O que é a impressão 3D?

Também conhecida como manufatura aditiva, a impressão 3D é um termo que surgiu no início dos anos 90 que engloba a criação de modelos físicos por meio de design digital. Se enquadram no termo toda tecnologia com capacidade de tornar físico modelo por desenho assistido por computadores (CAD), cada tecnologia tem suas peculiaridades, mas todas seguem o mesmo princípio: um modelo digital é transformado em modelo físico camada por camada.

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Como Funciona?Histórico da ImpressãoO que pode ou não pode fazer?Quem se beneficia?As Tecnologias

FDM/FFFSLA/DLPSLSJateamentoAglutinaçãoMetal

Variações da tecnologia podem utilizar de termoplásticos à resinas, pó, metal e até mesmo materiais compósitos. Cada tipo de material tem sua tecnologia específica, seus pontos positivos e seus pontos negativos, que pode ser mensurado de forma diferente dependendo de qual segmento é aplicado. Quer saber mais a fundo como funciona?

Neste artigo irei abordar não só como funciona a impressão 3D, como darei um histórico breve seguido de desmistificação sobre o que é a impressão 3D hoje, o que pode ser no futuro e que tecnologias a engloba.

Como funciona a impressão 3D?

Como já citado acima, tudo começa com um modelo em 3D (CAD), que deve ser separado em camadas que a máquina entenda. Essa interpretação de uma geometria tridimensional em comandos que a máquina pode replicar é feita por um software de fatiamento, ou slicer, que consegue traduzir os movimentos necessários para replicar da geometria à parâmetros de diferentes componentes (como temperaturas e velocidade de ventoinha na tecnologia FDM).

Por conta de suas grandes diferenças em métodos, as tecnologias operam com materiais específicos, que podem ou não ser utilizados de alguma forma em outros dos métodos. Um exemplo disso são os termoplásticos utilizados na tecnologia FFF/FDM que forma o modelo derretendo plástico e depositando por caminhos específicos definidos pelo slicer.

O futuro de 34 anos atrás – Histórico da impressão 3D

Apesar de ser até hoje considerado um conceito “futurista” e coisa que parece ter saído de algum sci-fi, a manufatura aditiva começou sua jornada em 1983!

E o responsável principal pela criação desta tecnologia foi Charles W. Hull, também conhecido como O Pai da Impressão 3D e inventor da Estereolitografia.

SLA-1
A SLA-1, a máquina que mudou a indústria para sempre.

Enquanto trabalhava para uma companhia que aplicava lâminas plásticas em mesas por meio de luz UV. Charles teorizou que se pudesse empilhar milhares de camadas de plástico, curando com UV para enrijecer o material e mantendo um padrão, poderia replicar praticamente qualquer geometria imaginável, e foi com esse pensamento que começou a prototipar o que veio a ser a SLA-1 e o início da estereolitografia.

Em 1983 foi criada a patente para o ‘método ou aparato para criação de objetos sólidos por “impressão” sucessiva de finas camadas de material curável em exposição à luz ultravioleta no topo uma da outra’. Logo após fundar a 3D Systems, Hull logo percebeu que sua tecnologia não era limitada à líquidos e estendeu a patente para ‘qualquer material capaz de solidificação ou capaz de alterar seu estado físico’. Essa mudança foi a fundação para o que passou a ser conhecido como Manufatura Aditiva – a impressão 3D.
Se quiser se aprofundar mais no histórico da impressão 3D, e entender o porquê da impressão 3D ter voltado à ter holofotes apontados para ela, dê uma olhada em nosso artigo sobre a “Evolução das impressoras 3D”.

O que pode e o que não pode ser feito com uma impressora 3D atualmente?

Apesar da impressão 3D possuir incontáveis aplicações em vasta maioria dos segmentos, e ser muitas vezes a única/melhor escolha nessas aplicações, ela ainda é uma tecnologia, e como tal possui suas limitações, que são testadas e melhoradas com o tempo. Mas então, o que ela pode e o que ela não pode fazer atualmente?

Ela pode…

Recriar designs complexos

A manufatura aditiva permite que se crie complexas geometrias e formas, inclusive recria fielmente modelos que outras formas de fabricação não conseguem, como é o caso no modelo abaixo, onde uma fresa por exemplo não teria como criar a peça de uma só vez.bathsheba-grossman-glass-mobius

Além disso, o custo por complexidade não é escalonado da mesma forma de outros métodos, pois um modelo simples pode consumir o mesmo nível de insumo que outro modelo complexo.

Customizar como nunca antes foi visto

Por lidar com modelos digitais e um número de insumo variável, a impressão 3D pode tomar qualquer forma que possa ser criada em um computador, as tecnologias se adaptam a geometrias complexas de formas diferentes, podendo se dar por suportes sendo acrescentados ao projeto como visto nas tecnologias FFF/FDM e SLA/DLP ou por meio do próprio insumo, como visto em SLS com o pó utilizado na câmara de impressão já atuando como suporte para a peça e sendo retirado para pós-produção.

Você pode entender melhor sobre as possibilidades de customização da impressão 3D no nosso post “Consiga itens personalizados com impressoras 3D”.

Descartar moldes para produção de certas peças

Prototipagem por injeção ou fundição envolve a criação de um molde para as diferentes peças que compõem o modelo final, tais moldes saem a um alto custo de tempo e de dinheiro, e em alguns casos são custos desnecessários. Enquanto a impressão 3D não vai substituir toda a cadeia de produção, ela é muitas vezes a escolha ideal se tratando de produção em escala reduzida para diversas aplicações.

Consumir menos que outros métodos semelhantes de fabricação

Por se tratar de um método aditivo de prototipagem, a impressão 3D só utiliza o material necessário para a peça que está fazendo Em fresagem por exemplo, você sempre necessita de um bloco inicial do material a ser utilizado, perdendo todo o material que não for parte da peça final.

Ela não pode (pelo menos ainda)…

Substituir uma cadeia de produção

Apesar de ser uma ótima solução para escalas reduzidas como citado acima, o tempo que a impressão 3D necessita para criar um objeto (apesar de variar entre tecnologias) é significativamente maior ao que se emprega atualmente nas linhas de produção, tornando inviável a substituição de uma cadeia de produção.

Entregar uma peça final sem necessitar de pós-produção

A necessidade de pós-produção varia muito entre tecnologias, mas na grande maioria das vezes algum passo deve ser seguido pós-impressão para alcançar um resultado ideal. Existem inúmeros métodos para melhorar aparências, simular texturas e materiais ou reforçar as estruturas de uma impressão.

Criar peças com resistência industrial

Apesar dos últimos anos trazerem materiais novos como filamentos compósitos em FDM ou resinas resistentes à impacto/temperaturas em SLA, o fato é de que hoje ainda é difícil uma peça alcançar resistência igual ou semelhante à de uma peça fresada ou fabricada por outro método que não envolve camadas sendo acrescentadas.

Alcançar a precisão de um relógio suíço

Enquanto a maioria das tecnologias em manufatura aditiva trabalham com resoluções entre 100 à 20µm(mícron), equivalente à espessura de uma folha de papel, uma precisão além disso ainda é difícil de se replicar. Peças que dependam de pequenos encaixes e tolerâncias mínimas para seu funcionamento ainda não são realidade comum para as tecnologias englobadas no mercado atual de impressão 3D.

Quer ter uma visão mais ampla desse mercado? confira o post ”4 razões para apostar na venda de produtos impressos em 3D”.

Quem se beneficia com a impressão 3D?

As áreas em que se pode aplicar a impressão 3D parecem ilimitadas, de próteses de baixo custo à robôs químicos que não possuem peças rígidas, da engenharia à até mesmo a gastronomia vemos aplicações possíveis para esse excitante e inovador conjunto de tecnologias.

Toda área que necessita de itens customizados, produção em menor escala e testes funcionais ou estéticos pode evoluir com a aplicação de uma impressora 3D. Além também de quem necessita de uma forma precisa para replicar geometrias complexas.

As Tecnologias de impressão 3D e como funcionam

No início era a estereolitografia, simples e pura, mas logo chegou o FDM e as tecnologias começaram uma longa competição que resultou em melhoria constante do mercado, até então se resumindo à indústrias de grande porte, e viabilizando a explosão de tecnologias, tamanhos e peculiaridades que vemos hoje em dia sendo empregadas, conheça as tecnologias abaixo:

FDM & FFF – Modelagem por fusão e deposição ou Fabricação por fusão de filamento

FDM é a patente de Scott Crump com o nascimento da Stratasys e sua versão de um ‘método ou aparato para criação de objetos sólidos por “impressão” sucessiva’, as diferenças de sua invenção da concepção de Charles Hull é seu insumo: o filamento termoplástico.

Stratasys-Sketch
Esboço conceitual sobre o método FDM de Scott Crump.

O termo FFF, ou fabricação por fusão de filamento, surge entre a comunidade DIY por volta dos anos 2000 e é utilizado para descrever as máquinas do projeto RepRap, além de ter sido adotado por algumas máquinas encontradas no mercado. Antes da queda da patente do FDM, FFF era a única forma de lançar ao mercado uma impressora 3D e não ser processado pela gigante Stratasys.

Como funciona o FDM/FFF

tecnologia-FDM

O processo começa com o filamento, geralmente disposto em um rolo, essa linha de filamento passa por um sistema baseado em motores de passo e é guiado até o bico de impressão. No bico o material é derretido e extrusado em um caminho predeterminado pelo software de fatiamento. Ventoinhas ou o próprio ambiente fazem com que o material esfrie e se solidifique, o que permite que uma nova camada seja criada no topo da última.

Em FDM e FFF termoplástico é extrusado por uma cabeça de extrusão, seus principais materiais são o PLA (Poliácido Lactico) e o ABS (Acrilonitrila Butadieno Estireno), mas possuem variações como filamentos compósitos (que mesclam materiais em quantidades variáveis para alcançar alguma resistência ou estética), como visto em filamentos de madeira com PLA ou que usam metais, ou ainda com materiais diferenciados (HIPS, Nylon, Pet, flexíveis, etc).

SLA & DLP – Estereolitografia ou Processamento por Luz Digital

Como já abordado nesse post, a estereolitografia foi a invenção de Charles “Chuck” Hull, e o início da manufatura aditiva, utiliza resina fotossensível que se enrijece ao ser exposta a raios UV e pode alcançar enorme fidelidade ao modelo 3D, por vezes sendo impossível de serem notadas camadas ao olho nu.

dlp-printer

A tecnologia DLP compartilha várias semelhanças com a estereolitografia, porém ao invés de utilizar um laser para a emissão de luz, é utilizado um projetor que acende e apaga cada pixel de acordo com a camada sendo criada, a resolução do projetor então entra como fator para resultado final das impressões, trazendo maiores ou menores densidades de pixel irá afetar proporcionalmente a resolução dos modelos impressos nessa tecnologia.

Como funciona o SLA/DLP

tecnologia-SLA

Tudo começa com a fonte de luz (em SLA um laser, em DLP um projetor) que transmite UV de forma seletiva por meio de coordenadas criadas em software (em SLA as coordenadas em eixo XY se dão por meio de galvanômetros de dois eixos, em DLP por pixels “acessos ou apagados”) e gera uma reação em contato com a parte inferior do tanque de resina, que solidifica uma camada e então um eixo (Z) levanta levemente e uma nova camada é feita sucessivamente até que se obtenha a geometria especificada.

Em SLA e DLP resina é curada por uma fonte de iluminação seletiva, que define cada camada de acordo com coordenadas fornecidas em um software de fatiamento, seus materiais são uma variedade de Resinas Fotossensíveis com diversas propriedades, de cores diferentes à materiais para fundição, materiais compatíveis com o corpo humano e até mesmo materiais de variáveis resistências tanto mecânicas quanto em temperatura, a impressão 3D em SLA pode ser uma boa escolha para áreas específicas que necessitam de alta resolução e acabamento fino ou que possuem necessidade exclusiva de um dos materiais só encontrados em SLA, áreas como joalheria, medicina e em certos casos engenharia podem aproveitar largamente das possibilidades desta tecnologia.

SLS – Sinterização Seletiva a Laser

A Sinterização Seletiva a Laser, ou SLS, foi desenvolvida pelos Doutores Carl Deckard e Joe Beaman em meados dos anos 80. A empresa criada pela dupla, a DTM, foi grande competidora no início da vida da 3D Systems de Charles Hull, travando uma competição que durou anos e acabou com a DTM sendo adquirida pela rival em 2001.

SLS-impressao

Com seu modelo de impressão por fusão em um “bloco” de pó, essa tecnologia é capaz de criar não só modelos adjacentes nos eixos X e Y, mas pode também criar diversos itens acima da base no eixo Z. Isso porque o próprio insumo, o pó geralmente metálico, serve de base para as camadas acima dele, criando um volume de impressão mais otimizado.

Como funciona o SLS

tecnologia-SLS

A Sinterização Seletiva a Laser utiliza um laser para derreter e solidificar camadas de material em pó, enrijecendo e dando forma à geometria desejada. Se trata de um processo largamente empregado em nível industrial, e hoje em dia ainda é um dos mais custosos.

Essas impressoras empregam duas plataformas dispostas em câmaras, essas plataformas são chamadas de pistões. O processo se inicia com uma das mesas em sua posição mais baixa e a outra em sua posição mais alta, a de posição mais alta é onde o objeto é criado.

Para a criação do objeto, uma camada de pó é derretido de forma seletiva, em um processo chamado sinterização. Quando a camada é solidificada, a mesa desta é abaixada, e a outra mesa que carrega o pó se levanta e um rolo lança uma segunda camada à ser sinterizada.

Em SLS pó é derretido por laser, ou sinterizado, de forma pré-determinada em computador, seu insumo é constituído por uma variedade de pós com propriedades, geralmente metálicos, que por meio da sinterização se agrupam e formam um produto final.

Jateamento Material (Tecnologias PolyJet e MultiJet)

Semelhante em funcionamento à impressoras convencionais “jato de tinta”, as tecnologias Polyjet (Stratasys) e Multijet (3DSystems) marcam a concorrência de décadas das duas gigantes industriais. Ao invés de utilizar tinta em papel, essas impressoras jateiam fotopolímero em estado líquido em uma mesa de impressão enquanto curam as camadas com luz UV instantaneamente.

polyjet-exemplo

As diversas cabeças de impressão dessas impressoras permitem que sejam recriadas cores, texturas e geometrias com precisão incrível. O preço de insumo e as fabricantes disponíveis tornam este tipo de tecnologia restrito para grandes indústrias com alto investimento em tecnologia.

Como funciona o Jateamento Material

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O processo se inicia com a impressora jateando o material líquido na mesa de impressão. Acompanhados de uma forte luz UV, o líquido é enrijecido, tornado o modelo totalmente sólido. O processo se repete camada a camada, jateando material de suporte gelatinoso em áreas necessárias para que se alcance um resultado final fiel ao modelo desejado.

Em Jateamento Material objetos são criados através do jateamento de fotopolímeros. Esses fotopolímeros dão a cor, textura e propriedades do modelo final.

Impressão por Aglutinação

Em um processo muito semelhante à SLS pela utilização de pó, a tecnologia de impressão 3D por aglutinação difere no sentido que une seu insumo não por sinterização, mas sim pela utilização de um agente aglutinante que é extrusado (semelhante a impressoras jato de tinta) e agrupa o pó, o enrijecendo.

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Essa tecnologia se prova uma boa substituta para SLS em alguns casos, por seu preço inferior e capacidade de peças totalmente coloridas, a única coisa que a torna inferior ao método de sinterização está em sua baixa resistência.

Como funciona a Impressão por Aglutinação

tecnologia-aglutinaçãoO processo que lembra muito o já visto em SLS, começa com bicos que distribuem o agente aglutinante sob a primeira camada, unindo o pó. Assim que a camada é solidificada de acordo com seu projeto, a mesa desce e prepara uma segunda camada de pó à ser “colado” acima. Isso ocorre até que a peça final esteja pronta para ser retirada da câmara de impressão.

Assim que retirada da impressora, a peça impressa passa por uma limpeza do excesso de material e é revestida com cola adesiva que mantém a superfície da peça unida, mais resistente à forças e a descoloramento.

Impressão 3D de Metal – Derretimento Seletivo à Laser ou Derretimento por Feixe de Elétrons

Impressão por SLM & EBM (Derretimento Seletivo a Laser e Derretimento por feixe de elétrons, respectivamente) são duas das tecnologias mais comuns em impressão 3D de metais, apesar de não serem as únicas. Com um funcionamento que lembra muito o SLS, esses processos são capazes de traduzir um modelo digital em um objeto sólido, mas em metal.

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O processo SLM é realizado em um ambiente de baixo oxigênio, enquanto EBM é realizado em vácuo, isso reduz stress térmico e diminui as ocorrências de warping.

Como funciona a Impressão 3D de Metal

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Assim como no SLS, esses processos utilizam finas camadas de material em pó e utilizam de fontes de calor para “sinterizar” o metal. Devido ao ponto de fusão alto de metais, é necessária uma solução de alta potência, que vem na forma de um laser de alta concentração em SLM ou um feixe de Elétrons em EBM.

As tecnologias são utilizadas exclusivamente em indústrias, consideradas por muitos a aplicação de maior impacto por serem incorporadas diretamente onde uma peça de manufatura tradicional antigamente era empregada, peças em SLM ou EBM possuem não só composição química semelhante às peças anteriormente empregadas, como também possuem suas propriedades mecânicas e microestrutura.

A Impressão de Metal ocorre pela sinterização de pó metálico por meio de Laser (SLM) ou Feixe de Elétrons (EBM). O insumo para essas tecnologias inclui diversos metais e ligas metálicas que englobam aço, titânio, alumínio, cobalto-cromo e níquel.

Independente da tecnologia utilizada, a impressão 3D tem a capacidade de modificar totalmente a forma como produzimos, compramos e consumimos produtos, além de trazer um workflow de desenvolvimento mais rápido e assertivo. Com a capacidade de gerar qualquer geometria por meio de fabricação digital, as invenções de Chuck Hull, Scott Crump e outros demais profissionais mudaram a manufatura para sempre.

Espero que esse post tenha ilustrado bem os conceitos principais e mais aprofundados da impressão 3D, se ficou com alguma dúvida, o e-mail comunicacao@wishbox.net.br pode servir de canal aberto para dúvidas. Aguardo seu contato!

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