Como funciona: Impressora 3D

31/01/2017 - 11:31
 |  4 Comentários

 

História

Você provavelmente já ouviu falar de Impressoras 3D (3 dimensões) e de como essa ideia pode ser útil para nós. O que você não sabia é que esta tecnologia não é algo tão recente assim: ela data de 1980, quando o Dr Kodama, no Japão, foi o primeiro a utilizar a técnica conhecida como Rapid Prototyping (prototipação rápida), já que sua função primária era construir protótipos para desenvolvimentos de produtos na indústria. Entretanto, sua patente não foi emitida já que perdeu a data de submeter o formulário.

Pouco tempo depois, em 1984, Charles “Chuck” Hull, na Califórnia, patenteou a técnica de estereolitografia. Hull já havia desenvolvido um ano antes a tecnologia do que viria a ser a máquina, quando uma de suas funções era a criação de lâmpadas para solidificação de resinas, primeiro objeto criado pela ferramenta.

Ao longo dos anos outras técnicas foram utilizadas para a melhor eficiência da impressora 3D, tais como: Selective Laser Sintering, SLS,  (Sinterização a Laser Seletiva) desenvolvida por Carl Deckard em 1987; Fused Deposition Method, FDM, (Método de Deposição Fundido) desenvolvida em 1989 por Scott Crump, co-fundador da empresa Stratasys Inc., que até hoje é utilizada em impressora 3D iniciais baseadas no modelo open source RepRap; entre outras.

Mas não se preocupe, você não está totalmente desinformado: o mercado viu pela primeira vez uma impressora 3D ficar “acessível” ao consumidor em 2007, chegando a custar menos de $10.000,00, produzida pela 3D Systems e a primeira impressora a ser comercializada só foi ofertada em janeiro de 2009. Desde então, impressoras 3D se tornam cada vez mais atrativas e úteis ao consumidor comum.

Métodos de impressão

O conceito de impressão tridimensional visa sempre a produção de um objeto detalhado com volume e profundidade. Porém, até mesmo para uma única aplicação existem diversas tecnologias diferentes, que você vai conhecer agora.

A primeira, e a mais tradicional, conhecida como Fused Deposition Modeling (FDM) (modelagem por fusão e depósito), funciona basicamente através da adição de camadas sobrepostas. Os objetos são impressos camada por camada até ser moldada a forma final. A cor do material também pode ser escolhida, mas deve ser aplicada em toda a peça.

Para se criar um objeto a ser impresso em 3D, ele deve ser desenvolvido em um computador. Após criar o modelo tridimensional é necessário inseri-lo no software da impressora. O criador ainda deve definir as dimensões da imagem. O software da impressão irá compilar todos os dados e sistematizar em várias camadas. Em seguida inicia-se a impressão. Nesta etapa o injetor de matéria esquenta e suga um filete plástico que está na bobina. Na medida que o material derrete, ele é injetado em uma base, que se movimenta em dois eixos e cria as camadas. O processo então é feito camada por camada, desta forma, quando uma fica pronta, outra se inicia até que o objeto fique totalmente pronto.

Ao término do processo, se necessário, o usuário precisa apenas destacar as partes remanescentes do bloco principal (caso a peça tenha filamentos de “suporte” criados na hora da impressão).

Os materiais mais comuns utilizados nessas impressoras são o plástico ABS (ou Acrilonitrila Butadieno Estireno). Este tipo de polímero é bastante rígido e leve, apresentando um bom equilíbrio entre resistência e flexibilidade e o PLA (ácido poliático), que é um polímero biodegradável, produzido a partir de ácido láctio fermentado a partir de culturas. Lembrando que eles não são os únicos, mas sim os mais comuns.

Veja um exemplo deste tipo de impressão:

O segundo método consiste na aplicação de jatos do material em pó por meio de um cartucho de impressão, que são unidos de forma seletiva por outro cartucho com conteúdo adesivo. Esta é a tecnologia de impressão tridimensional mais rápida existente atualmente, além de ser também a única que permite a aplicação de finalização colorida nos objetos (simulando a pintura).

Uma variação da aplicação de cartuchos utiliza fotopolímeros em estado líquido, que são injetados e tratados em camadas por meio de uma lâmpada UV (ultravioleta). No vídeo abaixo este processo é demonstrado e explicado:

 

Por fim — e voltada especialmente à produção de objetos realmente pequenos — temos a micro-fabricação tridimensional em gel, que utiliza lasers focados em diferentes pontos e distâncias para tratar o material até um ponto em que ele se torne sólido. Todo o restante que não foi focado é simplesmente lavado ao fim do procedimento, se desprendendo da peça. Componentes com tamanhos inferiores a 100 nanômetros são facilmente produzidos. Outro exemplo, novamente, são as peças interligadas com partes móveis.

Fica claro que cada uma delas possui suas próprias vantagens e problemas, cabendo a quem compra o equipamento definir as prioridades e necessidades, dentre questões como: custo dos materiais de impressão, maleabilidade, velocidade de impressão, capacidades (para um usuário ou vários compartilhados), qualidade e resolução (para impressão detalhada) e necessidade de cores.

Para explicarmos melhor como funciona a parte computacional por trás desse tipo de impressão, vamos falar um pouco sobre o SolidWorks, um programa de computador em que você cria o objeto em três dimensões desejado.

SolidWorks

SolidWorks é um projeto de modelagem de sólidos do tipo CAD (design assistida por computador) e CAE (engenharia auxiliada por computador). Tal programa baseia-se em computação paramétrica, criando formas tridimensionais a partir de formas geométricas elementares (como triângulos). Em resumo: Utiliza uma abordagem paramétrica baseada em recursos para criar modelos e montagens.

Explicação detalhada

Os parâmetros referem-se a restrições cujos valores determinam a forma ou geometria do modelo ou montagem. Estes podem ser parâmetros numéricos, tais como comprimentos de linha, ou parâmetros geométricos, como paralelo, horizontal, etc. Parâmetros numéricos podem ser associados uns aos outros através do uso de relações, o que lhes permite capturar a intenção do projeto.

A intenção do design é como o criador da peça quer que ele responda às mudanças e atualizações. Você pode querer, por exemplo, que o buraco na tampa de uma lata de bebida fique na superfície superior, independentemente da altura ou do tamanho da lata. O SolidWorks permite que o usuário especifique que o buraco é um recurso na superfície superior, de modo que fará sua intenção de design não importando a altura da peça.

Os recursos referem-se aos blocos de construção da peça e, as formas e operações, à construção da peça. Os recursos baseados em forma geralmente começam com um esboço 2D ou 3D de formas, como furos, espaços, etc. Esta forma é então extrudida ou cortada para adicionar ou remover material da peça. Os recursos baseados em operação não são baseados no esboço e incluem recursos como aplicação de rascunho nas faces de uma peça, etc.

Construir um modelo no SolidWorks geralmente começa com um esboço 2D. O esboço consiste em pontos e linhas. As dimensões são adicionadas ao esboço para definir o tamanho e a localização da geometria. As relações são usadas para definir atributos como tangência e paralelismo. A natureza paramétrica do SolidWorks significa que as dimensões e relações direcionam a geometria, e não o inverso.

Em uma montagem, as relações entre esboços são análogas a parceiros. Assim como as relações de esboço definem condições tais como paralelismo e concentricidade em relação à geometria do esboço, os parceiros de montagem definem  relações equivalentes com relação às partes individuais ou componentes, permitindo a fácil construção de conjuntos. O SolidWorks também inclui recursos de acoplamento avançados adicionais, como acoplamentos de engrenagem e seguidores de cames, que permitem que montagens de engrenagens modeladas reproduzam com precisão o movimento de rotação de um trem de engrenagem real.

Finalmente, os desenhos podem ser criados a partir de peças ou montagens. As visualizações são geradas automaticamente a partir do modelo sólido e as notas, as dimensões e as tolerâncias podem ser facilmente adicionadas ao desenho conforme necessário.

Processo de criação

Existem 5 passos base para preparar um arquivo para fabricação digital:

  • Modelar
  • Exportar
  • Validar
  • Converter em Instruções de Fabricação (G -Code)
  • Fabricar

Modelar

Para modelar os seus designs, existem dois princípios básicos: Modelação de Sólidos (Solid Modelling) e Modelação de Superfícies (Surface Modelling).

Na Modelação de Sólidos, como o nome indica, os objetos modelados são preenchidos por dentro. Um modelo virtual sólido permite cálculos e simulações (como peso do objeto, condutividade térmica, etc). A Modelação de Sólidos costuma ter menos erros na hora de imprimir em 3D.

Na Modelação de Superfícies, aquilo que modelamos são as “paredes” do modelo. Todos os modelos são vazios por dentro. Como modelos de superfície, é preciso algum cuidado para não deixar “buracos” nas superfícies. Se deixar um buraco na superfície, o computador não sabe o que é o interior ou exterior do objeto e não consegue interpretar o modelo para imprimir, por exemplo.

Exportar

Independentemente do tipo de modelação que utilizar, no final deve ter um arquivo compatível para Fabricação Digital, o que muitas vezes é um arquivo .STL. Um arquivo .STL é uma representação pura da geometria de um objeto. Não tem informação sobre cor, material, textura ou massa. Outros processos de Fabricação Digital como o Corte a Laser ou a usinagem CNC utilizam tipos de arquivo mais completos. Os arquivos .STL são os mais utilizados para impressão 3D.

Validar

Nesta altura, o fabricante deve validar o arquivo (verificar se não tem erros ou geometria ambígua) e definir a escala e orientação da peça. Estes passos permitem fazer um melhor aproveitamento do volume de trabalho da máquina.

Converter em Instruções de Fabricação (G -Code)

Com um arquivo de instrução de Fabricação, a impressora 3D pode determinar o conjunto de passos que deve executar para produzir o design. Para isso, é necessário que o criador rode um software de tradução que transforma o arquivo .STL (ou outro) num programa de fabricação. Este programa, por norma está escrito em G code, o standard para controle de máquinas CNC. O resultado deste programa é algo como:

“ 1 – mover cabeça de extrusão 50 mm no eixo X e 60 mm no eixo Y 2 – depositar plástico 3 – mover plataforma de construção 1mm no eixo Z 4 – etc “ 

Este programa, específico por peça, indica à máquina quando e quanto deve mover as suas partes de construção (ex: extrusores de material, brocas de fresagem, lâminas, lasers, etc). Para gerar o G-code você pode usar um desses softwares que são gratuitos: Slic3r, Skeinforge, Rep RapHos Software ou Superskein.

Imprimindo em 3D

Agora é hora de enviar o G-code para sua impressora 3D e observá-la produzir o seu design. No final, quando a peça está pronta, é só retirar, remover possíveis estruturas de suporte (depende se o seu modelo necessita e se a máquina as cria) e limpar o modelo.
Está interessado em aprender mais sobre o SolidWorks? Este vídeo possui um tutorial interessante para iniciantes.

Aplicabilidades da Impressão em 3D

As impressoras 3D fazem cada vez mais sucesso e já provaram do que são capazes. Elas podem criar desde objetos mais complexos até os mais simples, de maneira eficiente e, muitas vezes, mais barata.

Fones

Um dos objetos que as impressoras 3D são capazes de fazer são fones de ouvido feitos especialmente para se adaptar ao formato do ouvido do usuário. É o caso do Normal, no qual você baixa um aplicativo, tira uma foto das orelhas e manda para a empresa que irá fabricá-lo, e do OwnPhones, que ainda é wireless e funciona via Bluetooth.

Além dos fones de ouvido, também foi produzido com a tecnologia um megafone pela empresa Fuji Xerox. A novidade do acessório, chamado Telephoto MegaFon, é que ele direciona o som para somente uma pessoa, fazendo com que ela seja a única a escutar a mensagem que será encaminhada.

Comida

Além de objetos, as impressoras 3D também permitem fabricar comida, de vários tipos. Você pode escolher entre o modelo criado no MIT que faz sorvete em 15 minutos, a impressora inglesa que imprime frutas graças à tecnologia de gastronomia molecular e a Pancake Bot, que faz comida em formatos inusitados, como da Torre Eiffel.

Para os chocólatras de plantão, tem uma impressora feita especialmente pensada em vocês, a Chocabyte. O modelo, compacto e baratinho, tem formato de cafeteira e é capaz de produzir os chocolates mais variados, basta escolher o modelo que você preferir, com tamanho de 5 centímetros de largura e altura, por 2,5 centímetros de espessura.

Veículos

Não somente objetos pequenos e compactos podem ser criados pelas impressoras 3D. Depois da Airbike, a bicicleta feita de nylon, chegou a vez de criar nada mais, nada menos que um carro usando a tecnologia. O veículo foi apresentado na mostra internacional Manufactoring Technology Show, em setembro de 2014, e teve seu test drive feito por jornalistas americanos nas ruas de Nova York. O mais inusitado é que o carro pode ser derretido para dar forma a um novo.

Impressora 3D e suas proprias pecas impressas. Fonte: 3D Printer.

Casas

Se você ficou surpreso com o item anterior, certamente ficará com este também. Impressoras 3D foram capazes de fabricar casa, prédio e até castelo. Isso mesmo. Depois do projeto de construção de um prédio totalmente a partir desta tecnologia, e da produção de casas impressas em 3D com lama com o objetivo de ser uma solução mais acessível, chegou a vez dos castelos.


Projetado pelo americano Andrey Rudenko, o castelo foi criado com as dimensões de uma casa para crianças. Ele foi fabricado na impressora RepRep, que é um projeto de código aberto bastante popular entre os entusiastas da técnica em 3D. O dispositivo imprimiu camadas de concreto de 1 centímetro de altura por 3 centímetros de largura e seu acabamento é melhor do que o de outras impressoras 3D de concreto.

Roupas e acessórios

Os guarda-roupas agora também podem se beneficiar das impressões em 3D, já que a tecnologia chegou ao mundo da moda, produzindo roupas e acessórios. É o caso do vestido inteligente criado pela designer Anouk Wipprecht, que capta sinapses cerebrais do usuário para reunir suas informações biológicas e batimentos cardíacos, além de detectar a presença de pessoas próximas.

Ainda, durante a Copa da Mundo de 2014, a Nike entrou na onda das impressões tridimensionais e fabricou uma bolsa com a tecnologia. Os modelos foram fabricados exclusivamente para os atletas da competição. Além de bolsa e vestido, tem também peruca com cabelos realistas, criadas pela Disney para serem usadas em esculturas.

Instrumentos Musicais

As impressões tridimensionais já começaram a invadir o mundo da música, como, por exemplo, a guitarra brasileira com estrutura totalmente criada através de impressoras 3D. O modelo da Robtec foi apresentado em 2014 no 11º Seminário de Tecnologias, em São Paulo. Ainda, um grupo de estudantes da Universidade de Lund, na Suécia, se tornou a primeira banda a fazer um show a partir de instrumentos inteiramente fabricados a partir de impressoras 3D.

O professor Olaf Diegel foi a primeira pessoa de que se tem notícia a produzir um instrumento em uma impressora tridimensional, um saxofone, há mais de dois anos. A apresentação da banda contou com duas guitarras elétricas, uma bateria e um teclado, todos desenhados por Diegel e produzidos através de impressora 3D.

Ferramentas

Diversos tipos de ferramentas também podem ser fabricados por meio de impressão tridimensional. Isso pode ser feito, por exemplo, com a Mcor IRIS, capaz de criar martelo e peças de protótipos, além de brinquedos e maquetes, a partir de cola e papel. Além de ser mais barato do que os modelos criados com plásticos, essa alternativa ainda é menos prejudicial ao meio ambiente.

Outro tipo de ferramenta que pode ser criada através da tecnologia são peças de aço, o que promete revolucionar a indústria da construção civil. Se no primeiro exemplo destacamos o custo mais baixo, nesse caso é o inverso, pois a produção ainda sai bem cara, tornando um pouco mais difícil a disseminação do modelo.

Tatuagem

Além de produzir objetos, as impressoras 3D ainda são capazes de exercer a função de alguns profissionais, como, por exemplo, a impressora tatuadora. A Tatoué, criada a partir da união de uma Makerbot 3D com uma agulha de tatuagem, é capaz de tatuar a pele ao ritmo de 150 perfurações por segundo.

O TechTudo conversou por e-mail com os desenvolvedores, os estudantes de design Pierre Emm, Piotr Widelka e Johan da Silveira, que afirmaram que continuam trabalhando nas questões sobre pressão da pele, velocidade da impressão 3D, escaneamento do braço e reconhecimento de profundidade, por exemplo.

 

Avanços na medicina

Uma das utilidades mais significativas dos objetos impressos em 3D, senão a melhor delas, é poder ajudar na medicina. Cada vez mais, a tecnologia é capaz de produzir objetos que ajudem em pesquisas ou no tratamento ou recuperação de pacientes com os mais diversos tipos de doença. Já foram criadas, por exemplo, mandíbula humana e mapas impressos em 3D para ajudar deficientes visuais.

 

No entanto, o mais comum são as próteses, das mais diversas. Desde a prótese de braço para um menino que nasceu sem o braço direito, 114 vezes mais barata do que a oferecida por seus médicos, até a prótese de vértebra. Ainda, cientistas conseguiram criar cartilagem a partir de impressora 3D, além do exoesqueleto que foi capaz de ajudar uma mulher paralisada a andar.

                                  Impressora 3D e suas proprias pecas impressas. Fonte: 3D Printer.

Impressora 3D

Depois de carros, próteses, castelos e chocolate, o que mais falta uma impressora 3D criar? Outra impressora 3D. Não falta mais. Já existem modelos capazes de criarem uma réplica de si mesmos.

 

Tópicos para Pesquisa

Gostou do conteúdo? Nós do EI separamos alguns tópicos de pesquisa para que você continue pesquisando e aprendendo:

Fontes