A impressora 3D é um grande potencial para a impressão volumétrica

Impressoras 3D

Ver vídeos em que as impressoras 3D criam objectos familiares é verdadeiramente cativante e deixa uma impressão duradoura. É difícil acreditar que, em breve, tudo poderá ser criado com a ajuda destes sistemas.

É agora uma realidade. Após décadas de investigação e avanços, o potencial das impressoras 3D abriu caminho para a sua integração em vários domínios, como a produção, a ciência, a vida quotidiana e o entretenimento. No entanto, para prever com exatidão o futuro da impressão 3D e compreender o seu funcionamento, temos de mergulhar nas suas origens.

O mundo das impressoras

A visão hipnotizante de impressoras 3D a criar objectos familiares em vídeos cria um impacto duradouro. É intrigante pensar que, num futuro próximo, quase tudo pode ser criado utilizando estes sistemas.

Isto não é apenas uma fantasia. O potencial das impressoras 3D, aperfeiçoado ao longo de décadas, garante a sua crescente integração em diversos domínios da produção, ciência, vida quotidiana e entretenimento. Para perceber onde se encontra o futuro da impressão 3D e compreender o seu funcionamento, é essencial olhar para trás, para os seus primórdios.

História do aparecimento da impressora 3D

Em 1980, Hideo Kodama, um estudante de doutoramento no Instituto de Investigação de Nagoya, no Japão, realizou uma investigação sobre a impressão volumétrica de modelos camada a camada (prototipagem). Durante esse ano, publicou um artigo intitulado "Preparação automática de um modelo tridimensional para visualização de dados tridimensionais" O Dr. Kolberg, um cientista, descreve em pormenor as suas descobertas experimentais.

Numa publicação separada, a Kodama apresentou um método para produzir automaticamente peças de plástico 3D utilizando o reforço fotográfico. Esta publicação descrevia praticamente o funcionamento fundamental de uma impressora 3D: a utilização de fotopolímeros para criar modelos, a utilização de radiação laser para a cura e o processo de camadas sequenciais. Embora Kodama tenha requerido uma patente para a sua invenção, não lhe foi concedida, acabando por renunciar à sua reivindicação de ser o pioneiro da tecnologia de impressão 3D.

Em 1984, um grupo de investigadores franceses constituído por Alain Le Meayut, Olivier De Witte e Jean Claude André apresentou um pedido de patente para um sistema que utilizava a estereolitografia para criar modelos 3D através da aplicação camada a camada de polímeros curados a laser. Infelizmente, o pedido acabou por ser rejeitado pelas principais empresas francesas devido à perceção da falta de aplicações práticas para a tecnologia.

No entanto, apenas duas semanas após a rejeição do pedido francês, um inventor americano chamado Chuck Hull submeteu a sua própria patente para um sistema de modelação estereolitográfica. O sistema de Hull envolvia a adição de camadas através da utilização de cura por laser UV de fotopolímeros líquidos. Em 1986, a sua patente foi concedida e ele fundou uma empresa chamada 3D Systems para fabricar estas impressoras 3D pioneiras baseadas no método SLA (estereolitografia a laser). Uma das contribuições notáveis de Hull foi a implementação do código G, que permitiu a impressão de objectos complexos com formas específicas.

No final dos anos 80, foram patenteados dois métodos adicionais para a criação rápida de protótipos: o sistema de sinterização selectiva a laser (SLS) do americano Carl Deckard e a modelação por deposição em fusão (FDM), desenvolvida pelo americano Scott Crump. A técnica SLS envolve a sinterização camada a camada de pó de metal ou plástico utilizando radiação laser para formar a peça desejada. No método FDM, o plástico aquecido – o material utilizado pela impressora 3D – é aplicado pela cabeça de impressão sobre a camada anterior.

Estas técnicas acima mencionadas servem de base para a maioria das tecnologias de impressão volumétrica e serão abordadas mais adiante. Agora, vamos abordar brevemente as voltas e reviravoltas do progresso tecnológico.

Pode surpreender algumas pessoas saberem que a impressão volumétrica está a ser desenvolvida há mais de 30 anos. Muitos acreditam que se trata de uma conquista técnica recente do nosso século, em vez de algo do passado.

É um facto bem conhecido que os indivíduos que detinham as patentes das tecnologias fundamentais de prototipagem eram Chuck Halley, Carl Deckard e Scott Crump. Em 2001, Carl Deckard vendeu a sua patente a Chuck Hulley. Infelizmente, as empresas centradas no mercado de consumo não conseguiram (ou não quiseram) estabelecer negociações com os detentores das patentes. Como resultado, a produção de impressoras 3D foi largamente limitada a unidades industriais dispendiosas durante um período significativo.

No entanto, tudo mudou depois de 2010, quando as patentes expiraram e as primeiras impressoras 3D produzidas em massa chegaram ao mercado. Este facto despertou a curiosidade das pessoas que começaram a questionar-se sobre o conceito de impressão 3D.

Quando as pessoas tiveram um vislumbre do que uma impressora 3D era capaz de fazer, ficaram ansiosas por comprar estes dispositivos de ponta. O mercado respondeu rapidamente a esta procura, o que levou a uma rápida saturação do mercado e às subsequentes reduções de preços.

Como funciona

Vamos analisar mais detalhadamente os princípios operacionais da impressora 3D, as várias tecnologias utilizadas e os prós e contras associados a cada uma delas.

Tecnologia de impressão volumétrica SLA

A técnica implica a utilização de fotopolímero líquido como material utilizado, que é solidificado por meio de radiação laser ultravioleta. O processo de impressão volumétrica é efectuado passo a passo, com cada camada de polímero a ser curada pelo laser numa única passagem. De seguida, a base móvel é submersa no polímero líquido, permitindo a formação de uma camada adicional, e o procedimento é repetido.

• O sistema garante uma superfície de alta qualidade para o produto final, independentemente da sua forma, eliminando a necessidade de processamento adicional.
• O produto final apresenta uma excelente resistência mecânica e pode suportar temperaturas até 100°C.
• É capaz de produzir produtos acabados complexos e de vários níveis.
• Não são gerados resíduos durante o processo.
• Apenas fotopolímeros são utilizados como material de trabalho.
• A impressão volumétrica a cores não está disponível.
• A impressora funciona a uma velocidade relativamente baixa de 2-3 cm por hora.
• O dispositivo e os materiais de trabalho são caros, com um custo mínimo de 300.000 rublos para um consumo generalizado.

Tecnologia de impressão volumétrica SLS

O processo de impressão utilizando a tecnologia SLS envolve a utilização de diferentes materiais, como metal, vidro, plástico, etc. Estes materiais apresentam-se sob a forma de pó, com um tamanho de partícula de aproximadamente 100 microns.

Antes da utilização, o pó é colocado num recipiente designado e depois aquecido até quase ao ponto de fusão. Este processo de aquecimento assegura uma redução da potência laser. Além disso, é utilizado um rolo para achatar o pó. As áreas do objeto que necessitam de ser sinterizadas são então tratadas com impulsos de laser. Após este passo, a mesa é baixada até à espessura de camada desejada e o processo é repetido com uma nova camada de pó.

Embora a tecnologia de impressão 3D SLS não produza resultados de alta qualidade, é necessário um processamento adicional. É comum utilizar materiais de trabalho que contêm aditivos de polímeros específicos, que têm de ser removidos através do processo de calcinação num forno especializado para obter o produto final desejado.

Foi desenvolvida e implementada a tecnologia de utilização de um feixe de electrões de alta energia em vez de radiação laser. Esta técnica requer a utilização de uma câmara de vácuo, mas permite a criação de peças a partir de metais resistentes, incluindo o titânio.

• Capacidade de produzir um produto acabado com formas complexas a partir de vários materiais de trabalho;
• Maior velocidade de trabalho (em comparação com a SLA);
• Adequado para produção em pequena escala;
• Presença de uma potência laser elevada, que pode representar riscos de segurança durante o funcionamento;
• A superfície do produto acabado requer um processamento adicional;
• Fases demoradas de pré e pós-processamento (é necessário o aquecimento do pó e o recozimento do produto num forno);
• Custo elevado (a partir de aproximadamente 1 milhão de rublos).

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Tecnologia de impressão volumétrica MJM (método de modelação multi-jato)

Neste método de impressão volumétrica, o dispositivo de impressão incorpora uma cabeça com várias dezenas a várias centenas de bicos de pequeno diâmetro.

O material de trabalho utilizado neste método inclui vários plásticos, fotopolímeros, ceras especiais ou uma combinação destas substâncias. São necessárias estruturas de suporte para obter objectos com formas complexas devido à suavidade do material de trabalho.

Uma lâmpada UV é integrada na impressora 3D de fotopolímero para curar os objectos impressos.

Este método permite também a impressão a cores, que é determinada pelos materiais utilizados ou pela sua combinação.

• Este sistema permite uma espessura mínima de camada, resultando numa superfície lisa para o produto final que não necessita de processamento adicional.
• Impressão volumétrica utilizando uma variedade de cores e substâncias;
• Excelente portabilidade;
• Os protótipos com formas complexas requerem a utilização de estruturas de suporte;
• Existe uma gama limitada de materiais disponíveis para utilização.

Tecnologia de impressão volumétrica LOM (método de colagem de película camada a camada)

Este método de impressão em volume utiliza folhas de papel ou plástico (alguns sistemas utilizam folha metálica) como substrato. As folhas são puxadas através de uma plataforma coberta de adesivo, com a ajuda de rolos. De seguida, um rolo aquecido enrola e liga a folha à camada anterior.

De seguida, um laser corta o material em excesso de acordo com um padrão programado, após o que a plataforma desce até à espessura da folha utilizada e todo o processo é repetido.

Esta tecnologia permite um funcionamento rápido e consumíveis económicos. No entanto, não é amplamente adoptada.

• O produto final pode ser impresso a cores.
• Disponibilidade de material de impressão.
• Capacidade de criar objectos complexos e de grandes dimensões.
• Não há necessidade de utilizar estruturas de suporte.
• O produto acabado tem uma durabilidade reduzida;
• Existe a possibilidade de surgirem defeitos na superfície do objeto após o seu processamento adicional;
• Existe uma quantidade significativa de resíduos.

Tecnologia de impressão volumétrica CJP

• O dispositivo que funciona com esta tecnologia de impressão volumétrica utiliza material compósito de gesso.
• As camadas do dispositivo são ligadas por colagem com uma substância especial.
• Primeiro, o pó compósito é espalhado uniformemente sobre a superfície da plataforma.
• É utilizado um dispositivo especial para nivelar o pó compósito.
• As cabeças de impressão da impressora aplicam o aglutinante líquido ao longo de um contorno pré-determinado.
• Em seguida, a plataforma é baixada e o processo é repetido.
• O produto acabado requer um processamento adicional, incluindo o aquecimento para secar o adesivo e a remoção mecânica do excesso de pó.
• A tecnologia CJP suporta a impressão volumétrica a cores através da introdução de corantes ou combinações de corantes na composição adesiva.
• Isto permite obter uma vasta gama de cores no produto final.
• Possibilidade de produzir objectos complexos, multicoloridos e de formas diversas, sem qualquer elemento de suporte.
• Uma seleção limitada de materiais de trabalho;
• É necessário um processamento adicional de pós-produção para o produto final
• O produto final possui um nível de resistência inferior.

Tecnologia de impressão volumétrica FDM

As impressoras térmicas, também chamadas impressoras FDM, ganharam popularidade devido ao seu preço acessível. Estes dispositivos podem ser adquiridos por um preço tão baixo como $500. Mas qual é o mecanismo por detrás de uma impressora térmica??

Numa impressora térmica, o material utilizado para a impressão é plástico facilmente fundível. No entanto, também existem opções para a impressão volumétrica que utilizam metais de baixo ponto de fusão.

O processo de impressão ocorre passo a passo. Cada nova camada é formada aquecendo o material de trabalho na cabeça de impressão do dispositivo e aplicando-o à camada modelo através de um bocal com um ou mais orifícios. Seguindo um trajeto pré-determinado, a cabeça cobre todo o contorno da peça. De seguida, a mesa é baixada (ou a cabeça é levantada em alguns sistemas) e este processo é repetido até se obter o resultado final.

• Elevada durabilidade do produto final;
• Capacidade de produzir tamanhos grandes e formas complexas;
• Diversidade de materiais disponíveis para trabalhar;
• Relação custo-eficácia.
• Velocidade de funcionamento lenta;
• Irregularidades visíveis na superfície do produto acabado;
• Objectos com formas complexas requerem estruturas de suporte;
• Retração induzida pelo calor (redução da dimensão após arrefecimento) do produto final.
• É necessário um processamento adicional do item concluído.

Controlo do processo de impressão 3D

A manifestação física de um modelo de computador criado por um software especializado é o resultado final do processo de impressão 3D. A gestão deste processo é dividida em várias fases.

Criação de um modelo digital e introdução de dados no dispositivo de impressão

Para processar digitalmente o objeto, é necessário um software especializado como o "3D Studio Max" ou "AutoCAD" é necessário. Se não tiver competências para utilizar estes programas, é aconselhável procurar a ajuda de um profissional. O processo de modelação é moroso e pode demorar vários dias.

Em alternativa, pode utilizar um scanner 3D dedicado, mas o modelo virtual resultante pode ter uma qualidade reduzida.

Se o objeto que pretende criar for um artigo normalizado, pode procurar informações na Internet ou em sites especializados. O modelo digital é normalmente guardado no formato STL. Em seguida, um programa-slicer especializado gera o código G, que é uma série de comandos que controlam o movimento dos componentes impressos do dispositivo. A interface de utilizador destes programas é simples e fácil de utilizar, permitindo uma operação simples.

Preparação para o trabalho

A fase do processo de impressão é determinada pelo tipo específico de dispositivo de impressão utilizado. Por exemplo, quando se prepara para utilizar um sistema FDM, a mesa de trabalho do dispositivo é coberta com uma película especial e é inserida uma bobina de filamento de plástico. A seleção do tipo e da cor do filamento de plástico depende das características desejadas para o produto final. É também importante garantir que o filamento não tem qualquer sujidade ou dano, pois isso pode ter um grande impacto na qualidade do objeto impresso.

Fase de impressão

Produzido de forma autónoma. É imperativo assegurar uma aplicação uniforme das camadas no objeto, evitando que o fio de polímero solidifique ou se torne demasiado maleável. As definições do dispositivo são ajustadas conforme necessário.

Processamento adicional do objeto

Se necessário, é efectuado um processamento adicional: o produto final é submetido a esfolamento e polimento. No caso de terem sido utilizadas estruturas de suporte durante a impressão de um objeto de forma complexa (para evitar danos no modelo), torna-se necessário eliminá-las e suavizar as costuras.

Onde se pode utilizar uma impressora 3D

A aplicação de tecnologias aditivas em vários aspectos da vida humana já se tornou possível devido ao seu imenso potencial.

Indústria

Os sistemas de impressão 3D são atualmente muito utilizados nos processos de fabrico. São utilizados para produzir modelos e protótipos de produtos acabados, o que permite avaliar as suas características reais. Além disso, estes sistemas são utilizados para fabricar moldes complexos para peças não normalizadas e para produzir peças sobresselentes para reparações rápidas de unidades e mecanismos. Permitem também a produção em pequena escala de produtos únicos, como peças para motores de foguetões.

Medicina

O processo de aquisição de moldes complexos centra-se na criação de réplicas de secções ausentes do esqueleto humano, tais como ossos partidos ou fragmentos de crânio em falta. Estes moldes são essenciais para a produção de implantes que são posteriormente inseridos no corpo humano. Além disso, está a ser realizada uma extensa investigação sobre a impressão de órgãos humanos, como rins ou glândulas tiroide, que são posteriormente transplantados e assimilados com sucesso no corpo humano. Por último, a criação de membros protésicos é outra faceta crucial deste domínio.

Arquitetura e construção

Fabrico de apresentações de projectos de arquitetura através da criação de modelos 3D de edifícios. O advento da tecnologia de criação de protótipos para estruturas residenciais revolucionou o sector. Utilizando este processo inovador, é agora possível imprimir uma casa numa questão de horas, uma tarefa que normalmente exigiria vários dias utilizando métodos de construção tradicionais.

Formação

Aquisição de ferramentas educativas que facilitam o alcance de um novo marco na aprendizagem. Criação de objectos complexos com contornos diversos, tais como representações gráficas de equações algébricas. Melhora a cognição espacial dos alunos.

Espaço

Foi apresentada uma iniciativa que sugere a implementação da tecnologia de impressão 3D no espaço: a ideia é utilizar esta tecnologia para construir uma base na lua, utilizando o regolito lunar como material principal.

Pequenas empresas

Trabalhar com impressoras 3D é uma oportunidade para conceber objectos únicos, criar figuras em miniatura com bonecos impressos que se assemelham muito aos clientes e fabricar acessórios de vestuário personalizados… O potencial é ilimitado. As tecnologias aditivas permitem que os empresários criativos conquistem com confiança o seu próprio nicho no mundo dos negócios.

Levar ou não levar – eis a questão

Após uma explicação pormenorizada do funcionamento de uma impressora 3D, podemos agora abordar a questão de saber se é necessário adquirir estes sistemas.

Para os indivíduos com produção de máquinas, o investimento em dispositivos de impressão 3D revelar-se-ia uma decisão frutuosa. Embora o preço dos modelos industriais possa atingir dezenas de milhares de dólares, a sua incorporação no processo de produção resultaria num rápido retorno do investimento inicial. Naturalmente, é importante notar que não podem substituir inteiramente os métodos de fabrico tradicionais.

No entanto, a integração destes dispositivos permitiria responder prontamente às exigências do mercado, o que faz com que a sua aquisição valha a pena.

Se um empresário se dedicar à produção de elementos de interior únicos, à modelação de aviões e navios ou à criação de réplicas reduzidas de projectos de arquitetura, poderá considerar vantajoso investir numa impressora 3D. Este sistema satisfaz o desejo das pessoas de ter objectos únicos e pode ser uma boa compra. No entanto, se a sua atividade não estiver ligada a estas áreas, a compra de uma impressora 3D não será rentável.

Em conclusão, é importante considerar a necessidade de adquirir uma impressora 3D para uso pessoal. O custo de um sistema FDN é de cerca de 500 dólares. No entanto, pode não ser um investimento que valha a pena, uma vez que este dispositivo é mais uma montra de capacidades do que uma ferramenta para produzir artigos domésticos práticos. Além disso, a qualidade dos produtos acabados é muitas vezes inferior.

Os brinquedos produzidos através da utilização de uma máquina de impressão 3D têm geralmente um preço mais elevado do que os comprados numa loja tradicional. Por conseguinte, nesta altura, a aquisição de uma impressora 3D para uso doméstico não deve ser considerada uma prioridade. No entanto, para um indivíduo imaginativo em busca de novas vias de auto-expressão em todos os aspectos da vida, obter uma impressora pode servir de catalisador para desbloquear o seu potencial único.