Fabricação aditiva (impressão 3D): Passado, presente e futuro

Fabricação aditiva (impressão 3D): Passado, presente e futuro

Alguns diriam que a impressão 3D é o estado da arte nos processos de fabricação. Talvez esta seja mais uma continuação da história. Mas, afinal, o que é tudo isso? Por que ela é importante para a indústria de processamento térmico a alta temperatura? Nós revisamos o passado, o presente e o futuro desta tecnologia quente

Seria a fabricação aditiva (FA) uma invenção do século 21? De modo algum. O processo de “impressão” de objetos sólidos por meio de camadas progressivas foi chamado pela primeira vez de estereolitografia (SLA) e foi inventado e patenteado por Charles W. Hull, em 1983. A comercialização do processo deu à luz a 3D Systems, a qual ainda opera na sua sede na Carolina do Sul, EUA. Em Novembro de 2013, a 3D Systems anunciou um investimento de US$ 10 milhões para expandir suas operações de fabricação, gerando 145 novos empregos.

O que é a FA?

Há, na verdade, vários tipos de tecnologias de impressão 3D. A primeira é a SLA, mencionada anteriormente. Para este processo um laser é utilizado para curar uma resina e construir um protótipo com uma camada de cada vez. A prototipagem rápida é semelhante, mas (ao contrário da SLA) não são utilizados suportes para segurar a peça (Fig. 1).

A modelagem por deposição de material fundido (FDM – Fused-Deposition Modeling) é uma variação na qual as impressoras fundem um filamento plástico – ABS ou PLA – e depositam este plástico em camadas até que seja criado o modelo. A MakerBot é uma fabricante dessa tecnologia. A deposição direta de metal é aplicada à construção com metais de forma similar à FDM.

A sinterização seletiva a laser (SLS – Selective Laser Sintering) se tornará, ou já é, mais familiar aos leitores desta revista. Nesta tecnologia, o metal em pó é sinterizado utilizando lasers. A sinterização resulta numa estrutura sólida, com uma camada de cada vez. Quando uma camada é completada, a estrutura cai de modo que a camada seguinte possa ser construída em cima.

Passado

As universidades e grandes empresas industriais começaram a usar a impressão 3D por volta do final dos anos de 1980 para a prototipagem rápida. Uma peça era frequentemente feita a partir de um material plástico e utilizada para moldar uma peça do material de projeto (metal). O custo dos equipamentos e a limitação de materiais e de aplicações impediram o acesso prático para muitas empresas.

Conforme esta tecnologia foi desenvolvida, especialmente ao longo da última década, a revista Industrial Heating foi relatando a notícia na imprensa, nas nossas newsletters e no nosso site. Pelo menos dois artigos da edição americana cobriram esta tecnologia – em Maio de 2011 e Janeiro de 2012 – e em nosso editorial de Agosto de 2013 foi prometida uma cobertura contínua. Promessa mantida.

Presente

Parece que o estado atual da FA é uma mudança rápida. Muita coisa está sendo mudada para tornar esta tecnologia melhor, mas vamos permanecer no presente por agora. As melhorias na tecnologia e a redução do preço resultaram em um crescimento de aplicações comerciais.

Em 2013 foram vendidas mais de 50.000 impressoras 3D e é esperado que este número dobre até 2015. Dados da Wohlers Associates estimam que o mercado de impressoras 3D em 2012 foi de US$ 2,2 bilhões, que em 2017 será de US$ 6 bilhões e que em 2021 será de US$ 10,9 bilhões. O grupo Freedonia é mais conservador, prevendo um crescimento anual de 20% e chegando em US$ 5 bilhões em 2017.

Há dois jogadores principais neste mercado 3D. São eles a 3D Systems (Fig. 2) e a Stratasys. A Makerbot, mencionada anteriormente, foi adquirida pela Stratasys em agosto do ano passado por US$ 400 milhões. A 3D Systems tem uma participação maior na FA de metais. Isto se deve, parcialmente, à sua aquisição da Phenix Systems, uma fabricante francesa de impressoras 3D SLS que utilizam metal diretamente.

Fundição

Existem duas aplicações básicas dessa tecnologia em fundição (Fig. 3). A primeira é utilizá-la para a fabricação de moldes. Em uma fundição, os modelos de metal ou de cera são utilizados para criar moldes em diferentes fases. Dependendo do tempo de vida de uma peça, esta etapa, historicamente demorada, era facilmente justificada. Mas e se fosse possível criar um molde em um curto prazo? A impressão 3D pode pular ferramentas imprimindo diretamente nos moldes ou machos de areia. As peças podem ser produzidas diretamente em uma impressora 3D em um curto tempo, assumindo que as exigências dos materiais possam ser atingidas.

Aeroespacial

No ano passado, a NASA testou com sucesso peças de motor de foguete impressas em 3D. Além disso, foram impressos em 3D e testados alguns componentes funcionais dos caças Tornado (Fig. 4), utilizados pela Royal Air Force (RAF). Com a habilidade de se utilizar peças 3D na manutenção está prevista uma economia para a RAF de cerca de US$ 2 milhões ao longo dos próximos quatro anos. Para a indústria aeroespacial e outras indústrias, a capacidade de fabricação de peças somente quando são necessárias evita os custos de armazenamento ou problemas de tempo de entrega, quando uma peça crítica falha.

A NASA também já imprimiu minúsculos satélites do tipo wafer que serão utilizados para transmitir dados de pesquisa de forma mais barata de volta à Terra. Seu objetivo é colocar a impressão 3D no espaço para fazer com que os astronautas sejam mais autossuficientes, imprimindo quaisquer peças que venham a precisar (pense na Apollo 13). Já foi construída e testada uma impressora 3D que pode funcionar em gravidade zero. Ela será enviada para a Estação Espacial Internacional (ISS) em uma missão futura (Fig. 5).

Automotivo

Uma das primeiras a adotar e a tirar vantagem da tecnologia 3D foi a Hendrick Motorsports no mundo da NASCAR (Fig. 6). A Hendrick utiliza a prototipagem rápida e a impressão 3D para “cometer erros em plástico” e, assim, reduzir o custo. Eles também produzem alguns equipamentos não essenciais, tais como montagens de espelho para uso diretamente nos carros.

O CRP Group foi gentil o suficiente para nos fornecer um estudo de caso e excelentes fotos. Trabalhando em conjunto com a Magneti Marelli do Brasil, seu objetivo era produzir um coletor de admissão totalmente funcional (Fig. 7) em um curto período de tempo, a fim de testar um novo projeto. Foi utilizado um material personalizado no projeto, o WindformGF2.0. É um pó à base de poliamida reforçada com fibras de vidro e alumínio. Ele foi escolhido porque o coletor necessita resistir a altas temperaturas (130°C) e ser totalmente fundido para resistir à perda por vácuo ou vazamentos (Fig. 8). Os benefícios deste tipo de teste são óbvios. Sem estabelecer um processo de fabricação e longos prazos de entrega, novos projetos podem ser trazidos à vida por meio da criação de componentes funcionais que podem ser submetidos a testes severos. Se for necessária uma modificação de projeto, um outro componente pode ser fabricado utilizando a tecnologia 3D para testes.

Um veículo que vale a pena mencionar é o Urbee 2 (Fig. 9), que é um carro impresso em 3D (mais de 50%). O pessoal da Urbee planeja dirigir seu carro por todo o EUA nos próximos 2 anos. Eles esperam ver o veículo em produção logo após a excursão pelo país. Dependendo de quantos forem produzidos anualmente, o preço de tabela vai estar em algum lugar entre US$ 16.000 e US$ 50.000.

Outra empresa, a Local Motors Inc., anunciou recentemente que construirá o seu veículo por fabricação em impressão 3D durante a mostra The Technology International Manufacturing (IMTS), em setembro. Eles vão construir o seu carro-chefe Rally Fighter a partir do zero em cinco dias, ao longo dos seis dias de mostra.

Capacitação, Oportunidade e Aplicações Ideais

Por meio da utilização de impressoras 3D, muitos empresários estão utilizando uma microprodução para criar produtos personalizados, em pequenos lotes, sem uma fábrica convencional. Para os fabricantes mais tradicionais, a impressão 3D pode economizar milhões em custos de reequipamento. O inventário de peças de substituição também pode ser reduzido ou eliminado. As falhas inesperadas de máquinas passam a deixar de resultar em atrasos enormes e entregas perdidas. A impressão 3D pode ser utilizada para a fabricação de uma peça de reposição em muito pouco tempo.

Nós já discutimos os moldes, os quais são uma ótima aplicação para a impressão em 3D. Outras aplicações ideais incluem peças com aplicações muito específicas. Um exemplo é a aplicação odontológica, a qual possui requisitos únicos (Fig. 10). Membros protéticos podem ser feitos para o tamanho exato do indivíduo. Sem peças de prateleira e mal ajustadas.

Outra aplicação médica envolve a execução de cirurgias em combate. Manter os instrumentos esterilizados e em estoque em um campo de batalha tem sido sempre um desafio. Instrumentos duráveis, estéreis e de plástico cirúrgico podem ser impressos no local com a FA. Como esses produtos são projetados digitalmente, eles podem ser personalizados ao gosto de cada cirurgião no combate.

As oportunidades de emprego existem e continuarão a crescer à medida que esse campo se expande. Uma escola técnica em Ohio está formando estudantes em manufatura avançada, incluindo a impressão 3D. Eles estão saindo da escola, diretamente, com um salário de US$ 18/hora.

Futuro

Muita da discussão em torno da FA é sobre o que será. De fato, quando discutimos as áreas de aplicação, como o ramo automotivo, nós mencionamos coisas que estão vindo no futuro. O mesmo acontece com a impressão 3D no espaço. Não é difícil ver como a impressão 3D pode desempenhar um grande papel na criação de uma colônia em Marte.

Os analistas antecipam que os EUA continuarão a ser o maior mercado, com 40% das vendas globais. A Europa Ocidental e a China também devem ser áreas de forte crescimento.

Alianças

As alianças parecem ser a chave para o desenvolvimento futuro. Em agosto de 2012 foi fundado o The National Additive Manufacturing Innovation Institute e foi recentemente rebatizado como America Makes. O grupo – um consórcio envolvendo Pensilvânia, Ohio e Virgínia Ocidental – está focado em impressão 3D e suas pesquisas. Ele recebeu cerca de US$ 70 milhões em verbas federais e de financiamento do setor privado e mais de 80 parceiros se juntaram como membros. Esses parceiros incluem grandes corporações, pequenas empresas de manufatura e universidades e faculdades comunitárias.

A Lincoln Electric e um grupo de parceiros se uniram com a Case Western Reserve University para trabalhar em um projeto de US$ 700.000, financiado pela America Makes. É intitulado “High Throughput Functional Material Deposition Using a Laser Hot Wire Process” (Deposição de material funcional de alto rendimento utilizando o processo de arame a quente por laser). Esta é uma segunda rodada de pesquisa, que busca gerar peças estruturais com ligas de titânio e superfícies funcionais com ligas à base de níquel.

Materiais e Tamanho das Peças

Nós vemos os materiais como o ponto-chave para o crescimento neste campo. O sucesso com o titânio seria um exemplo das enormes oportunidades futuras com a aplicação militar, aeroespacial, médica e de outras indústrias que desejam utilizar as propriedades do titânio como baixo peso, resistência mecânica e resistência à corrosão. A maior parte das atividades inovadoras em impressão 3D utilizou plásticos, e se mover dos plásticos para todos os tipos de metais é o próximo passo.

Seguindo esta tendência, a Sweden’s Exmet AB e a Öhlins Racing AB assinaram um acordo de licença para utilizar a tecnologia de impressão 3D para produzir componentes de ligas amorfas (vidro metálico). Os aços amorfos (à base de ferro) apresentam o dobro da resistência mecânica e 10 vezes mais elasticidade do que as ligas de aço de alta qualidade. A resistência mecânica é quatro vezes superior à das ligas de titânio e eles são inoxidáveis. A Exmet fabricou componentes já próximos da forma final utilizando a FA com leito de pós metálicos com sistemas a laser ou com feixe de elétrons.

Outro desenvolvimento será a fabricação de peças maiores. A Cincinnati Inc., fabricante de máquinas ferramentas, e o U.S. DOE’s Oak Ridge National Laboratory iniciaram recentemente uma parceria para construir uma impressora maior. O objetivo deles é desenvolver uma nova máquina de FA para imprimir peças de polímero até 10 vezes maiores do que o que pode ser feito com as tecnologias atuais. Eles planejam acelerar o processo de 200 a 500 vezes. Com a experiência primária da Cincinnati sendo metais, não seria um exagero dizer que a FA de peças metálicas maiores será o próximo desenvolvimento.

Customização

A flexibilidade e a customização compreenderão uma etapa de desenvolvimento na tecnologia de impressão 3D. A tecnologia por si só se presta a peças e produtos de ordem especial. Você pode ver a próxima Amazon, onde as pessoas podem ir online e projetar a lâmpada que eles querem, por exemplo? Pode ser feita na forma e cor especificada pelo indivíduo e feita como um item único.

Como as impressoras estão se tornando cada vez mais baratas (a HP está planejando lançar uma impressora 3D em meados de 2015), as pessoas serão capazes de fabricar os seus próprios produtos personalizados em seu porão ou na garagem. Você poderia dizer que isto é uma oportunidade empreendedora? Se você estiver interessado em um vislumbre de onde isto está hoje, confira o Thingiverse (www.thingiverse.com). O que poderemos fabricar em breve será limitado apenas pela nossa imaginação.

Ética

Você provavelmente não vê isto surgindo, mas quando a imaginação se solta, as questões éticas podem surgir. Se isso vai ser um grande problema em nossa indústria, é duvidoso, mas a bio-impressão está chegando. No ano passado, cientistas da Universidade de Cornell imprimiram uma orelha humana e cientistas da Escócia estão desenvolvendo a técnica para imprimir células-tronco embrionárias.

A impressão de armas está mais perto de nosso mundo do que as orelhas impressas. Em 2012 foi criada uma arma por impressão 3D e os desenhos foram compartilhados no site do inventor. Eles receberam 100.000 downloads antes do Departamento de Estado dos EUA removê-los. Um vídeo do disparo da arma ainda está disponível.

Conclusão

Para onde a FA está indo e com que rapidez? Não é claro nem mesmo para os especialistas o que ocorrerá com a adoção em massa da FA, mas a disponibilidade de impressoras 3D com preços mais baixos começará a fazer da FA (impressão 3D) uma palavra caseira.

O que isso significa para a sua empresa? A FA faz sentido para o seu processo? Você poderia crescer o seu negócio utilizando a FA? Pode ser hora de considerar se a sua empresa precisa de uma estratégia de como incorporar a fabricação aditiva em seus processos de produção.

Para mais informações e referências, contate: Reed Miller, pelo e-mail: reed@industrialheating.com.

 

Reed Miller
Reed Miller
Mestre em engenharia metalúrgica, experiências de carreira industriais variam de aço derretendo ao acabamento; rolamento de fabricação, testes e tratamento térmico; e forjou manufatura moinho-roll e tratamento térmico. Com mais de uma década como editor da Revista Industrial Heating nos EUA, ele traz mais de 35 anos de experiência para a sua posição. Contate: +1 412-306-4360 ou reed@industrialheating.com

2 Comentários

  1. ROBERTO AFANACI CARRION disse:

    quero receber também esse newsletter no meu email particular abaixo

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