Garantindo Precisão Dimensional em Peças Impressas em 3D

Introdução

O objetivo deste artigo é fornecer a engenheiros e designers um método para comparar a precisão dimensional esperada obtida de tecnologias de Impressão 3D. Embora todas as tecnologias tenham pontos fortes e fracos, os 2 fatores mais determinantes sobre se uma peça imprimirá conforme especificação são:

Design - A precisão de uma peça impressa depende fortemente do design. Variações no resfriamento e cura resultam em tensões internas que podem levar a empenamento ou encolhimento. Impressão 3D não é adequada para superfícies planas ou características longas, finas e não suportadas. A precisão também diminui conforme tamanhos de peça aumentam. Recomendações de design específicas para cada tecnologia discutida aqui podem ser encontradas no Capítulo 5 da Base de Conhecimento.

Materiais - Como o design, a precisão também depende do material. Frequentemente a precisão de uma peça é sacrificada para melhorar propriedade específica do material. Ex.: resina SLA padrão produz peças dimensionalmente mais precisas que resina flexível. Para peças onde alta precisão é crítica, materiais de impressão padrão são recomendados.

Variáveis de precisão

Para ajudar a quantificar a precisão de peça impressa em 3D, os seguintes parâmetros serão usados.

• Precisão dimensional - valores quantitativos de fabricantes de máquinas e fornecedores de materiais que declaram precisão esperada das peças. Todas as tolerâncias declaradas referem-se a peças bem projetadas em máquinas bem calibradas.
• Empenamento ou encolhimento - probabilidade de peça empenar ou encolher durante etapa de impressão. Depende fortemente do design, porém alguns processos produzem peças inerentemente mais propensas a empenar ou encolher.
• Requisitos de suporte - para muitas tecnologias de impressão 3D, a quantidade de suporte usado governará quão precisamente uma superfície ou característica é impressa. Desvantagem: suporte afeta acabamento superficial pois deve ser removido.

Para informação sobre tamanho mínimo de característica e detalhes que cada tecnologia alcança, consulte aqui. O impacto da altura de camada em peça impressa em 3D é discutido neste artigo.

FDM

Modelagem por Deposição Fundida (FDM) é mais adequada para prototipagem de baixo custo, onde forma e ajuste são mais importantes que função. FDM produz peças camada por camada extrudando termoplástico sobre placa de construção.

Para peças grandes, isso pode levar a grandes variações de temperatura na plataforma. Como diferentes áreas da peça resfriam em taxas diferentes, tensões internas causam deformação da impressão, levando a empenamento ou encolhimento. Soluções como impressão de balsas, mesas aquecidas e raios em arestas e cantos agudos ajudam a reduzir isso.

Materiais diferentes são mais propensos a empenamento que outros. Ex.: ABS é conhecido por ser mais suscetível a empenamento que PLA.

Tolerância dimensional	± 0,5% (limite inferior: ± 0,5 mm) - desktop ± 0,15% (limite inferior: ± 0,2 mm) - industrial
Encolhimento/empemamento	Termoplásticos que requerem temperatura de impressão mais alta são mais arriscados. Adicionar raio na borda inferior em contato com mesa ou brim é recomendado. Encolhimento geralmente ocorre na faixa 0,2-1% dependendo do material.
Requisitos de suporte	Essencial para alcançar peça precisa. Necessário para overhangs maiores que 45°.

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SLA

Impressoras SLA (estereolitografia) usam laser para curar UV áreas específicas de tanque de resina para formar peça sólida uma seção transversal por vez. Essas áreas curadas, porém, não estão na resistência total até pós-processamento com UV. Por isso e pelos ângulos e orientações que peças SLA são tipicamente impressas, curvatura de vãos não suportados pode ocorrer.

Como uma camada é construída por vez, esse efeito torna-se cumulativo levando a discrepâncias dimensionais às vezes vistas em peças SLA altas. Discrepâncias dimensionais também podem ocorrer devido ao processo de descascamento usado por algumas impressoras SLA. Força de tração durante descascamento pode causar dobra da impressão macia, que novamente acumula conforme cada camada é construída.

Resinas com propriedades flexurais mais altas (menos rígidas) estão em maior risco de empenamento e podem não ser adequadas para aplicações de alta precisão.

Tolerância dimensional	± 0,5% (limite inferior: ± 0,10 mm) - desktop ± 0,15% (limite inferior: ± 0,01 mm) - industrial
Encolhimento/empemamento	Provável para vãos não suportados.
Requisitos de suporte	Essencial para alcançar peça precisa.

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SLS

Sinterização Seletiva a Laser (SLS) produz peças com alta precisão e imprime designs com geometria complexa. Laser sinteriza seletivamente pó camada por camada para formar peça sólida.

Para restringir probabilidade de peças empenarem ou encolherem durante impressão, impressoras SLS usam câmaras de construção aquecidas que aquecem o pó para pouco abaixo da temperatura de sinterização. Isso ainda resulta em gradientes de temperatura em peças SLS grandes onde base da peça resfriou enquanto camadas superiores impressas recentemente permanecem em temperatura elevada. Para mitigar ainda mais probabilidade de empenamento, peças são deixadas no pó para resfriar lentamente (frequentemente 50% do tempo total de construção).

Tolerância dimensional	± 0,3% (limite inferior: ± 0,3 mm)
Encolhimento/empemamento	Encolhimento geralmente ocorre na faixa 2-3% porém a maioria dos provedores de impressão SLS considera isso no design.
Requisitos de suporte	Não necessário.

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Material Jetting

Material Jetting é considerado a forma mais precisa de impressão 3D. Como não há calor envolvido no processo de impressão, empenamento e encolhimento raramente ocorrem.

A maioria dos problemas de precisão dimensional relaciona-se a características e paredes finas impressas abaixo das especificações da impressora. Material Jetting imprime suporte como estrutura sólida de material secundário macio removido após impressão. Natureza sólida do suporte resulta em superfícies em contato com suporte sendo impressas com alto nível de precisão. Cuidado ao manusear peças produzidas via Material Jetting pois podem empenar e mudar dimensionalmente como resultado de exposição a calor ambiente, umidade ou luz solar.

Tolerância dimensional	± 0,1% (limite inferior: ± 0,05 mm)
Encolhimento/empemamento	Não é problema para Material Jetting.
Requisitos de suporte	Essencial para alcançar peça precisa.

Impressão 3D em Metal

Impressão em metal (especificamente DMLS e SLM) usa laser para sinterizar ou derreter seletivamente pó metálico para produzir peças metálicas. Muito parecido com SLS, impressão em metal produz peças camada por camada em ambiente controlado e aquecido em máquinas de tamanho industrial. Essa construção camada por camada acoplada às temperaturas muito altas do processo cria gradientes térmicos extremos, e efeito líquido é que tensões são incorporadas à peça.

Como resultado, peças impressas em metal estão em alto risco de distorcer ou empenar, significando que boas práticas de design e orientação da peça são críticas para alcançar peça precisa. Diferente do SLS, estruturas de suporte são vitais para minimizar distorção da peça durante produção. Peças também são geralmente construídas sobre placa metálica sólida e precisam ser removidas uma vez completo o processo de impressão. Sólida compreensão do processo é necessária junto com estruturas de suporte sólidas e de treliça para manter peça firmemente presa à mesa de impressão e impedir que se desprenda. A maioria das peças também é aliviada de tensões (via processo de tratamento térmico) após construídas e antes da remoção da placa de construção (fazer isso permite que estrutura cristalina relaxe, prevenindo falha posterior).

Como custo de peças impressas em metal 3D é alto, simulações são frequentemente usadas para validar precisão de um design antes de iniciar trabalho de impressão.

Tolerância dimensional	± 0,1 mm
Encolhimento/empemamento	Peças em alto risco de encolhimento ou empenamento. Reforço e suporte usados para reduzir probabilidade.
Requisitos de suporte	Essencial para alcançar peça precisa.

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Regras práticas

• Para maior precisão (e quando orçamento não é restrição), Material Jetting é a solução ideal.
• Para alta precisão, SLA é recomendado para peças menores que 1000 cm³ (10 x 10 x 10 cm), e SLS para peças com dimensões maiores que 1000 cm³.
• Prototipagem rápida e econômica: FDM é a melhor solução.