ESTUDO E PROJETO DE UMA IMPRESSORA 3D DLP

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS – EESC

ESTUDO E PROJETO DE UMA IMPRESSORA 3D DLP

liliane guardia olmos

Resumo

Manufatura Aditiva (MA), também chamada de impressão em 3D, vem revolucionando o design e fabricação de produtos. Esta prática é considerada uma tecnologia potencial para mudar drasticamente a maioria das indústrias atuais. Dentre os processos de MA, o Processamento de Luz Digital (DLP) está emergindo para obter velocidades de impressão aproximadamente 100x mais rápidas do que as práticas clássicas como FDM (Modelagem de Deposição Fusionada). Este trabalho visa estudar os conceitos de impressora DLP 3D e apresentar o desenvolvimento de um protótipo virtual. Um banco de testes foi montado para validar o princípio da tecnologia utilizando um projetor de vídeo regular para emitir uma camada inteira, um motor de passo para o eixo contínuo Z e duas resinas comerciais à base de acrílico (branca e preta). Pequenas engrenagens foram fabricadas e sua morfologia foi analisada visualmente. Os valores de densidade de energia luminosa adequados obtidos foram de 208,4 lm * s / mm3 e 264,1 lm * s / mm3 para as resinas branca e preta, respectivamente. Os objetivos de projeto da impressora 3D e dos testes com as resinas foram alcançados com sucesso.

Palavras-chave: Impressora 3D, manufatura aditiva, prototipagem, DLP

Abstract

Additive Manufacturing, also called 3D printing, has revolutionized design and product manufacturing and has been considered potential technology to change drastically the majority of present industries. Among them AM processes, Digital Light Processing (DLP) is emerging to obtain a part near 100x faster than classical ones as FDM (Fused Deposition Modelling). This work aims to study the concepts of DLP 3D printer and presents a development of a virtual prototype printer. A bench test was assembled to validate the principle of technology applying a regular video projector to emit an entire layer, stepper motor to continuous Z-axis and two commercial acrylic based resins (white and black). Smalls gears were manufactured and its morphology was visually analysed. The suitable luminous energy density values obtained were 208.4 lm*s/mm3 and 264.1 lm*s/mm3 for the white and black resins respectively. The design goals of the 3D printer and tests with the resins were satisfactorily achieved.

Palavras-chave: 3D Printing, Additive Manufacturing, Prototyping, DLP

Introdução

A manufatura aditiva, também referida como impressão 3D, tem ganhado popularidade na mídia e conquistado a imaginação do público de pesquisadores em vários campos. Com os interesses recentes, esta tecnologia está sendo redefinida continuamente e personalizada para um amplo espectro de aplicações .

As raízes da manufatura aditiva se encontram na fotoescultura (em 1860) e na topografia (em 1890). Em 1951, John Munz desenvolveu um sistema de foto emulsão com capacidade de produzir artigos tridimensionais a partir do escaneamento transversal de objetos, camada a camada (Gaoa et al., 2015). Esse processo pode ser considerado como precursor da técnica Estereolitografia, primeira técnica de impressao 3D, desenvolvida no início da década de 1980, que foi possível graças aos avanços em computação, lasers e fotopolímeros.

Dos anos 80 até os dias de hoje, a as impressoras 3D estão se tornando cada vez mais economicamente acessíveis e capazes. Ao longo dos anos, essa tecnologia se difundiu em diversos setores como sistemas automotivos, aeroespaciais, engenharia, medicina, biológicos e de cadeias de abastecimento de alimento; e, atualmente, movimenta bilhões de dólares no mercado.

As técnicas modernas de manufatura aditiva apresentam 7 tipos de classificações: extrusão de material, jateamento de material, jato de aglutinante, fusão em cama de pó, deposição de energia direta, laminação de folhas, fotopolimerização em cuba (ISO/ASTM 52900:2015 , 2015). Cada uma se caracteriza por apresentar distintas maneiras de imprimir objetos. Combinadas com o avanço da tecnologia de escaneamento, as técnicas de impressão 3D permitem que produtos físicos sejam convertidos em arquivos de design digitais e vice e versa. A impressão 3D tem o poder de transformar a interface física-digital do design de produtos, do desenvolvimento e da manufatura. Em fevereiro de 2013, o ex-presidente dos Estados Unidos, Barack Obama, fez o seguinte discurso sobre a tecnologia em questão: “Os trabalhadores estão dominando a técnica da impressão 3D, que tem o poder de revolucionar a forma pela qual produzimos quase tudo”(3Ders, 2013).

O presente trabalho tem como objetivo o estudo da prática de manufatura aditiva dando enfoque à tecnologia de impressão 3D DLP (“Digital Light Processing”) ou processamento de luz direta. A projeção DLP é uma tecnologia AM que utiliza processo de fotopolimerização para fabricar objetos 3D. Um projetor DLP projeta a imagem da seção transversal da peça na superfície da resina, fornecendo luz UV suficiente para a solidificação da resina (3d Printing).

Será desenvolvido um protótipo de uma impressora DLP e, para validar a prática, peças serão produzidas utilizando um projetor de vídeo regular para emitir uma camada inteira, um motor de passo para o eixo contínuo Z e duas resinas comerciais à base de acrílico (branca e preta). Pequenas engrenagens serão fabricadas e sua morfologia será analisada visualmente

Para fundamentar o trabalho, no capítulo 2 é realizada uma revisão da literatura abordando a teoria de manufatura aditiva e de tecnologia de impressão 3D DLP, ressaltando seus aspectos mais importantes e analisando as principais impressoras disponíveis no mercado.

No capítulo 3, materiais e métodos, são descritos os materiais utilizados para a impressão das peças bem como os passos do experimento. As etapas do desenvolvimento do projeto do protótipo são detalhadas e ilustradas.

No capítulo 4 são expostos e discutidos os resultados relacionados ao projeto do protótipo da impressora 3D e aos objetos impressos no experimento.

No capítulo 5 são apresentadas as principais conclusões do presente trabalho.

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA          

Manufatura aditiva

Na década de 1980, um novo processo foi desenvolvido baseado na adição de material em camadas planas (fatia-a-fatia), isto é, no princípio de manufatura aditiva de camadas. Partindo da premissa de que o processo em questão tinha como aplicação inicial a fabricação rápida de peças, visando à materialização de ideias (protótipos), sem muita exigência com relação à resistência e precisão, o mesmo foi denominado Prototipagem Rápida. O processo de Prototipagem Rápida proporciona uma alternativa rápida e barata para a produção de protótipos e modelos funcionais quando comparado aos métodos tradicionais. A vantagem de construir uma peça em camadas é a possibilidade de construir formas complexas que seriam impossíveis de serem usinadas. (Cooper, 2001).

Segundo a norma ASTM F2792-12a (2010), o termo Manufatura Aditiva (MA) foi regulamentado para definir os processos de união de materiais para construção de objetos a partir de um modelo 3D, geralmente camada a camada, em oposição aos métodos de manufatura por subtração. A adequação para o termo manufatura aditiva está relacionada principalmente ao fato de que estas tecnologias não se limitam mais apenas à fabricação de protótipos, mas também a fabricação de produtos finais.

Gibson (2010)  definiu algumas etapas necessárias que resumem o processo de manufatura aditiva, também representadas esquematicamente na figura:

Etapas da manufatura aditiva
Etapas da manufatura aditivaAdaptado de Gibson (2010)

  • Passo 1: CAD

A geometria das peças a serem fabricadas devem ser descritas por um software. Isso pode ser feito através de um software CAD para modelar o sólido e gerar uma representação 3D.

  • Passo 2: Conversão para STL

Quase todas as máquinas de manufatura aditiva aceitam arquivos no formato STL (“Standard Triangle Language”). Criar um arquivo STL consiste em converter a casca externa de um sólido 3D em uma infinidade de triângulos para tornar o arquivo passível de ser impresso. 

  • Passo 3: Transferência para a máquina de Manufatura Aditiva e manipulação do arquivo STL

O aqruivo STL, que descreve a geometria da peça, deve ser transferido para a máquina de manufatura aditiva: um software de impressão 3D fatia o modelo 3D e gera um GCode (instruções de impressão para a impressora 3D) para cada camada. Nessa etapa, deve-se manipular o arquivo para correto posicionamento, orientação e tamanho.

  • Passo 4: Setup da máquina

A máquina deve ser devidamente programada. As configurações determinam os parâmetros para a construção da peça como restrições dos materiais, fonte de energia, espessura da camada, tempos etc.

  • Passo 5: Construção

A produção por manufatura aditiva é automatizada e a supervisão por parte de um funcionário não é essencial, servindo apenas como garantia de que não haverá falta de material ou para atuar em eventuais problemas, como queda de energia ou outras oscilações.

  • Passo 6: Remoção

Após o fim da produção, a peça deve ser retirada da máquina.

  • Passo 7. Pós-processamento

Após a produção, podem ser requeridas atividades adicionais como a retirada de estruturas de suporte e limpeza. Tratamentos adicionais podem ser necessários para garantir qualidades estéticas à peça, como pintura e tratamentos de superfícies, ou as características físicas desejadas, como resistência e dureza. 

  • Passo 8. Aplicação

  A peça está pronta para ser usada.

Vantagens da manufatura aditiva

Atualmente, embora a manufatura tradicional seja mais vantajosa economicamente quando se fala em produção em larga escala, a tecnologia de impressão 3D tem potencial para crescer em vários aspectos e gerar diversos benefícios que a prática tradicional não pode oferecer. A seguir são descritos os principais aspectos que poderão ser beneficiados.  

  • Customização de produto: 

Para fabricação de produtos personalizados, as tecnologias tradicionais requerem ferramentas caras e lotes pequenos de produção são ineficientes. A tecnologia de impressão 3D, por outro lado, não requer ferramentas, quaisquer sequências de produtos diferentes podem ser produzidas e possibilita o design e produção eficiente de produtos únicos além de reduzir o tempo de fabricação.

A customização em massa é uma tendência da indústria. A Phillips, por exemplo, ofereceu um lote de 125 barbeadores personalizados em seu 125° aniversário. Os consumidores tinham a liberdade de escolher a cor e as dimensões do envoltório do aparelho que foi produzido pelo processo de Poder Bed Fusion ( fusão de cama em pó) pela empresa Shapeways’ 3DP Service (KarevskaMüller, 2016).

Barbeadores personalizados da Phillips
Barbeadores personalizados da PhillipsKarevska e Müller (2016)

No setor médico, produtos personalizados oferecem benefícios de duas formas: as companhias ganham eficiência na manufatura dos produtos ao passo que os pacientes recebem produtos com maior qualidade. Pesquisadores da EESC, desenvolveram uma mandíbula artificial por meio da tecnologia de prototipagem rápida, com as mesmas características mecânicas do osso original, como resistência, rigidez e flexibilidade. Ela foi implantada com sucesso em novembro de 2008 em uma paciente com câncer (Ereno, 2009).

Mandíbula construída por prototipagem rápida
Mandíbula construída por prototipagem rápidaEreno (2009)

  • Novas capabilidades

Produtos complexos podem ser produzidos em massa sem os altos custos fixos de investimento. Ademais, a impressão 3D possibilita a manufatura de produtos que antes eram tecnicamente impossíveis de serem produzidos. A tecnologia trouxe construções inovadoras como estruturas internas e geometrias complexas.

Na indústria aeronáutica, o peso é um fator crucial uma vez que determina o consumo de combustível e emissão de CO2. Dessa forma, ao diminuir o peso da aeronave, toneladas de CO2 seriam economizadas. Pensando nisso, as empresas Airbus, Autodesk e seu estúdio The Living utilizaram a tecnologia 3D para imprimir uma partição biônica que serve como barreira entre a área de estar e a cozinha em um Airbus A320. A estrutura construída imita ossos e estruturas celulares e pesa menos 30kg quando comparada com a tradicional, representando uma redução de 45%. Se esse novo design fosse introduzido na cabine inteira, cada A320 economizaria 465,000 toneladas de CO2anualmente (KarevskaMüller, 2016).

Partição biônica do Airbus A320
Partição biônica do Airbus A320Karevska e Müller (2016)

  • Velocidade e tempo de execução:

A prototipagem rápida é uma ferramenta fundamental no desenvolvimento de produtos. A prática de impressão 3D possibilita a fabricação de protótipos dentro de horas, reduzindo o tempo significantemente quando comparado às praticas tradicionais. Além disso, a fabricação pode ser feita no próprio local, reduzindo a dependência com fornecedores e tempos de entrega. Dependendo da complexidade, tamanho e material da peça; a prototipagem tradicional pode levar semanas ou até meses. A impressão 3D não apenas aumenta a velocidade do processo de desenvolvimento de produtos, como melhora a qualidade dos protótipos. Segundo um estudo desenvolvido por Karevska e Müller (2016) , a prototipagem rápida ajuda a reduzir o tempo médio de prototipagem em 63%:

Redução do tempo médio de prototipagem por setor
Redução do tempo médio de prototipagem por setorKarevska e Müller (2016)

O mesmo estudo identificou que os custos também se reduzem significantemente. Tradicionalmente, o maior fator de custo são as ferramentas, e como a maioria dos designs requerem novas ferramentas e moldes, os custos podem aumentar rapidamente. Além disso, a produção em fornecedores relaciona também fatores logísticos e outros custos relacionados a protótipos. O estudo é ilustrado abaixo:  

Redução do custo de prototipagem por setor
Redução do custo de prototipagem por setorKarevska e Müller (2016)

  • Alterações da Supply chain

A implementação da tecnologia de impressão 3D afeta a cadeia de suprimentos, ou supply chain em inglês, de diversas formas. Primeiramente, os fabricantes poderão imprimir peças mais perto de seus clientes descentralizando a produção ou os próprios solicitantes podem imprimir suas peças em suas próprias impressoras 3D reduzindo, assim, custos com logística. Isso influenciará toda a indústria de logística e transporte, acarretando a uma necessidade de mudança do modelo de gestão.

Além disso, como a tecnologia de impressão 3D é digital, os produtos podem ser fabricados de acordo com a demanda. Para os clientes, isso reduz a necessidade de armazenamento em grandes depósitos. Similarmente, os fabricantes não precisarão mais estocar moldes, matrizes, ferramentas e peças. Assim, o estoque físico tende a reduzir-se.

Ademais, como essa tecnologia produz menos resíduos, uma quantidade menor de material é necessária e, consequentemente, os volumes de transporte e o espaço dos almoxarifados serão menores. Na prática de extrusão, por exemplo, apenas o material necessário é aplicado. Já em tecnologias que utilizam pó ou baseadas em líquidos de fotopolímeros, o material pode ser reciclado ou reutilizado.

  Desvantagens da manufatura aditiva

  • Economia de escala 

A tecnologia de impressão 3D impossibilita a economia de escala, a qual ocorre quando o custo médio de produção fica mais barato à medida que aumenta a quantidade de produtos produzidos (Grynol, 2014). O gráfico abaixo, elucida essa limitação:

Volume de produção versus custo: Manufatura tradicional versus impressão 3D
Volume de produção versus custo: Manufatura tradicional versus impressão 3D Grynol (2014)

Os fabricantes de impressoras 3D vêm tentando contornar essa desvantagem através de diversas maneiras como: redução do custo de produção, geração de nenhum ou pouco desperdício de material e aumento de velocidade de impressão e processamento. Em março de 2017, a empresa 3D Systems lançou a primeira plataforma modular de fabricação aditiva expansível e totalmente integrada do setor. A inovadora plataforma de produção, ilustrada na figura 8, produz peças plásticas numa velocidade 50 vezes maior quando comparada às impressoras atuais: a plataforma possuí 16 motores de impressão ou mais, entrega autônoma de material e pós-processamento integrado proporcionando um custo operacional total consideravelmente mais baixo e, ao mesmo tempo, oferecendo vantagens competitivas e convincentes em relação aos métodos convencionais (3D Systems, 2017).

Plataforma de produção em massa da 3D Systems
Plataforma de produção em massa da 3D Systems3D Systems (2017)

Esse avanço evidencia que é possível tornar a tecnologia em questão mais viável economicamente e eficiente. No entanto, o hardware deve ser fortemente aprimorado e desenvolvido. O quadro abaixo ilustra o cenário atual de capacidade para algumas demandas e desafios futuros da tecnologia em questão. 

Análise da capabilidade do cenário atual e desafios futuros da impressão 3D
Análise da capabilidade do cenário atual e desafios futuros da impressão 3DAdaptado de A.T.Kearney (2015)

  • Acabamento das superfícies

Para alcançar uma qualidade desejável de acabamento, métodos de pós- processamento são frequentemente necessários, podendo acarretar perda de detalhes e tolerâncias. Apesar de estes não serem complexos, o fato de serem necessários representa uma desvantagem para esta prática.

  • Materiais limitados

A manufatura tradicional de produtos apresenta um enorme leque de materiais que podem ser utilizados. Atualmente, as impressoras 3D podem trabalhar com aproximadamente 100 tipos de materiais. Novos materiais estão sendo desenvolvidos para esta nova tecnologia, assim, mais tempo e estudos são necessários.

  • Tamanho

As partes produzidas pelas impressoras 3D apresentam limitações de tamanho. As impressoras mais comuns e econômicas são pequenas. Existem impressoras que são capazes de fabricar objetos grandes, mas são muito caras e, portanto, são opções inviáveis para muitas empresas.

  • Propriedades mecânicas

As peças impressas não são tão resistentes quanto as manufaturadas tradicionalmente. A técnica de camada por camada é o ponto mais forte e mais fraco ao mesmo tempo uma vez que as camadas não se aderem no eixo Z, como fazem no plano X e Y. Pode-se fazer uma analogia com um muro de Lego, no qual se coloca os tijolos um sobre o outro. Ao pressioná-lo para baixo a estrutura é forte, mas ao empurrar a parede na lateral ela se quebra facilmente.

 Mercado atual

O mercado de impressão 3D deve crescer de forma acelerada nos próximos anos. Uma análise da A.T.Kearney (2015) , prevê que esse segmento irá crescer significativamente, passando de um faturamento anual da ordem de US$ 7 bilhões (2016) para US$ 17 bilhões em 2020. A figura abaixo ilustra esse crescimento, o Market Share e a CAGR (Compound Annual Growth Rate), ou fatia de mercado e Taxa Composta Anual de Crescimento respectivamente, dos principais setores do mercado de impressão 3D. 

Mercado da impressão 3D
Mercado da impressão 3DA.T.Kearney (2015)

Tipos de manufatura aditiva

Os tipos de tecnologia de manufatura aditiva, segundo a norma ISO/ASTM 52900:2015 (2015) , são:

Extrusão de material (“Material extrusion”)

É a tecnologia de impressão 3D mais comum. O mecanismo da impressora é relativamente simples. O injetor de material aquece entre 180ºC e 250ºC e puxa uma espécie de filamento termoplástico que fica enrolado em uma bobina, como se fosse um rolo de barbante. Conforme o mecanismo derrete o material, ele o injeta em na plataforma de construção. Em algumas impressoras o injetor movimenta-se nos eixos X e Y para criar as camadas, já em outras o injetor se movimenta num eixo e a plataforma em outro, mas em ambas configurações mantendo a altura no eixo Z fixa.

Quando a primeira camada do objeto é formada, a plataforma de construção desce alguns milímetros e a próxima camada de filamento é depositada no topo dela. Esse processo de repete até a peça ser totalmente construída podendo levar de poucos minutos até algumas horas. A complexidade do objeto e a qualidade da impressora determinam o tempo total de impressão (Barnatt, 2016).

Esquema genérico de funcionamento de uma impressora de extrusão
Esquema genérico de funcionamento de uma impressora de extrusãoBarnatt (2016)

Jateamento de material (“Material Jetting”)

É uma tecnologia baseada na solidificação de um líquido. Existem vários formatos mas, basicamente, funciona da seguinte maneira: cabeças de impressão distribuem um fotopolímero líquido na plataforma de impressão que endurece por exposição a um raio laser UV, o qual também é emitido pela cabeça de impressão. Assim, uma camada do objeto a ser impresso é formada e a plataforma de construção desce. Esse processo é repetido até a peça ser construída. 

 Um material solúvel pode ser depositado junto ao plástico para que sirva de suporte, o qual é removido após a impressão manualmente, com água ou com um banho de solução. Uma vez que os suportes foram removidos, não é necessário pós processamento.

O fabricante de impressora 3D Stratays vende essa tecnologia com a marca registrada de PolyJet ( abreviação de “photopolymer jetting”), enquanto a 3D Systems nomeou de “MultiJet Printing(Barnatt, 2016).

Esquema genérico de funcionamento de uma impressora de jato de material
Esquema genérico de funcionamento de uma impressora de jato de materialBarnatt (2016)

Jato de aglutinante (Binder Jetting)

Originalmente chamada de “Tree-Dimensional Printing (3DP), essa tecnologia foi desenvolvida pelo MIT em 1993. Dois materiais são utilizados: um aglutinante líquido e um material de base em pó (pode ser proveniente de ligas metálica ou polímeros). Através de um rolo, o pó é nivelado e ,em seguida, a cabeça de impressão pulveriza o aglutinante por meio de bicos “colando” as partículas de pó na forma do objeto 2D que foi programado. Assim que a camada foi formada, a câmara de pó desce e uma nova camada de pó é espalhada pelo rolo para uma nova camada ser formada. Esse processo é repetido até o objeto ser finalizado. O material em pó que não reage quimicamente, atua como suporte em relação ao objeto criado, podendo, após conclusão do processo, ser reutilizado. (Gibson, 2010).

Esquema genérico de funcionamento de uma impressora de jato de aglutinante
Esquema genérico de funcionamento de uma impressora de jato de aglutinanteGibson (2010)

Fusão em cama de pó (Powder Bed Fusion)

É similar ao processo anteriormente descrito, mas usa laser ou uma outra fonte de calor para juntar os grãos de pó adjacentes.

A técnica mais popular é a sinterização seletiva a laser (SLS). Desenvolvida pela Universidade de Texas em Austin, Estados Unidos, foi o primeiro processo de Powder Bed Fusion comercializado. Utiliza um laser de alta potência para fundir o material em pó. 

O laser funde finas camadas de pó (0.075-0.1 mm de espessura), as quais foram espalhadas pelo rolo que nivela os grãos. Aquecedores infravermelhos são posicionados acima da plataforma de construção e dos cartuchos de alimentação para manter uma temperatura elevada do pó e pré aquecê-lo. Dessa forma, uma quantidade menor de energia do laser é necessária para a fusão acontecer e deformações na peça são evitadas.

Assim que uma camada de pó é formada e pré aquecida, o raio de laser funde o objeto 2D na forma que foi programado. Assim que a camada foi formada, a plataforma de construção desce e uma nova camada de pó é espalhada pelo rolo para a próxima camada ser formada. Esse processo é repetido até o objeto ser finalizado.

Todo o pó intocado permanece como está e torna-se uma estrutura de suporte para o objeto. Portanto, não há necessidade de qualquer estrutura de apoio sob o modelo (Gibson, 2010).

Um desenho esquemático do processo é ilustrado abaixo:

Esquema genérico de funcionamento de uma impressora de fusão em cama de pó
Esquema genérico de funcionamento de uma impressora de fusão em cama de póGibson (2010)

Deposição de Energia direta (Direct Energy Deposition)

Tecnologia também denominada de Direct Energy Deposition, cria partes derretendo material conforme este é depositado. Metal em pó é o material predominantemente usado. Um esquema do processo é ilustrado abaixo:

Esquema genérico de funcionamento de uma impressora de deposição de energia direta
Esquema genérico de funcionamento de uma impressora de deposição de energia diretaGibson (2010)

Uma fonte de calor (laser ou feixe de elétrons) derrete o material em pó depositado por bocais e constrói objetos similarmente ao processo de extrusão anteriormente descrito. Cada passo do cabeçote cria um caminho de material solidificado de modo que as linhas adjacentes formam camadas.

Laminação de Folhas (Sheet lamination)

Uma das primeiras técnicas de manufatura aditiva foi a LOM (Laminated Object Manufacturing) em 1991. Ela consiste em cortar através de um laser de CO2 folhas de diversos materiais, de modo que cada folha representa uma camada da seção transversal da peça a ser formada.

Outras técnicas de laminação de folhas foram desenvolvidas envolvendo diversas técnicas de cortes e materiais. O processo pode ser classificado de acordo com o mecanismo em que as folhas unidas: a) união por colagem ou adesão , b) união térmica, c) união por aperto e d) soldagem ultra-sônica.

As impressoras LOM originais funcionam da seguinte maneira: uma folha contínua de material, plástico, papel ou metal (menos comum), é puxada através de uma plataforma de construção por um sistema de rolos de alimentação. Folhas de plástico e de papel são muitas vezes revestidas com um adesivo. Para formar um objeto, um rolo aquecido é passado sobre a folha de material na plataforma de construção, fundindo o seu adesivo e pressionando-o para a plataforma. Um laser ou lâmina controlado por computador corta o material no padrão desejado. O laser também corta todo o excesso de material em um padrão de hachura, tornando mais fácil sua remoção, uma vez que o objeto é totalmente impresso.

Depois que uma camada do objeto é formada, a plataforma de construção desce no comprimento de espessura típica de uma camada. O material novo é então puxado através da plataforma e o rolo aquecido passa novamente sobre o material, ligando a nova camada ao que está debaixo dela. Este processo é repetido até que todo o objeto tenha sido formado.

Uma vez que um objeto é finalizado, ele é removido da plataforma de construção, e qualquer material em excesso é cortado (Barnatt, 2016).

Um desenho esquemático é ilustrado abaixo:

Esquema de funcionamento genérico de uma impressora de laminação de folhas
Esquema de funcionamento genérico de uma impressora de laminação de folhasGibson (2010)

Fotopolimerização em cuba (Vat photopolymerization)

Fotopolímeros foram desenvolvidos no final dos anos 60 e logo foram aplicados em diversas áreas, como revestimento e indústria de impressão.  

Em 1981, Hideo Kodama do Nagoya Municipal Industrial Research Institute desenvolveu um sistema de prototipagem rápida utilizando fotopolímeros, no qual um líquido fotossensível foi exposto a raios UV, solidificando-o. Dessa forma, assim que uma camada fosse finalizada, ela seria movida para baixo e uma nova camada seria produzida da mesma forma. O primeiro objeto construído por esse método foi uma casa em miniatura. O processo todo durou 1 hora e 40 minutos (Kodama, 1981).

Em 1984, a estereolitografia foi inventada por Charles Hull, que fundou a companhia 3D system, a qual até hoje é uma das grandes vendedoras de equipamentos 3D, ajudando a popularizar o uso comercial da tecnologia ao longo das décadas seguintes.

Hull (1986)  definiu estereolitografia como método e aparato para obtenção de objetos sólidos. Em sua patente, um feixe de laser (27) concentrado é incidido numa cuba (21) com líquido fotossensível (22). O feixe de luz se move comandado por um computador (28), desenhando cada camada do objeto (30) na superfície do líquido. Quando o feixe de luz incide sobre a superfície, o fotopolímero se solidifica. Um software avançado de CAD/CAM/CAE fatia o modelo computacional do objeto em um grande número de camadas. O processo, então, constrói o objeto camada por camada começando pela camada do fundo da base de construção (29) que é abaixada ligeiramente após a solidificação de cada camada.

Patente da Estereolitografia
Patente da EstereolitografiaAdaptado de Hull (1986)

Após a invenção de Hull, uma gama variada de processos de estereolitografia e tecnologias relacionadas foram desenvolvidas. Gibson (2010)  definiu fotopolimerização em cuba como o processo que utiliza um fotopolímero líquido contido numa cuba que sofre reações químicas e é solidificado/curado em camadas sucessivas por uma fonte de luz ultravioleta que traça a forma de um nível do objeto a ser construído. O termo “vat photopolymerization” é um termo genérico que engloba estereolitografia e processos relacionados.

Em 2002, a EnvisionTEC desenvolveu e comercializou a primeira impressora 3D com tecnologia DLP, a Perfactory, tecnologia considerada a sucessora da estereolitografia. Em 2016, a Carbon lançou a primeira impressora com a mais recente inovação dos processos de fotopolimerização em cuba: a tecnologia CLIP (Continuous liquid interface production).

Características

Vários tipos de radiação podem ser empregadas para curar polímeros como: UV, luz visível, raios gama, raios X e feixe de elétrons. Nos processos de fotopolimerização em cuba, UV e luz visível são as mais utilizadas. 

Com relação a direção da radiação e da impressão, duas configurações são frequentemente utilizadas: “bottom-up” (de baixo para cima)  “top down” (de cima para baixo) . 

Na “top down“,  a fonte de radiação se localiza acima da cuba. A plataforma de construção é posicionada abaixo da superfície da resina. A distância entre a superfície da resina e a base de construção determina a espessura da peça a ser curada. As principais desvantagem dessa configuração são: a necessidade de recobrimento da resina curada com resina “fresca” e dificuldade de nivelamento da superfície do fotopolímero devido a alta viscosidade e tensão superficial do mesmo. (AghababaieLin, 2013)

A configuração “bottom up” é a mais popular e barata pois requer menos resina para imprimir e, portanto, desperdiça menos. Como a fonte de radiação fica abaixo da cuba, o problema de nivelamento da resina é evitado. No entanto, apresenta algumas desvantagens. Apesar de necessitar menos resina para imprimir, ela sofre por degradação da cuba já que o fundo dela vai perdendo a transparência. A FormLabs, por exemplo, recomenda trocá-la a cada 2 litros de resina (Formlabs).

Outro problema é que as moléculas mais próximas ao fundo da cuba vão ser curadas. Isso acarreta forças de adesão com o fundo. Outro motivo que explica essa adesão é a pressão do ar: ao elevar a  a plataforma causará um vácuo que “puxa” o objeto impresso. Ao subir a plataforma de construção, parte da peça recém formada é esticada e tensionada de maneira não uniforme e indesejada, podendo distorcer ou destruir porções frágeis, reduzindo, assim, a resolução das impressoras 3D. (Joyce, 2013)

O processo de cura conduz à adesão em duas interfaces de camadas tensionadas, como mostrado na Figura 18(a). Para prosseguir o processo de impressão, a camada curada deve ser separada da superfície da cuba. Portanto, a força necessária para separar a interface inferior deve ser menor do que a força necessária da interface superior, caso contrário, a parte será quebrada, como mostra a Figura 18 (b). Durante todo o processo de impressão da peça, é necessário garantir que cada separação seja realizada com sucesso (WU et al., 2016).

Problemática da adesão ao fundo da cuba
Problemática da adesão ao fundo da cubaWU et al. (2016)

 Uma maneira pra minimizar esse problema consiste em revestir o fundo da cuba . As formas mais populares revestir o fundo com PDMS (dimetil polissiloxano), um composto a base de silicone que absorve oxigênio, que inibe o processo de polimerização,formando um fino filme de resina não curada no fundo da cuba. Como PDMS é um pouco flexível, também vai ajudar a quebrar o vácuo mais facilmente. Outro método consiste em  aplicar um filme flexível FEP (Fluoroplastic) Teflon® o qual também é permeável a oxigênio. Essa solução é mais confiável uma vez que é inerte e não se degrada à altas temperaturas (PDMS sofre isso) mas, entretanto, é mais difícil de aplicá-lo quando comparado com o PDMS. O recobrimento do fundo minimiza esse problema, mas não o soluciona por completo.  Outras soluções para quebrar o vácuo mais facilmente inclui passos mecânicos: deslizar (translação no eixo X ou Y) ou inclinar (movimento de rotação). Esses passos mecânicos minimizam as força  de de separação necessária para vencer a força de vácuo. A figura abaixo apresenta essas soluções. Recentemente, uma tecnologia que equilibra a interação de luz UV e oxigênio foi desenvolvida, eliminando a necessidade de passos mecânicos das impressoras 3D convencionais (tecnologia CLIP).

Mecanismo de separação visando a não aderência da resina no fundo da cuba
Mecanismo de separação visando a não aderência da resina no fundo da cuba WU et al. (2016)


 Impressão 3D por DLP

Em uma impressora 3D DLP, um projetor DLP substitui o laser, o qual é frequentemente posicionado abaixo da plataforma de construção, numa configuração invertida da utilizada na estereolitografia. As imagens são projetadas para solidificar cada camada inteira do objeto diferentemente do que ocorre na estereolitografia, na qual as peças são construídas ponto a ponto, linha por linha (Barnatt, 2016).

Esquema genérico de funcionamento de uma impressora DLP
Esquema genérico de funcionamento de uma impressora DLPBarnatt (2016)

Estrutura de funcionamento

Após produzir um modelo 3D da peça num software CAD e convertido em STL, um software de impressão 3D fatia o modelo 3D e gera um GCode (instruções de impressão para a impressora 3D) para cada camada. Os parâmetros de impressão também são estabelecidos. O microcontrolador (MCU, microcontroller unit) recebe esses comandos via USB e envia sinais elétricos para driver do motor que os amplifica e transmite para o motor , que movimenta a plataforma de construção. O projetor DLP recebe as imagens das fatias via HDMI (High-Definition Multimedia Interface ou Interface Multimídia de Alta Definição) ou USB (Universal Serial Bus ou porta universal) e as projeta no fundo da cuba com resina por meio de um sistema óptico composto por lentes e espelhos. O sistema de funcionamento do DLP será explicado posteriormente.

Diagrama de blocos de uma impressora 3D DLP
Diagrama de blocos de uma impressora 3D DLPTI DLP® (2016)

Passo a Passo

A plataforma de construção é posicionada pelo mecanismo de ajuste de altura de modo que entre a base de construção e o fundo da cuba exista um gap que corresponde a espessura da primeira camada a ser curada. Isto feito, o projetor DLP projeta luz UV e a primeira camada é curada nas áreas em que a luz incidiu, grudando na base de construção. Ao terminar o ciclo de exposição de luz da primeira camada, a plataforma de construção sobe e é posicionada para a próxima camada. Neste processo, a camada curada se desprende do fundo da cuba e resina não curada fluí para o espaço livre ou o gap criado. Isto feito, o ciclo de exposição de luz UV ocorre novamente de acordo com a seção transversal da peça a ser construída. Recomenda-se aumentar o tempo de exposição das primeiras 3 a 5 camadas para que a peça adira a base de construção de forma sólida e não caia em qualquer ponto da impressão. As operações descritas se repetem até que a peça seja construída. Finalmente, a plataforma de construção é elevada e a base de construção com o objeto é removida. O objeto é destacado da base de construção com uma espátula de metal ou plástico.

Pós processamento

Deve-se lavar o objeto em álcool isopropílico ou solução adequada para retirar o excesso de resina. Pode ser necessário pós-cura se apresentar aspecto pegajoso na superfície ou amolecido. Podem ser utilizadas a luz solar, luz negra, LEDs UV ou câmaras UVs, as quais são bastante eficazes em enrijecer a peça em questão de minutos. Normalmente de 10 a 30 minutos são suficientes para pós-cura, melhorando o aspecto pegajoso e acabamento da superfície.

Vantagens e desvantagens

A maior vantagem em relação às outras técnicas de impressão 3D é que como as imagens são projetadas para solidificar cada camada inteira do objeto, as impressoras DLP são bastante rápidas para confeccionar objetos com alta resolução e riqueza de detalhes. Além disso, os erros no plano XY são reduzidos devido aos movimentos mecânicos limitados.

O sistema mecânico é menos complexo uma vez que consiste somente em um único eixo de movimento.

No entanto, as resinas de fotopolímeros são caras e a vida útil é limitada. Além disso, atenção com acabamento pós-impressão pode ser necessária. O tamanho da peça é limitado à área de projeção. 

Aplicações

As principais aplicações são: prototipagem rápida, moldes para ferramentas e fundição de metais, aparelhos auditivos e implantes médicos, fundição de joias, componentes automotivos e aeroespaciais, entre outros. 

DLP(Digital Light Processing)

A tecnologia DLP ou Processamento Digital de Luz, foi originalmente desenvolvida em 1987 por Dr. Larry Hornbeck , colaborador da Texas Instruments. Os projetores DLP funcionam da seguinte maneira: a luz UV após ser condensada por uma lente específica, atravessa um filtro de cores que possui, no mínimo, as cores vermelha, azul e verde permitindo que o sistema produza 16,7 milhões de pigmentos diferentes. Depois de passar por este filtro, segue para o DMD (Digital Micromirror Device), um chip semicondutor que possui uma matriz com mais de 2 milhões de espelhos microscópicos. Esses espelhos inclinam-se para a fonte de luz (ON) ou para longe dela (OFF). Isso cria um pixel claro ou escuro na superfície de projeção. Os espelhos podem mudar a uma taxa de até milhares de vezes por segundo. A luz que refletem é direcionada através de uma lente e para a tela criando ,assim,uma imagem .

Os projetores DLP ultilizados para impressão 3D, trabalham com comprimentos de onda entre 363nm até 700nm (How TI, 2016).

Resinas

O desenvolvimento histórico das resinas comerciais para processos de prototipagem rápida baseada em fotopolimerização dos materiais pode ser dividido em 2 partes. Até 1990, as resinas usadas na estereolitografia eram baseadas em acrílicos que sofriam polimerização por adição de cadeia via radicais livres ou em epóxis que sofriam polimerização por adição de cadeia catiônica. Ambas classes de resinas consistem em oligômeros, diluentes reativos, fotoiniciador e componentes opcionais adicionais. Em comparação com as resinas de acrílico, as resinas epóxi produzem partes mais precisas e duras, apresentam menor percentual de contração de polimerização e o oxigênio não inibe o processo de polimerização. No entanto, as peças curadas são mais frágeis e reagem lentamente. Apesar das desvantagens, ambas as classes de resinas com somente um componente ainda são utilizadas para varias aplicações.

A introdução de resinas híbridas representa o início de uma nova fase no desenvolvimento de materiais. A adição de acrílico no epóxi confere resistência e reduz a fragilidade e garante rápida reticulação polimérica agilizando o processo. (MatyjaszewskiMöller, 2012).

Impressoras 3D DLP referências

Existem uma gama de diversas impressoras DLP comercialmente disponíveis no mercado e também há muitas pessoas que criam suas próprias impressoras. Neste capítulo, alguns dos aspectos de algumas impressoras serão avaliados dando foco em soluções empregadas para o problema para os problemas que surgem com a impressão DLP 3D de baixo para cima ou “bottom up”.

  • B9Creator

Na impressora B9Creator, após a cura de uma camada a cuba move-se linearmente no plano x-y, quebrando a adesão entre a camada solidificada e o fundo da cuba por força de cisalhamento. Assim, a base de construção é posicionada sobre uma área mais profunda e é facilmente movida para cima, numa distância definida pela espessura desejada, já que a força de separação foi reduzida. Após isso, a cuba retorna para a posição inicial, revestindo a área entre a peça e o fundo da cuba com resina fresca (um painel controla o nível da resina) e o ciclo de curagem se repete. O fundo da cuba é revestido com PDMS (Joyce, 2012). A ilustração da impressora e sua respectiva patente encontram-se abaixo:

Impressora B9Creator
Impressora B9CreatorB9Creator (2017)

Patente da B9Creator: (118)cuba, (806) Painel de compressão de resina, (120) Resina, (902) Nível da resina, (202) Camada de PDMS
Patente da B9Creator: (118)cuba, (806) Painel de compressão de resina, (120) Resina, (902) Nível da resina, (202) Camada de PDMS Joyce (2013)

  • Form1+  

A impressora Form1+ apresenta um movimento de inclinação da cuba (denominado “tilt“) conforme ilustrado na figura 24. Ao rotacionar a cuba  via um atuador , a camada curada  é mecanicamente separada do fundo da cuba. Após isso, a plataforma de construção é movido para cima formando um gap para a próxima camada ser curada. Esse processo é repetido até o objeto ser formado.

Patente da impressora Form1: 2) estrutura de suporte, 4)plataforma de construção, 6)cuba, 12)objeto , 16) camada separada, 6) superfície da cuba,8) eixo, 10) resina, 16) camada separada, 18) deslocamento da cuba
Patente da impressora Form1: 2) estrutura de suporte, 4)plataforma de construção, 6)cuba, 12)objeto , 16) camada separada, 6) superfície da cuba,8) eixo, 10) resina, 16) camada separada, 18) deslocamento da cubaLobovsky, Thomas e FrantzDale (2016)

Impressora Form1+
Impressora Form1+The Form (2017)

  • Perfactory P4 Standard

Desenvolvida pela empresa alemã EnvisionTEC, as impressoras da família Perfactory são ícones no mundo das impressoras 3D. A P4 Standart, possui um volume de construção de 253,6 polegadas cúbicas e resolução XY de 83 µm. 

Apresenta um filme flexível (1) que pode ser feito de FEP, PTFE ou PFA, a fim de evitar que a camada curada (4) grude no fundo do tanque de resina (2). 

Uma vez que o filme não adere o fundo da cuba, ele pode ser deformado elasticamente durante o processo de separação e, consequentemente, a força necessária para separação é reduzida na direção Z, facilitando o destaque da camada curada (Hendrik, 2002).

Patente da Perfactory P4 Standard: Filme(1), fundo da cuba (2), resina líquida (3), camada curada (4), objeto (5).
Patente da Perfactory P4 Standard: Filme(1), fundo da cuba (2), resina líquida (3), camada curada (4), objeto (5).Hendrik (2002)

Impressora P4 Standard
Impressora P4 Standard P4 Standard (2017)

Tecnologia CLIP

CLIP, Continuous Liquid Interface Production, é a sigla em inglês  para “líquido em interface de produção contínua”. A tecnologia funciona da seguinte maneira: enquanto a luz solidifica a resina, o oxigênio inibe esse processo. Assim, ao controlar cuidadosamente a interação da luz e oxigênio, pode-se controlar o processo de curagem. Nesta técnica, a cuba possuí em seu fundo uma janela que é transparente à luz e permeável ao oxigênio. Dessa forma, ao permitir a passagem de oxigênio, uma zona morta (dead zone), fina interface líquida de resina não curada, é criada. Entre a dead zone e a peça curada, um gradiente de polimerização constante é estabelecido. Como tanto a zona morta quanto o gradiente de polimerização são mantidos constantemente, a resina não cura no fundo da cuba e o processo de impressão ocorre continuamente. Dessa forma, os passos mecânicos e a típica curagem de camada por camada são eliminados acelerando a impressão de 25 a até 100 vezes. Mas a rapidez não é única vantagem desta tecnologia. Impressões mais suaves e fortes adequam-se melhor ao mundo real, como implante médicos sem irritações, por exemplo.

Metodologia 

Para realização desse projeto projeto, 3 fases da metodologia de desenvolvimento de produtos foram desenvolvidas: projeto informacional, projeto conceitual e projeto preliminar.

Projeto informacional

Segundo AMARAL et al. (2005) , o objetivo dessa fase é, a partir do levantamento e organização de informações, desenvolver um conjunto de especificações do produto, que servirão como critério de avaliação e de tomada de decisão em etapas posteriores do desenvolvimento. Dessa forma, essa fase é de sua importância para o sucesso de todo o processo. As principais atividades dessa etapa identificação dos requisitos dos clientes; conversão dos requisitos dos clientes em requisitos do produto e obtenção das especificações de projeto.

Projeto conceitual

A fase de projeto conceitual é onde ocorre a concepção do produto. Durante essa fase, as atividades estão relacionadas com a busca, criação, representação e seleção de soluções para o problema de projeto ( AMARAL et al., 2005).

Inicialmente, define-se a função global do produto que, em seguida, é desdobrada em várias estruturas de funções do produto. O objetivo dessa atividade é obter um determinado número de concepções alternativas que possibilitem a pré-seleção das mais promissoras. Assim, serão desenvolvidos modelos do produto (físicos ou virtuais) que atendem às especificações de projeto.

Isto feito, a fim de elaborar os princípios de solução, é desenvolvida uma matriz morfológica para analisar as soluções levantadas para as subfunções. A seleção de soluções é realizada com profundidade visando identificar a melhor concepção dentre as alternativas desenvolvidas.

Projeto preliminar

Esta fase tem como objetivo a descrição completa do produto. Nela, é realizado o desenvolvimento e detalhamento das soluções escolhidas na fase do projeto conceitual. O leiaute, o arranjo, as formas, a geometria e os materiais são descritos.


MATERIAIS E MÉTODOs

Nesse capítulo, são apresentados os materiais utilizados para a impressão de objetos na impressora 3D DLP do laboratório da EESC e, em seguida, a metodologia empregada.

A metodologia usada na fase de projeto informacional, conceitual e preliminar do projeto do protótipo também serão abordadas nesse capítulo.

Materiais e equipamentos

Nesta seção, são apresentados os principais materiais utilizados para o experimento de impressão de peças na na impressora 3D DLP.

Projetor DLP

O projetor DLP utilizado foi o SONY VPL ES4, o qual possuí as seguintes especificações: saída de Luz: 2200 lúmens (lâmpada em modo normal) e 1500 lúmens (lâmpada em modo econômico); Lâmpada UHP(Ultra-high-performance) de 165W, modelo LMP-C162 ; sistema de projeção: 3 painéis LCD, 1 lente e consumo de energia máximo de 220 W.

Resina

Foram utilizadas as resinas Snow White e Deep Black do fabricante “Fun to do”, constituída por monômeros acrílicos alifáticos, oligômeros acrílicos e fotoiniciador à base de óxido de fosfina. Possui uma dureza Shore D 83, viscosidade de 80 Mpas, que a torna muito adequada para impressoras 3D com sistema de cima para baixo (top-down). Tempo de cura de 0,5 segundos para camadas de 0,02 mm são alcançadas em impressoras padrão de DLP com uma fonte de luz média ao redor de 240 Watts. Possui reatividade à comprimentos de onda de 225 nm até 415 nm.

Álcool Isopropílico

Após a curagem, as peças foram lavadas com álcool isopropílico para remover o excesso de resina 

Lupa

Duas lupas foram utilizadas para convergir a luz do projetor sobre a cuba de resina.

Métodos 

Protótipo da impressora 3D

Projeto informacional

O objetivo dessa etapa consiste em transformar as informações de entrada em especificações de projeto 

No capítulo anterior, informações sobre a impressão 3D DLP foram levantadas através da do estudo da literatura e análise das impressoras comerciais e de suas patentes possibilitando, assim, entender a natureza dos problemas do projeto em questão. Isso feito, foram levantados os principais requisitos do projeto a fim de delimitar o escopo e mitigar possíveis erros:

Requisitos do projeto

O Projetor DLP deve trabalhar com comprimentos de onda entre 363nm até 700nm
O mecanismo de movimentação linear deve oferecer um posicionamento preciso da plataforma de construção

A resina não deve grudar no fundo da
cuba
A impressora deve apresentar um preço acessível
A impressora deve possuir uma estrutura
externa para proteção
O protótipo deve apresentar um hardware
simples
A cuba com a resina deve ser protegida
do ambiente externo
A impressora deve ser capaz de
produzir peças pequenas com qualidade satisfatória

O autor (2017)

Projeto conceitual 

Primeiramente, desenvolveu-se uma função global do sistema, para demonstrar em linhas superficiais qual será a principal função do produto. Em sequencia, foi feito desdobramento da mesma, desenvolvendo-se uma estrutura simplificada. Nessa função já se abrem as funções mais específicas. As figuras abaixo ilustram esses procedimentos.

Função global da impressora 3D
Função global da impressora 3DO autor (2017)

Estrutura funcional
Estrutura funcionalO autor (2017)

Em seguida, foi feita a descrição de cada função e a determinação das entradas e saídas:

Descrição das Funções

FunçãoDescriçãoEntradasEntradas
Acionar o motorProver energia mecânica para os mecanismosEnergia ElétricaEnergia mecânica
Posicionamento no eixo ZPosicionar a plataforma de construção no eixo Z e guiar o suporte ao longo do eixoPlataforma de construção não posicionadaPlataforma de construção posicionada
Solidificar a camada de resinaCurar a seção transversal da resina e formação da camadaResina líquidaResina curada
Destacar do fundo da cubaEvitar a danificação da camada de resina ao destacá-la do fundo da cuba Camada grudada no fundo da cubaCamada destacada do fundo da cuba sem deformações
Construir o perfilConstruir o perfil da peça conforme o modelo 3DPerfil não definidoObjeto 3D
Estruturar e protegerEstruturar e proteger a impressora do ambiente externoImpressora não protegidaImpressora protegida

O autor (2017)

Após determinação da função global do equipamento e realização do seu desdobramento, partiu-se para a elaboração dos princípios de solução. Nessa etapa do projeto, identificaram-se 2 ou 3 opções para as principais funções do produto realizando-se, em seguida, uma análise para determinar a melhor solução. Posteriormente, um esboço preliminar do protótipo foi feito. A
matriz morfológica foi desenvolvida na tabela abaixo.  

Matriz morfológica

Funções
elementares
1 2 3
Projeção da luz do projetor Configuração
“top down”
Configuração “bottom up” X
Acionamento
da movimentação linear
Motor
servo
Motor
de passo
X
Posicionamento no eixo Z Eixo
e porca rosqueada
Parafuso de potência ACME e porca quadrada Fuso de
esferas
recirculante
Destaque do fundo da cuba  Revestimento
com PDMS
Filme de teflon FEP Mecanismo de movimento deslizante
 Estruturação e
proteção
Estrutura de alumínio Estrutura de madeira Estrutura de aço 1020
Posicionamento no eixo ZRolamentos lineares de esferas Buchas X

O autor (2017)

  • Projeção da luz do projetor : a configuração “bottom up” foi adotada por ser mais comumente usada e mais econômica.  
  • Acionamento da movimentação linear
    : optou-se pelo motor de passo pois, além de ser mais barato, leva vantagem devido a construção do rotor, que promove posicionamentos discretos com melhor estabilidade da posição. Ademais, em deslocamentos muito pequenos e em baixas velocidades, os servos motores podem sofrer instabilidade para reter a posição sem vibração. O motor foi unido ao eixo através de um acoplamento, garantindo, assim, alinhamento.
  • Posicionamento no eixo Z: apesar de ser a opção mais cara, o fuso de esferas recirculante foi escolhido por oferecer melhor precisão e desempenho.
  • Posicionamento no eixo Z: para guiar o suporte ao longo do eixo e aumentar a qualidade do movimento linear, rolamentos lineares de esferas foram utilizados para reduzir o atrito e garantir que o movimento de translação no eixo Z ocorresse de forma precisa e direcionada, fazendo com que o posicionamento e movimento fossem realizados de modo adequado. Apesar da bucha ser mais barata, ela se desgasta rapidamente tornando sua substituição frequentemente necessária. 
  • Destaque do fundo da cuba: optou-se pelo fundo com PDMS, por ser uma forma efetiva e mais simples de revestir quando comparado ao filme de teflon FEP.  Optou-se por não utilizar um mecanismo de movimento deslizante pois acarretaria maiores custos e maior complexidade de construção fugindo do objetivo pré-estabelecido de projetar uma impressora simples e econômica. 
  • Estruturação e proteção: o material escolhido foi o alumínio. A estrutura de aço 1020 foi descartada devido ao alto custo. Apesar da madeira ser mais barata, optou-se pelo alumínio por questões estéticas uma vez que gera uma aparência mais profissional, além de possuir maior durabilidade e não se deformar com o aumento da temperatura. Esse material foi empregado na estrutura externa e na plataforma de construção. Adicionalmente, para proteger a resina do ambiente externo, utilizou-se uma tampa de acrílico para proteger dos raios UV.

Um esboço preliminar do protótipo a ser desenvolvido é ilustrado abaixo:

Esboço preliminar do protótipo
Esboço preliminar do protótipoO autor (2017)

Projeto preliminar

A fase de projeto preliminar será tratada no próximo capítulo, resultados parciais e discussão, no qual o protótipo virtual será validado. Adicionalmente, os objetos impressos serão exibidos e analisados para validação do princípio.

Experimento de impressão de objetos 

 Uma impressora 3D DLP do tipo “top down” localizada no laboratório da EESC foi utilizada para impressão e posterior análise de objetos. O seguinte procedimento foi realizado:   

Primeiramente, a sessão transversal do objeto a ser imprimido foi representada num slide no PowerPoint de modo que a parte branca representa o objeto sobre um fundo preto.

Sessão transversal do objeto
Sessão transversal do objetoO autor (2017)

Isto feito, o slide foi projetado pelo projetor montado verticalmente conforme a figura abaixo:

Impressora 3D DLP do laboratório da EESC
Impressora 3D DLP do laboratório da EESCO autor (2017)

Uma lupa foi utilizada para focar a luz sobre uma cuba de silicone, na qual a resina é depositada, que se move no eixo Z por meio de parafuso de potência e um servo motor. A cuba foi presa por um suporte de madeira.

Projeção da sessão transversal do objeto
Projeção da sessão transversal do objetoO autor (2017)

 O G-code foi escrito no software TurboCNC 5.0 que lê o código e transforma em movimento linear. Diversas tentativas foram realizadas, variando a espessura e tempo de exposição até encontrar-se um ponto ideal. Foram utilizadas resinas de duas cores, branca e preta, e uma lixa no fundo da cuba foi aplicada em algumas tentativas.  

Por fim, a peça foi retirada cuidadosamente com uma espátula e limpada com álcool isopropílico.

Cálculos

Por fim, foi calculada a densidade de energia luminosa, que é a energia luminosa recebida por unidade de volume, para cada peça impressa. Unidade SI: lm.s.m-3 

Densidade de energia luminosa
Densidade de energia luminosaAdaptado de Fundamentos (1998)

 RESULTADOS PARCIAIS E DISCUSSÃO

ProtótipO

O protótipo final da impressora é ilustrado da imagem abaixo:

Protótipo final
Protótipo finalO autor (2017)

Com o fito de proteger a área de impressão e bloquear qualquer luz ultravioleta de endurecer a resina na bandeja, uma tampa de acrílico laranja foi utilizada. A estrutura envoltória da impressora foi projetada com alumínio na cor preta. O conjunto total possui  de 688 mm altura, 415 mm de comprimento e 340 mm de largura.

Ao lado da montagem final, a impressora sem a tampa e a estrutura envoltória frontal é ilustrada. O projetor da marca Acer modelo p1500 com uma lente foi montada, a fim de focar a luz no fundo da cuba. O motor de passo Nema 17 foi preso à estrutura por um suporte e unido ao eixo por um acoplamento. Os componentes elétricos, driver do motor, Arduíno, conexões USB, fonte de energia, entre outros, foram omitidos
.

Projetor DLP
Projetor DLPO autor (2017)

Para a movimentação linear no eixo Z foram utilizado um fuso de esferas recirculantes e rolamentos lineares de esferas do fabricante SKF modelos SND/BND e LUHR/LUJR respectivamente. Os dois eixos que guiam o suporte foram feitos com aço inoxidável :

Sistema de movimentação linear
Sistema de movimentação linearO autor (2017)

Um suporte conectando os eixos e a plataforma de construção foi projetado. O encaixe da plataforma de construção no suporte foi feito por pressão através de um parafuso. A base de impressão foi desenvolvida com alumínio anodizado pois experiências com outras impressoras DLP indicam que é um material bem adequado, uma vez que possui uma superfície áspera mas dura e não reage com a resina.
Ela possuí 180 mm de comprimento e 90 mm de largura.

Plataforma de construção
Plataforma de construçãoO autor (2017)

Uma cuba de acrílico na cor laranja foi utilizada. O fundo foi revestido com uma fina camada de PDMS, inibindo o processo de polimerização no fundo da cuba. Ela foi presa à tampa superior da impressora por meio de parafusos.
A cuba possui as seguintes dimensões 50 mm de altura, 190 mm de comprimento e 120 mm de largura.

Cuba de resina
Cuba de resinaO autor (2017)

Experimento de impressão de objetos 

 As peças obtidas utilizando as duas resinas são ilustradas na imagem abaixo:

Peças impressas com resina branca
Peças impressas com resina brancaO autor (2017)

Peças impressas com resina preta
Peças impressas com resina pretaO autor (2017)

Os seguintes resultados foram obtidos:

Resultado dos experimentos

Nº da peça Cor da resina Tempo de cura (segundos) Espessura (mm) Densidade de energia luminosa (lm*s/mm3)
1 Branca 30 0,4260,5675
2 Branca 40 0,55 252,6316
3 Branca 45 0,75 208,4211
4 Branca 60 1,1189,5036
5 Branca 140 1,92 253,2895
6 Branca 150 2,1 248,1203
7 Preta80 1,3252,6715
8 Preta 165 2,17 264,1281
9 Preta 173 2,21 271,9219
10 Preta 180 2,3 271,8535

O autor (2017)

Nas peças em que foram utilizadas resina branca observou-se que, para espessuras menores, o tempo de cura ideal observado foi de 45 segundos (peça 3). Para o tempo de cura de 30 segundos (peça 1) a peça mal se formou e para 60 segundos (peça 4), o furo da engrenagem ficou menor e os dentes menos nítidos.

Quando o tempo de curagem foi aumentado com o fito de produzir peças com espessuras maiores, observou-se que as peças ficaram ainda mais distorcidas (peças 5 e 6). Os detalhes como o furo e os dentes da engrenagem não foram reproduzidos.

Dessa forma, substituiu-se a resina branca pela preta a fim de produzir peças mais espessas. Observou-se que a resolução do objeto melhorou e apresentou uma maior riqueza de detalhes. Mesmo aumentando o tempo de cura a qualidade da impressão se manteve (peças 7,8,9 e 10). Isso ocorreu, pois a resina preta é menos translúcida que a branca e, assim, a luz se espalha menos e o objeto é solidificado de maneira mais eficaz.

Quanto a densidade de energia luminosa, observou-se que para a resina branca um valor em torno de 208 lm*s*mm-3 (peça 3) é apropriado para se produzir uma peça com uma qualidade mais satisfatória. Já para a resina preta, uma faixa de valores ente 252 a 271 lm*s*mm-3 proporcionam a impressão de peças com resolução superior.

CONCLUSÕES PARCIAIS

A impressão 3D, apesar de apresentar algumas limitações, é uma prática em ascensão que tem potencial para se tornar a tecnologia do futuro e acarretar um impacto profundo nas diversas áreas produtivas. Logo, deve ser continuamente estudada e desenvolvida para atingir tal desafio.

A partir deste trabalho, foi possível um aprofundamento na teoria de manufatura aditiva, em especial a tecnologia de impressão 3D DLP, que apresenta um futuro promissor e diversos aspectos positivos como rápida velocidade de impressão e viabilidade econômica.

 O projeto da impressora foi de suma importância para melhor compreensão do funcionamento, aplicação de conceitos e seleção das melhores soluções. Foi possível desenvolver um protótipo simples, viável e que atendesse os requisitos estabelecidos.

Através do experimento de impressão de objetos, pode-se determinar os tempos recomendáveis de cura para dois tipos distintos de resina, além de identificar faixas de densidade de energia luminosa ideais. Obteve-se peças de qualidade satisfatória possibilitando a validação do princípio da tecnologia em questão.
 

Este trabalho, portanto, proporcionou um elevado aprimoramento dos estudos desenvolvidos em sala de aula e práticas de laboratório, durante todo o curso de Engenharia Mecânica, deixando evidente o quanto extenso é a área de projeto e o quanto ainda pode ser explorado.

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