Entendendo a Impressão 3D: Princípios, Tipos e Principais Aplicações

Entendendo a Impressão 3D: Princípios, Tipos e Principais Aplicações

O conceito de impressão 3D foi delineado por David E.H. Jones em 1974. No entanto, métodos e materiais para fabricação de modelos não foram desenvolvidos até o início da década de 1980.

O termo "impressão 3D" abrange numerosos processos e técnicas que oferecem um amplo espectro de capacidades para a produção de peças e produtos em diferentes materiais. Nos últimos anos, esses processos desenvolveram significativamente e agora podem desempenhar papéis cruciais em muitas aplicações.

Este artigo de visão geral visa explicar os diferentes tipos e processos de impressão 3D, como funcionam e quais são seus usos e benefícios no mercado atual. Vamos começar com uma pergunta muito básica.

O que é Impressão 3D?

Impressão 3D, também conhecida como manufatura aditiva, é um processo de fabricação de um objeto físico a partir de um modelo digital tridimensional ou um modelo CAD. Envolve várias técnicas controladas por computador nas quais o material é unido ou solidificado para construir um objeto real.

Tipicamente, o material (como grãos de pó ou moléculas líquidas sendo fundidas) é adicionado camada por camada na escala de milímetros. É por isso que a impressão 3D também é chamada de processo de manufatura aditiva.

A imagem ilustra como uma impressora 3D imprime objetos tridimensionais camada por camada | 3D Logics

Na década de 1990, as técnicas de impressão 3D eram referidas como prototipagem rápida. Eram adequadas apenas para fabricação de protótipos estéticos ou funcionais. Desde então, percorremos um longo caminho.

A tecnologia de impressão 3D atual é avançada o suficiente para criar estruturas e geometrias complexas que seriam impossíveis de construir manualmente.

A precisão, gama de materiais e repetibilidade da impressão 3D aumentaram a ponto de podermos construir quase tudo — desde protótipos simples até produtos finais complexos, como edifícios ecológicos, peças de aeronaves, instrumentos médicos e até órgãos artificiais usando camadas de células humanas.

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Como Funciona Exatamente?

Todas as técnicas de impressão 3D são baseadas no mesmo princípio: uma impressora 3D pega um modelo digital (como entrada) e o transforma em um objeto físico tridimensional adicionando material camada por camada.

É bem diferente dos processos tradicionais de manufatura, como injeção de molde e usinagem CNC, que usam várias ferramentas de corte para construir a estrutura desejada a partir de um bloco sólido. A impressão 3D, no entanto, não requer ferramentas de corte: os objetos são fabricados diretamente na plataforma de construção.

O processo começa com um modelo 3D digital (uma planta do objeto). O software (específico para a impressora) fatia o modelo 3D em camadas finas e bidimensionais. Em seguida, as converte em um conjunto de instruções em linguagem de máquina para a impressora executar.

Dependendo do tipo de impressora e do tamanho do objeto, uma impressão leva várias horas para ser concluída. O objeto impresso frequentemente requer pós-processamento (como lixamento, verniz, tinta ou outros tipos de acabamentos convencionais) para obter o acabamento superficial ideal, o que leva tempo e esforço manual adicionais.

Diferentes tipos de impressora 3D empregam diferentes tecnologias que processam diferentes materiais de diferentes maneiras. Talvez a limitação mais básica da impressão 3D, em termos de materiais e aplicações, é que não existe uma solução única para todos.

Tipos/Processos de Impressão 3D

Segundo o padrão ISO/ASTM 52900, todos os processos de impressão 3D podem ser categorizados em sete grupos. Cada um tem prós e contras associados, que geralmente envolvem aspectos como custo, velocidade, propriedades do material e limitações geométricas.

1. Fotopolimerização em Cubeta (Vat Photopolymerization)

Ilustração da SLA: um laser(a) ilumina seletivamente o fundo transparente(c) de um tanque(b) preenchido com resina fotopolimerizável líquida. A plataforma de elevação(e) arrasta progressivamente a resina solidificada(d) para cima.

Uma impressora 3D baseada em fotopolimerização em cubeta tem um recipiente preenchido com resina fotopolímera, que é endurecida com uma fonte de luz ultravioleta para criar um objeto. As três formas mais comuns de polimerização em cubeta são:

1a) Estereolitografia (SLA): Inventada em 1984, a SLA usa um laser ultravioleta para interligar monômeros e oligômeros químicos para formar polímeros que compõem o corpo de um sólido tridimensional. Embora o processo seja rápido e possa construir quase qualquer estrutura, pode ser caro.

1b) Processamento Digital de Luz (DLP): Utiliza fontes de luz convencionais, como lâmpadas de arco (em vez de lasers). Cada camada do objeto é projetada sobre a cubeta de resina líquida, que é então solidificada camada por camada à medida que a plataforma de elevação sobe ou desce.

1c) Produção Contínua de Interface Líquida (CLIP): É semelhante à estereolitografia, mas contínua e até 100 vezes mais rápida. A CLIP pode produzir objetos emborrachados e flexíveis com lados lisos, que não poderiam ser criados com outras técnicas.

2. Extrusão de Material

Ilustração da extrusão de material: Bico(1) depositando material(2) em uma plataforma de construção(3).

Neste processo, um filamento de material termoplástico sólido é empurrado através de um bico aquecido, que derrete o material e o deposita na plataforma de construção ao longo de um caminho predeterminado. Este material eventualmente esfria e solidifica, formando um objeto tridimensional. As técnicas mais comumente usadas neste processo são:

2a) Modelagem por Deposição Fundida (FDM): Usa um filamento contínuo de um material termoplástico, como náilon, poliuretano termoplástico ou ácido polilático.

2b) Robocasting: Envolve extrusão de um material semelhante a pasta de um pequeno bico enquanto o bico se move através de uma plataforma de construção. O processo é diferente do FDM, pois não depende de secagem ou solidificação do material para manter sua forma após a extrusão.

3. Laminação de Folhas

Algumas impressoras usam papel e plástico como material de construção para reduzir o custo da impressão. Nesta técnica, múltiplas camadas de plástico adesivo, papel ou laminados metálicos são sucessivamente unidas e cortadas no formato usando um cortador a laser ou faca.

A resolução da camada pode ser definida pela matéria-prima do material. Tipicamente varia entre uma e algumas folhas de papel de cópia. O processo pode ser usado para fazer peças grandes, mas a precisão dimensional do produto final será bem menor que a da estereolitografia.

4. Deposição de Energia Direcionada

A técnica de deposição de energia direcionada é comumente usada na indústria de metal de alta tecnologia e aplicações de manufatura rápida. O aparelho de impressão contém um bico fixado a um braço robótico multi-eixos. O bico deposita um pó metálico na plataforma de construção, que é então derretido por um laser, plasma ou feixe de elétrons, para formar um objeto sólido.

Este tipo de impressão 3D suporta vários metais, materiais funcionalmente graduados e compósitos, incluindo alumínio, aço inoxidável e titânio. Não apenas pode construir peças metálicas completamente novas, mas também pode adicionar material a peças existentes, permitindo aplicações de manufatura híbrida.

5. Jateamento de Material

Peças impressas com o processo de jateamento de material

O jateamento de material opera de forma semelhante a impressoras de papel a jato de tinta. Neste processo, um material fotossensível é aplicado em gotas através de um bico de pequeno diâmetro e então endurecido por luz ultravioleta, construindo uma peça camada por camada.

Os materiais usados nesta técnica são fotopolímeros termofixos (acrílicos). Impressão multi-material e uma ampla gama de materiais (incluindo materiais semelhantes a borracha e transparentes) também estão disponíveis.

Como a impressão 3D por jateamento de material pode construir peças de alta precisão dimensional com acabamento superficial liso, é uma opção atraente para fabricação de protótipos visuais e ferramentas comerciais.

6. Jateamento de Ligante (Binder Jetting)

Uma impressão colorida em arenito com Jateamento de Ligante | Crédito da imagem: 3D Hubs

O jateamento de ligante usa dois materiais: material base em pó e um ligante líquido. O pó é distribuído em camadas uniformes na câmara de construção, e o ligante é aplicado através de bicos de jato, que "colam" as partículas de pó para construir o objeto desejado.

Cera ou polímero termofixo é frequentemente misturado com pó ligado para aumentar sua resistência. Após a conclusão da impressão 3D, o pó residual é coletado e usado para imprimir outra estrutura.

Como a técnica é muito semelhante a um processo de jato de tinta, também é chamada de impressão 3D por injeção. É usada principalmente para impressão de partes de elastômero, overhangs e protótipos coloridos.

7. Fusão de Leito de Pó

Um sistema SLS | DTM – 2500CI

A fusão de leito de pó é um subconjunto da manufatura aditiva pelo qual uma fonte de calor (como cabeça de impressão térmica ou laser) é usada para consolidar material em forma de pó para construir objetos físicos. As cinco formas mais comuns desta tecnologia são:

7a) Sinterização Seletiva a Laser (SLS): Usa um laser como fonte de energia para sinterizar material em pó como poliamida ou náilon. Aqui, o termo sinterizar refere-se ao processo de compactar e formar uma massa sólida de material aplicando pressão ou calor sem derretê-lo até o ponto de liquefação.

7b) Fusão Seletiva a Laser (SLM): Diferente do SLS, esta técnica é projetada para derreter e fundir completamente pós metálicos juntos. Pode criar materiais totalmente densos (camada por camada) que têm características mecânicas semelhantes às de metais manufaturados tradicionalmente. Este é um dos processos de desenvolvimento rápido que está sendo implementado tanto na indústria quanto na pesquisa.

7c) Fusão por Feixe de Elétrons (EBM): No processo, a matéria-prima (fio ou pó metálico) é colocada dentro de um vácuo e fundida usando um feixe de elétrons. Embora o EBM só possa ser usado com materiais condutivos, tem velocidade de construção superior devido à sua maior densidade de energia.

7d) Sinterização Seletiva por Calor (SHS): Usa uma cabeça de impressão térmica para aplicar calor a camadas de termoplástico em pó. Assim que a camada é finalizada, o leito de pó desce, e uma nova camada de material é adicionada, que é então sinterizada para formar a próxima seção transversal do modelo. Esta técnica é melhor para fabricação de protótipos baratos e peças para testes funcionais.

7e) Sinterização Direta a Laser de Metal (DMLS): É semelhante ao SLS, mas usa pó metálico. O pó residual torna-se uma estrutura de suporte para o objeto e pode ser reutilizado para a próxima impressão 3D. Peças DMLS são feitas principalmente com materiais em pó como titânio, aço inoxidável, alumínio e várias ligas de nicho. É um processo ideal para peças médicas personalizadas, componentes de petróleo e gás, e protótipos funcionais resistentes.

Aplicações

Na última década, a impressão 3D desenvolveu significativamente. Como pode ser usada para fabricar rapidamente designs complexos a custos mais baixos, tornou-se uma ferramenta essencial em uma variedade de indústrias, variando de manufatura comercial e medicina a arquitetura e design personalizado.

Muitas técnicas de manufatura aditiva podem ser usadas para fabricar produtos alimentícios. Impressoras 3D modernas vêm com receitas pré-carregadas a bordo e também permitem que usuários criem remotamente seus alimentos em seus computadores e smartphones. O alimento impresso em 3D pode ser personalizado em textura, cor, forma, sabor e nutrição.

A tecnologia também se provou eficaz em formulações farmacêuticas. A primeira formulação fabricada por impressão 3D foi produzida em 2015. No mesmo ano, a FDA aprovou o primeiro comprimido impresso em 3D.

Impressora 3D de gravidade zero enviada à ISS em 2014

Em 2014, a SpaceX entregou a primeira impressora 3D de gravidade zero à Estação Espacial Internacional. Agora é usada por astronautas para imprimir ferramentas úteis, como chave de soquete.

Na verdade, muitos projetos de montagem planejados em planetas ou asteroides serão iniciados de alguma forma usando materiais disponíveis em regiões próximas. A impressão 3D é um dos principais passos neste processo.

Atualmente, empresas de tecnologia estão integrando manufatura aditiva com computação em nuvem para permitir produção distribuída descentralizada e geograficamente independente. Algumas empresas oferecem serviços de impressão 3D online (via website) para clientes privados e comerciais.

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Futuro da Impressão 3D

O grande sonho da impressão 3D é "uma fábrica na casa de todos". Pode soar estranho, mas não há como negar que possuir uma máquina que pode produzir instantaneamente coisas infinitamente personalizáveis é fascinante.

Assim como computadores e smartphones capacitaram bilhões de pessoas, impressoras 3D podem fazer o mesmo para a manufatura.

Segundo a GrandViewResearch, o mercado global de impressão 3D foi avaliado em $11,58 bilhões em 2019, e espera-se que alcance mais de $33 bilhões até 2027 (com taxa de crescimento de 14% ao ano).

Os fatores esperados para impulsionar o crescimento do mercado incluem P&D agressivo e aumento da demanda por aplicações de prototipagem de vários setores industriais, particularmente automotivo, aeroespacial, defesa e saúde.