6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO
6th BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING
11 a 15 de abril de 2011 – Caxias do Sul – RS - Brasil
April 11th to 15th, 2011 – Caxias do Sul – RS – Brazil
APLICAÇÃO INTEGRADA DE MEF E RP PARA APOIO AO PROJETO DE
PRODUTOS
Deives Roberto Bareta, [email protected]
Carlos Alberto Costa, [email protected]
Felipe Pasquali, [email protected]
Jaine Webber, [email protected]
Leando Luis Corso, [email protected]
1
Universidade de Caxias do Sul, CCET, Núcleo de Projeto e Fabricação em Engenharia. Rua Francisco Getúlio Vargas,
1130. Caxias do Sul, RS. 95070-560
Resumo: Este artigo apresenta um estudo do uso integrado das ferramentas de prototipagem rápida (PR) e o métodos
de elementos finitos (MEF) para o apoio ao projeto e dimensionamento de produtos. Para tanto, as propriedades de
uma resina de protótipos gerados pela tecnologia Polyjet foram identificadas em laboratório e inseridas no software
de análise estrutural, Abaqus. Um modelo inicial foi criado para análise comparativa dos dados dos ensaios em
laboratório e simulado no aplicativo computacional. Resultados iniciais evidenciam que a união dessas duas
tecnologias podem colaborar no desenvolvimento de produtos funcionais, considerando-se as limitação técnicas dos
protótipos atuais.
Palavras-chave: Prototipagem Rápida, MEF, Propriedade de materiais, Simulação
1
INTRODUÇÃO
A tecnologia de prototipagem rápida tem se tornado uma ferramenta importante dentro do processo de
desenvolvimento do produto, é conceituada como um processo evolucionário combinando todas as tarefas tecnológicas
e organizacionais em uma única estrutura, desde a concepção do produto até a manufatura. A mesma vem sendo
utilizada nos mais diversos setores da indústria, desde o de eletrodomésticos até o aeronáutico. Mesmo considerando as
limitações nas propriedades mecânicas dos materiais produzidos por esse tipo de tecnologia, a intensa necessidade de
desenvolvimento ágil e eficiente de produtos exige que a comprovação dos resultados de projetos dos produtos sejam
cada vez mais rápida.
Conforme Ferreira et al (2006), hoje em dia, os projetistas estão sofrendo forte pressão do mercado para
desenvolver uma variedade de produtos complexos em um curto período de tempo. Esta necessidade combinada com a
necessidade de reduzir custos de fabricação leva os projetistas a focarem na integração de desenvolvimento de produto
com processos de manufatura rápida. A principal vantagem de combinar prototipagem virtual e prototipagem rápida no
desenvolvimento de produtos é a possibilidade da alteração dos componentes durante todos os estágios antes da
fabricação, ou mesmo se necessário, alterar o protótipo físico conforme a necessidade do projetista sem longo período
de espera pelo protótipo físico devido às vantagens de manufatura por meio da prototipagem rápida.
De acordo com Choi e Samavedam (2001), as qualidades dos produtos adquiridos por meio dos processos de
prototipagem rápida podem variar consideravelmente, é preciso certo grau de perícia para desenvolver peças com uma
qualidade consistente. O processo de prototipagem rápida possui um custo relativamente elevado para os projetistas
produzirem vários protótipos físicos para análises de erro, por isso as técnicas de prototipagem virtual e a simulação são
essenciais durante o desenvolvimento de novos produtos; devido ao fato que a VP utiliza o software de CAD/CAE para
simular e testar previamente todas as condições de projetos antes da fabricação. A simulação dos processos de RP em
prototipagem virtual facilita a redução de parâmetros que irão afetar a qualidade do produto.
Tecnologias como a prototipagem rápida e análise (ou prototipagem) virtual de modelos geométricos permitem,
cada uma a sua forma, um validação do projeto nos seus estágios iniciais. Contudo, quando unem-se ambas as
tecnologias, as mesmas podem ser utilizadas para o projeto de produtos finais, principalmente em situações de produtos
do tipo “one of kind”.
Segundo Chua et al. (1999), o único problema da simulação da prototipagem rápida em prototipagem virtual é que
devido à inconsistência do comportamento dos materiais principalmente dos materiais poliméricos, há uma dificuldade
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na simulação de elementos finitos causando alguns problemas de eficiência. Porém o projetista deve usar de artifícios
para reduzir o problema nas simulações.
Este artigo apresenta um estudo inicial do uso integrado de prototipagem rápida e de ferramenta computacional para
análise estrutural de componentes para o projeto de produtos funcionais. O estudo foi conduzido na Universidade de
Caxias do Sul, com acadêmicos dos cursos de Engenharia Mecânica e de Tecnologia em Processamento de Polímeros.
2
PROTOTIPAGEM RÁPIDA E PROTOTIPAGEM VIRTUAL PARA DESENVOLVIMENTO DE
PRODUTOS
Segundo Chua et al (1999), enquanto a RP é uma tecnologia relativamente recente, a prototipagem virtual (VP)
existe desde os anos 70. A VP tem o principal objetivo de reduzir a iteração entre ciclos de testes em protótipos, por
isso empresas automotivas aeroespaciais e de manufatura desenvolveram sistemas complexos de prototipagem virtual
para simular seus componentes e reduzir o tempo e o custo de prototipagem física (Choi e Samavedam, 2001). Sendo
assim, a VP pode ser considerada como um berço de testes para os processos de desenvolvimento e avaliação de
produto, minimizando o tempo tradicional de prototipagem. Em muitas áreas da engenharia, a relação entre RP e VP, é
confusa devido ao fato que os sistemas de prototipagem rápida dependem de sistemas CAD para a geração do arquivo
que é utilizado na produção do componente na máquina de prototipagem rápida. Conforme o ponto de vista de Chua et
al. (1999), a prototipagem rápida está diretamente vinculado ao processo de prototipagem virtual no ciclo de
desenvolvimento de produto.
A prototipagem virtual (VP) pode ser considerada também pela manipulação de sólidos criados a partir do modelo
virtual, com o objetivo de realizar análises e simulações de engenharia. Entre alguns dos tipos de análises e simulações
podem-se citar: análises de elementos finitos, verificação de montagem e interferência entre componentes, simulação
mecânica e entre outros. Segundo Ferreira et al (2006) o modelo CAD tridimensional tem o potencial de ser a base para
análises estruturais utilizando o MEF, mas, a VP pode ser utilizada também para análises estáticas e dinâmicas com
auxílio da simulação computacional. Durante o processo de análises e simulações virtuais o projetista deve decidir quais
as atribuições do componente analisado podem ser suprimidos sem comprometer a geometria da peça, para facilitar a
análise. Certas geometrias ou intersecções de raios ou planos podem comprometer a análise nodal.
De acordo com Tseng et al. (1998), existem basicamente dois tipos de protótipos virtuais, o protótipo analítico e o
estético. O protótipo estético é desenvolvido com o propósito de integrar o usuário à peça, com de efeitos visuais
criados no programa 3D, proporcionando a sensação ao usuário que o protótipo realmente existe. Esta técnica é
utilizada em ocasiões em que há necessidade de vender o conceito ou a ideia de um produto na fase conceitual do
projeto.
Uma forma usada por projetistas mecânicos durante o processo de desenvolvimento do produto é a prototipagem
virtual analítica, uma vez que com auxílio de aplicativos computacionais pode-se simular o que acontece com a peça em
situação real. Com a prototipagem analítica é possível simular o ambiente desde simulação de fabricação e montagem
da peça. Uma das técnicas utilizadas em projeto para a análise inicial de peças é o MEF, que é um método disseminado
na academia e na indústria (Alves Filho, 2003). Esse método apresenta uma técnica de aproximação em que o
componente mecânico é subdividido em um número finito de elementos, conectadas por meio de nós.
Para Fonseca (2002), cada aplicativo, ou software, de elementos finitos possui sua própria estrutura, porém todos
estes possuem as mesmas etapas básicas. A etapa de pré-processamento em que se discretiza o modelo em elementos e
aplicam-se as condições de contorno. Na etapa de processamento são efetuados os cálculos matriciais para
determinação dos deslocamentos, reações de apoio e forças internas nos elementos. Na etapa de pós-processamento são
interpretados os resultados numéricos dos cálculos efetuados, a interpretação deste resultado geralmente é realizada com
o uso de recursos de computação gráfica. Para se ter uma análise confiável é necessário utilizar elementos com o
comportamento e com o grau de refinamento adequado. Além disso, é importante conhecer claramente o problema em
estudo para realizar o uso da modelagem correta e evitar possíveis erros.
Conforme Alves Filho (2003), dentro dos vários métodos de analise estrutural, a mais comum é a análise linearestática utilizado para pequenos deslocamentos e pequenas deformações, na qual, o limite elástico da estrutura não é
ultrapassado, fazendo com ocorra o retorno das condições de origem quando o carregamento é retirado. O método não
linear-elástico é utilizado em casos de pequenas deformações e grandes deslocamentos e para situações dentro do limite
elástico. Além destes métodos existe uma série de modelos, como podem ser citados: hiperelásticos, plástico, elastoplásticos, viscoelásticos e viscoplásticos, que se fazem necessários para específicas aplicações.
Conforme Dotchev e Eyers (2010), muitos processos de prototipagem rápida obtiveram grande popularidade na
área de desenvolvimento de produtos ou nas áreas de customização de componentes, devido ao fato de quase todo tipo
de peça indiferente de sua complexidade pode ser diretamente fabricada a partir de um modelo 3D. Para Hague et al.
(2003) um dos maiores benefícios da prototipagem rápida é gerar peças complexas sem custo extra, sendo que
tradicionalmente os processos de manufatura possuem variáveis associadas ao custo de fabricação e a complexidade da
peça. Para as técnicas de prototipagem rápida o custo envolvido na manufatura é determinado pela hora máquina, pelo
volume e pela orientação da peça.
Segundo Volpato et al. (2007), existem hoje no mercado diversos sistemas de prototipagem rápida, apesar de
usarem diferentes tecnologias de adição de material, todos se baseiam no mesmo princípio de manufatura por camada.
Os sistemas existentes são separados de acordo com a matéria-prima utilizada antes do seu processamento, sendo assim
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foram separados em três grupos: os baseados em Líquido, os baseados em Sólido e os que utilizam matéria-prima em
forma de Pó. O trabalho abordado nesse artigo utiliza-as da tecnologia IJP-Polyjet (Objet).
Segundo Balic et al. (2006), o processo de prototipagem rápida IJP-Polyjet (Empresa Objet) é o mais recente no
mercado. A IJP é uma tecnologia patenteada que trabalha com a injeção de material fotopolimérico em camadas
ultrafinas depositadas sobre uma plataforma de construção. O processo utiliza-se de um sistema de jato de tinta para
deposição da resina em pequenas gotas sobre uma bandeja e após a deposição do material uma luz UV é lançada para
cura da camada. A resina é totalmente curada durante o processo de deposição não havendo necessidade de pós-cura do
produto. As matérias-prima utilizadas são resinas da família FullCure, que são materiais de base acrílica fotocuráveis,
que incluem resinas transparentes, coloridas, opacas, flexíveis, e rígidas.
Alguns aspectos associados às características e propriedades dos materiais utilizados pela tecnologia de RP tem
sido discutidos na literatura. Isso se deve principalmente devido a natureza do processo que é por construção em
camadas ao longo do eixo “Z”. Entre algumas dessas propriedades discutidas estão: a rugosidade superficial (Onuh e
Yusuf, 1999; Upcraft e Fletcher, 2003; Becker et al., 2005), as propriedades mecânicas dos materiais (Dickens e
Hopkinson, 2001; Hague et al., 2003; Ahn et al, 2002), acuracidade dimensional (Upcraft e Fletcher, 2003; Dickens e
Hopkinson, 2001). Sendo assim, um dos problemas ainda presentes na aplicação conjunta da prototipagem rápida em
prototipagem virtual é a inconsistência do comportamento dos materiais principalmente dos materiais poliméricos
(Chua et al., 1999), causando dificuldades na simulação de elementos finitos.
Dentro desse contexto, uma questão que surge para quem utiliza a RP e VP como forma de apoio ao processo de
desenvolvimento de um produto protótipo é até onde a peça prototipada pode apresentar características funcionais e
estruturais similares a de uma peça convencionalmente produzida. Ou no caso de produtos do tipo “one of kind” até
onde uma peça prototipada pode ser utilizada com segurança. Desta forma, o conhecimento desses dados permite ao
desenvolvedor de produtos tomar decisões de quais os limites que podem ser utilizados para compensar as diferenças
em seu modelo de protótipo para que esse tenha uma funcionalidade mais próxima do produto real.
O trabalho apresentado nesse artigo foi realizado na Universidade de Caxias do Sul junto aos Laboratório de
Prototipagem Rápida (LPRA) e no Laboratório de Polímeros (LPOL).
3
DESENVOLVIMENTO DOS EXPERIMENTOS: MATERIAIS E MÉTODOS
O estudo em questão foi realizado junto ao Laboratório de Prototipagem Rápida (LPRA) da UCS e o Núcleo de
Pesquisa em Projeto e Fabricação em Engenharia.
Para a prototipagem das peças (corpos de prova) foi utilizada uma máquina Eden 350 V (Objet) tecnologia IJPPolyjet. As resinas utilizadas para os testes foram a FullCure720 e VeroBlue. Os corpos de prova foram criados para os
ensaios mecânicos de tração, impacto, compressão e flexão, segundo as seguintes normas técnicas para polímeros,
respectivamente, ASTM D638; ASTM D256; ASTM D695, e ASTM D790. Também foi obtido, para o ensaio de
tração, o valor do coeficiente de Poisson do material.
Para a resina FullCure720 foram prototipados os corpos de prova nas três direções diferentes de impressão, e
utilizando o método de High Quality (espessura de camada de 0,016mm) e high-speed (espessura de camada de
0,032mm). Um conjunto mínimo de cinco corpos de provas foi utilizado em cada tipo de ensaio.
A Tabela 1 apresenta os dados obtidos com os ensaios realizados, considerando-se a impressão dos corpos de prova
longitudinais (horizontais) para os dois tipos de resinas. Os resultados obtidos nos ensaios mecânicos revelam que a
resina FullCure720, quando comparada com a resina VeroBlue, possui praticamente a mesma tensão limite de
resistência a tração e uma tensão limite de flexão ligeiramente maior, apresentando maior rigidez. Essa maior rigidez
pode ser confirmada pelos maiores valores de módulo de elasticidade encontrados para esta resina (Figura 1).
Entretanto, com relação à resistência a compressão, a resina VeroBlue apresentou melhores resultados, provavelmente
devido à característica de maior tenacidade desse material, a qual possui uma pequena diferença na tensão limite de
resistência maior compressão.
Tabela 1. Propriedades mecânicas das resinas 720 e VeroBlue
Resina
Tensão limite de resistência a tração (MPa)
Tensão limite de resistência a Flexão (MPa)
Tensão limite de resistência a compressão (MPa)
Módulo de Elasticidade (MPa)
Full Cure 720
58,48
76,49
69,86
2828
Vero Blue
58,16
72,61
71,34
2586
Com relação às diferenças de propriedades em função do sentido de deposição do material (Figura 2), a maior
resistência da resina FullCure720 é observada quando os corpos de prova são prototipados no sentido longitudinal. Isso
ocorre devido às camadas encontrarem-se contínuas por todo comprimento do corpo de prova, por isso sofrem uma
mínima deformação e rompem logo ao atingirem a tensão máxima. Por outro lado, quando as camadas são depositadas
no sentido transversal a tensão aplicada, essas camadas deformam-se mais, pois são forçadas a alinhar-se no sentido de
aplicação da tensão, desta forma, menor resistência e menor módulo elástico. Já, quando os corpos de prova são
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prototipados no sentido vertical (comprimento no sentido Z - “em pé”), no momento do ensaio ocorre um
“descolamento” das camadas, apresentando característica de materiais frágeis, pois praticamente não deformam
plasticamente, ocorrendo a fratura causada pelo descolamento das “camadas”. Mas mesmo assim, suas características de
resistência são superiores ao sentido de impressão transversal.
Figura 1. Comparativo de ensaios entre as resinas 720 e VeroBlue – Tração e Flexão
Observa-se que o efeito de anisotropia está presente nas três direções de impressão. Para a resistência a tração tal
efeito apresenta-se mais acentuado da direção longitudinal em relação às outras duas direções, por volta de 25%. Com
relação ao módulo de elasticidade esse efeito fica em torno de 20% considerando-se a situação de sentido da impressão
ser longitudinal (ver Tabela 2 e Figura 2).
Tabela 2. Propriedades mecânicas das resinas 720 e VeroBlue
Sentido de Impressão
Limite te tensão para resistência a Tração (MPa)
Limite te tensão para resistência Flexão (MPa)
Módulo de Elasticidade (MPa)
Longitudinal
58,48
76,49
2828
Transversal
48,33
---2655
Vertical
50,02
71,97
2297
Figura 2. Resultados dos ensaios para diferentes direções de impressão – Tração e Flexão
Com base as curvas dos materiais obtidos até o presente momento, os mesmos foram inseridos dentro do Abaqus,
assim, permitindo a realização da análise por MEF de componente projetados utilizando este material.
4
MODELO COMPUTACIONAL
Os modelos hiperelásticos utilizam uma função de energia de deformação “U(ε)” que define a quantidade de
energia armazenada no material por unidade de volume em função da deformação no ponto em análise (Abaqus, 2008),
para relacionar tensão e deformação. Estão disponíveis no software Abaqus alguns modelos de hiperelasticidade que
podem ser utilizados. Utilizando-se de valores obtidos de forma experimental, são obtidos os coeficientes da equação do
modelo hiperelástico e indicados os intervalos de estabilidade do modelo. O Abaqus inicialmente considera o material
com coeficiente de Poisson ν = 0,497, porém é possível que o usuário informe o valor de outro valor para coeficiente de
Poisson ou do ensaio de compressão volumétrica.
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Como os dados de entrada foram baseados nos ensaios de tração e coeficiente de Poisson o modelo utilizado foi o
polinomial de ordem 2, conforme a equação a (1).
,
(1)
onde U é a energia potencial de deformação, N é um parâmetro do material,
e
são parâmetros do material
dependentes da temperatura, e
respectivamente, a primeira e a segunda invariante da deformação, definida pelas
equações (2) e (3).
(2)
(3)
Mais informações sobre hiperelasticidade podem ser encontras em Holzapfel, 2000, onde a equação (1) é deduzida
analiticamente. A tela de saída do software Abaqus está apresentada na Figura 3, mostrando os limites de estabilidade.
Figura 3. Limites de estabilidade do modelo hiperelástico
No presente trabalho, inicialmente, foi utilizada a resina VeroBlue840, onde, para criação do modelo hiperelástico
foram utilizados os dados de coeficiente de Poisson e os dados do ensaio de tração uniaxial da resina.
Objetivando o conhecimento da aplicação das propriedades dos materiais dentro do software, criou-se um modelo
computacional para ensaio de tração utilizando o modelo de material hiperelástico analisado, e submeteu-se a
comparação dos resultados do modelo computacional com os resultados do ensaio de tração (Figura 4), onde a
proximidade dos valores se mostrou constante em praticamente toda análise, na região após o valor de tensão de
escoamento ser atingido, os valores se mostraram diferentes.
Figura 4. Gráfico gerado pelo Abaqus
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VALIDAÇÃO EXPERIMENTAL
Uma vez definido o modelo computacional, com as propriedades do material, partiu-se para a definição de um
experimento e validação do modelo em um componente submetido à flexão. Foi criado um modelo computacional de
uma viga em balanço (dimensões 165mmx 20mm x 4mm) com hiperelasticidade, e realizou-se simulações para
carregamentos de 0,050kgf, 0,100kgf e 0,200kgf respectivamente, registrando-se os resultados de deformação na
direção longitudinal e transversal, ou seja direções x e y, respectivamente, indicadas na figura 5.
Figura 5. Modelo virtual de viga em balanço
Para comprovação da simulação realizada no Abaqus, corpos de prova de formato retangular (165mm x 20mm x
4mm) foram confeccionados na Objet com a resina VeroBlue 840 (posição longitudinal).
Foram colados extensômetros de resistência elétrica do tipo roseta delta (Straingages - WA-06-060WR120 -VishayMicro Measurements) em dois corpos idênticos. Foi utilizado um sistema de aquisição de dados do tipo Scanner 5000
(Vishay-Micro Measurements) em um circuito do tipo 1/2 ponte de Wheatstone em braços adjacentes com objetivo de
compensar possíveis efeitos da temperatura e realizaram-se as medições utilizando um software de aquisição de dados.
Na Figura 6 tem-se uma foto da instrumentação do corpo de prova.
Figura 6. Validação Experimental
Os resultados aqui obtidos direcionam a um estudo mais aprofundado da consideração da anisotropia no modelo
computacional. Embora, resultados inicias indiquem a semelhança entre o comportamento experimental e o
comportamento obtido com simulação (Figura 7), com uma erro de 3,24%, mais ensaios e simulações serão realizadas
com a finalidade desse estudo, principalmente para analisar a confiabilidade com relação a curva de comportamento do
material.
Carga
Medições Experimentais
Abaqus
CP1
CP2
m(kg)
P(N)
NE(με) max.
NE(με) max.
Erro(%)
NE(με) max.
Erro(%)
0,050
0,123
258,41
261,80
1,31
265,01
2,55
0,100
0,245
515,12
517,50
0,46
531,82
3,24
0,200
0,491
1031,67
1033,20
0,15
1042,50
1,05
Figura 7. Resultados comparativos entre a simulação virtual e o ensaio experimental
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CONCLUSÃO
Esse artigo apresentou um estudo sobre a aplicação integrada das tecnologias e elementos finitos e prototipagem
rápida para apoio ao processo de análise e desenvolvimento de componentes mecânicos, considerando-se as limitações
mecânicas dos materiais obtidos por esse tipo de tecnologia.
Em princípio as propriedades obtidas em laboratório apresentam-se semelhantes aquelas divulgadas pelos catálogos
dos fornecedores desses tipos de materiais. A importação das curvas de ensaios para o ambiente do Abaqus foi ajustada
segundo um próprio modelo sugerido pelo software.
O experimento físico que está sendo realizado para validação dos dados gerados pelo software Abaqus apresenta,
até o momento, um comportamento conforme o esperado.
Contudo, trabalhos adicionais são necessários em ajustar ao modelo computacional a curva do ensaio de
compressão do material, uma vez que a mesma apresenta um comportamento relativamente diferente quando
comparada a tração. Também deverá ser compensada no modelo computacional a questão da anisotropia do material
que se apresentou significativa para o caso de projeto de peças técnicas.
Em adição a esses aspectos outros dois aspectos deverão ainda ser estudados: a degradação das propriedades das
peças ao longo do tempo e a influência da temperada do ambiente de trabalho.
7
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a FINEP Chamada Pública PROMOVE – Laboratórios de Inovação – 06/2006 (Processo No.
4873/06)
8
REFERÊNCIAS
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9
DIREITOS AUTORAIS
Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído nesse trabalho.
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11 a 15 de abril de 2011 – Caxias do Sul – RS - Brasil
April 11th to 15th, 2011 – Caxias do Sul – RS – Brazil
INTEGRATED APPLICATION OF FEM AND RAPID PROTOTYPING TO
SUPPORT PRODUCT DESIGN
Deives Roberto Bareta, [email protected]
Carlos Alberto Costa, [email protected]
Felipe Pasquali, [email protected]
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Leando Luis Corso, [email protected]
1
University of Caxias do Sul, CCET, Engineering Design and Manufacturing Research Group. Rua Francisco Getúlio
Vargas, 1130. Caxias do Sul, RS. 95070-560
Abstract: This article presents a study of the integrated application of rapid prototyping and finite element
technologies to support products design and manufacturing. In order to do this the mechanical properties of the
material (resin) used by the PolyJet technology were identified based on laboratorial standard tests and used as an
input on Abaqus CAE tool. An initial model was created for comparative analysis of data from tests in laboratory and
simulated in computer application. Initial results show that the union of these two technologies can assist in developing
functional products, considering the technical limitations of the current prototype materials.
Palavras-chave: Rapid Prototyping, FEM, Material Proprieties, Simulation
©
Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 2011