Impressão 3D – Como funciona?

Publicado por Materiais Júnior em julho 17, 2018julho 17, 2018

A Impressão 3D é uma tecnologia inovadora, que permite criar um objeto físico a partir de um modelo digital. A tecnologia foi desenvolvida na década de 80 sob o nome de “prototipagem rápida”. Esse nome veio por conta do objetivo da tecnologia: protótipos mais rápidos e mais baratos. 

Já nos primeiros resultados, a impressora 3D mostrou duas características bem marcantes: flexibilidade e rapidez. Essas vantagens da tecnologia permeiam até os dias de hoje. 

A primeira impressora nesse modelo foi criada por um norte americano chamado Chuck Hull e tinha basicamente duas funções: fazer lâmpadas para solidificação de resinas e confeccionar plásticos rígidos rapidamente.

Chuck Hull, criador da Impressão 3D

A tecnologia baseia-se no conceito de camadas, transformando um desenho 3D digital em diversas fatias, estas que serão impressas uma a uma pela impressora.

Ela faz parte de todo um processo de fabricação conhecido como Manufatura Aditiva.

Quais materiais podem ser impressos?

A impressão 3D pode ser feita tanto com materiais metálicos, poliméricos e até em cerâmicos.

Impressão 3D de materiais metálicos

Para a maioria das técnicas de impressão 3D usadas para os materiais metálicos, a matéria-prima se encontra na forma de um pó ou de um arame.

Uma fonte de energia é exigida para aquecer e/ou fundir a matéria-prima, a qual consiste normalmente em um feixe de laser ou de elétrons. O processamento com feixe de elétrons ocorre em alto vácuo.

Objetos de Metal na Impressora 3D

Impressão 3D de polímeros

Muitos materiais poliméricos podem ser fabricados em formas úteis usando técnicas de impressão 3D (manufatura aditiva). Em geral, os polímeros são mais suscetíveis a impressão 3D que os metais e as cerâmicas, uma vez que os polímeros:

• possuem temperaturas de fusão/amolecimento relativamente baixas;
• são relativamente flexíveis e dúcteis;
• podem ser fotossensíveis (isto é, polimerizam quando expostos a uma fonte de luz, com frequência radiação ultravioleta).

Várias novas técnicas de impressão 3D são usadas para os materiais poliméricos. As quatro mais comuns são:

• modelagem por deposição de material fundido;
• estereolitografia; 
• impressão polyjet; 
• produção contínua em interface líquida.

Objeto de polímero feito na Impressão 3D

Impressão 3D de materiais cerâmicos

A impressão 3D (ou manufatura aditiva) é usada para fabricar peças cerâmicas que estão virtualmente isentas de trincas e de porosidade e que têm propriedades comparáveis àquelas de peças fabricadas usando as técnicas convencionais.

No entanto, em razão de suas condutividades elétrica e térmica relativamente pobres, algumas das técnicas de impressão usadas para os metais são impraticáveis para as cerâmicas. Por exemplo, não podem ser usados feixes de elétrons como fontes de calor, pois as cerâmicas são isolantes elétricos.

Além disso, a fusão direta com feixe de laser é difícil, pois tipicamente as cerâmicas possuem temperaturas de fusão elevadas; ainda, para a maioria dos materiais cerâmicos, existe uma possibilidade de formação de trincas devido à geração de tensões térmicas. Adicionalmente, o número de materiais cerâmicos disponíveis para impressão 3D é limitado.

Para virtualmente todas as técnicas de impressão 3D de materiais cerâmicos, a alimentação de matéria-prima é na forma de um pó que, em alguns casos, pode estar incorporado no interior de uma suspensão líquida.

Foi desenvolvida uma variedade de processos de impressão 3D para os materiais cerâmicos, sendo os mais comuns:

• impressão cerâmica a jato;
• estereolitografia;
• cerâmica derivada de polímero;
• extrusão de argila 3D.

Impressora de objetos cerâmicos.

Quais os benefícios de imprimir em 3D

Essa tecnologia que é um dos pilares da indústria 4.0 apresenta vários benefícios para a produção em larga escala dentre eles:

• Combate ao desperdício: As impressoras 3d usam apenas a quantidade necessária de material para produzir o produto desejado. Além disso, a chance de erros na produção é muito pequena, diminuindo não só a quantidade de matéria prima necessária, mas também a mão de obra empregada, podendo transferir o material humano da empresa para outras áreas mais estratégicas. 
• Possibilidade de inovação: Por ser uma tecnologia com um grande campo de atuação e inovação, ela abre espaço para criação de diversos produtos e customização de vários existentes, pois é possível alterar cada parte sem perder a qualidade.

Limitações

A principal limitação da Impressão 3D é o custo para produção em larga escala, já que as impressoras imprimem uma quantidade limitada, e para que a quantidade que uma extrusora produz, por exemplo, seja compensada, seriam necessárias muitas impressoras, o que elevaria muito o custo no curto prazo.

Principais aplicações

As aplicações da impressão 3D tornam-se cada vez mais amplas, contribuindo para diversos mercados, como o aeronáutico, automobilístico, arquitetônico, medicinal…

Impressão 3D de um coração para aplicações médicas.

• Prototipagem: A construção de protótipos tem sido uma das atividades mais frequentemente utilizadas pelas indústrias quando o assunto é impressão 3D. Os modelos fabricados pelo método tradicional levam mais tempo e são mais caros. A impressão 3D veio para oferecer uma alternativa a esse processo e principalmente: reduzir custos, já que os erros de produção posteriores são minimizados quando se produz um modelo semelhante e com as propriedades desejadas.  Empresas de diversas áreas de atuação têm usado esse método, resultando em modelos mais baratos e pondo fim ao desperdício de matéria-prima.
• Desenvolvimento de Produtos: A impressão 3D chegou para atender às necessidades da indústria moderna oferecendo agilidade e eficiência na produção de bens de consumo para diversos setores da economia. Joias, próteses, objetos decorativos e brinquedos. Muitos produtos puderam ser impressos diretamente sem a necessidade do maquinário industrial.

Pré-requisitos para fazer uma boa impressão 3D

• Peça 3D bem modelada: É muito importante que a peça seja bem modelada em softwares de qualidade que siga as especificações da impressora 3D. Alguns famosos são o SolidWorks e o 3D Builders. Os arquivos devem ser salvos em stl, que é o arquivo padrão para impressão 3D.
• Conhecer o material e suas propriedades: É de extrema importância que o material utilizado na impressão seja de qualidade e que seja escolhido de acordo com a necessidade do produto. Observando as propriedades buscadas para que o resultado saia como esperado.
• Usar um bom software de impressão: O software de impressão é muito importante para a produção de uma boa peça. Os softwares de impressão ou softwares de fatiamento ajustam os parâmetros de impressão, segmentando a peça em camadas e escolhendo a melhor configuração dos parâmetros que alteram a peça impressa.

Quais parâmetros afetam o processamento?

O processamento pode ser afetado por 5 variáveis principais: temperatura; velocidade; espessura da camada; padrões de preenchimento e estrutura de suporte.

• Temperatura: A temperatura nos processos de impressão 3D é amplamente determinada pelas temperaturas intrínsecas de processamento do material – mais especificamente, sua temperatura de fusão, temperatura de transição vítrea para plásticos amorfos ou temperatura de cura para termofixos. O material deve escoar em qualquer um dos casos, seja a matéria prima em forma de pó sob ação do feixe de calor, ou quando a matéria prima sai do próprio “bico” da impressora.
• Velocidade: Determina o quão preciso será o processo, tanto em precisão dimensional quanto em qualidade final da peça. De maneira lógica, o quão mais rápido uma camada for depositada sobre a outra, menos tempo de acomodação do material impresso terá. Processos mais rápidos são mais produtivos em quantidade de peças, mas nem sempre permitem um produto final de qualidade.
• Espessura da camada: A espessura da camada está diretamente relacionada com a resolução da peça impressa e com o tempo necessário para impressão. Quanto menor a espessura, maior a resolução e menos evidente ficam as camadas no produto final (melhora o aspecto visual), mas, maior será o tempo de impressão.
• Padrões de preenchimento: O ângulo entre os filamentos de cada camada pode variar para diminuir a anisotropia e aumentar a resistência mecânica do material. Geralmente usa-se camadas com ângulos (45°/-45°). O preenchimento da peça pode ser feito com vários padrões diferentes, de acordo com as propriedades que se deseja obter (cubos, linha reta, triangular, favos…).

Interior de um objeto na estrutura hexagonal

• Estrutura de Suporte: Tem como objetivo sustentar partes da peça impressa que estão desconexas. Normalmente é necessário quando o ângulo de inclinação da parede do objeto seja maior que 45º.

Diferentes maneiras de executar uma impressão 3D

Os tipos de Impressão 3D são inúmeros e crescentes a cada dia com os avanços da tecnologia, mas os mais utilizados e mais conhecidos hoje em dia são:

• FDM: Método mais comum, consiste em um extrusor que libera camadas subsequentes de um material plástico aquecido. O material é aquecido acima da temperatura de fusão e se funde à camada anterior durante o resfriamento. Os materiais utilizados nesse processo são os termoplásticos, como o ABS, PLA e o PETG, apesar de existir filamentos até mesmo com propriedades flexíveis ou condutoras de eletricidade. Mesmo possuindo uma certa limitação no detalhamento, é excelente para o desenvolvimento de protótipos funcionais.
• SLA (Estereolitografia): Este processo pode ser classificado como mais completo que o anterior, consistindo na utilização de um laser de alta precisão para endurecer uma resina sensível à luz. Normalmente, este processo requer um acabamento posterior.
• DLP: A sigla em inglês refere-se a “impressão direta por luz”. Muito semelhante ao SLA, o DLP difere-se por utilizar uma fonte de luz diferente do laser para enrijecer o material selecionado.
• Síntese à laser: As impressoras desse tipo, usam uma cabeça de impressão à laser, que enrijecem um material de impressão em pó, numa câmera vedada. Um ponto importante e limitante desse processo é a necessidade da câmara de impressão ser vedada, já que uma temperatura alta deve ser constante durante todo o processo. Os materiais empregados por essa tecnologia podem ser tanto polímeros, metais ou cerâmicas.

Futuro da impressão 3D

Essa inovadora forma de produção tende a crescer cada vez mais, ganhando espaço não só nas indústrias, mas também dentro das casas, com o crescimento de movimentos “Faça você mesmo“ e popularização de impressoras FDM de baixo custo, hoje encontram-se impressoras 3D por cerca de 2 mil reais no mercado, que podem ser comercializadas e fazer tornar o processo cada vez mais popular.