Soluções Modulares de Impressão de Precisão para Automotivo e Aeroespacial

A APS Tech Solutions é uma divisão da Automatisierte Produktions Systeme GmbH em Höchst, Áustria. Fundada em 1987, a empresa fornece soluções de engenharia, mecânicas e robóticas para corte por jato d'água 3D e máquinas de ferramentas usadas nos mercados automotivo, aviação e mecânico.

"Há três anos, queríamos uma impressora 3D muito versátil, mas não conseguimos encontrar nada que atendesse nossos requisitos", diz Nicolai Wampl, desenvolvimento de negócios para APS Tech Solutions. "Então, criamos nosso próprio sistema, o Wizard 480+, que lançamos no ano passado. Ele pode imprimir com fibra contínua, filamentos termoplásticos padrão, metal ou cerâmica."

O Wizard 480+ tem volume de impressão de 400 milímetros de comprimento x 230 milímetros de largura x 370 milímetros de altura e uma mesa de impressão que pode ser aquecida até 200°C. Bocais para impressão de filamento de fibra contínua podem ser aquecidos até 500°C.

Realmente precisamos de outra impressora desktop para compósitos industriais? "Nosso objetivo não era uma impressora desktop para uso industrial, mas mais uma máquina industrial real", diz Wampl. "Queríamos uma impressora versátil sem restrições, mas com configuração que não seja esmagadora. Por exemplo, você pode modificar uma impressora desktop de baixo custo para ser mais versátil, mas requer muito know-how e tempo. No outro extremo está uma impressora industrial onde você pode imprimir peças de alto volume em um punhado de materiais, mas se quiser imprimir algo novo, fica difícil. Queríamos imprimir peças usando todo material que está no mercado, mas em alta qualidade." Por exemplo, a peça de reposição para uma ferramenta de estampagem discutida abaixo requer precisão de 0,02 milímetros.

"As máquinas de corte por jato d'água 3D e ferramentas com as quais trabalhamos devem ser construídas precisamente para operar corretamente", explica Wampl. "Colocamos esse conhecimento no Wizard 480+ para aumentar a precisão de peças impressas. Outra diferença é que temos um sistema de troca de ferramentas como em uma máquina CNC, que nos permite usar múltiplos tipos de materiais em uma impressão. Por exemplo, se um cliente quiser usar dois tipos diferentes de fibras contínuas em uma única impressão, é possível porque os cabeçotes de impressão são intercambiáveis. Impressões podem usar plásticos de alto desempenho como PEEK [poliéteretercetona] e PEKK [poliétercetonecetona], bem como poliamida [PA] e filamentos FDM [modelagem por deposição fundida] comercialmente disponíveis. Nem toda peça precisa de fibra contínua. Também temos um cabeçote para peças verdes simples de cerâmica e metal usando aço ou titânio, por exemplo. Note que peças de cerâmica e metal precisariam ser sinterizadas em uma segunda etapa e não incluiriam plásticos por causa deste pós-processamento de alta temperatura."

Sistema aberto

"A maioria das empresas tem duas máquinas separadas para metais versus não-metais", nota Wampl. "Mas para novos desenvolvimentos, você não quer ter que comprar uma nova impressora toda vez que testar um novo material. Não queríamos um sistema fechado e restrito, mas sim um sistema modular, flexível, com o qual você pode aprimorar ou alterar as peças impressas." Por exemplo, o cliente pode querer imprimir com fibra contínua e poliuretano termoplástico (TPU). "Este é um material difícil porque sua viscosidade cai tão rapidamente que é difícil manter consistência durante a impressão. Mas queríamos uma impressora que pudesse acomodar isso."

O Wizard 480+ é projetado para imprimir com qualquer filamento contínuo, incluindo fibra de vidro ou fio de cobre. "Nosso filamento padrão de fibra contínua é 1K fibra de carbono/PA, mas também usamos PEEK e PLA [ácido polilático] e podemos ir até 3K fibra de carbono", diz Wampl. A APS Tech Solutions quer fornecer filamentos contínuos ao mercado, mas sua impressora não é restrita a estes.

O Wizard 480+ também é aberto em seu software. "Sempre precisamos de alguma engenharia especial", diz Wampl, "e é por isso que queríamos ter a maior quantidade de controle. Com muitas impressoras, você é um pouco restrito pelo software. Mas com nosso software, você pode colocar as fibras exatamente onde quer, e não é restrito por nenhum algoritmo. Embora você possa usar um algoritmo para gerar onde as fibras devem estar, queríamos que os engenheiros controlassem como colocar as fibras porque eles sabem como a peça será usada e que tipo de forças acabam onde."

Dito isso, o sistema é relativamente fácil de usar, diz Wampl. "Por exemplo, para imprimir com dois materiais diferentes, você cria duas peças diferentes no CAD. Você então escolhe qual peça é impressa em qual material usando Simplify3D [Cincinnati, Ohio, EUA], um software fatiador usado para muitas impressoras 3D industriais. Nós então temos um pós-processador que cria o G-code para impressão. O Simplify3D permite a configuração de todos os parâmetros de impressão como altura de camada, densidade de preenchimento. Para o pós-processo, você apenas arrasta e solta o arquivo, e isso será ajustado para nossa máquina porque temos alguns recursos – como o trocador de ferramentas e uso de filamentos de fibra contínua – que não são muito comuns."

"Realmente temos apenas uma restrição", diz Wampl, "que é o comprimento do filamento impresso. Temos um comprimento mínimo de 20 milímetros. Se um engenheiro faz um comprimento impresso particular menor que 20 milímetros, então caímos em complicações, e o pós-processo diz que não é possível."

Qualidade esperada, entregue

O primeiro cliente do Wizard 480+ foi o fabricante de ferramentas de estampagem de alto desempenho Stepper Fritz GmbH & Co. KG. (Pforzheim, Alemanha). "Eles precisavam de uma peça de reposição para uma de suas ferramentas e perguntaram se poderíamos imprimi-la", diz Wampl. "Eles lutaram para encontrar uma impressora 3D para o trabalho devido à geometria complexa e combinação de materiais requerida, incluindo fibra de carbono contínua, matriz termoplástica e suportes solúveis em água." A versão anterior desta peça foi feita usando alumínio usinado CNC. "Imprimimos a peça sem alterações na forma e também integramos roscas para inserts", nota Wampl. "Usamos um filamento PA com fibra de carbono picada off-the-shelf para a casca externa e nosso filamento de fibra de carbono contínua/PA para o interior."

Stepper avaliou a peça, determinou que atendia à precisão requerida, e então pediu nossa primeira máquina, diz Wampl. "Eles têm rodado desde julho de 2020 sem problemas e nos dizem que ainda produz peças com esta precisão."

Alta qualidade também é uma característica dos compósitos reforçados com fibra como impressos, como mostrado na micrografia na imagem de abertura, no topo. Apresentando cinco camadas de filamento PEEK reforçado com fibra de carbono contínua 1K da APS Tech Solutions, a peça foi cortada e micrografada logo após a impressão, sem consolidação adicional ou pós-processamento. O material também foi testado na FH Vorarlberg (Universidade de Ciências Aplicadas em Vorarlberg, Alemanha) e micrografado na Universidade de Bayreuth (Bayreuth, Alemanha). Os resultados mostram resistência à tração de 1.060 megapascais e resistência à flexão de 750 megapascais. "No entanto, este foi teste muito preliminar e estamos agora preparando testes mais padronizados, durante os quais nossos técnicos acreditam que alcançaremos propriedades ainda maiores", diz Wampl.

"Nossas vendas, por enquanto, são principalmente para universidades e empresas como Stepper que não estão satisfeitas com o que está no mercado", diz Wampl. "Há impressoras 3D de fibra contínua com boa tecnologia, mas a maioria é restrita em materiais ou software. Nosso objetivo é atender clientes que precisam da mais alta qualidade de peças, bem como flexibilidade, como empresas de engenharia mecânica e especializada, bem como aqueles trabalhando em ciência e desenvolvimento de materiais."

A empresa continua trabalhando em seus próprios novos desenvolvimentos, como adaptar seu sistema para um braço robótico de seis eixos e materiais para aplicações espaciais. "Acreditamos que compósitos impressos em 3D têm uma aplicação muito mais ampla do que visto até agora, mas estamos expandindo esses horizontes e permitindo novas possibilidades para peças industriais."