O que torna possíveis os designs complexos na impressão 3D? A resposta está nas estruturas de suporte. Este artigo explora a necessidade, os tipos e as estratégias de projeto das estruturas de suporte que evitam a deformação e o colapso das peças. Independentemente de você estar lidando com saliências na impressão de metal ou buscando acabamentos mais suaves nas impressões de SLA, entender esses suportes pode economizar tempo, material e esforço. Mergulhe de cabeça para saber como otimizar seus projetos e aumentar a taxa de sucesso da impressão 3D.
As estruturas de suporte são um componente essencial para a fabricação bem-sucedida de peças impressas em 3D.
Apesar de uma das principais vantagens da impressão 3D ser sua capacidade de criar formas geométricas complexas e de formato livre, grande parte da liberdade de design oferecida pela impressão 3D é difícil de ser realizada sem o uso de estruturas de suporte.
Elas são essenciais para evitar a distorção e o colapso das peças, entre outros usos. Portanto, compreender e projetar estruturas de suporte é uma habilidade necessária para qualquer engenheiro de manufatura aditiva.
Este artigo discute os requisitos, os prós e os contras, a remoção e como minimizar o uso de estruturas de suporte em várias tecnologias de impressão.
Usadas em conjunto com praticamente todas as tecnologias de impressão 3D, as estruturas de suporte desempenham um papel fundamental para garantir a capacidade de impressão das peças durante o processo de impressão 3D.
Os suportes ajudam a evitar a deformação das peças, prendem-nas à mesa de impressão e garantem sua conexão com o corpo principal das peças impressas. De forma semelhante a um andaime, esses suportes são utilizados durante o processo de impressão e, depois, removidos.
A impressão de peças com recursos de design complexos, como saliências, orifícios e pontes, apresenta desafios significativos.
Tome como exemplo a impressão 3D de metal; quando a impressão inclui saliências ou estruturas de ponte, pode ocorrer deformação e até mesmo colapso durante o processo se as estruturas de suporte não forem utilizadas.
Essas estruturas de suporte ajudam a evitar o colapso das peças formadas durante a impressão, aumentando consideravelmente a taxa de sucesso da impressão. No entanto, nem todas as estruturas pendentes precisam de suporte adicional.
Se o ângulo vertical da saliência for menor que 45 graus, não será necessário nenhum suporte.
Quando o ângulo vertical dessa estrutura é menor que 45 graus, a impressora 3D tem um deslocamento horizontal mínimo em camadas sucessivas, permitindo que cada camada forneça suporte para o próximo nível.
Portanto, 45 graus é um ângulo crítico, abaixo do qual nenhum suporte é necessário. Obviamente, isso também depende do desempenho da impressora e das propriedades dos materiais usados. Se o desempenho da impressora for inferior, o suporte poderá ser necessário mesmo em ângulos inferiores a 45 graus.
Além disso, tecnologias como a impressão 3D de metal geralmente envolvem processos de alta temperatura, durante os quais o suporte também pode servir como um dissipador de calor.
Isso ocorre porque as estruturas de suporte adicionadas durante o processo de manufatura aditiva de metal ajudam a afastar o calor da peça, evitando a formação de tensão residual devido às altas temperaturas durante a impressão e evitando defeitos como deformação, empenamento e rachaduras.
Obviamente, não é apenas a impressão 3D de metal que considera a adição de suportes; quase todas as tecnologias de impressão 3D precisam contemplar a inclusão de estruturas de suporte até certo ponto.
A tabela a seguir ilustra as diferenças no uso de suporte entre os vários métodos de impressão 3D:
| Princípios técnicos | Materiais | É necessário suporte? |
| Fusão seletiva a laser (SLM) direta Laser de metal Sinterização (DMLS) Deposição direta de energia (DED) Fusão por feixe de elétrons (EBM) | Materiais metálicos | Sim |
| Estereolitografia (SLA) | Fotopolímero | Sim |
| Sinterização seletiva a laser (SLS) | Materiais em pó | Não |
| Jato de material | Materiais em pó | Sim |
| Modelagem por deposição fundida (FDM) | Plástico termoplástico | Sim |
| Spray adesivo | Materiais em pó | Não |
As estruturas de suporte são indispensáveis na impressão 3D de metal. Apesar de os componentes formados pela tecnologia de fusão em leito de pó estarem envoltos em pó solto, o que fornece algum suporte, essas tecnologias sempre exigem suporte para garantir que sejam fixados à base e para atenuar os efeitos da tensão residual.
Sem estruturas de suporte, componentes pendentes ou inclinados, bem como o estresse interno do metal, poderia danificar o próprio objeto impresso, levando à falha na impressão. Em geral, as estruturas de suporte na tecnologia de impressão baseada em leito de pó são divididas principalmente em dois tipos:
Suporte linear: Esse tipo de suporte consiste em colunas verticais conectadas a toda a estrutura suspensa. Entretanto, esse tipo de suporte é mais difícil de ser removido.
Suporte semelhante a uma árvore: Esse tipo de suporte se assemelha ao formato dos galhos de uma árvore. Ele é usado para apoiar as partes suspensas do componente. Ele só é conectado às posições suspensas.
Sua vantagem é que é mais fácil de desmontar e não causa nenhum dano ao próprio componente.
No entanto, deve-se observar que as estruturas de suporte semelhantes a árvores são adequadas apenas para saliências não planas. Para saliências planas, elas não podem fornecer suporte suficiente.
O suporte pode ser adicionado na área de contato entre a parte inferior da peça impressa e a mesa de impressão, onde a tensão residual está mais concentrada.
Isso ajuda a retirar o calor da peça, minimizando, assim, a deformação térmica que poderia levar a rachaduras, empenamento, flacidez, delaminação e encolhimento.
A deposição direta de energia é um processo que fabrica peças derretendo diretamente o material e construindo-o camada por camada.
Diferentemente das peças formadas por fusão de leito de pó, que são sustentadas pelo leito de pó ao redor, as peças impressas usando DED existem independentemente no espaço tridimensional.
Portanto, eles também exigem estruturas de suporte para garantir a estabilidade da peça, a capacidade de impressão de recursos complexos e a dissipação de calor.
Ao projetar suportes para peças produzidas com a tecnologia de fusão em leito de pó, é fundamental garantir que eles possam ser facilmente destacados do corpo principal, caso contrário, não poderão ser removidos durante o pós-processamento.
Os suportes para peças metálicas são normalmente impressos como uma estrutura de grade.
Dessa forma, eles agem como dissipadores de calor, transferindo o calor para longe da peça, permitindo que ela esfrie de forma mais controlada e evitando a distorção, além de economizar nos custos de material e no tempo de construção.
A adição de mais suportes geralmente resulta em peças mais precisas, mas também aumenta os custos e o tempo de pós-processamento. É interessante notar que a empresa holandesa MX3D criou uma ferramenta de impressão 3D de metal que combina um braço robótico de vários eixos com uma máquina de solda, permitindo a impressão de peças de metal sem a necessidade de nenhum suporte.
A remoção de suportes de peças metálicas geralmente é mais desafiadora do que os processos baseados em polímeros e, normalmente, requer ferramentas de corte.
Além disso, se a aparência da peça acabada for importante, o pós-processamento (como o polimento) da peça de metal é necessário para obter um acabamento de superfície suave.
Durante a desmontagem do modelo, a maioria dos suportes é fácil de remover se o método estiver correto. Primeiro, você pode abrir cuidadosamente os suportes com os dedos onde for possível manipulá-los com a mão.
Para posições especiais, podemos optar por usar ferramentas para desmontar os suportes, incluindo alicates de bico fino, raspadores e facas de entalhe.
A estereolitografia funciona usando uma fonte de luz para solidificar a resina líquida. Essa tecnologia requer estruturas de suporte para fixar firmemente as peças na mesa de impressão e evitar deformações.
Os suportes usados no SLA são muito finos e tocam levemente as peças para economizar materiais. Isso significa que eles podem ser facilmente removidos manualmente, seja com a mão ou com um alicate. No entanto, como a remoção dos suportes deixará rastros na peça final, é necessário lixá-la para garantir um acabamento de superfície suave.
A SLA é frequentemente usada para aplicações que exigem estética ou acabamentos de superfície suaves, como protótipos visuais, moldes e aparelhos auditivos.
Se esse for o caso, é fundamental projetar as peças para garantir que a área frontal da impressão não entre em contato com as estruturas de suporte. É nesse ponto que o design da orientação da peça entra em ação.
A orientação das peças é uma consideração crucial na fase de projeto porque o reposicionamento das peças pode ajudar a reduzir a quantidade de suporte necessária. Por exemplo, as peças tubulares, se colocadas na horizontal, ocuparão mais espaço e, portanto, exigirão mais suporte.
Por outro lado, posicionar a mesma peça verticalmente garante que ela se conecte à placa de montagem com suporte mínimo.
A tecnologia FDM (Fused Deposition Modeling, modelagem por deposição fundida) cria peças por meio da extrusão de filamentos aquecidos, camada por camada, cada uma das quais se une à anterior após o resfriamento e a solidificação.
No processo FDM, cada camada se projeta ligeiramente para que possa se estender além da largura da camada anterior. Isso significa que os recursos podem ser criados em ângulos de até 45 graus sem suporte.
No entanto, quando a saliência de uma peça FDM ultrapassa 45 graus ou a peça inclui recursos como pontes e superfícies salientes maiores que 5 milímetros, é necessário um suporte. O suporte no FDM pode assumir a forma de uma estrutura de treliça ou de uma estrutura semelhante a uma árvore.
Uma técnica para remover suportes de impressões FDM é por meio de uma solução de dissolução química.
Normalmente, as impressoras 3D FDM industriais (com dois cabeçotes de impressão) usam materiais de suporte solúveis, como álcool polivinílico (PVA) e poliestireno de alto impacto (HIPS). Esses materiais podem ser depositados no modelo usando uma extrusora separada.
Embora o PVA se dissolva na água, ele pode ser afetado por mudanças de temperatura, levando a bloqueios da cabeça de impressão. O HIPS, por outro lado, dissolve-se em limoneno em vez de água e não é facilmente afetado por mudanças de temperatura.
O uso de suportes solúveis elimina a necessidade de operações manuais e a necessidade de lixamento e polimento adicionais para remover os traços deixados pelos suportes. Por outro lado, esse processo pode ser demorado (leva várias horas) e caro.
Ao usar uma impressora 3D de jato de material, o suporte é sempre necessário para estruturas suspensas, independentemente do ângulo.
No entanto, esses suportes geralmente são feitos de materiais diferentes que são solúveis em água ou podem ser facilmente removidos posteriormente com água pressurizada ou por imersão em um banho ultrassônico.
A sinterização seletiva a laser e o jato de aglutinante são tecnologias baseadas em pó que normalmente não exigem nenhuma estrutura de suporte.
Isso ocorre porque, nessas duas tecnologias, as peças impressas são encapsuladas em pó solto que serve como estrutura de suporte.
Embora necessárias, as estruturas de suporte aumentam o tempo total de impressão e os custos de material do processo de produção.
Despesas com materiais:
A geração de suportes requer material adicional durante o processo de impressão, aumentando assim o tempo e os custos de material. Igualmente importante é o fato de que os suportes não são reutilizáveis e normalmente são descartados, o que leva ao desperdício de material.
Liberdade geométrica limitada:
Ao remover suportes manualmente, a utilização de mãos ou ferramentas deve ser considerada durante o projeto dos suportes. No entanto, isso pode limitar sua capacidade de projetar determinadas formas geométricas que exigem suportes, mas que são inacessíveis com as mãos ou ferramentas.
Tempo adicionado:
Projetar uma peça para acomodar estruturas de suporte e, em seguida, criar os próprios suportes, requer tempo extra. Apesar da disponibilidade de softwares que geram suportes automaticamente, a criação de estruturas de suporte para aplicações industriais ainda exige modificações manuais e um certo nível de especialização em design.
Pós-processamento adicional:
Depois que a peça é concluída, os suportes devem ser removidos, às vezes manualmente, aumentando assim o tempo necessário para o pós-processamento.
Risco de danos: Durante o estágio de pós-processamento, os suportes devem ser removidos e a superfície da peça precisa ser polida.
Qualquer manuseio incorreto durante a desmontagem dos suportes pode causar defeitos na superfície da peça, afetando sua precisão dimensional e aparência estética.
Além disso, quando os suportes são colocados incorretamente, como em características finas, isso pode levar a fraturas estruturais. Elas podem se romper junto com as estruturas de suporte, levando a uma falha completa da impressão.
Portanto, o emprego de estruturas de suporte tem algumas desvantagens e só deve ser adicionado quando necessário.
Além disso, também podemos evitar o uso de suportes chanfrados. O chanfro transforma os locais de saliência em saliências seguras com ângulos inferiores a 45 graus, dispensando a necessidade de suportes e garantindo a utilização eficiente do material.
A redução do número de suportes necessários geralmente é uma boa estratégia. Ela ajuda a economizar custos de material e tempo de produção. Aqui estão quatro dicas importantes sobre como maximizar essa redução, economizando tempo de impressão e materiais:
Experimentar a orientação das peças é uma das melhores maneiras de diminuir o número de suportes necessários. A orientação correta afeta significativamente o tempo de impressão, o custo e a rugosidade da superfície da peça.
Dependendo da direção da peça (vertical, horizontal ou em ângulo), podem ser necessários menos ou mais suportes.
Considere uma peça impressa no formato da letra "T". Posicionada em sua direção normal, os dois braços da letra entrariam em colapso sem estruturas de suporte. Entretanto, se a orientação da peça for invertida - disposta em uma posição de "T" de cabeça para baixo - não será necessário nenhum suporte.
Esse exemplo ilustra que uma peça pode ser construída de várias maneiras. Cada face da peça pode ter uma superfície diferente conectada à mesa de impressão, o que implica em várias necessidades de suporte. Essas necessidades dependem muito da orientação da peça.
Outro exemplo: ao projetar peças com características tubulares ocas, uma orientação horizontal ocupa mais espaço, enquanto uma orientação vertical ou em ângulo economiza espaço e reduz o número de suportes necessários.
Quando os suportes são inevitáveis, eles devem ser otimizados para usar o mínimo de material possível e acelerar o processo de impressão. Por exemplo, pode-se utilizar o design de otimização de topologia e o suporte de estrutura de treliça para reduzir o volume de suportes, economizando material.
Para muitos processos de impressão 3D, as técnicas convencionais de geração de suporte limitam-se a produzir estruturas estritamente verticais. Isso não é eficiente em termos de espaço, especialmente quando há muitas áreas acima da mesa de impressão que precisam de suporte.
Por outro lado, a criação de estruturas de suporte semelhantes a árvores pode ser uma opção viável. Esses suportes se assemelham a uma árvore ramificada e podem reduzir o uso de material em aproximadamente 75% em comparação com estruturas verticais retas.
O Autodesk Meshmixer é uma das ferramentas de software disponíveis para a criação dessas estruturas para os processos FDM, SLA e DMLS.
Os filetes e chanfros podem servir como soluções alternativas para a criação de estruturas de suporte em superfícies suspensas que excedam 45 graus.
Um chanfro é um canto ou borda angular ou chanfrado, enquanto um filete é um canto ou borda arredondado. Essencialmente, esses recursos transformam ângulos maiores que 45 graus em ângulos de 45 graus ou menos, e podem ser adicionados ao interior ou exterior de uma peça.
Para modelos 3D altamente complexos, muitas vezes faz sentido imprimir peças individualmente e depois montá-las. Isso não apenas reduz o número de suportes, mas também acelera o processo de impressão e economiza material.
No entanto, lembre-se de que, se as peças impressas em 3D forem montadas, elas deverão ser impressas na mesma orientação para garantir um ajuste adequado entre elas.
Por muito tempo, as estruturas de suporte foram vistas como uma "desvantagem" inevitável na impressão 3D. No entanto, os recentes avanços em hardware e software estão desafiando lentamente essa noção.
Veja, por exemplo, a Desktop Metal, fabricante de impressoras 3D de metal, que recentemente desenvolveu uma solução conhecida como "Separable Supports" (suportes separáveis) para seus sistemas de estúdio e produção, obtendo uma patente no processo.
Esses suportes para peças metálicas impressas em 3D podem ser removidos manualmente. Os suportes separáveis da Desktop Metal funcionam usando uma camada de pó de cerâmica como interface entre a superfície da peça e a estrutura de suporte.
Após o processo de sinterização, a camada de cerâmica é dissolvida, permitindo a remoção sem esforço dos suportes da peça.
A PostProcess Technologies é outra empresa que visa simplificar e acelerar a etapa de remoção de suporte para peças impressas em 3D. A empresa oferece uma gama de soluções de remoção de suporte automatizadas e sem o uso das mãos para peças fabricadas aditivamente por meio das tecnologias FDM, SLA, PolyJet e CLIP.
No entanto, uma empresa foi ainda mais longe na área de suporte. A Velo3D, empresa que está por trás do sistema Sapphire de fusão em leito de pó, oferece uma tecnologia chamada Intelligent Fusion para seu sistema, que permite a impressão de peças metálicas complexas, com foco na obtenção de uma impressão quase sem esforço.
Em comparação com outros sistemas de leito de pó metálico, o uso do software de simulação proprietário do Velo3D e o monitoramento em circuito fechado podem reduzir em até cinco vezes os suportes necessários para a produção de peças.
Em 2021, a SLM Solutions lançou a "Tecnologia sem suporte FreeFloat", que reduz significativamente ou elimina a necessidade de estruturas de suporte na impressão de peças por meio da integração unificada de várias tecnologias.
Em 2022, os especialistas da EOS desenvolveram várias técnicas de otimização de processos para a produção de peças impressas em 3D sem suporte, como anéis de estator, carcaças, bombas de turbina, tanques de óleo, trocadores de calor, válvulas e impulsores, sendo o impulsor fechado um exemplo particularmente típico.
Por meio da otimização do software de design e dos conjuntos de parâmetros, o EOS permitiu que os usuários imprimissem cantiléveres e pontes em ângulos muito menores, às vezes até mesmo em zero grau, exigindo um número significativamente menor de suportes, ou até mesmo nenhum.
Sem dúvida, os fabricantes nacionais fizeram avanços notáveis na impressão sem suporte. Não faz muito tempo, foi relatado que a principal empresa de impressão 3D, a Polite, havia apresentado uma solução para a impressão sem suporte: estruturas com uma saliência de menos de 30° não precisam de suporte.
A Polite venceu o desafio da tecnologia de impressão 3D de metal SLM sem suporte.
De modo geral, a otimização do design e da remoção do suporte é um desafio fundamental para tornar o fluxo de trabalho de impressão 3D mais rápido e simples.
Como pode ser visto nos exemplos acima, o setor de manufatura aditiva está continuamente desenvolvendo soluções para superar esse desafio.
No entanto, além da tecnologia, os profissionais precisam de um nível mais alto de habilidades e conhecimentos para desenvolver soluções melhores.
Esperamos que este artigo tenha ampliado seu conhecimento sobre como usar as estruturas de suporte de forma mais eficaz na impressão 3D, ajudando assim a transformá-las de inimigas em aliadas.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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