Especificando a impressão 3D para uma aplicação industrial

Esse artigo tem por objetivo esclarecer os desafios que a indústria e suas aplicações colocam para a manufatura aditiva. Ele soma a quem já trabalha ou não com essa tecnologia. 

Seja sua intenção explorar o mercado industrial como fornecedor ou, como comprador, quer entender o que é “custo x beneficio” nesse processo de fabricação, esse e-book é para você.

Por Mario S. Carneiro, CEO e Fundador da Materializa Tecnologia

Quando a Manufatura Aditiva?

A industria sempre teve por base a produção em massa. As quantidades de produtos às centenas ou milhares por mês exigiram dos processos de fabricação repetibilidade e eficiencia. Para exemplificar alguns desses processsos são:

• Injeção de Plasticos
• Estampagem
• Forjamento
• Corte e Dobra
• Injeção de aluminio
• Entre outros

Então porque não a manufatura aditiva nessa lista?

Sim, a diferença da Impressão 3D ou manufatura aditiva para essa lista está na capacidade de produzir altos volumes. Ainda hoje, mas não por muito tempo, a impressão 3D utiliza como unidade de produção “horas por peça” e não “peças por hora”. Por outro lado, os processos atuais de volume restringem liberdade de criação e por consequencia a personalização em massa. É aí que a manufatura aditiva entra.

Não só do ponto de vista técnicos mas também do economico podemos diferencias as aplicações mais adequadas à manufatura aditiva ou aos processos de volume.

No exemplo generico ilustrado acima, compara-se a Injeção de Plasticos com a Manufatura Aditiva para um mesmo componente. Observa-se que na hipotese de produzir até 800 peças por ano, ambos os processos produzem ao mesmo custo. Acima desse volume, a injeção de plástico é então vantajosa sobre a impressão 3D. Em resumo, na injeção de plástico você precisa investir em um Molde caro para produzir, portanto, precisa de volume para amortizar esse investimento. Já na manufatura aditiva, você precisa de uma impressora 3D com um investimento não tão alto assim,  mas por não render volume, é interessante que complexidade e personalização sejam demanda da aplicação do seu componente ou produto.

Requisitos de Projeto

Como em qualquer processo de desenvolvimento de um produto, o desempenho do produto na aplicação precisa ser traduzido na forma de requisitos. E portanto, derivado desses requisitos, os engenheiros na industria precisam identificar a melhor combinação entre material e processo de fabricação. Para tanto, alguns termos já são pautados na engenharia como requisitos:

• Dureza e Acabamento superficial
• Estabilidade e precisão dimensional
• Resistencia ao Impacto
• Propriedades elétricas (Condutividade, resistência a elétrica. Estática)
• Propriedades térmicas (Max. Temperatura de trabalho, condutividade térmica, capacidade térmica)
• Resistência química (ácidos, solventes, componentes orgânicos e inorgânicos…)
• Propriedades mecânica (tração, compressão, flexão, Rigidez (elasticidade), fadiga e assim por diante)

Abaixo dois exemplos de aplicação, um deles automotivo e outro na indústria médica:

Sistema de levantamento de vidro automotivo

Implante Ósseo

No exemplo do mecanismo de levantamento de vidro, existem algumas peças plásticas que exigem desempenho mecânico pelas forças envolvidas e também resistencia ao atrito, já que o cabo de aço que levanta o vidro desliza sobre esses componentes plásticos. Para tal, o material tem de possuir propriedades de autolubrificação e o acabamento superficial tem de ser adequado. Esse acabamento pode influenciar na escolha do processo de manufatura aditiva e no pós processamento.

Já no caso do implante ósseo as exigencias são quimcas pelo contato com o corpo humano (Bio-compativel) e mecânicas, já que o componente tem de desempenhar função estrutural junto aos ossos do paciente. Neste exemplo, a manufatura aditiva é a melhor escoha, pela liberdade de criação e adaptação ao corpo, que é único do paciente (personalização).

Processos e Materiais

A escolha dos processos de fabricação e dos materiais compõe grande parte do custo de fabricação por manufatura aditiva. Vamos nos aprofundar aqui para compor e justificar a especificação da impressão em 3D.

Os principais processos de Manufatura Aditiva.

A maioria das tecnologias de manufatura aditiva são nomeadas através de siglas. Vamos utilizá-las aqui, mas sem detalhar seu significado para simplificar o texto e acelerar o aprendizado do que é importante:

FFF ou FDM

Processo mais popular pelo baixo custo dos equipamentos e materiais e pela facilidade de uso e aprendizado. Consiste na fusão de um filamento plástico que empurrado (extrudado) por um pequeno furo, normalmente de 0,4 mm de diâmetro. Esse filamento fundido é então usado para desenhar uma camada da peça sobre uma mesa. As camadas são então depositadas (adicionadas) uma sobre a outra até produzir a peça final.

O processo FFF ou FDM possui diversos materiais diferentes disponíveis no mercado e consegue se adequar a aplicações nos diferentes mercados sendo, óleo e gás, industrial, médico entre outros.

Como demérito, essa tecnologia alcança menor precisão dimensional e acabamento superficial. Peças com detalhes muito pequenos (menor que 0,4mm) podem não ser reproduzidos nesse processo.

SLA ou DLP

Nesta tecnologia, os materiais vêm em forma de uma resina liquida fotossensível e os equipamentos desenham camada sobre camada no fundo transparente de um reservatório de resina, utilizando um laser. Uma mesa vai erguendo a peça camada a camada de dentro do reservatório de resina até que todas as camadas tenham sido desenhadas.

Sua principal vantagem é a precisão dimensional e acabamento superficial impecáveis, reproduzindo

as peças no mínimo detalhe. Essa tecnologia também possui ampla variedade de materiais com características adequadas para cada aplicação.

Seus deméritos são o manuseio do líquido (luvas), o pós processamento onde a peça produzida deve ser colocada em uma câmara com luz UV para cura total da resina e o preço mais elevado para as mesmas dimensões, quando comparadas a uma impressora FDM.

SLS, SLM ou DMLS

Aqui a maioria dos processos também utilizam o laser para desenhar as camadas, no entanto, diferente da resina liquida nos equipamentos SLA, o material vem na forma de pó. Dessa forma, a concentração de energia do laser permite a fusão do pó camada a camada, até que a peça esteja completa. Após o término da construção, o reservatório de pó é retirado, o pó não fundido é separado e o que resta é então a peça construída.

Em uma variedade menor de materiais a resina termoplástica é normalmente a Poliamida (PA). Esse mesmo processo permite a fabricação de peças em metal, fundindo seu pó camada a camada. São máquinas diferentes para polímeros ou metal, já que a potência necessária para a fusão muda e alguns metais em pó podem ser explosivos.

Das três tecnologias apresentadas até agora, a SLS (SLM ou SMLS) são as mais caras no que tange aos equipamentos, materiais e infraestrutura para instalação. Além disso o manuseio do pó exige cuidados.

No entanto, uma das grandes vantagens é a qualidade superficial, a precisão dimensional e o comportamento estrutural isotrópico…. calma eu explico…. quer dizer que a peça resiste a esforços mecânicos igualmente em qualquer direção (X, Y ou Z), diferente dos outros processos, onde a resistência em XY é diferente de Z, direção em que as camadas são depositadas, uma sobre a outra.

Os Materiais

Os Materiais direcionam os processos de fabricação e vice e versa. Cada um deles tem suas características de processamento e se comportam de maneira diferente na aplicação. Por exemplo, alguns são mais resistentes ao impacto, no entanto não resistem a determinados elementos químicos (ácidos, bases, óleos). Outros já são biocompatíveis mas não possuem resistência a temperatura suficiente para, por exemplo, suportar uma esterilização (temperatura em torno de 150ºC).

Nesse e-book vamos nos concentrar nos polímeros, em especial para os processos FDM. Nenhum preconceito quanto aos outros processos ou materiais metálicos, apenas concentrando informação nos mais comumente encontrados.

Polímeros

São materiais peculiares com longas moléculas. Quando fundidos essas moléculas se desorganizam. Quando a temperatura fica mais baixa e esses materiais se solidificam, alguns organizam mais suas moléculas e outros menos. Os que mais se organizam são os materiais semi cristalinos e os que menos se organizam, os chamados polímeros amorfos. Na figura acima os diferentes polímeros estão classificados nas duas categorias, esquerda e direita da pirâmide.

Ainda na figura acima, a classificação na altura indica as características dos materiais nas diferentes aplicações. Quanto mais alto na pirâmide, melhores as propriedades físicas e químicas do material.

Na impressão 3D de consumo, o volume está todo concentrado nos materiais classificados como Commodity. Em aplicações de maior responsabilidade, subimos na pirâmide e vamos classificando, na sequência, como materiais de engenharia, especiais ou de ultra alto desempenho.

Proporcionalmente, subir na pirâmide significa aumentar o custo do material, a responsabilidade da aplicação em que esse material será utilizado, as características técnicas do equipamento em que o material será processado e o cuidado na configuração do processo de fabricação.

É desejável sempre conhecer a procedência do material que será utilizado e consultar sua ficha técnica antes da aquisição. As fichas técnicas indicam, dentro das normas, as características de cada material e, portanto, você será capaz de dizer se aquele material atenderá a aplicação ou não.

Na figura abaixo segue exemplos de dados encontrados em uma ficha técnica:

Para tentar sintetizar o processo de escolha, a Materializa preparou em seu Website uma lista de materiais de engenharia com todas as informações necessárias de cada material. Você também encontrará a tabela abaixo comparando os materiais com as exigencias das diferentes aplicações:

As configurações de processo na tecnologia FFF

Existem diversas decisões ao configurar a impressão na tecnologia FFF que impactam custo e características finais de desempenho e qualidade da peça. Não só na física, mas também na impressão 3D, “nada se cria, tudo se transforma”.

Em outras palavras toda decisão em relação aos parâmetros de processo representam uma troca. Muitas vezes para aumentar a resistência mecânica, o peso da peça também se elevará e por consequência seu custo. Outro exemplo é o tempo de fabricação, reduzi-lo pode vir associado a um acabamento superficial inferior.

Vamos considerar 3 parâmetros principais  e descreve-los um pouco:

Espessura da Camada

A espessura da camada determina o acabamento superfial e muito da velocidade com que a peça será impressa. Se sua peça tem 10 mm de altura e você escolhe 0,1mm para a espessura de camada, você precisará empilhar 100 camadas para chegar ao fim. Se nessa mesma situação, você escolher a espessura de 0,2mm, você concluirá sua peça em 50 camadas, ou seja, metade do tempo anterior.

No entanto como estamos falando do filamento em formato cilindrico e seu empilhamento, maiores alturas de camada resultarão em uma rugosidade superficial maior. 

Vale reforçar que tempo é dinheiro e a velocidade de impressão determina o quanto o custo da sua máquina impacta no preço final.

Número de cascas na parede

A figura acima representa um corte superior de uma peça cilindrica. É possível verificar que a espessura da parede aumenta da esquerda para a direira. A parede é composta de uma casca no lado esquerdo, de 2 cascas no centro e de 3 cascas no lado direito. Quanto maior a espessura da parede maior a resistencia mecanica, no entando, maior o peso e o tempo de impressão.

Percentual (%) de Preenchimento

O terceiro parâmetro é o quão “oca” será sua peça. Sim, esse é também um parâmetro de processo e o software que se comunica com a máquina é que se encarrega de desenhar esse interior. Você escohe qual o percentual do volume interno será ocupado.

Quanto mais material, maior a resistência de sua peça, mas também, maior o tempo para ela ficar pronta e seu peso final, por consequência, seu custo de fabricação. Para alguns materiais, esse parâmetro também influencia na establidade dimensional durante a impressão. Muitas vezes é imprescindível ter uma peça mais estruturada para conseguir fazê-la impressa.

Cotando uma peça na prática

A Materializa condensou esse conhecimento em uma ferramenta que guia o comprador ou contratante de uma impressão 3D no fornecimento de informações e na realização de escolhas, baseadas na aplicação da peça. 

Com as informações em mãos, rapidamente sugerimos o melhor material, calculamos o peso final da peça e o tempo que levará para fabricá-la e fornecemos em um curso espaço de tempo uma cotação.

Vamos lá:

No site da Materializa vá no menu da página principal em Serviços -> Impressão ou se preferir no banner de manufatura aditiva e cliente em “Solicita Orçamento”

Você chegará na pagina ilustrada abaixo, começando do primeiro passo. Seus dados são necessários para nossa comunicação e para calculo do frete, porque normalmente enviamos a peça impressa pelo correio.

Embaixo da tela, em todos os passos, o site vai completando as informações que você passou no campo “RESUMO DA SUA SOLICITAÇÃO”.

Continuando para o PASSO 1 você deverá pressionar o botão AZUL para subir (UPLOAD) o modelo 3D da sua peça. Abaixo do botão estão especificados os varios formatos válidos. Talvez você pergunte… “Mas preciso ter o modelo 3d para orçar uma impressão? “. A resposta será, não necessariamente, mas nesse caso o trabalho terá uma etapa a mais, o modelamento. Se esse for o seu caso, entre em contato por telefone ou email contato@materializa.com.br que vamos lhe ajudar.

Seguimos para mais uma etapa. No passo 3 abaixo você deve selecionar qual o tipo da sua aplicação. Ela pode ser de “Engenharia” ou de “Forma”. Ao passar o mouse sobre a figura você terá acesso ao significado de cada opção. Vamos escolher a opção “Engenharia.” Assim que o fizer aparecerão 4 requisitos de projeto para você elencar, por ordem de prioridade. Na figura arrastamos as barrinhas considerando:

– O mais importante, resistencia a temperatura

– o segundo requisito mais importante, resistencia ao impacto

– o terceiro requisito mais importante, resistencia mecanica (tração, compressão, flexão)

– e por ultimo e menos importante, a estabilidade dimensional.

Essas informações dão à Materializa condições de lhe orientar o melhor material para sua aplicação, já que, como falamos anteriormente, sempre existirá uma troca na “escolha” ou “trade-off”no inglês.

De fato, o  material a ser utilizado está nas mãos do usuario do site. No PASSO 4 abaixo, você verá os varios materiais disponíveis e um botão para direcioná-lo a todas as informações de todos eles. Isso lhe dará autonomia  segurança para fazer a melhor escolha.  Mas fique tranquilo, como no passo anterior você já nos deu informações sobre sua aplicação, se necessário, vamos questionar sua escolha antes de fazer seu orçamento.

Além do material você deverá especificar a cor e a quantidade de peças. Ainda, se o botão “avançado” estiver ativado você poderá fazer a escolha da altura de camada, da espessura da parede da peça (numero de cascas) e do percentual de preenchimento, conforme explicamos no item anterior de E-book. Se precisar, recorde o assunto no item “As configurações de processo na tecnologia FFF”.

E então chegamos ao final…o PASSO 5. Aqui você poderá escrever informações adicionais, confirmar as informações que passou nos passos anteriores e então “solicitar orçamento”. Marquei na figura abaixou em vermelhor todo o resumos das informações. Em 24 horas, você recebe seu orçamento ou um contato da empresa para esclarecer qualquer duvida ou detalhe.

Conclusões

Na aplicação indústrial, as maiores exigencias demandam cuidado e responsabilidade nas escolhas. É fato que não necessariamente a combinação da melhor máquina, do melhor material, do melhor software ou do melhor processo será a melhor solução para seu problema. A melhor seleção de futebol não é necessariamente a composição dos melhores talentos individuais. Na manufatura aditiva ocorre o mesmo.

Por fim, a tecnologia de manufatura aditiva ainda é muito pouco explorada no Brasil, principalmente pela indústria. O monopolio e as patentes mantiveram os preços de acesso muito restritos à realidade Brasileira. Com a queda de patentes no mundo, esse cenário vem mudando. No segmento de consumo, a manufatura aditiva, conhecida como impressão 3d, é a mais popular, onde preço baixo e volume são os guias.

Já na indústria, a falta de conhecimento e envolvimento no assunto e a ausencia da propagação desse conhecimento por poucas empresas especializadas, tornam o mercado incipiente e carente.

A Materializa trabalha duro para somar na mudança desse cenário. Nesse E-book procuramos uma linguagem simples e objetiva com o minimo de informação para a roda girar…

Nosso empurrão está dado. Vem conosco empurrar também !?