franqueza do último episódio, ao mostrar os dois lados da impressora 3D, o que valoriza os trabalhos e o custos e impactos decorrentes.


O Willow do TechTeen3D é suspeito aparecer aqui, já que temos uma admiração mútua pelos trabalhos um do outro, mas os elogios que ele fez ao podcast ajudam a manter o trabalho em andamento. Somam-se à ele O Prof. Mestre Juliano Mazute, da Blackpurpuring, Isabela Poley e muitos membro do grupo do WhatsApp de impressão 3D que mantenho. E claro, não posso me esquecer do Antonio Dimitrov, o Dimi, que tem uma participação muito ativa, seja nessa produção ou em minhas outras redes. O carinho e as correções dele são fundamentais também para o trabalho.


Nas minhas outras redes, em Youtube.com/emanuelcampos, publiquei um vídeo que teve uma recepção incrivelmente boa, sobre como produzir modelos com curvas voronois, curvas que geram máxima área com mínimo volume, que são usadas de objetos de decoração à itens de auxílio medicinal. Tudo com o Software MeshMixer, da Autodesk.


Em Youtube.com/makerbotlatam seguimos com o mini curso de MakerBot Print, onde abordamos a todas as funções do Menu Utilities para controlar sua impressora 3D. É bacana até para você que não tem uma MakerBot, ver tudo que se pode fazer com um brinquedo desses. 


Por fim, claro, no Instagram é que as discussões têm pegado fogo, então me segue lá, em instagram.com/impresso3d para participar das produções e se somar nos bastidores.


Obrigado demais ao carinho de todos, vocês mantém as luzes acesas e o trabalho andando. Se você também quer participar de nossas discussões, basta me escrever, seja no email: contato@impresso3d.com.br ou para meu whatsapp 1196636-1691


Vamos ao episódio?




A GE fez um artigo maravilhoso, chamado de A era da Indústria Digital, falando sobre todas as implicações da indústria 4.0 sobre todas as indústria. Ela também fez um podcast com o Jovem Nerd, chamado Indústrias Super Poderosas, onde dá um show sobre o mercado e a indústria do futuro. Coisas como uma turbina eólica, que ficou 20% mais eficiente, que trocou mais de 400 peças que a montavam, por menos de 50, usando manufatura aditiva, e como a inteligência artificial deles, chamada de PREDIX, ajuda na captura de dados dos sensores, cruza informações com outras fontes, como institutos meteorológicos, e gera insights - ideias - que produzem melhorias no produto global. 


Produzir por manufatura aditiva é um pedaço da equação, ao lado da inteligência artificial, sensores nos sistemas, BigData, softwares de simulações avançados, mas a manufatura aditiva é um pedaço importante, tanto que a GE comprou a ARCAM, uma impressora que utiliza um processo que vivo citando aqui, por que parece coisa de ficção científica: EBM - Elétron Blaster Manufacture - basicamente uma esfera de tungstênio que é super-aquecida até ficar eletricamente instável, e passar a disparar elétrons. Esses elétrons são então conduzidos por um duto de eletroímãs para bombardear um pó de titânio, para produzir uma peça de titânio impressa em 3D, que tem como principal característica, o alto índice de isotropia, isto é, a mesma resistência  em todos os eixos da peça produzida. 


Aqui mora inclusive, como a GE passou a fazer turbinas de aviões, turbinas eólicas, sistemas de trens de alta velocidade, e muito mais, por impressão 3D. Em sistemas de demanda crítica, tudo aqui que não pode parar para ter manutenção, como um avião em vôo, ou um trem bala em deslocamento, não há espaço para testes empíricos. No mercado de alta competição, não há espaço para milhares de testes em laboratórios. Quem vende indústria 4.0, não pode se dar ao luxo de não utilizar todos os benefícios que a integração de dados produz, logo, a GE precisava de um sistema confiável de manufatura aditiva, que pudesse ser simulado antes de ser fabricado, e que os resultados fossem confiáveis. É a tal da simulação de elementos finitos, estática ou dinâmica, que vemos desde treliças que sustentam prédios e pontes, à fabricação de carros, motos, aeronaves, barcos e tudo que anda, voa ou nada.


Para que fique claro, como funciona uma indústria 4.0, me permito ser um pouco repetitivo, mas sejam pacientes comigo. Vamos imaginar uma indústria tradicional, de sei lá, máquinas de costura. Máquinas fazem automaticamente, as peças que foram desenhadas na engenharia. Os desenhos de engenharia tentam utilizar o máximo de componentes para fazer essas máquinas que sejam de prateleira, ou seja, motores elétricos, eixos, parafusos, que já existam, para manter os custos de fabricação baixos. O marketing entrevista os clientes regularmente para ouvir deles, o que eles gostariam de ver diferente nas próximas edições do produto, e junto com a engenharia e o planejamento estratégico da empresa, decidem quais dessas mudanças podem vender como acessórios às máquinas já vendidas, quais dessas mudanças só poderão vir em novas máquinas. 


Cada vez que a engenharia modifica algo na máquina, um eixo, um suporte, um motor, ela simula como essa peça nova vai se comportar, se ela aguenta quanto peso, “carga ou esforço” numa linguagem técnica, prevendo coisas do uso direto e indireto. O braço de uma máquina de costura não sustenta muito mais que o próprio peso, e agulha e linha lá na ponta, mas ao mesmo tempo, não pode vibrar, ser mole ou a costura não sai firme. Também é preciso prever aquele “netinho ou netinha travesso” que vai subir na máquina de costura e ficar gritando “arre arre cavalinho”. Há que se prever quem tente levantar ou mover a máquina de costura pelo seu corpo, ver quantas quedas a fábrica e os clientes aceitam antes da máquina quebrar, enfim, acho que ficou claro aqui, certo? Além do serviço direto de seus produtos, a indústria precisa cuidar de todo o eco-sistema que o produto estará envolto, para produzir peças que custem o mínimo possível, dêem a maior margem de lucro, e deixem os clientes o mais satisfeitos possível.


Com o tempo, as máquinas da indústria, que fazem as máquinas de costura, vão sendo atualizadas, ao invés de dependerem de operadores, passam a ser automáticas, a linha fica mais rápida. Máquinas automáticas, produzem relatórios que facilitam identificar chances de melhorias. Também são mais fáceis de se programar, se uma peça muda, por que um fornecedor faliu e outro fornecedor faz uma peça um pouco diferente, fazer a mudança no produto final é mais rápido, basta modificar no CAD, o desenho, validar esse novo desenho à tudo aquilo que falei antes, a resistência, vida útil esperada, manutenções, no CAE - engenharia auxiliada por computador, e por fim, atualizar a programação da linha de fabricação, através do CAM - Manufatura Auxiliada por computador. 


O volume produtivo por dia da fábrica, aliado ao volume de vendas e exportações esperados por mês, darão ao departamento de compras, a previsão de quantas peças comprar por mÊs, quantas manter no estoque direto, quantos manter no estoque dinâmico, isto é, aquele estoque que fica nos caminhões que vêem dos fornecedores e chegam bem à tempo de serem usadas na fábrica, isto é chamado de sistema JIT, Just in Time, ou, bem à tempo.


Logo as máquinas evoluem de novo. Softwares capturam por redes sociais o que os clientes estão realmente falando do produto, expondo desejos que gostariam de ver atendidos num próximo produto, grátis, em redes sociais. Softwares de captura desse tipo de dado já existem. E eles geram relatórios à engenharia. As máquinas também evoluem, logo deixam de ser automáticas e passam a ser autônomas. Capazes de detectar falhas em componentes que vão montar, dar sugestões de ritmos novos de produção, simular novos processos. E a engenharia começa a viver uma pressão ainda maior, como acomodar, à tempo, tantas sugestões vindas em tão pouco tempo? Com software melhores, com inteligências artificiais fazendo o grosso do trabalho braçal, e deixando cada vez mais “mastigado” aos engenheiros, que só escolhem qual é a melhor alternativa produtiva. Simulam algumas situações extras e validam esse ou aquele cenário.


O que narrei é a evolução da indústria 2.0, baseada em máquinas e softwares desconectados, para a indústria 3.0, chamada de PLM - Product life-cycle Management, onde tudo está automático e integrado, para chegarmos na indústria 4.0, onde os software deixam de ser operados, e passam a operar por conta própria, produzir relatórios, análises, e as máquinas deixam de ser automáticas, para serem autônomas. E o que espero ter destacado, dessa cadeia, é a importância que os dados têm, para produzir simulações cada vez mais realísticas, alinhadas não só com o produto, como também com o ambiente externo à ele. Dados. Dados confiáveis.


Para simulações de resistência mecânica, por exemplo, há uma tonelada de normas, métodos e dados que são necessários, para determinar quais mudanças farão uma peça segura, ou não, para ser colocada de uma máquina de costura à um avião. Em geral, os materiais dos quais as peças serão feitas possuem uma folha, homologada, chamada DataSheet, ou folha de dados, que informa condições ensaiadas, isto é, testadas, de um corpo de provas padrão, feito daquele dito material. Esse é o primeiro passo para se produzir uma análise confiável, se um material aguentará um esforço, ou não.


O problema, é que corpos de provas, são feitos, em geral, de peças homogêneas, usinadas, fundidas, forjadas ou injetadas, peças que cuja resistência mecânica não depende da forma como foram produzidas. A pureza desse corpo de prova também é fundamental, já que partículas contaminantes podem mudar totalmente o comportamento de um material. Materiais comumente utilizados na indústria, já têm desde seus métodos produtivos à folha de dados completamente mapeados. Aço 1020, 1030, 1040, não é qualquer aço-carbono, mas um que tenha determinada concentração de carbono, que fica de determinado modo preso entre as moléculas de ferro. 


Quando vamos para a impressão 3D, entendemos por que é tão difícil hoje, encontrar um software que faça análise de CAE - Engenharia Auxiliada por Computador, de forma aceitável. Ainda são muitas variáveis. A primeira delas, para pegar um material de exemplo apenas, o ABS, que é formado por Acrilonitrina Butadieno e Estireno, pode variar no fabricante em quantidade de cada um desses elementos, em pureza de outros elementos, no impacto que os pigmentos que lhe dão cor causam à impressão como um todo, por exemplo. A armazenagem e a quantidade de água no filamento impactarão não a qualidade estética da impressão, como também a resistência da peça. E isso só sobre o material antes de entrar na máquina.


Depois de colocado na máquina, lembremos que as peças podem ser feitas de diversas maneiras diferentes. Ocas, sólidas, e qualquer coisa entre um e outro. Com 2, 3, 4 ou 30 contornos. Como determinar qual é a peça padrão para ensaiar a resistência da peça? Aquela que todo mundo faz mais, de 20% de preenchimento, 2 contornos e camada de 0,2mm ou uma sólida, com 4 contornos, e cada de 0,1mm? Os dados da folha técnica do material, quando existem, fazem menção a um corpo de provas que foi injetado, e não impresso. E ainda há o maior problema de todos, a aderência entre camadas.


As peças impressas em 3D são anisotrópica por natureza, isto é, o esforço máximo que suportam, sempre estará alinhada às camadas produzidas. É como fazer um gancho para pendurar toalhas molhadas.  se fizer esse gancho deitado sobre a impressora, ele terá uma resistência muito maior que se o fizer em pé na mesa da impressora. Isso por que quando está deitado, todo o perímetro do ganho, todo seu contorno que lhe dá a forma é a camada desenhada, e qualquer esforço na ponta do gancho irá se dissipar por todo o corpo da peça. Ao passo que ao fazer esse gancho “em pé”, todo esforço na ponta do ganho na verdade tenta separar as camadas em algum ponto da peça, fazendo-o romper.


Com tantas variáveis, que empresa irá se expor, produzindo um software CAE que será tão complexo, tão caro, que poucos de fato irão usá-lo e que muitos processos ainda podem ficar de fora? A resposta existe e se chama Dassault Systemes. A criadora do software CATIA, dona do SolidWorks, tem também um software chamado Simulia, baseado no software de CAE chamado ABAQUS, e que é capaz de fazer simulações como essa, para alguns sistemas, mas que leva em conta a orientação da peça, o processo utilizado e o material utilizado. Infelizmente, porém, as impressoras 3D baseadas em filamento ainda não foram contempladas por ele, justamente por conta de tantas variáveis que listei acima. Hoje o software consegue fazer simulações complexas para sinterização de pós metálicos, afinal, a metalurgia do pó já existe há anos, muito antes da própria impressão 3D, e a única coisa que muda da impressão 3D do metal para o processo tradicional, é a forma como você unirá os pós, forma e compactação nos métodos tradicionais, ou sintetizando à laser, jatos de elétrons ou o que for, na impressão 3D.


Para filamentos de plásticos, enquanto não tivermos uma boa estandardização, normas de testes confiáveis, matérias primas controladas, será impossível ter testes confiáveis. Afinal, posso certificar todas as condições do mundo para um filamento Stratasys ABS, feito numa impressora de câmara fechada, com máxima aderência entre camadas, capaz de simular a resistência da minha peça se for feita em pé, deitada, de ponta cabeça, e tudo vai por terra, se eu mudar o filamento, se eu mudar a temperatura da câmara, se eu mudar o diâmetro do bico, e por consequência, a largura da camada.



Não me entendam errado, nós vamos chegar lá, mas hoje, simulações avançadas de resistência mecânica para peças impressas em 3D, só para metais, e alguns poucos super polímeros, justamente, da Stratasys, que tem um controle tão grande do processo e do material, que ao tirar escolhas do usuário, operador da impressora, dá condições de criar um ambiente replicável, à cada impressão, de se obter sempre os mesmos resultados.

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