Impressão 3D de alta velocidade

Nos últimos meses o conceito de impressão 3D FFF de alta velocidade adquiriu muita popularidade graças ao lançamento do kit Hyper FFF para a série Pro3 de Raise3D e, posteriormente as funções de impressão de alta velocidade de alguns novos modelos como a Bambulab X1, a Ankermake M5 ou as recentemente apresentadas Prusa MK4 e Creality K1.

Estas novas impressoras prometem velocidades de impressão até cinco vezes superiores sem afetar à qualidade das peças, mas Quanto há de realidade e quanto de márketing?

Em primeiro lugar deve-se compreender cuales são as limitações e problemas que se produzem durante a impressão a altas velocidades.

Limitações da impressão 3D de alta velocidade

O conceito de impressão 3D FFF de alta velocidade refere-se geralmente a impressoras 3D em formato escritorio. Isto é como estas impressoras, pelo seu custo e construção compacta são mais suscetíveis a vibrações devidas ao movimento e que as suas cabeças, mais compactos que os das equipas industriais, não estão preparados para extruir altos volumes volumétricos. É por isto que a velocidade máxima que pode aceitar uma impressora 3D FFF depende de três fatores:

• A perda de precisão e qualidade provocada pelas vibrações da estrutura.
• O máximo volume volumétrico que é capaz de extruir a cabeça.
• O comportamento térmico do material de impressão.

Imagem 1: Impressora 3D FFF industrial (esquerda) e impressora 3D FFF de escritorio (direita). Fonte: Raise3D.

Vibrações e o seu efeito na qualidade de impressão

À medida que aumentam-se as velocidades e acelerações da cabeça, também o fazem as inércias que se transmitem à estrutura e, por tanto, as vibrações. A baixas velocidades, as estruturas das impressoras têm capacidade suficiente para absorver e amortecer as vibrações, no entanto, à medida que aumentam os valores de velocidade e aceleração, aumenta também o risco de que se produza um fenómeno de ressonância. Uma vez a estrutura entre em ressonância, começará a vibrar a uma frequência concreta e característica da cada impressora.

Esta vibração transmite-se à cabeça durante o movimento, com duas consequências:

• A perda de precisão no posicionamento.
• O aparecimento de um padrão de ondas sobre a superfície da peça.

Dependendo da rigidez da estrutura, a frequência e amplitude da vibração varia. Aquelas estruturas mais estáveis terão maiores frequências de ressonância e amplitudes baixas, o que se traduz em uma menor perda de precisão e um efeito menos visível na superfície da peça.

Imagem 2: Padrão marcado sobre a superfície de uma peça por causa da ressonância. Fonte: simplify3D.com

A forma mais habitual de lidar com este problema em impressoras 3D FFF de escritorio baseava-se em desenvolver estruturas mecanicamente mais estáveis, até que Klipper, um firmware livre alternativo a Marlin, implementou um método de compensação de ressonância baseado no método de controlo de vibrações "Input Shaping". Este método, baseado em software, consiste em que, uma vez conhecida a frequência de vibração, se envia uma sequência de impulsos aos motores que provocam que a cabeça vibre em um padrão inverso ao da ressonância, anulando desta forma as vibrações da cabeça durante o movimento. Trata-se de uma aproximação similar à empregada, por exemplo, nos auriculares com cancelamento de ruído ou os estabilizadores ópticos.

Video 1: Exemplo de compensação de vibrações mediante o método input shaping. Fonte: ACS Motion Control.

Limitações do volume volumétrico de extrusão

Outra limitação importante em impressão de alta velocidade é a capacidade máxima que possui uma cabeça para fundir e extruir plástico. Este conceito, conhecido como velocidade volumétrica máxima, é um parâmetro próprio da cada hotend e varia segundo o material empregado. A velocidade máxima volumétrica relaciona-se com três variáveis:

• O diâmetro de boquilha
• A altura de capa
• A velocidade máxima de impressão

Segundo a seguinte relação:

É por isto, que para uma impressora determinada a velocidade máxima de impressão está limitada também pela velocidade volumétrica máxima característica da sua extrusor segundo a seguinte relação:

A velocidade volumétrica máxima mais comum de uma impressora de escritorio quando imprime ABS é de em torno de 10 mm³/s, o que implica que a velocidade máxima teórica à que poder-se-ia imprimir ABS com sucesso usando a configuração regular baseada em uma altura de capa de 0.2 mm e uma boquilha de 0.4 mm seria de tão só 125 mm/séc. Se além disso empregamos outra configuração habitual como uma boquilha de 0.6 mm e uma altura de capa de 0.3 mm, a velocidade máxima de impressão baixaria a 55 mm/séc. Usar velocidades maiores implicaria um alto risco de falta de extrusão e delaminación de capas.

Imagem 3: Hotend Volcano, com uma maior área de fusão com respeito aos hotends convencionais. Fonte: e3d-on-line.com.

Para conseguir aumentar a velocidade volumétrica máxima, desenvolveram-se novos desenhos de hotend e boquilhas. Por exemplo, os hotends Volcano de E3D permitem aumentar a velocidade volumétrica máxima em torno de um 70 % enquanto as boquilhas CHT de Bondtech permitem aumentá-la um 30 % sem necessidade de modificar o hotend.

Video 2: Boquilha CHT de Bondtech vs boquilha V6 convencional. Fonte: Bondtech.

Propriedades do material

O último ponto importante da impressão de alta velocidade é o material empregado. Como se comentou no apartado anterior, a velocidade volumétrica máxima não só depende do desenho do hotend, senão também do material empregado. Em uma impressora de escritorio, a máxima velocidade volumétrica consegue-se empregando PLA (em torno de 15 mm³/s), enquanto outros materiais como o ABS, a ASA ou o PETg estão limitados a velocidades máximas de 10 mm³/séc. Existem, além disso, alguns materiais como o TPU ou o TPE, onde superar velocidades volumétricas de 3-5 mm³/s pode resultar complicado.

É por isto, que o desenvolvimento de plásticos específicos para impressão de alta velocidade, em combinação com novos desenhos de hotend, é imprescindível para aproveitar ao máximo a impressão 3D FFF de alta velocidade.

Imagem 4: Filamento reforçado com fibra de carbono corrente (esquerda) em frente a filamento com tecnologia Hypercore de Raise3D. Fonte: Raise3D.

Implementações da alta velocidade em impressoras comerciais

Como se comentou ao princípio, o interesse por implementar sistemas de impressão 3D FFF de alta velocidade em impressoras de escritorio teve a sua origem na popularización do firmware livre Klipper, no entanto, devido à natureza deste projeto, só estava disponível dentro do meio maker. O primeiro fabricante em desenvolver um sistema de alta velocidade profissional nas suas impressoras foi a reconhecida companhia Raise3D com a apresentação do Kit Hyper FFF para a série Pro3.

Video 3: Comparação Raise Pro3 com Hyper FFF em frente a Raise Pro3 standard. Fonte: Raise3D.

O sistema Hyper FFF é o primeiro em oferecer uma focagem global que trata de forma conjunta as três limitações mencionadas anteriormente:

Compensação de ressonância: O firmware Hyper FFF para a série Pro3 implementa um sistema de compensação de ressonância mediante o método "input shaping" similar ao usado em Klipper. Para a determinação das frequências de ressonância em X e E, o kit Hyper FFF inclui uma cabeça de calibragem dotado com um acelerómetro de alta precisão. Isto, unido a uma estrutura altamente estável e otimizada durante anos desde a série N2, garante uma compensação precisa da ressonância a qualquer velocidade.

Velocidade volumétrica máxima: O kit Hyper FFF de Raise3D inclui dois novos hotends redesenhados para aumentar a velocidade volumétrica máxima até um 200 % com respeito ao hotend original.

Materiais adaptados à impressão de alta velocidade: Raise3D desenvolveu, em conjunto, com o kit FFF, uma nova série de filamentos Hyperspeed, que permitem aumentar a velocidade volumétrica máxima até um 50 % com respeito ao materiais standard. Além disso, a nova linha de materiais compostos Hyper Core, permite garantir as máximas propriedades mecânicas em impressão de alta velocidade.

Imagem 5: Kit Hyper FFF para Raise3D Pro3. Fonte: Raise3D.

Esta focagem global permite obter velocidades reais de impressão entre 3 e 5 vezes superiores às de uma impressora de escritorio corrente, sem afetar nem à qualidade estética das peças nem ao seu comportamento mecânico.

Depois de Raise3D foram vários fabricantes os que implementaram de uma forma ou outros sistemas de impressão 3D FFF de alta velocidade. Recentemente Prusa apresentou a nova Prusa MK4, a qual inclui um sistema de impressão de alta velocidade. Este sistema, baseado em uma implementação do módulo de Klipper em Marlin. Isto, unido ao novo hotend que proporciona uma maior zona de fusão com respeito ao V6 original, permite aumentar a velocidade de impressão entre um 150 % e um 200 %. Com respeito à determinação das frequências de ressonância, a impressora inclui no firmware valores genéricos determinados pelo fabricante. Isto, embora pode ser efetivo, é o método menos preciso de calibragem. Segundo o fabricante, a MK4 inclui um porto específico para um acelerómetro, embora não há confirmação de se em um futuro poder-se-á empregar para fazer uma calibragem real.

Imagem 6: Prusa MK4. Fonte: Prusa3d.com.

Ao mesmo tempo, alguns conhecidos fabricantes chineses como Creality, Ankermake ou Bambulab apresentaram modelos orientados ao setor profissional que incluem impressão 3D FFF de alta velocidade. Neste caso trata-se de impressoras que diretamente implementam versões personalizadas de Klipper. São precisamente estes fabricantes os que publicitan maiores velocidades, que oferecem velocidades volumétricas máximas de até 32 mm³/s e velocidades de impressão de até 600 mm/séc. Embora a implementação de Klipper e a incorporação de novos hotends garante uma maior velocidade de impressão, os valores proporcionados não são realistas, se tratando unicamente de uma estratégia de márketing. Em primeiro lugar, reconhecidos sistemas de alto volume como o sistema Volcano de E3D são capazes de proporcionar com PLA em condições regulares (boquilha de 0.4 mm e altura de capa 0.2 mm) velocidades volumétricas máximas de 20 mm³/séc. Só algumas configurações especiais como os hotends Supervolcano de E3D podem garantir valores similares aos publicitados. Por outro lado, embora estas impressoras pudessem garantir velocidades volumétricas máximas de 32 mm³/s, a máxima velocidade de impressão em condições regulares estaria limitada a 400 mm/s, segundo a fórmula que relaciona a velocidade de impressão e a velocidade volumétrica máxima. Este limite está muito afastado dos valores publicitados de 600 mm/séc.

Imagem 7: Banner publicitando uma impressora de alta velocidade. Fonte: Creality.com.

Conclusão

A impressão 3D FFF de alta velocidade é uma revolução que promete minimizar um dos principais handicaps da impressão, aumentando a produtividade desta tecnologia. No entanto trata-se de um processo complexo que requer uma abordagem global para além da compensação de ressonâncias. Requer, além disso, o desenvolvimento de hotends capazes de garantir altas velocidades volumétricas junto a novas formulações de materiais, para poder conseguir altas velocidades sem que se vejam afetados os acabamentos e as propriedades finais da peça. Isto é especialmente crítico em materiais técnicos como os composites onde, a dia de hoje, unicamente o sistema de Raise3D inclui materiais técnicos otimizados para alta velocidade.

Relativo às velocidades máximas que se podem obter a dia de hoje, os valores mais realistas naquelas impressoras com compensação de ressonância e hotends otimizados estão em torno de 150 - 200 mm/séc. Estes valores concordam com o publicitado para a Prusa Mk4, no entanto estão muito afastados dos valores publicitados por outras marcas. No caso de empregar materiais específicos para alta velocidade o incremento poderia alcançar até os 250-300 mm/séc. Isto não quer dizer que não seja possível alcançar maiores velocidades sem chegar a apreciar o aparecimento de efeito "ghosting" ou "ringing" sobre a peça, mas as propriedades finais e o comportamento mecânico da peça ver-se-ão comprometidos devido ao aparecimento de defeitos ou a baixa adesão entre capas.