Manufatura Aditiva e Impressão 3D Explicadas: Insights e Aplicações Principais

Há muita confusão em torno do que os termos manufatura aditiva e impressão 3D significam.

E isso não é surpreendente. Afinal, ambos os termos se relacionam a processos muito semelhantes.

Tanto manufatura aditiva quanto impressão 3D descrevem um processo de criar objetos construindo gradualmente camadas finas de material.

Neste artigo, explicaremos exatamente o que são manufatura aditiva e impressão 3D, como se relacionam entre si e para que são usadas.

Para que a Manufatura Aditiva é Usada na Impressão 3D?

Na manufatura tradicional, peças são frequentemente usinadas a partir de blocos maiores de material. Em outras palavras, material é subtraído do bloco inicial para formar a peça. Naturalmente, isso causa muito desperdício. Se você já viu um vídeo de um torneiro mecânico transformando um bloco sólido de metal ou madeira em uma peça acabada, provavelmente ficou impressionado com a enorme quantidade de material desperdiçado.

Por outro lado, na manufatura aditiva, peças são feitas construindo camadas de material para formar a peça acabada. Como funciona? Isso depende do tipo de manufatura aditiva usado.

Segundo a Sociedade Americana para Testes e Materiais (ASTM), existem sete categorias de manufatura aditiva:

1. Fotopolimerização em Cava (VAT Photopolymerization) — objetos são construídos a partir de camadas de resina fotopolimerizável líquida, que é curada usando luz ultravioleta
2. Fusão de Leito de Pó (Powder Bed Fusion) — objetos são construídos a partir de camadas de pó de material e fundidos (ou "fundidos") usando calor ou um laser poderoso. Técnicas comuns incluem sinterização seletiva a laser (SLS)
3. Jateamento de Material (Material Jetting) — cada camada de um objeto é construída usando uma cabeça de impressão, que deposita gotas de um material líquido em uma superfície de construção onde solidificam rapidamente. Uma vez completa, cada camada é curada usando luz ultravioleta
4. Laminação de Folhas (Sheet Lamination) — objetos são construídos a partir de folhas ou fitas de metal, que são unidas usando soldagem ultrassônica. Laminação de folhas não é uma técnica completamente aditiva, pois material excedente geralmente deve ser removido usando técnicas de manufatura tradicionais como usinagem CNC
5. Extrusão de Material (Material Extrusion) — material é puxado através de um bico, onde é aquecido e depositado em camadas em uma plataforma de construção. Neste caso, nenhum processo adicional é necessário para curar as camadas, pois cada camada é depositada em estado fundido
6. Deposição de Energia Direcionada (Directed Energy Deposition) — DED abrange uma gama de técnicas complexas de manufatura aditiva usadas para reparar ou adicionar material a componentes existentes. Na maioria das implementações, um material derretido é depositado através de um bico na superfície alvo, onde solidifica. O processo é semelhante em princípio à extrusão de material, com a exceção de que o bico deve ser capaz de se mover em múltiplas direções para contabilizar superfícies alvo de formatos diferentes
7. Jateamento de Aglutinante (Binder Jetting) — também conhecido como Impressão 3D

Como este artigo foca especificamente em impressão 3D para manufatura aditiva, daremos uma olhada mais de perto neste.

Qual é o Processo de Manufatura Aditiva (Impressão 3D)?

Impressão 3D usa dois materiais:

1. Um material baseado em pó, geralmente plástico, metal ou cerâmica, e
2. Um aglutinante, que atua como adesivo entre camadas de pó. A maioria dos aglutinantes vem em forma líquida

O termo impressão 3D vem da semelhança visual do jateamento de aglutinante com impressão 2D. Dentro de uma impressora jato de tinta padrão, uma cabeça de impressão viaja horizontalmente ao longo dos eixos X e Y para depositar gotas de tinta em um pedaço de papel.

Similarmente, para construir um objeto usando impressão 3D, a cabeça de impressão se move horizontalmente ao longo dos eixos X e Y da máquina e deposita camadas alternadas do material de construção e do material aglutinante. Após cada camada ser completada, a plataforma de construção que sustenta o objeto é fracionalmente abaixada para permitir que a próxima camada seja impressa.

Dependendo do tamanho do objeto sendo impresso, pode exigir centenas, milhares ou até dezenas de milhares dessas camadas para completar. Para dar uma ideia do que o processo parece, dê uma olhada neste vídeo em timelapse de um modelo de torre Eiffel impresso em 3D.

Importância do Software de Manufatura Aditiva e Impressão 3D

Todas as técnicas de manufatura aditiva, incluindo impressão 3D, dependem de técnicas de design digital como Desenho Assistido por Computador (CAD). Na verdade, todo o propósito da impressão 3D é transformar designs digitais em objetos do mundo real.

No passado, engenheiros usavam software CAD combinado com técnicas rigorosas de modelagem de simulação para projetar objetos que seriam robustos e eficazes no mundo real. Mas havia um problema. Técnicas de manufatura tradicionais como usinagem CNC e moldagem por injeção vêm com certas limitações, que tornam produzir aqueles objetos "perfeitos" impossíveis.

É aqui que entra a relação harmoniosa entre CAD e impressão 3D. Uma das vantagens mais importantes da impressão 3D é que ela permite que designs digitais sejam produzidos no mundo real sem as restrições das técnicas de manufatura tradicionais.

CAD e impressão 3D permitem que a manufatura seja orientada pelo design, enquanto historicamente o processo de design tinha que ser orientado pelo que era possível usando técnicas de manufatura convencionais. Isso dá aos engenheiros muito mais liberdade de design do que nunca e facilitou grandes avanços em várias indústrias.

Embora a maioria dos softwares CAD comerciais tenham introduzido um módulo para Manufatura Aditiva, construir sua própria aplicação CAD personalizada para Manufatura Aditiva é bastante fácil com SDKs 3D da Spatial. Confira www.spatial.com para saber mais.

Saiba Sobre a Diferença Entre Manufatura Aditiva e Impressão 3D

1. Os 7 Principais Tipos de Manufatura Aditiva
2. 6 Avanços Médicos da Impressão 3D
3. Como Aproveitar Totalmente o CAD no Processo de Manufatura Aditiva

Benefícios da Impressão 3D Manufatura Aditiva Sobre Técnicas de Manufatura Tradicionais

Claro, liberdade de design não é a única vantagem que a impressão 3D tem sobre técnicas de manufatura tradicionais. Algumas das outras principais vantagens incluem:

• Produzir estruturas complexas e leves com materiais de manufatura aditiva e impressão 3D.

Já notamos que a impressão 3D torna possível construir objetos que não podem ser construídos usando técnicas tradicionais. No entanto, também vale notar que, como são construídos camada por camada, peças altamente complexas podem ser construídas em uma única peça. Ao mesmo tempo, devido à gama de materiais disponíveis, mesmo peças complexas impressas em 3D podem ser tanto leves quanto de alta resistência à tração.

• É mais barato para construções únicas.

Uma das grandes vantagens da impressão 3D é que não requer moldes ou equipamentos especiais de montagem. Como resultado, pequenos lotes de objetos únicos podem ser produzidos facilmente e a um custo muito menor.

• Menos desperdício.

Como já notado, impressão 3D é uma técnica de manufatura aditiva, enquanto muitas técnicas tradicionais envolvem extração de material. Este fato sozinho significa que a impressão 3D resulta em muito menos desperdício do que outras técnicas de manufatura comuns.

• Time-to-market mais rápido.

Simplificando, nenhuma outra técnica permite que fabricantes projetem e construam objetos tão rapidamente quanto a impressão 3D. Isso é particularmente valioso quando se trata de construir e testar protótipos. É por esta razão que a impressão 3D se tornou sinônimo de uma de suas aplicações mais comuns: prototipagem rápida.

Impressão 3D para Manufatura Aditiva Usada na Construção de Protótipos Rápidos

Prototipagem rápida é, simplesmente, a produção rápida de um objeto físico, peça ou modelo.

Qualquer técnica de manufatura pode ser utilizada na prototipagem rápida, desde técnicas tradicionais como usinagem CNC até técnicas mais modernas como soldagem 3D. Por razões óbvias, no entanto, tecnologias aditivas como impressão 3D são as mais comumente usadas.

Como o nome implica, prototipagem rápida é principalmente usada para construir uma série de protótipos, que podem ser rapidamente testados e descartados até que o melhor design seja encontrado. Esta abordagem iterativa de design e manufatura sempre foi popular e só se tornou mais eficaz com a evolução dos processos de manufatura aditiva.

Prototipagem rápida tem três benefícios distintos para fabricantes quando combinada com impressão 3D:

• É altamente custo-efetiva. A maior parte do processo é automatizada, então poucos funcionários são necessários para completar o processo. Igualmente, os materiais e processos de manufatura são mais baratos para configurar do que seria o caso com técnicas de manufatura alternativas.
• Velocidade. Prototipagem rápida ajuda fabricantes a produzir e descartar designs mais rápido do que nunca, aprendendo com cada iteração e chegando cada vez mais perto do produto final. Isso se traduz em um time-to-market (TTM) mais rápido, que é frequentemente uma vantagem competitiva significativa.
• Risco reduzido. Erros na manufatura podem ser extremamente custosos. Devido ao baixo custo e investimento de tempo necessários para produzir protótipos adicionais, a prototipagem rápida reduz drasticamente o risco de erros custosos durante a fase de produção em massa.

Para que a Impressão 3D é Usada?

Neste ponto, além da manufatura, a maior parte do hype e atenção da mídia para impressão 3D girou em torno de suas aplicações de consumo. É inegavelmente "legal" que qualquer pessoa com um laptop e menos de mil dólares possa projetar e construir quase qualquer objeto que possa imaginar.

No entanto, o verdadeiro valor da impressão 3D está em suas aplicações comerciais. Algumas das principais indústrias aproveitando a impressão 3D incluem:

Aviação e aeroespacial — Impressão 3D tem benefícios óbvios para a indústria da aviação. Mais notavelmente, permite que empresas de aviação construam protótipos rápido e a baixo custo enquanto usam materiais fortes e leves. Agora, impressão 3D está sendo usada para fabricar tudo, desde itens de acabamento interno como mesas de encosto de assento e encostos de cabeça até componentes de motor e armamentos.

Com o desenvolvimento de impressoras 3D cada vez maiores, podemos esperar ver ainda mais componentes sendo construídos usando impressão 3D no futuro próximo — talvez até um motor de aeronave inteiro.

Saúde — No passado, a disponibilidade de implantes e próteses tem sido um obstáculo substancial e custoso para o cuidado do paciente. No entanto, por vários anos, a impressão 3D tem sido usada no desenvolvimento de uma ampla variedade de guias de corte cirúrgico, próteses e até implantes específicos para pacientes.

À medida que os materiais evoluíram, a indústria tem sido capaz de usar impressão 3D para construir produtos cada vez mais leves, fortes e seguros, reduzindo tempos de resposta e custo.

Automotiva — Por várias décadas, a indústria automotiva usou impressão 3D e outras técnicas de manufatura aditiva para produzir protótipos. Inicialmente, este era o único uso viável para impressão 3D na indústria automotiva, pois os materiais disponíveis não eram suficientemente robustos para uso no mundo real.

No entanto, à medida que os materiais evoluíram, a impressão 3D assumiu um papel maior na indústria. Agora, a técnica é rotineiramente usada para produzir uma variedade de moldes, ferramentas de termoformação, garras, gabaritos e fixações necessárias durante a manufatura. Em outras palavras, a impressão 3D está sendo usada para aumentar outras técnicas de manufatura.

Mas não é só isso. A impressão 3D também é inestimável para produzir peças personalizadas como carrocerias e componentes internos usados para personalizar veículos específicos.

Arquitetura — A indústria arquitetônica depende de modelos em escala para mostrar a clientes e investidores como um projeto será quando construído. Estes modelos historicamente eram construídos à mão, e frequentemente exigiam centenas de horas-homem para completar. Naturalmente, a impressão 3D mudou tudo.

Como projetos arquitetônicos já são projetados usando software de computador, eles são candidatos naturais para impressão 3D. Agora, uma vez que um arquivo CAD foi completado, ele pode ser enviado direto para impressão, economizando uma enorme quantidade de tempo e garantindo uma réplica de modelo precisa.

O Que Vem a Seguir para Impressão 3D e Manufatura Aditiva?

Até agora, a adoção comercial generalizada foi limitada a indústrias já conhecidas por estar na vanguarda da tecnologia — manufatura, aviação, automotiva e saúde, em particular.

No entanto, com hardware e materiais melhorando o tempo todo, não há dúvida de que a impressão 3D continuará a crescer nos próximos anos.

De casas impressas em 3D a carros, não demorará muito até que quase tudo que usamos diariamente possa ser construído usando esta técnica aparentemente espacial.