Entendendo a impressão 3D: Processo e principais recursos

Visão geral

Utilizando materiais em pó para impressão 3D, o processo SLS mencionado acima é relativamente caro devido ao uso de lasers. No entanto, o emprego de um agente de ligação para aderir às partículas de pó e construir camadas para formar formas é teoricamente sólido. Em 20 de abril de 1993, o professor Emanuel Sachs e sua equipe no MIT receberam uma patente dos EUA para "Técnicas de impressão tridimensional", conhecidas como 3DP.

A invenção foi inspirada nas impressoras a jato de tinta amplamente difundidas na época, substituindo a tinta dos cartuchos por um agente aglutinante líquido. Ao extrudar esse aglutinante em um leito de pó solto com o cabeçote de impressão, era possível imprimir objetos tridimensionais. Da mesma forma, com a utilização de aglutinantes de cores primárias e a correspondência precisa de cores digitais, foi possível realizar a impressão colorida em pó, semelhante à impressão a jato de tinta colorida em papel.

Esse processo de impressão 3D se assemelha muito às impressoras convencionais, e seu título de patente, "impressão 3D", é direto 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 comumente chamadas de impressão 3D, com os próprios dispositivos sendo chamados de impressoras 3D.

Em 2012, a American Society for Testing and Materials (ASTM) definiu esse processo de impressão 3D como "Binder Jetting" em seu padrão de terminologia de manufatura aditiva (ASTM F2792-12a).

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

Desde 1997, eles 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 colorida do mundo, a Spectrum Z510, conforme mostrado na Figura 5-31 com a impressora colorida e seus modelos impressos. Isso marcou uma etapa significativa 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 da série Color-Jet atualmente vendida no site da 3D Systems são mostradas 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 pesquisar e comercializar material de pó metálico formado por jato de aglutinante, introduzindo o primeiro dispositivo de jato de aglutinante de pó metálico do mundo, o ProMetal RTS-300, em 1997.

Em 2003, a ExOne Company surgiu da Extrude Hone, com foco exclusivo no setor de impressão 3D, lançando posteriormente a primeira impressora 3D de arenito do mundo, a S15. Desde então, a ExOne se especializou em jato de aglutinante de materiais de metal e arenito, tornando-se gradualmente líder na tecnologia 3DP. A Figura 5-32 mostra a impressora ExOne Innovent+ e alguns dos modelos de metal 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 uso em processos tradicionais de fundição de metal.

Nos últimos anos, a tecnologia de jateamento de aglutinante tem atraído cada vez mais atenção na China, com empresas como Wuhan Yizhi Technology Co., Ltd., Aisikai Technology Co., Ltd., Guangdong Fenghua Zhuoli Technology Co., Ltd. e Ningxia Sharing Group assumindo a liderança.

Além disso, uma equipe da Universidade de Ciência e Tecnologia de Huazhong vem pesquisando a tecnologia de jato de aglutinante desde 2012, inicialmente com foco na impressão com gesso, polímeros e areia de fundição e, atualmente, com foco na tecnologia de jato de aglutinante de metal. Em 2017, em colaboração com a Wuhan Yizhi Technology Co., Ltd., eles introduziram uma impressora de jato de aglutinante de metal capaz de imprimir com materiais como Aço inoxidável 316Laço inoxidável 420, cobre e ligas de titânio.

Abaixo está uma tabela comparativa dos detalhes técnicos de algumas empresas nacionais e internacionais que desenvolvem a tecnologia de jateamento de ligantes metálicos.

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

Processo e características

(1) Processo

Analisando o esquema abstrato da patente 3DP do Professor Emanuel Sachs, conforme mostrado na Figura 5-33, são apresentadas informações importantes: "...produce a layer of bonded powder material..." indica a criação de uma camada de material em pó ligado por meio de um processo de acumulação camada por camada usando material em pó.

Surge a questão de como o pó é moldado: "...depositando um material aglutinante..." sugere que, em vez de usar um laser, um material aglutinante é distribuído em áreas selecionadas de cada camada, dando forma ao pó. O resumo também observa 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 a seguir:

① Preparação de dados. Obtenha um modelo tridimensional da peça e processe-o em fatias bidimensionais.

② Colocação de pó. O pó é armazenado em um funil ou em um cilindro de alimentação, com dois métodos de aplicação: o funil libera uma certa quantidade de pó no 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 certa altura, conhecido como método de colocação de pó, conforme mostrado na Figura 5-34(a) e (b).

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

③ Movimento bidimensional. O cabeçote de impressão, carregado com o aglutinante, é controlado pelo arquivo de comando para se mover nas direções X e Y, pulverizando o aglutinante para dar forma ao pó. As áreas não pulverizadas permanecem soltas e fornecem suporte para as camadas subsequentes (para imprimir modelos coloridos, são usados 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. O cabeçote de impressão se move sob novos comandos X e Y, pulverizando o aglutinante para dar forma à camada atual de pó e, ao mesmo tempo, aderi-la à camada acima, obtendo a colagem entre camadas.

⑥ Repita 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 a laser, pode ser totalmente reciclado para reutilização, atingindo teoricamente uma taxa de utilização de material de 100%. Após a impressão 3D, as peças precisam de pós-processamento adicional, geralmente envolvendo três etapas:

Remoção do excesso de pó.

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

Aumento da força.

As peças impressas em 3DP geralmente contêm vários poros e são comparativamente fracas, necessitando de pós-processamento para reforço. Para peças impressas com materiais inorgânicos em pó, como gesso, diferentes infiltrantes de cura instantânea são selecionados com base no uso pretendido para penetrar nas peças.

Por exemplo, infiltrantes adequados para modelos coloridos podem aumentar a resistência, a cor e a estabilidade da cor; infiltrantes binários para modelos funcionais podem aumentar significativamente a resistência do modelo; e infiltrantes ecologicamente corretos podem ser usados para impregnação ou pulverização para aumentar a dureza e o módulo da superfície.

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

Acabamento da superfície.

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

(2) Características do processo

O processo 3DP tem cinco vantagens notáveis:

Capacidade de impressão em cores.

O 3DP pode realizar impressão em cores, expressando perfeitamente a criatividade do design do produto em cores, e é amplamente utilizado em criatividade cultural, filmes, animação e outros campos.

Ampla gama de materiais e peças funcionais de metal.

O processo 3DP pode imprimir com praticamente qualquer material em pó, inclusive pós metálicos, expandindo significativamente suas aplicações funcionais.

Não há necessidade de suportes.

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

Adequado para a fabricação de estruturas complexas.

O processo 3DP praticamente não impõe restrições à complexidade das peças, permitindo a produção de vários formas complexas como peças porosas, peças ocas e peças aninhadas. Ele 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 usa lasers, o que reduz os custos de operação e manutenção do equipamento; por outro lado, seus cabeçotes de jato de aglutinante podem realizar a varredura de matriz em vez da varredura de pontos a laser, resultando em alta eficiência de impressão e baixo custo.

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

Propriedades mecânicas ruins das peças.

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

Menor qualidade da superfície.

Como as peças são formadas por aglutinação de pó, a superfície tem uma certa textura granulada, o que dificulta a obtenção da suavidade das peças impressas com técnicas de fotopolimerização.

Armazenamento ineficiente de material a granel.

Como o armazenamento em leito de pó é usado e considerando a atividade de superfície dos materiais em pó, o armazenamento de material a granel é grande e desafiador. O mecanismo de alimentação da tremonha, embora supere um pouco os problemas de armazenamento, não altera o princípio fundamental do armazenamento em leito de pó.