O fabrico aditivo e a Impressão 3D
robótica
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Pedro Pombinha e Marco Leite Instituto Superior Técnico
portugal 3d
A tecnologia de fabrico aditivo, as chamadas impressoras 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.
Figura 1. Impressão de peças com geometria complexa sem recurso a moldes de injeção.
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 co-
mercial 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.