Manufatura aditiva: os 7 processos e a conta do tempo
Manufatura aditiva é o nome técnico da impressão 3D: fabricar uma peça juntando material, em geral camada sobre camada, a partir de um modelo digital. A norma internacional ISO/ASTM 52900 reconhece sete processos diferentes, da extrusão de plástico das impressoras de mesa à fusão de pó metálico por laser que faz peças de motor de avião.
Este artigo explica os sete processos da manufatura aditiva e faz as contas que os catálogos não fazem: quantas camadas tem uma peça, quanto tempo ela leva no mínimo para imprimir, quanto pesa e quanto custa de material. As fontes são a própria norma, as patentes originais e as fichas técnicas dos fabricantes.
O que é manufatura aditiva, pela norma
A ISO/ASTM 52900:2021 define manufatura aditiva como o processo de unir materiais para fazer peças a partir de dados de um modelo 3D, geralmente camada sobre camada, em oposição à manufatura subtrativa e à formativa. Para situar: subtrativa é a que remove material, como a usinagem, e formativa é a que dá forma, como a injeção e a forja.
Três patentes americanas marcam o início comercial da tecnologia: a estereolitografia de Charles Hull, pedida em 1984 e concedida em 1986 (US 4.575.330); a sinterização seletiva de Carl Deckard, concedida em 1989 (US 4.863.538); e a deposição de material fundido de Scott Crump, pedida em 1989 e concedida em 1992 (US 5.121.329). As impressoras de mesa de filamento usam o princípio descrito na terceira.
Os 7 processos de manufatura aditiva
| Processo (nome na norma) | Como une o material | Material típico |
|---|---|---|
| Extrusão de material (material extrusion) | o material é depositado seletivamente por um bico ou orifício | principalmente filamento plástico (PLA, PETG, ABS) |
| Fotopolimerização em cuba (vat photopolymerization) | resina líquida numa cuba é curada seletivamente por luz | resina fotossensível |
| Fusão em leito de pó (powder bed fusion) | energia térmica funde regiões de um leito de pó | pó de náilon ou de metal |
| Jato de aglutinante (binder jetting) | um agente líquido é depositado para unir o pó | pó de metal, areia ou cerâmica |
| Jato de material (material jetting) | gotas do próprio material são depositadas seletivamente | resinas e ceras |
| Deposição com energia direcionada (directed energy deposition) | energia térmica concentrada funde o material enquanto ele é depositado | pó ou arame metálico |
| Laminação de chapas (sheet lamination) | folhas de material são unidas para formar a peça | papel, metal ou compósito em folhas |
As descrições da segunda coluna são paráfrases das definições da norma. A coluna de materiais é um resumo nosso do uso mais comum de cada processo. Para quem lê catálogo de impressora, os três primeiros são os que mais aparecem: extrusão (as máquinas de filamento), fotopolimerização (as de resina) e leito de pó (as industriais de náilon e de metal).
Extrusão de filamento: quantas camadas e quanto tempo
Na impressora de filamento, um bico aquecido derrete o plástico e desenha cada camada. Uma máquina de mesa atual, como a Prusa MK4S, usa filamento de 1,75 mm, bico de 0,4 mm e camadas de 0,05 a 0,30 mm. A fabricante recomenda que a camada fique abaixo de 80% do diâmetro do bico, segundo a documentação de camadas e perímetros.
O número de camadas é a altura da peça dividida pela altura da camada. Uma peça de 60 mm com camada de 0,2 mm tem 60 ÷ 0,2 = 300 camadas; com camada de 0,1 mm, 600.
O tempo depende de quanto plástico o bico consegue derreter por segundo. O cordão depositado é aproximadamente um retângulo com a largura da extrusão e a altura da camada, e a vazão é essa seção vezes a velocidade:
vazão (mm³/s) ≈ largura × altura da camada × velocidade
Com largura de 0,45 mm, camada de 0,2 mm e 100 mm/s: 0,45 × 0,2 × 100 = 9 mm³/s. Esse valor cabe no limite do equipamento: a Prusa informa de 12 a 20 mm³/s como vazão máxima típica para PLA, segundo a página de velocidade volumétrica máxima.
Para uma peça que consome 50 cm³ de plástico (50.000 mm³), o tempo mínimo é 50.000 ÷ 9 ≈ 5.556 s, ou 1 hora e 33 minutos. É um piso para essa velocidade, porque a conta ignora deslocamentos sem extrusão, aceleração, a primeira camada mais lenta e o resfriamento; com esses parâmetros, o tempo que o programa fatiador calcula é maior (conta nossa). Reduzir a camada de 0,2 para 0,1 mm corta a vazão pela metade e dobra esse piso, para cerca de 3 horas e 5 minutos. É o preço do acabamento mais fino.
Quanto pesa e quanto custa de material
O PLA, um dos plásticos mais usados nas impressoras de mesa, tem densidade de 1,24 g/cm³, segundo a ficha técnica do Prusament PLA. A peça de 50 cm³ pesa 50 × 1,24 = 62 g.
O custo de material é massa vezes preço por quilo. Com filamento a R$ 100 por kg (premissa nossa; troque pelo preço que você paga), são 0,062 × 100 = R$ 6,20. O custo real da peça é maior, porque entram energia, desgaste da máquina, peças que falham e o tempo de quem opera.
Resina e pó: mais detalhe, outro custo
As impressoras de resina curam o líquido com luz e trabalham com camadas mais finas. A Formlabs Form 4 imprime camadas de 25 a 200 micrômetros com resolução de 50 micrômetros no plano, segundo as especificações da fabricante. A mesma peça de 60 mm, com camada de 50 micrômetros (0,05 mm), tem 60 ÷ 0,05 = 1.200 camadas.
Na fusão em leito de pó, um laser funde o pó camada por camada, e o pó solto em volta sustenta a peça. Em náilon, a linha Fuse da Formlabs usa camadas de 110 micrômetros. Em metal, a ficha da liga de titânio Ti64ELI para a máquina EOS M 290 indica camada de 30 micrômetros e taxa de construção de 5 mm³/s, ou 18 cm³ por hora, segundo a ficha técnica da EOS.
Com esses números, os mesmos 50 cm³ em titânio levariam 50 ÷ 18 ≈ 2,8 horas só de fusão, sem contar o espalhamento do pó a cada camada e outros fatores que a própria ficha ressalva, e pesariam 50 × 4,41 ≈ 220 g, com a densidade aproximada de 4,41 g/cm³ da mesma ficha (conta nossa). O uso de ligas de titânio em implantes está em ligas metálicas em próteses ortopédicas.
Onde a manufatura aditiva compensa
Ela compensa quando a geometria é complicada demais para os outros métodos ou quando várias peças podem virar uma só. O exemplo mais citado é a ponta do bico injetor de combustível do motor LEAP: a peça antiga era feita de 20 partes soldadas e a impressa é uma só, 25% mais leve, segundo a GE. Em 2021, a fábrica de Auburn, no Alabama, entregou a peça de número 100 mil, segundo a GE Aerospace.
A NASA relatou resultado parecido num injetor de motor de foguete testado em 2014: pelo método convencional seriam 163 peças fabricadas e montadas; com impressão 3D, foram duas, segundo o comunicado da agência. Na construção civil a lógica é outra, de escala e de mão de obra, e está em impressão 3D aplicada à construção civil.
Os limites: resistência entre camadas e precisão
Peça impressa por extrusão é mais fraca na direção em que as camadas se empilham. A ficha do Prusament PLA mostra o tamanho da diferença: a tensão de escoamento à tração do corpo de prova impresso deitado é de 51 MPa (59 MPa no impresso de lado), e a adesão entre camadas, medida por método próprio da fabricante, é de 17 MPa. A união entre camadas aguenta cerca de um terço do que o material aguenta ao longo delas: 17 ÷ 51 ≈ 33% (conta nossa, aproximada, porque os dois ensaios são diferentes). Por isso a orientação da peça na mesa é uma decisão de projeto: a carga principal deve correr ao longo das camadas.
A precisão também tem piso. A Stratasys informa para a linha industrial F123 uma exatidão de ±0,200 mm ou ±0,002 mm por mm, o que for maior, dependendo da geometria, segundo a ficha da linha. Numa peça de 150 mm, isso dá 150 × 0,002 = ±0,3 mm. Encaixes justos pedem folga de projeto ou usinagem depois da impressão. Tudo começa num modelo digital bem feito, assunto de modelagem 3D em engenharia.
Perguntas frequentes
Manufatura aditiva e impressão 3D são a mesma coisa?
Na prática, sim. Manufatura aditiva é o termo da norma ISO/ASTM 52900 e o mais usado na indústria; impressão 3D é o nome popular do mesmo conjunto de processos.
Quais são os 7 tipos de manufatura aditiva?
Extrusão de material, fotopolimerização em cuba, fusão em leito de pó, jato de aglutinante, jato de material, deposição com energia direcionada e laminação de chapas, segundo a ISO/ASTM 52900.
Camada mais fina deixa a peça mais forte?
Camada mais fina melhora o acabamento e o detalhe, e custa tempo: com a mesma velocidade, metade da camada dobra o tempo. A resistência depende mais da orientação da peça e da adesão entre camadas do que da espessura escolhida.
Quanto tempo leva para imprimir uma peça?
Uma primeira estimativa é o volume de material dividido pela vazão do bico. Com vazão de 9 mm³/s, cada 10 cm³ de plástico levam pelo menos 10.000 ÷ 9 ≈ 1.111 s, cerca de 18 minutos e meio. Com esses parâmetros, o tempo real é maior.
Dá para imprimir metal em casa?
A fusão de pó metálico a laser usa laser de centenas de watts (400 W na EOS M 290) e pó fino em atmosfera de argônio, em máquinas industriais. Para quem precisa de uma peça metálica, o caminho usual é encomendá-la a um prestador de serviço.
Entender manufatura aditiva é entender três números: a altura da camada, a vazão de material e a resistência entre camadas. Os dois primeiros decidem o tempo e o acabamento; o terceiro decide como a peça deve ser posicionada para não quebrar. Outras tecnologias que já saíram do laboratório estão em inovações tecnológicas na engenharia.
