Imagine um mundo onde quase tudo pode ser criado camada por camada, desde implantes médicos complexos até casas inteiras. Esse é o poder da impressão 3D. Nosso artigo explora os sete principais tipos de tecnologias de impressão 3D, cada uma com métodos e aplicações exclusivos. Descubra como essas tecnologias estão transformando os setores e saiba quais métodos são melhores para diferentes materiais e produtos. Se você está curioso sobre bioimpressão ou sobre as últimas novidades em fabricação de metais, este guia iluminará o fascinante mundo da manufatura aditiva.
Muitos leigos pensam que a impressão 3D se resume a espremer material de um bocal quente e empilhá-lo em formas, mas a impressão 3D vai muito além disso! Hoje, apresentamos sete tipos de processos de impressão 3D para ajudar a diferenciar as várias técnicas de impressão 3D.
De fato, a impressão 3D, também conhecida como manufatura aditiva, é um termo geral que engloba vários processos de impressão 3D diferentes. Essas tecnologias variam muito, mas os principais processos são os mesmos.
Por exemplo, toda impressão 3D começa com um modelo digital porque a tecnologia é essencialmente digital. A peça ou o produto é inicialmente projetado usando o software CAD (Computer-Aided Design) ou obtido de uma biblioteca de peças digitais.
O arquivo de design é então dividido em fatias ou camadas para impressão 3D por meio de um software específico de preparação de construção, gerando instruções de caminho para a impressora 3D seguir.
Em seguida, você aprenderá as diferenças entre essas tecnologias e os usos típicos de cada uma.
Por que existem 7 tipos?
Os tipos de manufatura aditiva podem ser classificados de acordo com os produtos que produzem ou os tipos de materiais que utilizam. A International Standards Organization (ISO) os dividiu em sete tipos gerais (embora essas sete categorias de impressão 3D mal consigam abranger o número crescente de subtipos e tecnologias híbridas).
Como o nome sugere, a extrusão de material envolve a extrusão de material por meio de um bocal.
Normalmente, esse material é um filamento de plástico que é derretido e extrudado por meio de um bocal aquecido. A impressora coloca o material na plataforma de construção ao longo do caminho do processo obtido por meio do software. Em seguida, o filamento esfria e se solidifica em um objeto sólido. Essa é a forma mais comum de impressão 3D.
Pode parecer simples à primeira vista, mas considerando os materiais extrudados, incluindo plástico, metal, concreto, biogéis e vários alimentos, trata-se, na verdade, de uma categoria muito ampla. O preço desse tipo de impressora 3D varia de $100 a sete dígitos.
O mercado de impressoras 3D FDM vale bilhões de dólares, com milhares de máquinas que variam de modelos básicos a modelos complexos de fabricantes. As máquinas FDM são conhecidas como Fused Filament Fabrication (FFF), que é totalmente a mesma tecnologia.
Como todas as tecnologias de impressão 3D, a FDM começa com um modelo digital e o converte em um caminho que a impressora 3D pode seguir. Com o FDM, um filamento (ou vários filamentos ao mesmo tempo) de uma bobina de linha é carregado na impressora 3D e, em seguida, alimentado no bocal da impressora no cabeçote de extrusão.
O bico da impressora ou vários bicos são aquecidos até a temperatura necessária para amolecer o filamento, permitindo que as camadas contínuas se unam para formar uma peça sólida.
À medida que a impressora move o cabeçote de extrusão ao longo das coordenadas especificadas no plano XY, ela continua a colocar a primeira camada. Em seguida, o cabeçote de extrusão sobe para a próxima altura (plano Z) e repete o processo de impressão de seções transversais, construindo camada por camada até que o objeto esteja totalmente formado.
Dependendo da geometria do objeto, às vezes pode ser necessário adicionar estruturas de suporte para apoiar o modelo durante a impressão, por exemplo, se o modelo tiver saliências acentuadas. Esses suportes são removidos após a impressão. Alguns materiais da estrutura de suporte podem se dissolver em água ou em outra solução.
A bioimpressão 3D, ou impressão bio 3D, é um processo de manufatura aditiva em que materiais orgânicos ou biológicos (como células vivas e nutrientes) são combinados para criar estruturas tridimensionais naturais semelhantes a tecidos.
Em outras palavras, a bioimpressão é uma forma de impressão 3D que pode produzir qualquer coisa, desde tecidos esqueléticos e vasos até tecidos vivos. Ela é usada para várias pesquisas e aplicações médicas, incluindo engenharia de tecidos, testes e desenvolvimento de medicamentos e terapias médicas regenerativas inovadoras. A definição real de bioimpressão 3D ainda está evoluindo.
Essencialmente, a bioimpressão 3D funciona de forma semelhante à impressão 3D FDM e pertence à série de extrusão de material (embora a extrusão não seja o único método de bioimpressão).
A bioimpressão 3D usa material (bio-tinta) ejetado de agulhas para criar camadas impressas. Esses materiais, conhecidos como bio-ink, consistem principalmente de matéria viva, como células em materiais de suporte, como colágeno, gelatina, ácido hialurônico, seda, alginato ou nanocelulose, atuando como suportes moleculares para o crescimento estrutural e nutrientes, fornecendo suporte.
A impressão 3D arquitetônica é um campo de rápido avanço na extrusão de materiais. Essa tecnologia envolve o uso de impressoras 3D gigantescas, geralmente com vários metros de altura, para extrudar materiais de construção, como concreto, a partir de um bocal.
Essas máquinas geralmente aparecem em sistemas de pórtico ou de braço robótico. Atualmente, a tecnologia de impressão arquitetônica 3D é usada em habitações, recursos arquitetônicos e vários projetos de construção, de poços a paredes. Os pesquisadores sugerem que ela tem o potencial de transformar significativamente todo o setor de construção, reduzindo a demanda de mão de obra e minimizando os resíduos de construção.
Existem dezenas de casas impressas em 3D nos Estados Unidos e na Europa, e estão sendo realizadas pesquisas sobre a tecnologia de construção em 3D que usaria materiais encontrados na Lua e em Marte para construir habitats para futuros exploradores. A substituição da impressão de concreto por solo local como um método de construção mais sustentável também está ganhando atenção.
A polimerização em cuba (também conhecida como impressão 3D de resina) é uma série de processos de impressão 3D que cura (ou endurece) seletivamente a resina de polímero fotossensível em uma cuba usando uma fonte de luz. Em outras palavras, a luz é direcionada com precisão a pontos ou áreas específicas do plástico líquido para endurecê-lo.
Depois que a primeira camada é curada, a plataforma de construção se move ligeiramente para cima ou para baixo (dependendo da impressora), geralmente entre 0,01 e 0,05 milímetros, e a próxima camada é curada e conectada à anterior.
Esse processo é repetido camada por camada até que uma peça 3D seja formada. Após a conclusão do processo de impressão 3D, o objeto é limpo para remover qualquer resina líquida restante e pós-cura (sob luz solar ou em uma câmara de UV) para aprimorar as propriedades mecânicas da peça.
As três formas mais comuns de polimerização em cuba são a estereolitografia (SLA), o processamento digital de luz (DLP) e a tela de cristal líquido (LCD), também conhecida como estereolitografia com máscara (MSLA). A diferença fundamental entre esses tipos de tecnologias de impressão 3D está na fonte de luz e em como ela é usada para curar a resina.
Diversos recursos 3D fabricantes de impressorasOs fabricantes de impressoras 3D, especialmente os que produzem impressoras 3D de nível profissional, desenvolveram variações exclusivas e patenteadas de fotopolimerização, portanto, você poderá ver diferentes nomes de tecnologia no mercado.
A Carbon, fabricante de impressoras 3D industriais, usa uma tecnologia de polimerização em cuba chamada Digital Light Synthesis (DLS), a Origin da Stratasys chama sua tecnologia de Programmable Photopolymerization (P3), a Formlabs oferece sua tecnologia chamada Low Force Stereolithography (LFS) e a Azul 3D é a primeira a comercializar a polimerização em cuba em larga escala em uma forma chamada High Area Rapid Printing (HARP).
Outras tecnologias incluem Lithography-based Metal Manufacturing (LMM), Projection Micro Stereolithography (PμSL) e Digital Composite Manufacturing (DCM), uma tecnologia de fotopolímero preenchido que introduz aditivos funcionais (como fibras de metal e cerâmica) na resina líquida.
A estereolitografia, ou SLA, é a primeira tecnologia de impressão 3D do mundo. Inventada em 1986 por Chuck Hull, que patenteou a tecnologia e fundou a 3D Systems para comercializá-la, a SLA agora está disponível para entusiastas e profissionais em vários fabricantes de impressoras 3D.
O processo envolve o direcionamento de um feixe de laser para um tanque de resina, solidificando seletivamente seções transversais do objeto dentro da área de impressão em uma construção camada por camada. A maioria das impressoras SLA usa um laser de estado sólido para solidificar as peças.
Uma desvantagem dessa polimerização em cuba é que, em comparação com o nosso próximo método (DLP), os lasers pontuais podem levar mais tempo para traçar a seção transversal do objeto, o que faz com que a luz pisque para endurecer instantaneamente toda a camada. Entretanto, os lasers podem produzir uma luz mais forte, necessária para algumas resinas de grau de engenharia.
(1) Microestereolitografia (μSLA)
A tecnologia de microestereolitografia pode imprimir peças em miniatura com uma resolução entre 2 micrômetros (μm) e 50 μm. Como referência, a largura média de um fio de cabelo humano é de 75 μm. Essa é uma das tecnologias de "micro impressão 3D".
A μSLA envolve a exposição de material fotossensível (resina líquida) a um laser ultravioleta. O que o diferencia é a resina especializada, a complexidade do laser e a adição de lentes que produzem pontos de luz incrivelmente pequenos.
(2) Polimerização por dois fótons (TPP)
Outra tecnologia de impressão micro 3D, a TPP (também conhecida como 2PP), pode ser classificada como SLA porque também usa um laser e resina fotossensível. Ela pode imprimir peças menores que a μSLA, tão pequenas quanto 0,1 μm. A TPP usa um laser pulsado femtossegundo laser focado em um ponto estreito dentro de um grande tanque de resina especial.
Esse ponto é então usado para solidificar pixels 3D individuais, ou voxels, dentro da resina. Esses minúsculos voxels, que variam de tamanho nano a micro, são solidificados camada por camada ao longo de um caminho predefinido. Atualmente, a TPP é usada em pesquisas, aplicações médicas e na fabricação de micropeças, como microeletrodos e sensores ópticos.
A impressão 3D DLP usa um projetor de luz digital (em vez de um laser) para exibir a imagem de cada camada (ou várias exposições para peças maiores) em uma camada ou tanque de resina. A DLP (mais comum do que a SLA) é usada para produzir peças maiores ou volumes maiores de peças em um único lote, pois cada exposição de camada leva o mesmo tempo, independentemente do número de peças na construção, o que a torna mais eficiente do que o método de laser pontual na SLA.
A imagem de cada camada é composta de pixels quadrados, resultando em uma camada composta de pequenos blocos retangulares chamados voxels. A luz é projetada na resina usando uma tela de diodo emissor de luz (LED) ou uma fonte de luz UV (lâmpada) e é projetada na superfície de construção por meio de um dispositivo de micromirror digital (DMD).
Os projetores DLP modernos normalmente têm milhares de LEDs de tamanho micro como fontes de luz. Seus estados de ligado e desligado são controlados individualmente, aumentando a resolução XY. Nem todas as impressoras 3D DLP são iguais, com diferenças significativas na potência da fonte de luz, na lente pela qual ela passa, na qualidade do DMD e em muitos outros componentes que compõem uma máquina que vale $300 em comparação com as que valem mais de $200.000.
DLP de cima para baixo
Algumas impressoras 3D DLP montam a fonte de luz na parte superior da impressora, iluminando a cuba de resina para baixo em vez de para cima. Essas máquinas "de cima para baixo" exibem uma imagem de uma camada a partir da parte superior, solidificando uma camada de cada vez e, em seguida, retornando a camada solidificada para o tanque grande.
Cada vez que a plataforma de construção é abaixada, um recobridor montado na parte superior do grande tanque se move para frente e para trás na resina para uniformizar a nova camada. Os fabricantes afirmam que esse método produz peças mais estáveis para impressões maiores porque o processo de impressão não luta contra a gravidade.
Há limites para a quantidade de peso que pode ser suspensa verticalmente da placa de construção durante a impressão de baixo para cima. A cuba de resina também suporta a peça durante a impressão, reduzindo a necessidade de estruturas de suporte.
Microestereolitografia de projeção (PμSL)
Como um tipo distinto de polimerização em cuba, a PμSL é classificada na DLP como uma subcategoria. É outra tecnologia de microimpressão 3D. A PμSL usa luz ultravioleta de um projetor para solidificar camadas de uma resina de fórmula especial em escala de mícrons (resolução de 2 μm e altura de camada de até 5 μm).
Essa tecnologia de manufatura aditiva está evoluindo devido ao seu baixo custo, precisão, velocidade e variedade de materiais utilizáveis (incluindo polímeros, biomateriais e cerâmicas). Ela tem demonstrado potencial para aplicações que vão desde a microfluídica e a engenharia de tecidos até a micro-ótica e os microdispositivos biomédicos.
Fabricação de metais com base em litografia (LMM)
Esse parente distante da DLP é um método de impressão 3D com luz e resina que pode criar peças metálicas minúsculas para aplicações como ferramentas cirúrgicas e peças micromecânicas. No LMM, o pó de metal é uniformemente disperso em uma resina fotossensível, que é polimerizada seletivamente por meio da exposição à luz azul de um projetor.
Após a impressão, o componente de polímero da peça verde é removido, deixando uma peça debound totalmente metálica que é finalizada em um processo de sinterização em um forno. As matérias-primas incluem aço inoxidável, titâniotungstênio, latão, cobre, prata e ouro.
A tela de cristal líquido (LCD), também conhecida como MSLA (Masked Stereolithography, estereolitografia mascarada), é muito semelhante à DLP mencionada anteriormente. A diferença está no uso de uma tela LCD em vez de um DMD (Digital Micromirror Device), o que afeta significativamente o preço das impressoras 3D.
Assim como o DLP, a máscara de luz do LCD é exibida digitalmente e é composta de pixels quadrados. O tamanho dos pixels na máscara de luz do LCD determina a granularidade da impressão. Dessa forma, a precisão XY é fixa e não depende do grau de zoom ou da escala da lente, como ocorre com o DLP.
Outra diferença entre as impressoras DLP e a tecnologia LCD é que a última usa uma matriz de centenas de emissores individuais em vez de uma única fonte de luz pontual, como diodos de laser ou lâmpadas DLP.
Assim como o DLP, o LCD pode atingir tempos de impressão mais rápidos do que o SLA em determinadas condições. Isso ocorre porque a camada inteira é exposta de uma só vez, em vez de traçar a área da seção transversal com um ponto de laser.
Devido ao baixo custo unitário dos LCDs, essa tecnologia se tornou a preferida no campo das impressoras de resina de mesa de baixo custo. Entretanto, isso não significa que ela não seja usada profissionalmente. Alguns fabricantes de impressoras 3D industriais estão ampliando os limites tecnológicos e obtendo resultados impressionantes.
A fusão em leito de pó (PBF) é um processo de impressão 3D no qual uma fonte de energia térmica derrete seletivamente partículas de pó (plástico, metal ou cerâmica) dentro da área de construção para criar objetos sólidos camada por camada.
Uma impressora 3D PBF dispersa uma fina camada de material em pó sobre a base de impressão, normalmente usando uma lâmina, um rolo ou um limpador. A energia de um laser funde pontos específicos na camada de pó e, em seguida, outra camada de pó é depositada e fundida à camada anterior. Esse processo é repetido até que todo o objeto seja fabricado, com o produto final envolto e sustentado por pó não fundido.
O PBF pode produzir peças com alto desempenho mecânico (incluindo força, resistência ao desgaste e durabilidade) para o uso final em bens de consumo, maquinário e ferramentas. As impressoras 3D nesse submercado estão se tornando mais baratas (a partir de cerca de $25.000), mas são consideradas uma tecnologia industrial.
A sinterização seletiva a laser (SLS) utiliza um laser para fabricar objetos a partir de pó plástico. Primeiro, uma caixa de pó de polímero é aquecida até um pouco abaixo do ponto de fusão do polímero. Em seguida, uma lâmina de recobrimento ou limpador deposita uma camada muito fina de material em pó (geralmente 0,1 mm de espessura) na plataforma de construção.
O laser começa a escanear a superfície de acordo com o padrão estabelecido no modelo digital. O laser sinteriza seletivamente o pó e solidifica a seção transversal do objeto. Ao escanear toda a seção transversal, a plataforma de construção se move para baixo em uma espessura de camada. A lâmina de recobrimento deposita uma nova camada de pó sobre a camada digitalizada mais recentemente, e o laser sinteriza a próxima seção transversal do objeto sobre a seção transversal solidificada anteriormente.
Essas etapas são repetidas até que todos os objetos sejam fabricados. O pó não sinterizado permanece no local para apoiar o objeto, reduzindo ou eliminando a necessidade de estruturas de apoio. Depois que a peça é removida do leito de pó e limpa, não são necessárias outras etapas de pós-processamento.
A peça pode ser polida, revestida ou colorida. Há muitos fatores de diferenciação entre as impressoras 3D SLS, não apenas o tamanho, mas também a potência e o número de lasers, o tamanho do ponto de laser, o tempo e a maneira de aquecer o leito e a distribuição do pó. O material mais comum na impressão 3D SLS é o náilon (PA6, PA12), mas o TPU e outros materiais também podem ser usados para imprimir peças flexíveis.
μSLS pertence à tecnologia de SLS ou Laser Powder Bed Fusion (LPBF) mencionada abaixo. Ela usa um laser para sinterizar o material em pó, como a SLS, mas esse material é normalmente metal em vez de plástico, portanto, é mais semelhante à LPBF. É outra tecnologia de impressão micro 3D que pode criar peças com resolução micro (abaixo de 5 μm).
Na μSLS, uma camada de tinta de nanopartículas metálicas é revestida no substrato e, em seguida, seca para produzir uma camada uniforme de nanopartículas. Em seguida, um laser padronizado de uma matriz digital de microespelhos é usado para aquecer as nanopartículas e sinterizá-las no padrão desejado. Esse conjunto de etapas é repetido para construir cada camada da peça 3D no sistema μSLS.
Entre todas as tecnologias de impressão 3D, esta é a que tem mais pseudônimos. O nome formal desse método de impressão 3D de metal é Laser Powder Bed Fusion (LPBF), mas ele também é amplamente conhecido como Direct Metal Laser Sintering (DMLS) e Selective Laser Melting (SLM).
No início do desenvolvimento dessa tecnologia, os fabricantes de máquinas criaram seus próprios nomes para o mesmo processo, e esses nomes têm sido usados desde então. Notavelmente, os três termos acima se referem ao mesmo processo, mesmo que alguns detalhes mecânicos sejam diferentes.
Como um subtipo de fusão de leito de pó, a LPBF usa um leito de pó metálico e um ou mais (até 12) lasers de alta potência. As impressoras 3D LPBF usam lasers para fundir seletivamente os pós metálicos em uma base molecular, camada por camada, até que o modelo esteja completo. A LPBF é um método de impressão 3D altamente preciso, normalmente usado para criar peças metálicas complexas para aplicações aeroespaciais, médicas e industriais.
Assim como a SLS, as impressoras 3D LPBF começam com um modelo digital dividido em fatias. A impressora carrega o pó na câmara de construção e, em seguida, usa um raspador (como um limpador de para-brisa) ou um rolo para espalhá-lo em uma camada fina na placa de construção. O laser traça a camada sobre o pó.
Em seguida, a plataforma de construção se move para baixo, outra camada de pó é aplicada e fundida com a primeira camada até que todo o objeto seja construído. A câmara de construção é fechada, vedada e, muitas vezes, preenchida com uma mistura de gás inerte, como nitrogênio ou argônio, para garantir que o metal não oxide durante o processo de fusão e ajuda a eliminar os resíduos do processo de fusão.
Após a impressão, a peça é removida do leito de pó, limpa e, muitas vezes, passa por um tratamento térmico secundário para eliminar a tensão. O pó restante é reciclado e reutilizado.
Os fatores de diferenciação das impressoras 3D LPBF incluem o tipo, a força e o número de lasers. As impressoras LPBF pequenas e compactas podem ter um laser de 30laser em wattsenquanto as versões industriais podem ter 12 lasers de 1.000 watts. As máquinas LPBF usam ligas de engenharia comuns, como aço inoxidável, superligas de níquel e ligas de titânio. Há dezenas de metais disponíveis para o processo LPBF.
O EBM, também conhecido como Electron Beam Powder Bed Fusion (EB PBF), é um método de impressão 3D de metal semelhante ao LPBF, mas que usa um feixe de elétrons em vez de um laser de fibra. Essa tecnologia é usada para fabricar peças, como implantes ortopédicos de titânio, lâminas de turbina para motores a jato e bobinas de cobre.
O feixe de elétrons gera mais energia e calor, o que é necessário para alguns metais e aplicações. Além disso, o EBM não é um ambiente de gás inerte, mas é realizado em uma câmara de vácuo para evitar a dispersão do feixe. A temperatura da câmara de construção pode chegar a 1.000 °C, ou até mais, em alguns casos. Como o feixe de elétrons usa controle de feixe eletromagnético, sua velocidade de movimento é mais rápida do que a do laser e pode até ser dividida para expor várias áreas simultaneamente.
Uma das vantagens do EBM em relação ao LPBF é sua capacidade de lidar com materiais condutores e metais reflexivos, como o cobre. Outro recurso do EBM é sua capacidade de aninhar ou empilhar peças separadas dentro da câmara de construção, pois elas não precisam necessariamente estar presas à placa de construção, aumentando significativamente o volume de saída.
Em comparação com os lasers, os feixes de elétrons geralmente produzem camadas mais espessas e características de superfície mais ásperas. Devido à alta temperatura na câmara de construção, as peças impressas por EBM podem não exigir tratamento térmico pós-impressão para eliminar o estresse.
O jato de material é um processo de impressão 3D em que pequenas gotículas de material são depositadas e, em seguida, solidificadas ou curadas em uma placa de construção. Esse processo usa um polímero fotossensível ou gotículas de cera que se solidificam quando expostas à luz, construindo objetos uma camada de cada vez.
A natureza do processo de jato de material permite que diferentes materiais sejam impressos no mesmo objeto. Uma aplicação dessa tecnologia é a fabricação de peças com cores e texturas variadas.
O jato de material (M-Jet) de polímeros é um processo de impressão 3D em que uma camada de resina fotossensível é depositada seletivamente em uma placa de construção e curada com luz ultravioleta (UV).
Depois que uma camada é depositada e curada, a plataforma de construção é rebaixada em uma espessura de camada e o processo é repetido para construir um objeto 3D. A M-Jet combina a alta precisão da impressão 3D de resina com a velocidade da impressão 3D de filamento (FDM) para criar peças e protótipos com cores e texturas realistas.
Todas as tecnologias de impressão 3D de jato de material não são totalmente idênticas. Existem diferenças entre os fabricantes de impressoras e os materiais proprietários. As máquinas M-Jet depositam materiais de construção em uma linha por linha a partir de várias fileiras de cabeçotes de impressão.
Esse método permite que a impressora fabrique vários objetos em uma linha sem afetar a velocidade de construção. Desde que o modelo esteja corretamente disposto na plataforma de construção e que o espaço dentro de cada linha de construção seja otimizado, a M-Jet pode produzir peças mais rapidamente do que muitos outros tipos de impressoras 3D de resina.
Os objetos fabricados com a M-Jet requerem suporte, que é impresso simultaneamente com material dissolvível durante o processo de construção e removido no estágio de pós-processamento. A M-Jet é uma das poucas tecnologias de impressão 3D que oferece objetos feitos com impressão multimaterial e totalmente colorida.
As máquinas de jateamento de material não estão disponíveis em versões para amadores; essas máquinas são mais adequadas para profissionais de fabricação de automóveis, empresas de design industrial, estúdios de arte, hospitais e todos os tipos de fabricantes de produtos que desejam criar protótipos precisos para testar conceitos e colocar os produtos no mercado mais rapidamente.
Diferentemente da tecnologia de polimerização em cubas, a M-Jet não requer pós-cura, pois a luz UV na impressora cura totalmente cada camada.
Jato de aerossol
A Optomec desenvolveu a Aerosol Jet, uma tecnologia exclusiva usada principalmente para a impressão 3D de produtos eletrônicos. Resistores, capacitores, antenas, sensores e transistores de película fina são todos impressos usando a tecnologia Aerosol Jet. Ela pode ser comparada, grosso modo, à pintura em spray, mas difere dos processos de revestimento industrial porque pode ser usada para imprimir objetos 3D completos.
A tinta eletrônica é colocada em um atomizador, que produz gotículas com diâmetros entre 1 e 5 mícrons. A névoa de aerossol é então enviada ao cabeçote de deposição, focalizada por um gás de bainha, criando um spray de partículas de alta velocidade.
Como todo o processo utiliza energia, essa tecnologia às vezes também é chamada de Deposição de Energia Direcionada, mas como o material, nesse caso, está na forma de gotículas, nós a incluímos no jato de material.
Moldagem de plástico freeform
A empresa alemã Arburg criou uma tecnologia chamada moldagem de plástico de forma livre (APF), uma combinação de tecnologias de extrusão e jato de material. Ela usa grânulos de plástico disponíveis comercialmente, que são derretidos no processo de moldagem por injeção e movidos para a unidade de descarga.
Movimento rápido de abertura e fechamento do bocal de alta frequência, produzindo até 200 gotículas de plástico por segundo com diâmetros entre 0,2 e 0,4 mm. As gotículas se unem ao material de solidificação durante o resfriamento. O pós-processamento geralmente não é necessário. Se for usado material de suporte, ele deverá ser removido.
O NanoParticle Jetting (NPJ) é uma das poucas tecnologias proprietárias que são difíceis de classificar, desenvolvida por uma empresa chamada XJet. Ela usa um conjunto de cabeçotes de impressão com milhares de bicos de jato de tinta que podem jorrar simultaneamente milhões de gotículas de material ultrafino em uma camada superfina da bandeja de construção, além de jorrar material de suporte.
As partículas de metal ou cerâmica são suspensas no líquido. O processo ocorre em altas temperaturas, onde o líquido evapora quando é jateado, deixando a maior parte do material metálico ou cerâmico. As peças 3D resultantes têm apenas uma pequena quantidade de agente de ligação, que é removida no pós-processamento de sinterização.
O jato de aglutinante é um processo de impressão 3D que une seletivamente uma camada de pó em áreas específicas usando um adesivo líquido. Esse tipo de tecnologia combina as características da fusão de leito de pó e do jato de material.
Semelhante ao PBF, o jato de aglutinante usa material em pó (metais, plásticos, cerâmicas, madeira, açúcar etc.) e, assim como o jato de material, o polímero adesivo líquido é depositado a partir de um jato de tinta. O processo de jateamento de aglutinante permanece o mesmo, seja em metal, plástico, areia ou outros materiais em pó.
Primeiramente, uma lâmina de revestimento aplica uma fina camada de pó na plataforma de construção. Em seguida, um cabeçote de impressão equipado com um bico de jato de tinta passa sobre a cama, depositando seletivamente gotículas de adesivo para unir as partículas de pó. Depois que uma camada é concluída, a plataforma de construção se move para baixo e a lâmina volta a revestir a superfície. Esse processo é repetido até que toda a peça esteja pronta.
A singularidade do jato de aglutinante está na ausência de calor durante o processo de impressão. O adesivo atua como uma cola que mantém o pó de polímero unido. Após a impressão, a peça é envolta em pó não utilizado, que normalmente é deixado para solidificar. A peça é então removida do compartimento de pó, o excesso de pó é coletado e pode ser reutilizado.
A partir daí, o pós-processamento é necessário, dependendo do material, exceto para a areia, que geralmente pode ser usada diretamente da impressora como um núcleo ou molde. Quando o pó é metálico ou cerâmico, o pós-processamento com envolvimento de calor derrete o adesivo, deixando apenas o metal. O pós-processamento de peças plásticas geralmente inclui o revestimento para melhorar a suavidade da superfície. Polimento, pintura e lixamento também podem ser feitos em peças de jato de aglutinante de polímero.
O jato de ligante é rápido e tem uma alta taxa de produção, portanto, em comparação com outros métodos de AM, pode produzir um grande número de peças de forma mais econômica. O jateamento de ligante metálico é aplicável a uma variedade de metais e é popular em bens de consumo de uso final, ferramentas e peças de reposição em lote.
No entanto, a seleção de materiais para o jateamento com aglutinante de polímero é limitada e o desempenho estrutural das peças produzidas é inferior. Seu valor está na capacidade de criar protótipos e modelos totalmente coloridos.
O Binder Jetting também pode ser usado para fabricar objetos sólidos de metal com formas geométricas complexas, muito além da capacidade das tecnologias de fabricação tradicionais. O jateamento de ligantes metálicos é uma tecnologia muito atraente para a produção em massa de peças metálicas e para a obtenção de peso leve.
Como o jato de ligante pode imprimir peças com preenchimentos de padrões complexos em vez de sólidos, as peças resultantes são significativamente mais leves, mas mantêm sua resistência. As características de porosidade do binder jetting também podem ser usadas para criar peças finais mais leves para aplicações médicas, como implantes.
Em geral, o desempenho do material das peças de metal com jato de ligante é comparável ao das peças de metal produzidas com moldagem por injeção de metal, um dos métodos de fabricação mais amplamente usados na produção em massa de peças de metal. Além disso, as peças com jato de ligante apresentam maior suavidade de superfície, especialmente nos canais internos.
As peças com jato de aglutinante de metal precisam de processamento secundário após a impressão para obter boas propriedades mecânicas. Recém-saídas da impressora, as peças consistem essencialmente em partículas de metal mantidas juntas por um aglutinante de polímero.
Essas chamadas "peças verdes" são muito frágeis para serem usadas no estado em que se encontram. Depois que as peças impressas são removidas do leito de pó metálico (um processo chamado depowdering), elas passam por um tratamento térmico (um processo chamado sinterização) em um forno.
Os parâmetros de impressão e de sinterização são ajustados para a geometria específica, o material e a densidade necessária da peça. Às vezes, o bronze ou outros metais são usados para infiltrar os espaços vazios nas peças com jato de aglutinante, obtendo assim porosidade zero.
O jato de aglutinante de plástico é um processo muito semelhante ao jato de aglutinante de metal, pois também usa pó e aglutinante líquido, mas as aplicações são bem diferentes. Após o término da impressão, as peças plásticas são removidas do leito de pó e limpas, geralmente prontas para uso sem processamento adicional, mas essas peças não têm a resistência e a durabilidade encontradas em outros processos de impressão 3D.
As peças plásticas com jato de aglutinante podem ser infundidas com outro material para aumentar sua resistência. O jato de aglutinante com polímeros é preferido por sua capacidade de produzir peças multicoloridas para modelagem médica e prototipagem de produtos.
O jateamento de adesivo de areia difere do jateamento de adesivo de plástico em termos da máquina de impressão e do processo usado, daí a separação. Um dos usos mais comuns da tecnologia de jato de adesivo é a produção de grandes moldes, modelos e núcleos de fundição em areia. O baixo custo e a velocidade desse processo o tornam uma excelente solução para fundições, pois é um desafio produzir designs de padrões complexos em poucas horas usando tecnologias tradicionais.
O futuro do desenvolvimento industrial está constantemente exigindo muito dos empreiteiros e fornecedores. A impressão 3D em areia está apenas começando a explorar seu potencial. Após a impressão, o operador precisa remover os núcleos e os moldes da área de construção e limpá-los para remover qualquer areia solta. Em geral, os moldes podem ser preparados para fundição imediatamente. Após a fundição, o molde é aberto e a peça metálica final é removida.
Outro processo de impressão 3D exclusivo e específico da marca que não se enquadra facilmente em nenhuma categoria existente e que, na verdade, não é um jato de adesivo, é o Multi Jet Fusion da HP. A MJF é uma tecnologia de impressão 3D de polímero que usa material em pó, material de fusão líquido e um agente de detalhamento.
Não é considerado jato de adesivo porque o calor é adicionado nesse processo, produzindo peças com maior resistência e durabilidade, e o líquido não é totalmente um adesivo. O nome desse processo vem dos vários cabeçotes de jato de tinta usados no processo de impressão.
Durante o processo de impressão Multi Jet Fusion, a impressora coloca uma camada de pó de material, geralmente nylon, na mesa de impressão. Depois disso, os cabeçotes de jato de tinta passam sobre o pó e depositam o agente de fusão e o agente de detalhamento sobre ele. Em seguida, um dispositivo de aquecimento infravermelho passa sobre a impressão. Onde quer que o agente de fusão seja adicionado, as camadas subjacentes se fundem, enquanto as áreas com o agente de detalhamento permanecem em pó.
As partes em pó caem, produzindo a forma geométrica desejada. Isso também elimina a necessidade de suporte de modelagem, pois as camadas inferiores suportam as camadas impressas sobre elas. Para concluir o processo de impressão, todo o leito de pó e as peças impressas dentro dele são movidos para uma estação de processamento separada, onde a maior parte do pó solto e não derretido é aspirada para reutilização.
O Multi Jet Fusion é uma tecnologia versátil que tem sido aplicada em vários setores, incluindo o automotivo, o de saúde e o de bens de consumo.
O Directed Energy Deposition (DED) é um processo de impressão 3D em que material metálico é fornecido e derretido simultaneamente com um poderoso suprimento de energia. É uma das categorias mais amplas da impressão 3D, abrangendo muitas subcategorias, dependendo da forma do material (fio ou pó) e do tipo de energia (laser, feixe de elétrons, arco, supersônica, térmica etc.). Essencialmente, ela tem muitas semelhanças com a soldagem.
Essa tecnologia é usada para impressão camada por camada, geralmente seguida de usinagem CNC para obter tolerâncias mais rígidas. A combinação de DED e CNC é muito comum, com um subtipo de impressão 3D chamado Impressão 3D híbrida, que inclui unidades DED e CNC na mesma máquina.
Essa tecnologia é considerada uma alternativa mais rápida e barata à fundição e ao forjamento de metais em pequenos lotes e um reparo fundamental para aplicações no setor de petróleo e gás offshore, bem como nos setores aeroespacial, de geração de energia e de serviços públicos.
O Laser Directed Energy Deposition (L-DED), também conhecido como Laser Metal Deposition (LMD) ou Laser Engineered Net Shaping (LENS), usa pó ou fio metálico fornecido por um ou mais bicos e fundido em uma plataforma de construção ou peça metálica por um laser potente. À medida que o bocal e o laser se movem, ou a peça se move em uma plataforma giratória de vários eixos, o objeto é construído camada por camada.
A velocidade de construção é mais rápida do que a fusão em leito de pó, mas resulta em uma qualidade de superfície reduzida e em uma precisão significativamente reduzida, o que normalmente exige um pós-processamento substancial. As impressoras DED a laser geralmente têm uma câmara selada preenchida com gás argônio para evitar a oxidação. Ao lidar com metais menos reativos, elas podem operar usando apenas argônio local ou gás nitrogênio.
Entre os metais comuns usados nesse processo estão o aço inoxidável, o titânio e as ligas de níquel. Esse método de impressão é normalmente usado para reparar peças aeroespaciais e automotivas de alta qualidade, como lâminas de motores a jato, mas também é usado para produzir peças inteiras.
A DED por feixe de elétrons, também conhecida como Wire Electron Beam Energy Deposition, é um processo de impressão 3D muito semelhante à DED a laser. Ele é conduzido em uma câmara de vácuo e pode produzir metais muito limpos e de alta qualidade. Quando um fio de metal passa por um ou mais bicos, ele é derretido por um feixe de elétrons.
As camadas são construídas individualmente, com o feixe de elétrons formando uma pequena poça de fusão na qual o arame é alimentado por um alimentador de arame. Ao manusear metais ativos e de alto desempenho (como cobre, titânio, cobalto e ligas de níquel), o feixe de elétrons é escolhido para DED.
As máquinas DED são efetivamente ilimitadas em termos de tamanho de impressão. Por exemplo, o fabricante de impressoras 3D Sciaky tem uma máquina EB DED capaz de produzir peças com quase 6 metros de comprimento a uma taxa de 3 a 9 quilogramas de material por hora.
A DED por feixe de elétrons é apontada como um dos métodos mais rápidos para a fabricação de peças metálicas, embora não seja a mais precisa, o que a torna uma tecnologia de usinagem ideal para a construção de grandes estruturas (como fuselagens) ou peças de reposição (como pás de turbina).
A Deposição de Energia Direcionada por Fio, também conhecida como Manufatura Aditiva de Arco de Fio (WAAM), é uma forma de impressão 3D que usa energia na forma de plasma ou arco elétrico para derreter metal em forma de fio, que é então depositado camada por camada em uma superfície, como uma plataforma giratória de vários eixos, por um braço robótico para formar uma forma.
Esse método é escolhido em relação a tecnologias semelhantes que usam lasers ou feixes de elétrons porque não requer uma câmara selada e pode usar metais idênticos aos usados na soldagem tradicional (às vezes até o mesmo material).
A deposição elétrica de energia direta é considerada a opção mais econômica na tecnologia DED, pois pode usar os recursos existentes para a deposição de energia direta. soldagem a arco robôs e fontes de energia, o que torna a barreira de entrada relativamente baixa.
No entanto, diferentemente da soldagem, essa técnica usa um software complexo para controlar diversas variáveis durante o processo, inclusive o gerenciamento de calor e os caminhos da ferramenta do braço robótico. Essa técnica não tem estruturas de suporte a serem removidas, e as peças acabadas geralmente são usinadas por CNC quando necessário para atingir tolerâncias rigorosas ou polimento de superfície.
O Cold Spray Coating é uma tecnologia de impressão 3D DED que usa pulverização supersônica de pó metálico para uni-los sem derreter, praticamente eliminando rachaduras térmicas ou estresse.
Desde o início dos anos 2000, ele tem sido usado como um processo de revestimento, mas recentemente várias empresas começaram a usar o revestimento por pulverização a frio para a manufatura aditiva porque ele pode imprimir em velocidades de 50 a 100 vezes mais rápidas do que os processos 3D de metal típicos e não requer gás inerte ou uma câmara de vácuo.
Como todos os processos DED, o Cold Spray Coating não produz impressões com boa qualidade de superfície ou detalhes, mas as peças podem ser usadas diretamente da mesa de impressão.
O Melt Directed Energy Deposition é um processo de impressão 3D que usa calor para derreter metal (geralmente alumínio), que é então depositado camada por camada em uma placa de construção para formar um objeto 3D. A diferença entre essa tecnologia e a impressão 3D por extrusão de metal é que a extrusão usa matéria-prima de metal com uma pequena quantidade de polímero em seu interior, permitindo que o metal seja extrudado.
O polímero é então removido em um estágio de tratamento térmico, enquanto a DED por fusão usa metal puro. A DED por fusão ou líquida também pode ser comparada ao jato de material, mas, em vez de uma série de bicos que depositam gotículas, o metal líquido normalmente flui de um bico.
Variações dessa tecnologia estão sendo desenvolvidas, e as impressoras 3D Melt Metal são raras. A vantagem de usar o calor para derreter e depois depositar o metal é que ele usa menos energia do que outros processos de DED e pode potencialmente usar metal reciclado como matéria-prima, em vez de fio de metal ou pó de metal altamente processado.
A laminação de chapas é tecnicamente uma forma de impressão 3D, mas difere significativamente das técnicas mencionadas anteriormente. Sua função é empilhar e laminar folhas de material muito finas para produzir objetos ou pilhas em 3D, que são então cortadas mecanicamente ou a laser para formar o formato final.
As camadas de material podem ser fundidas usando vários métodos, inclusive calor e som, dependendo do material, com materiais que variam de papel e polímeros a metais. Quando as peças são laminadas e depois corte a laser ou usinado no formato desejado, são gerados mais resíduos do que em outras tecnologias de impressão 3D.
Os fabricantes usam a laminação de chapas finas para produzir protótipos não funcionais em uma velocidade relativamente alta e de forma econômica, adequada para a tecnologia de baterias e a produção de materiais compostos, pois os materiais usados podem ser trocados durante o processo de impressão.
A laminação é uma forma de tecnologia de impressão 3D em que as folhas de material são empilhadas e coladas e, em seguida, o objeto em camadas é cortado no formato correto usando uma faca (ou laser ou roteador CNC). Essa tecnologia é menos comum atualmente, pois o custo de outras tecnologias de impressão 3D diminuiu e sua velocidade e facilidade de uso aumentaram significativamente.
Fabricação por Litografia Viscosa (VLM): O VLM é o processo de impressão 3D patenteado pela BCN3D que lamina camadas finas de resina fotossensível de alta viscosidade em um filme de transferência transparente. O sistema mecânico permite que a resina seja laminada de ambos os lados do filme, possibilitando a combinação de diferentes resinas para obter peças multimateriais e estruturas de suporte facilmente removíveis. Essa tecnologia ainda não foi comercializada, mas pode ser considerada um tipo de tecnologia de impressão 3D laminada.
Manufatura aditiva baseada em compósitos (CBAM): A start-up Impossible Objects patenteou essa tecnologia, que funde almofadas de carbono, vidro ou Kevlar com plástico termoplástico para fabricar peças.
Fabricação de material composto por laminação seletiva (SLCOM): A EnvisionTEC, agora conhecida como ETEC e de propriedade da Desktop Metal, desenvolveu essa tecnologia em 2016, que usa plástico termoplástico como material de base e material composto de fibra tecida.
Observação: há muitos tipos de tecnologias de impressão 3D; os tipos acima são os sete tipos mais comuns de tecnologias de manufatura aditiva na impressão 3D e não abrangem todas as tecnologias de impressão 3D no mercado.
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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