Descrição das Etapas do Processo de Fabrico

As técnicas de MA têm como ponto de partida a produção de modelos virtuais. O processo de fabrico é constituído por várias etapas que se descrevem resumidamente na Figura 12.

Depois do modelo tridimensional do produto estar concluído, é necessário converter o modelo CAD num ficheiro STL, arquivo este que contém os dados que descrevem o layout de um produto tridimensional e recorre a triângulos (polígonos) para descrever a superfície do produto, como ilustrado na Figura 13. As siglas STL tem vários significados como "Standard Triangle Language" e/ou "Standard Tessellation Language".

Produção num modelo digital - Modelos Computadorizados

(CAD)

Conversão de um modelo CAD num

ficheiro STL

Importação do ficheiro STL para um

programa de Slicer

Conversão do programa Slicer num

Código G Verificação do ficheiro STL Definição do suporte e estrategia de depoisiçaõ do material, secção a secção Iniciação da Impressão Realização de procedimentos de pós- processamento

2 – Revisão do Estado de Arte

Uma vez gerado um ficheiro STL este é importado para um programa de Slicer. O programa converte um ficheiro STL em código G (G code), que traduz uma linguagem de programação de controlo numérico (NC). Este tipo de linguagem é frequentemente usado no fabrico assistido por computador (CAM) para controlar máquinas-ferramentas automatizadas (incluindo máquinas CNC e impressoras 3D). O programa Slicer também permite ao desenhador personalizar os parâmetros de impressão designadamente a altura da camada e a orientação do bico de impressão [1,5].

O ficheiro STL é então verificado, o processo de fabrico por camadas é planeado e com a definição do suporte e das estratégias, é feita a deposição de material camada sobre camada. A maioria das máquinas de fabrico aditivo não precisa de ser monitorizada durante a produção [1,5].

Importante em MA é também a possibilidade de se usar material de suporte, que funciona como uma estrutura auxiliar sobre a qual se inicia a construção do produto e que também auxilia na construção de partes suspensas do produto. Este suporte pode ser ou não do mesmo material escolhido para a construção do produto.

Depois de concluída a impressão, o produto pode não estar ainda finalizado podendo requer procedimentos de pós-processamento, que variam de acordo com a tecnologia de impressão. Operações de limpeza através de ar comprimido, técnicas de infiltração, polimento e pintura estão entre os processamentos mais comuns [5]. Para tecnologias que recorrem a material de suporte, este componente é removido nesta fase do processo.

Por exemplo, a estereolitografia (SLA) e a polyjet necessitam de material de suporte. Os suportes de estereolitografia são criados a partir do mesmo material e devem ser removidos manualmente. Os produtos obtidos por esta técnica não são totalmente curados a fim de permitir a drenagem do excesso de resina. Por conseguinte, para além da remoção do suporte é necessário fazer uma cura adicional do produto, normalmente numa câmara de UV. Os produtos obtidos por polyjet são totalmente curados e os suportes são fabricados com um material diferente, formulado para se separar através de um jato de água e manualmente. No

caso do FFF também é necessário um material de suporte que é separado por dissolução em solução química adequada, deixando o produto pronto para usar.

A tecnologia de MA mais divulgada a nível mundial é a FFF, sendo a selecionada para este trabalho, razão pela qual irá ser apresentada de forma mais detalhada, neste documento. A empresa Stratasys Inc. registrou a marca FDM quando a tecnologia foi desenvolvida. Como a MA ganhou popularidade entre os fabricantes, a comunidade RepRap criou a designação Fused Filament Fabrication (FFF) para que fosse possível discutir a tecnologia sem medo de infringir marcas registradas. Os processos envolvidos na criação de uma impressão 3D para FFF e FDM são e os mesmos.

Em FDM a câmara onde se dá a construção do produto é climatizada (em termos de temperatura e humidade) o que não ocorre nos processos de FFF vulgarmente disponíveis no mercado. Sobre a técnica de FDM recaem direitos de propriedade industrial, o que não acontece com a técnica FFF, como já referido.

Na técnica de FFF, começa-se por carregar a bobina de filamento termoplástico no equipamento. Este filamento é depositado e direcionado e assim que o bico atinge a temperatura desejada, alimentado pela cabeça de extrusão, fundindo e saindo pelo bico. A impressora move continuamente o bico e deposita o filamento fundido de acordo com a trajetória definida na programação prévia.

A plataforma onde é depositado o filamento fundido pode ser aquecido, de modo a evitar deformações indesejadas nas impressões e a conferir melhor aderência entre as camadas e a base. A estas plataformas pode ser adicionado um revestimento de fita de poliimida, fita de politereftalato de etileno (PET) ou fita de silicone e poliéster, que ajudam a prevenir o produto de escorregar durante a impressão [5,23].

A cabeça da extrusora está ligada a um sistema de três eixos que lhe permite mover- se nas direções X, Y e Z [1,5]. O equipamento apresenta um pequeno motor (passo a passo), que tem a capacidade de executar cada deslocamento com elevada precisão e exatidão (1,8 graus por passo), resultando numa resolução da ordem das décimas de milímetro. Os movimentos lineares são executados de forma semelhante aos de um equipamento de comando numérico por computador (CNC) e determinam a velocidade e resolução da impressão, estando limitados por sensores de fim de percurso. Nos eixos X e Y são usadas correias, de modo a proporcionar movimentos rápidos e precisos. Estes componentes são padronizados, de forma a facilitar as reparações aos utilizadores [22].

2 – Revisão do Estado de Arte

Quando o material arrefece, solidifica, obtendo-se assim as paredes do produto. Por vezes, o arrefecimento do material é acelerado através do uso de ventiladores ligados à cabeça de extrusão[5]. Quando uma camada é concluída, a plataforma desloca-se ou, dependendo das configurações da máquina, a cabeça de extrusão move-se e uma nova camada é depositada. Este processo é repetido até o produto estar completo [5].

A maioria dos sistemas FFF permite o ajuste de vários parâmetros do processo, incluindo a temperatura do bico, a posição da plataforma, a velocidade de construção, a altura da camada e a velocidade da ventoinha de arrefecimento, uma vez que estes parâmetros são, geralmente, estabelecidos pelo operador.

Duas características da maior importância em FFF são o tamanho do produto e a altura da camada. Pode ser necessário dividir um modelo de grandes dimensões em partes menores que são depois reagrupadas. A altura típica da camada produzida com FFF varia entre 50 e 400 μm. Uma camada de baixa espessura produz produtos de paredes mais finas e permite desenvolver geometrias complexas com maior precisão, enquanto que uma espessura elevada permite uma maior velocidade de produção de produtos e com menor custo. Normalmente opta-se por uma camada de 200 μm [5].

Quando o material extrudido arrefece ocorre a normal contração do material polimérico que, por vezes, origina empenos, sendo este um dos defeitos mais comuns no FFF. O arrefecimento diferencial provoca a acumulação de tensões internas que tracionam a camada subjacente, fazendo com que esta se deforme. Para evitar a deformação específica é preciso ter em conta algumas recomendações no design, tais como (i) evitar grandes áreas planas, visto que são mais propensas a deformações, e (ii) optar por cantos com formas arredondadas em vez de agudas. É também necessário ter em consideração os diferentes materiais e evitar os mais suscetíveis à deformação específica como, por exemplo, o acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) que é mais sensível à deformação específica em comparação com o PLA ou com o PETG, devido ao facto da sua temperatura de transição vítrea ser elevada e de ter um coeficiente de expansão térmica relativamente elevado [5]. Além da capacidade de se produzir uma vasta variedade de geometrias, através desta tecnologia é possível obter produtos com precisão elevada, com boa durabilidade e estabilidade [22]. Como já foi referido, quando o termoplástico fundido e extrudido através do bico é depositado sobre a camada anterior exercendo alguma pressão sobre esta. Devido à temperatura de deposição, e sob o efeito da pressão, à superfície da camada anterior refunde

e, desta forma, permite a ligação da nova camada com a parte impressa anteriormente. O fator mais importante e que determina a qualidade de um produto FFF é a boa aderência entre as camadas depositadas [5].

Por conseguinte as partes construídas por FFF são anisotrópicas. Sabe-se que o material fundido é pressionado contra a camada anterior, originando uma deposição de geometria deformada e oval. Este facto está ilustrado na Figura 14. Consequentemente, os produtos FFF apresentam uma superfície ondulada, mesmo com uma altura de camada reduzida [5].

As superfícies impressas em suporte do mesmo material da peça apresentam, geralmente, uma menor qualidade de superfície que o resto do produto, pelo que os produto deve ser projetado de forma a minimizar a necessidade de suporte [5]. Já a impressão em suportes solúveis melhora significativamente a qualidade da superfície do produto, mas aumenta o custo total da impressão, uma vez que é necessária um equipamento adequado, com extrusão dupla, e o custo do material solúvel é relativamente elevado [1].

Uma impressão FFF padrão pode ser dividida em quatro seções: os escudos, que são as paredes da impressão expostas ao exterior do modelo, as camadas inferiores (shell), referentes à parte da impressão que está exposta, ao exterior e de frente para a placa de construção, as camadas superiores (shell) correspondentes às partes da impressão que estão expostas, ao exterior e voltadas para cima na direção ao bico, e ainda a estrutura interna da impressão (infill), Figura 15 [1].

Figura 15 - As quatro seções de uma impressão FFF, suscetíveis de alteração pelo desenhador [1]. Figura 14 - Esquema da construção camada-a-camada FFF [1].

2 – Revisão do Estado de Arte

Os parâmetros dessas secções podem ser alterados para otimizar um projeto. A qualidade do acabamento dos produtos por FFF pode ser significativamente melhorada por recurso a vários métodos de pós-processamento tais, como polimento e pintura, soldadura a frio e revestimento com resinas epóxi.

As vantagens de FFF passam pelo facto de se tratar de uma forma económica de produzir produtos e protótipos termoplásticos personalizados, com uma rapidez de produção que permite uma entrega imediata e ainda pela gama de materiais termoplásticos disponíveis para transformação. Tem, porém, desvantagens, tais como tratar-se de uma técnica com menor precisão e resolução dimensional em comparação com outras técnicas de MA, sendo por essa razão mais utilizada para produtos com poucos detalhes. Depois de concluídas, os produtos evidenciam linhas de camada visíveis, o que torna necessário pós-processamento, sempre que é exigido um bom acabamento. Como referido, o mecanismo de aderência da camada torna os produtos anisotrópicos, o que é também uma desvantagem [5]. A gama de materiais disponíveis para FFF é um dos pontos fortes desta técnica. A técnica de FFF é, entre as técnicas de MA, uma das que pode processar mais materiais diferentes, como seja: PLA, ABS, materiais de engenharia (como poliuretano termoplástico (TPU) e politereflalato de etileno (PETG)) ou termoplásticos de alto desempenho (como o poli (éter, éter cetona) (PEEK)).