CAPITULO 3. TECNOLOGIA DE IMPRESSÃO 3D Luiz Koiti Takagaki

Luiz Koiti Takagaki CAPITULO 3. TECNOLOGIA DE IMPRESSÃO 3D Luiz Koiti Takagaki (Faculdade Flamingo, São Paulo, Brasil) [email protected] Pesquisa de Campo / Empír ica RESUMO Este trabalho tem como objetivo apresentar um conceito relativamente novo, ainda pouco conhecido no mercado, mas que tem um grande potencial técnico e comercial em futuro breve. Trata­se da tecnologia de impressão 3D, ou seja, ao invés da impressora imprimir um texto em papel, imprimirá uma peça física tridimensional. Os avanços da mecatrônica e a redução dos custos destes componentes levarão à rápida popularização deste dispositivo. Apresentaremos os conceitos técnicos destes dispositivos, questões mercadológicas, assim como as aplicações que esta tecnologia permitirá e seus possíveis impactos no nosso cotidiano. Palavr as­Chave: Impressão 3D, Estererolitografia, prototipação rápida (RP). ABSTRACT This paper aims to present a relatively new concept, not broad known in the market, but has great technical and commercial potential, in near future. This is the 3D printing technology, that means, instead printer prints a text on paper, it prints a physical three­dimensional component. Advances in mechatronics and cost reduction of these components will lead to rapid popularization of this device. It will be presented technical concepts of these devices, marketing issues, and applications this technology will allow and their possible impacts on our daily lives. Keywords: 3D Printer, Stereolitography, Rapid Prototyping. através da internet. Entretanto, quando desejamos algo físico, necessitamos navegar num site de compras e aguardar a entrega física através de uma transportadora que pode demorar dias ou meses, dependendo da distância do fornecedor ou da burocraca aduaneira. Imaginemos agora, um livro em que “baixamos” da internet, imprimos e obtemos o livro quase que instantaneamente na própria residência. Para tanto, basta termos uma impressora ligada ao computador. Esse mesmo processo de imprimirmos um livro pode ser reproduzido para produzir objetos físicos tridimensionais através de uma impressora 3D. Seria como a reprodução do “tele­transporte” do filme Jornada das Estrelas, limitado a um elemento inanimado. Estas impressoras 3D, antes restritas a grandes empresas devido aos custos, estão se popularizando numa velocidade espantosa, pois foram desenvolvidas tecnologias que as tornaram extremamente acessíveis. Apresentamos, neste artigo, uma visão geral das tecnologias de impressão 3D, as limitações técnicas, os principais produtos de mercado, com comparativos, e as tendências desta tecnologia em diversas aplicações e seus impactos em futuro breve. A impressão 3D está inserida num conceito denominado RP (Rapid Prototyping) ou prototipação rápida, onde procuramos criar uma peça a partir de um desenho. INTRODUÇÃO Tecnologias atuais Aproximadamente 15 anos após o lançamento comercial da Internet em todo o mundo, pessoas comuns já entendem algo absolutamente normal obter um documento, uma música ou filme instantaneamente, Atualmente, existem diversas tecnologias de impressão 3D. Todas as tecnologias se baseiam no princípio de executar diversos fatiamentos da figura, geralmente na horizontal, obtendo uma fina camada da
Revista Inovação Tecnológica, São Paulo, v.2, n.2, p.28­40, jul./dez.2012 ISSN 2179­2895 28 Luiz Koiti Takagaki figura que é impressa através do processo de deposição de materiais das partes sólidas da figura. Sobrepondo as diversas camadas uma sobre a outra, obtemos o objeto final desejado. O material a ser depositado pode ser um plástico, metal, chocolate, entre outros. O mais comum é o uso de plásticos de engenharia como ABS, PLA entre outros. Existem diversas maneiras de depositar o material das camadas, que apresentamos a seguir. Historicamente, a primeira impressora 3D comercial foi desenvolvida por Charles Hull em 1984 e foi denominada estereolitografia. Desde então, diversas técnicas foram desenvolvidas e muitos fabricantes comercializam uma infinidade de dispositivos de impressão 3D, com custos e qualidades dos mais diversos. Veremos a seguir, uma visão geral sobre estas técnicas. Ster eolithography (SLA) Como visto anteriormente, este sistema foi o pioneiro na impressão 3D e é denominado SLA (Stereo Litography Apparatus). Consiste numa plataforma perfurada logo abaixo de uma cuba contendo um polímero líquido que se cura sob efeito fotoquímico, ou seja, ela solidifica sob efeito da luz. A luz neste caso é um feixe de laser Ultravioleta, que ilumina o polímero nos pontos onde a figura deverá ser solidicada na primeira camada ou fatia da figura 3D. A plataforma é então rebaixada milimétricamente cobrindo a primeira camada. Novo feixe de laser ilumina a segunda camada que se solidifica e assim por diante. Após a n­ésima iteração deste processo cria a figura final desejada. Após a drenagem do polímero, tem­se a figura tridimensional sobre a plataforma. Esta técnica é a mais popular nas aplicações de precisão, que permite figuras com fatias até 60 microns, mas também de custo mais elevado. Atualmente podem­se obter figuras 3D coloridas, utilizando polímeros que se curam em cores diferentes de acordo com a potência do feixe de luz. Selective Laser Sintering (SLS) Uma tecnologia de impressão 3D, muito bem estabelecida é a SLS (Selective Laser Sintering). O objeto é criado através da deposição de uma camada do material em forma de pó, e em seguida, os grânulos deste pó, são fundidos seletivamente. Atualmente, as impressoras 3D com tecnologia SLS podem criar objetos utilizando uma grande variedade de materiais em pó. Estes incluem cera, poliestireno, nylon, vidro, cerâmica, aço inoxidável, titânio, alumínio e diversas ligas, incluindo cromo­cobalto. Durante a impressão, os grânulos de pó não fundidos são usados para apoiar o objeto durante a construção. Quando terminar a impressão, quase todo o excesso de material em pó pode ser reciclado. Dir ect Metal Laser Sintering (DMLS) Quando SLS é usado para produzir objetos de metal diretamente o processo é também chamado de DMLS (Direct Metal Laser Sintering). Objetos metálicos criados por uma impressora 3D DMLS tem densidade próxima de 99,99 por cento, e, portanto, podem ser utilizados no lugar de peças metálicas tradicionais na grande maioria das aplicações. Enquanto o DMLS 3D imprime objetos de metal diretamente, também é comum o uso de sinterização a laser para produzir objetos de cera, que depois são usados como moldes para serem sacrificados em um processo de fundição tradicional. Aqui, uma vez que o objecto 3D de cera é impresso, um molde de gesso é obtido através dele. Quando o molde é
Revista Inovação Tecnológica, São Paulo, v.2, n.2, p.28­40, jul./dez.2012 ISSN 2179­2895 29 Luiz Koiti Takagaki aquecido, a cera derrete e é retirado do molde de gesso, que é preenchido por um metal líquido. Quando o metal se solidifica, o gesso é removido, gerando um objeto metálico, que de alguma forma, começou em uma impressora 3D. Selective Laser Melting (SLM) Uma técnica de impressão 3D que é uma varinte do SLS é conhecido como SLM (Selective Laser Melting). Ele utiliza um laser para derreter totalmente os grânulos de pó que formam um objeto final, em seguida, aquecendo­os apenas o suficiente para fundir­ los em conjunto. Como outra variante, uma técnica chamada de sinterização de calor selectiva (SHS) utiliza uma cabeça de impressão térmica ­, em vez de um laser ­ para aplicar calor às camadas sucessivas de um pó termoplástico. Fused Deposition Modelling (FDM) Aqui é utilizado um material que se funde (extrusão) dentro de uma cabeça de impressão que torna o material quase líquido formando um fino cordão que é depositado sobre uma plataforma que é semiaderente ao material. Novamente, deposita­se o cordão para que a forme a primeira camada da figura 3D desejada ao se solidificar na plataforma. A cabeça de impressão é levada à altura da segunda camada e novemente o material é depositado. A precisão deste processo depende da precisão da espessura do cordão que se consegue que é ordem de 0,1 mm. Geralmente o material a ser extrudado é um termoplástico tipo ABS (acrilonitrilo butadieno estireno), PLA (ácido poliláctico) e similares. Como, em geral, as maiores partes dos equipamentos de consumo são feitos atualmente em plástico ABS, o FDM com uso de ABS aproxima­se bastante da técnica de plático injetado que a indústria utiliza para produção em massa. As impressoras 3D pessoais que estão se proliferando no mercado, utilizam esta técnica por ser a mais simples e consequentemente mais barata. Alguns fabricantes fizeram variações do FDM, onde a cabeça de impressão libera materiais como chocolate, queijos fundidos, etc permitindo a confecção de confeitos com o desenho desejado. Digital Light Pr ocessing (DLP) É o mesmo processo da SLA, ou seja, um líquido fotosensível é aglutinado por uma luz do tipo DLP (usado em projetores) ao invés de lasers. Multi­jet Modelling (MJ M) Esta tecnologia de impressão 3D constrói objetos através de sucessivas camadas de pó, que é colada através de uma cabeça de impressão de jato de tinta que pulveriza uma solução colante que junta seletivamente os grânulos necessários. Plastic Sheet Lamination Utiliza uma fina lâmina de plástico que é recortada conforme o desenho de cada camada e coladas entre si, com uma cola especial. Existe também uma resina que impede a colagem. O corte pode ocorrer por laser ou uma lâmina de corte. Outr as técnicas de Pr ototipação Rápida Estas técnicas usam mecanismos usados em CNC (Computer Numerical Control) para prototipação rápida. Neste caso, um bloco de material é esculpido através de um processo de desgaste do material seguindo um desenho previamente definido.
Revista Inovação Tecnológica, São Paulo, v.2, n.2, p.28­40, jul./dez.2012 ISSN 2179­2895 30 Luiz Koiti Takagaki O processo de impr essão 3D Os processos atuais de impressão 3D estão baseados em alguns passos que são comuns a todos eles, ou seja: 1­ Desenho do objeto desejado em um software de CAD 3D. Existe uma grande quantidade de software de CAD 3D no mercado, com diversos tipos de finalidades. Existem softwares profissionais como AutoCAD 3D, SolidWorks, Catia, Inventor, Google sketchup Pro, etc. Existem também softwares freeware ou opensource como Sketchup, OpenScad, Blender entre outros. 2­ O arquivo do objeto desejado é gerado em algum formato proprietário do software de CAD que precisa ser convertido para um formato comum à impressora 3D. Atualmente, este formato é o STL. O formato stl descreve as superfícíes, internas e externas, através do contorno da figura 3D através de um conjunto de superfícies triangulares de diversas dimensões e formas. Quanto maior o número de superfícies triangulares utilizadas, maior a precisão da figura. O arquivo stl pode ser binário ou ASCII e ele basicamente descreve os 3 vértices de cada triângulo, através das suas coordenadas x,y,z ortogonais e algum atributo específico da superfície, em questão. O arquivo stl é genérico para qualquer impressora 3D. Esfera em dois arquivos stl (esquerda com precisão menor e direita, maior) 3­ Para ser impresso, deverá ser escolhido um plano de referência do arquivo stl e a figura deverá ser fatiada em diversas superfícies, sempre paralela a um plano de referência. A espessura do fatiamento será definida pela precisão da tecnologia de impressão utilizada. Quanto mais preciso, mais delgado será o fatiamento. A figura fatiada é geralmente descrita em um arquivo de formato SGM. Processo de fatiamento de figura 3D (esfera, pirâmide) 4­ Cada uma dessas superfícies obtidas, através do fatiamento da figura original, é descrita, geralmente, em uma linguagem criada em tecnologias de CNC (controle numérico) denominada gcode. O gcode descreve
Revista Inovação Tecnológica, São Paulo, v.2, n.2, p.28­40, jul./dez.2012 ISSN 2179­2895 31 Luiz Koiti Takagaki cada superfície horizontal através de comandos utilizados em máquinas de controle numérico, tais como: caminhe a uma velocidade de X m/s das coordenadas A até B com o laser cabeça de impressão ligada. Isso fará com que a impressora 3D, imprima uma linha sólida de espessura definida pela tecnologia, no plano definido pelas coordenadas A e B. A impressão de diversas linhas sólidas num determinado plano, definirá a impressão da superfície desejada. O arquivo gcode descreve todas as superficíes fatiadas em um único arquivo que é interpretado pela maioria das impressoras 3D. A linguagem gcode tem diversos dialetos para cada tipo de aplicação específica E.G. se é possível imprimir com atributo cores, há um adendo na linguagem para a escolha da cor. M90 G90 G75 G00 X6.0394 Y6.0394 M38 Lowers the drill bank into place and turns on the drill motor G00 X6.0394 Y6.0394 Z­ 0.5 Moves X and Y so that boring drill one is centered at X = 6.0394 Y = 6.0394 and Z is 0.5 inches above the materials surface. G98 P300 D496 Engages drills 5, 6, 7, 8, and 9. G00 Z­0.1 Slew Move in Z to .1 inches above the material G01 Z0.4 F1.333 Plunge the Z axis .4 inches into the material at 80 IPM G00 Z­0.5 Slew Move in Z to .5 inches above the material G00 X6.0394 Y8.5591 Move X and Y and continue to drill more holes with the same engaged drills G00 Z­0.1 G01 Z0.4 F1.333 G00 Z­0.5 G00 X6.0394 Y11.0787 G00 Z­0.1 G01 Z0.4 F1.333 Exemplo de arquivo gcode 5­ A impressão é o processo de interpretar a linguagem gcode que instrui a impressora a imprimir linha a linha, superfície a superfície, até obter o objeto desejado. Outro procedimento pode ser obtido com o uso conjunto de scanners 3D, onde ao invés de se desenhar a figura desejada, captura­se a imagem tridimensional de um objeto existente e em seguida imprime­se usando os procedimentos citados anteriormente. Limitações tecnológicas das impr essões 3D G00 Z­0.5 G00 X6.0394 Y12.3386 G00 Z­0.1 G01 Z0.4 F1.333 G00 Z­0.5 G00 X6.0394 Y13.5984 G00 Z­0.1 G01 Z0.4 F1.333 G00 Z­0.5 G00 X6.0394 Y14.8583 Z­0.5 As impressões 3D atuais, por utilizarem técnicas de deposição de múltiplas e finas camadas levam um tempo grande para gerar um objeto de dimensões relativamente pequeno. Geralmente para objetos sólidos de dimensões da ordem de 30x30x30 cm, a ordem de grandeza do tempo chega a ser de algumas horas dependendo da tecnologia e a precisão desejada. G98 P300 D480 Engages drills 6, 7, 8, and 9. G00 Z­0.1 G01 Z0.4 F1.333 G00 Z­0.5 G00 X6.0394 Y16.1181 Z­0.5 G98 P300 D448 Engages drills 7, 8, and 9. G00 Z­0.1 G01 Z0.4 F1.333 G00 Z­0.5 G00 X6.0394 Y17.378 Z­ 0.5 Outro grande problema da maioria das tecnologias é que desenhos que tenham pontes não podem ser executados diretamente. Imaginemos uma figura na forma de uma letra H maiúscula sendo impressa na vertical por uma impressora tipo FDM que vai depositando o material sucessivamente. Enquanto ela está imprimindo as pernas da letra H, pelo fato da camada superior estar se apoiando na camada inferior, não há problema. Mas no momento de imprimir a primeira camada da haste horizontal no meio da figura, veremos que não existe um material de apoio onde a figura possa se apoiar. Ou
Revista Inovação Tecnológica, São Paulo, v.2, n.2, p.28­40, jul./dez.2012 ISSN 2179­2895 32 Luiz Koiti Takagaki seja, ao se tentar imprimir a primeira camada relativa à barra horizontal da letra H, por falta de material de apoio, ela tenderá a cair e inviabilizar a impressão. Obviamente neste caso, a solução é imprimir a letra H na horizontal. Como pode ser visto a impressão em 3D de algumas figuras, neste caso, não é uma operação trivial, pois exige uma análise prévia do objeto e dependendo da forma do objeto, pode tornar­se impossível a impressão direta da figura. No caso citado, se insistirmos em imprimir a letra H na vertical deverá criar uma figura de suporte para a barra horizontal que deverá ser retrabalhada após a sua impressão. No caso das tecnologias do tipo SLS, DMLS e SLM, este problema não existe, pois o próprio material granular que não é fundido na peça final, serve de material de apoio. Uma das principais ideias de aplicação das impressoras 3D é o da prototipação rápida. Utilizando qualquer tecnologia atualmente existente de prototipagem, da ideia do desenho até a peça estar em suas mãos, o tempo que se gasta é imenso, mesmo tendo enormes recursos. Imaginemos uma empresa fazendo o design de um brinquedo de plástico. Apesar do grande desenvolvimento dos programas de CAD, que permitem reduzir os erros de projeto ao mínimo, os principais problemas do produto só surgirão ao se criar os protótipos reais, que além de demorarem muito, tem custos elevados. Com o uso de impressão 3D, podemos criar os protótipos reais, praticamente em tempo real, e a custos aceitáveis. Podemos testar os protótipos com relação à forma, peso, ergonomia, resistência, cores (dependendo da tecnologia) e encaixe das múltiplas peças, reduzindo os erros a praticamente zero. Dependendo da tecnologia utilizada, algumas formas ou características que seriam impossíveis de serem fabricadas pelos processos tradicionais tornam­se factíveis. Ou então, a precisão obtida pode ser muito superior comparativamente. E tudo isto com uma grande qualidade: simplicidade. Qualquer pessoa, mesmo sem grandes habilidades será capaz de gerar formas complexíssimas, de maneira simples. Apesar de tudo, não se pode pensar, ainda, em fabricação em série, de peças, pois os custos e eficiência do processo são questionáveis. O principal fator é o tempo de fabricação de uma peça. Outro problema refere­se às dimensões das peças. A maior parte das impressoras 3D, mesmo as profissionais, tem limitações quanto às dimensões. Aplicação das impr essor as 3D Com relação ao problema de produção em série ser ainda inviável, pode­se usar as impressoras para criar moldes que serão utilizadas para a produção em série. Obviamente, a produção de peças customizadas é o ponto forte. As empresas de arquitetura tiveram grandes avanços na sua forma de trabalhar, ao permitir ao usuário final, caminhar por dentro dos projetos nas telas do computador, graças aos softwares de CAD. A impressão de uma maquete em tempo real, vai permitir um passo
Revista Inovação Tecnológica, São Paulo, v.2, n.2, p.28­40, jul./dez.2012 ISSN 2179­2895 33 Luiz Koiti Takagaki à frente neste processo de realismo antecipado. Quando se fala em protótipo, imaginam­se sistemas em escala menor. Entretanto, um construtor italiano (Enrico Dini), desenvolveu uma impressora 3D em escala real, que constrói uma casa de em escala real (d­shape – monolite uk ltd. ­ http://d­shape.com). Uma vasta gama de impressoras 3D comerciais para aplicação industrial está atualmente disponível comercialmente. Podemos citar as principais:
· 3D Systems ­ que trabalha com a maioria das tecnologias e está rapidamente adquirindo as fabricantes menores ( http://www.3dsystems.com)
Uma confeitaria criou uma impressora 3D que usa chocolate para a criação de confeitos a partir de um desenho (Cornucopia ­ Prototypes and Concept Designs for a Digital Gastronomy ­ http://web.media.mit.edu/~marcelo/cornucopi a).
· Stratasys ­ que foi a pioneira da tecnologia FDM ( http://www.stratasys.com)
Um laboratório de pesquisas está desenvolvendo elementos de dimensões microscópicas através de impressão 3D em nanotecnologia (Center for Nanoscale Chemical­Electrical­Mechnical Manufacturing Systems https://nano­ cemms.illinois.edu). · Solid Scape ­ que desenvolveu uma tecnologia FDM própria, mas agora é propriedade da Stratasys ( http://www.solid­scape.com).
Com a utilização de scanners 3D e impressoras 3D pode­se capturar uma imagem qualquer e reproduzi­la em qualquer escala desejada com uma fidelidade muito grande. Os scanners 3D já são bastante difundidos e existe uma infinidade de produtos comerciais com uma variedade de preços e aplicações ( http://en.wikipedia.org/wiki/3D_scanner). Em aplicações médicas, pode­se criar próteses personalizadas ao invés de utilizar produtos off­the­shelf que fazem uma aproximação grosseira das necessidades reais do paciente. Numa aplicação médica mais sofisticada, uma empresa americana está imprimindo tecidos humanos a partir de células humanas, usando técnicas de impressão 3D, para os mais diversos usos (organovo ­ http://www.organovo.com). Impressor as comerciais 3D e Serviços On­ line · Fortus e Dimension Printing ­ que utilizam o proceso FDM da Stratasys ( http://www.fortus.com)
· Objet ­ que desenvolveu a tecnologia Matrix Polyjet. Ele jateia dois polímeros líquidos que se solidificam com a aplicação da luz, através de uma cabeça de impressão com 96 bocais. Cada camada do objecto é solidificada por uma luz UV assim que é impresso. (http://www.objet.com)
· ZCorp – especializada em tecnologia Multi­jet Modelling (MJM), e agora é propriedade da 3D Systems ( http://www.zcorp.com) Todos esses fabricantes acima citados são start­ups, mas devido ao rápido crescimento deste mercado, empresas tradicionais de impessoras 2D estão fazendo as primeiras incursões neste mercado. Entre as mais tradicionais, podemos citar a Hewlett Packard­HP ( http://www8.hp.com/uk/en/products/3d­ printers) e a Roland ( http://www.rolanddga.com/solutions/rapidPro totyping), entre outros.
Revista Inovação Tecnológica, São Paulo, v.2, n.2, p.28­40, jul./dez.2012 ISSN 2179­2895 34 Luiz Koiti Takagaki O preço destas impressoras 3D industriais/profissionais situa­se ainda na faixa de US$ 10.000 a US$ 20.000, ou seja, ainda não acessível para consumo em massa. Outro problema destas impessoras, em geral, muito volumosas, inviabilizando o uso doméstico. A novidade nesta área surgiu com as impressoras open­source e o aparecimento de bureaus de serviços 3D pela internet, que são os temas tratados a seguir. Impressão 3D pessoais Em 2005, Dr Adrian Bowyer, um professor de engenharia mecânica da Universidade de Bath, do Reino Unido, criou uma impressora 3D, do tipo FDM, denominado RepRap ­ Replicating Rapid­prototyper. Ele disponibilizou o projeto, tanto a mecânica, quanto à eletrônica (incluindo o programa de controle) através da web (http://reprap.org), em esquema open source GNU (General Public License). Adicionalmente, foram desenvolvidos aplicativos de suporte à impressão 3D, sem a qual seria impossível a sua utilização, como:
· softwares de CAD 3D freeware ou opensource tipo OpenScad, Sketchup, Blender, etc
· softwares de fatiamento de figuras como o skeinforge
· softwares de controle de impressoras 3D como o Replicator, etc. A partir de então, uma quantidade enorme de entusiastas aderiram à idéia, e a impressora 3D tornou­se uma febre e diversos kits do tipo DIY (Do It Yourself ou Faça Você Mesmo) foram oferecidos no mercado, além de incontáveis blogs e sites de discussão do tema. Os preços dos kits estão na ordem de centenas de dólares a poucos milhares de dólares. A mais famosa impressora 3D é o RepRap Mendel e ele é ofereecido de forma difusa no mercado pelos próprios membros da comunidade ou na forma de kits para serem montados pelos próprios usuários. A seguir, apresentamos os principais fabricantes de impressoras 3D de uso pessoal:
· · · · · · BitsFromBytes.com – comercializa a impressora RapMan BFB­3000 que tem uma qualidade boa, mas custa em torno de US$ 1000 na forma de kit
BotMill ­ BotMill Glider que é vendido como kit e montado, da ordem de US$ 1400 montado
Cube 3D Printer – bastante compacta e da ordem de US$ 1300
MakeGEAR.com – Prusa 3D printer é uma impressora bastante popular e da ordem de US$ 700 na forma de kit
MakerBot Industries ­ Thing­O­Matic MakerBot é mais simples, mas é disparadamente a versão mais vendida das pessoais
UP! Personal Portable 3D Printer – fabricado na China e tem boa qualidade de impressão e vendido montado. O seu custo está em torno de US$ 1500 Todos são descendentes da RepRap, de alguma forma e possuem limitações com relação às dimensões dos objetos a serem impressos. Geralmente estão em torno de 120 mm x 120mm x 400 mm (altura). Todos trabalham com plásticos industriais como ABS (Acrilonitrila butadieno estireno) ou PLA (ácido polilático) na forma de longos filamentos cilíndricos de 3mm ou 1,75 mm de diâmetro e disposto em carretéis, que são extrusados através de uma cabeça extrusora. A aquisição do sistema montado ainda é relativamente caro (acima de US$ 1000), mas como existe uma enorme comunidade de interessados no tema de impressão 3D,
Revista Inovação Tecnológica, São Paulo, v.2, n.2, p.28­40, jul./dez.2012 ISSN 2179­2895 35 Luiz Koiti Takagaki inclusive no Brasil, é bastante confortável se aventurar na montagem dos kits, pois o suporte é farto. Atualmente, existem modelos de impressoras 3D FDM que trabalham com múltiplas cabeças de impressão, o que permite a criação de objetos com múltiplas cores. Em breve, as grandes fabricantes devem se interessar pelas impressoras 3D para uso doméstico e, com isso, devem surgir dispositivos mais baratos e mais eficientes. Comunidades de desenvolvimento open sour ce As seguintes comunidades on­line são crowdsourcing para desenvolvimento de impressoras 3D, com todos os projetos e informações construção livremente compartilhados on­line:
· · · Fab@Home
RepRap
Open Source Selective Laser Sintering Aplicações atuais de impr essão 3D A maioria das impressoras 3D atuais, não é usada para criar produtos de consumo. Em vez disso, eles são geralmente empregados para criar protótipos ou para produzir moldes, que por sua vez permite a produção de artigos finais. A impressão de objetos 3D permite que os engenheiros verifiquem o ajuste das diferentes peças, muito antes de se comprometer a produção. Os arquitetos usam para mostrar modelos detalhados em escala, com relativo baixo custo, aos seus clientes. Profissionais médicos e arqueólogos usam cópias impressas 3D de ossos em tamanho natural, a partir de dados de digitalização 3D para estudos. Há também uma ampla gama de usos educacionais. A gama de produtos que empregam impressoras 3D em seu processo de concepção ou para produzir moldes finais ou moldes mestre está em constante crescimento. Até o momento estes produtos incluem automóveis, joias, brinquedos de plástico, máquinas de café, todos os tipos de garrafas plásticas, embalagens e recipientes. Alguns laboratórios dentários já vêm a alguns anos, usando impressoras 3D para ajudar a criar aparelhos, como a Envisiontec ( http://www.envisiontec.de) que vende a sua “Perfactory Digital Dental Printer” para ser usada na criação de coroas, pontes e próteses temporárias. As impressoras Envisiontec são agora também amplamente utilizadas por muitos fabricantes de aparelhos auditivos para produzir moldes auriculares e conchas para customizar os aparelhos para o paciente final. Manufatura Digital Dir eta Embora a maioria das impressoras 3D atualmente seja usada para prototipagem e pré­produção de moldes, o uso da impressão 3D para a fabricação de peças definitivas está também ocorrendo agora e está se tornando conhecido como Manufatura Digital Direta (Direct Digital Manufacturing­DDM). Como esclarece a Fortus (http://www.fortus.com), para manufatura de baixo volume a DDM é mais rentável e mais simples do que ter que pagar e esperar pela usinagem ou ferramental, permitindo alterações de design on­the­fly e possibilitando inventário just­in­time. Alguns exemplos:
· Klock Werks Kustom Cycles construiu motocicletas utilizando uma impressora 3D Fortus, fabricando diretamente algumas das peças personalizadas necessárias ( http://www.fortus.com/Solutions/Indu stries/~/media/Main/Files/Case%20St udies/Automotive/APKlockwerksAuto motiveEndUsePartsDDM.ashx)
· Outra empresa que utiliza a impressão 3D para criar produtos finais é a Freedom of Creation (que foi
Revista Inovação Tecnológica, São Paulo, v.2, n.2, p.28­40, jul./dez.2012 ISSN 2179­2895 36 Luiz Koiti Takagaki recentemente adquirida pela 3D Systems). Sua gama incrível de produtos impressos em 3D incluem iluminação, móveis, bandejas, bolsas e jóias ( http://www.freedomofcreation.com).
· O protótipo de um novo carro eléctrico chamado Urbee também tem sido impresso em 3D ( http://gizmodo.com/5678476/the­ worlds­first­3d+printed­car­actually­ works).
· Numa linha similar, uma empresa chamada Make Eyewear está fabricando óculos escuros de grife personalizados utilizando impressoras 3D (http://www.makeeyewear.com). · Grandes fabricantes de automóveis também estão usando o processo DDM, tal como a Audi que usa impressão 3D nas peças dos seus automóveis através das impressoras Objet Polyjet 3D ( http://blog.sculpteo.com/2012/04/04/3 d­printing­for­the­car­industry­the­ audi­example/). Muitos acreditam que as impressoras 3D têm um grande futuro na criação de artigos de moda, incluindo jóias e sapatos. Por exemplo:
· Forbes recentemente divulgou um artigo sobre um calçado impresso em 3D que cheiram como chiclets, cujo molde para injeção impresso em 3D permite fabricação sob demanda e altos níveis de personalização ( http://www.forbes.com/sites/tjmccue/2 012/03/28/shoes­from­a­3d­printer­ that­smell­like­bubblegum). Não apenas itens de plásticos que estão sendo feitas utilizando impressão 3D. Por exemplo:
· Os engenheiros da Universidade de Southampton recentemente imprimiu inteiramente uma aeronave que realmente voa (exceto o seu motor elétrico) ( http://www.eurekalert.org/pub_release s/2011­07/uos­sef072811.php).
· Atualmente a Rolls Royce está desenvolvendo um projeto denominado MERLIN, que tem como objetivo utilizar a impressão 3D na fabricação de motores de aeronaves civis ( http://lib.bioinfo.pl/projects/view/2229 2).
Alguns artistas são agora também usando DDM para criar suas obras­primas. Por exemplo:
· O escultor Bathsheba Grossman já usa impressoras 3D para criar suas obras ( http://www.bathsheba.com ).
· O museu Smithsonian está trabalhando na digitalização das obras de seu acervo para poder expor em diversos lugares do mundo uma cópia das mais valiosas obras através de impressão 3D ( http://www.3dprinter.net/smithsonian ­3d­prints­collection­for­world­see).
· Você pode descobrir mais sobre obras de arte em 3D, incluindo um grande vídeo, no Singularity Hub. ( http://singularityhub.com/2010/02/05/ amazing­video­of­3d­printer­art­in­ belgium/) Aplicações futuras da impressão 3D Chegando ou não a massificar nas residências, as impressoras 3D têm muitas áreas promissoras de aplicação no futuro. Elas podem, por exemplo, ser usadas para produzir peças de reposição para todos os tipos de
Revista Inovação Tecnológica, São Paulo, v.2, n.2, p.28­40, jul./dez.2012 ISSN 2179­2895 37 Luiz Koiti Takagaki produtos, ao invés de ficarem armazenados nos depósitos, como são hoje. Assim, ao invés de ficar armazenando as peças de reposição, no momento que a peça apesentar um defeito, poderíamos contactar o fornecedor on­line para obter o desenho da peça de reposição e imprimí­lo. A NASA já testou uma impressora 3D na Estação Espacial Internacional, e recentemente anunciou a exigência de uma impressora de alta resolução em 3D para produzir peças de naves espaciais durante missões no espaço profundo. O Exército dos EUA também experimentou uma impressora 3D montada num caminhão, capaz de produzir um tanque de reposição e outros componentes do veículo no campo de batalha. Como notado acima, impressoras 3D podem ser usadas para fazer construções futuras. Para este fim, uma equipe da Universidade de Loughborough está trabalhando em um projeto de impressão 3D de concreto que permitirá a construção de grandes componentes para impressão 3D no local da obra com complexas formas e com melhores propriedades térmicas ( http://www.buildfreeform.com/). Outra possível aplicação futura é o uso da impressora 3D para criar órgãos de reposição para o corpo humano. Isto é conhecido como bioprinting e é uma área em rápido desenvolvimento ( http://www.explainingthefuture.com/bioprinti ng.html). Mercado de objetos e ser viços 3D Um interesante mercado que deve surgir com a evolução das impressoras é o de serviços. Nem todos os usuários têm habilidades ou interesse em desenvolver os desenhos das peças desejadas e com isso deve surgir a oferta de serviços de design. A seguir, apresentamos alguns repositórios online de projetos de objetos em 3D apenas esperando para ser impressa em 3D:
· · · · 3D Printing Model
Cubify
Kraftwurx
Thingiverse A maior parte permite downloads grátis com proteção somente de Creative Commons dos direitos autorais. Entretanto, brevemente com a profissionalização dos serviços, este panorama deve sofrer uma grande evolução como atividade econômica real. Para aqueles que não desejam adquirir uma impressora 3D, existem buareaus de serviços de impressão, onde o interessado envia o desenho da peça e o escritório encarrega­se de imprimí­lo e entregar na casa do cliente. Abaixo alguns exemplos de sites que executam esta tarefa:
· · · · · · Bathsheba Sculpture LLC ( www.bathsheba.com )
Freedom of Creation ( www.freedomofcreation.com )
Make Eyewear ( www.makeeyewear.com )
.MGX by Materialise ( www.mgxbymaterialise.com )
Rapid Made (www.rapidmade.com )
WB Engineering (www.wb­3d.com ) Um Futuro Sólido Numa época em que notícias, livros, música e vídeo são assuntos de desmaterialização digital, o desenvolvimento e a aplicação de impressão 3D nos lembra de que os seres humanos têm tanto uma necessidade física e psicológica de manter pelo menos um pé no mundo real. Impressão 3D tem um futuro brilhante, não apenas em prototipagem rápida
Revista Inovação Tecnológica, São Paulo, v.2, n.2, p.28­40, jul./dez.2012 ISSN 2179­2895 38 Luiz Koiti Takagaki (onde o seu impacto já é altamente significativo), mas também na fabricação de diversos tipos de objetos de plástico e metal, na medicina, nas artes, e no espaço sideral. Impressoras 3D de mesa para o lar já são uma realidade, e não deve custar mais do que algumas centenas de dólares até 2015. Impressoras 3D capazes de imprimir em materiais multicoloridos também existem e continuará a melhorar a um ponto em que os produtos funcionais serão capazes de serem produzidos. Como os dispositivos que irão proporcionar uma sólida ponte entre o ciberespaço e o mundo físico ­ e como uma importante manifestação da Segunda Revolução Digital ­ impressão 3D é, portanto, susceptível de fazer parte da nossa vida em futuro breve. Impressão 3D – infor mações adicionais Existe uma infinidade de sites na internet sobre este tema. A seguir, apresentamos algumas boas fontes de informações sobre a impressão 3D:
· · · · · · · 3DPrinter.net
3DPrinting.com
3ders.org
www.3dfuture.com.au
www.3dprintingnews.co.uk
www.additive3d.com
www.explainingthefuture.com CONSIDERAÇÕES FINAIS A impressora 3D já em um fato desde a década passada, porém traz novas perpectivas comerciais e técnicas com a sua possível popularização. A popularização possibilitará a criação de empresas (micros e pequenas empresas) para:
· fabricação e comercialização de impressoras 3D
fabricação e comercialização de insumos para as impressoras
· serviços de design de componentes 3D
· fabricação de componentes 3D
· serviços de suporte e treinamento · A massificação também trará novas e surpreendentes ideias que fomentarão uma realimentação positiva, além de impactar fortemente as indústrias tradicionais de mecânica, civil, entre outros. O processo de massificação deverá começar pela tecnologia FDM e migrará para as tecnologias de laser, com a consequente redução de custos. Os componentes manufaturados com tecnologia laser são mais precisos e mais velozes, além de permitir diversos tipos de materiais e formas. No Brasil, estes movimentos privados são incipientes e as universidades e escolas técnicas deveriam encampar esta iniciativa, fomentando e estimulando os estudantes, através de fornecimento de conhecimento, ferramental e suporte. Isto nos colocará em igualdade com os outros países, além de melhorar o nível educacional dos nossos estudantes. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Cohen D. L., Malone E., Lipson H., Bonassar L., (2006) "3D direct printing of heterogeneous tissue implants", Tissue Engineering, Vol. 12, No. 5: 1325­1335. J. M Pearce, C. Morris Blair, K. J. Laciak, R. Andrews, A. Nosrat and I. Zelenika­ Zovko, “3­D Printing of Open Source Appropriate Technologies for Self­ Directed Sustainable Development”, Journal of Sustainable Development 3(4), pp. 17­29 (2010). Jones, R., Haufe, P., Sells, E., Iravani, P. , Olliver, V., Palmer, C. and Bowyer,
Revista Inovação Tecnológica, São Paulo, v.2, n.2, p.28­40, jul./dez.2012 ISSN 2179­2895 39 Luiz Koiti Takagaki A., 2011. RepRap – the replicating rapid prototyper. Robotica, 29 (01), pp. 177­ 191. Lipson H. (2005) "Homemade: The future of Functional Rapid Prototyping", IEEE Spectrum, feature article, May 2005, pp. 24­31. Malone E., Lipson H., (2007) “Fab@Home: The Personal Desktop Fabricator Kit”, Rapid Prototyping Journal, Vol. 13, No. 4, pp.245­255. Malone E., Lipson H., (2006) “Freeform Fabrication of Ionomeric Polymer­Metal Composite Actuators”, Rapid Prototyping Journal, Vol. 12, No. 5, p.244­253. “Freeform fabrication of 3D zinc­air batteries and functional electro­ mechanical assemblies”, Rapid Prototyping Journal, Vol. 10, No. 1, pp. 58­69. Sells, E., Smith, Z., Bailard, S., Bowyer, A. and Olliver, V. 2009. RepRap: The Replicating Rapid Prototyper ­ maximizing customizability by breeding the means of production. In: Piller, F. T. and Tseng, M. M., eds. Handbook of Research in Mass Customization and Personalization. World Scientific, pp. 568­580.
Malone E., Rasa K., Cohen D. L., Isaacson T., Lashley H., Lipson H., (2004) Revista Inovação Tecnológica, São Paulo, v.2, n.2, p.28­40, jul./dez.2012 ISSN 2179­2895 40