Como funciona a impressão 3D

Não muito tempo atrás, a ideia da impressão 3-D - criar objetos tridimensionais usando máquinas que adicionam camadas de material umas sobre as outras - parecia nova. Se você diz que vai imprimir algo de seu computador, a maioria das pessoas ainda pensa em impressão bidimensional, colocando toner ou tinta em um pedaço de papel. Agora, embora muitas pessoas possam não ter experimentado a impressão 3D, elas podem muito bem saber do que você está falando. E as impressoras 3-D tornaram-se acessíveis o suficiente para começar a aparecer em residências, makerpaces e salas de aula.

A impressão 3-D usa uma família de tecnologia de manufatura chamada manufatura aditiva (AM). AM é o meio de criar um objeto adicionando material ao objeto camada por camada. AM é a terminologia atual estabelecida pela ASTM International (anteriormente American Society for Testing and Materials) [fonte: Gibson, et, al. ] Ao longo de sua história, fabricação aditiva, em geral, passou por vários nomes: stereolithography , 3-D de estratificação e de impressão 3-D . Este artigo usa o termo impressão 3-D porque é mais conhecido.

Você pode ver alguns dos princípios básicos por trás do AM nas cavernas; ao longo de milhares de anos, o gotejamento de água cria camadas e camadas de depósitos minerais, que se acumulam para formar estalagmites e estalactites . Ao contrário dessas formações naturais, porém, a impressão 3-D é muito mais rápida e segue um plano predeterminado fornecido por um software de computador. O computador direciona a impressora 3-D para adicionar cada nova camada como uma seção transversal precisa do objeto final.

A manufatura aditiva e a impressão 3D, especificamente, continuam a crescer. A tecnologia que começou como uma forma de construir protótipos rápidos agora é um meio de criar produtos para as indústrias médica, odontológica, aeroespacial e automotiva. A impressão 3-D também está passando para a fabricação de brinquedos e móveis, arte e moda.

Este artigo analisa o amplo escopo da impressão 3-D, desde sua história e tecnologias até sua ampla gama de usos, incluindo a impressão de seus próprios modelos 3-D em casa. Primeiro, vamos dar uma olhada em como a impressão 3-D começou e como está se desenvolvendo hoje.

1. História da impressão 3-D
2. Impressão 3-D direta e encadernadora
3. Fotopolimerização e sinterização
4. O processo de impressão 3-D
5. A revolução da impressão 3D
6. As desvantagens da impressão 3-D
7. Impressão 3D em casa

O primeiro uso da manufatura aditiva foi na prototipagem rápida (RP) durante o final da década de 1980 e início da década de 1990. Os protótipos permitem que os fabricantes examinem o design de um objeto mais de perto e até mesmo o teste antes de produzir um produto acabado. O RP permite que os fabricantes produzam esses protótipos muito mais rápido do que antes, geralmente dentro de alguns dias ou às vezes horas após a concepção do projeto. No RP, os designers criam modelos usando software de design auxiliado por computador (CAD) e, em seguida, as máquinas seguem esse modelo de software para determinar como construir o objeto. O processo de construção desse objeto "imprimindo" suas seções transversais camada por camada tornou-se conhecido como impressão 3-D.

O primeiro desenvolvimento de tecnologias de impressão 3-D aconteceu no Massachusetts Institute of Technology (MIT) e em uma empresa chamada 3D Systems. No início da década de 1990, o MIT desenvolveu um procedimento que registrou com o nome Impressão 3-D, que oficialmente abreviou como 3DP. Em setembro de 2019, o MIT concedeu licenças a seis empresas para usar e promover o processo 3DP em seus produtos [fonte: MIT ].

A 3D Systems, com sede em Rock Hill, Carolina do Sul, foi pioneira e usou uma variedade de abordagens de impressão 3-D desde sua fundação em 1986. Ela até registrou algumas de suas tecnologias, como o aparelho de estereolitografia (SLA) e sinterização seletiva a laser (SLS), cada um descrito posteriormente neste artigo. Embora o MIT e os sistemas 3D continuem a ser líderes no campo da impressão 3-D, outras empresas também trouxeram novos produtos inovadores para o mercado profissional, com base nessas tecnologias AM.

Hoje, parte da mesma tecnologia de impressão 3-D que contribuiu para RP agora está sendo usada para criar produtos acabados. A tecnologia continua a melhorar de várias maneiras, desde a precisão dos detalhes que uma máquina pode imprimir até o tempo necessário para limpar e terminar o objeto quando a impressão for concluída. Os processos estão ficando mais rápidos, os materiais e equipamentos estão ficando mais baratos e mais materiais podem ser usados, incluindo metais e cerâmicas. As máquinas de impressão agora variam do tamanho de um carro pequeno ao tamanho de um forno de micro-ondas.

A manufatura aditiva é freqüentemente comparada ou mesmo confundida com outro processo de manufatura comum chamado de usinagem controlada numérica por computador (CNC). No entanto, CNC é subtrativo, o que é o oposto de AM. Na usinagem CNC, o material é removido de algum bloco pré-existente até que o produto acabado permaneça, bem como uma estátua esculpida em pedra.

Agora que você tem algumas informações básicas sobre o campo, vamos explorar algumas tecnologias de impressão 3-D.

Uma abordagem para a impressão 3-D é a impressão 3-D direta . A impressão 3-D direta usa tecnologia de jato de tinta , que está disponível para impressão 2-D desde 1960 [fonte: Gibson, et al. ] Como em uma impressora a jato de tinta 2-D, os bicos de uma impressora 3-D se movem para frente e para trás distribuindo um fluido. Ao contrário da impressão 2-D, porém, os bicos ou a superfície de impressão se movem para cima e para baixo, de forma que várias camadas de material possam cobrir a mesma superfície. Além disso, essas impressoras não usam tinta; eles dispensam ceras grossas e polímeros plásticos, que se solidificam para formar cada nova seção transversal do resistente objeto 3-D.

A prototipagem rápida (RP), que descrevemos anteriormente no artigo, tem sido um fator importante no crescimento da impressão 3-D direta. Em 1994, o ModelMaker, uma máquina produzida por uma empresa conhecida como Solidscape, se tornou a primeira tecnologia comercialmente bem-sucedida a aplicar a abordagem de jato de tinta ao RP [fonte: Gibson, et al. ] Outros produtos comerciais de RP se seguiram. Por exemplo, os produtos de prototipagem rápida avançada de hoje usam tecnologias como modelagem multijato (MJM), que cria protótipos de cera rapidamente com dezenas de bicos trabalhando simultaneamente [fonte: GWP ].

A impressão Binder 3-D , assim como a impressão 3-D direta, usa bicos de jato de tinta para aplicar um líquido e formar cada nova camada. Ao contrário da impressão direta, porém, a impressão de encadernação usa dois materiais separados que se unem para formar cada camada impressa: um pó fino seco mais uma cola líquida, ou encadernador . As impressoras Binder 3-D fazem duas passagens para formar cada camada. A primeira passagem desenrola um revestimento fino do pó e a segunda passagem usa os bicos para aplicar o aglutinante. A plataforma de construção então desce ligeiramente para acomodar uma nova camada de pó, e todo o processo se repete até que o modelo seja concluído.

O processo 3DP do MIT, mencionado anteriormente, usa essa abordagem de aglutinante. O MIT licencia empresas para desenvolver produtos que usam 3DP, mas para se qualificar, a empresa deve usar alguma combinação única de pó e materiais aglutinantes.

A impressão Binder 3-D tem algumas vantagens sobre a impressão 3-D direta. Primeiro, ela tende a ser mais rápida do que a impressão direta porque menos material é aplicado através dos bicos. Outra vantagem é que você pode incorporar uma maior variedade de cores e materiais no processo, incluindo metais e cerâmicas.

Modelagem de Deposição Fundida (FDM)

Fused Deposition Modeling (FDM) é uma abordagem de manufatura aditiva semelhante, embora não idêntica, à impressão 3D direta. O processo FDM, registrado pela Stratasys, Inc., inclui a injeção de plástico fundido em linhas compactadas usando bicos muito pequenos. O FDM pode criar objetos com recursos tão pequenos quanto uma fração de milímetro. [fonte: Grimm ]

A fotopolimerização é uma tecnologia de impressão 3-D em que gotas de um plástico líquido são expostas a um feixe de laser de luz ultravioleta. Durante esta exposição, a luz converte o líquido em um sólido. O termo vem da foto raiz, que significa luz e polímero, que descreve a composição química do plástico sólido .

Na década de 2000, o Piedmont Triad Center for Advanced Manufacturing (PTCAM) era uma parceria de escolas e empresas que fornecia treinamento prático em habilidades de usinagem na Carolina do Norte. Parte do treinamento do PT CAM incorporou um aparelho de estereolitografia (SLA) da 3D Systems. O SLA usa fotopolimerização, direcionando um laser através de uma cuba de plástico líquido chamado fotopolímero . Assim como na impressão 3-D a jato de tinta , o SLA repete esse processo camada por camada até que a impressão seja concluída.

A sinterização é outra tecnologia de manufatura aditiva que envolve a fusão e fusão de partículas para imprimir cada seção transversal sucessiva de um objeto. A sinterização seletiva a laser (SLS) é uma forma de sinterização usada na impressão 3-D. O SLS depende de um laser para derreter um pó plástico retardador de chamas, que então se solidifica para formar a camada impressa. Isso é semelhante ao mecanismo por trás das impressoras 2-D: elas derretem o toner para que adira ao papel e crie a imagem.

A sinterização é naturalmente compatível com a construção de objetos de metal porque a fabricação de metal geralmente requer algum tipo de fusão e remodelagem. Um exemplo do uso de metal como material de sinterização é da 3D Systems [fonte: 3D Systems ]. Os objetos criados com o LaserForm A6 têm várias vantagens em relação aos produtos de metal feitos por outros meios, como fundição sob pressão. Uma das maiores vantagens é o alto nível de precisão que o SLS pode alcançar.

Até agora, vimos como a impressão 3-D se desenvolveu e quatro tecnologias de impressão 3-D amplamente adotadas. A seguir, vamos examinar o processo geral de impressão de objetos tridimensionais, que se aplica independentemente da abordagem usada.

Não importa qual abordagem uma impressora 3-D use, o processo geral de impressão é geralmente o mesmo. Em seu livro " Additive Manufacturing Technologies: Rapid Prototyping to Direct Digital Manufacturing ", Ian Gibson, David W. Rosen e Brent Stucker listam as seguintes oito etapas no processo AM genérico:

O aumento da disponibilidade e acessibilidade das soluções de impressão 3-D tornou a tecnologia atraente para pessoas em muitos setores. Por exemplo, a indústria automotiva tem usado a tecnologia de impressão 3-D por muitos anos para a rápida prototipagem de novos designs de peças de automóveis. A imagem acima mostra um protótipo múltiplo criado pelo Piedmont Triad Centre for Advanced Manufacturing (PTCAM).

A profissão médica adotou avidamente a impressão 3-D para vários usos, como a impressão de próteses. Próteses tradicionais feitas profissionalmente podem ser caras, mas uma impressora 3-D pode fazer uma prótese de mão por apenas US $ 50 [fonte: Amputee Coalition ]. Da mesma forma, o Walter Reed Army Medical Center usou impressão 3-D para produzir modelos que os cirurgiões podem usar como guia para cirurgia reconstrutiva facial [fonte: King ]. Vários fabricantes de impressoras 3-D profissionais vendem máquinas projetadas especificamente para trabalho odontológico.

Os engenheiros da indústria aeroespacial incorporam a impressão 3-D para ajudar a testar e melhorar seus designs, bem como para mostrar como eles funcionam bem [fonte: Gordon ]. A empresa de pesquisa EADS tem uma ambição ainda mais ousada para a impressão 3-D: fabricar as próprias peças de aeronaves, incluindo uma asa inteira para um grande avião . Os pesquisadores da EADS veem isso como uma tecnologia verde, acreditando que as asas impressas em 3-D irão reduzir o peso de um avião e, portanto, reduzir seu uso de combustível. Isso poderia reduzir as emissões de dióxido de carbono e a companhia aérea cerca de US $ 3.000 ao longo de um ano. [fonte: The Economist ]

A impressão 3-D também tem algumas aplicações estéticas interessantes. Designers e artistas estão usando-o de maneiras criativas para produzir arte, moda e móveis. O artista gráfico Torolf Sauermann criou esculturas geométricas coloridas usando impressão 3-D [fonte: Jotero GbR ]. Freedom of Creation (FOC), uma empresa da Holanda, vendia produtos impressos em 3-D feitos de poliamida sinterizada a laser, incluindo iluminação com desenhos geométricos intrincados e desenhos de roupas que consistiam em anéis de plástico entrelaçados que lembram cota de malha. A FOC também tem vários clientes corporativos que usam seus serviços de design e impressão, incluindo Philips, Nokia, Nike, Asics e Hyundai [fonte: FOC ].

Uma aplicação mais saborosa da tecnologia de impressão 3-D vem da indústria de chocolate, que desenvolveu máquinas que podem criar itens de confeitaria exclusivos. Embora inadequadas para produção em massa, as impressoras 3-D podem fazer objetos projetados por computador como protótipos, ou apenas como itens exclusivos e personalizados [fonte: Ooi ]. Procurando algo um pouco mais saboroso? Você pode usar impressoras 3-D para criar muitos tipos de alimentos - tem que ser algo que você possa purificar para colocá-los na máquina - mas você pode fazer hambúrgueres com impressão 3-D. Uma coisa a ser observada: os alimentos impressos têm uma textura diferente dos alimentos tradicionais [fonte: Houser ].

Historicamente, a impressão 3-D sempre foi uma tecnologia cara. O SLA da PTCAM, descrito anteriormente neste artigo, custava mais de $ 250.000; o plástico líquido custa cerca de US $ 800 por galão. As organizações que possuíam esse tipo de equipamento podem vender serviços de estereolitografia para terceiros ou permitir que as empresas adquiram períodos de tempo para usar o equipamento.

Hoje, muitas grandes máquinas industriais AM ainda são caras, embora menos do que antes. Por exemplo, em setembro de 2019, o ProJet CPX 3000MJP 3600 da 3D Systems estava sendo vendido por menos de US $ 100.000 e podia produzir modelos em alta definição de até 11,75 polegadas por 7,3 polegadas por 8 polegadas (298 milímetros por 185 milímetros por 203 milímetros) [fontes: BasTech ].

Além do preço, existem algumas outras desvantagens com as impressoras 3-D. Eles usam muita energia, cerca de 100 vezes mais energia elétrica do que a fabricação normal. Os pesquisadores também descobriram que eles podem emitir muitas partículas cancerígenas e compostos orgânicos voláteis, principalmente quando usados ​​em um espaço pequeno, como uma casa. O plástico usado na maioria dos projetos 3-D também tem seus próprios problemas. Resíduos de plástico de projetos 3-D provavelmente acabarão em aterros sanitários e contribuirão para a crise da Terra com o plástico descartável. A resistência do plástico adicional varia e pode não ser a melhor para todos os componentes de um projeto. As impressoras 3-D também são lentas e um projeto pode levar vários dias ou horas para ser impresso [fonte: 3-D Insider ].

É provável que muitos desses problemas sejam corrigidos com o tempo, à medida que a tecnologia for aprimorada. Mas outros problemas podem persistir. Por exemplo, as pessoas já fizeram armas usando impressoras 3-D , incluindo um homem a quem foi negada a permissão para armas anteriormente . Podem ser tomadas medidas para evitar que as pessoas usem impressoras 3-D para fazer armas, facas e outras armas? Também há preocupação com as violações de direitos autorais . As pessoas poderiam obter plantas e imprimir um objeto em vez de comprá-lo do detentor da patente ou dos direitos autorais. Pode ser difícil para um detentor de patente rastrear a pessoa (ou centenas de pessoas) que imprime algo patenteado e alega violações de direitos autorais.

Embora ainda não seja comum, as impressoras 3-D estão aparecendo em mais residências, bibliotecas , escolas e makerpaces.

Os preços dessas máquinas também diminuíram com o amadurecimento da tecnologia. Por exemplo, a partir de 2019, uma MakerBot Replicator Mini + custa a partir de US $ 1.299 [fonte: MakerBot ]. A empresa vende pequenos carretéis de seu material PLA em 12 cores padrão a partir de US $ 18 e cores de edição limitada (que brilham no escuro, alguém?) Por um custo extra.

Se você não quer gastar muito em uma máquina para uso doméstico, você pode construir uma você mesmo. Por exemplo, o físico e blogueiro Windell Oskay construiu sua própria impressora 3-D em 2007, que fabrica objetos de açúcar usando uma abordagem de sinterização. O projeto, chamado CandyFab, tem um site dedicado em CandyFab.org . Embora o projeto tenha sido encerrado, você ainda pode ler sobre ele e como ele o fez funcionar.

Para uma abordagem mais profissional, você pode adquirir serviços de impressão 3D. Esses serviços permitem que você envie seus próprios arquivos CAD e receba de volta uma produção de alta qualidade de seus objetos ou objetos criados por uma impressora 3-D industrial. As empresas online que oferecem serviços de impressão 3-D incluem Shapeways e Ponoko. Esses sites também oferecem a opção de abrir uma loja online, permitindo que você ganhe dinheiro quando outras pessoas comprarem impressões 3D de seu design. [fonte: Shapeways , Ponoko ]

A impressão 3-D continua a melhorar à medida que seu custo diminui. Talvez no futuro essas máquinas sejam ferramentas comuns usadas para solucionar problemas do dia-a-dia, como imprimir projetos escolares ou imprimir uma nova chave de casa, em vez de dirigir até a loja de ferragens para substituí-la.

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