Extrusão de materiais em impressão 3D:definição, histórico, aplicações e fluxo de trabalho

No contexto da impressão 3D, extrusão é o processo pelo qual uma pasta ou pasta semi-liquefeita é espremida através de um orifício ou matriz para formar uma linha de formato cilíndrico (ou outro) do material. Em seguida, ele endurece ou cura, permitindo que uma nova camada de material extrudado seja colocada por cima. Tanto a modelagem por deposição fundida (FDM) quanto a fabricação de filamento fundido (FFF) imprimem usando esta técnica. 

Embora a primeira versão do processo FDM de S. Scott Crump usasse uma pistola de cola, a tecnologia foi refinada para se tornar muito mais precisa e flexível. A extrusão de material pode empregar uma ampla variedade de materiais, como filamentos de polímero, pellets de polímero, filamentos e pellets de cera, pastas cerâmicas e filamentos de pó metálico ligados com polímero.

Este artigo definirá e discutirá o processo, a história e as aplicações da extrusão de materiais no que se refere à impressão 3D.

O que é extrusão de material na impressão 3D?

No domínio da impressão 3D, o processo de extrusão significa empurrar o material pronto para colagem através de um bico aquecido para depositá-lo em camadas sucessivas. Cada camada é efetivamente uma “fatia” 2D do objeto 3D. A maioria das impressoras aquece um polímero ou cera até um estado semelhante a um gel para tornar o material imprimível. Esses materiais podem ser modificados com aditivos que lhes conferem propriedades desejáveis ​​tanto no estado gelificado (isto é, controladores de viscosidade) quanto no estado sólido.  

Para obter mais informações, consulte nosso guia sobre o que saber sobre impressoras 3D.

Quais materiais são usados na extrusão de materiais?

As máquinas extrusoras de materiais podem ser projetadas para imprimir o seguinte:

1. Polímeros como PLA, ABS, ASL e náilon são comuns e recebem uma ampla gama de aditivos. Alguns outros são tecnicamente ceras, mas funcionam da mesma forma que os polímeros.
2. A cerâmica é impressa em 3D para formar cerâmica (geralmente artística). Os bicos para essa finalidade têm de 10 a 50 vezes o tamanho das extrusoras de plástico.
3. O concreto e vários materiais de construção têm recebido atenção recente como opções de impressão 3D. A ideia é imprimir edifícios inteiros, e o processo difere do FDM principalmente apenas na escala.

Onde a extrusão de material é usada?

A extrusão de material é usada principalmente na prototipagem FDM. Este método de fabricação aditiva é mais popular do que outros para esse fim porque é a opção mais barata e acessível. Os protótipos FDM são usados ​​em vários setores, incluindo marketing e desenvolvimento de produtos. As peças são produzidas rapidamente e geralmente são funcionais o suficiente para que os desenvolvedores testem recursos (desde que não sejam menores que 1-2 mm). Os protótipos não são peças de alto desempenho.

Quando surgiu a primeira tecnologia de extrusão de materiais?

A tecnologia de extrusão de material foi prevista pela primeira vez por um autor de ficção científica, Murray Leinster, em seu conto “Things Pass By”, de 1945. O processo real, entretanto, tomou forma prática no final da década de 1980 e foi comercializado pela Stratasys. Esta se tornou a espinha dorsal do setor de impressão 3D.

Qual é o nome registrado para extrusão de material?

A Stratasys registrou a extrusão de material sob o nome “modelagem de deposição por fusão” ou FDM. Embora as patentes tenham expirado, eles ainda têm direitos sobre o nome, embora a Stratasys não pareça policiá-lo de perto. Muitos outros fabricantes chamam seu processo de “fabricação de filamentos fundidos” (FFF), embora o apelido FDM seja mais amplamente compreendido. 

O que é o processo de extrusão de materiais?

A extrusão de material no domínio da impressão 3D envolve forçar a matéria-prima de polímero ou cera através de um bico com temperatura controlada. Isso suaviza o material para um estado fluido viscoso ou quase fluido para que possa ser aplicado a uma mesa de construção ou camada de modelo impresso existente. Cada camada é efetivamente bidimensional, mas elas se combinam para criar uma construção 3D.

O polímero (ou cera) é aquecido no bico até atingir o estado gelificado. O material deve estar suficientemente derretido para flexionar e aderir aos materiais circundantes (mais frios), mas não tão líquido a ponto de fluir para longe do ponto de aplicação. O material extrudado esfria e solidifica rapidamente para que a próxima camada possa ser aplicada sobre ele.

Quais são as vantagens da extrusão de materiais?

A extrusão de material, no que se refere à impressão 3D FDM/FFF, oferece diversas vantagens:

1. Os polímeros podem ser impressos em baixas temperaturas, portanto o equipamento de impressão é simples e barato. 
2. É necessária muito pouca manutenção do processo. Depois que as configurações da máquina são otimizadas, uma impressora pode funcionar sem supervisão por períodos muito longos.
3. Os materiais extrudáveis estão entre os mais baratos no setor de impressão 3D. Eles estão disponíveis em uma ampla variedade de fornecedores concorrentes.
4. Os modelos podem atingir padrões cosméticos e mecânicos suficientes para serem úteis em uma ampla gama de aplicações.
5. As impressoras FDM/FFF são mais baratas e operam com custos menores do que outras impressoras 3D. Isso lhes dá os preços mais baixos de qualquer sistema de impressão 3D.

Quais são as desvantagens da extrusão de materiais?

As desvantagens da extrusão de material são:

1. As peças impressas por extrusão de material podem apresentar apenas 20% da resistência típica do material. Os modelos tendem a ser intrinsecamente fracos.
2. O acabamento cosmético muitas vezes deixa muito a desejar. O FDM não pode imprimir em altas resoluções na direção XY ou no eixo Z. Equipamentos mais caros são melhores que sistemas mais baratos. O processo, no entanto, é mais adequado para modelos relativamente grosseiros que carecem de detalhes finos e não necessitam de acabamentos superficiais precisos. 
3. Como o material está quente quando é aplicado, muitos modelos retêm tensões internas que os distorcem à medida que esfriam. As impressoras mais caras possuem câmaras de construção aquecidas que podem ajudar a reduzir esse efeito.
4. A ligação intracamada é bastante pobre em alguns materiais. Isto resulta em propriedades severamente anisotrópicas. Alguns materiais aderem melhor do que outros, mas sempre há compensações em suas propriedades. 

Qual é a diferença entre jato de material e extrusão de material?

O jateamento de material e a extrusão de material diferem de várias maneiras:

1. Processo: A extrusão aplica material parcialmente derretido em linhas e pontos. Possui resolução mínima de ponto entre 0,5 mm e 1 mm de diâmetro (dependendo da impressora e do plástico ou cera específico). Os processos de Material Jetting são muito mais precisos, aplicando resinas líquidas com tamanho de ponto geralmente menor que 0,05 mm.
2. Construção de camadas: Os sistemas baseados em extrusão usam um único bico aplicador (a qualquer momento) para construir um modelo, o que limita a velocidade de construção. Os processos de jato de material usam cabeçotes de impressão a jato de tinta de até 100 mm de largura para “desenhar” faixas largas de uma camada em uma única passagem na mesa. Essa largura adicional torna a construção de cada camada consideravelmente mais rápida.
3. Construções de camada Z: Os sistemas baseados em extrusão têm a vantagem de construir camadas relativamente espessas. Raramente são mais finos que 0,1 mm e muitas vezes podem ter até 0,5 mm de espessura. As espessuras da camada de jateamento de material são geralmente de 16 µm a 50 µm. Isso significa que mais camadas são necessárias para construir a altura Z, tornando as construções geralmente mais lentas em geral, apesar do fato de cada camada ser impressa rapidamente.
4. Custo do equipamento: A tecnologia FDM/FFF baseada em extrusão é simples, tornando as máquinas uma das impressoras 3D mais baratas. O Material Jetting é delicado e complexo, portanto o equipamento é geralmente 1 a 2 ordens de magnitude mais caro que o FDM/FFF.

Resumo

Este artigo revisou o conceito de extrusão de material aplicado à tecnologia de impressão 3D. Para saber mais sobre extrusão de materiais e determinar se esta é a tecnologia certa para sua aplicação, entre em contato com um representante da Xometry.

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