Otimizando a Impressão 3D: O Papel Crucial das Estruturas de Suporte e Estratégias de Design

A manufatura aditiva inaugurou uma nova era de possibilidades de fabricação. A tecnologia de impressão 3D nos permite criar peças anteriormente "infabricáveis", com geometrias complexas e ângulos desafiadores, com velocidade e precisão sem precedentes. No entanto, a natureza do processo de manufatura aditiva — no qual o material é depositado camada por camada — frequentemente exige que as peças recebam suporte para gerenciar a pressão interna, essencialmente a força da gravidade, durante a impressão. Sem esse suporte, as camadas aditivas não conseguem ser sustentadas pelo material ao redor e colapsam, causando a falha da impressão. Para enfrentar esse desafio, às vezes precisamos projetar estruturas de suporte em nossas peças impressas em 3D.

O que são estruturas de suporte na impressão 3D?

Estruturas de suporte sustentam elementos de uma peça impressa em 3D que não têm material de apoio durante a fabricação. Nem todos os processos de impressão 3D exigem estruturas de suporte: enquanto a Modelagem por Deposição Fundida (FDM) da Stratasys, a Síntese de Luz Digital (DLS) da Carbon e a Estereolitografia (SLA) frequentemente requerem suportes, a Multi Jet Fusion da HP, que é um processo de leito de pó, não os necessita.

No processo de Modelagem por Deposição Fundida (FDM) da Stratasys, por exemplo, camadas de material extrudado aquecido são construídas a partir de uma mesa de impressão por adesão às camadas de material abaixo e podem se projetar além dessas camadas inferiores para criar uma superfície angular. Quando esse ângulo excede 45°, o elemento em balanço geralmente requer suporte ou o peso do material não suportado fará com que o elemento colapse e a impressão falhe.

Quando os suportes são necessários, eles devem ser integrados ao design da peça e impressos junto com ela durante a produção. Claro, isso significa contabilizar o tempo e o material extras necessários durante o processo de impressão 3D e a posterior remoção das estruturas de suporte no pós-processamento.

Exceções: Nem todos os métodos de manufatura aditiva requerem estruturas de suporte. Enquanto tecnologias como a modelagem por deposição fundida (FDM) imprimem peças adicionando camadas de material a uma mesa de impressão, outras, como a Multi Jet Fusion (MJF) da HP, imprimem peças a partir de um leito de pó. Como as camadas de pó são auto-sustentáveis, os designs de peças para HP MJF não precisam incorporar estruturas de suporte.

Quais tipos de estruturas de suporte estão disponíveis?

As estruturas de suporte para peças impressas em 3D variam em design e tipo, mas podem ser amplamente organizadas em duas categorias: "árvores" e "cercas".

• Suportes em árvore: Assemelhando-se a galhos ou troncos, os suportes em árvore podem envolver uma peça e se ajustar perfeitamente a superfícies angulares para facilitar a remoção. Suportes em árvore podem ser projetados, aplicados e testados rapidamente como parte de um projeto de impressão 3D, permitindo iteração rápida. Sua estrutura semelhante a galhos permite que alcancem distâncias para suportar áreas específicas.

• Suportes em cerca: Assemelhando-se a paredes, e com uma variedade de pontos de fixação, os suportes em cerca são impressos perpendicularmente à superfície de uma peça, frequentemente com uma estrutura de treliça. Suportes em cerca são mais duráveis e fáceis de remover do que os suportes em árvore, sendo tipicamente a melhor escolha para peças estéticas ou produção em grande volume.

Quando devo usar estruturas de suporte na manufatura aditiva?

A "regra dos 45°" sugere que balanços impressos em 3D de 45° ou mais requerem suporte, enquanto aqueles abaixo de 45° não requerem.

No entanto, a regra dos 45° deve ser considerada uma regra geral e a necessidade de estruturas de suporte varia dependendo da complexidade do design da peça e do material utilizado. Em alguns casos, o "bridging" (ponteamento) pode oferecer uma alternativa às estruturas de suporte: o bridging é uma técnica na qual o material aditivo aquecido é esticado por uma curta distância (geralmente menos de 5 mm) sem comprometer a integridade da peça.

O princípio "YHT": Quando concebidos como modelos impressos em 3D, em pé, as letras Y, H e T são úteis para ilustrar a necessidade de estruturas de suporte na manufatura aditiva.

• A letra Y: Dois braços se estendem da letra Y a 45° — o ângulo de seu balanço não necessita estruturas de suporte. Quanto mais o ângulo de balanço exceder 45°, maior a probabilidade de que estruturas de suporte sejam necessárias.

• A letra H: Se os dois elementos verticais da letra H estiverem a menos de 5 mm um do outro, pode ser possível imprimir o elemento horizontal do H com uma ponte. Se os elementos verticais estiverem a mais de 5 mm de distância, o elemento horizontal pode requerer estruturas de suporte.

• A letra T: Os dois braços da letra T se estendem do elemento vertical a 90° e requererão estruturas de suporte.

Além do ângulo de um balanço, outros fatores podem afetar a necessidade de estruturas de suporte. Estes incluem a qualidade da impressora 3D e a velocidade na qual ela imprime: impressoras mais lentas, por exemplo, podem aumentar a necessidade de estruturas de suporte.

Estruturas de Suporte: Desafios de Fabricação

Estruturas de suporte são uma necessidade em muitas construções aditivas, mas é importante lembrar que elas podem afetar significativamente o custo de uma peça em produção em volume — sem mencionar a quantidade de material desperdiçado que o projeto produz. Cuidado também deve ser tomado ao remover estruturas de suporte, pois elas podem danificar ou marcar a peça acabada ao serem destacadas.

Com esses fatores em mente, peças impressas em 3D devem idealmente ser projetadas para minimizar ou eliminar a necessidade de estruturas de suporte e, quando possível, princípios de Design para Manufatura Aditiva (DfAM) devem ser aplicados para otimizar peças para qualidade, custo e tempo de produção. As seguintes estratégias podem ajudar a reduzir a necessidade de estruturas de suporte:

Orientação: A orientação das peças na mesa de impressão pode afetar a necessidade de estruturas de suporte. Balanços, por exemplo, podem ser eliminados rotacionando uma peça de costas ou de lado. Nos exemplos acima, deitar cada uma das letras Y, H e T de modelo 3D de costas eliminaria completamente quaisquer elementos em balanço junto com a necessidade de estruturas de suporte ou pontes.

Geometria da peça: Quando possível, remova balanços do seu design — ou reduza seu ângulo para menos de 45°. Obviamente, requisitos funcionais podem tornar a eliminação total de balanços impossível, mas você pode introduzir elementos de design alternativos, como chanfros, reforços e raios, para tornar a geometria da peça mais auto-sustentável.

Separação da peça: A tecnologia de impressão 3D permite a produção de peças complexas únicas, mas se a quantidade de suporte que essas peças precisam reduz sua qualidade ou custo-efetividade, pode valer a pena dividir a peça em componentes menores que podem ser montados posteriormente. Peças esféricas, por exemplo, requerem suporte substancial, mas ao dividi-las ao meio e criar uma grande superfície plana, é possível eliminar completamente a necessidade de suportes.

Densidade do suporte: As pressões exercidas sobre as estruturas de suporte ditarão o quão fortes elas precisam ser e quanto material é necessário para imprimi-las. Para garantir uma impressão bem-sucedida e custo-efetiva, assegure-se de que suas estruturas de suporte são densas o suficiente para suportar o tamanho do elemento em balanço. Lembre-se de que quanto mais densa a estrutura de suporte, mais difícil pode ser sua remoção pós-impressão.

Suportes dissolvíveis: Algumas tecnologias de impressão 3D podem imprimir estruturas de suporte em um material dissolvível separado, através de um segundo bico de impressão. Essas estruturas de suporte podem ser submersas em água ou produtos químicos pós-impressão e dissolvidas para deixar uma peça intacta. Suportes dissolvíveis reduzem o potencial de danos à peça acabada durante o processo de remoção da estrutura de suporte. A maioria dos materiais aditivos FDM possui suportes dissolvíveis; materiais DLS e SLA não. O processo HP MJF não requer suportes.

Começando

Estruturas de suporte continuarão a desempenhar um papel integral na maioria dos projetos de manufatura aditiva.

Embora o objetivo seja sempre reduzir ou eliminar a necessidade de estruturas de suporte, nossos engenheiros visam otimizar sua peça para funcionalidade e custo. Se você gostaria de saber mais sobre como podemos tornar seu projeto de manufatura aditiva possível, entre em contato com a equipe da Fast Radius hoje.

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