Impressão 3D

O mundo da impressão deu um salto gigantesco com o desenvolvimento da impressão 3D. O processo de impressão 3D é um marco de grande importância para uma ampla gama de empresas. Todos os fornecedores ou fabricantes de peças de reposição, pequenas séries ou mesmo protótipos podem produzi-los com mais rapidez e facilidade, de modo que os processos da empresa foram enormemente acelerados e simplificados pelo processo de impressão 3D. Na print24 poderá descobrir exatamente o que significa impressão 3D, onde estão as suas origens, quais os diferentes processos disponíveis e quais são as vantagens!

Definição de impressão 3D

A impressão 3D também é chamada de manufatura aditiva ou generativa. A ideia por trás deste processo de fabricação é converter um modelo numérico num modelo tridimensional. Além disso, pertence aos processos de fabricação de urforming, o que significa que um corpo sólido é produzido a partir de outro informe. O corpo tem uma forma geométrica definida. Então, em resumo, a impressão 3D é a criação de objetos físicos a partir de arquivos digitais. Os dados digitais são gerados por modelagem CAD, dados de scanners 3D ou modelagem 3D, mas a impressora 3D não pode lê-los diretamente. Isso, por sua vez, requer um software que traduza a forma geométrica para a linguagem de máquina da impressora por meio do código G". O software é chamado de "slicer", que divide o objeto 3D em camadas individuais. O objeto é então construído/impresso camada por camada, daí o nome fabricação aditiva. Isso contrasta com a fabricação subtrativa, na qual o material é removido de objetos existentes. A impressão de uma impressora 3D é tridimensional, ou seja, o objeto tem largura, comprimento e altura predefinidos. Assim, a impressora 3D trabalha com um eixo vertical (eixo Z) além dos dois eixos horizontais habituais (eixo X e Y).

A estrutura e função de uma impressora 3D

Entre as impressoras 3D, pode-se distinguir entre impressoras abertas e fechadas, dispositivos completos e kits. Embora a maioria seja entregue completa, os kits devem primeiro ser montados pelo utilizador. Dispositivos completos costumam ser mais caros que kits, mas permitem-lhe economizar na montagem. No caso de uma impressora 3D fechada, o espaço de instalação é fechado. Dependendo de onde a impressora será usada, uma versão aberta ou fechada pode ser escolhida. Basicamente, uma impressora 3D consiste numa base de impressão/aquecimento, estrutura de suporte, objeto de impressão, bico, material de suporte e material de impressão. No entanto, a construção pode diferir ligeiramente dentro de uma tecnologia. De acordo com a construção mencionada, uma impressora 3D funciona da seguinte forma: Primeiro, a base de aquecimento e o bico aquecem. Em seguida, a base de aquecimento sobe até a cabeça de impressão. O filamento fundido (plásticos especiais, metais ou outros materiais) é então aplicado à cama de aquecimento até que a primeira camada seja concluída. Quando a primeira camada está completa, o leito aquecido percorre uma distância de uma altura de camada, medida aqui em mícrons. A segunda camada de filamento é aplicada sobre a anterior e fundida com ela. Havendo áreas salientes, é possível utilizar uma estrutura de suporte do mesmo material ou de outro, devendo o material alternativo ser capaz de se dissolver em água ou mesmo em outra solução. A última etapa é repetida até que o objeto 3D seja concluído.

Tipos de processos de impressão 3D

A seguir serão apresentados os processos de impressão 3D mais comuns. Além das mencionadas, existem muitas outras variantes. Basicamente, podem ser distinguidos os seguintes processos de impressão 3D:

• Fusão seletiva a laser (SLM)/ Sinterização seletiva a laser (SLS)
• Fusão por feixe de elétrons (EBM)
• Modelagem por Deposição Fundida/Fabricação de Filamento Fundido (FDM/FFF)
• Estereolitografia (STL/SLA)
• Soldagem por acumulação a laser
• Transferência de imagem por película/ filme (FTI)
• Processamento Digital de Luz (DLP)
• Modelagem Multi Jet / Modelagem Poly Jet

No processo de Fusão Seletiva a Laser, um metal constituído por um pó é aplicado e derretido pelo laser. O objeto de impressão desejado é então reduzido pela espessura da camada, o pó é aplicado novamente e fundido. A impressão 3D ocorre dentro de uma atmosfera protetora; metais, plásticos, areia ou cerâmica podem ser processados. Em contraste, a sinterização seletiva a laser (SLS) não utiliza pó metálico puro, mas adiciona um aglutinante. O pó especial também é apenas parcialmente derretido, o que faz com que o material adira. A fusão por feixe de elétrons (EBM) também usa pó e processa-o da mesma forma que a fusão seletiva a laser, exceto que utiliza um feixe de elétrons em vez de um laser. Uma mola apoiada magneticamente posiciona-o e direciona-o.

Na aplicação de Modelagem por Deposição Fundida/Fabricação de Filamento Fundido (FDM/FFF), um plástico especial é primeiro aquecido e depois o objeto 3D é impresso em folhas. Neste processo, o filamento é transportado através de uma bobina até o bocal, de onde é aplicado na placa de construção, onde se solidifica diretamente. Como a superfície do objeto costuma ficar um tanto áspera após a produção, ele precisa ser acabado. O resultado do trabalho de precisão é satisfatório. O endurecimento do plástico líquido com a ajuda da luz UV ocorre no processo de estereolitografia (STL/SLA). O objeto 3D é produzido num banho de plástico líquido, utilizando um laser para curar as camadas individuais. Quaisquer estruturas de suporte utilizadas são removidas após a conclusão e o objeto 3D é curado. Os modelos têm uma precisão muito alta. A soldadura por acumulação a laser usa um laser de diodo ou fibra. Aplica pó metálico ou fio metálico na peça de trabalho com a ajuda de um bico. Ao usar o pó, a impressora 3D funciona de forma totalmente automática, o que a torna adequada para uso na reparação de componentes ou na produção de protótipos.

Film Transfer Imaging (FTI) envolve a aplicação de uma película fina de material numa folha de transporte. As camadas são criadas por iluminação, após o que a peça é elevada e então um novo filme é aplicado. Este processo continua até que o objeto 3D seja concluído, o que apresenta um nível de precisão muito alto. Plásticos sensíveis à luz são usados ​​como filamentos no FTI. No Processamento Digital de Luz (DLP), o objeto 3D é criado a partir de um banho de plástico. O processo é uma mistura da tecnologia de impressão 3D STL e FTI, sendo uma tecnologia FTI utilizada como no RTI. A Modelagem Multi Jet/Poly Jet Modelling, por outro lado, utiliza uma técnica semelhante à da impressora jato de tinta. Aqui, vários bicos são conectados a uma cabeça de impressão, que imprime o modelo 3D camada por camada. Os modelos são caracterizados por um alto nível de detalhe e fotopolímeros sensíveis aos raios UV, que são curados com luz, são usados ​​como filamentos.

Os materiais para processos de impressão 3D

Devido ao avanço da tecnologia, ao longo dos anos o material para impressão 3D teve que ser adaptado continuamente. Em seguida, apresentamos os materiais especializados mais importantes, como plásticos ou metais:

Plásticos para impressão 3D

O PLA (poliactídeo) é um dos materiais mais populares para impressão 3D. Os polímeros sintéticos pertencem ao grupo dos poliésteres, são obtidos a partir do amido de milho, ou seja, recursos regenerativos, e são biocompatíveis e recicláveis. O PLA já pode ser processado a baixas temperaturas de fusão de 70 °C e geralmente permanece dimensionalmente estável mesmo durante o arrefecimento. Estas duas propriedades tornam o PLA atraente tanto para utilizadores privados como profissionais. O PLA está agora disponível em muitas cores diferentes. A única desvantagem do material é que ele é apenas ligeiramente robusto e resistente ao calor, de modo que não é adequado para a produção de componentes altamente solicitados.

ABS (acrilonitrila butadieno estireno) é o segundo material plástico mais comumente usado na impressão 3D e também é um polímero sintético. É feito de acrilonitrila, 1,3 butadieno e estireno. Propriedades vantajosas são a resistência, rigidez e tenacidade do material. Pode ser utilizado para prototipagem e fabricação de produtos finais. O ABS é impresso entre 220 e 250 °C e deve ser impresso numa sala de impressão ou mesa de impressão aquecida. Assim, os objetos fabricados podem arrefecer e as deformações podem ser evitadas. Tal como o PLA, o ABS está disponível em diferentes cores e é relativamente barato, mas devido às altas temperaturas envolvidas na impressão 3D, é menos popular entre os utilizadores privados. Também não possui resistência suficiente às intempéries.

PEEK (polieteretercetona) são polímeros sintéticos do grupo das polietercetonas. Eles podem ser usados ​​para imprimir objetos altamente resilientes e resistentes à temperatura. Eles também são biocompatíveis e resistentes a produtos químicos. O PEEK termoplástico é aprox. 70% mais leve que metais com propriedades semelhantes, mas possui estabilidade mecânica e térmica comparável. O setor automóvel, a indústria química e a indústria aeroespacial preferem, portanto, utilizar o PEEK. É impresso entre 360 ​​e 380 °C e, portanto, não é muito adequado para uso privado.

HIPS (Poliestireno de Alto Impacto) também pertence aos polímeros termoplásticos e é produzido pela polimerização do polibutadieno em poliesterol. Possui alta resistência ao impacto e dureza e pode ser dissolvido em produtos químicos. Isto o torna particularmente adequado como material de suporte para outros polímeros. Ele é removido quimicamente para que mesmo tolerâncias restritas possam ser mantidas nos componentes fabricados.

PA (náilon/poliamida) possui alta resistência à tração, derrete a 250 °C e não é tóxico. Objetos 3D criados com náilon são bastante resistentes a danos. O nylon não é danificado pela maioria dos produtos químicos comuns e é barato. No entanto, a desvantagem deste material é que dificilmente é adequado para uso privado devido às altas temperaturas de fusão e requer uma base de impressão aquecida e cola branca para que adira à base de impressão durante a impressão 3D.

A maioria das pessoas provavelmente está familiarizada com o PET (tereftalato de polietileno) em garrafas de bebidas. É aqui também que reside a vantagem, porque o PET é seguro para alimentos e pode ser utilizado em embalagens. Como não são produzidos vapores durante o processo de fusão, a impressão 3D com PET não requer uma sala de impressão aquecida. Isso torna o aplicativo popular no setor privado. Objetos 3D feitos de PET são relativamente robustos, mas ao mesmo tempo flexíveis.

PETG (PET com glicol) consegue uma alta transparência do material através da modificação com glicol. Isto também melhora as propriedades de impressão. Isto resulta numa temperatura de fusão mais baixa e menos cristalização. O PETG pode ser extrudado mais rapidamente que o PET e é resistente às intempéries. É por isso que é frequentemente usado em móveis e ferramentas de jardim, bem como em vasos.

Metais para impressão 3D

Além dos plásticos mencionados, os metais também podem ser utilizados na impressão 3D.

O alumínio ou ligas de alumínio são atraentes na impressão 3D devido à sua resistência e boas propriedades térmicas. Além disso, os objetos 3D são leves e podem ser acabados com flexibilidade. As indústrias automotiva, aeroespacial e de aviação se beneficiam do uso de ligas de alumínio; peças de motores, carcaças, moldes, protótipos, dutos de ar e muito mais são produzidos por meio de impressão 3D.

O titânio ou ligas de titânio estão entre os mais conhecidos na impressão 3D com metais. Possui excelentes propriedades mecânicas e, ao mesmo tempo, apenas um baixo peso específico. O material é resistente à corrosão e pode ser utilizado em diversos ambientes com elevados requisitos técnicos, como a aviação. Dispositivos médicos, peças sobressalentes, protótipos funcionais ou peças para o usuário final são os objetos 3D mais comuns feitos de ligas de titânio.

Outro metal usado na impressão 3D é o aço inoxidável/liga de aço inoxidável. Tem baixo teor de carbono e é muito resistente à corrosão. As peças fabricadas adequadamente também apresentam excelente resistência, boas propriedades térmicas e alta ductilidade. A impressão 3D com aço inoxidável é preferencialmente usada para componentes de máquinas ou aplicações seguras para alimentos.

Além de plásticos e metais, cerâmica, areia, cimento e vidro também estão entre os materiais utilizados na impressão 3D.

A história da impressão 3D – quem inventou a impressora 3D?

A história da impressão 3D remonta ao século XIX. Em 1859, o francês François Willème, que trabalhava como fotógrafo e escultor, inventou um aparelho que permitia criar um modelo 3D com o auxílio de diversas câmeras. Em 1892, o austríaco Joseph E. Blanther solicitou uma patente para a produção de mapas em relevo. Para a produção desses mapas, nessa época foram laminadas placas de cera e delas recortadas o formato desejado e coladas umas sobre as outras. Isso criou o mapa 3D através de várias camadas.

Após várias décadas de nenhum desenvolvimento conhecido da impressão 3D no século 20, o inventor japonês Hideo Kodama finalmente solicitou outra patente em 1980: nela, ele descreveu como um material fotopolímero endurece usando luz UV e, dessa forma, um modelo é criado camada por camada, o que é semelhante ao princípio da estereolitografia. Como não conseguiu continuar a pagar o pedido de patente devido a dificuldades financeiras, perdeu a fama. Em 1984, os franceses Alain le Méhauté, Olivier de Witte e Jean-Claude André tentaram obter a patente do processo de endurecimento de um líquido com uma fonte de luz. Eles também chamaram isso de estereolitografia. Porém, o instituto de pesquisa contatado não percebeu o potencial da invenção e interrompeu o projeto. Finalmente, foi o americano Chuck W. Hull quem solicitou a patente três semanas depois. Ele já tinha inventado a estereolitografia em 1981, que foi colocada em prática pela primeira vez em 1983. Em 1985, o primeiro programa de design 3D estava disponível e em 1986 ele fundou a hoje mundialmente famosa empresa 3D Systems. Em 1988, a primeira impressora 3D (máquina SLA-1) estava no mercado.

Em 1992, foi produzida na DTM a primeira máquina de sinterização seletiva a laser, que irradiava pó com luz laser de acordo com o processo. Isto foi seguido por uma impressora 3D da Z Corp, que usou o processo de jato de ligante. No final da década de 1990, além dos plásticos, os metais podiam ser processados ​​e mais programas CAD foram lançados. Durante a década de 2000, a fabricação aditiva ganhou impulso, o que se consolidou na medicina. Pela primeira vez, um órgão impresso em 3D foi implantado em um ser humano. A década de 2000 foi marcada por novos desenvolvimentos. As impressoras 3D agora podiam produzir peças para outras impressoras 3D e elas entraram no local de trabalho. A partir de 2010, os novos modelos também puderam imprimir protótipos de carros, surgiram as impressoras 3D de alimentos, os primeiros componentes impressos em 3D para estações espaciais e próteses de maxilares e ossos. Da mesma forma, as pequenas e médias empresas beneficiaram da impressão 3D, o que lhes permitiu produzir protótipos de forma mais barata. O processo de produção de plástico aditivo mais produtivo atualmente é o processo Multi Jet Fusion, em que os objetos resultantes apresentam uma superfície homogênea e uma densidade de material quase livre de poros.

Então o que o futuro reserva? É muito provável que a tecnologia de impressão 3D se desenvolva no sentido da produção em massa, uma vez que cada vez mais materiais podem ser impressos em menos tempo e com alta qualidade.

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