Noções básicas de Impressão 3D

A Impressão 3D (também conhecida como Fabrico Aditivo) é o processo de produzir objetos físicos 3D a partir de um ficheiro digital, adicionando sucessivamente camadas de material através de uma impressora 3D. Ao utilizar um processo aditivo, a Impressão 3D é o oposto dos métodos convencionais de fabrico subtrativo, onde o material é sucessivamente cortado ou trabalhado a partir de um bloco sólido. A diferença entre um processo subtrativo e um aditivo é esquematizada na figura seguinte.

Processo subtrativo (em cima) vs. processo aditivo (em baixo). Fonte: http://ludoreng.com/

Tecnologias de impressão em 3D

Existem atualmente várias tecnologias de Impressão 3D disponíveis, utilizando diversos tipos de materiais (sólido – folha, filamento, granulado; líquido; pó) e diferentes abordagens.

A estereolitografia (SLA) cria objetos através da cura seletiva de uma resina, camada por camada, através de uma fonte de luz (laser ou projetor). O Processamento Digital de Luz (DLP) é muito semelhante ao SLA, mas utiliza um projetor de luz digital para aplicar uma única imagem de cada camada de uma só vez. A Sinterização Seletiva a Laser (SLS) utiliza um laser que induz seletivamente a fusão entre partículas de pó numa área, para criar um objeto sólido. Existem muitas outras tecnologias de Impressão 3D, estando igualmente outras em fase de desenvolvimento.

No entanto, a maioria são demasiado complexas e dispendiosas para serem consideradas na educação de adultos pouco qualificados. A tecnologia de Impressão 3D mais popular e acessível é a Modelação de Depósitos Fusíveis (FDM). É fácil de utilizar e bastante adequada para ser aplicada na educação de adultos. Deste modo, o presente módulo irá concentrar-se na FDM.

A FDM acumula camadas consecutivas de material a altas temperaturas, permitindo que as camadas adjacentes arrefeçam e se unam antes de a camada seguinte ser colocada.

Tecnologia FDM. Fonte: http://ludoreng.com/

Fluxo de trabalho 3DP

A Impressão 3D envolve normalmente a utilização de um computador, um modelo digital 3D, software para preparação de modelos 3D, uma impressora 3D e matéria-prima.

Primeiro, é necessário o modelo 3D do objeto a ser impresso. Tem de ser processado para se obter um ficheiro que possa ser utilizado pela impressora 3D. Normalmente, significa converter o modelo 3D num ficheiro .stl (se necessário) e cortar este ficheiro .stl num conjunto de secções 2D, utilizando um software específico. Este software para cortar define também os parâmetros do processo de impressão 3D e, no final, gera um ficheiro contendo todas as instruções necessárias para a impressora 3D finalizar o trabalho. Este ficheiro (geralmente um ficheiro .gcode – um ficheiro contendo comandos em código G, que é uma linguagem que as impressoras 3D podem ler)  é transmitido À impressora 3D, que depois deposita sucessivas camadas de material fundido para fabricar a peça. Um fluxo de trabalho típico de Impressão 3D é esquematizado na figura seguinte.

Typical 3D printing workflow. Source: Ludor Engineering

Obtenção de modelos de Impressão 3D

Há várias formas de obter um modelo 3D para Impressão 3D: por modelação 3D, utilizando um software adequado, por digitalização 3D ou descarregando-o de um repositório online especializado.

Existe muito software disponível para a criação de modelos 3D, incluindo programas gratuitos, para todos os níveis, desde o principiante ao profissional. Apresentam-se alguns na tabela seguinte. Existem igualmente muitos recursos educativos e tutoriais que podem ser utilizados para aprender a criar os seus próprios modelos 3D. A modelação 3D é uma competência indispensável quando se pretende criar os nossos próprios objetos.

*Grátis para estudantes e educadores

A digitalização 3D é um método utilizado para capturar a forma de um objeto, utilizando um scanner 3D ou um smartphone com uma aplicação adequada. As aplicações de digitalização 3D baseiam-se na fotogrametria, uma tecnologia que cria modelos 3D a partir de fotografias 2D tiradas de ângulos diferentes, que são depois “costuradas” por um software. Apresentam-se algumas aplicações de digitalização em 3D na tabela seguinte.

A forma mais simples de obter um modelo 3D para Impressão 3D é descarregá-lo a partir de um dos muitos repositórios disponíveis online. Muitos destes modelos são gratuitos. Apresentam-se alguns dos melhores desses repositórios na tabela seguinte.

Software fatiador de impressão 3D

Os fatiadores são o software que analisa o modelo 3D (na maioria das vezes, em formato .stl), dividem-no em várias camadas, carregam as definições de impressora 3D (como temperatura, altura da camada, velocidade de impressão, etc.) e geram o ficheiro de código G que disponibiliza as orientações necessárias à impressora 3D para fazer o objeto. Existem muitos fatiadores disponíveis, sendo a maioria gratuita. Apresentam-se alguns dos fatiadores mais populares na tabela seguinte.

Impressoras FDM 3D

Uma impressora FDM 3D utiliza um filamento contínuo, que é alimentado através de um mecanismo de engrenagem que o aquece e o derrete. Em seguida, o filamento fundido é ejetado do bocal para o leito de impressão na geometria desejada. Após cada camada, o leito de impressão (ou o bocal) move-se no eixo vertical e a camada seguinte é adicionada até que o objeto esteja completamente impresso em 3D. O processo é esquematizado na figura seguinte.

Processo FDM. Fonte: Ludor Engenharia

As principais componentes de uma impressora FDM 3D são:

• Moldura – mantém todas as outras partes da impressora 3D unidas. Pode ser feita de chapa de metal, alumínio, plástico, contraplacado ou mesmo impressa em 3D;
• Cama de impressão – a superfície sobre a qual os objetos são impressos. Pode ser aquecida, o que é uma caraterística muito útil para evitar a deformação e a imprecisão dos objetos durante o processo de impressão;
• Extrusora – uma peça essencial com duas partes: a extremidade fria com motor, que atrai e empurra o filamento para dentro, e a extremidade quente, onde o filamento é derretido e ejetado;
• Mecânica do movimento da cabeça – existem vários tipos, sendo os mais comuns:
  • Cartesiano – as impressoras têm uma moldura retangular onde qualquer movimento pode acontecer ao longo de um dos três eixos perpendiculares: X, Y ou Z;
  • Delta – a extrusora é segurada por três braços numa configuração triangular e a cama de impressão é normalmente circular e não se move;
  • Polar – utiliza um sistema de coordenadas polares, onde o posicionamento é determinado por um ângulo e um comprimento;
  • Braço robótico.
• Motores Stepper – utilizados para controlo preciso da posição;
• Componentes elétricos – fonte de alimentação, placa-mãe, controladores passo a passo, ranhura para cartões SD, interface de utilizador.

• Principais componentes de uma impressora FDM 3D. Fonte: Ludor Engenharia

  As impressoras FDM 3D podem ser classificadas em dois grupos principais: as impressoras industriais e as de secretária. As impressoras de secretária são adequadas para a elaboração de protótipos e produção de baixo volume, enquanto as industriais são utilizadas para peças de alta qualidade plenamente funcionais, com grandes dimensões e alta precisão. As principais diferenças entre as impressoras de secretária e as industriais são o custo associado e a capacidade de produção, como se pode ver na tabela seguinte.

  Propriedade	FDM Industrial	FDM de secretária
  Precisão padrão	± 0,15% (limite inferior ± 0,2 mm)	± 1% (limite inferior: ± 1,0 mm)
  Espessura típica da camada	0,18 – 0,5 mm	0,10 – 0,25 mm
  Volume máximo de construção	Grande (por exemplo, 900 x 600 x 900 mm)	Médio (por exemplo, 200 x 200 x 200 mm)
  Materiais comuns	ABS, PC, PEI	PLA, ABS, PETG
  Material de apoio	Solúvel em água	Semelhante ao usado na impressão (geralmente)
  Capacidade de produção (por máquina)	Baixa/Média	Baixa
  Custo	€40,000+	€400 – €4,000

  Fonte: https://www.3dhubs.com/knowledge-base/industrial-fdm-vs-desktop-fdm/

Impressora industrial FDM 3D. Fonte: Ludor Engenharia

Impressora de secretária FDM 3D. Fonte: Ludor Engenharia

Materiais de Impressão 3D

O processo FDM de Impressão 3D utiliza um filamento contínuo de termoplástico, material que derrete quando aquecido a uma determinada temperatura e solidifica quando arrefecido. Os filamentos são de diferentes tipos e estão geralmente em bobinas de diversos tamanhos e pesos. São normalmente utilizados dois diâmetros de filamentos: 1,75 mm (o mais popular) e 3 mm/2,85 mm.

Filamento de impressão 3D utilizado em FDM. Fonte: Ludor Engenharia

Existem muitos tipos de filamentos que podem ser utilizados por impressoras FDM 3D. Os mais populares são o PLA e o ABS. O PLA é o filamento de eleição para a Impressão 3D enquanto hobby, devido às suas boas caraterísticas e preço reduzido. O ABS também é barato e pode ser utilizado para a fabricação de peças funcionais. Para aplicações mais exigentes, materiais como o Policarbonato (PC), Nylon e PETG podem ser mais adequados. O PC é útil para aplicações a altas temperaturas e é mais forte do que o PLA e o ABS, mas, ainda assim, flexível. O nylon oferece alta flexibilidade e grande resistência, sendo extremamente leve. As peças de nylon impressas não são tão frágeis como as impressas com ABS ou PLA, pelo que podem ser 10 vezes mais fortes relativamente a rachar ou partir. O PET é o plástico mais utilizado no mundo e as suas variantes PETG e PETT são frequentemente usadas em Impressão 3D. O PETG combina a força, resistência à temperatura e durabilidade do ABS com a facilidade de utilização do PLA, enquanto o PETT é forte, sendo transparente e seguro para os alimentos.

Alguns tipos especiais de filamentos, solúveis em água ou outra substância, são utilizados para criar estruturas de apoio que são necessárias quando a peça impressa tem partes suspensas no ar, como no exemplo da figura seguinte.

Estruturas de apoio (a vermelho) e a parte impressa em 3D (a azul). Fonte: Ludor Engenharia

No caso de uma impressora 3D com dois bicos, um imprime a peça com filamento normal e o segundo imprime as estruturas de suporte. A peça é então colocada na substância dissolvente até que todos os suportes sejam dissolvidos. Tais materiais são o PVA (material solúvel em água, utilizado como suporte com material PLA) e o HIPS (que se dissolve em solução de limoneno e é utilizado como suporte com material ABS).

PVA utilizado como suporte. Fonte: filamentguide.net

Os Elastómeros Termoplásticos (TPE) podem ser usados para imprimir em 3D objetos flexíveis, como calçado ou correias de transmissão. O TPU (Poliuretano Termoplástico) é um dos tipos de TPE mais utilizado.

Calçado 3D impresso em TPE. Fonte: Adidas

Os filamentos compostos feitos de polímeros reforçados com metais, vidro, carbono, cerâmica, etc. são também utilizados em FDM.

O PEEK e o PEI são materiais com propriedades excecionalmente elevadas de resistência mecânica, térmica e química, que são mantidos a altas temperaturas. Contudo, precisam de ser impressos em 3D em impressoras com elevadas capacidades (capazes de lidar com temperaturas superiores a 400 °C).

A vasta gama de filamentos disponíveis na FDM pode ser dividida em três grupos principais: termoplásticos standard, materiais de engenharia e termoplásticos de alto desempenho.

A pirâmide de materiais FDM. Fonte: Ludor Engenharia

Os materiais FDM mais comuns na Impressão 3D encontram-se resumidos na tabela seguinte, juntamente com algumas indicações sobre as suas caraterísticas.

Vantagens e limitações da Impressão 3D

A Impressão 3D tem algumas vantagens importantes:

• Fabrico de uma única etapa – ao contrário das tecnologias tradicionais que normalmente requerem um elevado número de etapas de fabrico para produzir uma peça, a Impressão 3D produz uma peça numa única etapa;
• Sem necessidade de ferramentas – a Impressão 3D não precisa de moldes ou outras ferramentas e, portanto, é muito conveniente para a produção de peças únicas ou produzidas em pequenos lotes;
• Personalização eficiente – a personalização de um produto por Impressão 3D requer apenas a modificação do seu ficheiro 3D, pelo que não há praticamente custos adicionais;
• Liberdade de desenho e complexidade – formas e geometrias muito complexas, por vezes impossíveis ou muito caras de alcançar com outros métodos, podem ser obtidas através da Impressão 3D;
• Impressão a pedido – armazenando os modelos digitais 3D das peças e imprimindo-os apenas quando necessário, o espaço para armazenar o inventário é reduzido, minimizando custos;
• Produção rápida – dependendo da conceção e complexidade de uma peça, é muito mais rápido imprimi-la em 3D do que obtê-la através de maquinação ou moldagem;
• Minimização de resíduos – como tecnologia aditiva, a Impressão 3D produz pouco ou nenhum desperdício.

No entanto, a Impressão 3D também tem algumas limitações:

• Gama reduzida de materiais que podem ser impressos em 3D – são na sua maioria plásticos;
• Tamanho restrito de peças que as impressoras 3D podem produzir;
• Dispendiosa para grandes volumes de fabrico – o custo por peça impressa em 3D permanece constante, independentemente do número de peças produzidas, enquanto para os métodos tradicionais de fabrico o custo unitário diminui com o aumento da produção. Consequentemente, a Impressão 3D pode ser mais económica para um lote reduzido, mas mais cara à medida que a tiragem da produção aumenta;
• Resistência reduzida – as peças impressas em 3D são frequentemente mais fracas do que as suas equivalentes fabricadas por métodos tradicionais;
• Superfície irregular e com reduzida qualidade;
• Lentidão no processo de fabrico.

Aplicações da Impressão 3D

A Impressão 3D é um método muito fácil, acessível e rápido para a produção de protótipos, permitindo assim um desenvolvimento mais rápido dos produtos.

Protótipo produzido através de Impressão 3D. Fonte: Ludor Engenharia

A Impressão 3D, especialmente a FDM, pode produzir próteses a custo reduzido e num curto espaço de tempo.

Mão impressa em 3D. Fonte: StarWarsRey, mão biónica de Star Wars, CC BY-SA 4.0

As impressoras FDM 3D são utilizadas na educação, em todos os níveis, desde o jardim de infância até à educação de adultos.

Mão de robô impressa em 3D para fins educativos. Fonte: Ludor Engenharia

Os modelos arquitetónicos impressos em 3D podem ser rapidamente produzidos por uma fração do custo exigido pelas técnicas tradicionais.

Modelo arquitetónico impresso em 3D. Fonte: Ludor Engenharia

A FDM pode produzir peças resistentes e funcionais para uma vasta gama de utilizações industriais e domésticas.

Parte funcional impressa em 3D. Fonte: Ludor Engenharia

A FDM é adequada tanto para uso industrial como doméstico. As aplicações domésticas incluem a criação de objetos, peças de reparação e ferramentas necessárias em casa.

Ferramenta feita pela Impressão 3D. Fonte: Ludor Engenharia