Há uma série de limitações para a manufatura tradicional, que foi amplamente baseada no trabalho humano e feita por ideologia manual que remonta às origens etimológicas da palavra francesa para manufatura em si. No entanto, o mundo da manufatura mudou e os processos automatizados, como usinagem, fundição, conformação e moldagem são todos (relativamente) novos e complexos processos que requerem máquinas, computadores e tecnologia de robô.
No entanto, todas essas tecnologias exigem a subtração de material de um bloco maior, seja para obter o produto final em si ou para produzir uma ferramenta para processos de fundição ou moldagem e isso é uma limitação séria no processo de fabricação geral.
Para muitas aplicações, os processos tradicionais de projeto e produção impõem uma série de restrições inaceitáveis, incluindo ferramentas caras, conforme mencionado acima, acessórios e a necessidade de montagem de peças complexas. Além disso, os processos de manufatura subtrativos, como usinagem, podem resultar em até 90% do bloco original de material sendo desperdiçado. Em contraste, a impressão 3D é um processo para criar objetos diretamente, adicionando material camada por camada de várias maneiras, dependendo da tecnologia usada. Simplificando a ideologia por trás da impressão 3D, para quem ainda está tentando entender o conceito (e são muitos), poderia ser comparado ao processo de construir algo com blocos de Lego automaticamente.
A impressão 3D é uma tecnologia capacitadora que incentiva e impulsiona a inovação com liberdade de design sem precedentes, ao mesmo tempo que é um processo sem ferramentas que reduz custos proibitivos e tempos de execução. Os componentes podem ser projetados especificamente para evitar requisitos de montagem com geometria intrincada e recursos complexos criados sem custo extra. A impressão 3D também está emergindo como uma tecnologia de eficiência energética que pode fornecer eficiência ambiental em termos do próprio processo de fabricação, utilizando até 90% dos materiais padrão, e durante toda a vida útil dos produtos, por meio de um design mais leve e resistente.
Nos últimos anos, a impressão 3D foi além de ser um prototipagem industrial e um processo de fabricação à medida que a tecnologia se tornou mais acessível para pequenas empresas e até mesmo indivíduos. Outrora o domínio de grandes corporações multinacionais devido à escala e economia de possuir uma impressora 3D, impressoras 3D menores (menos capazes) podem agora ser adquiridas por menos de $ 1000.
Isso abriu a tecnologia para um público muito mais amplo e, à medida que a taxa de adoção exponencial continua acelerada em todas as frentes, mais e mais sistemas, materiais, aplicativos, serviços e auxiliares estão surgindo.
As primeiras tecnologias de impressão 3D tornaram-se visíveis no final da década de 1980, quando foram chamadas de tecnologias de Prototipagem Rápida (RP). Isso ocorre porque os processos foram originalmente concebidos como um método rápido e mais econômico para a criação de protótipos para desenvolvimento de produtos na indústria. Como um aparte interessante, o primeiro pedido de patente para a tecnologia RP foi depositado por um Dr. Kodama, no Japão, em maio de 1980. Infelizmente para o Dr. Kodama, a especificação completa da patente não foi posteriormente registrada antes do prazo de um ano após o pedido, que é particularmente desastroso, considerando que ele era um advogado de patentes! Em termos reais, entretanto, as origens da impressão 3D podem ser rastreadas até 1986, quando a primeira patente foi emitida para aparelhos de estereolitografia (SLA). Esta patente pertenceu a Charles (Chuck) Hull , que inventou sua máquina SLA em 1983. Hull foi cofundador da 3D Systems Corporation – uma das maiores e mais prolíficas organizações que operam no setor de impressão 3D atualmente.
O primeiro sistema RP comercial da 3D Systems, o SLA-1, foi introduzido em 1987 e, após testes rigorosos, o primeiro desses sistemas foi vendido em 1988. Como é bastante comum com a nova tecnologia, enquanto o SLA pode reivindicar ser o primeiro após o início Posto isto, não era a única tecnologia de RP em desenvolvimento na época, pois, em 1987, Carl Deckard , que estava trabalhando na Universidade do Texas, depositou nos Estados Unidos uma patente para o processo RP de Sinterização Seletiva a Laser (SLS). Esta patente foi emitida em 1989 e o SLS foi posteriormente licenciado para DTM Inc, que mais tarde foi adquirida pela 3D Systems. 1989 também foi o ano em que Scott Crump , co-fundador da Stratasys Inc. registrou uma patente para Fused Deposition Modeling (FDM) – a tecnologia proprietária que ainda é mantida pela empresa hoje, mas também é o processo usado por muitos dos máquinas de nível de entrada, baseadas no modelo RepRap de código aberto, que são prolíficas hoje. A patente FDM foi concedida à Stratasys em 1992. Na Europa, 1989 também viu a formação da EOS GmbH na Alemanha, fundada por Hans Langer . Depois de um flerte com os processos SL, o foco de P&D da EOS foi colocado fortemente no processo de sinterização a laser (LS), que continuou a crescer cada vez mais. Hoje, os sistemas EOS são reconhecidos em todo o mundo por sua produção de qualidade para aplicações de prototipagem industrial e produção de impressão 3D. A EOS vendeu seu primeiro sistema ‘Stereos’ em 1990. O processo de sinterização a laser de metal direto (DMLS) da empresa resultou de um projeto inicial com uma divisão da Electrolux Finland, que foi posteriormente adquirida pela EOS.
Outras tecnologias e processos de impressão 3D também surgiram durante esses anos, nomeadamente Ballistic Particle Manufacturing (BPM) originalmente patenteado por William Masters, Laminated Object Manufacturing (LOM) originalmente patenteado por Michael Feygin , Solid Ground Curing (SGC) originalmente patenteado por Itzchak Pomerantz et al e ‘impressão tridimensional’ (3DP) originalmente patenteado por Emanuel Sachs et al. E assim, o início dos anos 90 testemunhou um número crescente de empresas concorrentes no mercado de RP, mas apenas três das originais permanecem até hoje – 3D Systems, EOS e Stratasys.
Ao longo da década de 1990 e início de 2000, uma série de novas tecnologias continuou a ser introduzida, ainda focada totalmente em aplicações industriais e enquanto eles ainda eram amplamente processos para aplicações de prototipagem, P&D também estava sendo conduzido pelos fornecedores de tecnologia mais avançada para ferramentas específicas, fundição e aplicações de manufatura direta. Isso viu o surgimento de uma nova terminologia, ou seja, Rapid Tooling (RT), Rapid Casting e Rapid Manufacturing (RM), respectivamente.
Em termos de operações comerciais, Sanders Prototype (mais tarde Solidscape ) e ZCorporation foram criados em 1996, Arcam foi fundado em 1997, Objet Geometries foi lançado em 1998, MCP Technologies (um fabricante original de fundição a vácuo) introduziu a tecnologia SLM em 2000, EnvisionTec foi fundada em 2002, a ExOne foi estabelecida em 2005 como um spin-off da Extrude Hone Corporation e a Sciaky Inc foi pioneira em seu próprio processo de aditivos com base em sua tecnologia proprietária de soldagem por feixe de elétrons. Todas essas empresas serviram para engrossar as fileiras das empresas ocidentais que operam em um mercado global. A terminologia também evoluiu com uma proliferação de aplicações de manufatura e o termo genérico aceito para todos os processos era Manufatura Aditiva (AM). Notavelmente, houve muitos desenvolvimentos paralelos ocorrendo no hemisfério oriental. No entanto, essas tecnologias, embora significativas em si mesmas e com algum sucesso local, não impactaram realmente o mercado global na época.
Em meados da década de 90 , o setor começou a dar sinais de diversificação distinta, com duas áreas de destaque específicas que hoje estão muito mais claramente definidas. Primeiro, havia a impressão 3D de ponta, sistemas ainda muito caros, que eram voltados para a produção de peças complexas de alto valor e altamente projetadas. Isso ainda está em andamento – e crescendo – mas os resultados só agora estão realmente começando a se tornar visíveis em aplicações de produção nos setores aeroespacial, automotivo, médico e de joalheria fina , à medida que anos de P&D e qualificação estão valendo a pena. Muito ainda permanece a portas fechadas e / ou sob acordos de não divulgação (NDA). No outro extremo do espectro, alguns dos fabricantes de sistemas de impressão 3D estavam desenvolvendo e promovendo ‘ modeladores de conceito ‘, como eram chamados na época. Especificamente, essas eram impressoras 3D que mantiveram o foco na melhoria do desenvolvimento de conceitos e prototipagem funcional, que estavam sendo desenvolvidas especificamente como sistemas econômicos e fáceis de usar no escritório. O prelúdio das máquinas desktop de hoje. No entanto, esses sistemas ainda eram muito para aplicações industriais.
No segmento inferior do mercado – as impressoras 3D que hoje são vistas como de gama média – surgiu uma guerra de preços juntamente com melhorias incrementais na precisão, velocidade e materiais de impressão.
Em 2007, o mercado viu o primeiro sistema abaixo de US $ 10.000 da 3D Systems, mas isso nunca atingiu a marca que deveria. Isso se deveu em parte ao próprio sistema, mas também a outras influências do mercado. O Santo Graal naquela época era conseguir uma impressora 3D abaixo de US $ 5.000 – isso foi visto por muitos especialistas da indústria, usuários e comentaristas como a chave para abrir a tecnologia de impressão 3D para um público muito mais amplo. Durante grande parte daquele ano, a chegada da tão aguardada Desktop Factory – que muitos previram que seria o cumprimento do Santo Graal – foi anunciada como a única a ser observada. Não deu em nada, já que a organização vacilou na corrida para a produção. A Desktop Factory e sua líder, Cathy Lewis, foram adquiridas, junto com a IP, pela 3D Systems em 2008 e praticamente desapareceram. Como se viu, 2007 foi na verdade o ano que marcou o ponto de virada para a tecnologia de impressão 3D acessível – embora poucos tenham percebido na época – quando o fenômeno RepRap se enraizou. O Dr. Bowyer concebeu o conceito RepRap de uma impressora 3D de código aberto e auto-replicante já em 2004, e a semente germinou nos anos seguintes com um trabalho árduo de sua equipe em Bath, principalmente Vik Oliver e Rhys Jones, que desenvolveram do conceito até protótipos de trabalho de uma impressora 3D usando o processo de deposição. 2007 foi o ano em que os brotos começaram a aparecer e esse movimento embrionário de impressão 3D de código aberto começou a ganhar visibilidade.
Mas foi apenas em janeiro de 2009 que a primeira impressora 3D disponível comercialmente – em forma de kit e baseada no conceito RepRap – foi colocada à venda. Esta foi a impressora BfB RapMan 3D. Seguido de perto pela Makerbot Industries em abril do mesmo ano, cujos fundadores estiveram fortemente envolvidos no desenvolvimento do RepRap até que se afastaram da filosofia Open Source após um amplo investimento. Desde 2009, uma série de impressoras de deposição semelhantes surgiram com pontos de venda exclusivos (USPs) marginais e continuam a fazê-lo. A dicotomia interessante aqui é que, enquanto o fenômeno RepRap deu origem a um setor totalmente novo de impressoras 3D comerciais básicas, o ethos da comunidade RepRap é sobre desenvolvimentos de código aberto para impressão 3D e manter a comercialização sob controle.
2012 foi o ano em que processos alternativos de impressão 3D foram introduzidos no nível de entrada do mercado. O B9Creator ( utilizando tecnologia DLP) foi lançado primeiro em junho, seguido pelo Form 1 ( utilizando estereolitografia) em dezembro. Ambos foram lançados através do site de financiamento Kickstarter – e ambos tiveram grande sucesso.
Como resultado da divergência de mercado, avanços significativos no nível industrial com recursos e aplicativos, aumento dramático na conscientização e aceitação por meio de um movimento crescente de fabricantes, 2012 também foi o ano em que muitos canais de mídia convencionais diferentes adotaram a tecnologia. 2013 foi um ano de significativo crescimento e consolidação. Um dos movimentos mais notáveis ​​foi a aquisição da Makerbot pela Stratasys.
Considerada a 2ª, 3ª e, por vezes, 4ª Revolução Industrial por alguns, o que não se pode negar é o impacto que a impressão 3D está a ter no sector industrial e o enorme potencial que a impressão 3D está a demonstrar para o futuro dos consumidores. A forma que esse potencial assumirá ainda está se revelando diante de nós.
O ponto de partida para qualquer processo de impressão 3D é um modelo digital 3D, que pode ser criado usando uma variedade de programas de software 3D – na indústria, é CAD 3D, para fabricantes e consumidores existem programas mais simples e acessíveis disponíveis – ou digitalizados com um Scanner 3D. O modelo é então ‘fatiado’ em camadas, convertendo assim o desenho em um arquivo legível pela impressora 3D. O material processado pela impressora 3D é então disposto em camadas de acordo com o design e o processo. Conforme declarado, existem vários tipos diferentes de tecnologias de impressão 3D, que processam diferentes materiais de maneiras diferentes para criar o objeto final. Plásticos funcionais, metais, cerâmicas e areia são, agora, todos usados ​​rotineiramente para aplicações de produção e prototipagem industrial. A pesquisa também está sendo conduzida para a impressão 3D de biomateriais e diferentes tipos de alimentos. De um modo geral, porém, no nível de entrada do mercado, os materiais são muito mais limitados. O plástico é atualmente o único material amplamente utilizado – geralmente ABS ou PLA, mas há um número crescente de alternativas, incluindo Nylon. Há também um número crescente de máquinas de entrada que foram adaptadas para alimentos, como açúcar e chocolate.
Cada um dos diferentes tipos de impressoras 3D emprega uma tecnologia diferente que processa diferentes materiais de maneiras diferentes. É importante compreender que uma das limitações mais básicas da impressão 3D – em termos de materiais e aplicações – é que não existe uma solução única para todos. Por exemplo, algumas impressoras 3D processam materiais em pó (náilon, plástico, cerâmica, metal), que utilizam uma fonte de luz / calor para sinterizar / derreter / fundir camadas do pó na forma definida. Outros processam materiais de resina polimérica e novamente utilizam luz / laser para solidificar a resina em camadas ultrafinas . O jato de gotas finas é outro processo de impressão 3D, que lembra a impressão a jato de tinta 2D, mas com materiais superiores à tinta e um aglutinante para fixar as camadas. Talvez o processo mais comum e facilmente reconhecido seja a deposição, e esse é o processo empregado pela maioria das impressoras 3D básicas. Este processo extrude plásticos, comumente PLA ou ABS, em forma de filamento por meio de uma extrusora aquecida para formar camadas e criar a forma predeterminada.
Como as peças podem ser impressas diretamente, é possível produzir objetos muito detalhados e intrincados, geralmente com funcionalidade incorporada e eliminando a necessidade de montagem.
No entanto, outro ponto importante a enfatizar é que nenhum dos processos de impressão 3D vem como opções plug and play até hoje. Existem muitas etapas antes de imprimir e mais uma vez que a peça sai da impressora – muitas vezes são esquecidas. Além das realidades do design para impressão 3D, que pode ser difícil, a preparação e a conversão de arquivos também podem ser demoradas e complicadas, especialmente para peças que exigem suportes complexos durante o processo de construção. No entanto, há atualizações e upgrades contínuos de software para essas funções e a situação está melhorando. Além disso, uma vez fora da impressora, muitas peças precisarão passar por operações de acabamento. A remoção do suporte é óbvia para processos que exigem suporte, mas outros incluem lixamento, laca, pintura ou outros tipos de acabamentos tradicionais, que normalmente precisam ser feitos à mão e requerem habilidade e / ou tempo e paciência.
A estereolitografia (SL) é amplamente reconhecida como o primeiro processo de impressão 3D; certamente foi o primeiro a ser comercializado . SL é um processo baseado em laser que trabalha com resinas de fotopolímero, que reagem com o laser e curam para formar um sólido de uma forma muito precisa para produzir peças muito precisas. É um processo complexo, mas simplificado, a resina de fotopolímero é mantida em um tanque com uma plataforma móvel dentro. Um feixe de laser é direcionado nos eixos XY através da superfície da resina de acordo com os dados 3D fornecidos à máquina (o arquivo .stl ), pelo que a resina endurece precisamente onde o laser atinge a superfície. Depois que a camada é concluída, a plataforma dentro do tanque desce uma fração (no eixo Z) e a camada subsequente é traçada pelo laser. Isso continua até que todo o objeto seja concluído e a plataforma possa ser elevada para fora do tanque para remoção.
Devido à natureza do processo SL, ele requer estruturas de suporte para algumas peças, especificamente aquelas com saliências ou rebaixos. Essas estruturas precisam ser removidas manualmente.
Em termos de outras etapas de pós-processamento, muitos objetos impressos em 3D usando SL precisam ser limpos e curados. A cura envolve sujeitar a peça à luz intensa em uma máquina semelhante a um forno para endurecer totalmente a resina.
A estereolitografia é geralmente aceita como um dos processos de impressão 3D mais precisos com excelente acabamento de superfície. No entanto, os fatores limitantes incluem as etapas de pós-processamento necessárias e a estabilidade dos materiais ao longo do tempo, que podem se tornar mais frágeis.
DLP – ou processamento digital de luz – é um processo semelhante à estereolitografia, pois é um processo de impressão 3D que funciona com fotopolímeros. A principal diferença é a fonte de luz. O DLP usa uma fonte de luz mais convencional, como uma lâmpada de arco, com um painel de cristal líquido ou um dispositivo de espelho deformável (DMD), que é aplicado a toda a superfície da cuba de resina de fotopolímero em uma única passagem, geralmente tornando-o mais rápido que o SL.
Também como o SL, o DLP produz peças de alta precisão com excelente resolução, mas suas semelhanças também incluem os mesmos requisitos para estruturas de suporte e pós-cura. No entanto, uma vantagem do DLP sobre o SL é que apenas uma cuba rasa de resina é necessária para facilitar o processo, o que geralmente resulta em menos desperdício e custos de operação mais baixos.
Sinterização a laser e fusão a laser são termos intercambiáveis ​​que se referem a um processo de impressão 3D baseado em laser que funciona com materiais em pó. O laser é traçado através de um leito de pó de material em pó compactado, de acordo com os dados 3D fornecidos à máquina, nos eixos XY. À medida que o laser interage com a superfície do material em pó, ele sinteriza, ou funde, as partículas entre si formando um sólido. À medida que cada camada é completada, o leito de pó cai incrementalmente e um rolo alisa o pó sobre a superfície do leito antes da próxima passagem do laser para que a camada subsequente seja formada e fundida com a camada anterior.
A câmara de compilação é completamente vedada, pois é necessário manter uma temperatura precisa durante o processo específico para o ponto de fusão do material em pó escolhido. Uma vez terminado, todo o leito de pó é removido da máquina e o excesso de pó pode ser retirado para deixar as partes ‘impressas’. Uma das principais vantagens deste processo é que o leito de pó serve como uma estrutura de suporte no processo para saliências e recortes e, portanto, formatos complexos que não poderiam ser fabricados de outra forma são possíveis com este processo.
No entanto, como desvantagem, devido às altas temperaturas necessárias para a sinterização a laser, os tempos de resfriamento podem ser consideráveis. Além disso, a porosidade tem sido um problema histórico com este processo e, embora tenha havido melhorias significativas em relação a peças totalmente densas, algumas aplicações ainda requerem infiltração com outro material para melhorar as características mecânicas.
A sinterização a laser pode processar materiais plásticos e metálicos, embora a sinterização de metal exija um laser de potência muito maior e temperaturas mais altas no processo. As peças produzidas com este processo são muito mais resistentes do que com SL ou DLP, embora geralmente o acabamento superficial e a precisão não sejam tão bons.
A impressão 3D utilizando a extrusão de material termoplástico é facilmente o processo 3DP mais comum – e reconhecível. O nome mais popular para o processo é Fused Deposition Modeling (FDM), devido à sua longevidade, porém é um nome comercial, registrado pela Stratasys, empresa que o desenvolveu originalmente. A tecnologia FDM da Stratasys existe desde o início dos anos 1990 e hoje é um processo de impressão 3D de nível industrial. No entanto, a proliferação de impressoras 3D básicas que surgiram desde 2009 utiliza amplamente um processo semelhante, geralmente conhecido como Freeform Fabrication (FFF), mas de uma forma mais básica devido às patentes ainda detidas pela Stratasys. As primeiras máquinas RepRap e todas as evoluções subsequentes – open source e comercial – empregam metodologia de extrusão. No entanto, após o pedido de violação de patente da Stratasys contra a Afinia, há um ponto de interrogação sobre como o segmento de entrada do mercado se desenvolverá agora, com todas as máquinas potencialmente na linha de tiro da Stratasys para violações de patente.
O processo funciona derretendo o filamento de plástico que é depositado, por meio de uma extrusora aquecida, uma camada de cada vez, em uma plataforma de construção de acordo com os dados 3D fornecidos à impressora. Cada camada endurece à medida que é depositada e se liga à camada anterior.