Impressora 3D Industrial - Configuração Otimizada e Simulação com CoppeliaSim

Modelo Avaliação 3 MetodologiaConclusão Completar o que está em vermelho IMPRESSORA 3D POR DEPOSIÇÃO DE TERMOPLATICO LUCAS POLONI1 e CEZAR HENRIQUE PIMENTA GREGORIO 1 DANIEL ESPANHOL RAZERA 2 1 Graduando em Engenharia de Controle e Automação IFSP Câmpus São João da Boa Vista fulanocsilvaifspedubr Times New Roman 9 Justificado 2 Professor orientador IFSP Câmpus São João da Boa Vista fulanocsilvaifspedubr Times New Roman 9 Justificado RESUMO O propósito desse trabalho é pesquisar a melhor configuração de peças possíveis para uma impressora 3D por deposição de termo plástico para nível industrial onde visa melhorar a qualidade de impressão das peças e também diminuir o tempo gasto Mediante a essa pesquisa de configuração teremos certeza de que atingimos a ideia central da pesquisa utilizando o software CoppeliaSim para simular nossa impressora 3D e assim conseguir obter dados concretos sobre a efetividade de se utilizar um software de simulação em um projeto de pesquisa e também a melhor impressora 3D para uma aplicação macro na indústria PALAVRASCHAVE Impressora 3D Configuração CoppeliaSim 3D PRINTER BY THERMOPLASTIC DEPOSITION ABSTRACT The purpose of this work is to research the best configuration of possible parts for a 3D printer by thermoplastic deposition for an industrial level where it aims to improve the printing quality of the parts and also reduce the time spent through this configuration research certainly that we have reached the idea to centralize the research using the CoppeliaSim software to simulate our 3D printer and thus obtain concrete data on the transmission of using simulation software in a research project and also the best 3D printer for a macro application in the industry KEYWORDS 3d printer Settings CoppeliaSim INTRODUÇÃO Com o avanço da tecnologia de impressão 3D a produção de protótipos se tornou mais acessível e rápida o que tem sido extremamente útil para pesquisadores e estudantes em diversas áreas do conhecimento No entanto os custos associados à aquisição de equipamentos de impressão 3D de alta qualidade pode ser proibitivos para muitos indivíduos e instituições Além disso muitas vezes é necessário produzir mais de um protótipo para testes práticos e aperfeiçoamentos o que pode gerar ainda mais custos e atrasos no processo de pesquisa Para estudantes e pesquisadores que precisam de um protótipo para testes laboratoriais mais coeso a aquisição de equipamentos de impressão 3D pode ser um desafio ainda maior Com base nesse contexto o objetivo do presente trabalho é não apenas estudar uma impressora 3D por deposição de termoplástico acessível e de alta qualidade mas também estudar a aplicação de um software de simulação de robótica capaz de auxiliar estudantes e pesquisadores no processo de desenvolvimento de seus protótipos de pesquisa Com os estudos da impressora desenvolvida por meio do software Simulated 3D Printer in CoppeliaSim esperase ajudar a escolha da melhor composição de uma impressora 3D tanto para fins acadêmicos quanto para fins industriais e como tratase de uma simulação esperase responder a seguinte pergunta A utilização de um software de simulação é realmente útil durante um projeto específico Além dos benefícios para os estudantes e pesquisadores uma impressora 3D acessível e de alta qualidade também pode ter um impacto significativo na indústria e na economia em geral A impressora desenvolvida pode ser utilizada em diversos setores como na produção de peças para máquinas e equipamentos na criação de peças de reposição e em outras aplicações Desse modo o presente trabalho visa não apenas estudar uma impressora 3D por deposição de termoplástico mas também contribuir para a democratização do acesso a essa tecnologia e para o avanço da pesquisa científica e tecnológica Além disso a disponibilidade de uma impressora 3D acessível e de alta qualidade pode fomentar a inovação e o empreendedorismo possibilitando o desenvolvimento de novas soluções e aplicações para a impressão 3D FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA De acordo com Raulino 2011 a Prototipagem Rápida PR Rapid Prototyping é um processo de fabricação baseado na adição de material em camadas planas que surgiu no final dos anos 80 devido à crescente necessidade da indústria em reduzir custos no processo de desenvolvimento de produto PR diz respeito a um conjunto de tecnologias que tem por intuito final a confecção de objetos físico com dimensões tridimensionais através de processos que adicionam material camada a camada sucessivamente e são capazes de produzir geometrais complexas que muitas vezes são impraticáveis em sistemas tradicionais Buswell 2017 define o termo PR como o método de produção normalmente ligado à fabricação de protótipos por sistemas aditivos à partir de modelos computadorizados gerado em sistemas CAD Tendo em mente que com os avanços da indústria as tecnologias tiveram que evoluir com a mesma rapidez e efetividade para isso surgiram diferentes fabricantes com diferentes soluções e então sugindo um novo problema qual seria a melhor forma de fazer um impressora 3D a nível industrial dadas as aplicações necessárias e particulares de cada processo Conforme Srivatsan et Sudarshan 2016 argumentam a tecnologia de manufatura aditiva consiste essencialmente em três etapas básicas Um modelo eletrônico tridimensional 3D computadorizado é desenvolvido e convertido em um formato padrão como o tradicional Standard Tessellation Language STL ou um formato mais recente Este arquivo é então enviado para uma máquina de manufatura aditiva onde é manipulada para que ocorra a mudança quanto a posição a orientação da peça ou simplesmente a escala da peça A peça é então construída camada por camada em uma máquina de manufatura aditiva Desde 1987 mais de 100 máquinas para produção digital direta foram desenvolvidas e introduzidas no mercado que seguem o princípio da fabricação de camadas Gebhardt et Hotter 2016 A visão geral dos diferentes processos é dada na figura 1 Figura 1 Tipos de Tecnologias para impressão 3D Fonte Srivatsan et Sudarshan 2016 Assim podemos definiar as maquinas mais utilizadas em meio indsutrial sendo elas 1 Impressão 3D 3DP 2 Estereolitografia SLA 3 Sinterização Laser Seletiva SLS 4 Modelagem por difusão e depopsição FDM Segundo Srivatsan et Sudarshan 2016 o processo de impressão 3DP desenvolvido pelo MIT consiste na aplicação de um aglutinante líquido à base de água em um jato que é direcionado para um pó à base de amido com o objetivo de imprimir dados de um desenho CAD As partículas de pó são depositadas em camadas sucessivas e aderem umas às outras quando o aglutinante é aplicado Posteriormente as partes não ligadas são cuidadosamente removidas e a peça pode ser submetida a altas temperaturas para aumentar ainda mais a resistência da ligação O processo denominado 3DP por sua semelhança com a impressão a jato de tinta em papel foi inicialmente utilizado com materiais poliméricos mas agora é aplicado na produção de peças metálicas cerâmicas e compostos metalcerâmicos Essa técnica permite a criação de peças com qualquer geometria além de facilitar o controle da microestrutura e das propriedades da peça produzida A sequência de operações envolve a repetição do processo de camadas até que a peça seja completamente impressa Figura 2 Operação de uma impressora 3D técnica 3DP FONTE Srivatsan et Sudarshan 2016 De acordo com Srivatsan 2016 a estereolitografia é considerada o primeiro e mais popular processo de prototipagem rápida desenvolvido pela 3D Systems Inc A patente para SLA Patente US 4575330 expirou em 1986 Esse processo é baseado em líquido e envolve a cura ou solidificação de um polímero fotossensível quando um laser ultravioleta entra em contato com a resina O processo começa com a criação de um modelo usando software CAD que é posteriormente traduzido para um formato STL As peças são cortadas em fatias com cada fatia contendo informações específicas para cada camada A espessura e a resolução de cada camada são determinadas pelo equipamento utilizado Uma plataforma é criada para sustentar a peça e suportar qualquer estrutura suspensa O laser ultravioleta é aplicado à resina consolidandoa em pontos específicos de cada camada Quando a camada é concluída a plataforma é baixada e o processo continua O excesso de resina é drenado e pode ser reutilizado Ao longo dos anos o processo foi aprimorado resultando na microestereolitografia que oferece uma resolução muito maior Nesse processo uma espessura de camada inferior a 10 microns pode ser alcançada facilmente o que é ideal para a criação de microestruturas tridimensionais Figura 3 Técnica de estereolitografia e seus componentes chave FONTE Srivatsan et Sudarshan 2016 A técnica de fabricação aditiva conhecida como sinterização utiliza lasers e por isso é chamada de sinterização a laser Segundo Gu 2015 a escolha do tipo de laser tem um impacto significativo na consolidação das partículas levando em consideração a absorção do laser pelo material e o comprimento de onda utilizado Para diferenciar o processo de sinterização industrial foi adotado o termo sinterização laser seletiva já que a solidificação do material ocorre apenas em áreas específicas Conforme descrito por Srivatsan e Sudarshan 2016 o processo envolve o uso de um laser de alta potência para fundir pequenas partículas do material de construção que pode ser metal cerâmica polímero vidro ou outros materiais pulverizáveis O leito de pó é aquecido abaixo do ponto de fusão do material para minimizar a distorção térmica e facilitar a fusão com a camada anterior A cada camada o laser desenha o padrão para sinterizar o material formando a parte desejada enquanto o pó restante atua como suporte para a estrutura O pó não utilizado pode ser reutilizado após a construção da parte desejada A sinterização laser seletiva permite a criação de peças complexas com maior durabilidade e funcionalidade comparadas a outros métodos de fabricação aditiva Além disso não há necessidade de tempo de cura tornando o processo de construção muito mais rápido Figura 4 esquematização de uma impressora 3D que utiliza tecnica SLS Fonte Gebhardt2016 Barnatt 2016 afirma que a tecnologia de impressão 3D mais comum em termos de unidades vendidas é a extrusão de material Essa tecnologia se refere a qualquer processo que cria objetos em camadas produzidos a partir de um material semilíquido que é empurrado por meio de um bico controlado por computador Diferentes materiais podem ser utilizados na criação de objetos incluindo concreto cerâmica e até mesmo metais No entanto os materiais mais amplamente utilizados na extrusão são os plásticos termoplásticos que podem ser temporariamente derretidos para permitir sua extrusão pelo bico da impressora A Figura 5 fornece uma ilustração do processo de extrusão de material Aqui um rolo de material de construção conhecido como filamento é alimentado lentamente em uma cabeça de impressão aquecida a uma temperatura entre 180C e 250C Isso derrete o filamento que é então extrudado através de um bico fino e geralmente um pouco achatado pela cabeça de impressão conforme sai De acordo com Gebhardt e Hotter 2016 no processo de fabricação de modelos FDM o filamento derretido é inicialmente depositado diretamente em uma superfície plana e horizontal conhecida como plataforma de construção da impressora 3D ou mesa de impressão Aqui o filamento esfria rapidamente e solidifica com a cabeça de impressão movendose em um espaço 2D para traçar a primeira camada do objeto que está sendo impresso Algumas impressoras de extrusão de material conseguem esse movimento movendo a cabeça de impressão ao longo de um eixo nortesul e oeste leste enquanto outras deslizam a cabeça de impressão para frente e para trás em um eixo e movem a cama de impressão ao longo do outro Figura 5 Esquema de funcionamento de uma impressora FDM Fonte Pallrolas 2013 Em suma a última técnica desenvolvida nos dias atuais e por sua vez a técnica que será estudada por nos nesse trabalho uma vez que a impressora não será montada fisicamente em virtude da quantidade de gastos necessários para tal feito consequentemente tudo que se refere ao âmbito pratico será desenvolvido utilizando o software Simulated 3D Printer in CoppeliaSim o objetivo principal é analisar minuciosamente o processo de montagem de uma impressora 3D por deposição de termoplástico afim de identificar a melhor configuração possível de equipamentos a ser utilizada MATERIAL E MÉTODOS Realizouse a pesquisa de qualificação no Instituto Federal de Educação ciência e tecnologia do estado de São Paulo campos São Joao da Boa Vista IFSPSBV com a ideia central de mapear a melhor configuração de impressora 3D possível e que fosse viável financeiramente com o auxílio dos orientadores descobrimos que para a pesquisa seria necessário a utilização de alguns software AUTOCAD Figura 6 interface de abertura do AutoCad Fonte Cursos construir AutoCAD é um software do tipo CAD computer aided design ou projeto assistido por computador criado e comercializado pela Autodesk Inc desde 1982 É utilizado principalmente para a elaboração de peças de desenho técnico em duas dimensões 2D e para criação de modelos tridimensionais 3D Além dos desenhos técnicos o software vem disponibilizando em suas versões mais recentes vários recursos para visualização em diversos formatos É amplamente utilizado em arquitetura design de interiores engenharia mecânica e em vários outros ramos da indústria Figura 7 interface interna do Autocad Fonte Projetos Urbanos SOLIDWORKS O SolidWorks baseiase em computação paramétrica criando formas tridimensionais a partir de operações geométricas elementares No ambiente do programa a criação de um sólido ou superfície tipicamente começa com a definição de um sketch 2D que depois é transformado através de uma operação num modelo tridimensional O SolidWorks dispõe de um amplo leque de funcionalidades incluindo funções específicas para chapa metálica construção soldada e moldes Figura 8 interface interna do solidworks Fonte easyworks Como descrito as duas ferramentas são ferramentas utilizadas na indústria para desenhar basicamente dizendo assim são necessárias para que a peça seja ajustada de acordo com o projeto na qual fara parte A utilização desses softwares são necessárias quando realmente as peças forem ser impressas na pesquisa feita ficamos apenas com a parte que será utilizado do simulador robótico CoppeliaSim COPPELIASIM Figura 9 Logotipo do CoppeliaSim Fonte Coppeliarobotics Coppelia anteriormente nomeado VRep é um framework de simulação robótica versátil escalável e de propósito geral Nele é possível executar experimentos que envolvem a interação de elementos robóticos com objetos seja através de manipulação ou através de detecção e contorno ROHMER SINGH FREESE 2013 O simulador através de suas barras de ferramentas menus e dialogs permite uma manipulação intuitiva dos objetos disponíveis Esta navegação permite inclusive o uso de robôs já disponíveis Outros elementos disponíveis são sólidos geométricos simples como polígonos e esferas Para que o framework de simulação robótica funcione adequadamente é necessário executar alguns passos primeiro mesmo que pareça obvio é necessário fazer o downloading do CoppeliaSim disponível no próprio site do desenvolvedor possuindo versão free e paga Após a instalação abra o CoppeliaSim verifique se a versão que baixou possui um modelo da impressora 3D disponível Se não tiver você pode criar um modelo da impressora 3D ou encontrar modelos préexistentes no CoppeliaSims Model Browser O coppeliaSim por se tratar de uma ferramenta de simulação de robôs é necessário que todas as entidades dentro dele tenham uma correlação entre suas bibliotecas sendo assim quando se cria um novo projeto é importante se atentar quanto ao nome do objeto impressora3D corresponde ao nome do objeto da impressora 3D em seu cenário do CoppeliaSim Se necessário ajuste o nome do objeto para corresponder É de grande importância ficar atendo a biblioteca remoteApih em seu ambiente de desenvolvimento Certifiquese de ter o arquivo remoteApih disponível em seu ambiente de compilação ou forneça o caminho correto para o arquivo se ele estiver localizado em um diretório diferente Compile o código C e certifiquese de que não haja erros de compilação Se houver erros verifique se todas as bibliotecas necessárias estão configuradas corretamente em seu ambiente de desenvolvimento Após a compilação bemsucedida execute o código Certifiquese de que o CoppeliaSim esteja em execução antes de iniciar o código O código tentará estabelecer uma conexão com o CoppeliaSim usando o endereço IP 127001 e a porta 19999 Verifique se essas informações estão corretas e não estão bloqueadas por firewalls ou outros programas de segurança Se a conexão for estabelecida com sucesso o código enviará comandos para a impressora 3D simulada no CoppeliaSim Verifique se os comandos estão corretos para as ações que você deseja simular na impressora 3D Figura 10 interface interna do CoppeliaSim Fonte Coppeliarobotics RESULTADOS PRELIMINARES E DISCUSSÃO Com base nas pesquisas realizadas até o momento há uma grande esperança em relação ao andamento do projeto o que permite constatar uma das hipóteses iniciais A utilização de um software de simulação é realmente útil durante um projeto específico Respondendo a essa pergunta é sim bastante útil ter um software de simulação disponível para o projeto pois permite a geração de diversas ideias que podem ser colocadas em prática fornecendo embasamento sólido para tomar decisões sobre a direção a ser seguida Nesta fase do projeto foi possível prédefinir uma configuração que se acredita ser altamente qualificada para a pesquisa Houve um estudo dos componentes eletrônicos dessa configuração juntamente com os equipamentos que darão movimento aos carrinhos da impressora Para auxiliar na definição da melhor configuração de peças para a impressora utilizouse um site da internet chamado vorondesig Esse site oferece uma montagem possível dos componentes como um todo Figura 11 Componentes de Movimento dos carrinhos Fonte vorondesig Na Figura 11 é apresentada uma possível candidata para as peças que serão utilizadas na movimentação dos carrinhos É crucial que os carrinhos deslizem de forma efetiva para garantir uma alta qualidade de impressão além de considerar a questão do tempo Com essa configuração acredita se que seja possível reduzir quase pela metade o tempo necessário para imprimir uma peça de tamanho médio o que é bastante significativo Quanto aos equipamentos eletrônicos como mini displays relés conectores etc também foi utilizado a ferramenta online vorondesig para obter uma base no projeto No entanto é importante ressaltar que talvez não sejam utilizados exatamente os mesmos equipamentos listados pela VORON Isso se deve ao fato de a VORON ser uma empresa com foco no lucro enquanto é possível encontrar peças similares no mercado com valores menores Além disso é relevante considerar que a VORON é uma empresa sediada no exterior o que acarretaria em taxas de importação que aumentariam os custos financeiros da pesquisa Figura 12 Componentes Eletrônicos Fonte vorondesig Por fim é apresentada a seguinte configuração que até o momento demonstrou um desempenho muito satisfatório e atende à proposta inicial da pesquisa Essa configuração oferece uma base sólida de equipamentos para a fabricação de uma impressora 3D por deposição de termoplástico em nível industrial com excelentes características de impressão de peças A precisão é alta e o tempo de fabricação das peças é otimizado IMPACTOS Os maiores impactos estudados a partir da simulação de uma impressora 3D por via do software Copelia Sim foi a facilidade que se pode mudar de ideia no meio do projeto sem gerar custos adicionais já que se trata de uma simulação assim podemos ter uma determinada aplicação em um nicho industrial e com o mesmo projeto atuar em outro nicho apenas modificando brevemente o projeto sem mencionar a necessidade tanto industrial quanto acadêmica para obtenção de peças exclusivas feitas por medida e também a rapidez e versatilidade de produzir uma determinada peça sobressalente sem a necessidade de terceiros REFERÊNCIAS BARNATT C 3D Printing The Next Industrial Revolution ExplainingTheFuturecom 2016 BUSWELL R A A review of additive manufacturing for construction opportunities and challenges Automation in Construction v 81 p 221231 2017 CONSTRUIRARQBR AutoCAD e AutoCAD LT 32 bits serão descontinuados Disponível em httpsconstruirarqbrautocadeautocadlt32bitsseraodescontinuadosv9a5a5f39f4c7 Acesso em 04 jun 2023 COPPELIAROBOTICSCOM Help Files Disponível em httpswwwcoppeliaroboticscomhelpFiles Acesso em 04 jun 2023 EASYWORKSES Proyecto IT Fabricación Digital Disponível em httpseasyworksesproyecto itfabricaciondigital Acesso em 04 jun 2023 GEBHARDT A HOTTER H Introduction to additive manufacturing Rapid prototyping to direct digital manufacturing Springer 2016 GEBHARDT A HOTTER M Additive manufacturing technologies 3D printing rapid prototyping and direct digital manufacturing Springer 2016 GU D Laser sintering A novel sintering technique for ceramic materials Journal of the European Ceramic Society v 35 n 2 p 309317 2015 RAULINO P R Prototipagem rápida tecnologias e aplicações Ed Érica 2011 ROHMER E SINGH S P FREESE M Vrep A versatile and scalable robot simulation framework In IEEE Proceedings of the 2013 IEEERSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems Sl p 13211326 2013 SILVA G R Guia Biblioteca Python Natal Universidade Federal do Rio Grande do Norte 2022 Disponível em httpsrepositorioufrnbrbitstream123456789506882GuiraBibliotecaPythonSilva2022pdf Acesso em 04 jun 2023 SRIVATSAN T S SUDARSHAN T S Additive manufacturing a guide for practitioners and students Springer 2016 VORONDESIGNCOM Voron 24 Disponível em httpsvorondesigncomvoron24 Acesso em 04 jun 2023 WIKIPEDIA SolidWorks Disponível em httpsptwikipediaorgwikiSolidWorkstextO20SolidWorks20baseia2Dse20emuma2 0operaC3A7C3A3o20num20modelo20tridimensional Acesso em 04 jun 2023 ZUCCA R Universidade Federal da Grande Dourados Faculdade de Ciências Agrárias Programa de PósGraduação em Engenharia Agrícola Desenvolvimento de impressora 3D de baixo custo para prototipagem de peças para o meio rural Mar de 2019 Disponível em httpsrepositorioufgdedubrjspuibitstreamprefix9431RafaelZuccapdf Acesso em 25 de mar de 2023