Os avanços tecnológicos inerentes a AM, nomeadamente nas impressoras 3D, focam-se na melhoria da qualidade e aumento da rapidez de processamento da peça. Porém, no processamento de peças com grandes dimensões estes avanços são insatisfatórios. Com o objetivo de conciliar os três critérios, é necessário alterar a arquitetura das impressoras 3D já existentes, de modo a aumentar a sua produtividade. Na sua maioria, as impressoras que se encontram disponíveis no mercado são constituídas apenas por uma cabeça de impressão, existindo, no entanto, registos de impressoras 3D com múltiplas cabeças, nomeadamente no processo de FDM para polímeros. Logo, torna-se relevante apresentar os seus avanços. Em alguns dos casos, a sua adaptação e aplicação nos processos de AM para metais pode ser possível. Aumentando o número de cabeças resulta num aumento de produtividade. Teoricamente, impressoras 3D com N cabeças de impressão, reduzem o tempo de fabrico num fator de N.
Wachsmuth desenvolveu uma estrutura com múltiplas cabeças independentes capazes de partilhar a mesa de impressão. A estrutura é constituída por módulos de impressão responsáveis pelo processamento nas direções X, Y e Z. A Figura 2.7a representa a estrutura no plano XY. Devido ao design do módulo de impressão, a estrutura é constituída apenas por dois subsistemas. A Figura 2.7a representada apenas quatro módulos em cada um dos subsistemas. No entanto, pode-se acrescentar um certo número de módulos até que, mecanicamente, a estrutura seja capaz de suportar os esforços impostos. Deste modo, a impressora 3D permite processar peças com dimensões elevadas na direção X [40].
Uzan e Yakubov registaram uma patente de uma estrutura formada por uma mesa de impressão e múltiplas cabeças cujos módulos são movimentados a partir de fusos paralelos (eixo X), podendo ser
partilhados pelas diversas cabeças (Figura 2.7b). Cada módulo possui um fuso individual (eixo Y). O conjunto de fusos permite o deslocamento das cabeças de impressão no plano XY. A adição/remoção de fusos paralelos e a sua partilha permite reconfigurar a impressora consoante o pretendido. A adição de camadas resulta do movimento vertical descendente da mesa de impressão única. Isto implica que o início do processamento pelas cabeças de impressão se dê ao mesmo tempo [41].
Jian apresentou uma patente de um sistema rotacional cujas cabeças se encontram uniformemente distribuídas entre si no plano XY (Figura 2.7c). Cada cabeça de impressão movimenta-se independentemente sobre carris perpendiculares ao eixo Z de rotação. A presença de um eixo vertical no centro da mesa de impressão apenas permite o fabrico de peças simétricas processadas envolto do eixo de rotação [42].
Fontaine criou e patenteou uma estrutura, aplicada pela empresa Stacker, constituída por um sistema modular configurável pelo utilizador que consiste em duas ou mais cabeças de impressão dispostas segundo o eixo X (Figura 2.7d). Assim, apenas é possível fabricar peças iguais e simultaneamente. A adição de camadas segundo Z é efetuada através do movimento vertical descendente da mesa de impressão [43].
a) Wachsmuth [40] b) Uzan e Yakubov [41]
c) Jian [42] d) Fontaine [43]
Figura 2.7: Impressoras FDM de múltiplas cabeças.
O trabalho desenvolvido por Zhang e Khoshnevis é aplicado à construção civil, nomeadamente para estruturas em cimento (Figura 2.8). São apresentadas duas arquiteturas de máquinas: (a) composta por múltiplos pórticos, cada um com uma cabeça de impressão e (b) composta por uma plataforma em pórtico integrada com múltiplas cabeças de impressão coplanares. Na arquitetura (a), os pórticos são independentes entre si. Na arquitetura (b), a deposição por cada cabeça é independente apenas no plano XY [44]. x y x y z x
Figura 2.8: Representação das duas arquiteturas desenvolvidas por Zhang e Khoshnevis [44].
No projeto Echer, criado pela Autodesk, foi também desenvolvida uma impressora 3D baseada em pórticos independentes responsáveis pelos movimentos em X, Y e Z. Cada pórtico é composto por uma cabeça de impressão [45]. Em 2017, o conceito foi aplicado pela empresa Titan Robotics dando origem à impressora The Cronus (Figura 2.9). Cada movimento segundo X, Y e Z é efetuado com o auxílio de fusos roscados. Os fusos segundo X podem ser partilhados por diversos pórticos, mas os fusos responsáveis pelos movimentos em Y e Z são particulares a cada um. Segundo a empresa Titan Robotics, a impressora pode ser costumizável de acordo com as preferências e necessidades do cliente. Esta impressora 3D permite fabricar peças de grandes dimensões na direção X. No entanto, a deposição de material nas direções Y e Z está limitada de acordo com a estrutura de cada pórtico [46].
Figura 2.9: Impressora FDM The Cronus com múltiplos pórticos [46].
Boto apresentou uma arquitetura composta por módulos independentes cada um constituído por uma cabeça e mesa de impressão (Figura 2.10). A cabeça é responsável pelos movimentos em X e Y e a mesa pelo movimento em Z descendente. Além destes módulos serem removíveis e permutáveis, é possível que a mesa de impressão seja partilhada por múltiplas cabeças, sem perigo de colisão. Isto deve-se aos fusos responsáveis pelo movimento em Y, entre dois módulos adjacentes, se encontram desfasados segundo Z. No entanto, a deposição entre cabeças dá-se à mesma cota em Z. O movimento em X é efetuado pela ação de um par de cremalheiras e rodas dentadas. Com a instalação de múltiplos pares paralelos de cremalheiras e módulos, este conceito é o único (dos apresentados) que não se encontra limitado no fabrico de peças de grandes dimensões no plano XY. No entanto, a
x z a) b) x y z
estrutura da impressora 3D deve ser projetada para suportar os esforços submetidos. Para aplicações de peças com dimensões elevadas, é possível remover as colunas da estrutura entre a mesa de impressão e os módulos e apoiar os últimos no teto da fábrica, por exemplo [47].
Figura 2.10: Impressora de FDM desenvolvida por Boto com dois sistemas de cremalheiras e três cabeças e mesas de impressão [47].
x y z