Tendências no desenvolvimento de impressão 3D
(1) Aspecto dos dados
A tecnologia de impressão 3D é um processo de fabricação digital, com tendências de desenvolvimento de dados refletidas em duas áreas:
Em primeiro lugar, a evolução dos métodos de estratificação. As primeiras técnicas de estratificação digital e o planejamento de caminho determinam diretamente a eficiência e a precisão da estratificação física subsequente.
Atualmente, a impressão 3D emprega principalmente o fatiamento plano simples, mas universidades como a Universidade de Dayton e a Universidade de Stanford conduziram pesquisas sobre processamento de dados com foco em métodos de camadas, tentando fazer a transição do corte plano bidimensional tradicional para o corte de superfície curva conformada.
Na China, este plano de pesquisa foi incluído nos “Principais Projetos Especiais sobre Fabricação Aditiva e Fabricação a Laser” do Ministério da Ciência e Tecnologia em 2018.
Em segundo lugar, a diversificação das fontes de dados. Os modelos 3D para impressão podem ser obtidos por meio de modelagem 3D ou métodos de engenharia reversa, utilizando até mesmo dados de tomografias computadorizadas e câmeras digitais para reconstrução de modelos, cada vez mais utilizados na impressão 3D. No entanto, há alguma distorção de dados e mais pesquisas são necessárias.
(2) Aspecto Material
O avanço da impressão 3D está cada vez mais dependente do desenvolvimento de materiais, com duas tendências importantes:
Em primeiro lugar, materiais de engenharia de tecidos. Com base em biomateriais vasculares e carregados de células, a construção de tecidos e órgãos vivos é a direção mais crucial para o desenvolvimento de materiais em impressão 3D e o campo de aplicação mais esperado.
Em segundo lugar, materiais funcionais especiais. Materiais com propriedades elétricas e magnéticas específicas, como supercondutores e meios de armazenamento magnético, bem como materiais funcionais gradientes, também são foco de pesquisa e desenvolvimento de materiais em impressão 3D e representam aplicações de ponta no campo industrial.
(3) Aspecto Estrutural
A estrutura mecânica das impressoras 3D também é essencial, determinando a precisão, a eficiência e o alcance das aplicações, com duas importantes tendências de desenvolvimento:
Em primeiro lugar, o upsizing. A limitação no tamanho da impressão sempre foi um ponto fraco dos equipamentos de impressão 3D.
Aumentar o tamanho da estrutura mecânica das impressoras 3D, mantendo a precisão, pode aumentar a capacidade geral de fabricação, evitar a segmentação do modelo para melhorar a eficiência da impressão e expandir significativamente o campo de aplicação. Uma análise das linhas de produtos das principais empresas nos últimos anos revela uma tendência para tamanhos de produção maiores.
Investigações mais aprofundadas mostram que o tamanho máximo de impressão de vários tipos de impressoras 3D destas empresas está restrito a 1 metro. Algumas empresas na China estão a tentar desenvolver impressoras em grande escala e já obtiveram respostas favoráveis do mercado.
Em segundo lugar, integração com métodos tradicionais de produção. Isso inclui a integração eficaz e profunda com métodos tradicionais, como moldagem, fundição, forjamento e usinagem eletroquímica de precisão.
Os “Principais Projetos Especiais sobre Fabricação Aditiva e Fabricação a Laser” do Ministério da Ciência e Tecnologia em 2018 incluíram esses projetos de pesquisa, com o objetivo de promover o desenvolvimento capacitador da impressão 3D na indústria de manufatura tradicional e expandir as aplicações da própria impressão 3D.
(4) Modelos de Fabricação
Em primeiro lugar, o surgimento de modelos de “fabricação distribuída”. À medida que a impressão 3D se torna mais económica e tecnologicamente acessível, tende para uma adoção generalizada, com potencial para que todos os agregados familiares possuam e utilizem uma impressora 3D, tornando-a uma ferramenta e plataforma para inovação social, crowdfunding e crowdsourcing. Isto está a conduzir a uma nova forma de comportamento social e ao advento da “fabricação distribuída”.
Em essência, a produção distribuída reimagina todo o processo de produção, alterando profundamente a cadeia de oferta e procura, incluindo os padrões de consumo.
Em segundo lugar, está a emergir uma filosofia de design “que coloca a função em primeiro lugar”. A fabricação tradicional, limitada pela complexidade das peças, exigia que os projetistas considerassem a viabilidade e o custo. No entanto, o design de impressão 3D pode ignorar a complexidade do produto e concentrar-se apenas nas funções necessárias, levando à criação de produtos industriais anteriormente inimagináveis.
À medida que se acumulam, revolucionarão a produção, especialmente de componentes complexos e precisos em indústrias como a aeroespacial, a construção naval e a automóvel.
A filosofia de design “função em primeiro lugar” para impressão 3D expande as possibilidades criativas e inovadoras para designers de produtos, livres de processos tradicionais e recursos de fabricação, e busca a criação ilimitada sob o paradigma de que “design é igual a produção” e “design é igual a produto”.
Portanto, projetos estruturais ideais podem ser empregados sem preocupação com problemas de usinagem, resolvendo desafios de fabricação de componentes sofisticados, complexos e de precisão. Devido à alta integração do design digital, fabricação e análise na impressão 3D, esta filosofia também encurta significativamente o ciclo de desenvolvimento de novos produtos e reduz os custos de P&D, permitindo “design hoje, produto amanhã”.
Em terceiro lugar, a “fabricação micro e nano” é fortemente promovida. À medida que as aplicações de impressão 3D se estendem da fabricação macro à micro e nano, esta forma de fabricação desempenhará um papel significativo. Atualmente, os processos microeletrônicos utilizados na fabricação de sensores exigem a produção de moldes e processamento de wafers, o que significa um investimento de bilhões, senão dezenas de bilhões, de dólares para uma linha de produção.
Para sensores personalizados com apenas algumas centenas de unidades necessárias, um investimento inicial tão grande torna inviável a produção em pequena escala. A impressão 3D pode atender plenamente às demandas dessa micro e nano fabricação. Pesquisadores da Western University, no Canadá, desenvolveram um dispositivo implantável que monitora as condições cardíacas dos pacientes, feito com tecnologia de impressão 3D.
Este sistema implantável sem fio integra um sensor de pressão arterial e um monitor de pressão cardiovascular (incluindo um stent), com volume de apenas 2.475 cm³ e peso ligeiramente superior a 4 gramas.
(5) Auto-Evolução
No futuro, a impressão 3D evoluirá para impressão 4D e 5D. Baseados na impressão 3D, esses métodos consideram as mudanças ao longo do tempo, permitindo que os modelos alterem gradualmente a forma e a função, levando ao que é conhecido como impressão 4D e 5D.
Em primeiro lugar, a impressão 4D permite que os modelos impressos mudem de forma ao longo do tempo. Normalmente, o modelo pode ser plano quando impresso, mas irá deformar-se gradualmente sob a influência da temperatura, campos magnéticos e outros fatores ambientais. As vantagens incluem a simplificação do processo de impressão 3D e a integração fácil dos modelos impressos nos dispositivos.
Em segundo lugar, a impressão 5D permite que os modelos mudem tanto a função como a forma ao longo do tempo após serem impressos. Experimentos com ossos impressos em 5D já tiveram sucesso em animais. Se esta tecnologia amadurecer e se generalizar, o seu impacto social será muito maior do que o da produção inteligente, da impressão 3D ou da impressão 4D.
(6) Perspectivas de aplicação
É evidente que a impressão 3D tem maior potencial para aplicações totalmente personalizadas ou produzidas em pequenos lotes.
Primeiro, o campo da biomedicina é um excelente exemplo de aplicações personalizadas. Em 2016, a Orientação sobre a Promoção do Desenvolvimento Saudável da Indústria Farmacêutica emitida pela Secretaria Geral do Conselho de Estado destacou a necessidade de promover a aplicação de tecnologias de bioimpressão e chips de dados em produtos implantáveis.
O “13º Plano Quinquenal” para o Desenvolvimento Estratégico Nacional das Indústrias Emergentes, divulgado pelo Conselho de Estado, destacou o uso da manufatura aditiva (impressão 3D) e outras novas tecnologias para acelerar a inovação e a industrialização na reparação de tecidos e órgãos, bem como na medicina implantável. dispositivos.
Em 9 de fevereiro de 2021, o Ministério da Indústria e Tecnologia da Informação emitiu uma minuta do Plano de Desenvolvimento da Indústria de Equipamentos Médicos (2021-2025), que incentiva o desenvolvimento de novos produtos “Impressão 3D + Saúde Médica”. Defende o avanço da personalização personalizada em dispositivos médicos, equipamentos de reabilitação, implantes e reparo de tecidos moles e enfatiza a aplicação da tecnologia de impressão 3D em diversos setores.
O plano também prevê a aplicação de materiais avançados e tecnologias de impressão 3D para melhorar a biocompatibilidade e as propriedades mecânicas de produtos como stents vasculares, implantes ortopédicos e implantes dentários.
Apoia a colaboração intersetorial, integrando equipamentos médicos tradicionais com novas tecnologias como 5G, inteligência artificial, internet industrial, computação em nuvem e impressão 3D para promover o desenvolvimento de equipamentos médicos inteligentes originais e promover serviços médicos e de saúde inteligentes em nuvem.
Isto mostra que, do ponto de vista da política nacional, “Impressão 3D + Medicina” é um tema de investigação importante nos últimos anos, recebendo atenção e apoio significativos e demonstrando imenso potencial de desenvolvimento. Reflete também o compromisso da China com a saúde e o bem-estar do seu povo.
Em segundo lugar, a indústria aeroespacial representa a produção de pequenos lotes. Os componentes aeroespaciais são normalmente produzidos em quantidades menores do que os produtos comerciais e tendem a ter estruturas complexas feitas de ligas caras, de alta resistência e difíceis de processar.
Claramente, a impressão 3D está prestes a ter um impacto considerável neste sector. Tanto a nível nacional como internacional, existem grandes expectativas para a impressão 3D nestes dois campos, como claramente demonstrado no plano de investigação “Principais Projectos Especiais sobre Fabrico Aditivo e Fabrico a Laser” implementado durante o período do “13º Plano Quinquenal”.
(7) Ciência Fundamental
Claramente, com base nos princípios básicos da fabricação aditiva, a pesquisa teórica fundamental continua a impulsionar o desenvolvimento da tecnologia de impressão 3D. As cinco áreas científicas seguintes estão gradualmente a atrair a atenção generalizada de académicos, tanto a nível nacional como internacional.
O primeiro é o estudo da forte solidificação sem equilíbrio na conformação de metais. O tempo de interação entre o material e a fonte de energia é extremamente curto durante o processo de impressão 3D, levando a ciclos instantâneos de fusão-solidificação.
Para materiais metálicos, tais mecanismos de solidificação fora de equilíbrio não podem ser totalmente explicados pelas teorias tradicionais de solidificação em equilíbrio, portanto, estabelecer uma teoria de solidificação metálica sob fortes condições de não equilíbrio é uma questão científica importante a ser abordada no campo da impressão 3D.
Em segundo lugar está o desenvolvimento de novos mecanismos para impressão 3D sob condições extremas. À medida que a necessidade urgente da humanidade de explorar o espaço exterior continua a crescer, a tecnologia de impressão 3D é cada vez mais aplicada no campo da exploração espacial.
Existe até um desejo de obter impressão 3D in-situ no espaço exterior, tornando especialmente importante o estudo dos mecanismos de impressão 3D sob condições tão extremas e a vida útil e os mecanismos de falha dos componentes nestes ambientes de serviço.
O terceiro é o mecanismo de impressão 3D de materiais e estruturas gradientes. A impressão 3D é uma tecnologia de fabricação que integra estrutura e função, permitindo mudanças contínuas de gradiente na composição do material e a combinação de múltiplas estruturas dentro do mesmo componente. A realização de tais projetos representa desafios para a mecânica dos materiais e a mecânica estrutural.
Quarto, impressão 3D personalizada de tecidos e órgãos e os princípios da regeneração funcional. Quer se trate de manter a vitalidade das entidades vivas durante o processo de fabricação ou de estudar os mecanismos para recriar as funções dos órgãos durante a sua utilização, esta investigação ainda está na sua infância e requer os esforços colectivos de especialistas e académicos em múltiplas disciplinas e campos.
Quinto, os mecanismos de controle de impressão 3D integrada de forma e propriedade. A impressão 3D está em transição da fabricação controlada por formas para a fabricação integrada com formas e propriedades controladas. Por exemplo, na impressão de peças metálicas, não só a forma das peças pode ser impressa, mas as estruturas internas complexas podem ser controladas com alta precisão e resistência, aproximando-se ou excedendo as peças forjadas.
No futuro, as lâminas de impressão para motores de aeronaves poderão levar à formação de cristais colunares, que são empilhados em uma direção predeterminada pelos projetistas, resultando em um produto final com desempenho geral superior em comparação ao forjamento.
Em resumo, o futuro papel da impressão 3D deverá sofrer mudanças significativas, evoluindo de uma forma suplementar na produção para uma espinha dorsal da produção inteligente. Ele redefinirá os processos de fabricação, levando os profissionais a reavaliar as práticas existentes na área com uma mentalidade de impressão 3D.
Embora o volume de peças produzidas pela impressão 3D possa não corresponder ao da fabricação de moldes e da usinagem CNC, o valor que ela cria pode superar em muito esses métodos tradicionais. Portanto, as tendências e perspectivas de aplicação da impressão 3D são muito promissoras.
