O que é impressão 3D | Tudo o que você precisa saber

Uma análise das definições, técnicas e melhores práticas de design da impressão 3D . Entenda como essa tecnologia está transformando a manufatura e capacitando marcas e usuários finais.

Estamos testemunhando um momento futurista na manufatura. A fusão entre software e ciência dos materiais deu origem a processos de criação limpos, sob demanda e com excelente custo-benefício. Em um mundo que valoriza a diferenciação, a impressão 3D atende à crescente demanda por produtos personalizados com notável rapidez. O mercado de impressão 3D já movimenta US$ 23.4 bilhões e continua crescendo. Saiba mais a seguir.

O que é impressão 3D?

A impressão tridimensional é uma forma inovadora de manufatura aditiva, na qual peças inteiras são produzidas camada por camada a partir de um arquivo de projeto digital. É possível produzir bens complexos utilizando menos materiais, o que é benéfico para o controle de custos. 

A transformação científica de ideias em objetos tangíveis com o toque de um botão é a maior conveniência dessa tecnologia. A impressão 3D pode ser feita com plásticos, metais e outros materiais, incluindo opções biodegradáveis.

História da impressão 3D

A impressão 3D surgiu na década de 1980, mas, naquela época, a tecnologia era extremamente cara. Hoje, a impressão 3D é um conceito revolucionário de redução de custos no desenvolvimento de protótipos , com uso ocasional em grandes volumes de produção. Veja como tudo começou.

Em 1981, Hideo Kodama, um médico japonês, publicou estudos descrevendo um método inicial de prototipagem rápida baseado na solidificação de fotopolímeros. Ele registrou pedidos de patente para o conceito, mas, por falta de apoio institucional e financeiro, o trabalho foi interrompido antes que uma impressora completa pudesse ser construída.

Em 1984, Charles Hull inventou a estereolitografia, que utilizava um feixe de laser para criar peças inteiras a partir de materiais. Ele patenteou a tecnologia e fundou sua empresa, a 3D Systems. Seu primeiro produto impresso em 3D foi a SLA-1, em 1988. 

Entre 1988 e 1992, Carl Deckard inventou outra tecnologia de impressão 3D curiosamente inovadora . Sua tecnologia de impressão digital utilizava sinterização seletiva a laser (SLS) para criar peças completas a partir de projetos. Pouco depois da invenção de Carl, S. Scott Crump registrou uma patente para uma impressora de modelagem por deposição fundida (FDM).

Em 1999, o primeiro órgão impresso em 3D foi implantado em um ser humano. Cientistas imprimiram estruturas sintéticas de uma bexiga humana e as revestiram com células do próprio paciente. Isso ajudou a salvar a vida do paciente.

A primeira impressora 3D SLS tornou-se comercialmente disponível em 2006. Isso impulsionou a fabricação personalizada de peças industriais a baixo custo. 

Como funciona a impressão 3D?

Etapa 1: Criação do conceito e do design 3D

A fabricação 3D começa com projetos conceituais cujas características e formas correspondem à função pretendida do produto. O Fusion 360 é um exemplo de ferramenta de design 3D bastante utilizada. Após o projeto, uma etapa de revisão ajuda a identificar erros e alinhar a visão do projeto às realidades da produção. Isso inclui custos, tempo, materiais e regulamentações do setor.

Etapa 2: Preparação e fatiamento do arquivo

O fatiamento é o processo de transformar projetos de peças em formatos legíveis para impressoras 3D. Os fabricantes traduzem os projetos em camadas finas que carregam informações para a impressora. Essas instruções são conhecidas como código G e ditam como a impressora constrói a peça, incluindo temperaturas de impressão, altura da camada e padrões de preenchimento.

Etapa 3: Configuração da impressora e carregamento do material

Pouco antes da impressão, os fabricantes devem realizar verificações importantes de segurança, eficiência e precisão. Nesse processo de configuração, os engenheiros trabalham para encontrar as calibrações ideais para minimizar erros de impressão. As configurações corretas também garantem uma alimentação constante e uma adesão consistente das peças. Algumas das principais atividades da etapa de configuração incluem:

• Seleção de material 
• Nivelamento de cama 
• Nivelamento de temperatura

Etapa 4: Impressão e monitoramento em tempo real

Quando o processo de impressão começa, as instruções em código G basicamente controlam a máquina. A máquina constrói as camadas das peças, trabalhando em conjunto com sensores que monitoram e mantêm tudo em condições ideais, principalmente temperatura, umidade, alimentação de material e consistência das camadas.

Além disso, os projetistas ou engenheiros devem acompanhar de perto o processo de impressão 3D. Embora o processo seja autônomo, ajustes de parâmetros durante a impressão podem ajudar a detectar erros que passaram despercebidos na fase de revisão do projeto.

Etapa 5: Pós-processamento e inspeção de qualidade

A etapa de pós-processamento oferece a oportunidade de aprimorar a aparência e a estrutura das peças impressas em 3D antes de utilizá-las nas aplicações pretendidas. As atividades realizadas nesta etapa melhoram a conformidade com os requisitos originais do projeto. Isso inclui o alisamento da superfície para melhorar o encaixe das peças, a limpeza e a lavagem com solvente para evitar contaminação. Um processo final de pós-cura pode ser realizado para completar a polimerização da peça impressa.

Benefícios da impressão 3D

A impressão 3D redefine as regras fundamentais da manufatura de maneiras que podem ser benéficas ou prejudiciais, dependendo do ponto de vista. Vamos explorar algumas de suas vantagens e limitações mais importantes.

Ótimo para designs criativos

O benefício mais direto da impressão 3D é o suporte à experimentação de design em larga escala. Há menos etapas mecânicas entre o projeto e a produção, permitindo que os designers testem formas e recursos completamente novos. Além disso, fazer ajustes durante a impressão é fácil e possível. A impressão 3D cria produtos camada por camada, permitindo interromper, recalibrar e retomar a fabricação quantas vezes forem necessárias, sem altos custos de ferramental, retrocesso de processo (ter que começar do zero) ou limitações geométricas.

Útil para testar ideias

Quando a impressão 3D se popularizou, o mundo da prototipagem recebeu um impulso imediato de vitalidade. A manufatura aditiva eliminou complexidades cruciais do processo que inicialmente impediam a entrada de inovadores. Hoje, máquinas sofisticadas de impressão 3D são muito mais baratas e ainda mais acessíveis. Isso significa que empresas jovens podem testar novas ideias de produtos rapidamente, sem limitações de capital ou técnicas. Com a prototipagem por impressão 3D, não há atrasos nem custos com ferramentas. Novos produtos chegam ao mercado mais rapidamente.

Personalização econômica

Os métodos tradicionais de fabricação foram projetados para produção em massa. Isso pode ser caro quando apenas um pequeno número de peças personalizadas é necessário. As economias de escala não são vantajosas para pequenos volumes de produção. Mas a impressão 3D é ideal para lotes pequenos, tornando-se uma solução mágica para testes A/B de mercado com variações de produtos e para a fabricação de versões de edição limitada.

Eficiência Material

O planeta está aquecendo rapidamente à medida que as taxas de consumo disparam. No entanto, práticas de fabricação ineficientes também contribuem significativamente para essa insustentabilidade. A impressão 3D é uma forma muito mais ecológica de produzir bens, pois gera pouco material residual no processo.

Desvantagens da impressão 3D

Resistência limitada do material

Quando protótipos impressos em 3D quebram, geralmente quebram ao longo das linhas de camada. O método de produção camada por camada resulta em ligações intercamadas mais fracas. Em comparação, peças moldadas possuem ligações sólidas em toda a sua estrutura interna. 

Em outras palavras, a impressão 3D não é confiável para aplicações de alto impacto. É necessário usar um agente de ligação para obter peças mais resistentes, mas isso pode levar à contaminação. A taxa de defeitos aumenta quando materiais com baixa adesão (por exemplo, náilon) são utilizados.

Mais lento para a produção

A impressão 3D redefine o conceito de escalabilidade. Enquanto a moldagem por injeção produz milhares de peças em uma hora, a impressão 3D produz uma única peça em uma hora. Isso pode ser aceitável para comprovar conceitos, mas suas aplicações frequentemente entram em conflito com a viabilidade econômica, resultando em custos de fabricação mais elevados em termos de tempo e mão de obra.

Acabamento de superfície áspera

Existem muitas desvantagens associadas à abordagem de produção camada por camada da impressão 3D. Acabamos de analisar como as ligações frágeis entre as camadas afetam a durabilidade da peça. Outro problema a ser considerado é a estética comprometida. As linhas finas onde cada camada se une à seguinte permanecem visíveis mesmo no produto final. Para os clientes da impressão 3D, isso significa que é necessário dedicar mais tempo ao acabamento da superfície. No entanto, a integridade do projeto (forma, função, encaixe) pode ser comprometida durante o acabamento.

Imprecisão Dimensional

A dependência da impressão 3D em relação ao calor representa um grande risco para a precisão. As inconsistências dimensionais ocorridas durante o acabamento são insignificantes em comparação com a deformação e a contração das peças impressas em 3D quando esfriam. Este não é um processo de impressão do tipo "configure e esqueça", pois até mesmo pequenas alterações atmosféricas podem afetar a qualidade da peça. Para o fabricante, isso se traduz em altos custos com defeitos e rejeições, atrasos insustentáveis ​​devido a retrabalhos constantes e recalls de produtos devido a problemas de tolerância e encaixe.

Processo de fabricação aditiva versus métodos subtrativos e formativos

A manufatura subtrativa é exatamente o oposto da deposição de camadas passo a passo necessária para fabricar novas peças em processos aditivos. A abordagem subtrativa envolve a remoção de material de um bloco sólido para criar peças precisas usando máquinas especializadas. As diferenças entre os métodos de manufatura aditiva e subtrativa se resumem a custos, eficiência e escalabilidade.

Diferenças	De produção de aditivos	Manufatura Subtrativa
Custos	Baixa eficiência do material	Alto devido ao desperdício de material
Níveis de tolerância	0.1 mm	0.025 mm
Recursos internos	Possiveis	Não é possivel

Custos 

Uma grande quantidade de materiais é desperdiçada no processo de fabricação subtrativa. A menos que os fabricantes planejem reutilizar aparas e cavacos, essa abordagem pode ser proibitivamente cara. A manufatura aditiva, como visto no caso da deposição de camadas na impressão 3D, é eficiente no uso de materiais. Mesmo ao corrigir defeitos na pós-produção, o volume de resíduos é mínimo. 

Avançada 

Os níveis de tolerância na manufatura subtrativa são menores do que na manufatura aditiva. No entanto, essa diferença é dinâmica e varia de acordo com a tecnologia de impressão ou os materiais utilizados. Simplificando, utilize a manufatura aditiva para trabalhos com requisitos de tolerância mais flexíveis, mas opte pela manufatura subtrativa para projetos com regras de tolerância mais rigorosas. 

Complexidade

Na manufatura subtrativa, 90% do foco está nas características externas e na aparência dos materiais. O processo de usinagem por lascamento não permite o acesso viável à estrutura interna de uma peça. Na manufatura aditiva, é possível introduzir características internas práticas durante a deposição de camadas. Isso inclui caminhos ocos com dimensões consistentes, canais internos (para peças com fluxo de fluidos ou gases) e peças porosas. Isso pode ajudar a alcançar uma melhor adequação do produto ao mercado.

Quais materiais podem ser usados ​​na impressão 3D?

O sucesso ou fracasso das suas peças impressas em 3D depende totalmente dos materiais que você escolher. O mundo é seu! Existem inúmeros materiais para impressão 3D, tantos que seria impossível listar todos aqui. Apresentamos aqui as suas 7 principais opções.

1. Ácido polilático, também conhecido como PLA

Quando os fabricantes precisam de produtos que sejam ecologicamente corretos, o PLA é a solução ideal, pois é totalmente renovável. É feito de amido de milho. Além disso, é mais fácil de processar, derretendo a temperaturas inferiores a 250 graus Celsius. O PLA não deforma com facilidade.

2. Acrilonitrila Butadieno Estireno, também conhecido como ABS

Uma das desvantagens da impressão 3D que vimos anteriormente é a fragilidade das ligações entre as camadas. Os materiais ABS representam uma solução estratégica para esse desafio, formando ligações intercamadas praticamente indestrutíveis. Na prática, essa propriedade singular se traduz em alta capacidade de carga para peças impressas em 3D com ABS. O ABS também apresenta maior resistência a impactos em comparação com peças impressas em 3D com nylon.

3. Polietileno tereftalato glicol, também conhecido como PETG

Os materiais PETG são aprovados pela FDA para a produção de peças e produtos em contato com alimentos. Isso significa que os riscos legais/de conformidade são menores ao inovar em novos produtos de embalagens de alimentos.

Outras vantagens incluem um risco significativamente menor de deformação e facilidade de processamento (temperatura de extrusão de 250 graus Celsius). As placas de PETG também são resistentes à umidade.

4. Nylon, também conhecido como Poliamida (PA12 / PA6)

As peças de nylon reduzem o risco de falha do produto em ambientes caracterizados por desgaste intenso, flexão e cargas pesadas. Sua temperatura máxima de extrusão é de 270 graus Celsius, mas a alta exposição à umidade afeta a adesão.

5. Policarbonato (PC)

Na hora de fabricar peças transparentes personalizadas que não quebram facilmente, a impressão 3D em policarbonato facilita muito o processo. Embora seja necessário aquecer o bico a temperaturas acima de 280 graus Celsius, as peças são menos propensas a deformações. As vantagens do policarbonato na impressão 3D incluem estabilidade dimensional robusta, maior resistência a impactos e melhor transparência óptica.

6. Poliuretano termoplástico, também conhecido como (TPU)

O TPU herda as qualidades inerentes de seus materiais de origem – plástico e borracha. As temperaturas de extrusão do TPU são médias, em torno de 240 graus Celsius. Seus benefícios incluem:

• Alta elasticidade 
• Elevada resistência ao impacto

7. Materiais Metálicos

A impressão 3D funciona bem com uma ampla variedade de metais, produzindo peças resistentes, rígidas e duráveis. As principais opções de materiais metálicos para impressão 3D incluem:

Metal	Temperatura de impressão (em graus Celsius).	Resistência. Megapascals (MPa)	Dureza da peça impressa.	Rugosidade da superfície (µm Ra)
Liga de alumínio	650	460	80 (HRB)	15
Aço inoxidável	1360	1100	44 HRC	10-20
Liga de titânio grau 5	1360	900	36 HRC	25
Cobalto	1600	1300	47 HRC	15
Inconel	1300	1434	30-35HRC	15

Processos de impressão 3D em polímeros

Os processos de impressão 3D em polímero são simples, com a peça passando da fase de projeto para a fabricação em camadas e, em seguida, para a pós-impressão. As etapas de preparação entre as fases incluem o fatiamento e a calibração das configurações da impressora. 

Durante a fabricação, o processo de produção pode incluir extrusão, sinterização ou fusão. Essa etapa de produção depende da tecnologia escolhida, que pode ser FDM, SLS ou SLA.

Na etapa pós-impressão, a peça impressa é removida da base, limpa e inspecionada para verificar sua precisão. Finalmente, a peça é submetida a diversos testes de resistência à tração, limites de fadiga e resistência à flexão.

Processos de impressão 3D em metal

O processo de impressão 3D em metal começa na fase de projeto CAD e passa pelo fatiamento até a sinterização, fusão ou derretimento. Após a aprovação do projeto, o modelo é preparado para o processo de impressão. É nessa etapa que o fatiamento ou a conversão do CAD em camadas de alta definição é realizada.

Antes da produção, os engenheiros definem parâmetros de impressão importantes para melhorar a qualidade do resultado. Estes incluem:

• Temperatura de fusão 
• Potência do laser e tamanho do ponto
• Velocidade de digitalização e vetor de rotação

O processo de produção em si envolve o fluxo de pó em tempo real, a recirculação de gás e o monitoramento da poça de fusão. Para melhores resultados, os engenheiros também verificam e otimizam a exposição do laser e a sobreposição da varredura. A refusão ocasional de camadas ajuda a melhorar a resistência da peça impressa.

O pós-processamento começa logo após o tratamento térmico, que busca otimizar a resistência estrutural da peça impressa. As atividades de melhoria da superfície realizadas nessa etapa incluem polimento químico, eletroerosão (EDM) e fresagem CNC.

Selecionando o processo de impressão 3D correto

Modelagem por Deposição Fundida (FDM / FFF)

A tecnologia FDM economiza tempo e dinheiro ao trabalhar com materiais poliméricos, incluindo plásticos e borracha. É um processo de fabricação muito simplificado que envolve o aquecimento e a fusão dos materiais, seguidos pela extrusão através de um bico. A peça é formada camada por camada sobre uma base com estruturas de suporte erguidas para mantê-la no lugar.  

As desvantagens da FDM, como a fragilidade da camada intermediária e a rugosidade da superfície, podem ser controladas através de:

• Configurações ideais de temperatura de extrusão
• Melhorar a altura da camada
• Equilibrando a velocidade de impressão
• Alterar a orientação da peça

Estereolitografia (SLA) / Processamento Digital de Luz (DLP)

Uma alternativa à manufatura aditiva baseada em polímeros é a SLA (laminectomia a laser ). Nesse processo, não há aquecimento nem extrusão; em vez disso, uma resina líquida (o material) é exposta a um feixe de laser. A luz do laser força o material a curar e solidificar camada por camada.

Os desafios comuns da impressão SLA, como encolhimento da peça ou delaminação de camadas, podem ser resolvidos melhorando o tempo de exposição do laser, otimizando a espessura da camada e usando as resinas adequadas. Escolha SLA se precisar de resultados com maior qualidade. A SLA economiza tempo, mas a FDM economiza dinheiro. A escolha é sua. 

Derretimento seletivo a laser 

Quando se trata de materiais, o método de fabricação digital mais utilizado é a SLM (Selective Laser Melting). Assim como a SLA (Solid Lamineral Acquisition), ela utiliza um feixe de laser de alta intensidade para escanear os materiais (em pó, como aço, alumínio, Inconel ou cobalto). Diferentemente da SLA, na SLM o laser funde os materiais de acordo com as instruções do código G do projeto, formando a peça camada por camada.

Problemas comuns encontrados na SLM incluem alta rugosidade superficial, porosidade interna e tensão residual. 

Todos esses problemas podem ser atenuados no pós-processamento por meio de recozimento, aquecimento e compressão sob pressão.

Pós-Processamento e Finalização

O pós-processamento abrange tudo o que se relaciona à melhoria da saída após a peça ser removida da base de impressão. 

As técnicas de pós-processamento 3D para polímeros incluem lixamento seletivo, corte mecânico e limpeza ultrassônica. Os metais podem ser submetidos a técnicas de acabamento 3D, como tratamento térmico, recozimento e prensagem isostática a quente (HIP). 

Software e ferramentas de impressão 3D

A impressão 3D, tanto para polímeros quanto para metais, independentemente da tecnologia utilizada, é possível graças a uma ampla variedade de ferramentas, incluindo:

Software CAD (Desenho Auxiliado por Computador): Este software auxilia na criação de projetos 3D para uso posterior na produção. Algumas opções de software CAD também podem auxiliar na simulação e otimização de projetos em situações reais. Entre as marcas líderes de mercado em software CAD estão a Autodesk e a SolidWorks.

Ferramentas de Modelagem 3D: O processo de transformar dados CAD em um objeto físico faz parte dos fluxos de trabalho fundamentais na impressão 3D. É aqui que entram as ferramentas de modelagem 3D, oferecendo recursos de criação física e manipulação de projetos. As principais marcas de ferramentas de modelagem 3D incluem Blender, Rhino e Autodesk.

Formatos de arquivo: São os métodos usados ​​para codificar, salvar e transferir arquivos e dados de projeto de forma a evitar sua perda ou dano. Os formatos de arquivo para impressão 3D são criados nas etapas de projeto e fatiamento (usando softwares de projeto e fatiamento) e incluem opções populares como STL, OBJ e 3MF.

Software de fatiamento: O software de fatiamento faz a ponte entre o projeto baseado em computador e as instruções prontas para impressão. Essas ferramentas auxiliam na geração de código G (instruções de projeto interpretáveis ​​pela impressora) e na configuração dos parâmetros do fluxo de trabalho. Exemplos de soluções de fatiamento incluem PrusaSlicer, Simplify3D e Cura.

Ferramentas de controle e monitoramento de impressoras

Após o início do processo de impressão, os fabricantes monitoram parâmetros como temperatura e fluxo de material. As melhores soluções de monitoramento ajudam a acompanhar esses parâmetros e identificar desvios para correção imediata. As principais soluções de monitoramento de processos de impressão 3D incluem OctoPrint, Repetier-Host e MakerBot Print.

Dicas de design para impressão 3D

Quase tudo que pode dar errado durante a impressão 3D pode ser corrigido na fase de projeto seguindo as melhores práticas.

1. Utilize a espessura de parede adequada.

A espessura da parede é a distância entre as superfícies interna e externa de uma peça impressa em 3D. Se essa medida for muito pequena, a peça fica frágil; se for muito grande, resulta em deformação. As dimensões ideais de espessura da parede promovem tanto a resistência estrutural quanto a precisão geométrica da superfície das peças. 

2. Otimizar a orientação das camadas no design 

A área de maior fragilidade em quase todas as peças impressas em 3D está ao longo do eixo Z. (Parece que a sobreposição de camadas é uma dádiva sem fim.) Para superar essa fragilidade entre as camadas, o projeto deve ser tal que a carga da peça se oriente em direção ao plano XY e não ao eixo Z.

3. Reduzir beirais e pontes

Se os ângulos de saliência excederem 45 graus, o resultado mais provável é o afundamento e imperfeições superficiais desagradáveis. Ao aumentar a altura da camada e usar chanfros, os fabricantes podem melhorar a qualidade da peça e reduzir o tempo e o custo do pós-processamento.

4. Formulação de filamento limpo

Os vapores liberados durante a impressão 3D incluem compostos orgânicos voláteis (COVs) e partículas ultrafinas (PUFs). Eles representam um risco à saúde e podem penetrar nos pulmões , como demonstrado em estudos recentes. A formulação adequada do filamento para reduzir a emissão de gases melhora a eficiência da impressão 3D, mas, principalmente, garante a segurança de todos.

5. Sensores de imagem térmica 

Nos processos de SLS e SLM, é comum a geração de calor extremo que pode causar queimaduras ou explosões. Se não for controlado, isso pode levar a acidentes de trabalho e consequentes processos judiciais e multas elevadas. O uso de algoritmos preditivos e sensores de monitoramento térmico é o primeiro passo para a segurança. Os engenheiros de projeto de impressão 3D também devem considerar a construção de câmaras seladas e a realização de todos os processos de impressão dentro dessas estruturas.

Aplicações e casos de uso da indústria

A tecnologia de impressão 3D agora está acessível ao consumidor e é onipresente na criação de arte, produtos personalizados e itens pessoais. Em escala industrial, no entanto, esses são os principais casos de uso que impulsionam o crescimento do setor.

• Invólucros para eletrônicos de consumo
• Ferramentas para acessórios de beleza e cosméticos
• Dispositivos vestíveis e peças para dispositivos inteligentes
• Embalagem personalizada 
• Eletrônica embarcada 

Conclusão

Inicialmente, os fabricantes tradicionais encaravam a impressão 3D como uma ameaça apocalíptica para a indústria. Mas hoje, a impressão 3D e a manufatura tradicional coexistem. A impressão 3D abriu grandes oportunidades para o desenvolvimento de produtos únicos. Com um design adequado e a otimização do processo de impressão, é possível alcançar resultados maravilhosos. 

Perguntas Frequentes