Fabricação aditiva é o termo usado para descrever todo o conjunto de tecnologias de fabricação com base na formação de contribuição do material. Isso significa que, diferentemente da fabricação subtrativa (que abrange os métodos tradicionais de usinagem CNC), ela se baseia na construção de peças, fornecendo camada por camada a quantidade precisa de material de maneira seletiva.
No entanto, nessa categoria, podemos encontrar uma infinidade de tecnologias muito díspares, cada uma com suas vantagens e desvantagens, portanto, conhecer seus fundamentos e suas limitações é algo de grande importância para selecionar a mais adequada para cada necessidade.
Embora existam muitas tecnologias e variantes, as mais comuns e difundidas na indústria são três:
- Deposição de material fundido (FDM)
- Fotopolimerização seletiva de resinas (SLA)
- Sinterização seletiva a laser (SLS)
Embora a mais difundida seja, sem dúvida, a tecnologia FDM. Principalmente devido ao aparecimento de impressoras 3D de baixo custo com base nessa tecnologia, nos últimos anos, a tecnologia SLA e SLS vêm ganhando terreno. Empresas como Formlabs ou Sinterit, equipamentos de mercado, baseados em SLA e SLS, respectivamente, capazes de alcançar qualidades industriais a preços realmente competitivos. Juntamente com o surgimento de novos materiais, atualmente é difícil para uma empresa ou profissional optar por uma tecnologia ou outra.
A seguir, detalhamos quais são as principais características de cada um, bem como suas diferenças, vantagens e desvantagens.
Modelagem de Deposição Fusível (FDM)
É de longe a tecnologia mais popular. É baseado na extrusão através de um bico ou "nozzle", um termoplástico acima da temperatura de fusão. À medida que o material extrudado sai do bico de filamento, ele é depositado seletivamente e camada por camada para formar a peça.
Imagem 1: Impressão FDM. Fonte: commons.wikimedia.com
Apesar de ser o mais comum, é o mais complexo quando se trata de projetar e preparar arquivos para impressão. As limitações da impressão 3D FDM geralmente determinam o próprio design; portanto, em geral, quando as peças são produzidas usando essa tecnologia, é necessário projetá-las ou reprojetá-las para torná-las compatíveis. Isso pode ser um grande problema quando o objetivo da impressão 3D é validar modelos que serão produzidos posteriormente usando outros métodos de produção.
Dentre todas as limitações, destacam-se a necessidade do uso de suportes e a impossibilidade de obter isotropia mecânica.
Como o material fundido não pode ser depositado no ar, não é possível imprimir diretamente pontes ou saliências; portanto, nesses casos, é necessário adicionar estruturas de suporte. Isso supõe uma maior despesa de material e tempo, além do fato de que as peças precisarão de pós-processamento para remover esses suportes e a qualidade da superfície na área de contato será afetada.
Imagem 2: Peças impressas com suportes. Fonte: Simplify3D
Uma maneira de minimizar algumas das desvantagens do uso de mídia é imprimi-las usando um material solúvel. Isso facilitará sua remoção e melhorará a qualidade da superfície da área de contato. Isso requer que a impressora tenha um sistema de extrusora dupla, como o sistema IDEX para as impressoras BCN3D Sigma e BCN3D Sigmax ou a extrusora dupla Bondtech incorporada nas impressoras Raise Pro2 3D.
Video 1: Sistema IDEX BCN3D. Fonte: BCN3D
Por outro lado, como explicamos em um artigo anterior, o uso de FDM é impossível de obter peças isotrópicas, o que é um grande problema em certas aplicações mecânicas e estruturais.
Outras limitações importantes são baixa resolução e altas tolerâncias. Embora o uso de bicos de pequeno diâmetro seja possível alcançar resoluções Z próximas às obtidas pelo SLA ou SLS, a resolução XY será sempre muito menor e será condicionada pelo material utilizado. Isso ocorre porque a resolução é determinada pelo diâmetro do bico usado e nem todos os materiais são compatíveis com bocais de pequeno diâmetro.
No entanto, nem todas são desvantagens. A tecnologia FDM tem, de longe, a maior variedade de materiais com o menor custo, além dos maiores volumes de impressão e, embora a diferença de preço entre as várias tecnologias tenha sido reduzida, ainda é a tecnologia mais econômica.
Imagem 3: Pirâmide dos principais materiais disponíveis para impressão 3D FDM. Fonte: 3dhubs.com
É também uma tecnologia limpa e segura que requer pouca preparação antes da impressão. Isso permite que ele seja localizado em qualquer ambiente e permite mais rapidez do que a impressão SLA e SLS, que exigem tarefas de preparação e limpeza mais extensas, tornando-a a tecnologia perfeita para aplicações educacionais em qualquer nível, do básico ao estudos superior.
É uma tecnologia ideal para imprimir modelos e ferramentas, peças com um grande volume médio ou para aquelas aplicações que requerem materiais específicos não disponíveis para outras tecnologias.
Outro setor em que a impressão 3D FDM oferece grandes vantagens está na produção de modelos arquitetônicos. Em geral, esse tipo de projeto é composto de peças volumosas que não exigem alta precisão. Isso, juntamente com a disponibilidade de materiais como Filamet, Timberfill, Smartfil EP ou PLA Mukha, capazes de fornecer acabamentos de metal, madeira ou cerâmica às peças, sem a necessidade de pós-processamento.
Imagem 4: Modelo arquitetônico impresso por FDM. Fonte: Raise3D
Fotopolimerização Seletiva de Resinas (SLA)
É a segunda tecnologia de impressão 3D mais comum. Baseia-se na exposição seletiva de uma cubeta de resina fotocurável à camada de luz ultravioleta por camada. Essa exposição seletiva pode ser através de uma varredura a laser (SLA), um projetor (DLP) ou um led mascarado (LED-LCD / MSLA).
Imagem 5: Diferenças entre SLA, DLP e MSLA. Fonte: theorthocosmos.com
Como a impressão 3D FDM, ela requer suportes que devem ser removidos após a impressão; no entanto, a impressão 3D SLA não permite imprimir simultaneamente com dois materiais; portanto, a única maneira de remover os suportes é mecanicamente. Isso significa que, neste caso, a superfície da peça também é afetada nas áreas em que houve contato com os suportes.
Imagem 6: Suportes de uma peça impressa por SLA. Fonte:3Dhubs.com
Outra diferença fundamental da impressão 3D FDM é que ela usa polímeros termoendurecidos em vez de termoplásticos. Além disso, os materiais SLA tendem a ser mais caros que os materiais FDM e apresentam alguma toxicidade. Isso, juntamente com o fato de as peças exigirem tarefas de limpeza e pós-processamento, torna essa tecnologia menos recomendada para o setor educacional.
No entanto, sua força é a alta resolução e o excelente acabamento superficial possível através da impressão 3D SLA. Em geral, resoluções de até 50 um podem ser alcançadas em todos os planos.
Apesar de existirem impressoras SLA com grandes volumes de impressão comparáveis aos das impressoras 3D FDM, em geral, as impressoras 3D SLA tendem a ter volumes de impressão consideravelmente mais baixos.
É perfeito para imprimir peças pequenas que requerem alta resolução e excelentes acabamentos de superfície. Atualmente, é a tecnologia de impressão 3D mais popular nas indústrias odontológica e de jóias. É por isso que possui o maior catálogo de resinas odontológicas e fundidas.
Imagem 7: Modelos odontológicos impressos por SLA. Fuente: Formlabs.
Sinterização Seletiva Por Laser (SLS)
É provavelmente a tecnologia menos conhecida, apesar de ser uma das mais antigas e comuns em ambientes industriais.
Isso ocorre porque, até recentemente, todos os equipamentos de impressão SLS 3D exigiam instalações adequadas e o custo dos equipamentos e da implementação era alto. Embora nos últimos anos isso tenha mudado graças ao aparecimento de impressoras SLS em formato desktop, como as impressoras Lisa e Lisa Pro, cujos custos de aquisição na implementação são próximos aos dos sistemas FDM e SLA. Embora essa tecnologia permita a produção de peças termoplásticas e metálicas, como o objetivo deste artigo é entender as diferenças entre as três tecnologias, focaremos apenas na impressão termoplástica 3D SLS.
A impressão 3D SLS consiste em sinterizar seletivamente, usando um sistema de digitalização a laser, camadas de material em pó. Toda vez que uma camada é sinterizada, o deck de construção abaixa e um dispositivo especial chamado "recobrimento" ou revestimento aplica uma nova camada de pó.
Imagem 8: Diagrama esquemático de uma impressora SLS. Fonte: Sinterit.
A principal vantagem dessa tecnologia é a possibilidade de imprimir sem suporte. Isso torna as restrições de projeto muito menores do que em qualquer outra tecnologia, além de simplificar bastante o pós-processamento das peças.
Isso, combinado à alta precisão alcançada pelo laser, superior à obtida pela impressão 3D SLA ou FDM, possibilita a impressão direta de conjuntos complexos, sem a necessidade de imprimir seus componentes individualmente.
Video 2: Troca de bicicleta produzida diretamente usando a impressão 3D SLS. Fonte: Sinterit.
Outra vantagem importante é que as peças impressas pelo SLS são densas e apresentam alta isotropia, o que a torna a tecnologia ideal para a produção de modelos e protótipos funcionais. Tudo isso, junto com o bom acabamento da superfície, também o torna adequado para a produção de pequenas séries de produtos finais.
As impressoras 3D SLS não possuem uma variedade tão ampla de materiais compatíveis como a impressão 3D FDM, mas a possibilidade de usar materiais técnicos, como diferentes tipos de nylons, ou TPE e TPUs, permite cobrir a maioria das aplicações.
Video 3: Peça impressa em TPU usando impressão 3D SLS. Fonte: Sinterit.
Apesar de todas as vantagens, o principal fator limitante da impressão 3D SLS é o volume de compilação. Embora o equipamento industrial tenha grandes volumes de compilação semelhantes aos encontrados nos sistemas FDM, as impressoras 3D de mesa SLS têm volumes de impressão semelhantes às impressoras SLA.
Além disso, embora o pós-processamento de peças esteja limitado à limpeza para remover o excesso de pó sem sinterização, as impressoras SLS 3D requerem preparação e limpeza que o tornam menos imediato que a impressão FDM.
Apesar de todas essas características terem tornado essa tecnologia o padrão do setor, seus altos custos limitaram o acesso a pequenas e médias empresas. Com o advento de impressoras SLS 3D para desktop acessíveis, como Lisa e Lisa Pro, nos últimos anos, isso está mudando. Embora seu custo ainda seja um pouco mais alto que os modelos equivalentes em FDM e SLA, atualmente o custo não é mais um fator determinante na escolha de uma tecnologia ou de outra.
Imagem 9: Sinterit Lisa Pro. Fonte: Sinterit.
Comparação entre FDM, SLA e SLS
Para comparar adequadamente as três tecnologias, devemos fazê-lo em dois níveis: em termos de características e em termos de limitações de projeto e fabricação.
As principais características de cada tecnologia são comparadas abaixo:
Características | |||
|---|---|---|---|
| Característica | FDM | SLA | SLS |
| Principio de funcionamiento | Extrusão de material fundido | Fotopolimerização de resina | Micropartículas sinterizadas |
| Tipo de materiais compatíveis | Termoplásticos | Resinas fotopolimerizáveis | Termoplásticos |
| Quantidade de materiais compatíveis | Muito alto | Meio | Baixo |
| Preço dos materiais | Meio- Baixo | Alto | Meio |
| Complexidade | Alto | Meio | Meio |
| Imediato | Muito alto | Meio | Baixo |
| Resolução mínima da camada | 0.1 mm | 0.05 mm | 0.06 mm |
| Resolução máxima em XY | 0.25 mm | 0.05 mm | 0.08 - 0.08 mm |
| Precisão | Baixo | Meio | Alto |
| Aplicação | Prototipagem rápida. Educação. Fabricação de modelos e ferramentas. |
Modelos com pequenos detalhes. Negativos de fundição para joias e odontologia. Talas. |
Protótipos funcionais. Série curta. Modelos e ferramentas. Componentes ortopédicos. Modelos. |
| Ventajas | Bajo precio. Imediato. Materiais disponíveis. |
Alta resolução. Materiais dentais e fundidos de qualidade. |
Imprimir sem suportes. Peças de alta qualidade. Imprimir montagens diretamente. Alta precisão. |
| Desvantagens | Precisa usar suportes. Alguns materiais têm altas contraçõess. |
Alto custo de materiais. Baixo volume de impressão. |
Tempos de impressão longos. Baixo volume de impressão. |
A tabela a seguir mostra as limitações de design de cada tecnologia:
Requisitos de concepção | |||
|---|---|---|---|
| Característica | FDM | SLA | SLS |
| Cantilevers | Requer apoios a 45º | Sempre precisa de suporte | Nunca precisa de suporte |
| Puentes | Requer suportes de 10 mm | Não precisa de suporte, embora sejam recomendados | Nunca precisa de suporte |
| Espessura mínima da parede | 0.8 mm |
0.5 mm em paredes apoiadas 1 mm em paredes não suportadas |
0.7 mm |
| Gravuras |
0.6 mm de largura 2 mm do alto |
0.4 mm | 1 mm |
| Diâmetro mínimo dos furos | 2 mm | 0.5 mm | 1.5 mm |
| Tolerância em peças móveis e conexões | 0.5 mm | 0.5 mm |
0.3 mm em partes móveis 0.1 mm em conexões |
| Orifícios de escape em peças ocas | No necesita | 4 mm | 5 mm |
| Tamanho mínimo de detalhe | 2 mm | 0.2 mm | 0.8 mm |
| Diâmetro mínimo da coluna | 3 mm | 0.5 mm | 0.8 mm |
| Tolerâncias gerais | ±0.5% (límite inferior ±0.5 mm) | ±0.5% (límite inferior ±0.15 mm) | ±0.3% (límite inferior ±0.3 mm) |
Atualmente, os computadores baseados nessas três tecnologias estão disponíveis no mercado com preços semelhantes, como impressoras dos fabricantes Raise3D, Formlabs ou Sinterit. Graças a isso, os únicos critérios ao tomar a decisão de implementar uma tecnologia ou outra serão critérios técnicos.
É necessário avaliar bem as necessidades e o uso que será dado à impressora 3D para decidir qual tecnologia é a mais adequada e poder rentabilizar o investimento.
