IMPRESSORAS 3D: COMO FUNCIONAM

O que antes era exclusividade, agora pode estar presente nas empresas, nas escolas e até na sua casa. As impressoras 3D vieram para ficar e aqui você ficará sabendo tudo sobre elas, sem encheção de linguiça.

Impressora 3D

COMO FUNCIONA

Tudo começa com a criação de um modelo 3D em seu computador. Você pode criar o modelo do zero através do softwares como o Autocad, Blender, Maya, Sketchup etc, ou também usar um scanner 3D para copiar um objeto real e transferir para esses programas.

Feito isso, você deve preparar o modelo para ser impresso através de programa(s) da prórpia fabricante da impressora.


Há não muito tempo, os programas de impressão 3D consistiam de muitas partes, incluindo uma para controlar o movimento da extrusora, outra para otimizar o arquivo, outro programa para preparar as camadas na resolução correta. Esses componentes se derivaram do método open-source RepRap, onde a partir de uma impressora 3D de baixo custo você poderia imprimir outra impressora 3D (obviamente, apenas as partes plásticas dela), o que popularizou esses equipamentos. Hoje em dia as impressoras 3D vêm com programas em um disco ou tem esses softwares disponíveis por download. São compatíveis com Windows e, muitas vezes, com macOS e Linux.

K-Studio
O K-Studio gera automaticamente os suportes para o modelo 3D a ser impresso

Com o modelo 3D pronto no computador, e preparado para ser reconhecido pela impressora, basta imprimir. E é agora que vem a parte interessante.

Existem vários processos de impressão em 3D. Mas todos eles se baseiam em uma das duas formas: fundição de um filamento plástico ou cura de resina líquida através de laser (ou similar). Em 2010, a American Society for Testing and Materials (ASTM) desenvolveu um conjunto de normas para classificar esses processos em 7 categorias, que são:

1. Fotopolimerização em cuba
1.1 Estereolitografia (SLA)
1.2 Processamento de Luz Digital (DLP)
1.3 Produção Contínua de Interface Líquida (CLIP)
2. Jateamento de material
3. Jateamento aglutinante
4. Extrusão de material
4.1 Fabricação por Filamentos Fundidos (FFF)
4.2 Desenho de contorno
5. Fusão em cama de pó
5.1 Sinterização seletiva a laser (SLS)
5.2 Sinterização direta de metal a laser (DMLS)
6. Laminação de folhas
7. Deposição de energia direcionada


Veremos todos esses processos a seguir.


1. Fotopolimerização em cuba

Nessa categoria de impressoras existe uma cuba com uma resina líquida (fotopolímero) abaixo do cabeçote da máquina, que por sua vez é equipado com uma fonte de luz UV. Essa fonte de luz realizar a cura em determinados pontos do líquido, endurecendo-os e formando a peça.

Fotopolimerização em cuba
Esquema de funcionamento da fotopolimerização em cuba

1.1 Estereolitografia

Também conhecida como SLA ou SL é uma técnica que vem sendo usada desde 1990, onde ao invés de uma matriz liberando o plástico fundido você tem um feixe de laser UV, que ao entrar em contato com uma resina líquida fotossensível colocada num recipiente abaixo do cabeçote da impressora, causa sua cura (endurecimento) formando as paredes da peça. Caso a peça tenha tendência a tombar durante a impressão, o software cria suportes para mantê-la, que depois devem ser retirados manualmente da peça.

A vantagem da estereolitografia é a alta resolução de impressão, porém, possui uma limitação de cores disponíveis: transparente, branca, preta ou dourada.

Essa técnica foi inventada em 1986 por Charles Hull, que também fundou nessa época a companhia 3D Systems.

1.2 Processamento de Luz Digital (DLP)

Em inglês, Digital Light Processing, se refere ao método de impressão que faz uso de luz e polímeros fotosensíveis, e se diferencia da estereolitografia por utilizar fontes mais tradicionais, como as lâmpadas de arco voltaico.

Da mesma forma que a estereolitografia, as impressoras DLP produzem as peças solidificando camada por camada dentro da cuba com resina líquida.

1.3 Produção Contínua de Interface Líquida (CLIP)

Uma outra tecnologia que usa a fotopolimerização em cuba é a nova e ultra rápida Continuous Liquid Interface Production ou CLIP. Já havíamos publicado uma notícia sobre esse método aqui.



2. Jateamento de material

Nesse processo, o material é liberado em gotículas através de um bico de diâmetro minúsculo, de forma muito parecida com a de uma impressora a tinta convencional, porém adicionando camada por camada em uma plataforma para produzir a peça e então aplicando a luz UV para tornar o plástico rígido.

Jateamento de material
Esquema do processo de jateamento de material


3. Jateamento aglutinante

No jateamento aglutinante dois materiais são usados: o material base em pó e um aglutinante líquido. O pó é espalhado em uma camada uniforme na câmara de construção por um nivelador, e o aglutinante é aplicado através de bicos injetores que "colam" as partículas do pó para que este tome a forma da peça desejada naquela camada. Então o processo se resume nessa alternancia de um nivelador espalhando pó e o bico injetor aplicando aglutinante em seguida. Ao final da impressão temos uma peça mergulhada no pó de material base. Esse pó que não foi aglutinado pode ser removido com um pincel ou aspirador e reutilizado na próxima impressão.

Essa tecnologia foi desenvolvida no Instituto de Tecnologia de Massachussets em 1993, e em 1995 a Z Corporation obteve uma licença exclusiva.

Jateamento aglutinante
Esquema do processo de jateamento aglutinante


4. Extrusão de material

4.1 Fabricação por Filamentos Fundidos (FFF)

Também conhecida por técnica de Modelagem por Deposição Fundida (Fused Deposition Modeling - FDM) a técnica de Fabricação por Filamentos Fundidos (FFF) é a mais conhecida e utilizada atualmente, e consiste da fundição constante de um fio de plástico sobre uma superfície, desenhando a peça camada por camada. Esse fio, que é comercializado em carretéis, entra no cabeçote da impressora, que nada mais é que uma pequena extrusora, onde é fundido.

O filamento é vendido em 2 diâmetros, 1,85mm e 3mm, sendo que a maioria dos modelos de impressora utilizam o menor. Alguns modelos aceitam carretéis genéricos enquanto outros usam carretéis ou cartuchos proprietários.

Os materiais mais utilizados para a produção de filamentos são o ABS (acrionitrila-butadieno-estireno), que é amplamente usado na indústria e está presente em vários eletroeletrônicos que você tem em casa, mesmo que não tenham sido produzidos por uma impressora; e o PLA (ácido poliláctico), que é um material que funde numa temperatura menor, tem mais brilho, e não necessita de uma plataforma de impressão aquecida. Em contrapartida, o PLA deixa a peça mais frágil.

Existem ainda outros plásticos e compostos utilizados, como o poliestireno de alto impacto (PSAI), compostos de madeira, bronze e cobre, poliamidas (nylon), poliéster, PVA, PET, policarbonato, ABS/PC e outros. Cada um com seu ponto de fusão e suas particularidades de uso, o que limita os modelos de impressora que podem processá-los.

Processo FFF (ou FDM)
Esquema do processo FFF (ou FDM)

4.2 Desenho de contorno

Quando se fala na construção de casas e estruturas parecidas usando impressoras 3D com certeza essa é a técnica mais indicada. Nela o bico da impressora faz inicialmente o contorno da peça e, se necessário, cria um reforço em zig zag. Apesar de não ser o nosso foco já que essa impressora trabalha principalmente com concreto, o seu uso em escalas menores, utilizando plástico, não está descartado.

Veja como funciona o processo nesse vídeo:


5. Fusão em cama de pó

O método mais usado com essa tecnologia é a de Sinterização Seletiva a Laser.

5.1 Sinterização Seletiva a Laser (Selective Laser Sintering - SLS)

O método SLS usa um laser de alta potência para fundir pó de plástico, cerâmica ou vidro em uma massa que possui a forma desejada da peça. A superfície com o pó é escaneada para que o laser saiba onde fundir. Após a fundição da primeira camada, uma nova camada de pó é depositada na plataforma e o processo de repete até que a peça seja concluída.

O processo é muito parecido com o de jateamento aglutinante, com a diferença que ao invés de um cabeçote lançando aglultinador líquido temos um laser.

Sinterização Seletiva a Laser
Esquema do processo de Sinterização Seletiva a Laser

5.2 Sinterização Direta de Metal a Laser (Direct Metal Laser Sintering - DMLS)

O DMLS é praticamente a mesma coisa que o SLS, a única diferença é que nesse método se usa metal.


6. Laminação de folhas

Nesse método, folhas de metal, papel ou plástico são unidas umas sobre as outras. As folhas de metal são soldadas umas às outras em camadas com solda ultrassônica, depois disso são usinadas no formato desejado. Impressoras desse tipo que trabalham com papel fazem a união das camadas com cola e a "usinagem" com lâminas.

Laminação de folhas metálicas
Esquema do processo de laminação de folhas metálicas

Veja esse processo em funcionamento com folhas metálicas:

A vantagem desse tipo de impressora é a possibilidade de se produzir peças coloridas, sobretudo com papel. Uma empresa atuante nessa área é a Mcor. Veja o vídeo abaixo para entender como funciona:


7. Deposição de energia direcionada

Aplicado em metais, esse processo é mais utilizado em indústrias de alta tecnologia e de fabricação rápida. O equipamento consiste de um braço robótico multi-axial e de um bico que deposita o pó metálico, ou filamento, em uma superfície para que seja fundido através de uma fonte de energia que pode ser laser, feixe de elétrons, plasma etc, para formar o objeto sólido.

Disposição de energia direcionada
Esquema do processo de deposição de energia direcionada


OUTROS DETALHES QUE FAZEM TODA DIFERENÇA NUMA IMPRESSORA 3D

Como é mensurada a resolução de uma impressora 3D?

A unidade de medida usada para determinar a resolução é o micrômetro (erroneamente conhecida como “micron”), onde a altura da camada impressa representa a resolução (20 micrômetros, 50 micrômetros etc). Portanto, quanto menor o número maior a resolução, já que quanto mais fina a camada menos “pixelada” fica a peça acabada.

Apenas para que você tenha uma noção de resolução-qualidade, praticamente todas as impressoras 3D comercializadas atualmente podem produzir com uma resolução de 200 micrômetros, o suficiente para se produzir peças de qualidade razoável. Considera-se uma boa impressão aquela que atinge os 100 micrômetros, enquanto uma de alta qualidade chega a 20 micrômetros.


Impressão em múltiplas cores

A impressão em cores ainda é uma dificuldade para as impressoras mais acessíveis. Algumas impressoras possuem duas ou mais extrusoras (geralmente só duas) onde cada uma pode ser carregada com filamento de uma cor. O inconveniente é que deve existir um arquivo (que será usado no software de impressão) para cada cor, então as partes de cores diferentes são encaixadas como se fossem um quebra-cabeças.

A plataforma de impressão

Outra coisa importante de se analisar antes de comprar uma impressora é a plataforma onde a peça será impressa. Uma boa plataforma vai permitir aderência do material fundido durante a impressão, mas vai permitir que a peça seja removida facilmente após o processo. Geralmente a plataforma é aquecida, então a peça se solta facilmente depois da impressão, além de prevenir que a parte de baixo dobre, o que é um problema comum especialmente quando o filamento é de ABS.

Em algumas impressoras você deve aplicar cola na plataforma para que a peça consiga aderir. Isso funciona, mas às vezes você precisa colocar a plataforma e a peça em água quente para conseguir separá-las. Um outro tipo utiliza uma plataforma com diversos furos pequenos, que são preenchidos com o plástico durante a impressão travando a peça no lugar. O problema com esse método é que pode ser bem complicado remover a peça depois, te obrigando a forçar com os dedos ou usar palitos ou coisa parecida por baixo dos furos, o que consome tempo e ainda pode danificar a plataforma.

Outro detalhe importante é a calibração da impressora, que se baseia principalmente na altura da plataforma e da extrusora. Algumas impressoras possuem uma rotina de calibração onde elas verificam se diferentes pontos da plataforma estão na mesma altura, enquanto outras exigem que isso seja feito manualmente. É necessário também existir uma distância adequada entre a matriz da extrusora e a plataforma, algo em torno da espessura de uma folha de papel.

Quando é necessária uma impressora com estrutura fechada?

Uma impressora com estrutura fechada, onde existem janelas de vidro ou policarbonato e paredes por todos os lados, pode não só proporcionar segurança e impedir que alguém toque a extrusora quente, como também reduzir o ruído da impressão e o odor do plástico aquecido.

Formas de conexão com a impressora

A maioria das impressoras 3D se comunicam com um computador através de um cabo USB. Algumas possuem sua própria memória interna, o que é uma vantagem já que a impressora pode continuar seu trabalho mesmo com o cabo desconectado ou com o computador desligado. Existem também impressoras com conectividade Wi-Fi e Ethernet.

Muitas impressoras têm slots para cartões SD e portas USB, o que permite a impressão sem a necessidade de um computador.

Bibliografia:
HARPER, Charles A.; PETRIE, Edward M. Plastics Materials and Process: A Concise Encyclopedia. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc., 2003.
Tony Hoffmanm, The Best 3D Printers of 2018. Disponível em: https://www.pcmag.com/article2/0,2817,2470038,00.asp. Acesso em 4 de fevereiro de 2018.
Materialise, Stereolithography. Disponível em: http://www.materialise.com/en/manufacturing/3d-printing-technology/stereolithography. Acesso em 4 de fevereiro de 2018.
Cliever, Como funciona uma impressora 3D SLA. Disponível em: https://www.cliever.com/pt-br/blog/post/15/como-funciona-uma-impressora-3d-sla-estereolitografia-. Acesso em 4 de fevereiro de 2018
3DPrinting.com, The best 3D printers for beginners. Disponível em: https://3dprinting.com/what-is-3d-printing/. Acesso em 5 de fevereiro de 2018.
Artigo revisado em 13/08/2018
Sobre o autor: Daniel Tietz Roda é Tecnólogo em Produção de Plásticos formado pela FATEC/ZL e Técnico em Projetos de Mecânica pela ETEC Aprígio Gonzaga. Trabalhou na área de assistência técnica e desenvolvimento de plásticos de 2008 até 2013 e atualmente é proprietário do Tudo sobre Plásticos.
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