O que é impressão 3D FDM e como funciona?

A Modelagem por Deposição de Material Fundido (FDM) é uma das tecnologias de impressão 3D mais comuns atualmente. Essa tecnologia utiliza filamentos de material termoplástico como matéria-prima. Este artigo explica o princípio básico da impressão 3D por FDM, descreve como a tecnologia funciona, o fluxo completo do processo passo a passo e a seleção de materiais.

O que é impressão 3D FDM?

A Modelagem por Deposição de Material Fundido (FDM) utiliza filamento de material termoplástico como matéria-prima. O filamento é aquecido e derretido, sendo então o material liquefeito extrudado através de um bico fino na cabeça de impressão. Após a extrusão, o material é depositado sobre a plataforma de construção ou sobre a camada previamente solidificada. Quando a temperatura cai abaixo do ponto de fusão, o material começa a solidificar. A peça final é formada pela deposição das camadas de material.

Como funciona a modelagem por deposição de material fundido?

Antes de descrevermos como funciona uma impressora 3D de modelagem por deposição fundida, podemos imaginar a seguinte cena:

Você segura um tubo de pasta de dente aquecida. Dentro do tubo, a pasta está em estado líquido, mas assim que você a aperta, ela solidifica imediatamente. Então, você segura o tubo de cabeça para baixo e aperta a pasta sobre a mesa enquanto move a mão horizontalmente, como se estivesse escrevendo com um pincel chinês. Após terminar a primeira camada sobre a mesa, você levanta o tubo de pasta um pouco mais e continua apertando para formar a segunda camada. Nesse momento, a pasta recém-extrudada adere à anterior, e a pasta extrudada anteriormente solidifica, servindo de suporte para a pasta extrudada posteriormente. Finalmente, você repete o processo até obter o formato desejado. Essa é a ideia básica da FDM (Impressão por Deposição Fundida) e também o princípio de funcionamento das novas canetas de impressão 3D disponíveis no mercado.

Com base nessa ideia fundamental, os engenheiros primeiro processam a matéria-prima em um filamento redondo com um diâmetro específico. Em seguida, o material em formato de filamento é gradualmente alimentado no bico quente através do mecanismo de alimentação de filamento. No bico quente, o material é aquecido e derretido. Abaixo do bico quente está o cabeçote de impressão, e a parte inferior do cabeçote possui um bico fino (com diâmetro geralmente de 0.2 a 0.6 mm). A pressão formada pela extrusão do filamento seguinte empurra o material líquido em estado fundido para fora.

Devido aos requisitos do processo, antes que a impressora 3D comece a funcionar, geralmente é necessário definir informações básicas, como o espaçamento entre camadas e a largura dos caminhos de impressão. Em seguida, o software de fatiamento divide o modelo tridimensional e gera o caminho de impressão. Depois, sob o controle do software da impressora, o bico de impressão realiza movimentos planares nos eixos X e Y, de acordo com os dados horizontais da camada, enquanto o movimento vertical no eixo Z é realizado pela plataforma de impressão. Simultaneamente, o filamento é alimentado ao bico pelo componente de alimentação. Após ser aquecido e fundido, a temperatura de aquecimento geralmente é definida alguns graus acima do ponto de fusão da matéria-prima. Dessa forma, quando o material é extrudado pelo bico e se liga à plataforma de impressão, ele esfria e solidifica rapidamente. O material impresso se funde rapidamente com a camada anterior. Quando cada seção de camada é concluída, a plataforma de impressão desce a uma altura equivalente à espessura de uma camada, e a impressora continua a imprimir a próxima camada. Essa etapa se repete até que todo o modelo seja concluído.

A chave do processo FDM é manter a temperatura da matéria-prima fundida extrudada pelo bico logo acima do ponto de solidificação, geralmente controlada em cerca de 1°C acima desse ponto. Se a temperatura estiver muito alta, podem ocorrer problemas como baixa precisão do modelo impresso e deformação do mesmo. Por outro lado, se a temperatura estiver muito baixa ou instável, o bico pode entupir facilmente e a impressão pode falhar.

Processo de Modelagem por Deposição Fundida

O fluxo do processo de modelagem por deposição fundida pode ser dividido em 5 etapas: Criar modelo 3D >> Converter para arquivo STL >> Fatiar >> Imprimir >> Pós-processamento.

1. Criar um modelo 3D

Geralmente, os projetistas criam o modelo digital tridimensional necessário por meio de softwares de desenho assistido por computador, de acordo com os requisitos do produto. Os softwares de projeto mais comuns incluem Pro/Engineering, Solidworks, MDT, AutoCAD, UG, etc.

2. Converter o modelo para o formato STL

Geralmente, um modelo bem projetado apresenta muitas superfícies curvas irregulares. Antes da impressão, essas superfícies curvas precisam ser aproximadas e ajustadas. O método mais comum atualmente é converter e salvar o arquivo no formato STL. O formato STL é um formato de arquivo desenvolvido pela empresa americana 3D Systems para equipamentos de impressão 3D. Ele utiliza uma série de pequenos planos triangulares conectados para aproximar as superfícies curvas, obtendo-se assim um arquivo de modelo tridimensional aproximado que pode ser impresso rapidamente. A maioria dos softwares de projeto CAD mais comuns possui a função de exportar arquivos no formato STL, como Pro/Engineering, Solidworks, MDT, AutoCAD, UG, etc.

3. Corte o modelo e adicione suportes.

Como a impressão 3D decompõe o modelo, fabricando-o camada por camada de acordo com as seções das camadas e, finalmente, montando-as em um ciclo, o modelo tridimensional em formato STL precisa primeiro ser fatiado e convertido em um modelo de camadas que o equipamento de impressão 3D possa processar. Atualmente, diversos equipamentos de impressão 3D disponíveis no mercado vêm com seus próprios softwares de fatiamento. Após a configuração dos parâmetros básicos, o software pode calcular automaticamente as informações de seção do modelo.

4. Comece a imprimir

De acordo com o princípio de impressão FDM apresentado na seção anterior, pode-se imaginar que, em algumas estruturas de grande vão, o sistema precise adicionar peças de suporte ao produto. Caso contrário, quando a seção da camada superior aumenta consideravelmente em comparação com a seção da camada inferior, parte da seção da camada superior impressa posteriormente ficará suspensa (ou flutuando no ar), resultando em colapso parcial ou deformação da seção, o que afeta seriamente a precisão da impressão. Portanto, o modelo impresso final geralmente inclui dois componentes: a parte de suporte e a parte sólida. O software de fatiamento calculará e decidirá automaticamente se os suportes serão necessários, de acordo com os diferentes formatos do modelo a ser impresso.

Ao mesmo tempo, os suportes têm outra função importante: estabelecer a camada base. Ou seja, antes da impressão propriamente dita, uma camada base é impressa na plataforma de construção, e então o modelo é impresso sobre essa camada base. Isso pode tornar a base do modelo impresso mais plana e também facilitar a remoção do modelo finalizado. Portanto, uma etapa fundamental na impressão FDM é a criação de suportes. Uma boa camada base pode fornecer um plano de referência preciso para todo o processo de impressão, garantindo assim a precisão e a qualidade do modelo impresso.

5. Remoção de suporte e pós-processamento

Para modelos fabricados por FDM, o pós-processamento envolve principalmente a remoção dos suportes do modelo e o lixamento da superfície externa. Primeiro, a parte de suporte do modelo sólido precisa ser removida e, em seguida, a superfície externa do modelo sólido é lixada para que a precisão e a rugosidade da superfície do modelo final atendam aos requisitos.

No entanto, de acordo com a experiência prática de produção, os suportes de modelos produzidos pela tecnologia FDM em estruturas complexas e delicadas são difíceis de remover completamente sem afetar o modelo. É fácil danificar a superfície do protótipo, o que terá um impacto considerável na qualidade da superfície do modelo. Para solucionar esse problema, a gigante da impressão 3D, Stratasys, desenvolveu um material de suporte solúvel em água em 1999. Ao enxaguar o modelo impresso com uma solução para dissolver o material de suporte sem danificar o modelo sólido, esse problema foi efetivamente resolvido. Contudo, atualmente, os equipamentos de impressão FDM desenvolvidos independentemente na China ainda não conseguem alcançar esse resultado, e o pós-processamento dos modelos impressos ainda é um processo relativamente complexo.

Materiais Utilizados na Modelagem por Deposição Fundida

Atualmente, os materiais de filamento mais comuns incluem principalmente ABS, PLA, borracha artificial, cera e termoplásticos de poliéster. Alguns equipamentos necessitam de dois materiais: um é o material de modelagem usado para imprimir a parte sólida; o outro é o material de suporte usado para depositar cavidades ou partes em balanço.

Comparada a outras tecnologias de impressão 3D, a gama de matérias-primas disponíveis para impressão FDM é relativamente ampla. Ao selecionar materiais para a peça sólida do modelo, os seguintes fatores devem ser considerados principalmente:

• Viscosidade: Quanto menor a viscosidade, menor a resistência, o que facilita a formação da espuma e diminui a probabilidade de entupimento do bico.
• Ponto de fusão: Quanto mais próximo da temperatura ambiente for o ponto de fusão, menor será o consumo de energia para impressão, o que beneficia a vida útil da máquina, reduz o estresse térmico e, consequentemente, melhora a precisão da impressão.
• Adesão: A adesão do material determinará a resistência da ligação entre as camadas do item impresso.
• Encolhimento: Quanto menor a taxa de encolhimento do material, maior a garantia de precisão do item impresso.

Para materiais de suporte, o processo FDM tem principalmente os seguintes requisitos:

• De acordo com os diferentes materiais sólidos, o material de suporte deve ser capaz de suportar uma determinada temperatura elevada.
• Não deve haver umidade entre o material de suporte e o material sólido para facilitar o pós-processamento.
• Assim como o material sólido, ele precisa de boa fluidez.
• O ideal é que o produto tenha características como solubilidade em água ou solubilidade em ácido.
• Uma temperatura de fusão mais baixa é preferível.

Equipamento Típico

Os materiais utilizados na impressão FDM são geralmente termoplásticos, como cera, ABS, PC, nylon, etc. Os materiais de impressão padrão são geralmente feitos de filamento, e o custo do material é tipicamente baixo. O preço unitário do ABS ou PLA no mercado interno geralmente fica abaixo de 100 RMB (cerca de 15 dólares). Além disso, em comparação com equipamentos de impressão que utilizam materiais em pó e líquidos, o filamento é mais limpo, mais fácil de substituir e armazenar, e o processo de impressão não gera poluição por pó ou líquido.

Existem muitas impressoras 3D de deposição fundida disponíveis no mercado, principalmente impressoras de mesa projetadas para o consumidor comum. É praticamente um universo de Modelagem por Deposição Fundida (FDM). As mais conhecidas, como a Thing-O-Matic da MakerBot, as impressoras da série Replicator e a impressora Cube da 3D Systems, são todas impressoras 3D de nível básico que utilizam a tecnologia FDM.

Tolerância e Capacidades

Na Getzshape, nosso Serviços de impressão 3D Abrangemos quatro tecnologias principais: SLA, SLS, SLM e FDM. Nossas tolerâncias e capacidades de impressão 3D FDM estão listadas abaixo.

Acabamentos para componentes impressos em FDM

• LixamentoUma etapa básica e importante de acabamento superficial para peças impressas em FDM. Utiliza lixas com diferentes granulações para remover as linhas de camada visíveis e tornar a superfície mais lisa.
• PinturaPrimeiro, a superfície é lixada para ficar mais lisa. Em seguida, aplica-se um primer para melhorar a aderência da tinta. Depois disso, a tinta colorida é pulverizada ou aplicada com pincel. A pintura pode ocultar completamente as linhas de camada, dar à peça uma cor agradável e deixar a superfície com um aspecto liso. É amplamente utilizada em modelos de exibição, protótipos e produtos finais.
• polimentoPolimento: O processo de polimento torna a superfície das peças fabricadas por FDM lisa e brilhante. Após o lixamento básico, compostos ou ferramentas especiais de polimento são utilizados para esfregar a superfície. Esse processo remove pequenos arranhões e deixa a peça com um aspecto brilhante. O polimento funciona bem em materiais como PLA e ABS.
• Suavização de VaporUm método especial de acabamento químico, usado principalmente para peças de ABS. A peça impressa é colocada em um recipiente fechado com vapor de solvente. O vapor derrete ligeiramente a superfície da peça, fazendo com que as linhas de camada se unam e fiquem lisas. Após o processo, a peça apresenta uma superfície muito lisa e brilhante, sem camadas visíveis.