impressao 3DA impressão 3D, também conhecida como manufatura aditiva, é um processo de fabricação de objetos sólidos tridimensionais a partir de um arquivo digital. A criação de um objeto impresso em 3D é obtida por meio de processos aditivos. Em um processo aditivo, um objeto é criado pela colocação de camadas sucessivas de material até que o objeto seja criado. Cada uma dessas camadas pode ser vista como uma seção transversal horizontal em fatias finas do objeto final.
A impressão 3D é o oposto da fabricação subtrativa, que consiste em cortar/esvaziar uma peça de metal ou plástico com uma fresadora, por exemplo.
A impressão 3D permite que você produza formas complexas (funcionais) usando menos material do que os métodos tradicionais de fabricação.
Como funciona a impressão 3D
As três etapas básicas do processo de impressão 3D são:
- Projetar e modelar digitalmente o objeto que você deseja criar
- Preparação e configuração da impressora 3D
- Impressão do objeto camada por camada
Projetando o modelo 3D
A primeira etapa da impressão 3D é fazer um projeto virtual do objeto que você deseja construir. O software de modelagem 3D permite que você faça esse design.
Os softwares populares de modelagem 3D incluem:
- Liquidificador
- AutoCAD
- SketchUp
- Fusion 360
- Tinkercad
- 3ds Max
- Maya
Os scanners 3D também podem ser usados para criar um modelo digital por meio da digitalização de um objeto existente. Os dados de digitalização obtidos são então convertidos em um modelo 3D.
O software de CAD (projeto auxiliado por computador) é frequentemente usado para modelar peças de máquinas e ferramentas. O projeto é composto de esboços 2D que são extrudados ou transformados em objetos 3D.
Depois que o modelo digital é concluído, o software da impressora 3D corta o modelo em centenas ou milhares de camadas horizontais.
O arquivo fatiado mostra o caminho que o cabeçote de impressão deve seguir para recriar o objeto camada por camada. O arquivo também contém informações sobre padrões de preenchimento e densidades de material.
O software de fatiamento leva em conta parâmetros como altura da camada, porcentagem de preenchimento e velocidade de impressão ao criar as camadas de impressão.
Os softwares de fatiamento mais populares incluem:
- Cura
- Slic3r
- Simplificar3D
- KISSlicer
Preparando a impressora 3D
Para preparar uma impressora 3D, o estágio de fabricação precisa ser nivelado e o material de impressão correto deve ser carregado.
- Nas impressoras de filamento, o tubo guia do filamento é rosqueado até a extrusora.
- Para impressoras de leito de pó, o reservatório de pó é preenchido.
- Os tanques de resina são preenchidos com resina líquida no caso de impressoras de estereolitografia.
A superfície correta da mesa de impressão deve ser instalada e preparada de acordo com o material que está sendo impresso. Os exemplos incluem fita de pintor, folhas de PEI, cola etc.
Depois que a impressora 3D estiver configurada com o material certo, o arquivo cortado é transferido para a impressora. Isso pode ser feito por meio de um pendrive USB, Wi-Fi ou conexão com fio.
A etapa final de preparação consiste em ajustar as configurações no software da impressora, como, por exemplo, o número de páginas que serão impressas:
- Resolução de impressão
- Velocidade de impressão
- Suportes
- Velocidade do ventilador de resfriamento
- Temperatura da cama
- Temperatura da extrusora
- E várias outras configurações personalizadas
Quando a impressão é iniciada, a primeira camada é impressa na plataforma de construção. O restante do objeto é então construído camada por camada até a conclusão.
Como as camadas são formadas
Há várias maneiras de formar camadas na impressão 3D para construir um objeto. As principais tecnologias de impressão 3D são explicadas resumidamente a seguir.
Extrusão de material
A extrusão de material, também conhecida como Fused Deposition Modeling (FDM), é a tecnologia de impressão 3D mais comum para o consumidor. Ela é usada por impressoras 3D domésticas econômicas.
No FDM, o filamento termoplástico, como PLA, PETG ou ABS, é desenrolado de uma bobina e alimentado em um cabeçote de bocal de extrusão. O bocal pode se mover nas direções horizontal e vertical com o uso de motores controlados com precisão.
O bocal aquece o filamento acima de seu ponto de fusão e o extrude para a plataforma de construção (ou para a última camada impressa), onde ele endurece. O objeto é construído camada por camada, onde cada camada se solidifica e adere à camada abaixo.
As estruturas de suporte são construídas durante as saliências e pontes. Após o término da impressão, a estrutura de suporte pode ser removida.
A aplicação mais popular do FDM é a prototipagem.
Polimerização de IVA
A tecnologia mais comum na polimerização VAT é a estereolitografia (SLA).
A SLA usa um recipiente cheio de resina líquida de fotopolímero que é endurecida por um laser UV.
A plataforma de construção está situada logo abaixo da superfície do tanque de resina. O feixe de laser traça o padrão da primeira camada na resina líquida que se solidifica.
Em seguida, a plataforma se eleva ligeiramente e o laser traça a próxima camada logo acima da anterior. Isso continua até que o objeto completo tenha sido construído.
O excesso de resina fluida é drenado continuamente. Após a impressão, o objeto precisa ser enxaguado em um solvente para remover o excesso de resina.
Os suportes são necessários durante a impressão, mas são relativamente fáceis de serem removidos após a impressão devido às propriedades da resina.
As linhas suaves da camada de impressão, combinadas com as propriedades de autonivelamento da resina, permitem que esse processo crie peças altamente precisas com excelente qualidade de superfície.
O SLA é frequentemente usado para montagens, protótipos e peças de uso final.
Fusão de leito de pó
A fusão de leito de pó funciona por meio da fusão seletiva de regiões de um leito de pó. As tecnologias mais comuns são:
Sinterização seletiva a laser (SLS): Usa um laser de alta potência para fundir pequenas partículas de pó de polímero. O pó é espalhado uniformemente em uma plataforma de construção com um rolo ou lâmina. O laser sinteriza seletivamente as partículas de pó na seção transversal do objeto. Depois que uma camada é concluída, a plataforma se abaixa, mais pó é espalhado pelo leito e o processo se repete até que a peça seja concluída. O excesso de pó sustenta o objeto durante a impressão e não requer nenhuma outra estrutura de suporte.
Fusão seletiva a laser (SLM): O SLM é semelhante ao SLS, mas usa pó metálico em vez de plásticos. O laser de alta potência derrete o pó metálico em vez de sinterizá-lo. As ligas de titânio, os aços para ferramentas, o aço inoxidável e o alumínio são usados com frequência no SLM.
Fusão por feixe de elétrons (EBM): Usa um feixe de elétrons em vez de um laser para derreter seletivamente camadas de pó metálico. As taxas de construção são rápidas, mas o processo requer vácuo, o que torna o EBM caro. Comumente usado para implantes médicos e componentes aeroespaciais.
Jato de material
O jato de material é geralmente chamado de impressão PolyJet e funciona de forma semelhante às impressoras de papel a jato de tinta 2D. Mas, em vez de jorrar gotas de tinta no papel, a resina de fotopolímero curável por UV é jorrada em uma plataforma de construção.
As camadas são curadas com luz UV após cada passagem do cabeçote de impressão. A resina não curada é removida no final do processo de construção, deixando apenas o objeto 3D sólido.
As estruturas de suporte também são impressas, em um material removível semelhante a um gel, sempre que necessário.
O jato de material permite impressões de vários materiais usando vários cabeçotes de impressão. Alguns materiais são semelhantes a borracha, transparentes ou resistentes a altas temperaturas.
A precisão é excelente e as linhas de camada são difíceis de serem vistas. O processo permite a criação de objetos altamente detalhados. O jato de material é usado principalmente para prototipagem rápida.
Jateamento de ligantes
No jato de aglutinante, dois materiais são usados:
- Um material à base de pó, como arenito, cerâmica, aço inoxidável ou cobalto-cromo.
- Um aglutinante que é um agente de ligação líquido.
O aglutinante é colocado seletivamente no leito de pó para unir as partículas de pó. A plataforma de construção se abaixa, o pó é espalhado pelo leito usando um rolo e o processo se repete.
Após o término da impressão, o excesso de pó não ligado é removido, deixando apenas o objeto ligado. A sinterização pode ser feita como uma etapa final para aumentar a densidade, a resistência e a suavidade da peça.
Esse processo permite velocidades de impressão rápidas e a impressão de objetos grandes. O jato de aglutinante é aplicável à fundição em areia, fundição de metal e cerâmica. Ele também é usado na impressão colorida.
Laminação de chapas
Na fabricação de objetos laminados (LOM), as folhas de material são coladas para formar um objeto. O material mais comum é o papel.
Um laser corta cada folha de papel no formato necessário para aquela camada específica.
O papel cortado é então laminado sobre a camada anterior usando calor e pressão. Os lasers cortam padrões de hachuras cruzadas nas camadas laminadas para melhorar a adesão.
Quando o objeto estiver pronto, o excesso de material é cortado. A LOM produz protótipos de baixo custo e produtos de papel personalizados.
Deposição de energia direcionada
Os métodos de deposição direta de metal fundem o metal à medida que ele está sendo depositado. Um bocal extrusa o pó ou o fio metálico, que é atingido por um laser de alta energia ou por um feixe de elétrons no ponto de extrusão.
A fonte de calor derrete o material para depositar gotas de metal fundido em uma placa de base ou em uma peça existente.
O bocal e a fonte de calor podem ser movidos pelos eixos x, y e z para depositar o material exatamente onde for necessário. O excesso de material funciona como suporte durante a impressão.
Os métodos DED permitem reparos e modificações de peças metálicas existentes. Isso também permite a fabricação híbrida, combinando técnicas aditivas e subtrativas.
Materiais usados na impressão 3D
Muitos materiais diferentes podem ser usados para impressão 3D. Os materiais disponíveis dependem do processo de impressão.
Plásticos
Os plásticos mais comuns usados na impressão 3D são:
- ABS: Plástico durável e resistente a impactos. Usado para protótipos funcionais e produtos de uso final.
- pla: Feito de amido de milho, o PLA é biodegradável. Usado para prototipagem e impressão por hobby.
- PETG: Mais forte que o PLA, o PETG é frequentemente usado para fabricar ferramentas e produtos que exigem maior resistência.
- Nylon: Os filamentos de náilon de grau de engenharia têm alta resistência, tenacidade e resistência ao desgaste. Geralmente usados para peças de uso final.
- Policarbonato: Extremamente forte, com resistência ao calor de até 110oC. Usado para produtos acabados duráveis.
- Resinas de fotopolímero: Usado em SLA, PolyJet e processos de cuba semelhantes. As resinas proporcionam excelente precisão e acabamento de superfície.
Outros plásticos especializados incluem PLA e ABS condutivos, suportes de PVA, termoplásticos de alta temperatura (PEEK, PEI, PEKK), resinas flexíveis (TPU), materiais compostos e muito mais.
Metais
Vários metais amplamente utilizados na impressão 3D incluem:
- Alumínio: Leve, mas resistente. Usado em aplicações aeroespaciais.
- Aço inoxidável: Metal resistente à corrosão, adequado para produtos que exigem alta resistência e esterilização.
- Titânio: Extremamente forte com baixa densidade. Usado para implantes médicos e componentes aeroespaciais.
- Cobalto-cromo: Metal biocompatível usado com frequência em implantes dentários e ortopédicos.
- Superligas de níquel: Ligas resistentes ao calor usadas em peças de turbinas e motores de aeronaves.
- Metais preciosos: Joias de ouro, prata e platina podem ser impressas em 3D.
Outros materiais
Uma variedade de outros materiais impressos em 3D inclui:
- Arenito: Impresso com jato de aglutinante para fins de fundição e arquitetura.
- Cerâmica: Usado em componentes técnicos de engenharia de cerâmica.
- Cera: Adequado para moldes e fundição de joias.
- Concreto: Edifícios impressos e construções arquitetônicas.
- Alimentos: Chocolate, biscoitos, massas e outros alimentos podem ser impressos.
- Células: A impressão de órgãos usa esferóides de tinta biológica contendo células vivas.
- Compostos: Misturas de metais, plásticos e cerâmicas podem ser impressas.
À medida que a tecnologia de impressão 3D se desenvolve, mais e mais materiais podem ser impressos. Há pesquisas em andamento em áreas como vidro, tecidos e impressão eletrônica.
Principais benefícios da impressão 3D
A impressão 3D oferece várias vantagens em relação à fabricação tradicional:
- Liberdade de design - Geometrias exclusivas e complexas podem ser impressas, o que não é possível com moldagem por injeção ou usinagem. O peso leve e a consolidação de peças também permitem uma funcionalidade aprimorada.
- Personalização - A personalização e a customização em massa são possíveis por meio da modificação de arquivos CAD digitais para cada impressão. Pequenos lotes personalizados e produtos sob medida podem ser produzidos.
- Velocidade - A prototipagem ocorre rapidamente, em poucos dias, em comparação com as semanas que se utilizam as técnicas convencionais. As peças também podem ser produzidas sob demanda, quando necessário.
- Eficiência de custos - A eliminação de ferramentas na fabricação resulta em custos reduzidos para produções de pequenos lotes. O desperdício de material é reduzido com o uso apenas das quantidades necessárias.
- Fabricação descentralizada - Os arquivos de peças digitais podem ser enviados de forma rápida e econômica para impressoras 3D distribuídas globalmente. Permite a fabricação e os reparos no local.
- Inovação - A complexidade é livre e a prototipagem por tentativa e erro promove maiores oportunidades de inovação. Os produtos podem ser aprimorados iterativamente.
A impressão 3D permite novas possibilidades de fabricação que não podem ser alcançadas usando métodos antigos. Ela encontrou aplicações nos setores de saúde, odontológico, automotivo, aeroespacial, arquitetura, joalheria e muitos outros.
Aplicativos de impressão 3D
A tecnologia de impressão 3D tem muitas aplicações em diferentes setores. Aqui estão algumas das principais áreas de aplicação:
- Prototipagem - Faça iterações rápidas e otimize os projetos de produtos. Valide a funcionalidade, o ajuste e a capacidade de fabricação.
- Ferramentas - Ferramentas de produção de impressão 3D, como gabaritos, acessórios, medidores de inspeção e auxiliares de montagem para o chão de fábrica.
- Produção de peças - As peças de uso final podem ser fabricadas de forma aditiva para pedidos personalizados ou em pequenos lotes. Reduz os custos operacionais.
- Aeroespacial - Fabricantes de aeronaves e foguetes imprimem peças leves para reduzir o consumo de combustível. Também usado para peças de reposição sob demanda.
- Automotivo - Os fabricantes de automóveis usam a impressão 3D para prototipagem e para produzir peças especializadas de baixo volume. Interiores e dutos de ar personalizados também são impressos.
- Assistência médica - Próteses, implantes e modelos anatômicos personalizados auxiliam os médicos e melhoram o planejamento cirúrgico. Produtos farmacêuticos impressos proporcionam dosagem mais precisa.
- Educação - As escolas utilizam impressoras 3D para ensinar princípios de design. Os alunos podem colocar a mão na massa com a tecnologia.
- Construção - Casas e estruturas de concreto impressas em 3D estão tomando forma. A construção automatizada no local permite arquiteturas exclusivas.
- Alimentos - As impressoras 3D produzem chocolates personalizados, salgadinhos e decorações complexas para bolos. Refeições nutricionais podem ser impressas para viagens espaciais.
- Moda - Vários designers agora integram a impressão 3D em suas linhas de calçados e roupas. Acessórios e joias também são fabricados.
- Arte e design - Os artistas usam a impressão 3D para esculturas, luminárias, móveis e outras peças expressivas. A tecnologia oferece um potencial criativo ilimitado.
Esses são apenas alguns dos muitos aplicativos que a impressão 3D oferece. À medida que os recursos da manufatura aditiva melhorarem, mais setores adotarão a tecnologia.
O futuro da impressão 3D
A tecnologia de impressão 3D se desenvolveu tremendamente na última década. No entanto, ela ainda tem muito espaço e potencial para crescer. Aqui estão alguns dos avanços que podemos esperar:
- Expansão de materiais - Mais materiais de engenharia, como polímeros de alto desempenho e ligas metálicas, poderão ser impressos. Os materiais biocompatíveis farão avançar as aplicações médicas de impressão 3D. A impressão eletrônica possibilitará componentes inteligentes e dispositivos de IoT.
- Tamanho do sistema - Os sistemas de maior escala acomodarão a impressão de objetos em escala humana de tamanho real em uma única peça. Os sistemas menores fornecerão soluções de fabricação de desktops.
- Velocidade e resolução - Taxas de construção mais rápidas permitirão a fabricação em massa. A resolução aprimorada aumentará a complexidade geométrica e o acabamento da superfície. Cabeças de impressão adicionais permitirão a sofisticação de vários materiais.
- Integração com o setor 4.0 - Os sistemas de impressão 3D se integrarão ao thread digital em todo o ciclo de vida do produto. O design, a simulação, a produção, o controle de qualidade e o rastreamento de peças se tornarão mais automatizados.
- Fabricação distribuída - Aumento da adoção da produção localizada. Os engenheiros podem imprimir projetos personalizados no local para substituições e reparos. Reduz os custos de remessa e o impacto ambiental.
- Construção e arquitetura - As impressoras 3D de larga escala ajudarão a construir futuras infraestruturas usando concreto e compostos personalizados. Formas estruturais exclusivas poderão ser impressas.
A tecnologia de impressão 3D transformará a manufatura em um modelo mais sustentável, distribuído e centrado no cliente. Ela permite que as empresas liberem mais recursos de inovação e, ao mesmo tempo, economizem tempo e dinheiro.
Perguntas frequentes
Como funciona a impressão 3D?
A impressão 3D funciona construindo objetos camada por camada usando um processo aditivo. Um modelo digital 3D é cortado em camadas e a impressora deposita material em cada seção transversal até que a peça esteja completa. São usadas tecnologias como modelagem por deposição fundida, estereolitografia, sinterização seletiva a laser e outras.
Com quais materiais você pode imprimir em 3D?
A impressão 3D pode usar plásticos como ABS, PLA, PETG, nylon e fotopolímeros. Metais como aço inoxidável, alumínio, titânio, cobalto-cromo e metais preciosos podem ser impressos. Outros materiais incluem arenito, cerâmica, cera, concreto, alimentos e bio-tintas. Novos materiais estão sendo continuamente introduzidos.
Quais são os benefícios da impressão 3D?
Os benefícios da impressão 3D incluem:
- Liberdade de design para criar formas complexas
- Customização e personalização de produtos
- Prototipagem rápida e validação de projetos
- Custos mais baixos para fabricação de pequenos lotes
- Capacidade de descentralizar a fabricação
- Menos desperdício de material e projetos otimizados
- Inovação por meio de desenvolvimento iterativo
Quais são as aplicações da impressão 3D?
A impressão 3D tem muitas aplicações em todos os setores:
- Prototipagem de projetos de produtos
- Fabricação de peças de uso final personalizadas
- Produção de ferramentas especializadas
- Componentes aeroespaciais e automotivos
- Dispositivos e implantes médicos personalizados
- Pesquisa farmacêutica e dosagem de medicamentos
- Auxílios didáticos e educacionais
- Construção de casas e edifícios
- Impressão de alimentos refeições personalizadas
- Acessórios de moda e fantasia
- Esculturas de arte e peças de design
Qual é o futuro da impressão 3D?
O futuro da impressão 3D inclui:
- Recursos expandidos de materiais e impressão de eletrônicos
- Sistemas de escala maior e menor
- Maior velocidade e resolução
- Integração da impressão 3D à manufatura digital
- Crescimento da produção distribuída e localizada
- Construção de infraestrutura e estruturas arquitetônicas