Atualmente, a tecnologia de impressão 3D é amplamente utilizada no fabrico automóvel, aeroespacial e defesa, bens de consumo, dispositivos eléctricos e electrónicos, aplicações biomédicas, jóias culturais e criativas, engenharia de construção e educação, entre muitos outros domínios. De acordo com a autoridade global em investigação da indústria de impressão 3D, o "Wohlers Report 2020" (que separa as aplicações aeroespaciais e de defesa no seu [...]
Atualmente, a tecnologia de impressão 3D é amplamente utilizada no fabrico automóvel, aeroespacial e de defesa, bens de consumo, dispositivos eléctricos e electrónicos, aplicações biomédicas, jóias culturais e criativas, engenharia de construção e educação, entre muitos outros domínios.
De acordo com a autoridade global em investigação da indústria de impressão 3D, o "Wohlers Report 2020" (que separa as aplicações aeroespaciais e de defesa nas suas estatísticas), o fabrico automóvel é o maior campo de aplicação da tecnologia de impressão 3D, representando 16,4% da utilização. A eletrónica de consumo e a indústria aeroespacial vêm logo a seguir, com 15,4% e 14,7%, respetivamente, como mostra a Figura 1-16.
O estudo indica ainda que, antes de 2020, a impressão 3D era utilizada principalmente para o fabrico de modelos, representando 24,6% de aplicações, sobretudo para validação de projectos e testes funcionais durante vários processos de desenvolvimento de produtos, o que faz deste o maior mercado para a impressão 3D desde a sua criação.
No entanto, a partir de 2020, o fabrico direto de produtos de utilização final utilizando a tecnologia de impressão 3D aumentou para 30,9%, como mostra a Figura 1-17, tornando-se a maior utilização da tecnologia de impressão 3D. Isto demonstra uma evolução significativa da impressão 3D, desde a prototipagem rápida até ao fabrico direto de produtos finais.
A economista Carlota Perez sugere que cada revolução do ciclo industrial impulsionada pela tecnologia dura cerca de 60 anos, sendo os primeiros 30 anos a fase de invenção da tecnologia fundamental e os últimos 30 anos a fase de aplicação acelerada da tecnologia. Desde a criação da 3D Systems, a primeira empresa a produzir equipamento de impressão 3D nos Estados Unidos em 1986, o ano de 2021 marca o início dos últimos 30 anos.
Por conseguinte, espera-se que a aplicação da tecnologia de impressão 3D acelere, libertando um maior valor de aplicação e transformando profundamente as indústrias relacionadas. Esta secção apresentará as aplicações típicas da tecnologia de impressão 3D nos domínios da biomedicina, aeroespacial e produção industrial e, em seguida, discutirá as limitações e os riscos de futuras aplicações da impressão 3D.
Com base nos cenários de aplicação, as utilizações actuais da impressão 3D em biomedicina incluem principalmente modelos de planeamento pré-operatório, guias cirúrgicos, implantes e ferramentas médicas auxiliares. Além disso, a bioimpressão para medicina regenerativa e órgãos semelhantes a tecidos representa a fronteira da investigação em engenharia biomédica e é a principal direção para o futuro desenvolvimento e aplicação da impressão 3D na biomedicina.
Os modelos de planeamento pré-operatório envolvem a conversão dos dados de imagens de TC de um doente num modelo tridimensional utilizando tecnologia de reconstrução e, em seguida, a materialização do modelo com impressão 3D. Estes modelos permitem a visualização tridimensional da patologia, abordando os desafios da compreensão e avaliação de imagens seccionais bidimensionais.
Fornecem aos médicos informações intuitivas e precisas sobre a localização da doença, a estrutura anatómica espacial, a forma e o volume, ajudando na formulação de planos cirúrgicos complexos, ensaios pré-operatórios e avaliações de resultados pós-operatórios, melhorando assim significativamente a precisão e a segurança das cirurgias.
As mais recentes tecnologias de impressão 3D podem agora produzir materiais que combinam texturas macias e duras, facilitando as incisões cirúrgicas e melhorando a experiência tátil dos cirurgiões. Isto também beneficia a formação e o aperfeiçoamento das competências dos jovens profissionais médicos.
Resumo da história do doente: Doente do sexo feminino, 40 anos, com cefaleias persistentes há mais de dois meses, acompanhadas de perturbações da visão. Ao exame foi detectado um tumor cerebral, rodeado de artérias intracranianas, sugerindo cirurgia, embora de alto risco.
O hospital fundiu as imagens de TC e RM do doente, como se mostra na Figura 1-18, e efectuou uma reconstrução tridimensional para restaurar com precisão a situação intracraniana do doente, incluindo o crânio, as artérias, as veias e o tumor, como se mostra na Figura 1-19. Em seguida, utilizando a impressora 3D modelo WJP da Zhuhai Cenat New Technologies Co., Ltd., foi produzida uma impressão 3D a cores do modelo craniano reconstruído, como se mostra na Figura 1-20.
Com a ajuda deste modelo 3D, os médicos puderam observar claramente a distribuição dos vasos sanguíneos à volta do tumor, o que serviu de base às suas decisões intra-operatórias. Ao identificar os vasos sanguíneos envolvidos pelo tumor, os cirurgiões puderam extirpar o tumor com precisão, protegendo simultaneamente as estruturas vasculares críticas.
Após uma cirurgia de 11 horas, o meningioma do doente na zona da sela do cérebro foi removido com sucesso em segmentos, mantendo intactas as artérias cerebrais anteriores bilaterais, as artérias médias e as artérias carótidas internas circundantes. A cirurgia foi um enorme sucesso.
Resumo da história do paciente: Uma paciente do sexo feminino de 56 anos de idade foi diagnosticada com tumor maligno do fígado e cirrose. Um fígado humano normal tem cerca de 1500 cm³, mas o fígado da doente tinha apenas 765 cm³, com graves deficiências funcionais. O hospital determinou que um transplante de fígado era o único tratamento eficaz e, após uma seleção, o seu filho de 21 anos foi considerado um dador adequado.
Era crucial excisar com precisão as porções do fígado do dador e do recetor e anastomosar com exatidão os vasos sanguíneos e as vias biliares, o que exigia uma elevada especialização cirúrgica. O hospital efectuou uma reconstrução tridimensional com base em dados de TC pré-operatórios dos fígados da doente e do seu filho, como se mostra nas Figuras 1-21(a) e 1-22(a), respetivamente.
Os fígados reconstruídos foram depois impressos à escala 1:1 utilizando a impressora 3D modelo WJP da Zhuhai Cenat New Technologies Co., Ltd., como se mostra nas Figuras 1-21(b) e 1-22(b), permitindo uma avaliação exacta da extensão da lesão e da relação espacial tridimensional com os órgãos e tecidos adjacentes, bem como o planeamento da abordagem cirúrgica e dos locais de incisão.
A cirurgia foi muito bem sucedida e a vida da mãe foi prolongada graças ao fígado do seu filho.
As guias cirúrgicas, concebidas digitalmente e fabricadas com recurso à impressão 3D, são ferramentas fundamentais para a transferência de planos pré-operatórios para a execução intra-operatória. Podem ajudar a evitar traumas em vasos sanguíneos e nervos importantes, reduzir a perda de sangue e aumentar a segurança cirúrgica.
Os materiais normalmente utilizados para a impressão de tais produtos incluem nylon de alto polímero e resinas resilientes de alta resistência (por exemplo, guias de osteotomia que têm de resistir à serragem durante a cirurgia), resinas transparentes com resistência suficiente (por exemplo, guias de implantes dentários) e materiais de resina padrão ou PLA para guias que não requerem alta resistência (por exemplo, guias de neuropunção sacral e guias de punção de hemorragia cerebral).
A tecnologia de impressão 3D pode produzir implantes que são perfeitamente adaptados às necessidades individuais e podem ser implantados com sucesso no corpo. Estes implantes podem ser fabricados com microporos de tamanho controlável, o que pode reduzir o módulo de Young do implante. material metálico, diminuem o stress e promovem a integração óssea, oferecendo vantagens inigualáveis aos implantes tradicionais.
O material comum para estes implantes impressos em 3D é titânio como ilustrado nas Figuras 1-23 e 1-24. Para implantes que não requerem carga e fricção excessivas, tais como dispositivos de fusão intervertebral, ossos cranianos e pequenas articulações como a articulação mandibular, os investigadores estão a explorar a utilização de novos materiais como o PEEK (Figura 1-25) e ligas de magnésio.
Resumo da história do doente: Em 2014, foi diagnosticado a um rapaz de 12 anos um sarcoma de Ewing com a lesão cancerosa localizada na vértebra atlas, como mostra a Figura 1-26. O tratamento internacional padrão consiste em apoiar o vazio deixado pelo atlas canceroso excisado com uma gaiola de malha de titânio, fixada no local através de orifícios na malha combinados com uma placa de titânio e parafusos à frente, para conseguir a fusão espinal e reconstruir a estabilidade cervical.
No entanto, a força de suporte e a área de contacto da malha de titânio são limitadas, e a sua resistência à rotação e a várias forças de flexão é fraca. A presença de "stress shielding" provoca frequentemente o colapso das vértebras adjacentes à gaiola de malha após a cirurgia, dificultando a manutenção da altura intervertebral. Para além disso, a espessura da placa de titânio pode causar dificuldades de deglutição ao doente.
No pós-operatório, o doente terá de ter pinos inseridos na cabeça e na omoplata, com uma cinta instalada acima e abaixo para imobilizar a cabeça. Durante o repouso, a cabeça não pode tocar na cama, condição que deve ser mantida durante 3 a 4 meses, e por vezes até seis meses, causando grandes dores ao doente.
O doente foi tratado pelo Professor Liu Zhongjun do Departamento de Ortopedia do Terceiro Hospital da Universidade de Pequim (PUTH) e, após duas cirurgias por via cervical posterior e anterior, foi-lhe colocada a primeira vértebra atlas personalizada impressa em 3D do mundo, como mostra a Figura 1-27. Esta operação bem sucedida ultrapassou as desvantagens dos métodos de tratamento tradicionais e salvou a vida do doente.
Os instrumentos auxiliares médicos tradicionais são frequentemente obtidos através da fundição em gesso e da moldagem termoplástica a baixa temperatura. No entanto, devido às características de absorção de água e retração do gesso, pode ocorrer deformação do modelo, afectando a precisão do instrumento, e o processo de produção depende demasiado da experiência pessoal do técnico.
As ajudas de reabilitação personalizadas e leves, fabricadas com tecnologia de impressão 3D baseada em informações sobre a superfície do corpo obtidas através de digitalização ótica 3D e combinadas com dados de TAC e RMN do doente e design preciso assistido por computador, adaptam-se melhor à ergonomia. Podem satisfazer as necessidades individuais dos doentes e i
Melhorar a recuperação pós-operatória ou os efeitos ortopédicos da reabilitação não cirúrgica, como mostra a Figura 1-28, que apresenta vários tipos de ferramentas auxiliares médicas impressas em 3D. O desenvolvimento futuro de ferramentas auxiliares médicas personalizadas impressas em 3D inclui novos tipos de próteses, auxiliares de compensação da função auditiva e da fala e novos sistemas de apoio à vida de pessoas com deficiência, tais como robots exosqueletos.
Os materiais normalmente utilizados para a impressão destes produtos incluem materiais de nylon de alto polímero (como várias ortóteses com excelente resistência e resiliência), materiais TPU (como vários tipos de compensadores biomecânicos do pé) e PLA ou materiais de resina de alta resistência (como alguns suportes de fixação de reabilitação que não requerem força excessiva).
Resumo da história do paciente: Em 2018, uma paciente do sexo feminino de 14 anos foi diagnosticada com escoliose espinhal, com um ângulo de Cobb de 13 ° mostrado na radiografia da coluna vertebral de comprimento total, e ela não recebeu tratamento adequado. Um acompanhamento em janeiro de 2020 mostrou um aumento do ângulo de Cobb para 27°. A paciente procurou tratamento no Centro de Impressão 3D do Nono Hospital Popular de Xangai, associado à Faculdade de Medicina da Universidade Jiao Tong de Xangai.
Foi-lhe colocada uma ortótese de escoliose impressa em 3D e, seis meses mais tarde, a coluna vertebral da doente estava completamente corrigida. A progressão da escoliose da coluna vertebral da doente é mostrada na Figura 1-29.
O Centro de Impressão 3D, com base na condição específica do doente, captou os dados tridimensionais da superfície do corpo do doente utilizando um scanner corporal 3D (Figura 1-30) e combinou-os com os dados de raios X para o desenho assistido por computador, criando um modelo de ortótese de escoliose totalmente personalizado. Este foi posteriormente materializado numa ortótese para escoliose através de impressão 3D, como se mostra na Figura 1-31.
A ortótese para escoliose, devido ao seu design totalmente personalizado e à sua estrutura oca, era respirável e leve, tornando-a confortável para o doente usar durante mais de 20 horas por dia.
A nível internacional, a investigação e a exploração da tecnologia de fabrico de impressão 3D de baixo custo, ciclo curto e elevado desempenho para componentes metálicos complexos, grandes e difíceis de maquinar no sector aeroespacial têm sido contínuas. Empresas como a Boeing, Lockheed Martin, Northrop Grumman e instituições como o Laboratório Nacional de Los Alamos, nos Estados Unidos, investiram mais de duas décadas em I&D contínua.
Na China, as equipas lideradas pelo académico Wang Huaming da Universidade de Beihang e pelo Professor Huang Weidong da Universidade Politécnica do Noroeste também realizaram décadas de I&D contínua, obtendo resultados de investigação inovadores.
Por exemplo, a equipa do académico Wang foi a primeira no mundo a desenvolver tecnologias-chave no processo de conformação a laser, no equipamento e na aplicação de grandes componentes de suporte de carga em liga de titânio para aeronaves, resolvendo o problema da conformação de "grandes componentes" e produzindo os maiores e mais complexos componentes integrais de suporte de carga em liga de titânio do equipamento aeronáutico da China, com propriedades mecânicas abrangentes que atingem ou excedem as das peças forjadas.
A tecnologia de impressão 3D, enquanto nova técnica de fabrico, tem vantagens distintas no domínio aeroespacial, com benefícios de serviço evidentes, que se reflectem principalmente nos seguintes aspectos
Para o equipamento de armamento aeroespacial, a redução do peso é um tema de investigação eterno, uma vez que não só aumenta a agilidade do equipamento de voo durante o voo, como também aumenta a capacidade de carga útil, poupa combustível e reduz os custos de voo.
A procura de uma leveza e fiabilidade extremas no equipamento aeroespacial e militar torna particularmente difícil o fabrico de estruturas integrais complexas de grandes dimensões e de componentes estruturais complexos de precisão, tornando-se um dos estrangulamentos no desenvolvimento de equipamento aeroespacial e militar avançado.
Por exemplo, as novas aeronaves, naves espaciais e motores utilizam cada vez mais componentes estruturais integrais, o que leva a um aumento contínuo da dimensão e complexidade dos componentes individuais. Além disso, há um aumento significativo na utilização de materiais de liga, como ligas de titânio, ligas de alta temperatura e aços de resistência ultra-alta, que são muito difíceis de processar utilizando o trabalho a quente tradicional e a maquinagem mecânica.
A aplicação da tecnologia 3D pode otimizar as estruturas de componentes complexos, permitindo uma conceção leve, assegurando ao mesmo tempo o desempenho e conseguindo assim uma redução do peso. A otimização das estruturas das peças pode também conduzir a uma distribuição mais racional das tensões, reduzindo o risco de fissuras por fadiga e aumentando assim a vida útil.
Ao mesmo tempo, é possível controlar a temperatura através de estruturas de canais de fluxo interno razoavelmente complexas, alcançando a combinação ideal de design estrutural e utilização de materiais.
No domínio do fabrico aeroespacial, muitos componentes produzidos através de métodos de fabrico tradicionais têm baixas taxas de utilização de materiais, geralmente não excedendo 10% e, por vezes, apenas 2% a 5%. O desperdício significativo de materiais significa que os processos de maquinagem mecânica são complexos e os ciclos de produção são longos.
No caso de peças difíceis de maquinar, o ciclo de maquinação pode ser muito maior, prolongando significativamente o ciclo de fabrico e aumentando assim os custos de fabrico. A tecnologia de impressão 3D em metal, como técnica de forma quase líquida, tem uma elevada utilização de material e os custos de fabrico não são afectados pela complexidade interna das peças.
Tomando como exemplo o fabrico do rotor com lâminas integrais em liga de titânio para a ventoinha de elevação da aeronave JSF, o fabrico tradicional "subtrativo" começaria com uma peça em bruto forjada de 1500 kg e, após a fresagem tradicional, a peça final pesaria 100 kg, resultando numa taxa de utilização de material de apenas 6,67%, com um ciclo de fabrico muito longo, como se mostra na Figura 1-32. No entanto, se for utilizada a tecnologia de impressão 3D, podem ser obtidas poupanças de material de até 80%.
Uma das vantagens mais notáveis da tecnologia de impressão 3D é o facto de poder fabricar diretamente peças físicas a partir dos modelos 3D concebidos pelo pessoal de I&D, sem necessidade de maquinagem ou de quaisquer moldes, encurtando significativamente o processo de fabrico de componentes estruturais de elevado desempenho e de grandes dimensões.
Por exemplo, no fabrico da estrutura do para-brisas principal do grande avião chinês C919, como mostra a Figura 1-33, a equipa do Professor Wang Huaming da Universidade de Beihang utilizou uma tecnologia de processo de impressão 3D em metal desenvolvida de forma independente. Desde a receção dos dados do modelo 3D da peça até à entrega da peça acabada para instalação, foram necessários apenas 40 dias e um custo de 1,2 milhões de yuan.
Em contrapartida, encomendar a peça ao estrangeiro demoraria pelo menos 2 anos e o custo do molde seria de 13 milhões de yuan. Do mesmo modo, para a longarina central da asa do C919, que tem mais de 3 metros de comprimento, como se mostra na Figura 1-34, os métodos de fabrico tradicionais exigiriam uma prensa de supertonelagem para forjar, o que é moroso, exige muito trabalho e desperdiça matérias-primas.
Além disso, na altura, não existia na China equipamento capaz de produzir componentes estruturais tão grandes. Se a peça fosse encomendada no estrangeiro, o período entre a encomenda e a instalação demoraria mais de dois anos, o que prejudicaria gravemente o progresso da I&D da aeronave e afectaria a taxa de produção interna da aeronave de grande porte.
A equipa do Professor Huang Weidong da Universidade Politécnica do Noroeste utilizou equipamento e tecnologia de impressão 3D em metal desenvolvidos de forma independente para fabricar a peça em cerca de um mês. Depois de passar nos testes de desempenho efectuados pela COMAC, foi aplicada com êxito no primeiro protótipo do grande avião chinês C919.
Nas décadas de 1980 e 1990, utilizando métodos de fabrico tradicionais, seriam necessários pelo menos 10 a 20 anos para desenvolver uma nova geração de caças, como o caça J-10, que demorou quase 10 anos a ser desenvolvido. Com a aplicação da tecnologia de impressão 3D, a China introduziu o caça J-15 baseado em porta-aviões em apenas 3 anos, entrando diretamente na matriz de caças de terceira geração baseados em porta-aviões.
Não há dúvida de que a tecnologia de impressão 3D está a criar uma "velocidade chinesa" no desenvolvimento da Força Aérea.
A reparação e a manutenção de componentes danificados em equipamentos aeroespaciais sempre foram uma questão importante. A utilização da tecnologia de impressão 3D LENS (Laser Engineered Net Shaping) para a reparação de peças introduz um novo método de manutenção do equipamento aeroespacial. Por exemplo, no caso de lâminas de turbinas integradas de alto desempenho, se uma lâmina estiver danificada, todo o rotor da turbina pode ser desmantelado, com uma perda económica direta de milhões.
Atualmente, com base na caraterística de impressão camada a camada do LENS, a lâmina danificada pode ser considerada um substrato especial. Ao efetuar revestimento a laser na área localmente danificada, a peça pode ser restaurada para o seu aspeto original, satisfazendo ou mesmo excedendo os requisitos de desempenho do material original.
Além disso, devido à capacidade de controlo do processo de impressão 3D, os impactos negativos da reparação são muito limitados. Para as forças de defesa, isto significa que podem ser fornecidas soluções eficazes no local, sem a necessidade de um armazém de peças sobresselentes, melhorando significativamente a eficiência da reparação de peças e reduzindo os custos de manutenção.
No futuro, a tecnologia de impressão 3D poderá ser utilizada na vanguarda do campo de batalha, permitindo a impressão direta de peças no campo de batalha e eliminando as etapas intermédias de fabrico, distribuição e armazenamento.
Atualmente, a Marinha dos EUA iniciou o projeto "Print the Fleet", desenvolvendo uma série de procedimentos para a impressão, qualificação e entrega de peças, e avaliando várias tecnologias e materiais de impressão 3D para utilização militar, a fim de atingir o objetivo de fabricar peças de aeronaves em navios no mar.
No futuro, a tecnologia de impressão 3D também pode ser utilizada em estações espaciais para realizar a impressão 3D direta de peças no espaço. Em agosto de 2014, a NASA transportou uma impressora 3D capaz de funcionar em ambiente de vácuo para a Estação Espacial Internacional, onde os astronautas imprimiram não só peças de teste, mas também componentes estruturais funcionais.
A China também realizou a sua primeira experiência de impressão 3D em órbita em maio de 2020 e foi a primeira no mundo a conseguir a impressão 3D espacial de materiais compósitos contínuos reforçados com fibra de carbono, como mostra a Figura 1-35.
Seguem-se três casos de aplicações de impressão 3D no sector aeroespacial na China.
Em 15 de maio de 2021, às 07:18, o módulo de aterragem e o orbitador "Tianwen-1" separaram-se, aterrando com sucesso na superfície de Marte, como mostra a Figura 1-36. Subsequentemente, o rover de Marte "Zhurong" enviou com sucesso sinais de telemetria. O motor de impulso variável de 7500N utilizado na aterragem em Marte era a versão 2.0 do motor utilizado nas aterragens lunares.
O motor de impulso variável 7500N da versão melhorada "Tianwen-1" 2.0 tinha o mesmo desempenho e impulso que o motor 7500N do anterior projeto lunar Chang'e, mas tinha apenas um terço do peso e do volume, com uma estrutura mais optimizada e compacta, como se mostra na Figura 1-37.
Para isso, a estrutura da flange de acoplamento do motor foi impressa em 3D numa só peça pela primeira vez, evitando a deformação causada pela remoção de grandes excessos de material de barras sólidas ou forjadas, e reduzindo também eficazmente o peso.
Em 8 de maio de 2020, às 13:49, a cápsula de retorno do veículo de teste da nova geração de naves espaciais tripuladas da China, desenvolvida pelo Instituto de Investigação em Tecnologia Espacial da Corporação de Ciência e Tecnologia Aeroespacial da China, aterrou com êxito na área designada no local de aterragem de Dongfeng.
A conclusão bem sucedida da missão de voo do veículo de teste marcou um protótipo para a nova geração de naves espaciais tripuladas da China e avanços significativos numa série de novas tecnologias em domínios como a estrutura da cabina, os materiais e os sistemas de controlo.
Um dos avanços tecnológicos importantes foi a conceção e a conformação 3D de uma estrutura integrada de liga de titânio com um diâmetro de 4 m, atingindo objectivos como a redução do peso, a diminuição do ciclo e a redução dos custos. O regresso bem sucedido do veículo de teste da nova geração de naves espaciais tripuladas marcou também o teste bem sucedido da tecnologia de impressão 3D integral para componentes estruturais chave de grandes dimensões.
A Figura 1-38 mostra a situação de aterragem da cápsula de retorno do veículo de teste da nova geração de veículos espaciais tripulados e a sua estrutura de liga de titânio integrada de grandes dimensões obtida através de impressão 3D.
Em 21 de maio de 2018, o satélite de retransmissão Chang'e-4 "Queqiao" foi lançado com sucesso no Centro de Lançamento de Satélites de Xichang. A sua órbita de trabalho no espaço profundo ajudará a humanidade a desvendar ainda mais os mistérios do lado mais distante da lua. Com capacidades de lançamento limitadas, o índice de peso do "Queqiao" era extremamente rigoroso. O suporte da roda de reação oblíqua, um dos componentes mais pesados do satélite, foi concebido para reduzir o peso.
A otimização da topologia foi realizada utilizando o software Inspire da Altair, alterando a filosofia de conceção de "conceber o estrutura do produto primeiro e, em seguida, verificar o desempenho do produto" para "determinar primeiro o desempenho do produto e, em seguida, obter a estrutura final do produto através da otimização da topologia", conseguindo um design leve.
Além disso, utilizando a impressão 3D em liga de alumínio, foi efectuado o fabrico integral, obtendo-se um fabrico leve. A Figura 1-39 mostra o produto impresso do suporte da roda de reação oblíqua para o satélite retransmissor "Queqiao" e a sua montagem no satélite.
Inicialmente, a tecnologia de impressão 3D na produção industrial era utilizada principalmente para a criação de protótipos durante o desenvolvimento de produtos, verificando o design, a estrutura e os testes de montagem. Por exemplo, antes da produção em massa de um novo produto, é necessário avaliar o produto para identificar prontamente quaisquer problemas de conceção.
Pode simular as condições reais de funcionamento do produto para montagem, verificações de interferência, testes funcionais e inspecções de fabrico e montagem. Além disso, pode ser utilizada para o fabrico de moldes, em que a tecnologia de impressão 3D cria moldes principais para peças de fundição a vácuo e de fundição por cera perdida, moldes de injeção, etc.
Estes são depois combinados com processos de fabrico tradicionais para produzir moldes para produção em massa. Após mais de 30 anos de desenvolvimento, a tecnologia de impressão 3D é agora amplamente utilizada no domínio industrial para o fabrico direto de peças finais, incluindo a impressão direta de alguns moldes. Também pode imprimir moldes de injeção de arrefecimento conformal, que têm vantagens significativas em relação aos moldes de injeção tradicionais.
O desenvolvimento e a validação tradicionais de produtos envolvem geralmente a maquinagem CNC, que tem limitações no processamento de produtos complexos com estruturas ocas, vazadas, de alta precisão, de paredes finas ou irregulares. Mesmo que o CNC possa processar algumas destas estruturas, o seu custo é muito elevado, o que o torna mais adequado para peças estruturalmente simples, espessas e pesadas.
A impressão 3D oferece vantagens como a rápida velocidade de processamento, a moldagem única e o facto de o custo não ser afetado pela complexidade do produto. Atualmente, é amplamente utilizada em várias indústrias para validação de design, verificação de montagem e testes de pequenos lotes durante o desenvolvimento de produtos. Os materiais comuns de impressão 3D utilizados para o desenvolvimento e validação de produtos incluem resinas de fotopolímero e materiais de nylon de alto polímero.
Os materiais de resina de fotopolímero produzem peças com superfícies lisas mas com menor resistência, enquanto os materiais de nylon com elevado teor de polímero são adequados para produtos que requerem maior resistência e tenacidade. A Figura 1-40 mostra imagens de alguns casos de desenvolvimento e validação de produtos de impressão 3D.
Com os métodos de maquinação tradicionais, os moldes de plástico utilizam geralmente canais de arrefecimento rectos, que são ineficazes para o arrefecimento de peças de paredes finas ou de cavidades profundas, como se mostra na Figura 1-41(a). Com a tecnologia de impressão 3D em metal, os moldes com canais de arrefecimento conformes podem ser impressos diretamente, como se mostra na Figura 1-41(b), garantindo que não existem pontos cegos no arrefecimento do molde.
Os moldes de injeção com arrefecimento conformacional têm as seguintes vantagens claras
① Eles podem efetivamente melhorar a eficiência do resfriamento, reduzir o tempo de resfriamento e aumentar a eficiência da produção de injeção, geralmente melhorando de 20% a 40%.
② Melhoram a uniformidade do arrefecimento, reduzindo o empeno e a deformação do produto e estabilizando as dimensões, melhorando assim a qualidade do produto.
A peça plástica de painel genérico de um cliente foi fabricada utilizando um núcleo de arrefecimento conformacional impresso em 3D em metal. O tempo de ciclo do molde foi reduzido de 55 segundos para 43 segundos, e a produção aumentou de 1300 peças por dia para 1670 peças por dia, melhorando a eficiência da produção em 28%. A receita diária da peça era inicialmente de 39.000 yuan, tendo aumentado para 50.100 yuan após a utilização da impressão 3D.
Depois de deduzir os custos dos materiais de injeção, da depreciação e da energia, o lucro diário aumentou 2.100 yuan. Um conjunto destes moldes (a funcionar durante 180 dias por ano) pode gerar um lucro adicional de 2.100 x 180 = 378.000 yuan. Com dez conjuntos, o lucro pode aumentar em 3,78 milhões de yuans, mostrando retornos muito bons, como mostra a Tabela 1-1.
Tabela 1-1: Comparação da produção antes e depois da utilização da impressão 3D em metal para fabricar núcleos de arrefecimento conformes
Item de comparação | Tradicional | Impressão 3D | Nota |
Ciclo de produção (segundos) | 55 | 43 | |
Produção (peças/dia) | 1300 | 1670 | Com base em 20 horas de produção por dia |
Preço unitário (yuan) | 30 | 30 | |
Receitas (yuan/dia) | 39,000 | 50,100 | Aumento do lucro de 2.100 yuan/dia |
A pá do ventilador de um ar condicionado split de um cliente, como mostra a Figura 1-42(a), tinha originalmente um núcleo de cobre-berílio na parte central do seu molde, como mostra a Figura 1-42(b). O material de cobre-berílio tem uma rápida condução de calor e bons efeitos de arrefecimento, mas não é resistente ao desgaste e tem uma vida útil que é um quarto da das peças de aço, exigindo a substituição após cerca de 30.000 peças, aumentando a carga de trabalho para a manutenção do molde.
Posteriormente, foi adotado um núcleo de aço de molde impresso em 3D, como se mostra na Figura 1-42(c), que, devido à conceção de uma passagem de água de arrefecimento conformal razoável, pode produzir mais de 120.000 peças e também melhora a eficiência da produção de moldagem por injeção. O molde tem um total de 66 conjuntos; ao fim de um ano, todos foram substituídos por núcleos de aço para moldes impressos em 3D, resultando numa poupança total de custos de mais de 300 000 yuan, como se mostra no Quadro 1-2.
Tabela 1-2: Tabela de comparação de custos de utilização para peças de núcleo de cobre-berílio moldadas e peças de núcleo impressas em 3D.
Tipo | Vida útil | Preço unitário (yuan) | Produção anual de pás de ventilador (10.000 peças) | Número de substituições | Custo do eixo (yuan) | Custo do maquinista (yuan) | Custo de afinação (yuan) | Custo acumulado (yuan) |
Peças em cobre-berílio | 30.000 peças | 400 | 2,200 | 768 | 768 x 400 = 307,200 | 768 x 200 = 153,600 | 768 x 150 = 115,200 | 576,000 |
Peças impressas em 3D | 120.000 peças | 480 | 2,200 | 192 | 192 x 480 = 92,160 | 192 x 200 = 38,400 | 192 x 150 = 28,800 | 159,360 |
A fundição de investimento, também conhecida como fundição de precisão, utiliza frequentemente material de cera para criar os padrões descartáveis, pelo que é vulgarmente conhecida como "fundição por cera perdida". Os padrões de cera para fundição de investimento são frequentemente fabricados utilizando a impressão 3D.
O investimento produção de fundição O processo de impressão de cera para uma peça de joalharia passa pelas várias etapas mostradas na Figura 1-43: (a) modelo de design 3D do produto; (b) o padrão de cera é impresso usando uma impressora de cera 3D; (c) o suporte de cera é dissolvido; (d) o modelo de cera acabado é obtido; (e) uma árvore de cera é criada; (f) a árvore de cera é colocada num molde de metal; (g) o gesso é derramado para formar o molde de gesso e o vácuo é aplicado; (h) o molde de gesso é cozido a altas temperaturas para queimar a cera, obtendo-se um molde negativo de gesso; i) o metal é fundido; j) o metal é moldado no molde de gesso e o gesso é dissolvido em água; k) o produto semi-acabado é lavado em ácido clorídrico e seco; l) a árvore de jóias de metal é desmembrada; m) são efectuados o desbaste e o polimento; n) obtém-se o produto final de joalharia.
(a) Modelo de conceção 3D do produto
(b) Padrão de cera impresso por uma impressora 3D de cera (a parte branca é o material de suporte)
(c) Dissolução de suportes de cera
(d) Obtenção do modelo de cera acabado
(e) Criação da árvore de cera
(f) Colocação da árvore de cera no molde de metal
(g) Colocação de gesso para formar um molde de gesso e aplicação de vácuo
(h) Cozedura a alta temperatura no forno para queimar a cera e obter um molde negativo de gesso
(i) Fusão de metais
(j) Fundição de metais em moldes de gesso e dissolução de gesso com água
(k) Lavagem do produto semiacabado com ácido clorídrico e secagem
(l) Desmantelamento de árvores de jóias de metal
(m) Retificação e polimento
(n) Obtenção do produto final de joalharia
A fundição em areia envolve a criação de moldes e núcleos a partir de areia de fundição (normalmente areia de sílica) e um aglutinante para produzir peças fundidas de metal. Este processo tradicional requer normalmente a criação manual ou semi-manual de padrões de madeira para os moldes e núcleos de areia.
No entanto, com a tecnologia de impressão 3D, os moldes e núcleos de areia podem ser impressos diretamente a partir de dados de design, melhorando significativamente a eficiência da criação de moldes, encurtando os ciclos de produção, reduzindo os custos de fabrico e oferecendo maior precisão em comparação com a fundição em areia tradicional. Também permite a fundição de peças com paredes finas e estruturas internas complexas.
Foi produzida uma caixa de embraiagem de paredes finas através de fundição em areia, com dimensões de 465mm × 390mm × 175mm e um peso de 7,6kg, dividida em partes superior e inferior. A empresa alemã Voxeljet utilizou areia GS09 de alta qualidade para imprimir em 3D o molde de areia com paredes extremamente finas, como mostra a Figura 1-44(a). A peça foi depois moldada utilizando a liga G-AlSi8Cu3, como se mostra nas Figuras 1-44(b) e (c).
Todo o processo de fabrico demorou menos de 5 dias e a caixa da embraiagem produzida teve o mesmo desempenho que as peças produzidas posteriormente em massa depois de passarem nos testes, proporcionando assim uma vantagem significativa em termos de tempo e de custos para o cliente.
O coletor de admissão, localizado entre o corpo do acelerador e as válvulas de admissão do motor, é designado por coletor porque o ar se divide depois de entrar pelo acelerador. O coletor deve distribuir a mistura ar-combustível ou o ar limpo o mais uniformemente possível por cada cilindro, o que significa que os comprimentos das passagens de gás dentro do coletor devem ser tão iguais quanto possível.
Para reduzir a resistência ao fluxo de gás e aumentar a admissão, as paredes internas do coletor de admissão devem ser lisas. Os colectores de admissão dos automóveis de competição têm muitas áreas de interferência, o que coloca desafios à fundição em areia e à maquinação subsequente. Para cumprir os requisitos precisos de complexidade, a Voxeljet dividiu o modelo do coletor de admissão em quatro partes para a impressão 3D dos moldes em areia, evitando problemas de deformação durante a montagem.
As dimensões do coletor eram 854 mm × 606 mm × 212 mm, o molde de areia total pesava aproximadamente 208 kg, como mostra a Figura 1-45 (a), e o tempo de impressão era de 15 horas. O liga de alumínio fundido O coletor de admissão pesava cerca de 40,8 kg, como mostra a Figura 1-45(b).
A moldagem de silicone é um processo que utiliza uma peça protótipo para criar um molde de silicone sob vácuo, no qual é vertida resina líquida para replicar a peça original. Estas réplicas têm um desempenho próximo dos produtos moldados por injeção e podem ser personalizadas em termos de cor para satisfazer os requisitos do cliente.
Os materiais são vazados utilizando métodos de vazamento a vácuo ou a baixa pressão, sendo o vazamento a vácuo utilizado principalmente para a produção de peças de pequena e média dimensão, tais como invólucros de produtos electrónicos de consumo, enquanto o vazamento a baixa pressão é utilizado principalmente para peças de grandes dimensões, como para-choques de automóveis.
Tradicionalmente, as peças de protótipo para moldes de silicone eram criadas utilizando maquinagem CNC, enquanto os protótipos impressos em 3D para moldes de silicone são normalmente feitos rapidamente utilizando materiais de resina de fotopolímero através do processo SLA. Cada molde de silicone pode produzir cerca de 10-20 peças, com uma precisão de ±0,2mm/100mm, uma espessura mínima de fundição de 0,5mm, óptima a 1,5-5mm, e um tamanho máximo de fundição de cerca de 2 metros.
O fluxo do processo é o seguinte:
① Criação de protótipos: É produzido um protótipo com base nos dados 3D do produto utilizando a impressão 3D.
② Criação do molde de silicone: Após a criação do protótipo, é construída uma estrutura de molde, o protótipo é fixado no local e são criados 'sprues' e orifícios de ventilação. O sprue é a entrada do material, também conhecido como "porta". O tamanho e a forma do sprue devem ser concebidos com base nas propriedades de fluxo do material e no tamanho da peça.
O silicone líquido, desgaseificado a vácuo, é vertido no molde para cobrir completamente o produto. O molde é então cozido para acelerar a cura do silicone e, após 8 horas, o molde de silicone é cortado para criar duas metades, o protótipo é removido e a criação do molde de silicone está concluída.
③ Fundição a vácuo: Depois de fechar o molde de silicone, este é colocado numa máquina de fundição a vácuo, onde o ar é evacuado ou é criado um ambiente de baixa pressão, e depois o material é injetado.
Após o enchimento, o material é curado durante 30-60 minutos a uma temperatura constante de 60-70°C, sendo depois desmoldado. Se necessário, é efectuada uma cura secundária durante 2-3 horas a 70-80°C. Após a cura do material, o molde é removido, aberto e o produto replicado é obtido. Este ciclo é repetido para produzir pequenos lotes de réplicas.
A tecnologia de moldagem de silicone é mais rápida, menos dispendiosa e tem ciclos de produção mais curtos em comparação com a tecnologia de moldagem por injeção, reduzindo significativamente as despesas de desenvolvimento e os prazos de I&D.
É normalmente utilizado no desenvolvimento e conceção de peças automóveis, produzindo pequenos lotes de peças de plástico para testes de desempenho e ensaios em estrada, tais como caixas de ar condicionado, para-choques, condutas de ar, aberturas de ventilação encapsuladas, colectores de admissão, consolas centrais e painéis de instrumentos. A Figura 1-46 mostra dois exemplos de moldes de silicone e peças replicadas feitas com protótipos impressos em 3D.
A tecnologia de impressão 3D é cada vez mais utilizada para o fabrico direto de peças ou produtos de utilização final em vários domínios, como o aeroespacial, militar, médico, automóvel, electrodomésticos e eletrónica de consumo. No sector do fabrico automóvel, os investigadores e as empresas experimentam continuamente o fabrico direto de peças e mesmo de veículos inteiros utilizando a impressão 3D.
Por exemplo, a Ford Motor Company opera cerca de 100 impressoras 3D em mais de 30 fábricas em todo o mundo e tem vindo a investir nesta tecnologia há décadas. A Ford utiliza a impressão 3D não só para desenvolvimento e verificação, mas também para a produção de peças e ferramentas finais.
Outros gigantes do sector automóvel como a Mercedes, BMW, Audi, Volkswagen, Toyota, Cadillac, Tesla, Ferrari, Lamborghini e Porsche também aplicam extensivamente a impressão 3D no desenvolvimento e fabrico dos seus veículos.
A redução de peso é uma tendência global da indústria automóvel, e a procura de veículos mais leves tornar-se-á mais extrema no futuro. A leveza do automóvel tem como objetivo reduzir significativamente o peso do veículo, assegurando simultaneamente a sua resistência e segurança, melhorando a potência e a autonomia, reduzindo o consumo de combustível, diminuindo a poluição causada pelos gases de escape e melhorando mesmo o manuseamento e a segurança do veículo.
As peças metálicas impressas em 3D para automóveis são 40-80% mais leves do que as peças tradicionais, o que pode reduzir as emissões de CO2 em 16,97g/km. Algumas peças leves apresentam estruturas internas complexas que reduzem o peso e melhoram o desempenho.
A redução do peso engloba aspectos relacionados com o material, a conceção e o processo, tais como a utilização de aço de alta resistência, ligas de titânio e ligas de alumíniootimização da estrutura, dos desenhos integrados e da topologia; e utilização de processos de fabrico avançados para melhorar o desempenho das peças e conseguir uma maior redução do peso.
À medida que a tecnologia de impressão 3D evolui, um número crescente de peças automóveis pode ser fabricado e utilizado diretamente, e a impressão 3D está pronta a desencadear uma nova vaga de actualizações na indústria de fabrico automóvel.
O Grupo BMW tem sido um pioneiro na adoção da tecnologia de impressão 3D pela indústria automóvel. O BMW i8 Roadster utiliza a tecnologia de impressão 3D para produzir um suporte metálico para a capota do descapotável, que é utilizado diretamente na produção em massa, como mostra a Figura 1-47(a).
Este suporte metálico impresso em 3D liga a cobertura da capota do descapotável à dobradiça de mola, facilitando a dobragem e desdobragem da capota sem a necessidade de medidas adicionais de amortecimento de ruído, como amortecedores de borracha ou molas e unidades de acionamento mais fortes (e mais pesadas). O suporte é necessário para levantar, empurrar e puxar todo o peso do tejadilho e necessita de uma geometria complexa que é impossível de obter através de fundição.
O design final produziu uma estrutura de treliça leve utilizando tecnologia de impressão 3D de metal, optimizando o suporte para o telhado e minimizando a deslocação para evitar que a cobertura se desmorone durante a abertura, como mostra a Figura 1-47(b). Este suporte impresso em 3D ganhou o Prémio Altair Enlighten 2018, que reconhece avanços significativos na tecnologia leve, e atraiu uma atenção considerável pelo seu design inovador na cerimónia de entrega do prémio.
Outra peça impressa em 3D de utilização final utilizada diretamente no BMW i8 Roadster é a calha de guia da janela, como mostra a Figura 1-48. Graças à impressão 3D em nylon, a calha-guia foi desenvolvida e colocada em produção em massa em apenas cinco dias, com capacidade para produzir mais de 100 calhas-guia de janelas em 24 horas. A peça é instalada no interior das portas do BMW i8 Roadster, permitindo que as janelas funcionem sem problemas.
As informações de produção publicamente disponíveis da BMW indicam que o peso do BMW i8 Roadster foi reduzido em 44% em 2018. A empresa produziu mais de um milhão de peças utilizando a impressão 3D até à data. Só em 2018, a produção do centro de produção de impressão 3D do BMW Group excedeu 200.000 peças, um aumento de 42% em comparação com o ano anterior.
O Bugatti Chiron é capaz de acelerar dos 0 aos 400 km/h em apenas 42 segundos, ultrapassando os limites da física, e o sucesso da Bugatti resulta da otimização contínua dos seus sistemas e da aplicação bem sucedida de novos materiais e processos. Entre estes, os travões do novo Chiron são os mais potentes do mundo, com oito e seis pistões nas pinças dianteiras e traseiras, respetivamente.
Anteriormente, as pinças de travão para o Bugatti Chiron eram feitas de liga de alumínio de alta resistência, pesando 4,9 kg. As novas pinças foram estruturalmente optimizadas com base nos princípios da biomimética e são impressas em 3D a partir de uma liga de titânio de qualidade aeroespacial, pesando apenas 2,9 kg, uma redução de 40% no peso, como mostra a Figura 1-49.
O desenvolvimento das novas pinças foi incrivelmente rápido, demorando apenas três meses desde o conceito inicial até ao primeiro componente impresso. A parte mais demorada foi a simulação e a otimização do resistência e rigidez do novo desenho, seguido de uma simulação do processo de impressão para garantir uma conclusão sem problemas.
O paquímetro mede 41 cm de comprimento, 21 cm de largura e 13,6 cm de altura, foi impresso utilizando um sistema de fusão a quatro lasers e demorou 45 horas a ser impresso. Após a impressão, a peça e a placa de base foram tratadas termicamente a 700°C num recozimento e deixada arrefecer com o forno para eliminar as tensões residuais e garantir a estabilidade dimensional, um processo que demorou 10 horas.
A peça foi então removida através de corte por fio, os suportes foram eliminados e a peça foi rectificada e polida utilizando uma combinação de métodos físicos e químicos para melhorar resistência à fadiga e aumentar a durabilidade a longo prazo durante a utilização posterior do veículo. Por fim, a maquinação da rosca (para ligar os pistões) foi concluída numa fresadora, o que exigiu 11 horas.
Embora a tecnologia de impressão 3D tenha demonstrado fortes vantagens de aplicação durante a sua proliferação, também enfrenta inúmeras limitações e riscos. Só compreendendo claramente, resolvendo ou evitando estas questões é que a impressão 3D pode aproveitar plenamente as suas vantagens e continuar a expandir o seu âmbito e domínios de aplicação.
Atualmente, a maioria das impressoras 3D apresenta os seguintes problemas importantes: Primeiro, o tamanho do equipamento é pequeno, normalmente com dimensões de impressão concentradas em torno de 400mm×400mm×40mm, e poucas ultrapassam 1000mm. Em segundo lugar, a eficiência é relativamente baixa, com tempos de impressão de peças longos e custos elevados. Terceiro, rugosidade da superfície e a precisão dimensional ainda não são ideais.
Por exemplo, a fundição de precisão pode atingir uma rugosidade superficial melhor do que Ra3.2μm, e mesmo abaixo de Ra1.6μm, enquanto o melhor nível para peças de metal impressas a laser 3D é atualmente em torno de Ra6.4μm, geralmente acima de Ra10μm, e para impressão 3D de leito de pó de feixe de elétrons, a rugosidade da superfície é Ra20-30μm.
Em quarto lugar, os materiais são limitados; cada tipo de processo de impressão 3D está restringido a um número ou tipos de materiais muito limitados, incapazes de satisfazer os requisitos de alguns domínios.
A Tabela 1-3 apresenta os principais fabricantes de equipamento SLM e os seus parâmetros, tanto nacionais como internacionais.
Empresa/Escola | Modelos típicos de equipamento | Tipo de laser | Potência/W | Envelope de construção/mm | Diâmetro do feixe/μm |
EOS | M280 | Fibra | 200/400 | 250×250×325 | 100~500 |
Renishaw | AM250 | Fibra | 200/400 | 250×250×300 | 70~200 |
Conceito | M2 cusing | Fibra | 200/400 | 250×250×280 | 50~200 |
Soluções SLM | SLM 500HL | Fibra | 200/500 | 280×280×350 | 70~200 |
Universidade de Tecnologia do Sul da China | Dmetal-240 | Semicondutores | 200 | 240×240×250 | 70~150 |
Universidade de Ciência e Tecnologia de Huazhong | HRPM-1 | YAG | 150 | 250×250×400 | Cerca de 150 |
Os trabalhadores que operam impressoras 3D de metal ou que participam no pós-processamento entram normalmente em contacto com pós metálicos com menos de 100 microns de tamanho. Estas partículas finas podem entrar facilmente nos pulmões ou nas membranas mucosas, causando danos respiratórios ou neurológicos. É essencial usar vestuário de proteção e máscaras de gás para mitigar estes riscos.
Além disso, a impressão 3D de metal requer frequentemente gases inertes, como o árgon ou o nitrogénio, para evitar a oxidação durante o processamento. Se estes gases inertes vazarem, representam um risco grave, pois são indetectáveis pelo corpo humano e podem ser inalados sem o conhecimento da vítima. O ar que respiramos contém 21% de oxigénio; uma queda abaixo de 19,5% devido a uma fuga pode causar privação de oxigénio e danos.
Isto é particularmente provável em espaços fechados, pelo que os utilizadores de impressoras 3D de metal devem estar cientes deste perigo potencial e tomar medidas preventivas.
Nas oficinas de impressão 3D de metal, os pós de metais como o titânio, o alumínio e o magnésio podem concentrar-se e, se encontrarem uma fonte de ignição, podem arder ou mesmo explodir. Quanto mais fino for o pó, mais suscetível é à combustão. Por conseguinte, o armazenamento, o processamento e o pós-processamento de pós metálicos devem evitar fontes de ignição e eletricidade estática.
Além disso, o derrame de pó pode representar riscos ambientais. Em 2014, a Administração de Segurança e Saúde no Trabalho (OSHA) nos Estados Unidos citou um incidente de segurança em que uma instalação de impressão 3D em metal não equipou corretamente o equipamento de combate a incêndios, o que provocou queimaduras num operador. Embora o incêndio tenha resultado do manuseamento incorreto do equipamento, o incidente continua a servir como um importante aviso de segurança.
Embora a tecnologia de impressão 3D impulsione o progresso tecnológico e ofereça comodidade, também introduz riscos em várias aplicações que merecem uma atenção especial.
Por exemplo, as armas de fogo impressas em 3D podem representar riscos para a segurança pessoal e a ordem pública; os medicamentos impressos em 3D podem representar riscos para o controlo da droga e para a saúde; os produtos impressos em 3D podem infringir marcas registadas, direitos de autor e direitos de propriedade intelectual, e mesmo a impressão em 3D pode representar riscos para a segurança da informação pessoal, a segurança da propriedade e as normas éticas.