o fabrico aditivo e a impressão 3d - cenfim.pt · um modelo tridimensional de desenho assistido...

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tecnologia de fabrico aditivo, as chamadas impressoras A 3D, consiste num conjunto de tecnologias destinadas ao

fabrico de objetos tridimensionais por sobreposição de material

camada a camada, em oposição aos modelos subtrativos. Os

objetos podem ter qualquer forma ou geometria e são produzidos

a partir de um modelo digital.

A tecnologia de impressão 3D surgiu nos anos 1980 como um

processo de prototipagem rápida. Este processo, como o nome

indica, consiste na criação rápida de um protótipo físico do

produto final, a partir de um modelo digital. A impressão permite

acelerar os processos de desenvolvimento de novos produtos,

reduzindo os custos associados a erros de conceção e

investimentos em moldes.

No entanto, com a evolução do setor, a tecnologia de impressão

3D permite nos dias de hoje obter peças muito próximas do

produto final, em vez de meros protótipos. Perante este avanço,

a associação da impressão 3D apenas a um processo de

prototipagem rápida tornou-se obsoleta. Este facto levou a que

no seio da comunidade científica a denominada prototipagem

rápida passasse a ser formalmente designada como fabrico

aditivo (FA).

O processo de fabrico aditivo começa, necessariamente, com

um modelo tridimensional de desenho assistido por computador

(CAD 3D). Este modelo pode ser desenhado num software

comercial disponível para o efeito, ou obtido através de scanners

tridimensionais. Existem neste momento bibliotecas de produtos

onde utilizadores podem descarregar modelos geométricos

preparados para a impressão. Em seguida, o modelo de CAD 3D

é “laminado” digitalmente em secções bidimensionais com uma

determinada espessura. A espessura destas camadas

determinará a resolução do produto final - quanto mais fina a

camada, maior será a precisão. O produto final é então

impresso, camada a camada, de acordo com a informação

fornecida pelo modelo digital.

Outro dos avanços verificados na tecnologia de impressão 3D

consiste no alargamento do leque de materiais com que é

possível fabricar produtos. Inicialmente desenvolvida para

polímeros, ceras e laminados à base de papel, esta tecnologia já

permite também o fabrico de peças a partir de materiais

metálicos, cerâmicos e até compósitos com fibra de vidro ou

fibra de carbono.

Diferentes materiais requerem, no entanto, diferentes

equipamentos de impressão. Atualmente, existem sete “famílias”

de fabrico aditivo: VAT photopolimerization, Powder Bed Fusion,

Binder Jetting, Material Jetting, Sheet Lamination, Material Extrusion

e Directed Energy Deposition. Existem também processos de

fabrico híbridos que englobam fabrico aditivo e subtrativo

(maquinagem) num único aparelho, sendo esta uma tendência

muito forte atualmente. A seleção de materiais está, desta

forma, associada ao processo de fabrico escolhido, à forma que

se pretende obter, ao custo associado e à função da peça.

Apesar da diversidade de tipos de fabrico aditivo, o método

dominante - e mais vulgarmente associado a impressão 3D - é a

extrusão de material. Este método de fabrico pressupõe um

material na forma pastosa a que é aplicado um diferencial de

pressão, de modo a que flua através de um bocal, idealmente, a

velocidade constante. À saída do bocal, o material deve estar

num estado semi-sólido, isto é, suficientemente maleável para

permitir a impressão e para aderir ao material adjacente já

impresso, e suficientemente rígido para manter a forma. O modo

mais comum de alterar o estado do material é através de uma

fonte de calor, embora também se possa recorrer a uma reação

química, nomeadamente um solvente ou agente de cura.

Por sua vez, dentro da família da extrusão de material, a

tecnologia mais utilizada é a modelação por deposição fundida,

ou FDM (do inglês Fused Deposition Modeling). Os sistemas FDM

recorrem a uma fonte de calor para liquefazer o material,

tipicamente um filamento de material polimérico, embora hajam

também sistemas que utilizam pó ou pellets. O polímero é expelido

por um bocal na cabeça de impressão, que se movimenta

bidimensionalmente segundo os eixos das abcissas e ordenadas,

de modo a formar uma secção transversal da peça pretendida.

Terminada a secção, a cabeça de impressão eleva-se segundo o

eixo das cotas, de modo a imprimir a camada seguinte. Certos

aparelhos poderão ter, no entanto, cabeças de impressão que

não se movimentam verticalmente, sendo a base onde assenta a

peça que se desloca.

A maior vantagem da tecnologia FDM assenta nas propriedades

mecânicas das peças produzidas, assim como na sua forma e no

seu custo para pequenas séries. A principal desvantagem reside

na velocidade de fabrico, que é consideravelmente inferior à

apresentada por outros tipos de sistemas de impressão 3D ou

sistemas de fabrico convencionais.

O material mais comum no fabrico por FDM é o ABS (acrilonitrilo-

butadieno-estireno) e derivados, nomeadamente ABSi, ABSplus

e ABS/PC - uma mistura de ABS e policarbonato (PC). Outro

material muito utilizado é o PLA (ácido poliláctico). No entanto,

outros polímeros poderão ser utilizados, consoante

necessidades específicas dos componentes a produzir como, por

exemplo, resistência mecânica, propriedades térmicas,

toxicidade ou flexibilidade.

A versatilidade destes sistemas, quer pela diversidade de

materiais com que é possível produzir peças, quer pela

simplificação do processo de fabrico de peças com geometrias

complexas, significa que podem ser utilizados nas mais diversas

áreas. A Figura 1 apresenta um modelo construído por FDM

para apoio laboratorial, neste caso a simulação de operações

cirúrgicas por meio de robots.

Figura 1 - Impressão de peças com geometria complexa sem

recurso a moldes de injeção

O fabrico aditivo e a Impressão 3DO fabrico aditivo e a Impressão 3D

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Figura 2 - Impressão de molde em ABS utilizando uma impressora FDM. Molde utilizado para processo de RTM

Uma das aplicações onde a impressão 3D se destaca é o fabrico

de estruturas celulares (ver Figura 2). Este tipo de estruturas é

de execução particularmente difícil através de métodos de

fabrico subtrativos convencionais, uma vez que se caracterizam

por uma distribuição de material não uniforme ao longo da peça.

Isto é, o material só é aplicado onde é necessário. Se uma

determinada zona de um corpo estiver sujeita a um carrega-

mento, seja ele mecânico, térmico ou de outro tipo, terá mais

material que uma zona que não esteja sujeita a carregamento -

determinadas zonas poderão não ter material de todo. Isto

permite obter peças mais eficientes, que apresentam uma

melhor resistência a carregamentos, com menor peso e menor

impacto ambiental.

Uma vertente muito forte da chamada Indústria 4.0 é o

desenvolvimento de equipamentos que conseguem produzir

componentes de forma mais rápida, flexível e com maior

precisão. Menos protótipos, moldes, ferramentas e pós-

processamento. Pretende-se no futuro transformar modelos

digitais em componentes e produtos de forma muito rápida. O

facto de toda a tecnologia de fabrico aditivo ter evoluído a par do

desenvolvimento dos computadores permitiu que todos os

equipamentos fossem concebidos para a fabricação digital e

facilmente inseridos nos sistemas Figura 1 Impressão de peças

com geometria complexa sem recurso a moldes de injeçãociber-

físicos existentes na Indústria 4.0.

Pedro Pombinha e Marco Leite - Professores do Instituto Superior Técnico