A Impressão 3D Pode Substituir a Injeção de Plástico? Por Que Não Vai Acontecer

Se leu notícias pelo menos uma vez na última década, pode estar ciente da chamada revolução da impressão 3D. Embora a manufatura aditiva tenha sido usada na indústria desde os anos 80, não estava amplamente disponível para utilizadores hobbyistas até recentemente.

A criação do projeto RepRap, além da expiração de várias patentes, permitiu uma diminuição acelerada no custo de impressoras 3D de nível hobby.

Agora que quase todos podem pôr as mãos numa impressora 3D, muita gente questiona os limites desta tecnologia, e especialmente se vai eventualmente substituir métodos tradicionais de produção como Injeção de Plástico (Injection Molding).

Embora a impressão 3D definitivamente tenha o seu lugar no espaço industrial, não vai substituir a produção tradicional por Injeção de Plástico, pelo menos nos próximos anos. Ambas as tecnologias têm vantagens e desvantagens e podem superar a outra em áreas específicas. Enquanto a impressão 3D é excelente para pequenos lotes de produção e criação de protótipos, a Injeção de Plástico continua a ser a mais eficiente em custo para grandes produções.

Devido ao menor custo dos materiais e à eficiência energética da Injeção de Plástico, é a tecnologia de produção recomendada quando se produzem mais de (aproximadamente) cem quilogramas de unidades plásticas do mesmo produto.

Por que a impressão 3D é mais cara que a Injeção de Plástico?

Assumindo que já tem um molde para iniciar a produção, a produção por Injeção de Plástico é muito mais barata que a impressão 3D numa base por unidade. Isto deve-se tanto ao custo real do plástico usado em ambas as técnicas como à eficiência energética de cada tecnologia.

Eficiência energética da impressão 3D e injeção de plástico

O consumo médio de uma impressora 3D a trabalhar a imprimir a 200°C com base aquecida a 60°C é aproximadamente 125W/h. Isto significa que a impressão 3D consome em média 9,61kW por quilograma de plástico, enquanto apenas necessitaríamos de uma média de 1,5kW para produzir a mesma quantidade de plástico via Injeção de Plástico.

Usando uma taxa média de 13 cêntimos por kW/h (preço razoável para os EUA), o custo de produzir 1 kg de plástico torna-se 1,25$ para impressão 3D e 0,19$ para Injeção de Plástico.

Embora estes números sejam uma aproximação grosseira, e o custo exato de cada tecnologia dependa da máquina específica usada e dos modelos a produzir, ainda podemos concluir que a injeção de plástico é mais eficiente em termos de consumo de energia para aproximadamente a mesma saída (por um fator de mais de 6).

As estimativas de consumo de eletricidade usadas neste cálculo baseiam-se nas nossas próprias medições de uma Ender 3 v2 (confira o artigo do Facundo sobre o tema). Pode ter adivinhado que nem ele nem eu temos uma máquina de Injeção de Plástico em casa, então baseei estes cálculos numa média de múltiplas fontes reputadas.

Custo do plástico para impressão 3D e injeção de plástico

O custo por quilograma de material para impressoras 3D é aproximadamente 20 vezes mais caro que os pellets de plástico usados para Injeção de Plástico.

Se já comprou filamento para uma impressora 3D, provavelmente concorda que não é incomum pagar 20$ por um carretel de PLA ou ABS. Compare isso com o custo médio de 1$ por quilograma de pellets de ABS e agora sabemos definitivamente por que a maioria dos nossos eletrodomésticos do dia a dia não são impressos em 3D.

A injeção de plástico é sempre mais barata que a impressão 3D?

Embora já tenhamos determinado que a Injeção de Plástico é muito mais eficiente em custo para produzir maiores quantidades de um dado produto, as impressoras 3D também têm o seu lugar na indústria.

Muitas vezes, é apenas necessário produzir um lote pequeno a médio de um dado produto. Este pode ser o caso de um protótipo ou de um produto que serve apenas um nicho de mercado e terá assim procura limitada.

Para quantidades menores, o custo do próprio molde é muito important. Falando grosso, um molde de cavidade única (simples) pode custar entre 1000$ e 2000$, enquanto moldes grandes e complexos podem custar até 75.000$.

Perguntar o preço de um molde é como perguntar o preço de um carro, pois a gama é enorme. A avaliação do meu carro é provavelmente mais baixa que o preço de um Ferrari. No entanto, para comparar ambas as tecnologias, vou assumir um custo de molde de 10.000$.

Como pode ver no gráfico abaixo, a injeção de plástico torna-se mais eficiente em custo que a impressão 3D a cerca de 500kg de itens produzidos.

Este ponto de inflexão (500kg) depende muito do custo do próprio molde. Se fizermos os mesmos cálculos novamente mas assumirmos um preço de molde de apenas 2.000$ (para um molde simples de cavidade única), devemos decidir mudar de impressão 3D para Injeção de Plástico a aproximadamente 100 quilogramas.

Quando devo usar uma impressora 3D em vez de injeção de plástico?

A manufatura aditiva é mais conveniente em casos onde a produção requerida é de apenas algumas dezenas de quilogramas. Também é recomendada para prototipagem rápida de novos modelos, pelo facto de permitir que designers iterem e otimizem os seus modelos sem incorrer em custos significativos.

A tecnologia de impressão 3D também permite aos designers criar formas que não poderiam ser produzidas com métodos de manufatura tradicionais. A seguinte Torre Eiffel que imprimi com a minha Ender 3 v2 é impossível de produzir com injeção de plástico.

A impressão 3D é mais lenta que a injeção de plástico?

Uma impressora 3D é definitivamente mais lenta que uma máquina de injeção de plástico. Por exemplo, não é incomum que tais máquinas produzam até 3.000 tampas de garrafa por hora. Uma impressora 3D produziria uma unidade do mesmo item em aproximadamente 15 minutos, o que significa que precisaríamos de 750 impressoras para igualar a mesma taxa de produção. Inversamente, também poderíamos esperar 750 horas para imprimir a mesma quantidade de unidades.

Dito isto, uma impressora 3D é definitivamente mais rápida e conveniente quando se trata de iterações rápidas e produções de pequenos lotes. Também é muito conveniente durante o processo de prototipagem. Através da tecnologia de manufatura aditiva, podemos fazer sprints de design sequenciais e otimizar e melhorar rapidamente os nossos modelos, algo que não conseguiríamos fazer se escolhêssemos Injeção de Plástico.

O mais importante, a fabricação de um molde pode demorar até 10 semanas, o que significa que teríamos de esperar pelo menos esse tempo para ver a nossa primeira unidade produzida. Por outro lado, se já tivermos o G-Code do nosso design num USB, podemos esperar ter o nosso item no mesmo dia.

O plástico de impressão 3D é o mesmo que o de Injeção de Plástico?

Máquinas de impressão 3D usam carretéis de filamento para produzir as unidades desejadas, enquanto a manufatura por Injeção de Plástico geralmente usa plásticos na forma de pequenos pellets. Dito isto, alguns tipos de termoplásticos são usados em ambas as tecnologias.

Poliestireno (HIPS), ABS e Nylon são materiais populares usados tanto em impressão 3D como injeção de plástico. PLA é a escolha mais popular de plástico na comunidade de impressão 3D, mas tem quase zero casos de uso em injeção de plástico.

Outros plásticos comuns usados em injeção de plástico são Acrílico, Polipropileno e Polietileno, entre outros. Estes não são compatíveis com impressoras desktop hobbyistas, maioritariamente devido às altas temperaturas necessárias para os extrudir.

Impressoras 3D de grau industrial, como as que pode comprar da Stratasys ou 3D Systems, são compatíveis com a maioria dos termoplásticos. Há uma pequena ressalva: custam algumas centenas de milhares de dólares.

Vantagens e desvantagens da impressão 3D e injeção de plástico

Ambas as tecnologias têm as suas aplicações onde superam a outra, então é seguro dizer que ambas as técnicas vão ser usadas nos próximos anos (ou décadas).

Embora já tenhamos passado pela maioria das vantagens e desvantagens de cada tecnologia, vamos resumi-las rapidamente.

Vantagens da Impressão 3D sobre Injeção de Plástico

• Permite iterações rápidas e melhorias de design
• Perfeitamente adequada para lotes pequenos a médios
• Permite itens personalizados únicos
• Permite formas e designs impossíveis de produzir com outras tecnologias
• Não requer custos iniciais (ou seja, um molde)
• Adequada tanto para hobbyistas como prosumers

Vantagens da Injeção de Plástico sobre Impressão 3D

• Muito eficiente em custo para grandes quantidades
• Consome menos eletricidade por quilograma de plástico
• Produz produtos de alta qualidade com detalhes finos
• Grandes quantidades de unidades produzidas por hora
• Compatível com uma ampla gama de termoplásticos
• Peças mais fortes e resistentes

Conclusão

Resumindo, é seguro dizer que a impressão 3D não vai substituir as técnicas tradicionais de Injeção de Plástico. O facto de as impressoras 3D atuais não conseguirem atingir a mesma qualidade e robustez que se espera de peças injetadas representa uma enorme desvantagem para a manufatura aditiva. Adicionalmente, a própria tecnologia não permite as incríveis taxas de produção alcançáveis com métodos de manufatura tradicionais.

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