Usinagem CNC vs. Impressão 3D: Escolhendo o Método de Fabricação Certo para seu Projeto

O inventor da estereolitografia e fundador da 3D Systems, Charles Hull, começou a vender impressoras 3D em 1986. Alguns anos depois, Scott Crump da Stratasys comercializou sua tecnologia de modelagem por deposição fundida. Outros logo seguiram, e não demorou muito para que empreendedores em todo lugar comprassem essas máquinas de "prototipagem rápida" e abrissem "escritórios de serviços", empresas focadas exclusivamente em impressão 3D.

Hoje, cada um daqueles termos outrora de ponta é amplamente obsoleto. Manufatura aditiva não é mais limitada a prototipagem, rápida ou não. E escritórios de serviços deram lugar a e-manufaturadores, cujos proprietários e gerentes mantêm que a impressão 3D complementa a usinagem CNC e outros processos de manufatura mais tradicionais, e se tornou apenas mais uma ferramenta em sua caixa de ferramentas (embora muito poderosa).

Compensando Pontos Fortes e Fracos

Certamente é o caso da Stratasys Direct Manufacturing, baseada em Los Angeles, onde o vice-presidente de operações Greg Reynolds explica que decidir qual tecnologia de manufatura usar para qualquer projeto depende de vários fatores, começando com a complexidade da peça.

"A manufatura aditiva traz várias vantagens importantes sobre processos convencionais, particularmente onde metal está envolvido", diz ele. "No topo desta lista está a consolidação de peças. Em vez de usinar um monte de peças e depois aparafusar ou soldá-las juntas, a impressão 3D de metal permite produzir o conjunto como uma única peça, muitas vezes muito mais leve. Com isso vêm características como passagens internas, superfícies varridas complexas e outras formas orgânicas, e estruturas de treliça de paredes finas. Cada uma dessas é ou muito cara ou impossível de usinar. Para a aditiva, no entanto, são bastante fáceis."

Do outro lado, peças mais simples, mais monolíticas, como suportes, eixos, carcaças, e uma série de outros componentes "blocos" permanecem firmemente no reino da usinagem, seja a oficina fazendo uma peça protótipo ou uma produção de muitos milhares.

E como a impressão 3D não compete com usinagem em termos de precisão, peças com tolerâncias apertadas e acabamentos superficiais muito lisos são mais adequadas para um torno CNC ou centro de usinagem.

Por causa disso, muitas peças plásticas e virtualmente todas as metálicas requerem uma viagem pós-construção à oficina para finalizar características críticas e remover suportes, o flagelo da maioria dos processos de impressão 3D.

Impressão 3D: Boa para Geometrias Complexas, Características Intrincadas

"Para volumes de produção mais baixos onde precisão da peça e acabamento superficial não são a mais alta prioridade, a impressão 3D é certamente o caminho a seguir", diz Gisbert Ledvon, diretor de desenvolvimento de negócios para máquinas-ferramenta na Heidenhain Corp. "Isso também é verdade para peças com geometrias muito complexas, e onde a impressão 3D pode produzir características que seriam difíceis de fabricar de outra forma. Mesmo que exijam usinagem secundária, esses tipos de peças são cada vez mais produzidos via manufatura aditiva de metal."

Um molde de injeção plástico é um exemplo, diz Ledvon. Em vez de perfurar uma série de furos de refrigeração tipo queijo suíço por toda a base do molde ou seus inserts, como na fabricação tradicional de moldes, máquinas de leito de pó a laser (LPBF) podem imprimir o molde inteiro e preenchê-lo com canais de refrigeração estrategicamente posicionados, que se conformam e envolvem a cavidade do molde. Os resultados, diz ele, são moldes com tempos de ciclo muito mais rápidos e maior qualidade de peça do que seria possível de outra forma.

Aqui novamente, operações secundárias para usinar a cavidade do molde e outras superfícies críticas são necessárias; como Ledvon e Reynolds apontam, a manufatura aditiva de metal deixa um acabamento superficial comparável ao de uma fundição ou forjamento.

Ambos especialistas dizem que transferir estas e outras peças de uma impressora 3D para uma máquina CNC exige uma estratégia robusta de fixação. "Seria ideal se sua impressora 3D tivesse algum sistema de palete que integre com seu centro de usinagem, pois isso economizará muito tempo e dor de cabeça", diz Ledvon.

Segurar uma peça impressa em 3D é similar a segurar uma fundição, adiciona Reynolds, pois frequentemente não há um ponto de datum fixo para referenciar. "Como com fundições, você está iniciando o processo de usinagem a partir de uma forma quase final, então você tem que fresar ou torneiar um ponto zero primeiro e depois prosseguir. Varia de trabalho para trabalho, mas no geral, diria que controle dimensional é definitivamente mais desafiador com peças impressas em 3D."

CNC Atende à Necessidade de Velocidade

Outra pena no chapéu da usinagem CNC é velocidade. Onde tornos CNC e centros de usinagem podem remover material de uma barra ou bloco a taxas elevadas, impressoras 3D a laser de metal e polímero são notoriamente lentas, levando muitas horas para produzir a maioria das peças e até dias para as maiores.

No entanto, lasers estão longe de ser a única maneira de ligar materiais. Manufatura aditiva possui sete tecnologias distintas e numerosos derivados, alguns dos quais se tornaram bem rápidos nos últimos anos. Por exemplo, fabricantes de impressoras 3D como Markforged desenvolveram máquinas de jato de ligante (binder jetting) capazes de imprimir grandes quantidades de peças "verdes" que são então sinterizadas, imitando o processo de moldagem por injeção de metal de décadas. E impressoras de modelagem por deposição fundida como as da MakerBot e empresa-mãe Stratasys não apenas se tornaram muito mais rápidas que nos primórdios de Scott Crump, mas agora podem imprimir certos metais.

Similarmente, o processo de estereolitografia de Chuck Hull expandiu para incluir processamento de luz digital, que cura camadas inteiras de resina fotopolimerizável em uma única passada em vez de rastreá-las laboriosamente linha por linha com fonte de luz UV.

Essas e outras impressoras de polímero também são muito mais precisas do que já foram (embora ainda muito menos precisas que usinagem), e quando usadas em conjunto com equipamentos de "polimento a vapor", podem produzir acabamentos superficiais excepcionais.

Depois há fusão por absorção seletiva da Stratasys. Embora atualmente limitada a Nylon PA11 ecológico, imprime peças usando uma tinta proprietária que abaixa o ponto de fusão de qualquer pó de polímero que toca. Quando expostas a uma fonte de calor infravermelho, essas áreas fundem para produzir peças totalmente funcionais. "Não importa se é uma peça ou 1.000, as velocidades de construção são as mesmas", diz Reynolds. "Isso a torna ideal para volumes de produção mais altos, e como não coloca tanto calor na peça quanto sinterização a laser seletiva (SLS), a integridade do material é geralmente maior."

Reduzindo Tempo de Produção

Ferramental é outra distinção importante entre impressão 3D e manufatura tradicional. Como a primeira é um processo inteiramente digital, não há necessidade de gabaritos, dispositivos e outros ferramentais (além dos usados em processamento secundário) requeridos com processos de manufatura tradicionais.

Isso oferece inúmeros benefícios, o mais óbvio sendo a eliminação de alguns ou todos os custos de ferramental. Mas há também o tempo de espera necessário para fabricar as ferramentas, e quando prontas, instalá-las na máquina-ferramenta, captar o zero do programa, e então provar o programa CNC. Uma impressora 3D, por outro lado, pode ir do modelo CAD à peça finalizada em poucas horas.

Reynolds nota que a impressão 3D se tornou mais automatizada ultimamente em relação a decaking e remoção de suportes, embora automação também esteja desempenhando papel maior em outros tipos de manufatura.

Independentemente, escolher como produzir qualquer peça é uma decisão complexa, que depende da quantidade do trabalho, geometria da peça, sua precisão e acabamento superficial, de que material é feita, e uma série de outros fatores.

Metalúrgicos tentando decidir entre as duas técnicas podem carregar uma peça no site da Stratasys para uma cotação instantânea e descobrir qual caminho é mais rápido e eficaz.

"Para aqueles que poderiam ter considerado investir em sua própria impressora 3D em algum momento e acharam ou muito cara ou não capaz o suficiente, eu os encorajaria a dar outra olhada", diz ele. "Tornou-se uma tecnologia muito madura e, como tornos CNC e centros de usinagem, é apenas mais uma maneira de fazer peças."