Dominando o Pós-Processamento em Impressão 3D Industrial: Estratégias Comprovadas para Peças Funcionais, Estéticas e Precisas

Peças manufaturadas aditivamente (AM) raramente estão completas quando saem da mesa de impressão ou deixam a câmara de construção. Aqui estão cinco estratégias para torná-las funcionais, estéticas e mais precisas.

Apesar dos melhores esforços dos fabricantes de impressoras 3D industriais, as peças de plástico ou metal saindo de suas máquinas tipicamente precisam de trabalho adicional antes de serem consideradas acabadas.

Esta etapa na produção de peças acabadas é conhecida como pós-processamento, e é um mal necessário no mundo da manufatura aditiva.

Inclui usinagem, tratamento térmico, retífica e outros processos abrasivos. Também envolve operações de acabamento como pintura e revestimento, e tecnologias mais esotéricas que discutiremos com maior profundidade.

De Camadas, Suportes e Precisão

Há muitas razões para pós-processar peças impressas em 3D.

Para começar, a maioria destas peças é construída a partir de camadas finas como papel de metal, plástico ou materiais compostos. E não diferente das bordas de um livro de bolso, as superfícies de uma peça impressa apresentam uma aparência distintamente escalonada, que dependendo de sua aplicação e requisitos cosméticos, deve ser suavizada antes do uso.

Remover superfícies ásperas também ajuda a eliminar os concentradores de tensão que podem levar a trincas, uma consideração importante para peças de carga.

A maioria das peças impressas em 3D requer suportes temporários durante o processo de construção. Estas estruturas de andaime ajudam a prevenir que camadas e seções se enrolem para cima ou fiquem frouxas para baixo (dependendo do processo AM), e mantêm a deformação induzida por calor ao mínimo. Uma vez que a peça está completa, estas estruturas de suporte devem ser removidas, geralmente por meios mecânicos ou abrasivos – como você verá, porém, às vezes um banho morno funciona.

Por último, mas certamente não menos importante, está a precisão da peça. Independentemente de sua imensa liberdade de design e as oportunidades que apresenta para peças fortes porém leves, a impressão 3D ainda não é muito precisa, pelo menos pelos padrões de manufatura convencionais. Há a rugosidade superficial já descrita para lidar, bem como planicidade, redondeza e todo o resto. Como resultado, furos devem ser alargados ou mandrilados, mancais torneados verdadeiros, superfícies de montagem fresadas planas. É por isso que muitas peças impressas em 3D – e certamente aquelas feitas de metal – fazem uma viagem à oficina de máquinas após a impressão.

Estratégias para Sucesso no Pós-Processamento de Impressão 3D

Felizmente, várias empresas de equipamentos – bem como os próprios fabricantes de impressoras 3D – estão tomando medidas para abordar estas deficiências da AM.

Este trabalho se tornará ainda mais importante à medida que as quantidades de produção aumentam e a aditiva evolui para um processo mainstream. Embora processos secundários nunca desapareçam (um fato com o qual fabricantes subtrativos também estão cientes), estas empresas pelo menos tornarão a vida mais fácil para aqueles que imprimem peças para viver.

Bernie Kerschbaum é o CEO de uma tal empresa: Rosler Metal Finishing EUA, baseada em Battle Creek, Michigan. Kerschbaum sugere que designers de produto e fabricantes igualmente devem fazer sua lição de casa quando se trata do pós-processamento de peças impressas em 3D, preferencialmente muito antes da impressão começar.

"Ninguém oferece uma tecnologia de acabamento única para todos, e muitas vezes não é um único processo, também", diz Kerschbaum.

Ele oferece o exemplo de um protótipo impresso em 3D de um frasco de xampu que ele auxiliou um grande cliente de produtos de consumo alguns anos atrás, um que requeria acabamento vibratório extensivo para alcançar a mesma aparência e sensação de sua contraparte de produção por injeção de plástico. Outras peças pedem jateamento úmido ou seco para nivelar superfícies ásperas, enquanto algumas requerem múltiplas operações de acabamento para atingir a suavidade desejada. Coloração com corante ou tinta também é bastante comum, assim como polimento, retífica superficial e aplicação de revestimentos protetores.

Kerschbaum continua listando os vários passos necessários antes que estas e outras operações de pós-processamento possam ser realizadas.

Estes incluem o desempacotamento de peças do "bolo" no caso de impressoras de leito de pó e jato de ligante. Há a remoção de estruturas de suporte e pó solto ou sinterizado de superfícies de componentes, bem como o alisamento e limpeza de passagens internas. Se as quantidades justificarem, cada uma destas operações pode ser realizada de forma automatizada usando um dos vários sistemas de produção da marca AM Solutions da empresa, ou feito da maneira antiga e trabalhosa: lixamento, alisamento e polimento tediosos à mão.

"Muitas vezes você começa com um acabamento superficial bem áspero, mas dependendo das necessidades do cliente, somos capazes de trazê-lo para um Ra na casa dos dez ou até dígitos únicos sem muita dificuldade", diz Kerschbaum. "Jateamento de esferas e acabamento em massa provaram ser processos muito eficazes e econômicos para peças manufaturadas aditivamente."

Para o pós-processamento de peças de polímero, Luis Folgar, vice-presidente executivo da Additive Manufacturing Technologies (AMT) Inc. de Cedar Park, Texas, oferece uma alternativa: um dos sistemas automatizados PostPro 3D e PostPro SF50 de sua empresa.

Ambos usam um vapor químico proprietário que é "seguro para uso, relativamente barato, e acima de tudo, sustentável" para suavizar a superfície de peças impressas com leito de pó, multi-jet fusion e tecnologias baseadas em extrusão.

Polímeros candidatos incluem nylon, ABS (acrilonitrila butadieno estireno), PC (policarbonato), polipropileno, TPU (poliuretano termoplástico) e TPE (elastômero termoplástico), Ultem e materiais reforçados com vidro ou carbono, "com PEEK (poliéter éter cetona) e PAEK (poliariletercetona) chegando em breve", diz Folgar.

Acabamentos superficiais de peças até 1 μm Ra (40 μin Ra) são possíveis, ele adiciona, com degradação dimensional de não mais que 0,4 por cento, porosidade superficial e trincas reduzidas, e características de cor aprimoradas na peça acabada. Assim como Rosler e outros provedores, AMT também oferece sistemas automatizados de desempacotamento e jateamento de esferas.

Felipe Castañeda é um designer industrial e diretor criativo para MakerBot no Brooklyn, Nova York, uma subsidiária da Stratasys. Ele nota que, para peças feitas com FFF (fabricação por filamento fundido), uma das maneiras mais eficazes de remover estruturas de suporte pós-impressão é através do uso de materiais dissolvíveis.

A primeira destas é PVA (álcool polivinílico), um polímero macio e biodegradável que derrete quando exposto à água morna da torneira – simplesmente coloque as peças acabadas, agite-as por alguns minutos, e sai uma peça livre de suporte. Isso funciona bem para materiais mais macios como PLA (ácido polilático) e PETG (glicol de tereftalato de polietileno), mas para "polímeros mais complexos" como ABS, a MakerBot suporta o uso de SR-30 da Stratasys.

Como com PVA, ele se dissolve em água, mas requer uma pequena quantidade de NaOH (soda cáustica) e temperaturas ligeiramente mais altas. Cada um destes é aplicado durante o processo de impressão, com a cabeça de deposição alternando automaticamente entre a peça e o material de suporte conforme necessário.

A beleza destes e outros materiais solúveis é a capacidade de criar estruturas de suporte para peças complexas e especialmente geometrias internas que de outra forma seriam bastante difíceis de remover via meios mecânicos.

Outra opção é a impressão de suportes de quebra (breakaway). Aqui, a maior parte do suporte é impressa do mesmo material que a peça, com PVA ou SR-30 sendo aplicados apenas onde a peça e seus suportes se unem. O processo de remoção é o mesmo, mas como a cabeça de impressão não precisa alternar entre materiais com tanta frequência, acelera o processo de construção.

"Também encurta o tempo necessário para dissolução, então para muitas peças, fornece uma abordagem de melhor dos dois mundos", diz Castañeda.

Como mencionado no início, há também usinagem, retífica e, no caso de peças de metal, tratamento térmico a considerar, usado para aliviar tensões internas da peça e endurecer a peça se desejado.

Como os metais usados na maioria dos processos de impressão 3D são amplamente idênticos aos seus equivalentes forjados ou fundidos, não há mágica envolvida aqui – apenas serrar ou EDM a peça livre da placa de construção, fixá-la e comece a cortar.

Que técnicas você está usando para pós-processamento de peças feitas com manufatura aditiva? Compartilhe seus pensamentos e insights nos comentários abaixo.