Compreender a impressão 3D: Processo e principais características

Visão geral

Utilizando materiais em pó para impressão 3D, o processo SLS acima mencionado é relativamente dispendioso devido à utilização de lasers. No entanto, a utilização de um agente aglutinante para aderir às partículas de pó e construir camadas para formar formas é teoricamente sólida. Em 20 de abril de 1993, o Professor Emanuel Sachs e a sua equipa no MIT obtiveram uma patente nos EUA para "Técnicas de impressão tridimensional", conhecidas como 3DP.

A invenção foi inspirada nas impressoras a jato de tinta muito difundidas na época, substituindo a tinta dos cartuchos por um aglutinante líquido. Ao extrudir este aglutinante para um leito de pó solto com a cabeça de impressão, podiam ser impressos objectos tridimensionais. Do mesmo modo, utilizando aglutinantes de cores primárias e uma correspondência precisa de cores digitais, era possível imprimir a cores em pó, semelhante à impressão a jato de tinta a cores em papel.

Este processo de impressão 3D assemelha-se muito às impressoras convencionais e o seu título de patente, "impressão 3D", é simples e fácil de entender. Antes disso, a tecnologia de impressão 3D era conhecida como prototipagem rápida. Desde então, o termo "impressão 3D" ganhou popularidade e todas as tecnologias de prototipagem rápida são normalmente referidas como impressão 3D, sendo os próprios dispositivos designados por impressoras 3D.

Em 2012, a American Society for Testing and Materials (ASTM) definiu este processo de impressão 3D como "Binder Jetting" na sua norma de terminologia de fabrico de aditivos (ASTM F2792-12a).

Em teoria, o processo de jato de ligante pode ser utilizado para imprimir em 3D vários materiais em pó, como cerâmica, metais, gesso, plásticos e areia. Em 1995, a Z Corporation foi criada com uma licença do MIT, centrando-se na comercialização do jato de aglutinante com pó de gesso.

Desde 1997, introduziram uma série de impressoras de jato de aglutinante, incluindo a ZPrinter 310 Plus monocromática de nível básico e, em 2005, a primeira impressora 3D a cores do mundo, a Spectrum Z510, como se mostra na Figura 5-31 com a impressora a cores e os seus modelos impressos. Isto marcou um passo significativo na evolução da impressão 3D, tornando-a vibrante e colorida. Em 2012, a Z Corporation foi adquirida pela 3D Systems, que desenvolveu ainda mais a série de impressoras Color-Jet.

As especificações para a série Color-Jet atualmente vendida no website da 3D Systems são apresentadas na Tabela 5-1.

Tabela 5-1: Especificações oficiais da 3D Systems para as impressoras da série Color-Jet.

Em 1996, a Extrude Hone Corporation recebeu uma licença do MIT para investigar e comercializar material em pó metálico formado por jato de ligante, introduzindo o primeiro dispositivo de jato de ligante em pó metálico do mundo, o ProMetal RTS-300, em 1997.

Em 2003, a ExOne Company surgiu da Extrude Hone, concentrando-se exclusivamente na indústria de impressão 3D, lançando mais tarde a primeira impressora 3D de arenito do mundo, a S15. Desde então, a ExOne especializou-se no jato de aglutinante de materiais metálicos e de arenito, tornando-se gradualmente um líder na tecnologia 3DP. A Figura 5-32 mostra a impressora ExOne Innovent+ e alguns dos modelos metálicos impressos pela empresa.

Fundada em 1999, a empresa alemã Voxeljet também obteve uma licença do MIT e tem-se dedicado ao desenvolvimento de impressoras 3D de areia para moldes de fundição. A empresa emprega a tecnologia de jato de aglutinante para imprimir moldes de areia para utilização em processos tradicionais de fundição de metais.

Nos últimos anos, a tecnologia de jato de aglutinante tem merecido uma atenção crescente na China, com empresas como a Wuhan Yizhi Technology Co., Ltd., a Aisikai Technology Co., Ltd., a Guangdong Fenghua Zhuoli Technology Co., Ltd. e o Ningxia Sharing Group a assumirem a liderança.

Além disso, uma equipa da Universidade de Ciência e Tecnologia de Huazhong tem vindo a investigar a tecnologia de jato de ligante desde 2012, concentrando-se inicialmente na impressão com gesso, polímeros e areia de fundição e, atualmente, na tecnologia de jato de ligante metálico. Em 2017, em colaboração com a Wuhan Yizhi Technology Co., Ltd., introduziram uma impressora de jato de ligante metálico capaz de imprimir com materiais como Aço inoxidável 316Laço inoxidável 420, cobre e ligas de titânio.

Segue-se um quadro comparativo dos pormenores técnicos de algumas empresas nacionais e internacionais que desenvolvem a tecnologia de jato de ligantes metálicos.

Tabela 5-2: Gráfico comparativo dos detalhes técnicos das tecnologias de formação de spray de adesivo metálico de empresas de I&D nacionais e internacionais seleccionadas

Processo e características

(1) Processo

Revendo o esquema abstrato da patente 3DP do Professor Emanuel Sachs, como mostra a Figura 5-33, são apresentadas informações fundamentais: "...produzir uma camada de material em pó ligado..." indica a criação de uma camada de material em pó ligado através de um processo de acumulação camada a camada utilizando material em pó.

Coloca-se a questão de saber como é que o pó é moldado: "...depositando um material aglutinante..." sugere que, em vez de se utilizar um laser, um material aglutinante é distribuído em áreas seleccionadas de cada camada, ligando o pó à forma. O resumo também refere que o material pode ser "...processado posteriormente como, por exemplo, por aquecimento..." para aumentar a resistência.

A Figura 5-34 ilustra o processo 3DP, detalhado da seguinte forma:

① Preparação de dados. Obter um modelo tridimensional da peça e processá-lo em fatias bidimensionais.

② Colocação de pó. O pó é armazenado numa tremonha ou num cilindro de alimentação, com dois métodos de aplicação: a tremonha liberta uma determinada quantidade de pó para o leito de pó a partir de cima, conhecido como método de alimentação, enquanto o cilindro de alimentação distribui uma quantidade predefinida de pó elevando o pistão de alimentação a uma determinada altura, conhecido como método de colocação de pó, como se mostra na Figura 5-34 (a) e (b).

Em seguida, um rolo espalha e compacta o pó ao longo da área de formação do leito de pó.

③ Movimento bidimensional. A cabeça de impressão, carregada com o aglutinante, é controlada pelo ficheiro de comandos para se mover nas direcções X e Y, pulverizando o aglutinante para unir o pó à forma. As áreas não pulverizadas permanecem soltas e fornecem suporte para as camadas subsequentes (para imprimir modelos coloridos, são utilizados três aglutinantes de cores primárias).

④ Movimento na direção Z. O leito de pó desce uma camada na direção Z, a área de formação é reabastecida com uma nova camada de pó e a camada de pó é mantida nivelada.

⑤ Ligação entre camadas. A cabeça de impressão move-se sob novos comandos X e Y, pulverizando aglutinante para dar forma à camada atual de pó, ao mesmo tempo que a adere à camada acima, conseguindo a ligação entre camadas.

⑥ Repetir o processo acima até obter a peça tridimensional final.

O material em pó não utilizado da impressão 3DP, que não é pré-aquecido nem exposto à irradiação laser, pode ser completamente reciclado para reutilização, atingindo teoricamente uma taxa de utilização de material de 100%. Após a impressão 3D, as peças requerem um pós-processamento adicional, normalmente envolvendo três passos:

Remoção do excesso de pó.

Uma vez que as peças são totalmente enterradas em pó, é necessário remover o pó residual na superfície da peça dentro de uma caixa de luvas utilizando escovas, pistolas de ar, etc., para reciclagem e reutilização na impressão subsequente.

Aumento da força.

As peças impressas em 3DP contêm frequentemente numerosos poros e são comparativamente fracas, necessitando de pós-processamento para reforço. Para peças impressas com materiais em pó inorgânicos como o gesso, são seleccionados diferentes infiltrantes de cura instantânea com base na utilização prevista para penetrar nas peças.

Por exemplo, os infiltrantes adequados para modelos de cor podem melhorar a resistência, a cor e a estabilidade da cor; os infiltrantes binários para modelos funcionais podem aumentar significativamente a resistência do modelo; e os infiltrantes amigos do ambiente podem ser utilizados para impregnação ou pulverização para melhorar a dureza e o módulo da superfície.

As peças impressas em pó metálico requerem geralmente etapas adicionais de pós-processamento, como desengorduramento, sinterização a alta temperatura, prensagem isostática a quente, infiltração ou impregnação de cobre para aumentar a resistência e a densidade da peça.

Acabamento da superfície.

Normalmente, é utilizada uma combinação de jato de areia, polimento, pintura e maquinagem para melhorar ainda mais a qualidade e a precisão da superfície da peça, bem como a sua suavidade e cor.

(2) Características do processo

O processo 3DP tem cinco vantagens notáveis:

Capacidade de impressão a cores.

A impressão 3DP pode ser realizada a cores, exprimindo na perfeição a criatividade do design do produto a cores, e é amplamente utilizada na criatividade cultural, no cinema, na animação e noutros domínios.

Vasta gama de materiais e peças funcionais em metal.

O processo 3DP pode imprimir com praticamente qualquer material em pó, incluindo pós metálicos, alargando assim significativamente as suas aplicações funcionais.

Não há necessidade de apoios.

O pó não ligado serve de suporte natural, eliminando a necessidade de suportes auxiliares adicionais, o que significa uma elevada eficiência de impressão e baixos custos de material durante o processo de impressão.

Adequado para o fabrico de estruturas complexas.

O processo 3DP não impõe praticamente nenhuma restrição à complexidade das peças, permitindo a produção de vários formas complexas tais como peças porosas, peças ocas e peças encaixadas. É adequado para o desenvolvimento de novos produtos ou para a produção de peças individuais e de pequenos lotes.

Não requer laser, baixo custo.

Por um lado, o processo 3DP não utiliza lasers, o que reduz os custos de operação e manutenção do equipamento; por outro lado, as suas cabeças de jato de aglutinante podem efetuar a digitalização de matrizes em vez da digitalização de pontos laser, o que resulta numa elevada eficiência de impressão e num baixo custo.

No entanto, o processo 3DP também tem algumas limitações e desvantagens, como se segue:

Propriedades mecânicas fracas das peças.

A resistência e a dureza são relativamente baixas, sendo normalmente adequadas apenas para a apresentação de amostras ou moldes de fundição (como os moldes de areia). Os testes funcionais não são viáveis e as peças impressas em metal requerem sinterização adicional e infiltração de cobre num forno de sinterização para atingir a resistência e densidade finais.

Qualidade inferior da superfície.

Uma vez que as peças são formadas por aglutinação de pó, a superfície tem uma certa textura granulosa, o que torna difícil alcançar a suavidade das peças impressas com técnicas de fotopolimerização.

Armazenamento ineficiente de materiais a granel.

Como é utilizado o armazenamento em leito de pó e tendo em conta a atividade superficial dos materiais em pó, o armazenamento de material a granel é grande e difícil. O mecanismo de alimentação da tremonha, apesar de ultrapassar um pouco os problemas de armazenamento, não altera o princípio fundamental do armazenamento em leito de pó.