Por que isso não funcionava há 30 anos e como finalmente conseguimos resolver o problema.
As peças que saem da sua impressora 3D não são as peças modeladas pela sua simulação de elementos finitos. Todo engenheiro que trabalha com impressão 3D FDM sabe disso, de alguma forma. A maioria encontrou soluções alternativas. Poucos falaram abertamente sobre o motivo da existência desse problema e menos ainda o abordaram na raiz.
Execute uma análise de tensão FEA padrão em um arquivo CAD que você vai imprimir em uma impressora 3D FDM e obterá um resultado: gráficos de contorno nítidos, previsões de falha, aparentemente confiáveis. O problema é que quase nada disso leva em conta como o processo de fabricação alterará o resultado.
A FEA tradicional pressupõe que a peça analisada seja isotrópica e homogênea. Essa suposição funciona razoavelmente bem para moldagem por injeção, usinagem CNC e outros processos de fabricação convencionais. Para peças impressas em 3D por FDM, ela é fundamentalmente insuficiente.
Uma peça FDM é uma pilha de cordões depositados, cada um moldado pelo percurso da ferramenta que o depositou, ligados aos cordões adjacentes por meio de um processo térmico que varia ao longo do volume de construção. As propriedades do material na direção da deposição dos cordões são mensuravelmente diferentes das propriedades perpendiculares a ela. A densidade, o padrão e a orientação do preenchimento afetam o desempenho estrutural de maneiras que um modelo FEA padrão simplesmente não consegue capturar.
A resposta comum é um fator de segurança muito elevado, frequentemente aplicado para compensar a não consideração dos percursos de usinagem. Dependendo das condições de carga, pode ser uma aproximação razoável, mas na maioria das vezes não é. O fator pode ser conservador demais quando a redução de peso é uma prioridade e não conservador o suficiente para modos de falha que nunca foram previstos no projeto. O resultado é uma peça impressa em 3D que é superdimensionada, mais pesada e mais cara do que o necessário. E, para aplicações que suportam carga, o risco que não foi devidamente quantificado não desaparece simplesmente porque um fator de segurança foi aplicado.
Os softwares de análise por elementos finitos (FEA) disponíveis no mercado não foram desenvolvidos para a tecnologia FDM nem para a impressão 3D de maneira mais ampla. A maioria das ferramentas de simulação predominantes foi desenvolvida com base em premissas da manufatura convencional: materiais homogêneos, geometrias estáveis e condições de processo previsíveis. O avanço na simulação da fusão em leito de pó tem sido significativo, e a razão para isso é esclarecedora. Nos sistemas de fusão em leito de pó, a quantidade total de material na câmara de construção permanece relativamente constante, com apenas uma região localizada exposta à fonte de calor a qualquer momento. Essa consistência torna viável modelar tensões residuais, distorções e falhas de construção com precisão razoável.
Várias abordagens foram testadas tanto na academia quanto na indústria, e cada uma delas esbarra em um obstáculo específico. O uso de modelos de materiais anisotrópicos e da teoria de laminados compostos captura as fraquezas entre camadas, mas não leva em conta a anisotropia de alta resolução decorrente de contornos que variam continuamente, inversões de raster e orientações de material em constante mudança. A modelagem de cordões individuais é fisicamente precisa em princípio, mas imediatamente inviável para qualquer peça em escala de produção — o número de elementos da malha torna-se computacionalmente intratável antes mesmo de se resolver o problema de gerar uma malha razoável. A homogeneização baseada em célula-unidade aplica propriedades do material a elementos muito maiores do que cordões individuais, mas pressupõe uma estrutura periódica do material que a FDM viola ativamente. As linhas de contorno seguem os limites da peça, os padrões de preenchimento mudam de direção nas paredes, as inversões de direção da malha criam orientações localmente distintas e as regiões de preenchimento esparso se comportam de maneira totalmente diferente das densas. A propriedade homogeneizada atribuída a qualquer elemento é, na melhor das hipóteses, uma média e, na pior, atribui com segurança propriedades erradas aos limites, às concentrações de tensão e às paredes finas que provavelmente determinarão a falha.
Cada abordagem compartilha a mesma falha fundamental: tratar o percurso da ferramenta como algo secundário, em vez de como a principal entrada. O resultado são abordagens que são ou muito caras ou totalmente inadequadas — e um setor que tem compensado isso imprimindo mais peças de teste, aplicando fatores de segurança maiores e aceitando componentes superdimensionados. Esse fluxo de trabalho é aceitável para prototipagem. Ele não se adapta a aplicações de produção, nas quais o peso da peça, o custo do material e a qualificação de desempenho são importantes.
À medida que a confiança no FDM para aplicações estruturais diminui, os engenheiros ficam menos dispostos a especificá-lo para peças de produção — o que reduz ainda mais o incentivo para investir em melhores ferramentas de simulação. O ciclo continua.
O resultado é uma oportunidade perdida. A impressão 3D por FDM tem um potencial claro para ferramentas, dispositivos de fixação, suportes e aplicações estruturais de apoio à produção, nas quais peso mais leve, custo menor, prazos de entrega mais rápidos e flexibilidade de projeto criam vantagens significativas em relação à fabricação convencional. Sem ferramentas de simulação nas quais os engenheiros possam confiar, essas vantagens não são concretizadas.
O problema é específico, e a solução também. Para prever com precisão o comportamento mecânico de uma peça impressa em 3D por FDM, a simulação precisa levar em conta aspectos que a análise por elementos finitos (FEA) tradicional simplesmente ignora: a direção em que cada camada foi depositada e como isso afeta a rigidez e a resistência; o padrão e a densidade do preenchimento em toda a peça; as propriedades validadas do material específicas para a impressora e a altura de fatia utilizadas — e não valores genéricos de fichas técnicas; e, fundamentalmente, a velocidade necessária para tornar a simulação uma etapa prática, em vez de um passo que acaba sendo pulado.
Esse último ponto é mais importante do que pode parecer. Simulações complexas de FEA podem levar muitas horas em hardware de alto desempenho. Se for mais rápido simplesmente imprimir uma peça de teste e testá-la fisicamente, é isso que os engenheiros farão. Uma ferramenta de simulação que não consiga fornecer resultados mais rapidamente do que a alternativa física não mudará o comportamento dos engenheiros, independentemente de quão precisa ela seja.
Todas as informações necessárias para uma simulação FDM com precisão física estão reunidas em um único lugar: os dados do percurso da ferramenta gerados pelo software de preparação de impressão. O percurso da ferramenta sabe exatamente onde cada camada foi depositada, em que orientação e com qual padrão de preenchimento. É a descrição mais completa que existe da peça impressa em 3D tal como foi fabricada. A questão sempre foi se as ferramentas de simulação iriam utilizá-la.
O NoviPath inverte os pressupostos que levaram ao fracasso das abordagens anteriores. Em vez de partir da geometria CAD e tentar incorporar as propriedades do material em massa resultantes do processo FDM, ele parte do próprio percurso da ferramenta: a única fonte que contém tanto a geometria quanto as informações do processo necessárias para atribuir propriedades direcionais precisas do material em cada ponto da peça.
O mecanismo de simulação FDM da Novineer, integrado ao GrabCAD Print Pro, lê os dados reais do percurso de usinagem do GrabCAD — incluindo a orientação da impressão, a altura da camada, a direção da camada e os padrões de preenchimento, além das propriedades específicas do material — e cria um modelo fisicamente preciso da peça tal como ela será impressa em 3D. A simulação reflete a peça exatamente como foi construída, e não uma versão extremamente simplificada dela.
A tecnologia é baseada em três componentes principais, cada um deles abordando uma limitação específica das abordagens anteriores.
Combinado com uma metodologia rigorosa de caracterização de materiais, que abrange 18 propriedades mecânicas individuais por material, altura da fatia e impressora, o resultado é um modelo que reflete como a peça foi realmente fabricada, e não como foi idealizada.
A Novineer demonstrou que o NoviPath é capaz de simular peças com tamanho aproximado da folha de impressão da F900 (406 mm x 470 mm) em menos de 10 minutos, utilizando menos de 8 GB de RAM em hardware comum (neste caso, um processador Intel® Core™ 7 240H (2,50 GHz) com 16 GB de RAM instalada e 10 núcleos físicos de CPU). A precisão desses modelos, em comparação com experimentos físicos, varia entre 5% e 18%. Detalhes serão apresentados em próximos white papers técnicos.
Velocidade, precisão e validação são parte integrante da arquitetura — não são elementos adicionados posteriormente. O NoviPath foi projetado para fornecer resultados precisos com rapidez suficiente para tornar a simulação uma etapa prática no ciclo de projeto. Um engenheiro pode ajustar a orientação da construção, alterar ângulos de rasterização ou adicionar contornos, executar a simulação e observar o impacto estrutural sem sair do GrabCAD Print Pro e sem precisar reconstruir o modelo. Iterações que antes levavam dias agora se reduzem a horas. Impressões de teste físicas para iteração do projeto não são mais necessárias, o que reduz o uso de material, o tempo de construção e o custo em cada ciclo.
A biblioteca de materiais validados no lançamento incluirá o Antero 800NA, o FDM Nylon 12CF e o ULTEM 9085, com suporte inicial para as impressoras F900, Fortus 450mc e F3300. Os dados dos materiais são obtidos a partir de rigorosos testes em amostras, calibrados para impressoras específicas e alturas de corte. Em um suporte de linha de montagem automotiva, a Novineer demonstrou reduções de peso de até 35%, mantendo os fatores de segurança exigidos, com o tempo de validação caindo de semanas para horas.
As aplicações em que isso é mais relevante são exatamente aquelas em que a impressão 3D por FDM tem sido limitada: ferramentas e dispositivos de fixação que suportam cargas, auxiliares estruturais de fabricação, suportes em programas aeroespaciais e componentes de dispositivos médicos que exigem qualificação de desempenho. Em cada caso, a barreira não era a tecnologia de impressão. Era a incapacidade de demonstrar, com confiança de engenharia, que uma peça específica, construída de uma determinada maneira, teria o desempenho esperado sob uma carga específica. Esse é um problema de modelagem e simulação, e agora é solucionável.
Há uma tendência de longo prazo que vale a pena mencionar aqui. O setor de FDM como um todo, e a Stratasys em particular, passou mais de duas décadas demonstrando que é capaz de produzir peças consistentes e confiáveis. Os materiais são bem caracterizados. Os controles do processo estão maduros. A barreira remanescente para uma adoção mais ampla em aplicações de produção estrutural não tem sido o hardware, mas sim o rigor de engenharia e a confiança necessários para justificar o uso da FDM onde o desempenho é fundamental.
Preencher essa lacuna muda o que os engenheiros estão dispostos a projetar. Engenheiros que confiam em suas simulações de FDM deixam de limitar os projetos ao que poderia ser facilmente usinado ou moldado por injeção. Eles passam a projetar peças cujas geometrias só podem ser impressas em 3D, aproveitando ao máximo o que a manufatura aditiva permite de forma única. As impressoras 3D já demonstraram que podem produzir peças confiáveis e complexas em escala de produção. Os recursos de projeto que se tornam disponíveis quando a simulação elimina a incerteza são substanciais.
Essa é a mudança que este trabalho visa alcançar. Não se trata de um fator de segurança melhor. Não se trata de uma maneira mais rápida de aprovar um projeto que já estava superdimensionado. Trata-se de uma abordagem de simulação que fala a linguagem do FDM e dá aos engenheiros a confiança necessária para usar a manufatura aditiva de acordo com seu verdadeiro potencial.
