Compreendendo 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, empregar um agente de ligação para aderir as partículas de pó e formar camadas para formar formas é teoricamente correto. Em 20 de abril de 1993, o professor Emanuel Sachs e sua equipe do MIT obtiveram uma patente nos EUA para “Técnicas de impressão tridimensional”, conhecidas como 3DP.

A invenção foi inspirada nas impressoras jato de tinta difundidas na época, substituindo a tinta dos cartuchos por um aglutinante líquido. Ao extrudar este aglutinante sobre uma camada de pó solto com a cabeça de impressão, objetos tridimensionais poderiam ser impressos. Da mesma forma, utilizando ligantes de cores primárias e correspondência digital precisa de cores, a impressão colorida em pó foi possível, semelhante à impressão colorida a jato de tinta em papel.

Este 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, sendo os próprios dispositivos chamados de impressoras 3D.

Em 2012, a Sociedade Americana de Testes e Materiais (ASTM) definiu este processo de impressão 3D como “Binder Jetting” em seu padrão de terminologia de fabricação aditiva (ASTM F2792-12a).

Em teoria, o processo de jateamento de ligante pode ser usado para imprimir em 3D vários materiais em pó, como cerâmica, metais, gesso, plásticos e areia. Em 1995, a Z Corporation foi criada com licença do MIT, com foco na comercialização de jateamento de ligante com pó de gesso.

Desde 1997, eles lançaram uma série de impressoras de jato de encadernação, 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. Isto marcou um passo significativo 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 em pó metálico formado por jateamento de ligante, introduzindo o primeiro dispositivo de jateamento de ligante em pó metálico do mundo, ProMetal RTS-300, em 1997.

Em 2003, a ExOne Company surgiu da Extrude Hone, concentrando-se exclusivamente na indústria de impressão 3D, lançando posteriormente a primeira impressora 3D de arenito do mundo, a S15. Desde então, a ExOne especializou-se em jateamento de ligantes de materiais metálicos e de arenito, tornando-se gradualmente líder em tecnologia 3DP. A Figura 5-32 mostra a impressora ExOne Innovent+ e alguns dos modelos metálicos impressos pela empresa.

Fundada em 1999, a empresa alemã Voxeljet também obteve licença do MIT e tem se dedicado ao desenvolvimento de impressoras 3D de areia para moldes de fundição. A empresa emprega tecnologia de jato de ligante para imprimir moldes de areia para uso em processos tradicionais de fundição de metal.

Nos últimos anos, a tecnologia de jateamento de ligantes 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 tecnologia de jateamento de ligante desde 2012, inicialmente com foco na impressão com gesso, polímeros e areia de fundição, e atualmente concentrando-se na tecnologia de jateamento de ligante metálico. Em 2017, em colaboração com a Wuhan Yizhi Technology Co., Ltd., eles lançaram uma impressora de jato de ligante de metal capaz de imprimir com materiais como aço inoxidável 316L, aço inoxidável 420, cobre e ligas de titânio.

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

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

Processo e Características

(1) Processo

Revendo o esquema abstrato da patente 3DP do Professor Emanuel Sachs, conforme mostrado na Figura 5-33, são apresentadas informações importantes: “…produzir uma camada de material em pó ligado…” indica a criação de uma camada de material em pó ligado através de uma camada- processo de acumulação 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 seja distribuído em áreas selecionadas de cada camada, unindo o pó na forma. 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 uma tremonha ou em um cilindro de alimentação, com dois métodos de aplicação: a tremonha libera uma certa quantidade de pó no leito de pó por cima, conhecido como método de alimentação, enquanto o cilindro de alimentação dispensa uma quantidade predefinida de pó elevando o pistão de alimentação até uma certa altura, conhecido como método de colocação de pó, conforme mostrado na Figura 5-34 (a) e (b).

Um rolo então espalha e compacta o pó através da área de formação do leito de pó.

③ Movimento bidimensional. A cabeça de impressão, carregada com aglutinante, é controlada pelo arquivo de comando para se mover nas direções X e Y, pulverizando o aglutinante para unir o pó na forma. As áreas não pulverizadas permanecem soltas e servem de suporte para as camadas subsequentes (para impressão de modelos coloridos são utilizados três ligantes 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 Colagem entre camadas. A cabeça de impressão se move sob os novos comandos X e Y, pulverizando o aglutinante para unir a camada atual de pó na forma, ao mesmo tempo que adere à camada acima, conseguindo uma 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 ou exposto à irradiação laser, pode ser totalmente reciclado para reutilização, atingindo teoricamente uma taxa de utilização de material de 100%. Após a impressão 3D, as peças requerem pós-processamento adicional, normalmente envolvendo três etapas:

Remoção do excesso de pó.

Como as peças ficam totalmente enterradas em pó, é necessário retirar o pó residual da superfície da peça dentro de um porta-luvas utilizando pincéis, pistolas de ar, etc., para reciclagem e reaproveitamento em impressões posteriores.

Aumento de força.

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

Por exemplo, infiltrantes adequados para modelos de cores podem melhorar a resistência, a cor e a estabilidade da cor; infiltrantes binários para modelos funcionais podem aumentar significativamente a resistência do modelo; e infiltrantes ecológicos podem ser usados ​​para impregnação ou pulverização para aumentar a dureza e o módulo da superfície.

As peças impressas em pó metálico geralmente requerem 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 na criatividade cultural, cinema, animação e outros campos.

Ampla gama de materiais e peças funcionais metálicas.

O processo 3DP pode imprimir com praticamente qualquer material em pó, incluindo 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 fabricação de estruturas complexas.

O processo 3DP praticamente não impõe restrições à complexidade das peças, permitindo a produção de vários formatos complexos, como peças porosas, peças ocas e peças encaixadas. É adequado para o desenvolvimento de novos produtos ou para a produção de peças individuais e de pequenos lotes.

Não é necessário laser, baixo custo.

Por um lado, o processo 3DP não utiliza lasers, o que reduz os custos de operação e manutenção dos equipamentos; por outro lado, seus cabeçotes de jateamento de ligante podem realizar varredura de matriz em vez de varredura de ponto a laser, resultando em alta eficiência de impressão e baixo custo.

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

Propriedades mecânicas ruins das peças.

A resistência e a tenacidade são relativamente baixas, geralmente 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 resistência e densidade finais.

Qualidade de superfície inferior.

Como as peças são formadas por ligação em pó, a superfície apresenta certa textura granulada, o que dificulta a lisura das peças impressas com técnicas de fotopolimerização.

Armazenamento ineficiente de materiais a granel.

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