Como é construída uma impressora 3D industrial e quais funções desempenham as suas peças – eixos, correias dentadas e estruturas

A impressão 3D revolucionou o fabrico industrial e a construção de protótipos. Esta tecnologia produz objetos camada a camada a partir de um modelo digital. Constituído pelos principais componentes: Para além de uma estrutura, cabeça de impressão, leito de impressão, unidade de controlo, eixos, correias dentadas e motores, um design de impressora 3D típico também requer geralmente vários acessórios. Mas como funciona exatamente uma impressora 3D industrial? Este artigo destaca a estrutura e a função dos componentes mais importantes e designa brevemente algumas áreas de aplicação.

Uma impressora 3D cria objetos tridimensionais através da aplicação de material camada a camada com base num modelo digital. Isto também é referido como o processo de fabrico de aditivos, uma vez que o material é adicionado de forma incremental à peça de trabalho não acabada.

O processo começa com um ficheiro de projeto digital, frequentemente entregue no formato STL (STL = Estereolitografia). Este é carregado num software especial com o qual o modelo 3D é convertido num ficheiro de controlo que é compreensível para a impressora 3D. Este ficheiro é convertido no chamado código G (o código G é uma linguagem de máquina para programar máquinas CNC). O modelo de dados é dividido por um software de cortador em camadas de código G ou camadas horizontais finas. Esse processo é chamado de cortar.

A impressora lê este ficheiro e imprime sucessivamente as camadas aplicando e solidificando o material - frequentemente plástico, resina ou pó de metal - camada a camada até todo o objeto ser criado.

O processo exato varia dependendo da tecnologia de impressão, por exemplo, se o material é derretido por aquecimento (FDM) ou endurecido por exposição à luz (SLA). As seguintes tecnologias de impressão estão atualmente disponíveis:

• Estereolitografia (SLA): Uma fina camada de resina sintética é vertida num tabuleiro. Em seguida, um laser UV expõe as áreas a serem curadas. É utilizado um armário para impressora 3D para esta tecnologia.
• Estereolitografia com máscara (MSLA): O processo de impressão MSLA ilumina seletivamente a resina sintética a partir de baixo com um ecrã LCD. O ecrã LCD forma uma máscara para cada camada de impressão e bloqueia assim a luz UV nos locais especificados. Em vez de um feixe de laser que digitaliza as camadas, as impressoras MSLA utilizam uma fonte de luz ultravioleta de alto desempenho.
• Sinterização seletiva a laser (SLS): Vários materiais em pó são distribuídos na placa de impressão e fundidos por meio de lasers. Por fim, o produto acabado deve ser libertado do pó circundante.
• Modelagem de deposição com fusível (FDM): O processo de fusão da camada traz o material para a placa de impressão com um bocal aquecido, onde é então solidificado.
• Fabrico de objetos iluminados: O material é construído camada a camada colada um em cima do outro e é posteriormente modelado com uma ferramenta de corte (laser ou faca).
• Litografia axial computorizada (CAL): O processo de impressão CAL projeta a luz numa resina líquida sensível à luz, que solidifica rapidamente. Este método permite que os objetos sejam fabricados no menor tempo possível.

Estrutura de uma impressora 3D

As impressoras 3D industriais têm determinados componentes básicos que são utilizados com base na tecnologia de impressão selecionada.

Estruturas de impressora 3D

A estrutura é a estrutura de montagem básica para todos os componentes eletrónicos e estruturais da impressora 3D e também constitui a base para a impressão de alta qualidade. Proporciona estabilidade e estrutura à impressora. Quanto mais rígida e rígida for a estrutura, melhores serão os resultados de impressão. Nas impressoras industriais, as estruturas são frequentemente fabricadas em ligas metálicas robustas para minimizar a vibração e garantir uma elevada precisão de impressão. Na MISUMI encontrará uma vasta gama de componentes de estrutura de alta qualidade, tais como perfis de design em alumínio, acessórios para guias lineares ou placas angulares.

Eixos em impressoras 3D

Num espaço tridimensional fixo, a impressora 3D industrial tem de ser capaz de chegar a todos os pontos para garantir a impressão de todas as formas concebíveis. Existem os seguintes eixos para isto:

• Eixo X: Descreve o caminho horizontalmente da esquerda para a direita
• Eixo Y: Descreve o caminho horizontalmente de frente para trás
• Eixo Z: Descreve o caminho verticalmente de cima para baixo

A cabeça de impressão move-se ao longo dos eixos X e Y, por exemplo, através de correias dentadas e motores de passo.

O movimento vertical é realizado por um motor de passo. O movimento rotativo é transferido por uma correia dentada para um parafuso de avanço ou uma chave de parafusos. O curso do eixo Z determina a espessura da camada de material aplicada.

A precisão dos componentes de transferência individuais é decisiva para a qualidade e precisão dimensional do objeto a imprimir.

Cabeça de impressão (extrusão) de impressoras 3D (FDM)

A extrusão transporta o filamento (material impresso) da fonte de matéria-prima, por exemplo, um rolo de filamento, para um bloco de aquecimento com aquecedor e monitorização da temperatura. Essa área também é chamada de ponta quente. O filamento liquefeito é transportado através deste canal até ao bocal (bocal) e é aplicado à placa de impressão.

Existem diferentes tipos de transporte de filamentos através da extrusão. Aqui estão alguns dos tipos mais comuns:

• Direct Drive (extrusor Direct Drive): Para este método, um motor puxa diretamente o filamento para dentro da extrusão, onde é então transportado para o bloco de aquecimento. O motor está localizado na proximidade imediata do bocal, o que leva a uma aplicação de material mais precisa. Este método é frequentemente utilizado em impressoras 3D de secretária.
• Extrusor Bowden: Ao contrário da transmissão direta, uma extrusão Bowden não tem o motor diretamente na extrusão. O filamento é transportado para a extrusão através de um tubo flexível (tubo de Bowden). Isto reduz o peso da extrusão, o que pode ter um efeito positivo na qualidade de impressão. No entanto, a precisão do transporte do filamento pode ser ligeiramente comprometida neste método.

Ambas as variantes podem ser equipadas com várias cabeças de impressão, para que diferentes materiais e cores possam ser processados. Se a impressora 3D utilizar um pó em vez de um filamento, normalmente não são utilizados extrusores; em vez disso, são utilizados rolos para aplicar o material no leito de impressão.

Cama de impressão (placa de construção) em impressoras 3D

O objeto é construído camada a camada na superfície de impressão. Pode ser aquecido para garantir uma melhor aderência do material, para evitar a deformação do material e para obter um acabamento de superfície melhorado. O material do leito de impressão também influencia a aderência. As placas de vidro, cerâmica ou alumínio fundido são particularmente adequadas aqui. Também é possível facilitar a remoção do produto final por meio de placas removíveis.

Unidade de controlo em impressoras 3D

A unidade de controlo controla todo o processo de impressão. Também pode ser utilizado para calibrar a impressora 3D. O processo de calibração é de importância crucial para evitar erros de impressão. Um leito de impressão irregular ou injetores ajustados incorretamente têm uma influência significativa na qualidade do produto final.

A unidade de controlo deve interpretar as informações do modelo digital 3D a partir de um ficheiro STL ou outro formato de ficheiro. Para este fim, a unidade de controlo utiliza software de corte para dividir o modelo 3D numa sequência de camadas horizontais (cortes). Entre outras coisas, são geradas informações sobre a altura da camada, o diâmetro da abertura do bocal (tamanho do bocal), os parâmetros de impressão, a extrusão do material de impressão, as temperaturas e os caminhos da ferramenta da cabeça de impressão e o código G resultante.

A unidade de controlo controla as unidades da impressora 3D para mover com precisão a cabeça de impressão e a base de impressão. Converte os movimentos definidos no código G, tendo em conta a velocidade, aceleração e desaceleração.

A unidade de controlo controla o extrusor que aquece o material de impressão, como filamentos, e aplica-o uniformemente na placa de construção para garantir que o material é distribuído uniformemente. A temperatura na impressora 3D, no extrusor e nos elementos de aquecimento são monitorizados e controlados.

Obviamente, a unidade de controlo monitoriza o processo de impressão quanto a erros e irregularidades e reage em conformidade a quaisquer problemas, tais como encravamento de material ou sobreaquecimento.

Uma interface gráfica do utilizador (GUI) serve como uma interface para o utilizador iniciar o processo de impressão, ajustar as definições, controlar a impressora e receber mensagens de estado e interagir em conformidade. Isto pode ser feito com um ecrã ou um ecrã tátil.

A unidade de controlo pode comunicar com dispositivos externos através de interfaces para receber trabalhos de impressão e trocar dados.

Eixos em impressoras 3D

Os eixos são utilizados como elemento de transmissão e como componentes guia para permitir o movimento de componentes, material, cabeças de impressão e outros componentes importantes.

Quando os eixos são usados como elemento de transmissão, um movimento é transmitido da fonte de acionamento para o lado de saída. Isto é feito em combinação com, por exemplo, motor, polias de correia em V e polias de correia dentada, correias, correntes, acoplamentos, engrenagens ou outros elementos.

Algumas impressoras 3D utilizam parafusos esféricos em vez de guias de parafuso convencionais. As unidades de parafuso de esferas são mais precisas e têm menos atrito do que as guias de parafuso convencionais. Isto resulta numa maior precisão de impressão.

Como elementos-guia, os eixos permitem o movimento preciso da cabeça de impressão ou do leito de impressão em diferentes direções. São normalmente cilíndricas e feitas de materiais robustos para garantir precisão e durabilidade. O eixo é normalmente liso e tem uma elevada precisão de superfície para permitir um movimento de baixo atrito. Para guiar o eixo e permitir o movimento, são montados rolamentos lineares especiais ou guias lineares ao longo do eixo.

Cintos dentários em impressoras 3D

As correias dentadas convertem o movimento rotativo dos motores em movimento linear das peças móveis da impressora. Por exemplo, as cabeças de impressão são movidas ao longo dos eixos X e Y. Desempenham um papel decisivo na velocidade e precisão do processo de impressão. Um ajuste firme e uma qualidade perfeita são cruciais. Caso contrário, poderão existir reverberações que distorçam o produto final. As correias dentárias são normalmente feitas de materiais elastoméricas com reforços dentários inseridos para permitir uma transmissão precisa da força.

O MISUMI oferece diferentes correias dentadas, eixos e outros acessórios para movimentos lineares e rotativos . Você tem a garantia de encontrar um componente para sua aplicação específica.

Motores em impressoras 3D

Os motores desempenham um papel fundamental para mover e posicionar a cabeça de impressão ou a cama de impressão. Existem diferentes tipos de motores utilizados em impressoras 3D, cada um dos quais cumpre tarefas específicas. Aqui estão alguns dos motores mais comuns encontrados nas impressoras 3D:

• Motores de passo: Estes movem a cabeça de impressão e o leito de impressão em passos precisos ao longo dos vários eixos.
• Servomotores: Oferecem alta velocidade e precisão e são utilizados onde é necessário um controlo preciso.
• Motores CC: São utilizados, por exemplo, para operar rolos.
• Motores de extrusão: Responsáveis pela extrusão do material de impressão.

A impressão 3D industrial utiliza as seguintes categorias de materiais: filamentos, resinas e pó. Filamento é um fio longo e estreito que consiste em vários plásticos, por exemplo, PLA ou nylon. É enrolado em bobinas e é utilizado principalmente no processo de impressão FDM.

Para minimizar a visibilidade das camadas individuais ao utilizar materiais de filamentos, os parâmetros podem ser ajustados nas definições do software de corte. Pode ser necessário um acabamento de superfície subsequente, como por moagem, enchimento, revestimento, pintura ou por vários métodos de soldadura.

Os métodos de impressão à base de pó permitem a produção de geometrias complexas e peças funcionais. Pó de metal, plástico ou cerâmica, por exemplo, pode ser usado como material.

O processo de impressão com resinas utiliza resinas líquidas, que são endurecidas sob a influência de raios UV ou raios laser para acumular as camadas de impressão.

Estão disponíveis vários materiais de resina que oferecem uma variedade de propriedades, tais como dureza, flexibilidade, resistência à temperatura e transparência. Este material é muito adequado se o objeto de impressão exigir detalhes precisos e precisos.

Possíveis utilizações de impressoras 3D

Em pouco tempo, a impressão 3D conquistou muitas áreas da nossa vida, incluindo engenharia mecânica, construção de máquinas personalizadas e construção de protótipos. A rápida recuperação pela qual os componentes podem ser fabricados é particularmente interessante para muitas empresas industriais. Não só o espaço de armazenamento pode ser reduzido a longo prazo, como as circunstâncias em mudança e as aplicações especiais também podem ser tratadas proativamente.

A utilização de impressoras 3D pode, em particular, acelerar o desenvolvimento de produtos com uma prototipagem rápida.

A capacidade de criar geometrias complexas permite que os designs e formas sejam rapidamente adaptados aos conceitos atuais de I&D.

Isto permite identificar e corrigir erros e problemas de projeto antes do início da produção em massa.

Em alguns casos, o protótipo em si pode servir como um modelo para a produção em massa, especialmente para a produção de pequenos lotes ou produtos individualizados.