Estruturas de suporte aditivas:por que são importantes e como projetá-las – o guia essencial

Publicado em 5 de abril de 2022

A manufatura aditiva inaugurou uma nova era de possibilidades de fabricação. A tecnologia de impressão 3D permite-nos criar peças anteriormente “impossíveis de fabricar”, com dimensões e ângulos complexos, com velocidade e precisão sem precedentes. No entanto, a natureza do processo de fabricação aditiva, no qual o material é adicionado camada por camada, muitas vezes significa que as peças requerem 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 seu redor e colapsam, causando falhas na impressão. Para enfrentar esse desafio, às vezes precisamos projetar estruturas de suporte em nossas peças impressas em 3D.

Para garantir que você maximize o potencial da sua peça impressa em 3D em termos de velocidade, qualidade e custo, é importante compreender as estruturas de suporte e como elas devem ser integradas ao seu projeto de fabricação aditiva.

O que são estruturas de suporte na impressão 3D?

As estruturas de suporte sustentam elementos de uma peça impressa em 3D que não possuem material de suporte durante a fabricação. Nem todos os processos de impressão 3D exigem estruturas de suporte:embora os processos Stratasys Fused Deposition Modeling (FDM), Carbon Digital Light Synthesis™ (DLS) e Estereolitografia (SLA) geralmente exijam suporte, o HP Multi Jet Fusion, que é um processo de impressão em leito de pó, não.

No processo de fabricação aditiva Fused Deposition Modeling (FDM) da Stratasys, por exemplo, camadas de material extrudado aquecido são construídas a partir de uma base de impressão por adesão às camadas de material abaixo delas e podem se projetar sobre essas camadas inferiores para criar uma superfície angular. Quando esse ângulo excede 45°, o elemento saliente geralmente requer suporte ou o peso do material não suportado fará com que o elemento desmorone e a impressão falhe.
Esquerda:  Se a saliência for de 45° ou menos em relação à vertical, geralmente não é necessário suporte
Certo:  Se a saliência for superior a 45° em relação à vertical, geralmente são necessários suportes
Quando forem necessários suportes, eles deverão ser integrados ao projeto da peça e impressos na peça quando ela for produzida. Claro, isso significa levar em conta o tempo e o material extra que serão necessários durante o processo de impressão 3D e a subsequente remoção pós-processo das estruturas de suporte.

Exceções:  Nem todos os métodos de fabricação aditiva requerem estruturas de suporte. Enquanto tecnologias de impressão 3D, como modelagem por deposição fundida (FDM), imprimem peças adicionando camadas de material a uma base de impressão, outras, como HP Multi Jet Fusion (MJF), imprimem peças a partir de uma cama de pó. Como as camadas de pó são autossustentáveis, os projetos de peças HP MJF não precisam incorporar estruturas de suporte.

Que 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 de árvore:  Assemelhando-se a galhos ou troncos, os suportes de árvores podem envolver uma peça e se ajustar perfeitamente a superfícies angulares para facilitar a remoção. Os suportes de árvores podem ser projetados, aplicados e testados rapidamente como parte de um projeto de impressão 3D, permitindo uma iteração rápida. Sua estrutura semelhante a um ramo significa que eles podem percorrer distâncias para apoiar áreas específicas.
• Suportes de cerca:  Assemelhando-se a paredes e com uma variedade de pontos de montagem, os suportes de cerca são impressos perpendicularmente à superfície de uma peça, muitas vezes com uma estrutura de treliça. Os suportes de cerca são mais duráveis e mais fáceis de remover do que os suportes de árvores e normalmente são uma escolha melhor para peças cosméticas ou produção de alto volume.

Quando devo usar estruturas de suporte à manufatura aditiva?

A ‘regra dos 45°’ sugere que saliências impressas em 3D de 45° e maiores exigirão suporte, enquanto aquelas abaixo de 45° não.

No entanto, a regra dos 45° deve ser considerada uma regra geral e a necessidade de estruturas de suporte irá variar dependendo da complexidade do projeto da peça e do material utilizado. Em alguns casos, a ponte pode oferecer uma alternativa às estruturas de suporte:a ponte é uma técnica na qual o material aditivo aquecido é esticado numa curta distância (normalmente inferior a 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 de fabricação aditiva.

• A letra Y:  Dois braços estendem-se da letra Y a 45° – o ângulo da sua saliência não necessita de estruturas de suporte. Quanto mais o ângulo de balanço exceder 45°, maior será a probabilidade de serem necessárias estruturas de suporte.
• A letra H:  Se os dois elementos verticais da letra H estiverem a 5 mm um do outro, poderá ser possível imprimir em 3D o elemento horizontal do H com uma ponte. Se os elementos verticais estiverem separados por mais de 5 mm, o elemento horizontal pode exigir estruturas de suporte.
• A letra T:  Os dois braços da letra T estendem-se do elemento vertical a 90° e exigirão estruturas de suporte.

Além do ângulo de uma saliência, outros fatores podem afetar a necessidade de estruturas de suporte. Estes incluem a qualidade da impressora 3D e a velocidade com que imprime:impressoras mais lentas, por exemplo, podem aumentar a necessidade de estruturas de suporte.

Estruturas de Apoio:Desafios de Fabricação

As estruturas de suporte são uma necessidade em muitas construções aditivas, mas é importante lembrar que elas podem afetar significativamente o custo de uma peça na produção em grande escala — sem mencionar a quantidade de resíduos que o projeto acaba produzindo. Também deve-se ter cuidado ao remover estruturas de suporte, pois elas podem danificar ou marcar a peça acabada à medida que são destacadas.

Com esses fatores em mente, o ideal é que as peças impressas em 3D sejam projetadas para minimizar ou eliminar a necessidade de estruturas de suporte e, sempre que possível, os princípios de design para fabricação aditiva (DFAM) devem ser aplicados para otimizar as peças em termos de qualidade, custo e tempo de produção. As seguintes estratégias podem ajudar a reduzir a necessidade de estruturas de apoio:

Orientação:  A orientação das peças na base de impressão pode afetar a necessidade de estruturas de suporte. As saliências, por exemplo, podem ser eliminadas girando uma peça para trás ou para o lado. Nos exemplos acima, colocar cada uma das letras do modelo 3D Y, H e T nas costas eliminaria completamente quaisquer elementos salientes, juntamente com a necessidade de estruturas de suporte ou pontes.

Geometria da peça:  Sempre que possível, remova as saliências do seu projeto – ou reduza o seu ângulo para menos de 45°. Obviamente, os requisitos funcionais podem impossibilitar a eliminação total de balanços, mas você pode introduzir elementos de design alternativos, como chanfros, cantoneiras e raios, para tornar a geometria da peça mais autossustentável.

Separação de peças:  A tecnologia de impressão 3D permite a produção de peças individuais complexas, mas se a quantidade de suporte que essas peças necessitam reduzir a sua qualidade ou relação custo-benefício, pode valer a pena dividir a peça em componentes menores que podem ser montados posteriormente. As peças esféricas, por exemplo, requerem um suporte substancial, mas dividindo-as ao meio e criando uma grande superfície plana, é possível eliminar completamente a necessidade de suportes.

Densidade de suporte:  As pressões exercidas sobre as estruturas de suporte determinarão o quão fortes elas precisam ser e quanto material será necessário para imprimi-las. Para garantir uma impressão bem-sucedida e econômica, certifique-se de que suas estruturas de suporte sejam densas o suficiente para suportar o tamanho do elemento saliente. Tenha em atenção que quanto mais densa for a estrutura de suporte, mais difícil será a remoção da pós-impressão.

Suportes dissolvíveis:  Algumas tecnologias de impressão 3D podem imprimir estruturas de suporte em um material solúvel separado, por meio de um bocal de impressão secundário. Essas estruturas de suporte podem ser submersas em água ou produtos químicos, pós-impressão e dissolvidas para deixar uma parte intacta. Os suportes solúveis reduzem o potencial de danos à peça acabada durante o processo de remoção da estrutura de suporte. A maioria dos materiais aditivos FDM possuem suportes solúveis, os materiais DLS e SLA não. O processo HP MJF não requer nenhum suporte.

Primeiros passos

As estruturas de apoio continuarão a desempenhar um papel fundamental na maioria dos projetos de fabrico aditivo.

Embora o objetivo seja sempre reduzir ou eliminar a necessidade de estruturas de suporte, nossos engenheiros visam otimizar sua peça em termos de funcionalidade e custo. Se você quiser saber mais sobre como podemos tornar seu projeto de fabricação aditiva possível, entre em contato com a equipe SyBridge hoje mesmo.