Materiais para prototipagem rápida: tipos, benefícios e guia de seleção

Materiais para prototipagem rápida

A base do desempenho de um protótipo é o material certo. Prototipagem rápida Converte rapidamente um projeto digital em uma peça física – mas usar o material errado para prototipagem rápida pode comprometer o processo de validação e causar retrabalho dispendioso. 

As opções de materiais incluem metais, plásticos, resinas, cerâmicas, compósitos, biomateriais, cera, papel e pó. Os engenheiros os utilizam para desenvolver modelos visuais e funcionais que antecedem a produção em larga escala. Os fabricantes que buscam ganhar tempo e oferecer valor aos clientes não podem se dar ao luxo de ter um protótipo que não represente a peça desejada ou que falhe sob a menor carga. 

Desde compósitos rígidos até plásticos usináveis, cada material de prototipagem rápida serve a uma etapa específica do processo de desenvolvimento de produto. O material certo não só promove iterações de design e ajuda a controlar custos, como também gera interesse das partes interessadas. 

Com a análise das opções de materiais fornecida neste guia, você aprenderá sobre as opções, os benefícios e as limitações de cada categoria. Isso o ajudará a escolher o material certo para prototipar em seu próximo projeto. 

O que é Prototipagem Rápida?

A prototipagem rápida é uma técnica de fabricação que converte rapidamente um projeto digital em uma peça física. Essa técnica evita o tempo de espera e os custos associados às ferramentas convencionais. 

Em sua essência, a prototipagem rápida compreende cinco etapas;

Etapas de prototipagem rápida

Os processos populares de prototipagem rápida incluem fabricação de chapas metálicas, usinagem CNC, impressão 3D e moldagem por injeção com ferramentas de baixo custo. Os fabricantes utilizam modelos visuais e funcionais de prototipagem rápida para testar forma, ajuste e função. Esta é uma etapa importante antes da produção em larga escala. 

Benefícios da prototipagem rápida

A prototipagem rápida preenche a lacuna entre um conceito e um produto físico. As vantagens comerciais resultantes incluem rapidez no lançamento do produto no mercado, custo-benefício, qualidade, testes e validação, personalização, sustentabilidade e melhor comunicação.

Protótipos de Metal

Os três metais mais comuns para prototipagem rápida são alumínio, aço inoxidável e titânio. Prototipagem de metal Oferece benefícios como resistência ao calor, durabilidade e resistência. 

Veja como cada um desses metais para prototipagem rápida se encaixa em projetos. 

Protótipos de metal de alumínio 

Entre os motivos pelos quais o alumínio é uma das principais escolhas para materiais de prototipagem rápida, destacam-se a excelente usinabilidade, o custo relativamente baixo, a resistência à corrosão e a alta relação resistência/peso, que pode chegar a 1.8.3]

Protótipo de alumínio

Os engenheiros frequentemente utilizam perfis de alumínio extrudado fabricados de acordo com as normas ASTM B221 para obter tolerâncias dimensionais e desempenho mecânico consistentes.2]

Protótipos de metal em aço inoxidável

Protótipos de metal em aço inoxidável são utilizados quando a peça precisa resistir à corrosão, a esforços mecânicos repetidos e, em geral, a condições adversas. Devido à maior resistência do aço inoxidável, espere um maior desgaste da ferramenta e um tempo de usinagem mais longo. 

Protótipos de metal de titânio 

Esses protótipos metálicos oferecem desempenho incomparável em termos de biocompatibilidade, resistência à corrosão e relação resistência/peso. As aplicações mais comuns para esses protótipos são as indústrias aeroespacial e médica.

protótipo médico de titânio

Como o titânio é relativamente lento de usinar e caro, é compreensível que seja usado principalmente para protótipos focados em validação. Protótipos em estágios iniciais são melhor usinados a partir de materiais menos nobres, que são mais acessíveis e fáceis de usinar. 

Prototipagem Plástica

As cinco opções mais utilizadas em prototipagem de produtos plásticos São eles: policarbonato (PC), poli(metacrilato de metila) (PMMA), acrilonitrila butadieno estireno (ABS), polipropileno (PP) e poliestireno (PS).4]

Existem dois motivos pelos quais os plásticos são os materiais mais comuns na prototipagem rápida: disponibilidade em múltiplas classes e facilidade de usinagem. 

Prototipagem em plástico de policarbonato (PC)

Uma das propriedades mais notáveis ​​do PC é a excelente resistência ao impacto. Além disso, o material é naturalmente transparente e oferece desempenho excepcional com uma ampla faixa de temperatura de operação (de -30 °C a 120 °C).5]

Prototipagem de plástico de poli(metacrilato de metila) (PMMA)

Este é um material acrílico semelhante ao vidro; é frequentemente usado como substituto do vidro na prototipagem de plástico. Possui excelente transparência óptica. Pode ser mais quebradiço que o PC, mas sua boa resistência às intempéries e aos raios UV ainda o qualifica para prototipagem rápida em ambientes externos. 

Prototipagem de plástico de acrilonitrila butadieno estireno (ABS)

protótipo em plástico ABS

O ABS é o material preferido dos fabricantes para protótipos funcionais devido à sua notável usinabilidade, resistência e custo-benefício. Assim como o PC, o ABS possui boa resistência ao impacto. Este material de baixo custo também é fácil de usinar e imprimir em 3D. Some-se a isso um acabamento de superfície uniforme. 

Prototipagem de plástico de polipropileno (PP)

O polipropileno possui alta resistência à fadiga, o que é necessário para a fabricação de peças com encaixe rápido e dobradiças flexíveis. Sua boa resistência química também é importante na prototipagem rápida de componentes destinados a ambientes agressivos. Uma preocupação em relação a esse plástico seria a menor estabilidade dimensional em comparação com o PC ou o ABS. 

Prototipagem de plástico de poliestireno (PS)

Devido ao seu baixo custo e facilidade de processamento, o PS é um material perfeito para protótipos conceituais iniciais. A fragilidade do material o torna inadequado para aplicações de validação mecânica. Em vez disso, os engenheiros preferem utilizá-lo em projetos de ajuste e conformação. 

Propriedades típicas de plásticos comuns para prototipagem

A tabela a seguir destaca as propriedades típicas dos plásticos comuns usados ​​em prototipagem. 

[4]

Resinas para prototipagem rápida

As resinas proporcionam tolerâncias rigorosas e acabamentos superficiais finos que metais ou plásticos não conseguem igualar. Seja por meio de DLP ou SLA, as razões específicas pelas quais um fabricante pode optar por resinas na prototipagem rápida são:

• Requisito para modelos visuais detalhados
• Alta precisão dimensional e acabamento superficial fino.
• Requisitos para formulações especiais – padrão, flexíveis, moldáveis ​​e outras.

No entanto, as resinas utilizadas para prototipagem rápida não são adequadas para protótipos funcionais devido à sensibilidade aos raios UV e à fragilidade.

Cerâmica para prototipagem rápida

A cerâmica é um excelente material para protótipos quando o projeto precisa atender a requisitos de isolamento e resistência a temperaturas extremamente altas. O limite de temperatura é superior ao que a maioria dos plásticos ou metais consegue suportar. 

Os protótipos de cerâmica não são a melhor opção se você busca resistência mecânica. 

Protótipo de cerâmica

Materiais compósitos para prototipagem rápida

Os materiais compósitos são fortes e rígidos, mas não tão pesados ​​quanto o metal sólido. As opções para prototipagem em fibra de carbono Outras aplicações de prototipagem rápida incluem misturas de carbono picado/poliuretano, nylon reforçado com fibra de carbono e polímeros preenchidos com microesferas de vidro/fibra de vidro;

• Misturas de fibra de carbono picada/poliuretano
• Nylon reforçado com fibra de carbono
• Polímeros com carga de microesferas/fibras de vidro

Prototipagem em fibra de carbono É especialmente indicado para protótipos leves e de alta resistência. 

Biomateriais para prototipagem rápida

Os biomateriais estão ganhando cada vez mais espaço na prototipagem rápida. O principal benefício desses materiais para prototipagem rápida é o menor impacto ambiental. 

Algumas características dos biomateriais na prototipagem rápida:

• Ideal para modelos conceituais
• Menor impacto ambiental do que os plásticos derivados do petróleo.
• Baixa resistência mecânica e resistência ao calor. 

Exemplos de biomateriais são o PA e o PLA de base biológica. 

Cera para prototipagem rápida

A cera é um material indispensável para a produção de modelos de fundição de precisão. Os principais motivos pelos quais ela é um material tão valorizado para prototipagem rápida são sua capacidade de queimar de forma limpa e o excelente acabamento superficial que proporciona. No entanto, a fragilidade da cera inviabiliza o uso desse material para protótipos funcionais. Mas todos concordamos que ela facilita a fabricação rápida de peças de metal fundido. 

Papel e pó para prototipagem rápida

O papel desse material na prototipagem rápida é limitado, mas existe. Trata-se de um meio rápido e econômico para criar modelos visuais para fins de prototipagem inicial. Como a resistência mecânica desses modelos é limitada, eles não são uma opção para protótipos funcionais.

Experimente o Prolean agora!

Prós e contras dos materiais para prototipagem rápida 

A tabela a seguir destaca as vantagens e desvantagens da prototipagem rápida para diferentes materiais, que variam de alta resistência versus alto custo para metais, e menor impacto ambiental versus baixa resistência para biomateriais. 

Considerações na escolha de materiais para prototipagem rápida 

Ao selecionar um material na fase de prototipagem, é importante considerar os seguintes fatores: velocidade, funcionalidade, custo, acabamento superficial, exposição ambiental e tensão mecânica.  

• Agilidade (Speed) – A velocidade de obtenção, usinagem, impressão ou moldagem por injeção de um material é um dos fatores determinantes do número de iterações de projeto que uma equipe pode executar.  
• Funcionalidade – Embora a aparência do protótipo seja crucial, o material também deve reproduzir o desempenho real da peça após a conclusão da produção. 
• Custo – Os custos de materiais e processamento devem refletir a finalidade do protótipo. Normalmente, é desnecessário usar um material de nível de produção na fase de protótipo. 
• Revestimento de superfície – Alguns protótipos podem exigir uma aparência semelhante à do produto final, enquanto outros não. Se o revisor ou a parte interessada exigir o protótipo, é melhor insistir em materiais que possam proporcionar um acabamento de superfície semelhante. 
• Exposição Ambiental – Produtos químicos, umidade, salinidade e outros fatores semelhantes caracterizam as condições do mundo real. O material do protótipo deve ser capaz de suportar essas condições, quando aplicável. 

As condições ambientais importam

• Estresse Mecânico – O uso efetivo de um protótipo implica exposição a forças mecânicas. O material para um protótipo funcional deve atender a esses requisitos. 

Seleção de Materiais para Prototipagem Rápida Baseada na Finalidade: Uma Análise em Tabela

A tabela abaixo destaca os materiais recomendados para prototipagem rápida com base na finalidade pretendida. 

*Escolha PC ou titânio em vez de materiais de uso único se suas peças exigirem validação mecânica e térmica. 

Processos de prototipagem para diferentes materiais

Os principais processos que determinam a velocidade e o custo de um protótipo são usinagem CNC, moldagem por injeção, impressão 3D e fabricação de chapas metálicas. Então, como esses métodos se alinham com os materiais para prototipagem rápida?  

Usinagem CNC

A usinagem CNC é um método confiável para o processamento de materiais de prototipagem rápida devido à sua alta compatibilidade com uma ampla gama de materiais. Além disso, é relativamente rápida, atendendo perfeitamente aos requisitos de velocidade da prototipagem. 

As etapas de prototipagem por usinagem CNC são:

• Etapa 1: Idealização de design
• Etapa 2Produção de arquivos 3D
• Etapa 3Identificação do processo CNC específico – torneamento, fresagem, furação, etc.
• Etapa 4Programação CNC
• Etapa 5: Prototipagem 
• Etapa 6: Teste 

Usinagem de protótipos CNC

Moldagem por Injeção 

A moldagem por injeção é um método de validação para peças plásticas, preparando-as para a produção em larga escala. É utilizada principalmente para testar o desempenho da moldagem e a qualidade dos materiais utilizados na produção. As ferramentas para protótipos geralmente não são tão caras quanto as ferramentas de produção. Elas podem ser fabricadas em alumínio. 

Impressão 3D

A impressão 3D é atraente devido à sua rapidez e capacidade de lidar com geometrias complexas sem a necessidade de ferramentas específicas. É adequada para uma ampla gama de plásticos, compósitos e resinas. Embora alguns componentes impressos em 3D possam atender aos padrões de desempenho mecânico de produção, os fabricantes normalmente optam pela impressão 3D para fins de prototipagem rápida. 

Fabricação de Chapas Metálicas

Fabricação de chapas de metal

A fabricação de chapas metálicas em prototipagem é útil para componentes como gabinetes, painéis e suportes. Assim como na produção da peça final, são utilizados processos como corte e dobra. 

Experimente o Prolean agora!

Tendências futuras para materiais de prototipagem rápida 

A distância entre o protótipo e a peça final está diminuindo, graças aos avanços na ciência dos materiais. Resinas flexíveis, plásticos biodegradáveis, compósitos modernos e Designs mais leves e protótipos duráveis ​​destacam a próxima geração de materiais para prototipagem rápida. 

• Resinas flexíveis – As impressões DLP e SLA são caracterizadas pela fragilidade, mas os tipos modernos de resinas são mais flexíveis. 
• Plásticos biodegradáveis Com a crescente pressão por sustentabilidade, plásticos biodegradáveis ​​mais resistentes e com maior resistência ao calor estão se tornando disponíveis na indústria. 
• Compósitos Modernos – A diferença entre protótipos e peças de produção agora é menor graças às modernas formulações de polímeros com carga e reforçados com fibras. 
• Designs mais leves e protótipos duráveis – De modo geral, os materiais para prototipagem rápida estão se tornando mais adequados para testes funcionais, com designs mais robustos e com maior relação resistência/peso se tornando mais comuns.

Conclusão 

O material utilizado pode definir a aparência e o desempenho do protótipo. A velocidade de iteração e a semelhança com a peça final estão intimamente ligadas a essa escolha. Alumínio, aço inoxidável e outros metais fornecem a resistência mecânica necessária para protótipos funcionais. Plásticos como PS e ABS oferecem uma combinação única de usinabilidade e custo-benefício. Engenheiros recorrem a resinas e compósitos para projetos de alta precisão e projetos especiais, respectivamente. 

Em resumo, existem muitas opções, e você deve adequar a função do protótipo à escolha do material. Ao planejar a transição de uma ideia para uma peça, nosso serviços de prototipagem rápida Oferecemos a orientação necessária sobre a escolha de materiais e muito mais. Envie o arquivo do projeto e você receberá um orçamento gratuito em até 24 horas. 

Recursos 

https://irp-cdn.multiscreensite.com/c0227285/files/uploaded/Polycarbonate%20Sheet%20Extruded%20-%20clear%20Edited.pdf

https://store.astm.org/b0221m-13.html

https://www.researchgate.net/publication/327805143_Failure_predictions_in_warm_forming_of_7075-T6_aluminum_structural_parts

https://kunststoff-profi.de/en/materials/

https://www.directplastics.co.uk/data-sheets