O que é manufatura aditiva?
A manufatura aditiva é um processo no qual partes ou peças individuais são construídas camada por camada, em vez de usinadas ou fundidas. Na linguagem comum, esse processo é frequentemente chamado de "impressão 3D". No entanto, pode abranger uma ampla gama de métodos que envolvem adicionar ou alterar material para criar um objeto desejado ou adicionar material a uma peça ou objeto já concluído.
O que torna a manufatura aditiva diferente da manufatura tradicional?
A diferença entre as técnicas de manufatura aditiva e tradicional pode ser resumida em duas palavras simples: adição e subtração.
A fabricação tradicional é muitas vezes "subtrativa", pois o processo de fabricação requer a remoção de material para criar o resultado desejado.
Em alguns casos, isso significa que as peças ou componentes fabricados geralmente exigem usinagem adicional após a formação da peça, o que remove materiais desnecessários ou partes da forma, que foram necessárias durante o processo de produção, mas não necessárias no produto final.
Em outros casos, o processo de fabricação tradicional pega pedaços de material sólido, geralmente metal, e esculpe na forma desejada, geralmente usando uma máquina de controle numérico computadorizado (CNC). Um exemplo comum desse processo é encontrado na indústria automotiva, onde fabricantes especializados pegam grandes blocos de metal de alta qualidade conhecidos como tarugos e os usinam na forma desejada, removendo grandes quantidades de material do bloco.
No processo de manufatura aditiva, o material é adicionado de várias maneiras durante o processo de produção. Este método de fabricação permite que objetos e componentes de geometria simples a complexa sejam produzidos com mais eficiência do que com técnicas de fabricação anteriores. Além disso, ao adicionar material, as técnicas de manufatura aditiva permitem o reparo de peças ou componentes já concluídos, enquanto na fabricação tradicional uma peça danificada teria que ser completamente substituída.
Diferentes formas de manufatura aditiva
A manufatura aditiva inclui uma ampla variedade de técnicas e materiais, desde métodos industriais altamente complexos a impressoras 3D do tamanho de uma mesa. As técnicas detalhadas abaixo são alguns dos métodos mais comuns usados em vários setores.
Jateamento de aglutinante
O jateamento de aglutinante é um processo de manufatura aditiva que pega materiais como metais, areia, cerâmica e até compósitos em forma de pó e os une uma camada de cada vez usando um agente de ligação líquido. O jateamento de aglutinante é considerado um método eficiente e econômico, pois não requer grandes quantidades de energia, oferece tempo de produção rápido e aproveita materiais econômicos, permitindo um dimensionamento de saída simplificado para as organizações.
Como funciona o jateamento de aglutinante
O processo de jateamento de aglutinante combina as etapas de cozimento em camadas e a tecnologia de uma impressora a jato de tinta. Dentro de uma máquina de jato de ligante, a plataforma de construção (onde as peças são formadas) é revestida com o material escolhido em forma de pó. Em seguida, usando um projeto auxiliado por computador (CAD), o(s) bico(s) da máquina deposita(m) gotas do agente de ligação líquido junto com a tinta de coloração, se a peça exigir. Após a camada de design ter sido concluída, a plataforma de construção se desloca para baixo com base em um valor de altura de camada predeterminado. A plataforma de construção é então revestida novamente com mais potência de material usando o que é conhecido como lâmina de recobrimento e o processo é repetido até que o projeto seja concluído. O excesso de pó é então removido e a peça é concluída ou movida para os estágios de acabamento, dependendo dos requisitos e do tipo de material.
Pulverização a frio
A pulverização a frio é uma técnica de baixa temperatura que pega o material, geralmente metal, e o acelera através de um bico focalizado junto com gases misturados em uma peça. Este processo usa pressão e força para unir o material, em vez de calor ou agentes de ligação. A pulverização a frio difere de outras técnicas listadas aqui, pois é frequentemente usada para adicionar material adicional a peças já concluídas, em vez de construir novas. Essa técnica pode ser usada no reparo de peças em serviço, pois adiciona material a uma peça e, ao mesmo tempo, protege um produto acabado que pode ser sensível a altas temperaturas que são usadas em outros tipos de manufatura aditiva.
Como funciona a pulverização a frio
A pulverização a frio pega pequenas partículas de material e as mistura com gases transportadores, como nitrogênio, e aquece as partículas até um ponto maleável (em vez de seu ponto de fusão total). As partículas são então aceleradas a altas velocidades e aplicadas a uma peça ou componente. Uma vez que o material tenha sido adicionado, ele é alterado e modificado para os requisitos de forma e resistência necessários.
Deposição de energia direcionada
A Deposição de Energia Direcionada (DED) responde a uma fonte de energia focada, geralmente um feixe de elétrons, laser ou arco de plasma, dentro de um bico que derrete e deposita materiais selecionados em um substrato ou em uma peça em produção.
O DED é um processo complexo, muitas vezes exigindo câmaras especializadas para aumentar a eficácia. No entanto, ele permite que as organizações construam ou reparem peças essenciais de vários tamanhos, fornece a capacidade de definir a estrutura de grãos de um produto acabado e permite a criação de componentes multimateriais.
Como funciona a deposição de energia direcionada
Guiado por um modelo CAD, o processo DED pega material selecionado, geralmente metais soldáveis ou polímeros, e os derrete dentro de um bico. Este bico então deposita o material derretido na superfície de trabalho onde ele esfria e se solidifica em uma estrutura. O bico é frequentemente conectado a um braço de controle que permite que o bico deposite material em vários eixos. O processo DED é muito semelhante à maneira como uma pistola de cola quente derrete um bastão de cola em uma forma líquida e o empurra através de um bico.
Extrusão de material
Talvez a mais difundida e facilmente acessível das principais técnicas de manufatura aditiva, a extrusão de material envolve um bico aquecido colocando material derretido, normalmente polímeros, que se ligam usando produtos químicos ou ajustes de temperatura, uma camada de cada vez, em um espaço de construção.
A extrusão de materiais tem as menores barreiras de entrada das técnicas comuns de manufatura aditiva, pois os materiais e equipamentos são de baixo custo. Além disso, embora essa técnica não seja tão precisa ou rápida quanto outras, ela fornece uma maneira fácil para as organizações criarem protótipos simples com facilidade e eficiência.
Como funciona a extrusão de materiais
A extrusão de material é um processo relativamente simples no qual camadas de material aquecido são adicionadas por um bico móvel a uma plataforma de construção na qual as camadas de material se fundem até que o objeto projetado esteja completo. Normalmente, o bico se move horizontalmente enquanto a plataforma de construção se desloca verticalmente.
Fusão em leito de pó
A fusão em leito de pó engloba várias subcategorias que são baseadas na fonte de energia (normalmente um laser ou canhão de elétrons) e tipos de materiais. Esta técnica de manufatura aditiva é comparável a duas das fontes mencionadas anteriormente. A fusão em leito de pó, como a deposição de energia direcionada, usa uma fonte de energia para unir os materiais, mas o material é depositado na plataforma de construção antes da aplicação da fonte de energia. A fusão em leito de pó funciona com o mesmo conceito geral do jateamento de aglutinante, pois o material selecionado, que está sempre na forma de pó, é colocado em uma plataforma de construção e unido em um padrão específico por um agente solidificante, neste caso, uma fonte de energia em vez de um líquido.
Como funciona a fusão em leito de pó
A fusão em leito de pó, na prática, é muito semelhante ao jateamento de aglutinante. A plataforma de construção é revestida com o material escolhido em forma de pó e um projeto CAD direciona a fonte de energia, geralmente um laser para unir o material por fusão ou sinterização. Uma vez que a camada está completa, a plataforma de construção se desloca para baixo e é revestida novamente com mais potência material, e o processo é repetido até que a peça seja concluída.
Laminação de chapas
A laminação de chapas, às vezes chamada de consolidação ultrassônica, é um processo no qual muitas chapas de material fino são unidas usando soldagem ultrassônica. A laminação de chapas é uma técnica de baixa temperatura usada para unir materiais como metal ou polímeros de diferentes tipos, tamanhos e cores para formar um produto acabado que é então fresado ou moldado em um produto final. A laminação de chapas pode oferecer a uma organização uma grande superfície de construção e uma produção mais rápida, limitando os riscos potenciais ou danos materiais que ocorreriam com uma técnica de temperatura mais alta. No entanto, muitas vezes há etapas adicionais necessárias depois que as camadas são unidas.
Como funciona a laminação de chapas
A laminação de chapas pega folhas finas de material em uma superfície de construção e as une uma camada de cada vez usando soldagem ultrassônica, que funciona enviando vibrações de alta frequência para um componente que une os materiais a uma temperatura mais baixa do que outras tecnologias. Uma vez que todas as camadas tenham sido unidas, uma peça é concluída ou movida para um processo de acabamento no qual o excesso ou material desnecessário é removido e muitas vezes pode ser reutilizado em outro processo de laminação.
Fotopolimerização de cuba
A fotopolimerização em cuba é um processo aditivo que pega um material liquefeito, normalmente uma resina polimérica, e constrói um componente por meio de um processo chamado fotopolimerização, que usa uma fonte de luz ultravioleta para unir a resina em uma forma sólida.
A fotopolimerização em cuba é considerada uma das primeiras técnicas de manufatura aditiva, que remonta à década de 1980, e é vista como uma maneira barata e eficaz de construir peças altamente detalhadas rapidamente.
Como funciona a fotopolimerização em cuba
Como outras técnicas, a fotopolimerização em cuba funciona pegando uma grande quantidade de material inalterado e ligando-o de alguma forma. Nesse processo específico, uma superfície de construção é mergulhada em um reservatório de fotopolímeros liquefeitos, material que pode ser afetado pela luz ultravioleta, e uma fonte de luz UV é focada e ajustada em um padrão controlado que funciona camada por camada para construir uma estrutura sólida. Depois que cada camada é construída, a superfície de construção é movida para dentro do reservatório em um processo de construção de baixo para cima, onde a fonte de luz ou calor está abaixo do material, ou mais para fora do reservatório em um processo de cima para baixo, onde a superfície é movida progressivamente camada por camada, para longe da ferramenta de ligação. Uma vez concluída a peça, o produto acabado é removido da folha de construção e quaisquer estruturas de suporte ou partes da peça usadas durante o processo de construção são removidas.
Benefícios e desvantagens da manufatura aditiva
Como qualquer tecnologia ou técnica de fabricação, a manufatura aditiva oferece uma série de benefícios, juntamente com algumas desvantagens que precisam ser consideradas para qualquer organização que explore a manufatura aditiva.
Benefícios da manufatura aditiva
A maioria dos processos de manufatura aditiva constrói componentes do zero e, por esse motivo, peças com geometria complexa são muito mais fáceis de produzir, pois o design tradicional ou as limitações de produção não são um fator para um processo de manufatura aditiva, para que as organizações possam expandir ou avançar seus projetos além dos conceitos tradicionais.
A velocidade e a simplicidade da maioria das tecnologias de manufatura aditiva significam que uma organização pode projetar, produzir e testar diferentes projetos de componentes rapidamente. Como há menos necessidade de grandes quantidades ou ferramentas, as organizações podem gerar e testar diferentes ideias ou conceitos com eficiência.
Os processos de fabricação tradicionais geralmente exigem uma grande quantidade de material para cortá-lo ou moldá-lo no tamanho necessário ou exigem excesso de material durante o ciclo de moldagem ou produção. As técnicas de manufatura aditiva usam apenas a quantidade de material necessária com muito pouco material extra ou restante, o que reduz a quantidade de material que uma organização precisa para produzir uma peça e a quantidade de material desperdiçado durante a produção de uma peça.
- Maiores oportunidades de reparo
Como os processos de manufatura aditiva envolvem a adição de material em vez de retirá-lo, as peças desgastadas ou danificadas podem ser reparadas usando técnicas aditivas em vez de raspadas ou substituídas, economizando tempo e recursos.
Desvantagens da manufatura aditiva
Embora a manufatura aditiva não seja uma tecnologia nova, ainda existem muitas incógnitas sobre a vida útil das peças fabricadas aditivamente em comparação com a manufatura tradicional. Por esse motivo, indústrias adversas ao risco ou indústrias com altos padrões de certificação, como a aeroespacial, precisarão continuar a ser cautelosas ao considerar ou usar técnicas aditivas.
- Dificuldade de detecção de falhas
As peças produzidas pela manufatura aditiva são construídas de tal forma que, muitas vezes, é mais difícil identificar falhas ou defeitos em uma peça, em oposição às técnicas tradicionais nas quais os erros de produção são frequentemente bem conhecidos ou prontamente aparentes. O uso de peças multicamadas com diferentes ligas e materiais significa que as falhas podem estar escondidas sob a superfície ou estar profundamente dentro da estrutura de uma peça, exigindo testes especializados de END para identificá-las. As peças produzidas aditivamente oferecem desafios únicos de falhas que diferem dos desafios que as organizações encontram durante os métodos tradicionais de fabricação.
Em um nível organizacional, a adoção da manufatura aditiva como parte de um processo de produto provavelmente será um processo intensivo em recursos, não apenas do ponto de vista financeiro, mas também do ponto de vista operacional. As máquinas de manufatura aditiva costumam ser muito caras e exigem engenheiros qualificados para calibrá-las e operá-las adequadamente, o que pode ter um custo proibitivo para organizações menores.
Os materiais que podem ser aproveitados usando as técnicas atuais de manufatura aditiva são limitados porque quase todos os métodos atuais de manufatura aditiva exigem um material que possa ser derretido e liquefeito. Nem todos os materiais são capazes de atender a esses requisitos e, em alguns casos, um fabricante pode não querer afetar um material dessa forma, o que significa que alguns materiais não podem ser usados para manufatura aditiva.
- Limitações de tamanho de peça
Embora as técnicas tradicionais de fabricação permitam a produção de peças significativas em tamanho, a manufatura aditiva não avançou a ponto de peças grandes serem eficientes ou possíveis de criar. A maioria dos equipamentos de manufatura aditiva tem um espaço de construção limitado e/ou requer ambientes específicos, em oposição aos métodos de fabricação tradicionais, que podem ser ajustados para atender a diferentes necessidades de tamanho de peça. Como esses espaços de construção geralmente não são muito grandes, isso significa que as peças que estão sendo produzidas devem caber nesse espaço de construção limitado, o que, por sua vez, limita o tamanho da peça.
- Desafios de dimensionamento
As peças fabricadas com aditivos são normalmente produzidas uma de cada vez ou em pequenos lotes devido às limitações observadas anteriormente com a tecnologia de aditivos existente. Devido a essas limitações, para organizações maiores com necessidade de grandes volumes, a manufatura aditiva é muito difícil de escalar, pois o equipamento necessário e o tempo de produção provavelmente limitariam qualquer um dos impactos positivos que a adoção de processos de manufatura aditiva proporcionaria.
Exemplos de manufatura aditiva na indústria
Resumo
A manufatura aditiva é uma ferramenta única e potencialmente poderosa para organizações de todos os tamanhos, com várias técnicas diferentes, oferecendo muitas opções para escolher. Assim como acontece com qualquer tecnologia de fabricação, existem vantagens e desvantagens que precisam ser avaliadas por qualquer empresa que queira implementar essas tecnologias. Há poucas dúvidas de que muitas indústrias provavelmente verão a expansão da manufatura aditiva em seus processos em um futuro próximo.