Superar os 10 Principais Desafios da Manufatura Aditiva para Produção em 2020 — Insights de Especialistas

Atualizado em 2020

Flexibilidade de design, eficiência de material e produção de baixo volume tornam a manufatura aditiva (AM) uma opção atrativa para muitas empresas. No entanto, para aproveitar totalmente a AM num ambiente de produção, vários obstáculos devem ser abordados.

Desafios Tecnológicos

1. Velocidades de Produção Lentas

A velocidade continua a ser um fator crítico, especialmente para indústrias de alto volume como automóvel e bens de consumo. Impressoras 3D tradicionais ficam muitas vezes atrás da manufatura convencional em throughput.

"A peça final é o throughput ou a velocidade das máquinas. [Automóvel] volumes de produção são consideravelmente diferentes dos volumes de aeroespacial ou médico. Por isso temos de olhar para sistemas capazes de produzir peças em minutos ou segundos em oposição a dias e horas. Tudo o que possamos fazer para empurrar a tecnologia para velocidades de construção mais rápidas é definitivamente o que nos ajudará também."

Harold Sears, Líder Técnico de Tecnologias de Manufatura Aditiva na Ford

Fabricantes estão a investir pesadamente em soluções de alta velocidade. A EOS, por exemplo, está a desenvolver Laser Pro Fusion, que usará até 1 milhão de lasers de diodo num único sistema SLS, potencialmente reduzindo dramaticamente tempos de construção. Na impressão de metal, a Impressão Concorrente Multinível (MCP™) da Aurora Labs permite deposição simultânea de múltiplas camadas — 30 camadas numa única passagem, com objetivo de 100 camadas no próximo ano. A sua impressora PMP1 atingiu 350 kg/dia, uma melhoria de velocidade de 2000% face ao ano passado.

Embora estas tecnologias ainda estejam em desenvolvimento, a trajetória sugere que a AM satisfará as exigências de velocidade de produção num futuro próximo.

2. Desenvolvimento de Materiais e Inconsistências

"A indústria de manufatura aditiva definitivamente precisa de soluções para mais materiais. A impressão 3D é teoricamente capaz de produzir peças de alta complexidade e funcionalidade, seja mecânica, biológica, elétrica. Mas fazer isso acontecer resume-se a ter opções de material suficientes."

Simon Fried, Co-fundador da Nano Dimension

A AM fez progressos significativos em materiais poliméricos e compósitos. Grandes empresas químicas — Arkema, BASF, DuPont — estão a desenvolver polímeros reforçados com carbono que rivalizam com a resistência do metal. A Markforged introduziu Onyx FR, o primeiro compósito retardante de chama para AM. Matérias-primas metálicas também veem progresso, embora o ciclo seja mais longo. Apesar do crescimento, a indústria ainda carece de uma base de dados abrangente de materiais, levando a propriedades inconsistentes e repetibilidade difícil.

Organismos de normalização como ISO e ASTM estão a estabelecer especificações para pós metálicos (níquel, titânio, aço inoxidável), e colaborações como America Makes com Stratasys e NIAR produziram uma base de dados ULTEM 9085 para FDM. Estes esforços ajudarão as empresas a obter e qualificar materiais de forma fiável.

3. Pós-Processamento Manual

Enquanto a prototipagem pode tolerar acabamento manual, a produção exige automação. Peças de AM em metal requerem remoção de pó, tratamentos térmicos de alívio de tensão, remoção de suportes, maquinação CNC e, por vezes, prensagem isostática a quente para eliminar porosidade.

"Com AM de metal, muitos passos estão envolvidos para garantir qualidade. Isso inclui remover adequadamente o pó e passar por um ciclo de aquecimento de alívio de tensão para que as peças não empenem e distorçam pela tensão residual de calor acumulada nas peças quando são removidas da placa de construção. Muitas vezes é necessário muito tempo para cortar e retificar as estruturas de suporte. Outros passos incluem maquinação CNC e outros trabalhos de acabamento, bem como prensagem isostática a quente, que ajuda a garantir que a peça não contém porosidade."

Terry Wohlers, Fundador e Presidente da Wohlers Associates

Soluções de pós-processamento automatizado estão a emergir — equipamentos de limpeza da DyeMansion, sistemas de alisamento de superfície da AMT e unidades de remoção de suportes da PostProcess Technologies. Em metal, a linha de produção totalmente automatizada da Digital Metal demonstra como robótica pode manusear caixas de construção, pós-processamento e manuseio de peças, eliminando trabalho manual.

Embora o progresso seja incremental, a expansão de fluxos de trabalho automatizados é essencial para produção AM de alto volume.

Desafios de Software

4. Capacidades Limitadas de Preparação de Dados

"Design e preparação de dados continuam a ser um gargalo nesta indústria enquanto a ênfase é posta em sistemas de hardware de maior produtividade, com soluções de software inteligentes sendo excluídas desta equação."

Yves Hagedorn, Diretor Geral na Aconity3D

Ferramentas CAD tradicionais não foram desenhadas para os requisitos únicos da AM — materiais graduados, estruturas de treliça, modelação de porosidade. Designers exportam frequentemente para STL, importam para Netfabb, depois enviam para a máquina, criando silos de dados e erros.

"Ouvimos de muitos dos nossos clientes que estão a trabalhar com fluxos de trabalho muito fragmentados. Fazem o processo de design numa ferramenta CAD, depois traduzem isso para um ficheiro STL e importam para um processador de construção, como Netfabb. Daí, é enviado para a máquina e a máquina recolhe dados sobre isso. Assim acabam com estes silos de dados que não estão bem conectados."

Robert Yancey, Diretor de Estratégia de Indústria de Fabrico e Produção na Autodesk

Fornecedores CAD líderes estão a integrar funções AM — o Creo 6.0 da PTC agora suporta design e preparação de impressão num único ambiente, e adquiriu a empresa de design generativo Frustum. O GrabCAD da Stratasys e o 3DXpert da 3D Systems também simplificam conversão de dados. O objetivo é permitir que designers iterem dentro do sistema CAD sem trocas de ficheiros incómodas.

Desafios de Garantia de Qualidade

5. Variação Peça-a-Peça

"Outra grande coisa que a indústria precisa de abordar para ser mais amplamente aceite é a variação peça-a-peça [...] A razão para isso é que a consistência do material que sai do sistema não é necessariamente o que você quer que seja. Tem de desenhar para a peça mais fraca que possa obter, o que significa que não está a aproveitar totalmente algumas das capacidades da AM."

Zachary Murphree, VP de Parcerias Tecnológicas na VELO3D

Variações provêm de química do material — tamanho de partícula, forma, contaminação — e de controle de processo. Sistemas de controle de circuito fechado, com sensores e câmaras incorporados, podem detetar desvios em tempo real e ajustar parâmetros, reduzindo defeitos como aprisionamento de pó, microfissuras ou falta de fusão.

"Acho que esse é o Santo Graal para AM porque com controle em processo consegue reagir quase imediatamente a deficiências no seu processo."

Yves Hagedorn, Diretor Geral na Aconity3D

Atualmente, apenas uma pequena percentagem de impressoras possui controle de circuito fechado, mas a tendência está a crescer à medida que a AM entra em ambientes de produção.

6. Falta de Normas Industriais Amplas

"Seria incrivelmente benéfico para todas as partes interessadas se a indústria tivesse melhores normas em geral, normas universalmente compreendidas e aceites. Com normas, as empresas podem comparar maçãs com maçãs e tomar decisões inteligentes que podem ser implementadas dentro de um ecossistema abrangente de fornecedores, fabricantes e utilizadores."

Avi Reichental, Fundador da XponentialWorks

Normas são essenciais para garantir qualidade de material, processo e produto. ISO e ASTM já emitiram 28 normas AM em 2018, com muitas mais previstas para lançamento. Esforços colaborativos — como a parceria Oerlikon-Boeing para peças de titânio e o Centro de Excelência de Manufatura Aditiva da ASTM — aceleram a padronização em design, matéria-prima, processo, pós-processamento, teste e qualificação.

Desafios de Força de Trabalho

7. Falta de Compreensão e Especialização

"[O] elemento de força de trabalho é realmente crítico agora. Não há engenheiros, gestores, executivos suficientes que compreendam verdadeiramente a tecnologia o suficiente para trabalhar e desenvolver uma estratégia para obter o que precisam dela."

John Barnes, Fundador do The Barnes Group Advisors

Preencher a lacuna de conhecimento é vital. Muitas empresas oferecem agora programas de formação, cursos online e centros de excelência para qualificar engenheiros. Consultorias e conferências da indústria também disseminam boas práticas. A chave é combinar a tecnologia certa com a aplicação certa, evitando a armadilha de forçar designs tradicionais em processos AM.

Desafios Financeiros

8. Fazer o Investimento Inicial

Adotar AM envolve mais do que comprar impressoras; requer software, materiais, formação, equipamento de pós-processamento, certificação e atualizações de instalações. O custo inicial pode ser intimidante.

"O custo do equipamento precisa de descer para desbloquear a tecnologia para mercados mais amplos."

Armin Wiedenegger, Estratégia & Desenvolvimento de Negócio para Manufatura Aditiva na voestalpine High Performance Metals GmbH

Sistemas de entrada económicos estão a emergir. A impressora de compósitos da Markforged custa cerca de 15.000$ e entregou retorno em seis meses para a Dunlop Systems, poupando 40.000£ por ano. Impressoras de metal da Desktop Metal, Markforged e Xact Metal variam até 150.000$, uma fração de sistemas de grande escala. Construir um caso de negócio em torno de vitórias rápidas — reduções de custo, cortes de prazo, poupança de peso — pode atrair investimento e demonstrar ROI.

Desafios de Fluxo de Trabalho e Integração

9. Ecossistema AM Fragmentado

"Todo o ecossistema AM está fragmentado: há muitas pequenas soluções e empresas que tem de juntar para criar um fluxo de trabalho e solução ponta-a-ponta."

Dave Conover, Tecnólogo Chefe de Manufatura Aditiva na Ansys

Integração entre design, construção, pós-processamento e cadeia de abastecimento é essencial para escalabilidade. Parcerias — como integração RIZE e Dassault Systèmes' SOLIDWORKS, e oferta de cadeia de valor completa da Henkel (materiais personalizados, impressoras Loctite, serviços de impressão) — simplificam fluxos de trabalho. Consolidação através de colaboração de ecossistema acelera adoção.

10. Falta de Infraestrutura Digital

Produção AM eficiente requer uma estrutura digital adaptada aos seus fluxos de trabalho únicos. Soluções de TI de fabrico tradicional muitas vezes ficam aquém. Software dedicado de gestão de fluxo de trabalho AM rastreia pedidos, imprimibilidade, analíticas de máquina, agendamento, pós-processamento e comunicação com fornecedores.

Um sistema centralizado fornece rastreabilidade, planeamento de produção e sincronização de dados, permitindo integração perfeita num ambiente de fabrico digital.

A Indústria em Evolução

Na última década, a AM evoluiu de ferramenta de prototipagem para tecnologia de produção viável. Inovações em velocidade, ciência de materiais, automação, normas e desenvolvimento de força de trabalho estão a impulsionar esta mudança. À medida que as empresas colaboram, padronizam e investem estrategicamente, a manufatura aditiva continuará a amadurecer e expandir-se por setores.

Leia o nosso anterior Painel de Especialistas sobre o futuro da impressão 3D industrial para mais insights.