Processos de fabrico aditivo e materiais

Na tecnologia de fabrico aditivo, existem diferentes processos e materiais com propriedades específicas, a partir das quais se obtêm objetos distintos com características formais e funcionais diferenciadas. O conhecimento dos processos de fabrico atualmente existentes e a vasta gama de materiais dis‑ poníveis contribuem para uma escolha criteriosa, tendo em conta o que se pretende como resultado final. Cada processo de fabrico aditivo tem as suas potencialidades e limitações derivadas das propriedades dos materiais e dos equipamentos, que permitem produzir peças em metal, cerâmica, material orgânico e material polimérico. Semelhantes na forma de construção, camada sobre camada, os processos de fabrico aditivo variam no tipo de material uti‑ lizado, no endurecimento das camadas e no ligante entre cada uma (Warnier & Verbruggen, 2014). Dependendo do processo e da qualidade pretendida, o custo de um objeto impresso pode ser elevado e pouco competitivo quando

comparado com as técnicas de produção em grande escala. No entanto, nos últimos anos têm sido feitos largos investimentos para reduzir estes custos, acelerar a velocidade dos processos de fabrico, aumentar as áreas de impres‑ são e encontrar novos materiais de proveniências e de propriedades distin‑ tas (Koff & Gustafson, 2012). Algumas das restrições podem ser a dimensão reduzida da área de impressão, o número limitado de materiais passíveis de serem impressos em simultâneo, o demorado tempo de impressão da peça, a dificuldade de combinar diferentes materiais na mesma peça e o custo dis‑ pendioso associado a algumas tecnologias de alta resolução. A qualidade de uma peça produzida por fabrico aditivo pode ser determinada pela existência de estruturas de suporte no processo de impressão, pelo material utilizado, pela precisão geométrica do processo, pelas propriedades mecânicas e pela qualidade do acabamento na superfície.

Quadro 2.1 Comparação entre as características principais do fabrico aditivo e dos processos de fabrico convencionais (Steenhuis & Pretorius, 2017)

Características Fabrico aditivo Processos de fabrico convencionais

Complexidade  A construção do produto é feita através da sobreposição de camadas, o que possibilita a materialização de produtos de geometria complexa, impressos numa única operação.

Os produtos complexos não poderiam ser produzidos de uma vez só, teriam de ser separados em partes para posteriormente serem montadas num produto único Para produzir a peça final são necessárias uma quantidade de etapas.

Ferramentas de apoio ao fabrico

A tecnologia não necessita de ferramentas de apoio ao fabrico, consequentemente é relativamente barato produzir apenas uma unidade.

Muito produtos para serem impressos requerem várias ferramentas para fabricação (moldes), o que torna excessivamente dispendioso produzir apenas uma peça.

Desperdício Como o processo construtivo é aditivo, só deposita material onde é necessário, minimizando o desperdício.

Devido à natureza subtrativa dos processos, o material removido transforma ‑se em desperdício.

Automatização O processo é praticamente todo automatizado, e não tem economia de escala.

Muitos processos incluem trabalho manual e têm frequentemente economia de escala.

Em janeiro de 2012, a organização ASTM aprova uma lista de sete categorias da tecnologia de fabrico aditivo: material extrusion (ME), VAT photopolymerization (VP), powder bed fusion (PBF), material jetting (MJ), binder jetting (BJ), sheet lamination (SL) e directed energy deposition (DED). Das sete categorias as mais utilizadas são o material extrusion, VAT photopolymerization e powder bed fusion (Steenhuis & Pretorius, 2017), descritas nos pontos 3.1, 3.2 e 3.3, respetivamente. A classificação das tecnologias de fabrico aditivo apresentada neste estudo encontra ‑se descrita na norma ISO/ASTM 52900 – Additive manufacturing: General principles and Terminology (https://www.iso.org/ standard/69669.html) de 2015.

Das sete categorias da norma ISO/ASTM 52900, os processos direct energy deposition e sheet lamination não foram descritos neste trabalho pela sua pouca utilização e pouca representatividade no design de produto. Sendo uma norma ISO, é exigida a sua atualização 5 anos após a sua publicação, o que significa que em 2020 esta norma será atualizada, e tendo em conta os investimentos financeiros e os rápidos avanços tecnológicos, são esperadas alterações nos processos associados ao fabrico aditivo. O Quadro 2.2 apre‑ senta uma categorização dos processos de fabrico aditivo referidos na norma ISO/ASTM 52900 a partir dos autores Tofail et al. (2018).

Quadro 2.2 Processos e tecnologias de fabrico aditivo e respetivos materiais (Tofail et al., 2018)

ASTM/

tecnologias Processos de fabrico aditivo Breve descrição Materiais Vantagens Desvantagens Volume máximo (mm)

Material extrusion (ME) • Fused deposition modelling (FDM) • Fused filament fabrication (FFF) • Fused layer modelling (FLM) Consiste na extrusão de um filamento polimérico através de um bocal aquecido Polímeros Compósitos • Uso difundido; • Económico; • Escalável; • Permite construir partes totalmente funcionais • Anisotropia vertical; • Efeito de escada visível; • Desadequado para finos detalhes Pequeno a médio X = <900 Y = <600 Z = <900 VAT photopoly- merization (VP) • Stereo lithography (SL) • Digital light processing (DLP) Consiste na solidicação de uma resina líquida fotossensível curada seletivamente através da luz Polímeros cerâmicos • Excelente grau de precisão; • Excelente acabamento superficial e nos detalhes • Limitado aos fotopolímeros; • Curto tempo de vida

curto; • Fracas propriedades mecânicas; • Processo de construção lento e dispendioso Médio X < 2100 Y < 700 Z < 800

ASTM/

tecnologias Processos de fabrico aditivo Breve descrição Materiais Vantagens Desvantagens Volume máximo (mm)

Powder bed fusion (PBF) • Selective laser sintering/melting (SLS/SLM) • Electron beam melting (EBM) • Direct metal laser

sintering (DMLS) Consiste na sinterização seletiva de determinada zonas do tabuleiro de pó através da energia térmica do

laser, para criar

um objeto sólido • Metais; • Cerâmicos; • Polímeros; • Compósitos; • Híbridos • Custo relativamente baixo; • Pequena pegada ecológica; • Estrutura de suporte integrada (pó do tanque); • Vasta gama de opções de material • Processo relativamente lento; • Falta de integridade estrutural; • Limitações de tamanho; • Alta potência necessária; • Acabamento depende do tamanho inicial do pó Pequeno X= 200–300 Y= 200–300 Z= 200–350 Material Jetting (MJ) • 3D inkjet technology • Direct ink writing

Consiste no depósito de gotículas de material de construção que são depositadas seletivamente • Polímeros; • Cerâmicos; • Compósitos • Híbridos; • Biomateriais • Alta precisão no depósito da gotícula; • Pouco desperdício; • Peças de múltiplos material; • Múltiplas cores • Requer frequentemente material de suporte; • Limitado principalmente a fotopolímeros e resinas Pequeno X = <300 Y = <200 Z = <200 Binder jetting (BJ) • 3D inkjet technology Consiste na sobreposição de camadas finas de pó intercaladas por um líquido aglutinante • Metais; • Polímeros; • Cerâmicos; • Compósitos; • Híbridos • Liberdade formal para o design; • Grande volume de construção; • Velocidade rápida de impressão; • Custo relativamente baixo

• Peças frágeis com propriedades mecânicas limitadas • Pode necessitar de pós ‑produção Versátil (Pequeno a grande) X =<4000 Y =<200 Z =<1000 Directed energy deposition (DED) • Laser deposition (LD) • Laser engineered netshaping (LENS) • Electron beam • Plasma arc melting Consiste no depósito de particulas metálicas fundidas através de um laser • Metais; • Híbridos • Peças de alta qualidade; • Excelente para reparações de peças • Equilíbrio entre qualidade de superfície e velocidade de impressão; • Limitado a metais/ híbridos baseados em metal Versátil X = 600–3000 Y = 500–3500 Z = 350–5000 Sheet lamination (SL) • Laminated object manufacturing (LOM) • Ultrasound consolidation/ ultrasound • Additive manufacturing (UC/UAM) Consiste na sobreposição de folhas recortadas e coladas para formar um objeto • Metais; • Polímeros; • Cerâmicos; • Híbridos • Rápida velocidade de impressão; • Custo reduzido; • Facilidade de manuseio dos materiais • Integridade das peças dependendo do adesivo utilizado; • Pode necessitar de pós ‑produção nos acabamentos; • Uso limitado dos

material

Pequeno X = 150–250 Y = 200 Z = 100–150

2.1.1 Material extrusion

Material extrusion, também conhecido como fused filament fabrication (FFF) ou fused deposition modelling (FDM), consiste na passagem de um filamento contínuo de um termoplástico através de uma cabeça extrusora, previamente aquecida (Figura 2.2). O termo FDM foi registado e protegido pela empresa Stratasys para um processo de sobreposição de camadas no qual um filamento termoplástico fundido é depositado, camada sobre a camada, no tabuleiro de impressão da máquina (Steenhuis & Pretorius, 2017). Por isso a adoção do nome FFF, mais genérico, mas livre.

Figura 2.2

Esquematização do depósito do material no processo FFF (Redwood, Schoffer, Garret, 2017)

A termoplasticidade do filamento é uma propriedade essencial, para que os filamentos possam fundir juntos durante a impressão e, em seguida, solidificar à temperatura ambiente, após a impressão (Ngo, Kashani, Imbalzano, Nguyen & Hui, 2018) e formar um objeto tridimensional. Alguns dos termoplásticos passíveis de fabrico através deste processo são: PLA e ABS; mas também policarbonatos como PET e Nylon. Podem ainda ser processados filamen‑ tos misturados tais como compósitos à base de metal e de madeira, com o ganho de propriedades interessantes como, por exemplo, a condutividade, a resistência a temperaturas ou a condições de exterior. Devido ao material ser um termoplástico, este processo permite o fabrico de peças funcionais com uma significativa resistência mecânica; no entanto, o seu acabamento mostra um chamado “efeito de escada”, consequência da sobreposição do material. O efeito escada próprio deste processo pode ser transformado num ele‑ mento estético do produto. No caso do processo FFF, o término das patentes e os preços competitivos levaram a uma proliferação dos equipamentos no mercado doméstico, o que tornou este processo o mais vulgarizado. As suas maiores limitações advêm das propriedades anisotrópicas (Redwood, Schoffer, Garret, 2017) devido ao processo de sobreposição de camadas, o que confere à peça uma menor resistência, sobretudo quando sujeita a forças verticais em relação ao plano da impressão, que poderão levar à separação das cama‑ das. Dependendo do desenho da peça, o processo poderá usar material de suporte; no entanto, as estruturas de suporte podem ser otimizadas para

evitar o desperdício do material e reduzir os tempos de impressão (Myant et al., 2016). O material de suporte poderá ser colocado num segundo bocal, que fará a extrusão em simultâneo com o material para a construção da peça (Gebhardt, 2012). Os equipamentos de custo mais elevado permitem uma maior definição e minimização do efeitos escada e utilizam um material de suporte solúvel (Figura 2.3), permitindo explorar formas mais complexas inseridas umas nas outras (Figura 2.4). Algumas impressoras são limitadas a determinados materiais, por isso condicionam o tipo de peça que podem produzir (rígida ou flexível), no entanto cada vez é maior a variedade de fila‑ mentos, tal como o leque de cores.

Figura 2.3

Material de suporte solúvel que permite imprimir numa única operação esferas dentros de esferas

Figura 2.4

Objeto com insertos, produzidos numa única operação em FFF

2.1.2 VAT photopolymerization

Os processos mais comuns de VAT photopolymerization são stereolithogra‑ phy (SL) e direct light processing (DLP). Ambos consistem na cura de uma resina líquida fotossensível que solidifica quando exposta à luz ultravioleta (Figura 2.5). A diferença entre o SL e o DLP é o tipo de luz que se utiliza para curar a resina. No processo SL, o laser incide sobre a superfície da resina fotopolimerizável, que após a polimerização vai solidificando, camada sobre camada (Prince, 2014).

A resina dentro da tina que não esteve exposta à luz é removida após a impressão e reaproveitada para a utilização seguinte (Ngo et al., 2018). No processo DLP, é utilizado um projetor digital que envia uma imagem de cada

camada para a área de impressão. O processo VP, inventado nos anos 80 por Chuck Hull, foi o primeiro processo a retirar o fabrico aditivo do laboratório para a comercialização (Warnier & Verbruggen, 2014). É um processo demorado e dispendioso devido ao custo do material, no entanto consegue objetos de elevada precisão e com excelente acabamento superficial (Figura 2.6), daí a sua utilização na indústria dos moldes para o fabrico de “positivos”. A fraca resistência ao impacto e a pouca durabilidade impossibilitam o fabrico de moldes para injeção e limita o fabrico de peças funcionais. Um tratamento pós ‑produção, como fotocura, pode ser usado, a fim de se obter um melhor desempenho mecânico (Ngo et al., 2018). As limitações estão relacionadas com a fragilidade do material fotopolimérico que utiliza e com o reduzido número de cores das resinas. A fragilidade das peças e a sua degradação expostas à luz podem ser evitadas se for dado o devido acabamento na superfície. Para além disso, as propriedades mecânicas das peças vão ‑se degradando ao longo do tempo devido à exposição à luz, reduzindo o tempo de vida da peça (Redwood, Schoffer, Garret, 2017).

Figura 2.5

Esquematização da construção da peça através do processo SL (Redwood, Schoffer, Garret, 2017)

Figura 2.6

2.1.3 Power bed fusion

Os processos powder bed fusion consistem em incidir uma fonte de calor a alta temperatura numa camada fina de partículas de pó fino distribuído por uma plataforma e, através de um processo de fusão, fundir as moléculas desse material umas nas outras (Figura 2.7). Após cada passagem do laser, a plataforma desce e um rolo deposita uma nova camada de pó (0.08–0.12 mm de espessura) para fundir e assim, camada sobre camada, produz a peça final (Ngo et al., 2018). Uma das vantagens do processo é a utilização do próprio pó como material de suporte, o que permite a sua fácil remoção após a conclusão da peça. Desta forma, o material que não é utilizado é facilmente removido da peça, normalmente por vácuo, obrigando apenas a pós ‑produção (Myant et al., 2016). No processo selective laser sintering (SLS) podem ser usados vários materiais, como polímeros, metais e pós de ligas.

Figura 2.7

Esquematização da construção da peça através do processo SLS (Redwood, Schoffer, Garret, 2017)

Mais limitado é o selective laser melting (SLM), em que só podem ser usados metais. No processo poderão ser utilizados materiais como o alumínio, titânio, cobalto‑cromo, em princípio qualquer metal que possa fundir, onde o fator da condutividade térmica pode ser um fator de escolha (Redwood, Schoffer, Garret, 2017). As tecnologias direct metal laser sintering (DMLS) e selective laser melting (SLM) utilizam o laser como fonte de calor, num processo seme‑ lhante ao SLS. Diferem do processo SLS por necessitarem de material de suporte, para além do próprio pó, devido ao risco elevado de distorção que poderá ocorrer com as altas temperaturas de fusão.

Inventado pelo professor Joe Beaman em parceria com o estudante Carl Deckard, da Universidade do Texas, na década de 80, o sistema SLS é bas‑ tante versátil e amplamente utilizado na construção de peças com geometrias complexas e com articulações integradas (Figura 2.8). Os pós para o SLS são habitualmente brancos, cinzas ou pretos, no entanto a peça poderá levar um acabamento de cor. A natureza isotrópica do processo contribui para produ‑ zir peças com as mesmas propriedades mecânicas em todos os sentidos, e por isso é o mais indicado para peças funcionais com geometrias complexas (Redwood, Schoffer, Garret, 2017).

Os equipamentos relacionados com estas tecnologias estão essencialmente em contexto industrial, pois, para além de requererem competências técnicas muito específicas, permitem um elevado nível de costumização e otimização topológicas de peças para a indústria, que não seriam possíveis de produzir através dos processos de fabrico convencionais. A excelente qualidade de impressão é uma das principais vantagens do power bed fusion, no entanto, o processo é demorado e dispendioso comparativamente ao FFF e SL.

2.1.4 Material jetting

O processo material jetting (MJ) consiste no depósito de gotículas de resina por uma cabeça de impressão, semelhantes às impressoras 2D de tinta. No processo é utilizado um material fotopolimérico que solidifica num processo de cura, através de uma luz UV, camada sobre camada, até formar o objeto final (Figura 2.9) (Anthony, Evans, Rennie & Kirkby, 2011).

Figura 2.8

Objeto com múltiplas peças (multi ‑assemblies) impresso numa única operação por SLS

Figura 2.9

Esquematização da construção da peça através do processo MJ (Redwood, Schoffer, Garret, 2017)

De forma a garantir uma maior precisão das peças, o material de suporte que é depositado em simultâneo com o material de construção é solúvel e facilmente removido na fase de pós ‑impressão (Vaezi, Chianrabutra, Mellor & Yang, 2013). A espessura de cada camada é de 0,016 mm, o que permite

superfícies com um acabamento bastante liso. Os materiais que utiliza são resinas fotopoliméricas que atingem uma baixa viscosidade quando aquecidas (30–60 ºC) para conseguirem passar pelas cabeças de impressão. Uma das maiores vantagens desta tecnologia é a possibilidade de produzir peças com alta resolução e multimateriais (Myant et al., 2016). Os custos são relativa‑ mente altos em comparação com o FFF e com o SL. Neste processo é possível misturar materiais para se conseguir a combinação desejada, para tornar a peça mais flexível ou mais rígida consoante a quantidade de material, permi‑ tindo assim imprimir produtos articulados (Figura 2.10), cujas componentes poderão ter diferentes propriedades mecânicas, como dureza ou plasticidade.

Figura 2.10

Conjunto de peças articuladas impressas numa única operação por MJ

2.1.5 Binder jetting

O processo binder jetting (BJ) foi desenvolvido por Michael Cima e Elyl Sachs na década de 90, no Massachusetts Institute of Technology (MIT). Semelhante ao SLS, também aqui uma camada fina de pó é depositada sobre a plataforma, a diferença é a união entre camadas e partículas ser feita através de uma “cola”, um material ligante depositado sobre a superfície de pó. Um procedi‑ mento que se repete até imprimir a totalidade da peça (Figura 2.11). O processo principal é o 3D Inkjet (3DP), com a capacidade de fabricar peças de vários materiais, incluindo cerâmica (Figura 2.12), metais e polímeros com geometrias impossíveis de produzir pelos processos de fabrico convencionais (Vaezi et al., 2013). Depois de concluído o fabrico, a peça é sujeita a um processo de cura para ganhar resistência.

Este processo pode ser dividido em duas partes: sand binder e metal binder. A tecnologia sand binder permite modelos completamente funcionais de cores variadas (Figura 2.13) com geometrias complexas a um custo relativamente baixo. Por permitir uma enorme variedade de cores, esta tecnologia é utilizada para peças finais e personalizadas de joalharia ou figuras humanas realistas. A tecnologia metal binder, tal como o nome indica, serve para produzir peças em metal. Neste processo, as peças são posteriormente sinterizadas num forno próprio, correndo o risco de encolher, algo que deverá ser acautelado na fase do design (Redwood, Schoffer, Garret, 2017).

Figura 2.11

Esquematização da construção da peça através do processo BJ (Redwood, Schoffer, Garret, 2017)

Figura 2.12

Peça de geometria complexa produzida por 3D Inkjet (3DP)

Figura 2.13

Peça multicolorida impressa em binder jetting (http://moleculedigital.eu/markets/3d‑printing/

material ‑jetting.html)

O método construtivo dos diferentes processos pode ser semelhante, um conjunto de camadas sobrepostas, contudo o problema reside na multiplici‑ dade e nas especificidades dos processos disponíveis, obrigando a considerar questões como: custo, acessibilidade à tecnologia, precisão, geometria da superfície, tamanhos das áreas de impressão, velocidade de construção e materiais que condicionaram os resultados finais.

2.1.6 Materiais para fabrico aditivo

Esta secção percorre, de forma sucinta, os tópicos relacionados com os mate‑ riais que alcançaram destaque e importância através da sua utilização no fabrico aditivo. A qualidade de uma peça produzida por FA é influenciada por um conjunto de parâmetros relacionados com o material, neste caso a matéria ‑prima, o processo de fabrico aditivo e o desenho de construção da peça, e por isso, tal como sugere Gebhardt (2012), “material, build process, and engineering design cannot be regarded separately but rather all of them need to be addressed” (p. 129).

Os materiais usados nos processos de fabrico aditivo dividem ‑se em polímeros, metais, cerâmicos e biomateriais (Doubrovski et al., 2011a) e suas combinações na forma de materiais compósitos e híbridos para novas apli‑ cações. Entre estes materiais, os polímeros têm sido largamente utilizados, provavelmente devido à sua vasta utilização nas máquinas da primeira geração, destinadas principalmente à prototipagem rápida. Contudo, atualmente é possível imprimir formas e estruturas 3D em metal, cerâmica, nanomateriais e biomateriais (Tofail et all, 2018). Desde o surgimento da tecnologia que os materiais têm sido uma importante força motriz, impulsionadora do desen‑ volvimento. Tal como nos processos de fabrico tradicionais, a escolha do material está vinculada às restrições do processo (Doubrovski et al., 2011a; Hague, 2006).

Os constrangimentos do material condicionam o design dos produtos e os seus atributos. Ao entrar em “concorrência” com os processos de fabrico convencionais, foram necessários esforços no desenvolvimento de novos materiais que melhorassem as qualidade finais do produto impresso, mas mantivessem as características necessárias do respetivo processo construtivo (Campbell et al., 2012). Por isso, o investimento na área é cada vez maior para a descoberta de materiais com novas propriedades, que possam ser usados pelas tecnologias na fases de construção e na pós ‑produção e que reforcem as oportunidades para o design. A compreensão das propriedades e dos compor‑ tamentos dos materiais em cada processo pode ser decisiva para um projeto de design para fabrico aditivo, por isso “understanding material to material interactions and their processability are also key issues to successful part fabrication” (Tofail et al., 2018, p. 35). Os polímeros terão sido dos primeiros materiais no fabrico aditivo, no entanto, a lista de materiais passíveis de serem “impressos” tem crescido nos últimos anos, desde os mais comuns, como a cerâmica, o cimento ou o chocolate, aos mais arrojados e inovadores, como o tecido humano (Koff & Gustafson, 2012) ou o pó de inseto, como estratégia de sustentabilidade alimentar.

Comportamento anisotrópico

O comportamento anisotrópico é um desafio na tecnologia de fabrico aditivo, consequência do processo construtivo. Quando a peça é construída camada sobre camada, as propriedades da peça paralelas à área de construção dife‑ rem em relação às perpendiculares. Neste caso, diz ‑se que a peça possui pro‑