Velocidades e acelerações na impressão em 3D

A configuração correta dos parâmetros de velocidade e aceleração é fundamental. A velocidade máxima de impressão geralmente é efetivamente limitada pela taxa máxima de fluxo volumétrico que o hotend pode fornecer, enquanto não há um limite exato para a velocidade de movimento da cabeça, mas velocidades e acelerações mais altas tendem a diminuir a qualidade de impressão.

Parâmetros de velocidade e aceleração

Os movimentos retos nos eixos consistem em três estágios:

• Aceleração da velocidade de mudança de direção para a velocidade máxima.

• Viagem em velocidade máxima constante

• Desaceleração para a velocidade de mudança de direção.

É por isso que existem três parâmetros que definem velocidades e acelerações no movimento de uma impressora 3D FFF para cada um dos 4 eixos (X, Y, Z, E). Esses parâmetros são velocidade máxima, aceleração e velocidade de mudança de direção (jerk).

Velocidade máxima: Velocidade máxima na qual a cabeça pode se mover em cada eixo. Geralmente configurado no fatiador e pode ser diferente para cada elemento da peça.

Velocidade de mudança de direção: Geralmente configurado diretamente no firmware e geralmente constante para cada eixo. É a velocidade máxima permitida antes de uma mudança de direção.

Aceleração: É o valor de aceleração aplicado para transição da velocidade de mudança de direção para a velocidade máxima e vice-versa. Geralmente configurado no firmware e geralmente constante para cada eixo.

Embora geralmente se considere que a velocidade de impressão impacta a qualidade da peça, os parâmetros que têm maior influência nesse sentido são aceleração e velocidade de mudança de direção, pois altas desacelerações e velocidades de mudança de direção transmitem a energia da cabeça mais rapidamente para a estrutura da impressora, causando vibrações e possíveis perdas de passos do motor.

Isso não significa que a velocidade de impressão em si não tenha impacto. Quanto maior a velocidade, maior o momento linear da cabeça e, portanto, mais energia será dissipada na desaceleração e mudança de direção, então altas velocidades de impressão também afetarão a qualidade da impressão.

Configuração de velocidade

Geralmente, os fabricantes geralmente incluem configurações corretas de aceleração e velocidade de mudança de direção no firmware de seus equipamentos, então não é recomendado modificá-las. A configuração mais comum é baseada no ajuste da velocidade de impressão no software de fatiamento.

Atualmente, a maioria dos softwares de fatiamento permite modificar o valor de velocidade para as diferentes partes da peça. Isso é uma vantagem importante ao otimizar os tempos de impressão, já que nem todas as áreas da peça requerem a mesma qualidade de impressão. Os elementos mais comuns nos quais a velocidade de impressão pode ser modificada são:

• Perímetros: Grandes defeitos nos perímetros internos podem ser refletidos na superfície da peça. Por isso, geralmente são usados valores intermediários em comparação com os usados nos perímetros externos e no enchimento.

• Perímetros externos: Juntamente com a primeira e a última camada, é a parte visível da peça. Recomenda-se usar velocidades médias ou baixas para garantir um bom acabamento. Geralmente, a velocidade de impressão é reduzida entre 25% e 50%.

• Enchimento: Normalmente é usada a velocidade máxima, já que defeitos ou vibrações que ocorrem nesta área geralmente não são visíveis no exterior da peça. Quando são usadas velocidades de enchimento muito altas, é recomendado usar valores baixos de sobreposição de enchimento (10% - 15%).

• Enchimento sólido: Assim como no enchimento, é comum usar a velocidade máxima, já que defeitos geralmente não impactam a qualidade da peça.

• Primeira camada: Para garantir uma boa aderência à base de impressão, geralmente são usadas velocidades muito baixas para a primeira camada. O mais comum é não exceder 20 mm/s.

• Última camada: Assim como no caso dos perímetros externos, é comum usar velocidades com uma redução entre 25% e 50% para garantir boa qualidade.

• Material de suporte: A velocidade depende em grande parte de se é utilizado material solúvel ou se os suportes são feitos do mesmo material da peça. Geralmente, são usadas velocidades ligeiramente mais baixas nos suportes, já que sua baixa densidade representa o risco de falha. Materiais solúveis geralmente requerem velocidades mais baixas devido à sua baixa aderência.

• Pontes: Para melhorar a qualidade das saliências nas pontes, geralmente são selecionadas velocidades altas. Valores comuns são 110% ou 120%.

Abaixo estão alguns valores seguros para impressoras com cabeças leves e pesadas.

Dependendo de quão estável é a estrutura da impressora 3D, podem ser usadas velocidades mais altas.

Limitações baseadas no tamanho e geometria da peça

É possível que com algumas peças, não seja possível usar a velocidade máxima. Isso ocorre porque em viagens curtas pode ser necessário começar a desacelerar antes de atingir a velocidade máxima. Isso ocorre principalmente em configurações com valores de aceleração muito baixos e peças pequenas com geometrias complexas. Geralmente, nesses casos, há uma discrepância significativa entre o tempo de impressão estimado pelo software de fatiamento e o tempo de impressão real.

Imagem 1: Perfis de aceleração, velocidade constante e desaceleração para viagens curtas e longas. Fonte: Filament2print.com

Problemas derivados de um ajuste inadequado de velocidades ou acelerações

Em geral, velocidades baixas geralmente não resultam em problemas, além de tempos de impressão excessivamente longos. Somente quando as velocidades são excessivamente baixas (5-10 mm/s) podem ocorrer problemas de extrusão inconsistente devido à baixa velocidade do motor do extrusor, incapaz de fornecer um fluxo constante. Esse problema não ocorrerá nos extrusores que incorporam engrenagens de redução.

No entanto, as altas velocidades costumam ser a causa de problemas:

• Vibrações: Um dos problemas mais comuns é o surgimento de vibrações. Essas vibrações geralmente são refletidas em padrões de onda na superfície da peça, geralmente ao redor das bordas.

Imagem 2: Padrão na superfície de uma peça causado por vibrações na impressora. Fonte: Simplify3D.com

• Perdas de passo do motor: A combinação de altas velocidades, juntamente com motores alimentados por correntes baixas, pode causar perdas de passo do motor que são refletidas em erros dimensionais da peça ou deslocamentos de camada.

Imagem 3: Peça com deslocamento de camada. Fonte: Zortrax.com

• Separação da peça da base: As altas velocidades também são uma das causas comuns da peça ou suportes se desprendendo da base. Isso pode ocorrer devido a vibrações, atrito do bico com a peça ou uma combinação de ambos.

• Ligação de enchimento e perímetros e fechamento de perímetro: Velocidades de impressão ou de mudança de direção altas podem causar má aderência entre o enchimento e os perímetros ou impedir que o perímetro feche corretamente ao produzir má aderência das seções finais da linha final. Esse fenômeno ocorre com mais frequência na primeira camada.

Nota: Este guia discute conceitos de maneira geral sem focar em uma marca ou modelo específico, embora eles possam ser mencionados em algum momento. Pode haver diferenças significativas nos procedimentos de calibração ou ajuste entre diferentes marcas e modelos, portanto, é recomendável consultar o manual do fabricante antes de ler este guia.