IMPRESSORA 3D NA INDÚSTRIA 4.0:  desenvolvimento com baixo custo

CENTRO UNIVERSITÁRIO DE MARINGÁ - UNICESUMAR

IMPRESSORA 3D NA INDÚSTRIA 4.0 desenvolvimento com baixo custo

LUIS antonio cardozo

Resumo

A impressão 3D é um dos elementos fundamentais da Indústria 4.0. Por sua vez, a Indústria 4.0, ou a quarta revolução industrial, consiste na automação e digitalização da indústria e de todos os processos relacionados aos negócios. As revoluções industriais ocorridas ao longo da história foram definidas pelas características das diferentes tecnologias emergentes de cada momento. Essas características e as novas tecnologias mudam os métodos de produção da indústria em grande velocidade. Ao mesmo tempo, estimulam mudanças econômicas e sociais, transformando profundamente a humanidade e sua evolução. A sociedade passou por três revoluções industriais e tecnológicas nos séculos XIX e XX que levaram ao progresso em todos os seus aspectos, tanto econômica quanto socialmente. Graças à impressão 3D, as empresas têm a possibilidade de aumentar a sua flexibilidade, adaptando-se às necessidades de um mercado cada vez mais exigente e imprevisível. Além disso, permite que todos os tipos de objetos personalizados sejam fabricados sem moldes e ferramentas de fabricação caros. Da mesma forma, a impressão 3D é uma grande aliada do meio ambiente, uma característica muito importante considerando a nossa situação climática atual e a importância de termos processos de fabricação sustentáveis com menor consumo de recursos e geração de resíduos. Sendo assim, este estudo tem como objetivo abordar como a impressão 3D vem contribuindo para a inovação das atividades industriais. Para tanto, será realizado um estudo acerca do desenvolvimento de um modelo de impressora 3D de baixo custo, como forma de aumentar a inserção de tal tecnologia nas práticas industriais.

Palavras-chave: impressão 3D; indústria 4.0; inovação; baixo custo; revolução industrial.

INTRODUÇÃO

A tecnologia da impressão 3D, surgiu entre a década de 80 e 90, mas está vivendo seu auge hoje em dia em que passamos pela chamada indústria 4.0 ou a 4ª Revolução Industrial, baseada nos sistemas cibernéticos físicos (CPS), internet das coisas (IOT), enfim, muita coisa que antes era um sonho muito distante, hoje realidade para muitos.

Atualmente vivemos uma invasão de impressoras 3D em vários setores da indústria, escolas, residências. Assunto muito presente em jornais e documentários e ainda mais por esses dias, devido ao Covid-19, um exemplo o projeto HÍGIA, onde muitos puderam ajudar a criar máscaras e protetores faciais com a tecnologia de impressão 3D e assim ajudar nossos profissionais da saúde, devido a uma situação global que todos nós vivemos.

Componentes, peças e protótipos para estudo criados a partir de modelos que antes eram somente digitais ou em livros, mas agora podem ser criados para estudo, e isso intensificou com o projeto REPRAP implementado em 2007, fator chave para a popularização da tecnologia com finalidades de exploração comercial e de custo acessível.

A realização deste trabalho vem mostrar, como é importante que estudos sejam feitos e que possam aperfeiçoar e ajudar na redução de custo de produção desses equipamentos, maximizar lucros e desenvolver um protótipo de impressora 3D, usando linguagem C e programas de código livre com o menor custo de mercado.

Este é um estudo que possui como principal objetivo, a construção de uma máquina com a tecnologia de impressão 3D, com baixo custo e que use técnicas de modelagem por fusão de material a alta temperatura e deposição deste material de camada a camada até conclusão do projeto e ou peça a qual foi destinada a fazer. Previamente essas peças foram desenvolvidas em um computador e aperfeiçoadas em algum programa (CAD), e através deste modelo em 3D imprimir em micro camadas qualquer tipo de objeto. Já como objetivos específicos, este estudo visa compreender o contexto da indústria 4.0, entender como as impressoras 3D tem contribuído para o crescimento desta 4ª Revolução Industrial e, finalmente, especificar como a impressora 3D foi construída.

Na atualidade é muito necessário e requisitado dentro das empresas inovação a um baixo custo, facilidade no manuseio e segurança aos envolvidos com precisão em todos os aspectos.

Este projeto vai evidenciar e elaborar desde o princípio até o final, o funcionamento de uma impressora 3D baseada com tecnologia de fusão e deposição de material por micro camadas com precisão de até 0.1mm, integração dos circuitos eletrônicos, programação e desenvolvimento com Arduino que será utilizada linguagem de programação em C.

Nesse sentido de desenvolvimento, pretende-se abordar os assuntos propostos usando tecnologias disponível. Atualmente como a Fused Deposition Modeling (FDM), com baixo custo e comprovar o grande benefício x custo que uma impressora 3D pode ter em nosso cotidiano e que altera e muito a nossa forma e modo de produção.

Como metodologia para o desenvolvimento deste estudo, foi realizado um estudo de caso, com base na literatura atualmente existente para se obter todos os conhecimentos de domínio público que se fizeram necessários para a construção de uma impressora 3D de baixo custo.

A indústria 4.0

Após as três primeiras revoluções industriais, o século 21 marcou o início da próxima revolução industrial. A Indústria 4.0 introduz o que tem sido chamado de processo de 'manufatura inteligente', no qual sistemas ciberfísicos monitoram os processos físicos de uma fábrica e tomam decisões descentralizadas. Os sistemas físicos tornam-se Internet das Coisas (IoT), comunicando-se e coordenando-se entre si e com os humanos em tempo real através da web sem fio (ROBLEK et al., 2016).

Diz-se que a Indústria 4.0 é mais do que mudanças no processo de negócios; é uma tecnologia disruptiva que mudará radicalmente a maneira como os negócios / manufatura são conduzidos. Isso dará às máquinas aquele pouco de intuição - com a ajuda da inteligência artificial, realidade aumentada e realidade virtual - que as ajudará a fazer trabalhos estúpidos e repetitivos sem intervenção humana, permitindo que os humanos se concentrem mais em suas competências essenciais (PFOHL et al., 2017).

 No coração da Indústria 4.0 está a transformação digital. No final desse processo de transformação, as empresas industriais de sucesso se tornarão verdadeiras empresas digitais com produtos físicos no centro, aumentados por interfaces digitais e serviços inovadores baseados em dados. Essas empresas digitais trabalharão em conjunto com clientes e fornecedores em ecossistemas digitais industriais (ROBLEK et al., 2016).

 

 PILARES DA INDÚSTRIA 4.0

Podemos observar na literatura pesquisada que há um consenso na definição estabelecida pelos autores no que se refere a empresas que se utilizam da tecnologia para solucionar seus mais variados problemas. Temos também uma concordância expressiva quanto à articulação que pode ser estabelecida entre o mundo físico e o mundo digital, e, também, sobre a utilização das informações em tempo real.

 Assim, utilizando-se de uma bibliografia fundada em publicações científicas e em livros com divulgação a nível internacional como por exemplo, Miller (2005), foi possível conhecer quais os tipos de inovações tecnológicas mais abordadas no contexto da Indústria 4.0:

• Robótica avançada: robôs com uma capacidade de adaptação crescente e flexível; num futuro não muito distante, pode-se estabelecer que a relação entre esses robôs e outras máquinas e seres humanos convergirá para algo comum (SCHWAB, 2016);

• Internet das coisas: a mesma pode ser definida como a interação promovida entre produtos, serviços, lugares com as pessoas que as rodeiam, utilizando-se de ambientes virtuais e tecnologias que possam promover uma conectividade entre as mesmas (QIN et al., 2016);

• Segurança cibernética: compreende as formas de comunicação que apresentam um crescimento considerável de sua confiabilidade e sofisticação (RUBMANN et al., 2015);

• Computação em nuvem: utilização de bancos de dados que podem disponibilizar acesso remoto de qualquer localidade do planeta em uma velocidade na casa dos milissegundos, através de uma conexão dos dispositivos de acesso à internet (ROBLEK et al., 2016);

• Manufatura aditiva: utilização de impressoras 3D para a produção de uma vasta variedade de produtos, através da utilização de matéria-prima e descartando a utilização de moldes para a fabricação (RUBMANN et al., 2015);

• Realidade aumentada: tecnologia amplamente utilizada na produção de uma vasta de serviços; num futuro próximo, terá um grande alcance no meio industrial por oferecer um acesso de informações instantâneo que é capaz de otimizar a tomada de decisões (PFOHL et al., 2017);

• Big Data e Analytics: processo de identificação de qualquer tipo de falha no processo produtivo, minimização do consumo de energia, otimização da qualidade e consolidação da eficiência no uso de todo tipo de recurso necessário para o processo produtivo (RUBMANN et al., 2015);

• Inteligência artificial: promove uma minimização dos custos de produção, otimização da eficiência dos processos e a utilização da tecnologia para desempenhar as atividades inerentes ao processo produtivo (SCHWAB, 2016);

Novos materiais: possuem um grau de leveza considerável e uma resistência que atenda às exigências dos produtos, além de serem recicláveis e capazes de serem adaptados às mais diversas utilidades; possuem também a capacidade de carregar uma “inteligência” que proporciona a promoção de material para uma auto reparação ou autolimpeza (QIN et al., 2016).

MUDANÇAS E IMPACTOS NA INDÚSTRIA 4.0

Atualmente, diante do expressivo avanço tecnológico que vem sendo vivenciado pela humanidade, a Indústria 4.0 estabelece um foco diferenciado em pesquisas que buscam mostrar como tais avanços podem influenciar no modo como a sociedade consolida suas relações pessoais e profissionais (GENTNER, 2016).

Nessas pesquisas, temos que as metodologias não são comumente colocados como um modelo de empreender novas tecnologias. Isso se deve ao fato de que as mudanças promovidas por qualquer tipo de inovação ocorrem, em sua grande parte, através de planejamentos estratégicos de longo prazo e de implantação que ocorre de uma maneira gradual (KAGERMANN et al., 2013).

Diante da atuação direta da tecnologia na melhoria contínua da eficiência dos processos produtivos dentro das empresas, as indústrias buscam a integração de todas as etapas de seus processos. Essa integração e otimização dos processos produtivos é promovida pela manufatura digital, que busca transformar toda a estrutura dos negócios empresariais para tornar cada corporação competitiva dentro do mercado consumidor.

A manufatura digital pode ser definida como um processo de otimização dos processos desempenhados pelas empresas na administração de seus negócios e, consequentemente, aumentar sua lucratividade. As melhorias disponibilizadas para tal são implementadas através da utilização de ferramentas tecnológicas das mais variadas, sendo elas possuidoras de uma infraestrutura de ponta, com softwares de alta tecnologia e reconhecidos no mercado como uma referência para a implementação de melhorias industriais. Essas tecnologias têm como referência para suas aplicações as exigências de mercado feitas pelos consumidores, onde os resultados possibilitam um processo produtivo mais ágil e desenvolvedor de produtos com um padrão de qualidade cada vez maior (ZHOU et al., 2015).

Assim, a atuação da manufatura digital na promoção da inovação tecnológica da Indústria 4.0 tem como foco principal a minimização de custos dos processos produtivos, redução dos prazos de produção e de entrega, criação de bancos de dados que tornam o desenvolvimento de projetos futuros mais objetivos, otimização da qualidade final dos produtos, integração de informações em todas as etapas dos processos, estimativas mais realistas para os retornos financeiros e a simulação dos processos produtivos antes mesmo de sua implementação, dentre outros.

As indústrias que adotam a rotina de implementar inovações tecnológicas buscam a implantação de processos produtivos mais inteligentes e eficientes, capazes de identificar qualquer tipo de desvio dentro do processo e que possa ser melhorado, além é claro da minimização de todos os custos envolvidos. Assim, a manufatura digital tem um foco que atinge primeiramente a melhoria contínua dos produtos comercializados por uma empresa, através da utilização de novas tecnologias, conteúdos teóricos desenvolvidos sobre o assunto e a utilização de canais de comunicação (SCHWAB, 2016).

Assim, todo tipo de inovação que deva ser implementado em uma empresa deve sempre buscar um alinhamento com todas as estratégias empreendedoras planejadas para os negócios. Esse alinhamento deve estabelecer uma linha direta de coerência entre o projeto de desenvolvimento do produto e as premissas estabelecidas pela manufatura digital (DECARLI; DELAMARO, 2007).

Miller (2005), nos diz que o processo de manufatura digital é uma escolha quase que única para a consolidação de estratégias eficientes para o planejamento dos negócios de uma empresa, onde suas ferramentas são capazes de inserir dentro do contexto de desenvolvimento do produto inovações tecnológicas cada vez mais eficientes.

Segundo uma pesquisa realizada em 2015 pelo Fórum Econômico Mundial, onde a mesma foi realizada com mais de 800 profissionais que trabalham no ramo tecnológico, foi possível conhecer as expectativas do mercado de tecnologia para o futuro próximo dos negócios. Dentre essas expectativas, temos a implementação de trilhões de sensores para a internet, a criação de inteligência artificial capaz de substituir farmacêuticos e auditores, ampliação da impressão em 3D para a fabricação de órgãos humanos e de veículos, cidades que não tenham semáforos, máquinas capazes de compor um conselho de administração, dentre outras inovações das mais variadas (SCHWAB, 2016).

Segundo a Confederação Nacional da Indústria (2016), em um relatório produzido pela mesma, há a expectativa de que até o ano de 2025 os custos envolvidos na manutenção dos maquinários de uma empresa poderão sofrer uma redução de até 40% com a adoção das transformações oferecidas pela Indústria 4.0. Essa expectativa também se reflete no consumo de energia das empresas, que tem uma estimativa de redução na ordem de 20%, e num aumento da eficiência dos processos produtivos em 25%. Para o ano de 2030, o mesmo relatório prevê uma inserção de aproximadamente US$ 39 bilhões no PIB brasileiro.

Diante de tudo o que foi exposto até então, fica evidente que a Indústria 4.0 apresenta-se como uma novidade capaz de promover modificações de grande impacto dentro das empresas, onde as mesmas acabam por exigir atualizações dentro do conteúdo programático das universidades para a Engenharia de Produção (SACKEY; BESTER, 2016).

O PAPEL DA IMPRESSORA 3D NA INDÚSTRIA 4.0

A tecnologia 3D é uma parte vital da Indústria 4.0. Enquanto impressoras 3D chegaram ao mercado na década de 80, a impressão 3D comercialmente viável só foi possível na última década. A tecnologia de impressão 3D hoje está em um estágio em que as empresas estão começando a perceber um novo valor tangível e significativo para si mesmas e para seus clientes que as utilizam. Empresas e consultores líderes em todo o mundo estão fazendo investimentos significativos em conhecimento e recursos de impressão 3D para que possam aconselhar e se juntar a seus clientes na onda da Indústria 4.0 e revolucionar cadeias de suprimentos, portfólios de produtos e modelos de negócios no processo (HAUSMAN; HORNE, 2014).

Os parâmetros que alteraram significativamente e inclinaram a escala em favor das impressoras 3D são os seguintes:

• Velocidade de impressão: as impressoras 3D são ótimas para personalização em massa, mas as impressoras anteriores eram um pouco lentas demais para as necessidades de impressão da vida real. Para transformar digitalmente a indústria de manufatura, as peças precisam ser impressas em minutos, não em horas. À medida que a tecnologia de impressão 3D melhora, a velocidade das impressoras também melhora (GRYNOL, 2013).

• Qualidade: as impressoras 3D anteriores não eram extremamente precisas, especialmente quando se tratava de imprimir designs complexos. No entanto, a melhoria é o software 3D e a tecnologia removeu esse obstáculo (SEGUIN, 2011).

• Segurança: a maioria das impressoras 3D anteriores usava tecnologia que exigia que operassem em altas temperaturas. As impressoras também eram volumosas. No entanto, as impressoras 3D mais recentes inovaram-se em mudanças significativas na forma como as impressoras funcionam (COTTELEER; JOYCE, 2014).

• Impacto ambiental: a fabricação tradicional desperdiça muito material. Na maioria dos casos, aumenta a pegada de carbono. A impressão 3D reduz o desperdício e os fabricantes que se preocupam com o meio ambiente podem usar material biodegradável ecologicamente correto. Além disso, as impressoras 3D mais recentes também podem fazer uma única cópia, se necessário. Isso reduz o estoque não vendido. Como resultado, produtos descontinuados ou não vendidos não acabam se acumulando em aterros sanitários (VOLPATO et al., 2007).

• Escolha do material de impressão: as impressoras 3D atuais podem imprimir quase tudo, de metal a alimentos. À medida que a escolha do material aumenta, as indústrias acharão mais fácil fabricar quase tudo que os clientes desejam. Além disso, a quantidade de fabricação também não será um impedimento, pois as impressoras 3D serão capazes de imprimir até mesmo um único bolo feito sob medida ou um único microchip (CANESSA; FONDA; ZENNARO, 2013).

• Software e impressão 3D: um dos principais componentes da Indústria 4.0 é o big data. Conforme um novo software é disponibilizado, capaz de processar esse big data, isso só aumentará a importância das impressoras 3D no futuro, já que esses dados podem ser alimentados diretamente para elas durante a prototipagem (HAUSMAN; HORNE, 2014).

• Preço: em última análise, a indústria de manufatura adotará a transformação digital apenas se o preço for justo. Além das preocupações com a velocidade, um dos maiores obstáculos para a digitalização em grande escala era o alto custo das impressoras 3D. Conforme a competição esquenta e mais e mais jogadores pequenos entram na briga, o custo das impressoras 3D continuará caindo. Conforme os preços caem, mais e mais consumidores começarão a comprar impressoras 3D, beneficiando a todos no processo (COTTELEER; JOYCE, 2014).

Em geral, a maioria das indústrias de manufatura está preparada para se beneficiar da adoção da tecnologia de impressão 3D, o mais cedo possível. No entanto, os benefícios mais tangíveis serão colhidos pelas empresas automotivas e grandes fabricantes, devido à economia significativa de custos associada à digitalização de seus estoques. Outras empresas que provavelmente se beneficiarão anteriormente incluem manufatura de consumo, fabricantes de equipamentos de defesa e empresas de saúde, especialmente as de saúde dentária e próteses (CANESSA; FONDA; ZENNARO, 2013).

CONHECIMENTOS TÉCNICOS ACERCA DAS IMPRESSORAS 3D

Por volta de 1984 surgia os primeiros relatos de desenvolvimento da impressora 3D, desenvolvida pelo norte-americano Chuck Hull engenheiro formado pela Universidade do Colorado, trabalhava com luz UV para colocar finas camadas de plástico sobre mesas e móveis onde trabalha e utilizava a estereolitografia, tecnologia essa que foi precursora da impressão 3D e mais tarde deu origem a fundação da empresa 3D Systems Corp, onde já em 1986 patenteou o seu invento na Califórnia (EUA).

Já em 1988, levantou a verba necessária, lançando a primeira versão comercial da tecnologia, deixando evidente o grande sucesso entre produtores de automóveis, medicina e do setor aeroespacial. Com o sucesso também veio as várias nomenclaturas, impressão 3D, prototipagem rápida, fabricação aditiva, o que de todas as formas conhecidas se pode traduzir por modelo tridimensional criado por sucessivas camadas de material.

CONCEITOS DE PROTOTIPAGEM RÁPIDA

Em estudo realizado por Raulino (2011), a Prototipagem Rápida (PR – “Rapid Prototyping”) é um ciclo de fabricação com adição de material em camadas muito finas e de sobreposição uma as outras, surgiu no final da década de 80, com a crescente expansão e necessidade da indústria em se obter custo reduzido na cadeia de desenvolvimento de determinado produto.

Este método engloba muitas tecnologias e processos que tem por intuito único a confecção de objetos físicos em dimensões 3D (tridimensionais) ou em 2D, através de processos que adicionam filamento plástico derretido, camada a camada, sucessivamente, reproduzindo assim geometrais complexas que muitas vezes são impraticáveis em sistemas tradicionais.

Buswell (2017), destaca o termo Prototipagem Rápida (PR – “Rapid Prototyping”) como a forma de produção ligada ao desenvolvimento de protótipos pelos métodos aditivos e aperfeiçoadas a partir de desenhos 3D com programas editores como CAD, ou até reaproveitamento de imagens coletadas em sites de comunidade aberta de imagens 3D.

 Segundo Narayan (2014), o que possibilitou todo esse desenvolver e força da prototipagem rápida, é devido ao desenvolvimento da indústria de software, dos profissionais e até de computadores cada vez menores e poderosos. Em particular, a indústria de softwares CAD tem um peso decisivo em quase todos os setores de desenvolvimento de softwares de PR. O objetivo sempre foi em obter economia nos materiais de produção, reduzir o tempo e desenvolver protótipos no menor tempo possível, acelerando cada vez mais o desenvolvimento de novos produtos.

Dabague (2014) afirma que a impressora 3D pode ter sua utilização em diversas áreas do cotidiano. Pode-se citar a rápida prototipagem, que é extremamente abrangente, produzindo rapidamente peças com um custo baixíssimo, também a sua utilização como eletrodoméstico ou lazer e até como forma de produzir em série, visto que uma impressora pode tornar-se replicável, produzindo peças para montar outras impressoras, bem como peças para reposição. Mas à rápida expansão da PR nos últimos anos, também cobrou o seu preço e gerou muitos nomes de um mesmo produto e ou processo, e para a facilitação de referências a cada um foi dado um nome distinto, mas a sobreposição de material por camadas se tornou a base de toda a história da impressão 3D.

Ainda temos Narayan (2014), indicando a crescente incidência de termos terminou causando um número elevado de duplas interpretações e gerando muita confusão no material de referencial teórico. Nasce o facilitador para o uso da terminologia, e globalizar o termo “manufatura aditiva” e padronizando o princípio fundamental da PR que é representar todo o relacional tecnológico da forma de imprimir camada a camada, e tudo em um único nome referencial, Fused Deposition Modeling (FDM).

Por fim, vemos o método de produção fortemente ligado ao desenvolvimento, a prototipagem de grandes projetos, a evolução de grandes projetos aditivos desenvolvidos em computadores e em softwares CAD cada vez mais poderosos e em diversas áreas da indústria. (BUSWELL et al., 2007).

VISÃO GERAL DA IMPRESSÃO 3D

As impressoras 3D usam design auxiliado por computador (CAD) para criar objetos 3D a partir de uma variedade de materiais, como plástico fundido ou pós. Não, eles não são como aquelas caixas mágicas em programas de ficção científica. Em vez disso, as impressoras, que agem de forma semelhante às impressoras jato de tinta 2D tradicionais, usam um método de camadas para criar o objeto desejado. Eles trabalham do zero e se acumulam camada após camada até que o objeto fique exatamente como foi imaginado (HAUSMAN; HORNE, 2014).

Essas impressoras têm extrema flexibilidade no que pode ser impresso. Eles podem usar plásticos para imprimir materiais rígidos, como óculos de sol. Eles também podem criar objetos flexíveis, como capas de telefone ou alças de bicicleta, usando um pó de borracha / plástico híbrido. Algumas impressoras 3D ainda têm a capacidade de imprimir com fibra de carbono e até com pó metálicos para produtos industriais extremamente fortes (GRYNOL, 2013).

As impressoras 3D são incrivelmente flexíveis; não só nos materiais que usam, mas também no que podem imprimir. Além disso, elas são incrivelmente precisas e rápidas, o que as tornam uma ferramenta promissora para o futuro da manufatura. Muitas impressoras 3D são usadas para o que é chamado de prototipagem rápida. Empresas em todo o mundo agora empregam impressoras 3D para criar seus protótipos em questão de horas, em vez de perder meses e potencialmente milhões de dólares em pesquisa e desenvolvimento. Na verdade, algumas empresas afirmam que as impressoras 3D tornam o processo de prototipagem bem mais rápido e bem mais barato do que os processos normais de P&D (SEGUIN, 2011).

As impressoras 3D podem cumprir uma função em quase todos os setores. Elas não estão sendo usadas apenas para prototipagem. Muitas impressoras 3D estão recebendo a tarefa de imprimir produtos acabados. Na área da saúde, impressoras 3D estão sendo usadas para criar peças para equipamentos. A indústria da construção está realmente usando esse método de impressão futurista para imprimir casas completas. Escolas em todo o mundo estão usando impressoras 3D para trazer o aprendizado prático para a sala de aula, imprimindo ossos de dinossauros tridimensionais e peças robóticas. A flexibilidade e adaptabilidade da tecnologia de impressão 3D a torna uma virada de jogo instantânea para qualquer indústria (COTTELEER; JOYCE, 2014).

FUNCIONAMENTO DO PROCESSO DE IMPRESSÃO 3D

A impressão 3D faz parte da família de manufatura aditiva e usa métodos semelhantes a uma impressora jato de tinta tradicional - embora em 3D. É necessária uma combinação de software de ponta, materiais em pó e ferramentas de precisão para criar um objeto tridimensional a partir do zero. Abaixo estão algumas das principais etapas que as impressoras 3D realizam para dar vida às ideias (VOLPATO et al., 2007).

MODELAGEM 3D

A primeira etapa de qualquer processo de impressão 3D é a modelagem 3D. Para maximizar a precisão, todos os objetos devem ser projetados em um software de modelagem 3D. Alguns projetos são muito complexos e detalhados para os métodos de fabricação tradicionais, onde o software CAD é muito utilizado. A modelagem permite que os impressores personalizem seus produtos nos mínimos detalhes. A capacidade do software de modelagem 3D de permitir designs de precisão é o motivo pelo qual a impressão 3D está sendo aclamada como uma verdadeira virada de jogo em muitos setores. Este software de modelagem é especialmente importante para uma indústria conseguir desenvolver modelos 3D capazes de compor um protótipo ou produto o qual se deseja (CANESSA; FONDA; ZENNARO, 2013).

CORTE DO MODELO

Uma vez que o modelo é criado, o mesmo é dividido em camadas porque as impressoras 3D não ainda não podem compreender plenamente o conceito de três dimensões, como os humanos. Portanto, mostra-se necessário dividir o modelo em camadas para que a impressora crie o produto final. O software responsável por esta divisão faz digitalizações de cada camada de um modelo e dirá à impressora como se mover para recriar essa camada. Os Slicers também informam às impressoras 3D onde preencher um modelo. Este preenchimento fornece retículos e colunas internas a um objeto impresso em 3D que ajudam a dar forma e fortalecer o objeto. Depois que o modelo é fatiado, ele é enviado para a impressora 3D para o processo de impressão real (HAUSMAN; HORNE, 2014).

 

O PROCESSO DE IMPRESSÃO 3D

Quando a modelagem e a divisão de um objeto 3D estiverem concluídas, torna-se possível realizar a impressão 3D. A impressora atua geralmente da mesma forma que uma impressora jato de tinta tradicional no processo de impressão 3D direta, onde um bico se move para frente e para trás enquanto distribui uma cera ou polímero semelhante a plástico camada por camada, esperando que essa camada seque, então adicionando o próximo nível. Essencialmente, adiciona centenas ou milhares de impressões 2D umas sobre as outras para fazer um objeto tridimensional. Há uma variedade de materiais diferentes que uma impressora usa para recriar um objeto da melhor maneira possível, variando conforme a necessidade do produtor (SEGUIN, 2011).

O processo de impressão 3D leva de algumas horas para impressões realmente simples, como uma caixa ou uma bola, a semanas para projetos detalhados muito maiores, como uma casa em tamanho real. Existem também diferentes tipos de impressão 3D, dependendo do tamanho, detalhe e escopo de um projeto. Cada tipo diferente de impressora irá variar ligeiramente em como um objeto é impresso (COTTELEER; JOYCE, 2014).

Fused Deposition Modeling (FDM) é provavelmente a forma mais amplamente usada de impressão 3D. É incrivelmente útil para fabricar protótipos e modelos com plástico. A Tecnologia de Estereolitografia (SLA) é um tipo de impressão de prototipagem rápida mais adequada para impressão em detalhes intrincados. A impressora usa um laser ultravioleta para criar os objetos em poucas horas. O processamento digital de luz (DLP) é uma das formas mais antigas de impressão 3D. DLP usa lâmpadas para produzir impressões em velocidades mais altas do que a impressão SLA porque as camadas secam em segundos (GRYNOL, 2013).

CONSTRUÇÃO DE UMA IMPRESSORA 3D DE BAIXO CUSTO

Como forma de esboçar o desenvolvimento e o método de construção, será seguido o modelo Replicating Rapid Prototyper (REPRAP), em tradução livre, máquina de prototipagem auto replicadora, objeto desenvolvido pelo pesquisador Adrian Bowyer da Universidade de Bath, Reino Unido, onde idealizou a impressora produzida com materiais de baixíssimo custo, (JONES et al., 2011).

O desenvolvimento das partes da impressora é feito por outras impressoras ou até por ela mesma, possibilitando assim uma rápida disseminação e de fácil reposição de suas partes.

Vale citar que Bowyer, tornou open-source o seu projeto e de domínio público o que resultou na grande propagação e de variantes como a evolução de modelos, isso sem falar que teve um surgimento de inúmeras empresas que através do projeto RepRap, algumas produzindo kits para venda na internet em material de baixíssimo custo, como o MDF, bastando uma simples pesquisa na internet e já encontramos kits de baixíssimo custo.

Desta maneira o protótipo desenvolvido será em MDF, para a partir dele possamos imprimir as peças finais da impressora, em material plástico ABS que é uma resina termoplástica derivada do petróleo, o que proporciona resistência, leveza e baixo custo.

Basicamente a construção segue 3 princípios básicos:

• Estrutura: corpo onde servirá para suportar as demais peças para reduzir o custo em MDF;

• Mecânica: rolamentos, eixos guias, fusos de deslocamento, parafusos e porcas de aperto;

• Eletrônica: assim como um computador precisa de uma placa mãe para interligar tudo, vamos usar uma placa chamada ARDUINO onde vamos interligar tudo, bico de impressão, motores, controladores de temperatura, coolers e sensores de limite.

Destaca-se que o software do Arduino, também é de código aberto e será feita a sua comunicação com o computador através de sua IDE, que pode ser facilmente baixada gratuitamente da internet apenas pesquisando por IDE Arduino.

  

O PROJETO REPRAP

O projeto RepRap começou como uma iniciativa de uma universidade britânica para desenvolver uma impressora 3D que pudesse imprimir muitos de seus próprios componentes e de baixo custo, mas agora é composta por centenas de colaboradores em todo o mundo. O RepRap usa uma técnica de fabricação aditiva chamada fabricação de filamento fundido (FFF) para estabelecer o material em camadas: um filamento de plástico é desenrolado de uma bobina, derretido e fundido para fabricar uma peça. Esse processo foi originado e é explorado comercialmente pela Stratasys, a partir do início dos anos 1990 (BRADSHAW, 2010).

RepRap é um design aberto, portanto, toda a propriedade intelectual produzida pelo projeto é liberada sob uma licença de software livre, a GNU General Public License. Devido à capacidade de auto-replicação parcial da máquina, algumas pessoas imaginam a possibilidade de distribuir impressoras 3D RepRap de forma econômica para pessoas e comunidades, permitindo-lhes criar (ou baixar da Internet) produtos sem a necessidade de infraestrutura industrial cara (isso é conhecido como manufatura distribuída). Os criadores do RepRap pretendem que ele demonstre a evolução por um processo análogo ao melhoramento seletivo (as pessoas projetam melhorias para a máquina e as distribuem on-line para que outros as reproduzam), bem como que aumente em número exponencialmente. Um estudo mostrou que usar RepRaps para imprimir produtos comuns resulta em economia econômica, o que, segundo seus autores, justifica o investimento em uma impressora 3D RepRap (PEARCE et al, 2010).

RepRap foi inventado em 2 de fevereiro de 2004 por Adrian Bowyer, então professor sênior de engenharia mecânica na Universidade de Bath, no Reino Unido. O trabalho começou em 2005. O design da impressora 3D inicial “Darwin” do projeto foi lançado em março de 2007. Seguiu-se “Mendel”, lançado em outubro de 2009, e “Prusa Mendel” e “Huxley” lançado em 2010, embora existam centenas de variações. Os desenvolvedores centrais deram o nome de cada um em homenagem a biólogos evolucionistas famosos, já que “o ponto de RepRap é a replicação e a evolução”, no entanto, outras variantes costumam receber nomes de designers individuais ou nomes que eles preferem (BRADSHAW, 2010).

O objetivo declarado do projeto RepRap é produzir um dispositivo de auto-replicação puro não para seu próprio bem, mas sim para colocar nas mãos de indivíduos em qualquer lugar do planeta, por um gasto comparativamente pequeno de capital, um sistema de fabricação de desktop que permitem que o indivíduo fabrique muitos dos artefatos usados na vida cotidiana. Do ponto de vista teórico, o projeto está tentando provar a hipótese de que “as tecnologias de prototipagem rápida e escrita direta são suficientemente versáteis para permitir que sejam utilizadas para fazer um Construtor Universal de von Neumann” (PEARCE et al, 2010).

O objetivo do projeto é se aproximar assintoticamente de 100% de replicação ao longo de uma série de gerações evolutivas. A natureza auto-replicante do RepRap também pode facilitar sua disseminação viral e pode facilitar uma grande mudança de paradigma no projeto e fabricação de produtos de consumo, de produção de fábrica de produtos patenteados para produção pessoal de produtos não patenteados com especificações abertas. Abrir o projeto do produto e os recursos de fabricação para o indivíduo pode reduzir muito o tempo de ciclo para melhorias nos produtos e oferecer suporte a uma diversidade muito maior de produtos de nicho do que os tamanhos de produção da fábrica podem suportar (BRADSHAW, 2010).

CONSTRUÇÃO DA IMPRESSORA 3D BASEADA NO REPRAP

Foram separados os materiais a serem usados da seguinte maneira:

1. Frame MDF;

2. Parafusos;

3. Eletrônica;

4. Pinagem Eletrônica;

5. Partes mecânicas;

6. Upgrade: Peças impressas pela própria impressora;

7. Ferramentas.


Devido ao alto valor em se adquirir uma impressora já pronta, de início seguiremos o projeto de impressora de baixo custo, adaptada ao projeto Graber, onde usaremos o FRAME em MDF, para que a própria impressora possa imprimir as suas partes pensando em um futuro upgrade para um frame em alumínio.

FRAME

Este projeto de impressora foi lançado sob a GNU GENERAL PUBLIC LICENSE v.3, a mesma que sua predecessora. Consulte LICENSE.md para obter mais detalhes no GitHub da (GRABER, [s.d.]), e (REPRAP, 2019)

Abaixo as 4 principais fases de montagem do Frame. 

Figura 1 — Kit frame MDF
Kit frame MDFGraber

Figura 2 — Frame MDF montado
Frame MDF montadoO autor (2021)

PARAFUSOS

Tabela 1 — Listagem de parafusos
Listagem de parafusosO autor (2021)

ELETRÔNICA

Tabela 2 — Listagem componentes eletrônicos
Listagem componentes eletrônicosO autor (2021)

PINAGEM ELETRÔNICA

Figura 3 — Pinagem eletrônica
Pinagem eletrônicaO autor (2021)

BARRAS E MECÂNICA

Tabela 3 — Listagem de barras e mecânica
Listagem de barras e mecânicaO autor (2021)

UPGRADE

Peças impressas pela própria impressora

Com a impressora pronta e funcional, vamos imprimir as partes finais da impressora e substituir as peças em MDF, será usado material ABS para ter resistência e menor peso para as peças e alumínio para o FRAME.

Peças móveis que podem serem feitas pela própria impressora e substituídas usando material ABS, PLA, NYLON e com variada gama de cores e tipos de filamentos de acordo com a resistência necessária que cada material oferece.

Figura 4 — Kit das peças impressa em ABS pela própria impressora
Kit das peças impressa em ABS pela própria impressoraO autor (2021)

 

FERRAMENTAS

Tabela 4 — Listagem de ferramentas necessária a montagem
Listagem de ferramentas necessária a montagemO autor (2021)

resultados e discussões

Após a finalização do projeto segue imagens de como ficou a impressora 3D, totalmente funcional e admirável. A figura 5 apresenta algumas das peças impressas pela impressora 3D em questão, onde foram feitos diversos testes de precisão, na imagem em destaque um pequeno barco, um esqueleto de peixe articulado impresso em uma única peça e um leão com todos cabelos da sua juba soltinhos e impressos fio a fio, virou um hobby imprimir coisas lindas e delicadas que exigem precisão e peças utilitárias que exigem serem robustas com acabamento fino e precisão de até 50 mícrons (0,05mm).

Figura 5 — Exemplo de impressões de calibramento e precisão.
Exemplo de impressões de calibramento e precisão.O autor (2021)

Na figura 6, temos o projeto final montado, totalmente funcional e imprimindo em questão de minutos a mais variada gama de produtos, mostrando todas as partes impressas na própria impressora 3D

Figura 6 — Impressora 3D desenvolvida com baixo custo
Impressora 3D desenvolvida com baixo custoO autor (2021)

A impressora mostrou-se eficiente na impressão de figuras dos mais variados formatos, onde toda sua parte lógica e mecânica apresentaram um desempenho dentro do que foi almejado para a mesma no início dos estudos com baixo custo de produção e facilitando com alto desempenho processos e métodos de produção.

Vale ressaltar que a impressora é capaz de chegar aos extremos, imprimir de pequenas peças ou peças brutas, e detalhes como um fio de cabelo ou todos os cabelos como a figura 5, e até mesmo cumprir ao seu propósito de auto replicar-se segundo o projeto RepRap.

A praticidade e grande utilidade, ainda mais é destacada devido ao seu tamanho reduzido, se mostra portátil, o que garante maior mobilidade da mesma dentro de sua utilização.

CONSIDERAÇÕES FINAIS

Estamos no limiar da revolução industrial chamada Indústria 4.0. À medida que a velocidade, confiabilidade, segurança e qualidade das impressoras 3D melhoram e o custo reduz, as impressoras 3D são definidas para desempenhar um papel importante nesta transformação digital da indústria.

Conforme o desempenho das impressoras 3D melhora rapidamente e o custo diminui, novas oportunidades surgirão, levando a impressão 3D cada vez mais perto da produção em massa. À medida que a impressão 3D se desenvolve, a gama de produtos que podem ser fabricados também tende a crescer. A taxa de desenvolvimento de materiais de impressão especializados, a integração de segurança digital para proteger IP e a certificação de produtos 3D por agências regulatórias impulsionarão a adoção de impressoras 3D na Indústria 4.0. Mas é claro que é a vontade dos fabricantes inovadores que optam por adotar os princípios da indústria 4.0.

Assim, conclui-se que é totalmente possível a montagem de uma impressora 3D usando materiais e ferramentas de montagem de baixo custo, objetivando o menor custo ao projeto final. Com isso, foi possível demonstrar também que a sua funcionalidade é capaz de abranger o atendimento de várias necessidades às quais a impressora 3D se mostra aplicável.

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