O fabrico aditivo e a Impressão 3D - cenfim.pt · um modelo tridimensional de desenho assistido...
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tecnologia de fabrico aditivo, as chamadas impressoras A 3D, consiste num conjunto de tecnologias destinadas ao
fabrico de objetos tridimensionais por sobreposição de material
camada a camada, em oposição aos modelos subtrativos. Os
objetos podem ter qualquer forma ou geometria e são produzidos
a partir de um modelo digital.
A tecnologia de impressão 3D surgiu nos anos 1980 como um
processo de prototipagem rápida. Este processo, como o nome
indica, consiste na criação rápida de um protótipo físico do
produto final, a partir de um modelo digital. A impressão permite
acelerar os processos de desenvolvimento de novos produtos,
reduzindo os custos associados a erros de conceção e
investimentos em moldes.
No entanto, com a evolução do setor, a tecnologia de impressão
3D permite nos dias de hoje obter peças muito próximas do
produto final, em vez de meros protótipos. Perante este avanço,
a associação da impressão 3D apenas a um processo de
prototipagem rápida tornou-se obsoleta. Este facto levou a que
no seio da comunidade científica a denominada prototipagem
rápida passasse a ser formalmente designada como fabrico
aditivo (FA).
O processo de fabrico aditivo começa, necessariamente, com
um modelo tridimensional de desenho assistido por computador
(CAD 3D). Este modelo pode ser desenhado num software
comercial disponível para o efeito, ou obtido através de scanners
tridimensionais. Existem neste momento bibliotecas de produtos
onde utilizadores podem descarregar modelos geométricos
preparados para a impressão. Em seguida, o modelo de CAD 3D
é “laminado” digitalmente em secções bidimensionais com uma
determinada espessura. A espessura destas camadas
determinará a resolução do produto final - quanto mais fina a
camada, maior será a precisão. O produto final é então
impresso, camada a camada, de acordo com a informação
fornecida pelo modelo digital.
Outro dos avanços verificados na tecnologia de impressão 3D
consiste no alargamento do leque de materiais com que é
possível fabricar produtos. Inicialmente desenvolvida para
polímeros, ceras e laminados à base de papel, esta tecnologia já
permite também o fabrico de peças a partir de materiais
metálicos, cerâmicos e até compósitos com fibra de vidro ou
fibra de carbono.
Diferentes materiais requerem, no entanto, diferentes
equipamentos de impressão. Atualmente, existem sete “famílias”
de fabrico aditivo: VAT photopolimerization, Powder Bed Fusion,
Binder Jetting, Material Jetting, Sheet Lamination, Material Extrusion
e Directed Energy Deposition. Existem também processos de
fabrico híbridos que englobam fabrico aditivo e subtrativo
(maquinagem) num único aparelho, sendo esta uma tendência
muito forte atualmente. A seleção de materiais está, desta
forma, associada ao processo de fabrico escolhido, à forma que
se pretende obter, ao custo associado e à função da peça.
Apesar da diversidade de tipos de fabrico aditivo, o método
dominante - e mais vulgarmente associado a impressão 3D - é a
extrusão de material. Este método de fabrico pressupõe um
material na forma pastosa a que é aplicado um diferencial de
pressão, de modo a que flua através de um bocal, idealmente, a
velocidade constante. À saída do bocal, o material deve estar
num estado semi-sólido, isto é, suficientemente maleável para
permitir a impressão e para aderir ao material adjacente já
impresso, e suficientemente rígido para manter a forma. O modo
mais comum de alterar o estado do material é através de uma
fonte de calor, embora também se possa recorrer a uma reação
química, nomeadamente um solvente ou agente de cura.
Por sua vez, dentro da família da extrusão de material, a
tecnologia mais utilizada é a modelação por deposição fundida,
ou FDM (do inglês Fused Deposition Modeling). Os sistemas FDM
recorrem a uma fonte de calor para liquefazer o material,
tipicamente um filamento de material polimérico, embora hajam
também sistemas que utilizam pó ou pellets. O polímero é expelido
por um bocal na cabeça de impressão, que se movimenta
bidimensionalmente segundo os eixos das abcissas e ordenadas,
de modo a formar uma secção transversal da peça pretendida.
Terminada a secção, a cabeça de impressão eleva-se segundo o
eixo das cotas, de modo a imprimir a camada seguinte. Certos
aparelhos poderão ter, no entanto, cabeças de impressão que
não se movimentam verticalmente, sendo a base onde assenta a
peça que se desloca.
A maior vantagem da tecnologia FDM assenta nas propriedades
mecânicas das peças produzidas, assim como na sua forma e no
seu custo para pequenas séries. A principal desvantagem reside
na velocidade de fabrico, que é consideravelmente inferior à
apresentada por outros tipos de sistemas de impressão 3D ou
sistemas de fabrico convencionais.
O material mais comum no fabrico por FDM é o ABS (acrilonitrilo-
butadieno-estireno) e derivados, nomeadamente ABSi, ABSplus
e ABS/PC - uma mistura de ABS e policarbonato (PC). Outro
material muito utilizado é o PLA (ácido poliláctico). No entanto,
outros polímeros poderão ser utilizados, consoante
necessidades específicas dos componentes a produzir como, por
exemplo, resistência mecânica, propriedades térmicas,
toxicidade ou flexibilidade.
A versatilidade destes sistemas, quer pela diversidade de
materiais com que é possível produzir peças, quer pela
simplificação do processo de fabrico de peças com geometrias
complexas, significa que podem ser utilizados nas mais diversas
áreas. A Figura 1 apresenta um modelo construído por FDM
para apoio laboratorial, neste caso a simulação de operações
cirúrgicas por meio de robots.
Figura 1 - Impressão de peças com geometria complexa sem
recurso a moldes de injeção
O fabrico aditivo e a Impressão 3DO fabrico aditivo e a Impressão 3D
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Figura 2 - Impressão de molde em ABS utilizando uma impressora FDM. Molde utilizado para processo de RTM
Uma das aplicações onde a impressão 3D se destaca é o fabrico
de estruturas celulares (ver Figura 2). Este tipo de estruturas é
de execução particularmente difícil através de métodos de
fabrico subtrativos convencionais, uma vez que se caracterizam
por uma distribuição de material não uniforme ao longo da peça.
Isto é, o material só é aplicado onde é necessário. Se uma
determinada zona de um corpo estiver sujeita a um carrega-
mento, seja ele mecânico, térmico ou de outro tipo, terá mais
material que uma zona que não esteja sujeita a carregamento -
determinadas zonas poderão não ter material de todo. Isto
permite obter peças mais eficientes, que apresentam uma
melhor resistência a carregamentos, com menor peso e menor
impacto ambiental.
Uma vertente muito forte da chamada Indústria 4.0 é o
desenvolvimento de equipamentos que conseguem produzir
componentes de forma mais rápida, flexível e com maior
precisão. Menos protótipos, moldes, ferramentas e pós-
processamento. Pretende-se no futuro transformar modelos
digitais em componentes e produtos de forma muito rápida. O
facto de toda a tecnologia de fabrico aditivo ter evoluído a par do
desenvolvimento dos computadores permitiu que todos os
equipamentos fossem concebidos para a fabricação digital e
facilmente inseridos nos sistemas Figura 1 Impressão de peças
com geometria complexa sem recurso a moldes de injeçãociber-
físicos existentes na Indústria 4.0.
Pedro Pombinha e Marco Leite - Professores do Instituto Superior Técnico