O que é impressão 3D? Princípio de funcionamento | Tipos | Aplicativos

O conceito de impressão 3D foi elaborado por David E.H. Jones em 1974. No entanto, os métodos e materiais para a fabricação de modelos não foram desenvolvidos até o início dos anos 1980.

O termo 'impressão 3D' abrange vários processos e técnicas que oferecem um amplo espectro de recursos para a produção de peças e produtos em diferentes materiais. Nos últimos anos, esses processos se desenvolveram significativamente e agora podem desempenhar funções cruciais em muitos aplicativos.

Este artigo de visão geral tem como objetivo 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?

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

Normalmente, o material (como grãos de pó ou moléculas líquidas sendo fundidas) é adicionado camada por camada na escala milimétrica. 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 conhecidas como prototipagem rápida. Eles eram adequados apenas para a fabricação de protótipos estéticos ou funcionais. Desde então, percorremos um longo caminho.

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

A precisão, a variedade de materiais e a repetibilidade da impressão 3D aumentaram a ponto de podermos construir quase qualquer coisa - de protótipos simples a produtos finais complexos, como construções ecologicamente corretas, 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 ao adicionar material camada por camada.

É muito diferente dos processos de fabricação tradicionais, como moldagem por injeção e usinagem CNC, que usa 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 construída.



O processo começa com um modelo 3D digital (uma planta do objeto). O software (específico para a impressora) divide o modelo 3D em camadas bidimensionais finas. Em seguida, ele os 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 geralmente requer pós-processamento (como lixamento, verniz, tinta ou outros tipos de retoques convencionais) para obter o acabamento de superfície ideal, o que exige tempo adicional e esforço manual.

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

Tipos / processos de impressão 3D

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

1. Fotopolimerização de cuba

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

Uma impressora 3D baseada na fotopolimerização de cuba possui um recipiente preenchido com resina de fotopolímero, que é endurecido com uma fonte de luz ultravioleta para criar um objeto. As três formas mais comuns de polimerização de cuba são

1a) Estereolitografia (SLA): Inventado em 1984, o SLA usa um laser ultravioleta para reticular 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): Ele utiliza fontes de luz convencionais, como lâmpadas de arco (em vez de lasers). Cada camada do objeto é projetada no tanque de resina líquida, que é então solidificada camada por camada conforme a plataforma de elevação se move para cima ou para baixo.

1c) Produção Contínua de Interface Líquida (CLIP): É semelhante à estereolitografia, mas contínua e até 100 vezes mais rápida. 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 do material:O bico (1) está depositando o 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 em uma plataforma de construção ao longo de um caminho predeterminado. Este material eventualmente esfria e se solidifica, formando um objeto tridimensional. As técnicas mais comumente usadas neste processo são

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

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

3. Laminação de Folha

Algumas impressoras usam papel e plástico como material de construção para reduzir o custo de impressão. Nesta técnica, várias camadas de plástico adesivo, papel ou laminados de metal são sucessivamente unidas e cortadas na forma usando um cortador a laser ou faca.

A resolução da camada pode ser definida pela matéria-prima do material. Normalmente 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 do que a da estereolitografia.

4. Deposição de energia direcionada

A técnica de deposição de energia dirigida é comumente usada na indústria de metal de alta tecnologia e em aplicações de fabricação rápida. O aparelho de impressão contém um bico que é fixado a um braço robótico de múltiplos eixos. O bico deposita uma força de metal na plataforma de construção, que é então derretida por um laser, plasma ou feixe de elétrons, para formar um objeto sólido.

Este tipo de impressão 3D suporta vários metais, materiais com graduação funcional e compostos, incluindo alumínio, aço inoxidável e titânio. Ele não apenas pode construir peças de metal completamente novas, mas também pode anexar material (s) às peças existentes, permitindo aplicações de manufatura híbrida.

5. Jateamento de material

Peças impressas com o processo de jato de material

O jato de material opera de maneira semelhante às impressoras de papel a jato de tinta. Nesse processo, um material fotossensível é aplicado em gotículas por meio de um bico de pequeno diâmetro e depois endurecido por luz ultravioleta, formando uma peça camada por camada.

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

Uma vez que a impressão 3D com jato de material pode construir peças de alta precisão dimensional com um acabamento de superfície liso, é uma opção atraente para a fabricação de protótipos visuais e ferramentas comerciais.

6. Jateamento de aglutinante

Uma impressão colorida em arenito com Binder Jetting | Crédito da imagem:3D Hubs

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

A cera ou polímero termofixo são frequentemente misturados com pó aglutinado para aumentar sua resistência. Depois que a impressão 3D é concluída, o pó restante é coletado e usado para imprimir outra estrutura.

Como a técnica é muito semelhante a um processo semelhante a jato de tinta, também é chamada de impressão 3D por injeção. É usado principalmente para imprimir peças de elastômero, saliências 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 em que uma fonte de calor (como um cabeçote de impressão térmica ou laser) é usada para consolidar o material em pó para construir objetos físicos. As cinco formas mais comuns desta tecnologia são

7a) Sinterização seletiva a laser (SLS): Ele usa um laser como fonte de energia para sinterizar materiais em pó como poliamida ou náilon. Aqui, o termo sinter se refere ao processo de compactação e formação de uma massa sólida de material pela aplicação de pressão ou calor sem derretê-lo até o ponto de liquefação.

7b) Derretimento seletivo a laser (SLM): Ao contrário do SLS, esta técnica foi projetada para derreter e fundir pós metálicos completamente. Ele pode criar materiais totalmente densos (camada por camada) com características mecânicas semelhantes às dos metais manufaturados tradicionais. Este é um dos processos de rápido desenvolvimento que está sendo implementado tanto na indústria quanto na pesquisa.

7c) Derretimento de feixe de elétrons (EBM): No processo, a matéria-prima (fio ou pó metálico) é colocada dentro de um vácuo e fundida por meio de um feixe de elétrons. Embora o EBM só possa ser usado com materiais condutores, ele tem uma velocidade de construção superior por causa de sua densidade de energia mais alta.

7d) Sinterização Seletiva de Calor (SHS): Ele usa uma cabeça de impressão térmica para aplicar calor às 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. Essa técnica é melhor para a fabricação de protótipos e peças de baixo custo para testes funcionais.

7e) Sinterização direta a laser de metal (DMLS): É semelhante ao SLS, mas usa energia de metal. A energia restante se torna uma estrutura de suporte para o objeto e pode ser reutilizada para a próxima impressão 3D. As 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 óleo e gás e protótipos funcionais resistentes.

Aplicativo

Na última década, a impressão 3D se desenvolveu significativamente. Uma vez que pode ser usado para fabricar rapidamente projetos complexos a custos mais baratos, tornou-se uma ferramenta essencial em uma variedade de indústrias, desde manufatura comercial e medicina até 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 os usuários criem remotamente seus alimentos em seus computadores e smartphones. Os alimentos impressos em 3D podem ser personalizados em textura, cor, formato, sabor e nutrição.

A tecnologia também se mostrou eficaz em formulações farmacêuticas. A primeira formulação fabricada pela Impressão 3D foi produzida em 2015. No mesmo ano, o FDA aprovou o primeiro comprimido impresso em 3D.

Impressora Zero-G 3D enviada para ISS em 2014

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

Na verdade, muitos projetos de montagem planejados em planetas ou asteróides serão inicializados de alguma forma usando os materiais disponíveis em regiões próximas. A impressão 3D é uma das etapas principais dessa inicialização.

Hoje em dia, as empresas de tecnologia estão integrando a manufatura aditiva com a computação em nuvem para permitir a produção distribuída descentralizada e geograficamente independente. Algumas empresas oferecem serviços de impressão 3D online (via site) para clientes particulares e comerciais.

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Futuro da impressão 3D

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

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

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

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