Atualmente, a tecnologia de impressão 3D é amplamente utilizada na fabricação automotiva, aeroespacial e de defesa, bens de consumo, dispositivos elétricos e eletrônicos, aplicações biomédicas, joias culturais e criativas, engenharia de construção e educação, entre muitos outros campos. De acordo com a autoridade global em pesquisa do setor de impressão 3D, o "Wohlers Report 2020" (que separa as aplicações aeroespaciais e de defesa em seu [...]
Atualmente, a tecnologia de impressão 3D é amplamente utilizada na fabricação automotiva, aeroespacial e de defesa, bens de consumo, dispositivos elétricos e eletrônicos, aplicações biomédicas, joias culturais e criativas, engenharia de construção e educação, entre muitos outros campos.
De acordo com a autoridade global em pesquisa do setor de impressão 3D, o "Wohlers Report 2020" (que separa as aplicações aeroespaciais e de defesa em suas estatísticas), a fabricação automotiva é o maior campo de aplicação da tecnologia de impressão 3D, respondendo por 16,4% do uso. Os setores de eletrônicos de consumo e aeroespacial vêm logo atrás, com 15,4% e 14,7%, respectivamente, conforme mostrado na Figura 1-16.
A pesquisa também indica que, antes de 2020, a impressão 3D era usada principalmente para a fabricação de modelos, representando 24,6% de aplicações, principalmente para validação de projetos e testes funcionais durante vários processos de desenvolvimento de produtos, o que a torna o maior mercado de impressão 3D desde sua criação.
No entanto, a partir de 2020, a fabricação direta de produtos de uso final usando a tecnologia de impressão 3D aumentou para 30,9%, conforme mostrado na Figura 1-17, tornando-se o maior uso da tecnologia de impressão 3D. Isso demonstra uma evolução significativa da impressão 3D, desde a prototipagem rápida até a fabricação direta 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 equipamentos de impressão 3D nos Estados Unidos em 1986, o ano de 2021 marca o início dos últimos 30 anos.
Portanto, espera-se que a aplicação da tecnologia de impressão 3D se acelere, liberando maior valor de aplicação e transformando profundamente os setores relacionados. Esta seção apresentará as aplicações típicas da tecnologia de impressão 3D nos campos da biomedicina, aeroespacial e produção industrial e, em seguida, discutirá as limitações e os riscos das futuras aplicações da impressão 3D.
Com base nos cenários de aplicação, os usos atuais da impressão 3D na biomedicina incluem principalmente modelos de planejamento 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 pesquisa em engenharia biomédica e é a principal direção para o desenvolvimento futuro e a aplicação da impressão 3D na biomedicina.
Os modelos de planejamento pré-operatório envolvem a conversão dos dados de imagens de TC de um paciente em um modelo tridimensional usando a tecnologia de reconstrução e, em seguida, a materialização do modelo com impressão 3D. Esses modelos permitem a visualização tridimensional da patologia, abordando os desafios de compreender e avaliar imagens seccionais bidimensionais.
Eles fornecem aos médicos informações intuitivas e precisas sobre a localização da doença, a estrutura anatômica espacial, a forma e o volume, auxiliando na formulação de planos cirúrgicos complexos, ensaios pré-operatórios e avaliações de resultados pós-operatórios, melhorando significativamente a precisão e a segurança das cirurgias.
As mais recentes tecnologias de impressão 3D agora podem produzir materiais que combinam texturas macias e duras, facilitando as incisões cirúrgicas e aprimorando a experiência tátil dos cirurgiões. Isso também beneficia o treinamento e o aprimoramento das habilidades de jovens profissionais da área médica.
Resumo do histórico do paciente: Paciente do sexo feminino, 40 anos, apresentou dores de cabeça persistentes por mais de dois meses, acompanhadas de deficiência visual. Ao exame, foi detectado um tumor cerebral, cercado por artérias intracranianas, sugerindo cirurgia, embora de alto risco.
O hospital mesclou as imagens de TC e RM do paciente, como mostrado na Figura 1-18, e realizou uma reconstrução tridimensional para restaurar com precisão a situação intracraniana do paciente, incluindo o crânio, as artérias, as veias e o tumor, como mostrado na Figura 1-19. Em seguida, usando a impressora 3D modelo WJP da Zhuhai Cenat New Technologies Co., Ltd., foi produzida uma impressão 3D colorida do modelo craniano reconstruído, conforme mostrado na Figura 1-20.
Com a ajuda desse modelo em 3D, os médicos puderam observar claramente a distribuição dos vasos sanguíneos ao redor do tumor, o que informou suas decisões intraoperatórias. Ao identificar os vasos sanguíneos envolvidos pelo tumor, os cirurgiões puderam extirpar o tumor com precisão e, ao mesmo tempo, proteger as estruturas vasculares críticas.
Após uma cirurgia de 11 horas, o meningioma do paciente na área da sela do cérebro foi removido com sucesso em segmentos, com as artérias cerebrais anteriores bilaterais, artérias médias e artérias carótidas internas circundantes permanecendo intactas. A cirurgia foi um tremendo sucesso.
Resumo do histórico do paciente: Uma paciente de 56 anos foi diagnosticada com tumor maligno no fígado e cirrose. Um fígado humano normal tem cerca de 1.500 cm³, mas o fígado da paciente 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, descobriu-se que seu filho de 21 anos era um doador adequado.
Era crucial extirpar com precisão as porções do fígado do doador e do receptor e anastomosar com precisão os vasos sanguíneos e os dutos biliares, o que exigia grande experiência cirúrgica. O hospital realizou uma reconstrução tridimensional com base nos dados de TC pré-operatória dos fígados da paciente e de seu filho, conforme mostrado nas Figuras 1-21(a) e 1-22(a), respectivamente.
Os fígados reconstruídos foram então impressos em uma escala de 1:1 usando a impressora 3D modelo WJP da Zhuhai Cenat New Technologies Co., Ltd., conforme mostrado nas Figuras 1-21(b) e 1-22(b), permitindo uma avaliação precisa da extensão da lesão e da relação espacial tridimensional com os órgãos e tecidos adjacentes, e para planejar a abordagem cirúrgica e os locais de incisão.
A cirurgia foi muito bem-sucedida, e a vida da mãe foi prolongada graças ao fígado do filho.
As guias cirúrgicas, projetadas digitalmente e fabricadas com impressão 3D, são ferramentas essenciais para transferir planos pré-operatórios para a execução intraoperatória. Elas podem ajudar a evitar traumas em vasos sanguíneos e nervos importantes, reduzir a perda de sangue e aumentar a segurança cirúrgica.
Os materiais comumente usados para imprimir esses produtos incluem náilon de alto polímero e resinas resilientes de alta resistência (por exemplo, guias de osteotomia que precisam resistir ao corte 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 exigem 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. Esses implantes podem ser fabricados com tamanhos controláveis de microporos, o que pode reduzir o módulo de Young do implante. material metálicoA tecnologia de implantes de alta resistência, diminui o estresse e promove a integração óssea, oferecendo vantagens inigualáveis aos implantes tradicionais.
O material comum para esses implantes impressos em 3D é titânio pó de liga metálica, conforme mostrado nas Figuras 1-23 e 1-24. Para implantes que não exigem carga e atrito excessivos, como dispositivos de fusão intervertebral, ossos cranianos e pequenas articulações, como a articulação mandibular, os pesquisadores estão explorando o uso de novos materiais como PEEK (Figura 1-25) e ligas de magnésio.
Resumo do histórico do paciente: Em 2014, um homem de 12 anos foi diagnosticado com sarcoma de Ewing, com a lesão cancerosa localizada na vértebra atlas, conforme mostrado na Figura 1-26. O tratamento padrão internacional é apoiar o vazio deixado pelo atlas canceroso excisado com uma gaiola de malha de titânio, fixada no lugar usando orifícios na malha combinados com uma placa de titânio e parafusos na frente, para obter a fusão espinhal e reconstruir a estabilidade cervical.
No entanto, a força de suporte e a área de contato da malha de titânio são limitadas, e sua resistência à rotação e a várias forças de flexão é fraca. A presença de "proteção contra estresse" geralmente faz com que as vértebras adjacentes à gaiola de malha entrem em colapso após a cirurgia, dificultando a manutenção da altura intervertebral. Além disso, a espessura da placa de titânio pode causar dificuldades de deglutição no paciente.
No pós-operatório, o paciente precisaria ter pinos inseridos na cabeça e na escápula, com uma cinta instalada acima e abaixo para imobilizar a cabeça. Durante o repouso, a cabeça não pode tocar a cama, uma condição que deve ser mantida por 3 a 4 meses e, às vezes, até seis meses, causando muita dor ao paciente.
O paciente foi tratado pelo Professor Liu Zhongjun do Departamento de Ortopedia do Terceiro Hospital da Universidade de Pequim (PUTH) e, após duas cirurgias por meio de abordagens cervicais posteriores e anteriores, recebeu a primeira vértebra atlas personalizada impressa em 3D do mundo, conforme mostrado na Figura 1-27. Essa operação bem-sucedida superou as desvantagens dos métodos tradicionais de tratamento e salvou a vida do paciente.
As ferramentas médicas auxiliares tradicionais geralmente são obtidas por meio de fundição de gesso e moldagem termoplástica de baixa temperatura. No entanto, devido às características de absorção de água e encolhimento do gesso, pode ocorrer a deformação do modelo, afetando a precisão da ferramenta, e o processo de produção depende muito da experiência pessoal do técnico.
Auxiliares de reabilitação leves e personalizados, fabricados usando a tecnologia de impressão 3D com base em informações da superfície corporal obtidas por meio de digitalização óptica 3D e combinadas com dados de TC e RM do paciente e design preciso auxiliado por computador, são mais adequados à ergonomia. Eles podem atender às necessidades individuais dos pacientes e i
Melhorar a recuperação pós-operatória ou os efeitos ortopédicos da reabilitação não cirúrgica, conforme mostrado na Figura 1-28, que exibe 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, aparelhos de compensação de funções auditivas e de fala e novos sistemas de suporte à vida de pessoas com deficiência, como robôs exoesqueletos.
Os materiais comumente usados para imprimir esses produtos incluem materiais de náilon de alto polímero (como várias órteses com excelente resistência e resiliência), materiais de TPU (como vários tipos de compensadores biomecânicos para os pés) e PLA ou materiais de resina de alta resistência (como alguns suportes de fixação de reabilitação que não exigem força excessiva).
Resumo do histórico do paciente: Em 2018, uma paciente do sexo feminino de 14 anos de idade foi diagnosticada com escoliose espinhal, com um ângulo de Cobb de 13° mostrado na radiografia da coluna vertebral de corpo inteiro, e ela não recebeu tratamento adequado. Um acompanhamento em janeiro de 2020 mostrou um aumento no ângulo de Cobb para 27°. A paciente procurou tratamento no 3D Printing Center do Shanghai Ninth People's Hospital, afiliado à Shanghai Jiao Tong University School of Medicine.
Ela foi equipada com uma órtese para escoliose impressa em 3D e, seis meses depois, a coluna vertebral da paciente foi completamente corrigida. A progressão da escoliose da coluna vertebral da paciente é mostrada na Figura 1-29.
O Centro de Impressão 3D, com base na condição específica do paciente, capturou os dados tridimensionais da superfície do corpo do paciente usando um scanner corporal 3D (Figura 1-30) e os combinou com os dados de raios X para o projeto auxiliado por computador, criando um modelo de órtese para escoliose totalmente personalizado. Esse modelo foi posteriormente materializado em uma órtese para escoliose por meio de impressão 3D, conforme mostrado na Figura 1-31.
A órtese para escoliose, devido ao seu design totalmente personalizado e à estrutura oca, era respirável e leve, tornando-a confortável para o paciente usar por mais de 20 horas por dia.
Internacionalmente, a pesquisa e a exploração da tecnologia de fabricação de impressão 3D de baixo custo, ciclo curto e alto desempenho para componentes metálicos complexos, grandes e difíceis de usinar no setor aeroespacial têm sido contínuas. Empresas como a Boeing, Lockheed Martin, Northrop Grumman e instituições como o Los Alamos National Laboratory, nos Estados Unidos, investiram mais de duas décadas em P&D contínuo.
Na China, as equipes lideradas pelo acadêmico Wang Huaming, da Beihang University, e pelo professor Huang Weidong, da Northwestern Polytechnical University, também realizaram décadas de P&D contínuo, obtendo resultados de pesquisa inovadores.
Por exemplo, a equipe do Acadêmico Wang foi a primeira no mundo a desenvolver tecnologias-chave no processo de formação de laser, equipamentos e aplicação de grandes componentes de suporte de carga de liga de titânio para aeronaves, abordando o problema de formação de "componentes grandes" e produzindo os maiores e mais complexos componentes integrais de suporte de carga principal de liga de titânio nos equipamentos de aeronaves da China, com propriedades mecânicas abrangentes que atingem ou excedem as de peças forjadas.
A tecnologia de impressão 3D, como uma nova técnica de fabricação, tem vantagens distintas no campo aeroespacial com benefícios de serviço evidentes, refletidos principalmente nos seguintes aspectos:
Para equipamentos de armas aeroespaciais, a redução de peso é um eterno tema de pesquisa, pois não apenas aumenta a agilidade do equipamento de voo durante o voo, mas também aumenta a capacidade de carga útil, economiza combustível e reduz os custos de voo.
A busca por leveza e confiabilidade extremas em equipamentos aeroespaciais e militares torna a fabricação de grandes estruturas integrais complexas e componentes estruturais complexos de precisão particularmente difícil, tornando-se um dos gargalos no desenvolvimento de equipamentos aeroespaciais e militares avançados.
Por exemplo, novas aeronaves, espaçonaves e motores usam cada vez mais componentes estruturais integrais, o que leva a um aumento contínuo no tamanho e na complexidade dos componentes individuais. Além disso, há um aumento significativo no uso de materiais de liga, como ligas de titânio, ligas de alta temperatura e aços de resistência ultra-alta, que são muito difíceis de processar usando o trabalho a quente tradicional e a usinagem mecânica.
A aplicação da tecnologia 3D pode otimizar estruturas complexas de componentes, permitindo um design leve e, ao mesmo tempo, garantindo o desempenho, o que permite a redução do peso. A otimização das estruturas das peças também pode levar à distribuição mais racional do estresse, reduzindo o risco de rachaduras por fadiga e, assim, aumentando a vida útil.
Ao mesmo tempo, é possível controlar a temperatura por meio de estruturas de canais de fluxo interno razoavelmente complexas, alcançando a combinação ideal de design estrutural e uso de material.
No campo da fabricação aeroespacial, muitos componentes produzidos por meio de métodos tradicionais de fabricação têm baixas taxas de utilização de material, geralmente não ultrapassando 10% e, às vezes, apenas 2% a 5%. O desperdício significativo de materiais significa que os processos de usinagem mecânica são complexos e os ciclos de produção são longos.
No caso de peças difíceis de usinar, o ciclo de usinagem pode ser muito maior, estendendo significativamente o ciclo de fabricação e, portanto, aumentando os custos de fabricação. A tecnologia de impressão 3D de metal, como uma técnica de forma quase líquida, tem alta utilização de material e os custos de fabricação não são afetados pela complexidade interna das peças.
Tomando como exemplo a fabricação do rotor com lâminas integrais de liga de titânio para o ventilador de elevação da aeronave JSF, a fabricação "subtrativa" tradicional começaria com uma peça bruta forjada de 1500 kg e, após a fresagem tradicional, a peça final pesaria 100 kg, resultando em uma taxa de utilização de material de apenas 6,67%, com um ciclo de fabricação muito longo, conforme mostrado na Figura 1-32. No entanto, se a tecnologia de impressão 3D for usada, será possível obter uma economia de material de até 80%.
Uma das vantagens mais notáveis da tecnologia de impressão 3D é que ela pode fabricar diretamente peças físicas a partir dos modelos 3D projetados pela equipe de P&D sem a necessidade de usinagem ou moldes, reduzindo significativamente o processo de fabricação de componentes estruturais de alto desempenho e tamanho grande.
Por exemplo, na fabricação da estrutura do para-brisa principal da aeronave de grande porte C919 da China, conforme mostrado na Figura 1-33, a equipe do professor Wang Huaming da Universidade de Beihang usou a tecnologia de processo de impressão 3D de metal desenvolvida de forma independente. Desde o recebimento dos dados do modelo 3D da peça até a entrega da peça acabada para instalação, foram necessários apenas 40 dias e o custo foi de 1,2 milhão de yuans.
Por outro lado, encomendar a peça no exterior levaria pelo menos dois anos e o custo do molde seria de 13 milhões de yuans. Da mesma forma, para a longarina central da asa do C919, que tem mais de 3 metros de comprimento, conforme mostrado na Figura 1-34, os métodos tradicionais de fabricação exigiriam uma prensa de supertonelagem para forjar, o que consome muito tempo, exige muita mão de obra e desperdiça matéria-prima.
Além disso, na época, não havia nenhum equipamento na China capaz de produzir componentes estruturais tão grandes. Se a peça fosse encomendada no exterior, o período entre o pedido e a instalação levaria mais de dois anos, prejudicando seriamente o progresso de P&D da aeronave e afetando a taxa de produção doméstica da aeronave de grande porte.
A equipe do professor Huang Weidong, da Northwestern Polytechnical University, usou equipamentos e tecnologia de impressão 3D de metal desenvolvidos de forma independente para fabricar a peça em cerca de um mês. Depois de passar nos testes de desempenho da COMAC, ela foi aplicada com sucesso no primeiro protótipo da aeronave de grande porte C919 da China.
Nas décadas de 1980 e 1990, usando métodos de fabricação tradicionais, levaria pelo menos de 10 a 20 anos para desenvolver uma nova geração de caças, como o caça J-10, que levou quase 10 anos para ser desenvolvido. Com a aplicação da tecnologia de impressão 3D, a China lançou 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.
Sem dúvida, a tecnologia de impressão 3D está criando uma "velocidade chinesa" no desenvolvimento da Força Aérea.
O reparo e a manutenção de componentes danificados em equipamentos aeroespaciais sempre foram um problema significativo. O uso da tecnologia de impressão 3D LENS (Laser Engineered Net Shaping) para reparo de peças introduz um novo método de manutenção para equipamentos aeroespaciais. Por exemplo, no caso de lâminas de turbina integradas de alto desempenho, se uma lâmina for danificada, todo o rotor da turbina poderá ser sucateado, com uma perda econômica direta de milhões.
Atualmente, com base na característica de impressão camada por camada do LENS, a lâmina danificada pode ser considerada um substrato especial. Ao realizar a revestimento a laser Na área danificada localmente, a peça pode ser restaurada à sua aparência original, atendendo ou até mesmo excedendo os requisitos de desempenho do material original.
Além disso, devido à capacidade de controle do processo de impressão 3D, os impactos negativos do reparo são muito limitados. Para as forças de defesa, isso significa que soluções eficazes podem ser fornecidas no local sem a necessidade de um depósito de peças sobressalentes, melhorando significativamente a eficiência do reparo de peças e reduzindo os custos de manutenção.
No futuro, a tecnologia de impressão 3D poderá ser implantada na linha de frente do campo de batalha, realizando a impressão direta de peças no campo de batalha e eliminando as etapas intermediárias de fabricação, distribuição e armazenamento.
Atualmente, a Marinha dos EUA iniciou o projeto "Print the Fleet", desenvolvendo uma série de procedimentos para impressão, qualificação e entrega de peças e avaliando várias tecnologias e materiais de impressão 3D para uso militar, a fim de atingir o objetivo de fabricar peças de aeronaves em embarcações navais no mar.
No futuro, a tecnologia de impressão 3D também poderá ser implantada 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 operar em um ambiente de vácuo para a Estação Espacial Internacional, onde os astronautas não apenas imprimiram peças de teste, mas também componentes estruturais funcionais.
A China também realizou seu primeiro experimento de impressão 3D em órbita em maio de 2020 e foi a primeira no mundo a realizar a impressão 3D espacial de materiais compostos contínuos reforçados com fibra de carbono, conforme mostrado na Figura 1-35.
Abaixo estão três casos de aplicações de impressão 3D no campo aeroespacial na China.
Em 15 de maio de 2021, às 07:18, o módulo de aterrissagem e o orbitador "Tianwen-1" se separaram, fazendo um pouso suave bem-sucedido na superfície de Marte, conforme mostrado na Figura 1-36. Posteriormente, o Mars rover "Zhurong" enviou sinais de telemetria com sucesso. O motor de empuxo variável de 7500N usado para a aterrissagem em Marte era a versão 2.0 do motor usado para aterrissagens lunares.
O motor de empuxo variável 7500N versão 2.0 "Tianwen-1" aprimorado tinha o mesmo desempenho e empuxo que o motor 7500N do projeto lunar Chang'e anterior, mas tinha apenas um terço do peso e do volume, com uma estrutura mais otimizada e compacta, conforme mostrado na Figura 1-37.
Para isso, a estrutura do flange de acoplamento do motor foi impressa em 3D em uma única peça pela primeira vez, evitando a deformação causada pela remoção do grande excesso de material de barras sólidas ou forjadas e também reduzindo o peso de forma eficaz.
Em 8 de maio de 2020, às 13h49, a cápsula de retorno do veículo de teste da espaçonave tripulada de nova geração da China, desenvolvida pelo Instituto de Pesquisa de Tecnologia Espacial da Corporação de Ciência e Tecnologia Aeroespacial da China, pousou com sucesso na área designada no local de pouso de Dongfeng.
A conclusão bem-sucedida da missão de voo do veículo de teste marcou um protótipo para a nova geração de espaçonaves tripuladas da China e avanços significativos em um lote de novas tecnologias em áreas como estrutura da cabine, materiais e sistemas de controle.
Um dos avanços tecnológicos importantes foi o projeto e a conformação em 3D de uma estrutura integrada de liga de titânio com um diâmetro de 4 m, atingindo metas como redução de peso, diminuição do ciclo e redução de custos. O retorno bem-sucedido do veículo de teste da nova geração de espaçonaves tripuladas também marcou o teste bem-sucedido da tecnologia de impressão 3D integral para componentes estruturais importantes superdimensionados.
A Figura 1-38 mostra a situação de pouso da cápsula de retorno do veículo de teste da espaçonave tripulada de nova geração e sua estrutura de liga de titânio integrada de grandes dimensões obtida por meio 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. Sua órbita de trabalho no espaço profundo ajudará a humanidade a desvendar ainda mais os mistérios do lado mais distante da lua. Com recursos de lançamento limitados, o índice de peso do "Queqiao" era extremamente rigoroso. O suporte da roda de reação de inclinação, um dos componentes mais pesados do satélite, foi projetado para reduzir o peso.
A otimização da topologia foi realizada usando o software Inspire da Altair, mudando a filosofia do projeto de "projetar o estrutura do produto primeiro e depois verificar o desempenho do produto" para "determinar o desempenho do produto primeiro e depois obter a estrutura final do produto por meio da otimização da topologia", obtendo um design leve.
Além disso, usando a impressão 3D de liga de alumínio, a fabricação integral foi realizada, alcançando uma fabricação leve. A Figura 1-39 mostra o produto impresso do suporte da roda de reação de inclinação para o satélite de retransmissão "Queqiao" e 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 design.
Ela pode simular as condições reais de operação do produto para montagem, verificações de interferência, testes funcionais e inspeções de fabricação e montagem. Além disso, pode ser usada para a fabricação de moldes, em que a tecnologia de impressão 3D cria moldes mestres para fundição a vácuo e peças de fundição de investimento, moldes de injeção etc.
Em seguida, eles são combinados com processos de fabricação tradicionais para produzir moldes para produção em massa. Após mais de 30 anos de desenvolvimento, a tecnologia de impressão 3D agora é amplamente usada no campo industrial para a fabricação direta de peças finais, incluindo a impressão direta de alguns moldes. Ela também pode imprimir moldes de injeção com resfriamento conformal, que têm vantagens significativas em relação aos moldes de injeção tradicionais.
O desenvolvimento e a validação tradicionais de produtos geralmente envolvem a usinagem 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 dessas estruturas, o custo é muito alto, o que o torna mais adequado para peças estruturalmente simples, grossas e pesadas.
A impressão 3D oferece vantagens como velocidade de processamento rápida, moldagem única e custo que não é afetado pela complexidade do produto. Atualmente, ela é amplamente usada em vários setores para validação de projeto, verificação de montagem e teste de pequenos lotes durante o desenvolvimento de produtos. Os materiais comuns de impressão 3D usados para desenvolvimento e validação de produtos incluem resinas de fotopolímero e materiais de náilon de alto polímero.
Os materiais de resina de fotopolímero produzem peças com superfícies lisas, mas com menor resistência, enquanto os materiais de náilon com alto teor de polímero são adequados para produtos que exigem 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 tradicionais de usinagem, os moldes de plástico geralmente usam canais de resfriamento retos, que são ineficazes para resfriar peças de paredes finas ou de cavidades profundas, conforme mostrado na Figura 1-41(a). Com a tecnologia de impressão 3D de metal, os moldes com canais de resfriamento conformados podem ser impressos diretamente, conforme mostrado na Figura 1-41(b), garantindo que não haja pontos cegos no resfriamento do molde.
Os moldes de injeção com resfriamento conformal 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 Eles melhoram a uniformidade do resfriamento, reduzindo o empenamento e a deformação do produto e estabilizando as dimensões, melhorando assim a qualidade do produto.
A peça plástica do painel genérico de um cliente foi fabricada usando um núcleo de resfriamento conformal impresso em 3D de metal. O tempo de ciclo do molde foi reduzido de 55 segundos para 43 segundos, e a produção aumentou de 1.300 peças por dia para 1.670 peças por dia, melhorando a eficiência da produção em 28%. A receita diária da peça era originalmente de 39.000 yuans, que aumentou para 50.100 yuans após o uso da impressão 3D.
Após a dedução dos custos de materiais de injeção, depreciação e energia, o lucro diário aumentou em 2.100 yuans. Um conjunto desses moldes (operando 180 dias por ano) pode gerar um lucro adicional de 2.100 x 180 = 378.000 yuans. Com dez conjuntos, o lucro pode aumentar em 3,78 milhões de yuans, mostrando retornos muito bons, conforme mostrado na Tabela 1-1.
Tabela 1-1: Comparação da produção antes e depois de usar a impressão 3D de metal para fabricar núcleos de resfriamento conformal
Item de comparação | Tradicional | Impressão 3D | Observação |
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 | |
Receita (yuan/dia) | 39,000 | 50,100 | Aumento do lucro de 2.100 yuans/dia |
A lâmina do ventilador do ar-condicionado split de um cliente, conforme mostrado na Figura 1-42(a), tinha originalmente um núcleo de cobre-berílio na parte central do molde, conforme mostrado na Figura 1-42(b). O material de cobre-berílio tem rápida condução de calor e bons efeitos de resfriamento, mas não é resistente ao desgaste e tem uma vida útil que é um quarto da vida útil das peças de aço, exigindo a substituição após aproximadamente 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, conforme mostrado na Figura 1-42(c), o qual, devido ao projeto de uma passagem de água de resfriamento 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; após um ano, todos foram substituídos por núcleos de aço de molde impressos em 3D, resultando em uma economia de custo total de mais de 300.000 yuans, conforme mostrado na Tabela 1-2.
Tabela 1-2: Tabela de comparação de custos de uso 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 ajuste (yuan) | Custo acumulado (yuan) |
Peças de 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, geralmente usa material de cera para criar os padrões descartáveis, por isso é comumente conhecida como "fundição por cera perdida". Os padrões de cera para fundição de investimento são frequentemente fabricados usando a impressão 3D.
O investimento produção de fundição O processo de cera para uma peça de joalheria 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 em um 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 em altas temperaturas para queimar a cera, obtendo-se um molde negativo de gesso; (i) o metal é derretido; (j) o metal é fundido no molde de gesso e o gesso é dissolvido em água; (k) o produto semiacabado é lavado em ácido clorídrico e seco; (l) a árvore de joias de metal é desmembrada; (m) são realizados o esmerilhamento e o polimento; (n) é obtido o produto final da joia.
(a) Modelo de design 3D do produto
(b) Padrão de cera impresso pela impressora de cera 3D (a parte branca é o material de suporte)
(c) Dissolução de suportes de cera
(d) Obtenção do padrão de cera acabado
(e) Criação da árvore de cera
(f) Colocação da árvore de cera no molde de metal
(g) Derramamento de gesso para formar um molde de gesso e aplicação de vácuo
(h) Cozimento em forno de alta temperatura para queimar a cera e obter molde negativo de gesso
(i) Fusão de metais
(j) Fundição de metal em molde de gesso e dissolução de gesso com água
(k) Lavagem do produto semiacabado com ácido clorídrico e secagem
(l) Desmontagem de árvore de joias de metal
(m) Esmerilhamento e polimento
(n) Obtenção do produto final de joalheria
A fundição em areia envolve a criação de moldes e núcleos a partir de areia de fundição (geralmente areia de sílica) e um aglutinante para produzir peças fundidas de metal. Esse processo tradicional normalmente requer a criação manual ou semimanual 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 projeto, melhorando significativamente a eficiência da criação de moldes, encurtando os ciclos de produção, reduzindo os custos de fabricação e oferecendo maior precisão em comparação com a fundição em areia tradicional. Isso também permite a fundição de peças com paredes finas e estruturas internas complexas.
Uma carcaça de embreagem de paredes finas foi produzida por meio de fundição em areia, com dimensões de 465 mm × 390 mm × 175 mm e peso de 7,6 kg, dividida em partes superior e inferior. A empresa alemã Voxeljet usou areia GS09 de alta qualidade para imprimir em 3D o molde de areia com paredes extremamente finas, conforme mostrado na Figura 1-44(a). A peça foi então fundida usando a liga G-AlSi8Cu3, conforme mostrado nas Figuras 1-44(b) e (c).
Todo o processo de fabricação levou menos de 5 dias, e a carcaça da embreagem produzida teve o mesmo desempenho que as peças produzidas em massa posteriormente, depois de passar por testes, proporcionando assim uma vantagem significativa de tempo e custo para o cliente.
O coletor de admissão, localizado entre o corpo do acelerador e as válvulas de admissão do motor, é chamado de coletor porque o ar se divide após entrar pelo acelerador. O coletor deve distribuir a mistura ar-combustível ou o ar limpo da forma mais homogênea possível para cada cilindro, o que significa que os comprimentos das passagens de gás dentro do coletor devem ser os mais iguais possíveis.
Para reduzir a resistência ao fluxo de gás e aumentar a admissão, as paredes internas do coletor de admissão devem ser lisas. Os coletores de admissão de carros de corrida têm muitas áreas de interferência, o que representa um desafio para a fundição em areia e a usinagem subsequente. Para atender aos requisitos precisos de complexidade, a Voxeljet dividiu o modelo do coletor de admissão em quatro partes para a impressão 3D dos moldes de 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, conforme mostrado na 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, conforme mostrado na Figura 1-45(b).
A moldagem de silicone é um processo que usa um protótipo de peça para criar um molde de silicone sob vácuo, no qual a resina líquida é despejada para replicar a peça original. Essas réplicas têm desempenho próximo ao de produtos moldados por injeção e podem ser personalizadas em termos de cores para atender às necessidades do cliente.
Os materiais são vazados usando métodos de vazamento a vácuo ou de baixa pressão, sendo que o vazamento a vácuo é usado principalmente para a produção de peças pequenas e médias, como carcaças de eletrônicos de consumo, enquanto o vazamento de baixa pressão é usado principalmente para peças grandes, como para-choques de automóveis.
Tradicionalmente, os protótipos de peças para moldes de silicone eram criados por meio de usinagem CNC, enquanto os protótipos impressos em 3D para moldes de silicone são normalmente feitos rapidamente usando materiais de resina de fotopolímero por meio do processo de SLA. Cada molde de silicone pode produzir cerca de 10 a 20 peças, com uma precisão de ±0,2mm/100mm, uma espessura mínima de fundição de 0,5mm, ideal de 1,5 a 5mm e um tamanho máximo de fundição de cerca de 2 metros.
O fluxo do processo é o seguinte:
① Criação do protótipo: Um protótipo é produzido com base nos dados 3D do produto usando a impressão 3D.
② Criação do molde de silicone: Depois que o protótipo é feito, uma estrutura de molde é construída, o protótipo é fixado no lugar 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 canal de entrada devem ser projetados com base nas propriedades de fluxo do material e no tamanho da peça.
O silicone líquido, desgaseificado a vácuo, é despejado 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 aberto para criar duas metades, o protótipo é removido e a criação do molde de silicone é concluída.
③ Fundição a vácuo: Depois de fechar o molde de silicone, ele é colocado em uma máquina de fundição a vácuo, onde o ar é evacuado ou é criado um ambiente de baixa pressão e, em seguida, o material é injetado.
Após o preenchimento, o material é curado por 30 a 60 minutos a uma temperatura constante de 60 a 70 °C e, em seguida, desmoldado. Se necessário, uma cura secundária é realizada por 2 a 3 horas a 70-80°C. Após a cura do material, o molde é removido, aberto e o produto replicado é obtido. Esse 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 cronogramas de P&D.
É comumente usado no desenvolvimento e no projeto de peças automotivas, produzindo pequenos lotes de peças plásticas para testes de desempenho e testes de estrada, como carcaças de ar-condicionado, para-choques, dutos de ar, aberturas encapsuladas, coletores de admissão, consoles 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 usada para a fabricação direta de peças ou produtos de uso final em vários campos, como aeroespacial, militar, médico, automotivo, eletrodomésticos e eletrônicos de consumo. No setor de fabricação automotiva, pesquisadores e empresas experimentam continuamente a fabricação direta de peças e até mesmo de veículos inteiros usando a impressão 3D.
Por exemplo, a Ford Motor Company opera quase 100 impressoras 3D em mais de 30 fábricas em todo o mundo e vem investindo nessa tecnologia há décadas. A Ford usa a impressão 3D não apenas para desenvolvimento e verificação, mas também para a produção de peças e ferramentas finais.
Outros gigantes do setor automotivo, como Mercedes, BMW, Audi, Volkswagen, Toyota, Cadillac, Tesla, Ferrari, Lamborghini e Porsche, também aplicam amplamente a impressão 3D no desenvolvimento e na fabricação de seus veículos.
A redução de peso é uma tendência global do setor automotivo, e a busca por veículos mais leves se tornará mais extrema no futuro. A redução do peso automotivo tem como objetivo reduzir significativamente o peso do veículo e, ao mesmo tempo, garantir resistência e segurança, melhorar a potência e a autonomia, reduzir o consumo de combustível, diminuir a poluição do escapamento e até mesmo melhorar o manuseio e a segurança do veículo.
As peças automotivas metálicas impressas em 3D 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 de treliça internas complexas que reduzem o peso e melhoram o desempenho.
A redução de peso abrange aspectos de material, projeto e processo, como o uso de aço de alta resistência, ligas de titânio e ligas de alumíniootimizando a estrutura, os projetos integrados e de topologia; e empregando processos de fabricação avançados para melhorar o desempenho das peças e obter maior redução de peso.
À medida que a tecnologia de impressão 3D evolui, um número cada vez maior de peças automotivas pode ser fabricado e usado diretamente, e a impressão 3D está pronta para desencadear uma nova onda de atualizações no setor de fabricação automotiva.
O BMW Group tem sido consistentemente um pioneiro na adoção da tecnologia de impressão 3D pelo setor automotivo. O BMW i8 Roadster utiliza a tecnologia de impressão 3D para produzir um suporte de metal para a capota conversível, que é usado diretamente na produção em massa, conforme mostrado na Figura 1-47(a).
Esse suporte de metal impresso em 3D conecta a tampa da capota conversível à dobradiça da mola, facilitando o dobramento e o desdobramento do teto 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 teto e precisa de uma geometria complexa que é impossível de ser obtida por meio de fundição.
O projeto final produziu uma estrutura de treliça leve usando a tecnologia de impressão 3D de metal, otimizando o suporte para o telhado e minimizando o deslocamento para evitar que a cobertura desmorone durante a abertura, conforme mostrado na Figura 1-47(b). Esse suporte impresso em 3D ganhou o Altair Enlighten Award de 2018, reconhecendo avanços significativos em tecnologia leve, e atraiu considerável atenção por seu design inovador na cerimônia de premiação.
Outra peça impressa em 3D de uso final usada diretamente no BMW i8 Roadster é o trilho guia da janela, conforme mostrado na Figura 1-48. Graças à impressão 3D em náilon, o trilho-guia foi desenvolvido e colocado em produção em massa em apenas cinco dias, com capacidade para produzir mais de 100 trilhos-guia de janela em 24 horas. A peça é instalada dentro 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 usando impressão 3D até o momento. Somente em 2018, a produção do centro de produção de impressão 3D do BMW Group ultrapassou 200.000 peças, um aumento de 42% em comparação com o ano anterior.
O Bugatti Chiron é capaz de acelerar de 0 a 400 km/h em apenas 42 segundos, ultrapassando os limites da física, e o sucesso da Bugatti se deve à otimização contínua de seus sistemas e à aplicação bem-sucedida de novos materiais e processos. Entre eles, os freios do novo Chiron são os mais potentes do mundo, com oito e seis pistões nas pinças dianteira e traseira, respectivamente.
Anteriormente, as pinças de freio do Bugatti Chiron eram feitas de liga de alumínio de alta resistência, pesando 4,9 kg. As novas pinças foram otimizadas estruturalmente com base nos princípios da biomimética e são impressas em 3D a partir de liga de titânio de grau aeroespacial, pesando apenas 2,9 kg, uma redução de 40% no peso, conforme mostrado na Figura 1-49.
O desenvolvimento dos novos calibradores foi incrivelmente rápido, levando apenas três meses desde o conceito inicial até o primeiro componente impresso. A parte mais demorada foi a simulação e a otimização do resistência e rigidez do novo design, seguido da simulação do processo de impressão para garantir uma conclusão tranquila.
O paquímetro mede 41 cm de comprimento, 21 cm de largura e 13,6 cm de altura, foi impresso usando um sistema de fusão a quatro lasers e levou 45 horas para ser impresso. Após a impressão, a peça e a placa de base foram tratadas termicamente a 700°C em um forno de recozimento e deixados esfriar com o forno para eliminar as tensões residuais e garantir a estabilidade dimensional, um processo que levou 10 horas.
Em seguida, a peça foi removida por meio de corte a fio, os suportes foram eliminados e a peça foi retificada e polida usando uma combinação de métodos físicos e químicos para melhorar resistência à fadiga e aumentar a durabilidade a longo prazo durante o uso posterior do veículo. Por fim, a usinagem da rosca (para conectar os pistões) foi concluída em uma fresadora, exigindo 11 horas.
Embora a tecnologia de impressão 3D tenha demonstrado grandes vantagens de aplicação durante sua proliferação, ela também enfrenta inúmeras limitações e riscos. Somente compreendendo claramente, resolvendo ou evitando esses problemas é que a impressão 3D poderá aproveitar plenamente suas vantagens e continuar a expandir seu escopo e domínios de aplicação.
Atualmente, a maioria das impressoras 3D apresenta os seguintes problemas importantes: Primeiro, o tamanho do equipamento é pequeno, geralmente com dimensões de impressão concentradas em torno de 400 mm × 400 mm × 40 mm, e poucas ultrapassam 1.000 mm. Segundo, a eficiência é relativamente baixa, com longos tempos de impressão de peças e altos custos. Terceiro, rugosidade da superfície e a precisão dimensional ainda não são ideais.
Por exemplo, a fundição de precisão pode alcançar uma rugosidade de superfície melhor do que Ra3,2μm e até mesmo abaixo de Ra1,6μm, enquanto o melhor nível para peças metálicas impressas em 3D a laser está atualmente em torno de Ra6,4μm, geralmente acima de Ra10μm, e para a impressão 3D em leito de pó com feixe de elétrons, a rugosidade da superfície é de Ra20-30μm.
Em quarto lugar, os materiais são limitados; cada tipo de processo de impressão 3D é restrito a um número ou tipos de materiais muito limitados, incapazes de atender aos requisitos de alguns campos.
A Tabela 1-3 apresenta os principais fabricantes de equipamentos SLM e seus parâmetros, tanto nacionais quanto internacionais.
Empresa/Escola | Modelos típicos de equipamentos | Tipo de laser | Energia/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 | Causas M2 | 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 | Aproximadamente 150 |
Os trabalhadores que operam impressoras 3D de metal ou se envolvem no pós-processamento geralmente entram em contato com pós metálicos com menos de 100 mícrons de tamanho. Essas partículas finas podem entrar facilmente nos pulmões ou nas membranas mucosas, causando danos respiratórios ou neurológicos. É essencial usar roupas de proteção e máscaras de gás para reduzir esses riscos.
Além disso, a impressão 3D de metal geralmente requer gases inertes, como argônio ou nitrogênio, para evitar a oxidação durante o processamento. Se esses gases inertes vazarem, eles representam um risco grave, pois não são detectáveis pelo corpo humano e podem ser inalados sem que a vítima saiba. O ar que respiramos contém 21% de oxigênio; uma queda abaixo de 19,5% devido a um vazamento pode causar privação de oxigênio e danos.
Isso é particularmente provável em espaços fechados, portanto, os usuários de impressoras 3D de metal devem estar cientes desse perigo potencial e tomar medidas preventivas.
Nas oficinas de impressão 3D de metal, os pós de metais como titânio, alumínio e magnésio suspensos no ar podem se concentrar e, se encontrarem uma fonte de ignição, podem queimar ou até explodir. Quanto mais fino o pó, mais suscetível ele é à combustão. Portanto, o armazenamento, o processamento e o pós-processamento de pós metálicos devem evitar fontes de ignição e eletricidade estática.
Além disso, o derramamento de pó pode representar riscos ambientais. Em 2014, a Administração de Segurança e Saúde Ocupacional (OSHA) nos Estados Unidos citou um incidente de segurança em que uma instalação de impressão 3D de metal não conseguiu equipar o equipamento adequado de combate a incêndios, o que levou um operador a se queimar. Embora o incêndio tenha sido resultado do manuseio inadequado do equipamento, o incidente ainda serve como um importante lembrete de segurança.
Embora a tecnologia de impressão 3D impulsione o progresso tecnológico e ofereça conveniência, ela também introduz riscos em várias aplicações que merecem muita atenção.
Por exemplo, armas de fogo impressas em 3D podem representar riscos à segurança pessoal e à ordem pública; medicamentos impressos em 3D podem representar riscos ao controle de drogas e à saúde; produtos impressos em 3D podem infringir marcas registradas, direitos autorais e direitos de propriedade intelectual, e até mesmo a impressão em 3D pode representar riscos à segurança das informações pessoais, à segurança da propriedade e às normas éticas.