De acordo com os números actuais, cerca de 82,8 milhões de bicicletas circulam na Alemanha. Não é só o ambiente que se alegra com mais uma nação ciclista, mas este tipo de locomoção também é benéfico para o seu bem-estar físico. São cada vez mais as pessoas que abandonam o automóvel e optam pela bicicleta. Especialmente aqueles que utilizam muito as suas bicicletas dão importância ao modelo ideal para si e para as suas necessidades. A qualidade e o aspeto desempenham um papel importante.

Os ciclistas apaixonados já não se contentam com uma bicicleta frágil. Se está interessado num novo modelo, muitas pessoas começam por colocar a si próprias as seguintes questões: O que é que a bicicleta tem de ser capaz de fazer e como é feita? Porque, dependendo da bicicleta e dos componentes que escolher, pode chegar ao seu destino ainda mais depressa, com peças e designs de maior qualidade, ou mais baratos.

Repensar os projectos de produtos existentes através do fabrico de aditivos

A voxeljet juntou-se à struktur.form.design Engineering para criar um protótipo que tem como principal objetivo a estética, mas também a otimização de peças que só podem ser fabricadas através da impressão 3D. O fabrico aditivo encontra-se com o design anno 2023.

“Concebemos uma bicicleta que é representativa de todos os produtos existentes que podem ser optimizados utilizando diferentes processos de impressão 3D. Embora a bicicleta não seja totalmente impressa em 3D, estamos gradualmente a identificar, otimizar e fabricar as peças cuja produção através da impressão 3D faz sentido e a dar um novo impulso ao que pode ser produzido aditivamente. Porque o fabrico aditivo faz-nos repensar todos os objectos existentes e os limites do design tradicional desaparecem”, afirma Tobias King, Diretor de Marketing & Aplicações da voxeljet.

Com o foco na ótica da nova bicicleta, foi decidido o passo mais importante no processo de otimização. A topologia desempenha um papel que não deve ser subestimado, uma vez que muitas peças são sujeitas a cargas pesadas durante a utilização. O gabinete de engenharia struktur.form.design Engineering, de Langenbach, perto de Kaiserslautern, na Alemanha, especializado no desenvolvimento de peças fabricadas aditivamente, trabalha sempre com objectivos claros em termos de otimização estrutural. Ao fazê-lo, a impressão 3D dá-lhe uma enorme liberdade de design. Neste caso de uma manivela de pedal de bicicleta, o foco foi a estética – mas aspectos como a melhoria do desempenho, a redução de peso e a redução de custos também podem ser factores para a adaptação estrutural das peças individuais.

Otimização da topologia através do método dos elementos finitos

Ter uma enorme liberdade de conceção significa, em primeiro lugar, ter de se decidir sobre o que é tecnicamente viável. Antes de as impressoras 3D aquecerem na voxeljet, o método dos elementos finitos (FEM) é utilizado no gabinete de engenharia.

Para poder analisar computacionalmente peças complexas em particular, o MEF representa a geometria do componente por muitos elementos pequenos e simples – frequentemente um tetraedro ou hexaedro. Este processo de discretização (também designado por malha) é necessário porque as aplicações reais têm normalmente geometrias complicadas e condições de fronteira que são difíceis de resolver analiticamente. Ao mapear a geometria em elementos finitos, o comportamento da estrutura global pode ser determinado aproximadamente, mas com precisão suficiente, utilizando métodos numéricos.

“Com a ajuda de poderosas ferramentas de software de elementos finitos, podemos simular por computador, numa fase inicial do desenvolvimento, o comportamento mecânico de peças estruturais em determinadas condições, sem nunca as termos fabricado e testado”, explica Florian Pfaff, DIRECTOR EXECUTIVO da struktur.form.design Engineering.

O objetivo central da colaboração entre a voxeljet e a struktur.form.design Engineering foi rapidamente definido: desenvolver uma manivela de bicicleta que não só correspondesse esteticamente à bicicleta de exposição existente, como também fosse leve sem comprometer o desempenho estrutural. Ficou igualmente claro que a manivela optimizada seria feita de uma liga de titânio com propriedades ideais em termos de baixa densidade combinada com alta resistência.

Quando os algoritmos geram designs eficientes

A otimização topológica é essencialmente uma abordagem matemática que utiliza o método dos elementos finitos para otimizar iterativamente a disposição dos materiais num determinado espaço de conceção (o chamado espaço de conceção), tendo em conta os casos de carga relevantes e as condições de fronteira restritivas, para obter um desempenho ideal.

“Determina eficazmente onde o material é necessário e onde deve ser omitido para obter uma eficiência estrutural óptima”, acrescenta Pfaff.

A otimização da topologia é seguida pela otimização da forma. Isto reduz os picos de tensão locais nas áreas de entalhe, o que tem um efeito positivo na vida útil do componente. Numa inspeção mais atenta, pode ver-se que a forma dos entalhes individuais muda localmente.

Na etapa final, o resultado da otimização estrutural é introduzido num sistema utilizável CAD modelo. No sistema CAD, os detalhes finais são então adicionados, de forma análoga ao desenho CAD clássico, para garantir que a peça também pode ser utilizada na prática. Esta abordagem garante um projeto eficiente e adequado à produção.

Do “padrão de cera” impresso em 3D à manivela de titânio para pedais

Na voxeljet, o padrão para a fundição de revestimento é então impresso a partir dos dados CAD fornecidos, utilizando o processo de jato de aglutinante. Para este efeito, os conjuntos de dados CAD são “cortados” em camadas. No processo de impressão, um pó, neste caso o polimetacrilato de metilo (PMMA), é aplicado pela máquina de recobrimento em camadas micrométricas finas numa área de construção e, em seguida, colado seletivamente pela cabeça de impressão. Cada camada representa uma secção transversal da respectiva peça. Após a impressão, a área de construção é reduzida numa espessura de camada (150 micrómetros), segue-se uma nova camada de pó e a cabeça de impressão volta a ligá-la seletivamente. Este procedimento repete-se até que a peça esteja totalmente impressa no leito de pó, sendo depois desempacotada e limpa. O padrão está terminado. Para a subsequente fundição por cera perdida, é particularmente vantajoso que o PMMA tenha excelentes propriedades de queima, de modo a que mesmo espessuras mínimas de parede possam ser reproduzidas.

Posteriormente, o protótipo impresso em 3D foi revestido com cerâmica no processo clássico de fundição por cera perdida e queimado. Devido à elevada qualidade e resistência, as manivelas de pedal fundidas em titânio prometem uma durabilidade e estabilidade dimensional dos produtos muito superiores.

O modelo de PMMA impresso em 3D é depois fundido em titânio através do processo de fundição por cera perdida, apresentando assim o mais elevado nível de pormenor. A geometria altamente complexa resultante só pode ser realizada através da impressão 3D devido aos cortes inferiores.

O redesenho também é possível tradicionalmente ou utilizando o processo de impressão 3D DMLS?

Na fundição por cera perdida tradicional, seriam necessárias etapas adicionais para produzir a manivela do pedal, que poderiam ser ignoradas pela impressão 3D.

“O fabrico de uma estrutura deste tipo a partir de titânio utilizando os métodos clássicos – se fosse tecnicamente possível – não seria de todo económico. Sem as impressoras 3D, não teria sido possível realizar uma manivela de pedal tão complexa”, afirma Florian Pfaff, Diretor Executivo da struktur.form.design Engineering.

Em vez da sinterização direta de metal a laser (DMLS), a fundição por cera perdida também é mais favorável do que a impressão direta de metal devido aos custos de material, especialmente para grandes lotes, uma vez que um lingote fundido é mais económico do que o pó metálico. Em vez de DMLS, a fundição por cera perdida subsequente proporciona um comportamento mais homogéneo do material porque o metal fundido pode solidificar de forma planeada e controlada. No espaço de construção impresso em 3D, o alongamento na rutura no eixo X ou Y, por exemplo, é mais elevado do que na direção Z devido à ligação das camadas. Uma grande vantagem da “fundição impressa” é o facto de a impressão 3D em combinação com a fundição de investimento já ser reconhecida e certificada em muitas indústrias, como a indústria aeronáutica.

O resultado…

…proporciona, com um peso de 152 gramas, o melhor de dois mundos – a moderna tecnologia de impressão 3D e o fabrico tradicional, com uma redução de peso de 40-50% em comparação com os cranks de pedal convencionais e um maior potencial de poupança.

“Em termos gerais, este projeto mostra o que a otimização estrutural moderna, em combinação com os processos de fabrico aditivo, já pode alcançar atualmente. O fabrico aditivo é convincente neste caso devido à sua liberdade de conceção. Permite a realização de geometrias complexas e oferece a possibilidade de utilizar os recursos de forma muito eficiente. O potencial da tecnologia de impressão 3D para repensar completamente os produtos e ultrapassar os limites dos métodos de fabrico convencionais é enorme”, conclui Florian Pfaff.