Impressão 3D em metais, cerâmicas e polímeros

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Impressão 3D em metais, cerâmicas e polímeros

impressão 3D e os diferentes tipos de materiais

Neste artigo, você vai entender como a impressão 3D pode ser utilizada em diferentes tipos de materiais, como metais, cerâmicas e polímeros.

Ao longo dos últimos anos, a indústria de fabricação de materiais sofreu uma revolução com a introdução do que é denominado impressão tridimensional ou 3D, também conhecida como MA — manufatura aditiva ou FA — fabricação aditiva (AM — additive manufacturing).

O adjetivo “aditivo” indica que um objeto funcional é criado pela adição incremental de matéria-prima, frequentemente por camadas, uma camada por vez, a partir de dados de CAD (CAD — computer-aided design = projeto auxiliado por computador).

Isso contrasta com as tecnologias de fabricação “subtrativas” em que os componentes são formados pela remoção de material, tal como em um processo de usinagem.

Em certo sentido, a fabricação aditiva opera em três dimensões de maneira semelhante como funcionam em duas dimensões as impressoras jato de tinta e laser — isto é, um objeto físico sólido tridimensional é criado a partir de um modelo digital pela “impressão” de uma série de camadas de material, umas sobre as outras.

Impressora 3D modelando um objeto
Impressora 3D modelando um objeto.

Com a MA, é possível criar componentes que possuem formas e geometrias complexas que não poderiam ser produzidas usando técnicas de fabricação convencionais. Produtos customizados, “únicos”, podem ser fabricados a custos razoáveis e em pouco tempo.

Quaisquer mudanças no projeto são feitas simplesmente de maneira digital; nenhuma refabricação ou mudança de ferramentas cara ou demorada é exigida, como na fabricação convencional.

Além disso, com a MA, existe menor geração de resíduos; ela usa normalmente a quantidade de material exigida para fabricar o objeto desejado.

Desvantagens e compensações em Manufatura Aditiva (MA)

Existem algumas desvantagens e compensações relacionadas com a MA.

Os custos são mais elevados que para a fabricação convencional para grandes níveis de produção. Além disso, o número de materiais disponíveis é um pouco limitado e existem poucas opções de cores e de acabamentos para escolher. Contudo, a gama de opções de materiais para impressão 3D está crescendo continuamente.

As propriedades mecânicas (por exemplo, resistência e durabilidade) das peças impressas em 3D são frequentemente inferiores àquelas de peças que fabricadas usando tecnologias tradicionais.

Adicionalmente, há a necessidade de melhorar a reprodutibilidade em termos de propriedades e dimensões de peça para peça em uma mesma máquina de impressão 3D e da mesma peça em diferentes máquinas.

Além disso, após a impressão, pode ser necessário o acabamento da peça terminada (por exemplo, jateamento ou pintura).

Impressão 3D em diferentes materiais

Todos os tipos de materiais são suscetíveis à impressão 3D — metais, cerâmicas, polímeros e compósitos (também alguns alimentos — por exemplo, chocolate).

Adicionalmente, a matéria-prima pode ser suprida na forma de pós, suspensões, pastas, arames/filamentos ou lâminas, que vão depender do material, das suas propriedades, assim como do tipo da impressora.

As características de escoamento da matéria-prima são cruciais para a deposição de camadas com a espessura exigida (conforme determinado pela resolução do cabeçote da impressora).

O tipo de impressora e a tecnologia dependerão da classe de material a ser impresso e das suas características.

Impressão 3D de materiais metálicos

Para a maioria das técnicas de impressão 3D usadas para os materiais metálicos, a matéria-prima se encontra na forma de um ou de um arame.

Uma fonte de energia é exigida para aquecer e/ou fundir a matéria-prima, a qual consiste normalmente em um feixe de laser ou de elétrons. O processamento com feixe de elétrons ocorre em alto vácuo.

Com base em como a matéria-prima é processada, a maioria das técnicas de impressão se enquadra em duas classificações: 

  • deposição direta de energia (DED — direct energy deposition);
  • fusão de leito de pó (PBF — powder bed fusion).

As subclassificações são de acordo com o tipo de fonte de energia: feixe de laser ou de elétrons.

Aplicações da impressão 3D

A quantidade e a diversidade dos produtos atuais e potenciais para fabricação usando impressão 3D são inúmeras. São encontradas aplicações em quase todos os campos e indústrias e indubitavelmente continuarão aumentando drasticamente.

Algumas aplicações atuais e potenciais para a impressão 3D são as seguintes:

Automotiva

Pode chegar o dia em que os automóveis sejam completamente fabricados usando tecnologias de impressão 3D. Na verdade, em 2014, um veículo elétrico funcional para duas pessoas foi inteiramente (à exceção do trem de força) impresso em 3D em 40 horas.

Aeronáutica e Aeroespacial

Uma variedade de componentes aeronáuticos e aeroespaciais está sendo atualmente fabricada por meio de impressão 3D, sobretudo peças de motores com formas complexas — por exemplo, injetores de combustível e câmaras do motor.

Arquitetura

Usando a impressão 3D, os arquitetos criam modelos em escala de edifícios, diretamente dos dados em CAD que foram usados para gerar as plantas de projeto.

Médica

Produtos médicos personalizados impressos em 3D, entre eles aparelhos auditivos, próteses do joelho e da bacia, instrumentos cirúrgicos, substitutos para gesso, aparelhos dentários, membros protéticos, implantes faciais e guias cirúrgicos.

Biomédica

A habilidade de projetar e criar dispositivos biomédicos complexos e intrincados é crucial na engenharia e regeneração de tecidos. Por exemplo, podem ser “semeadas” células-tronco em carcaças (estruturas de suporte) biodegradáveis microarquiteturalmente fabricadas em 3D, as quais, quando cultivadas da forma apropriada, se tornam um tecido vivo. Esse tecido é então implantado no corpo para restaurar a função de um tecido doente ou machucado.

Medicamentos de liberação controlada também podem ser impressos em 3D.

Uma perspectiva nova e excitante é aquela denominada bioimpressão — o crescimento de órgãos pela impressão 3D de tecido humano à medida que células são depositadas camada a camada.

Dental

A partir de uma varredura em 3D da mandíbula e dos dentes de um paciente, é possível imprimir em 3D com precisão uma ampla variedade de produtos dentários personalizados, tais como utensílios ortodônticos, coroas, pontes, implantes, vernizes, obturações, proteções noturnas e dentaduras.

Calçados

Várias empresas de calçados imprimem em 3D pares de sapatos personalizados (na loja) que se ajustam perfeitamente aos pés dos seus clientes.

Vestimentas

No futuro não muito distante, muitos de nós estarão vestindo roupas personalizadas e feitas a nosso gosto impressas em 3D. Atualmente estão sendo desenvolvidos materiais têxteis poliméricos que podem ser impressos em 3D para servirem como vestuário.

Assista a um vídeo sobre inúmeros objetos que já foram impressos em 3D.

Impressão 3D de materiais cerâmicos

impressão 3D (ou manufatura aditiva) é usada para fabricar peças cerâmicas que estão virtualmente isentas de trincas e de porosidade e que têm propriedades comparáveis àquelas de peças fabricadas usando as técnicas convencionais.

No entanto, em razão de suas condutividades elétrica e térmica relativamente pobres, algumas das técnicas de impressão usadas para os metais são impraticáveis para as cerâmicas. Por exemplo, não podem ser usados feixes de elétrons como fontes de calor, pois as cerâmicas são isolantes elétricos.

Além disso, a fusão direta com feixe de laser é difícil, pois tipicamente as cerâmicas possuem temperaturas de fusão elevadas; ainda, para a maioria dos materiais cerâmicos, existe uma possibilidade de formação de trincas devido à geração de tensões térmicas. Adicionalmente, o número de materiais cerâmicos disponíveis para impressão 3D é limitado.

Para virtualmente todas as técnicas de impressão 3D de materiais cerâmicos, a alimentação de matéria-prima é na forma de um que, em alguns casos, pode estar incorporado no interior de uma suspensão líquida.

Foi desenvolvida uma variedade de processos de impressão 3D para os materiais cerâmicos, sendo os mais comuns:

  • impressão cerâmica a jato;
  • estereolitografia;
  • cerâmica derivada de polímero;
  • extrusão de argila 3D.

 

Impressão 3D de polímeros

Muitos materiais poliméricos podem ser fabricados em formas úteis usando técnicas de impressão 3D (manufatura aditiva). Em geral, os polímeros são mais suscetíveis a impressão 3D que os metais e as cerâmicas, uma vez que os polímeros:

  • possuem temperaturas de fusão/amolecimento relativamente baixas;
  • são relativamente flexíveis e dúcteis;
  • podem ser fotossensíveis (isto é, polimerizam quando expostos a uma fonte de luz, com frequência radiação ultravioleta).

Várias novas técnicas de impressão 3D são usadas para os materiais poliméricos. As quatro mais comuns são:

  • modelagem por deposição de material fundido;
  • estereolitografia; 
  • impressão polyjet
  • produção contínua em interface líquida.

Para saber mais sobre o tema impressão 3D em diferentes materiais, indicamos a leitura do livro Ciência e Engenharia de Materiais – Uma Introdução, do Callister. A 10ª edição já está disponível!

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