Manufatura Aditiva Expande Além da Impressão 3D Desktop para Produção Industrial

Impressão 3D está crescendo. É tão revolucionária quanto sua promessa ou apenas mais uma ferramenta valiosa na caixa de ferramentas de trabalho — ou ambos? Falamos com MakerBot e um consultor de impressão 3D no Rust Belt para ver onde as coisas estão e para onde estão indo.

Impressão 3D não atingiu seu potencial total em ambientes profissionais e centrados em manufatura, mas há muito espaço saudável para crescer lá, dizem engenheiros de manufatura aditiva, consultores e acadêmicos. E novas tecnologias e máquinas estão surgindo que estão aproveitando inovações em pós metálicos. Uma das maiores perguntas sobre a tecnologia é se ela pode mover de ser favorita de design de peças e prototipagem para um pilar no chão de fábrica. Vai atingir seu passo em níveis de produção mais altos? E quais são as barreiras para fazer ondas maiores?

Insiders da indústria dizem que oficinas de todos os tamanhos estão usando estes processos 3D de uma variedade de maneiras engenhosas — de fixação e moldes personalizados a peças de uso final funcionais apresentando geometria que só é possível com manufatura aditiva.

"Oficinas CNC têm usado coisas como MakerBot para imprimir em 3D estruturas complexas que podem segurar o dispositivo no fresador no ângulo necessário para conseguir usinar a peça", diz Chris Barrett, presidente da 3DDirections. "Então oficinas estão fazendo gabaritos, fixações e algumas ferramentas dessa forma."

Barrett é químico e físico de profissão mas estava entediado com tubos de ensaio — e encontrou seu caminho para ciência e engenharia de materiais. Como é baseado em Ohio, Barrett foi exposto à manufatura tradicional e ao mundo de tecnologias emergentes aditivas e de impressão 3D. Ele começou sua consultoria com forte entendimento de ambos os mundos e foca em ajudar empresas a aproveitar a tecnologia onde faz mais sentido.

Nota: Barrett, como treinador da Tooling U-SME, hospedou um webinar em 27 de junho sobre manufatura aditiva no Better MRO, onde delineou sete categorias principais de impressão 3D e discutiu prós e contras de cada tipo. O replay está disponível no link de vídeo acima. Assuntos incluídos:

• Fotopolimerização em cuba
  • Contém estereolitografia (SLA) e processamento de luz digital (DLP)
• Fusão de leito de pó (PBF)
  • Contém SLS, sinterização a laser direta de metal (DMLS), SLM, fusão por feixe de elétrons (EBM)
• Impressão por jato de aglutinante (BJP)
• Impressão por jato de material (MJP)
• Laminação de folha (LOM)
• Extrusão de material
  • Contém modelagem por deposição fundida (FDM)

• Deposição de energia direcionada (DED)

"Existem várias maneiras-chave que fabricantes e job shops estão usando impressoras 3D profissionais hoje", diz Dave Veisz, vice-presidente de engenharia na MakerBot. "Empresas estão usando para organização do local de trabalho — para peças que ajudam uma oficina a implementar manufatura enxuta 5S, fixações de montagem e medição, garras de peças, gabaritos, e onde plásticos de alta resistência são adequados... Você não vai usar para aplicações de alta força ou alta temperatura exclusivamente exigentes como fixações de forno, mas para muitas aplicações de fixação e ferramentas, funciona bem."

Uma vantagem crucial da impressão 3D: Complexidade geométrica é "grátis", diz Veisz. Por exemplo, digamos que você está projetando uma garra para pegar e colocar uma fundição e ela tem uma forma complexa. Você pode gerar o inverso da geometria da fundição em CAD, modificá-la para a aplicação e imprimir uma correspondência perfeita. Como o custo e tempo de impressão 3D é impulsionado principalmente pelo volume da peça, não há custo adicional para geometrias difíceis de alcançar através de processos de manufatura tradicionais."

Impressão 3D de Metal, Manufatura Aditiva: Quem Está Usando Hoje?

Manufatura aditiva usando pó metálico ou termoplásticos de alta temperatura é predominantemente usada no setor aeroespacial e de defesa — e com boa razão: Estas empresas podem pagar para investir dólares de pesquisa e desenvolvimento em peças menores, às vezes complexas, que têm potencial para reduzir custos ou acelerar tempo de entrega. Peças incluem: dutos complexos para sistemas de controle ambiental, componentes de túnel de vento e veículos aéreos não tripulados, tanques para combustível e outros líquidos, peças substitutas, e layups compósitos.

"A maioria dos grandes OEMs aeroespaciais e de defesa, incluindo Boeing, Lockheed, GE, Northrop Grumman, aqueles que têm grandes bases de receita, todos estão nisso", diz Barrett. "E as outras empresas que estão começando a usar são firmas biomédicas fazendo implantes de quadril de titânio hoje. Mas a coisa que você esbarra é o custo."

Os OEMs querem poder licitar o trabalho e terceirizar para fabricantes menores. O desafio é que os padrões não acompanharam peças impressas em metal ainda. Os padrões FAA para peças aeroespaciais, especialmente para aeronaves de grande porte, podem ser rigorosamente justificados. Muita pesquisa é necessária para entender quais anomalias menores são aceitáveis — e quais não são.

Agora, uma job shop menor pode ser capaz de imprimir uma peça de metal para um OEM, mas só pode usar, por exemplo, um tipo de pó metálico em sua máquina per o padrão em uma máquina aprovada — e então as limitações são custosas, diz Barrett. Job shops precisam de flexibilidade para lucrar.

Veja como um fabricante aeroespacial e de defesa encontrou nicho em trabalho aditivo 3D. Leia "Como Levar uma Peça Impressa em 3D ao Mercado na Aeroespacial."

"A boa notícia é que nos próximos cinco a dez anos, os padrões começarão a causar impacto", diz Barrett. "Atualmente, NIST (Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia) está fazendo muita pesquisa aqui."

Mas não se limita a aeroespacial ou implantes. Outros instrumentos médicos estão sendo feitos, como dispositivos portáteis, carrinhos médicos e guias e ferramentas cirúrgicas, bem como peças para as categorias de energia, transporte e produtos de consumo. Em óleo e gás, peças estão sendo produzidas para rotores e estatores. Em automotivo, empresas estão fazendo painéis, interiores personalizados e grades. E para consumidores, pense forma e ajuste: armações de óculos e designs de pré-produção.

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Method da MakerBot Mira o Mercado Profissional e Job Shops

Uma das empresas que ganhou muita tração e atenção durante a primeira adoção do consumidor de impressão 3D foi MakerBot. A empresa, que foi comprada pela Stratasys em 2013, passou os últimos vários anos focada em pesquisa e desenvolvimento além dos mercados de hobbyista e educador. Stratasys tem feito peças 3D para Airbus desde 2015.

Em dezembro passado, MakerBot lançou uma máquina de impressão 3D mais avançada voltada para o mercado profissional chamada Method, que custa cerca de um terço de uma impressora 3D industrial de nível de entrada. MakerBot colaborou com Stratasys no desenvolvimento da tecnologia usada na nova máquina. Method é a primeira nova plataforma de hardware em cerca de três anos para MakerBot.

"É realmente a primeira plataforma que desenvolvemos do zero como afiliada da Stratasys", diz Veisz. "É uma combinação de propriedade intelectual e vasto conhecimento da Stratasys e DNA de design e engenharia da MakerBot ... , Não teríamos conseguido puxar esta máquina com sucesso sem ambas as peças."

O conjunto de recursos do Method é totalmente diferente, e é mais robusto que as máquinas de impressão 3D desktop por aí, afirma. Esse conjunto inclui dupla extrusão de material de modelo sólido e PVA solúvel — que é plástico solúvel em água — e uma estrutura usinada CNC em metal, baias de material com vedação seca e uma câmara aquecida circulante que cria um colchão de ar quente essencial para criar um ambiente controlado. Cada camada sendo adicionada vê o mesmo ambiente.

Para ver as coisas em ação, assista a este webinar de integração sobre impressão 3D e usinagem CNC [Fonte: MakerBot]

"Isso é algo que você vê em impressoras 3D industriais que começam nas dezenas de milhares de dólares e você não vê isso no mundo desktop", diz Veisz. Impressoras 3D desktop utilizam uma arquitetura de hobbyista que não fornece precisão dimensional repetível, tornando-as inadequadas para muitas aplicações de manufatura com tolerâncias apertadas.

Como o ambiente de impressão em impressoras 3D desktop não é tão controlado quanto em impressoras 3D industriais, a precisão e o tempo de atividade da máquina também sofrem. Na maioria das impressoras 3D desktop, conforme você sobe na direção Z, a peça é exposta a um ambiente mais frio, o que faz a camada enfraquecer e a peça empenar diferentemente.

Com Method, MakerBot afirma dar tolerâncias para a peça acabada em mais-menos 0,2 milímetros para os primeiros 100 milímetros nos eixos X, Y e Z — e então escala na mesma proporção, 0,002 milímetros por milímetro para quaisquer dimensões acima de 100 milímetros.

"Então não é precisão de usinagem CNC de precisão, mas certamente é próximo o suficiente para a maioria de gabaritos, fixações, ferramentas e trabalho de protótipo", diz Veisz. "E está em linha com tolerâncias de moldagem por injeção de plástico de produção. Você não vê reivindicações de precisão dimensional na maioria das impressões 3D desktop, e MakerBot não fez reivindicações de precisão de peça acabada em máquinas anteriores ... Você não vê realmente reivindicações de precisão dimensional para peças [na maioria das impressões 3D desktop] ... É notável que esta é a primeira impressora que lançamos que pode realmente imprimir qualquer geometria por causa do suporte solúvel, e pode imprimi-la com precisão de peça consistente por causa dos recursos e controles da máquina."

Você está usando impressão 3D para fazer protótipos, gabaritos e fixações hoje? Fale sobre isso no fórum. [registro necessário]