Sebenta · Desenvolvimento e otimização do design para fabrico aditivo (UC02895)

Introdução

Esta sebenta ensina a selecionar o material e o processo de fabrico aditivo certos para uma peça e a desenvolver o design para fabrico aditivo (DfAM) e a modelação CAD dessa peça. O fabrico aditivo (Additive Manufacturing, AM), vulgo "impressão 3D", constrói peças camada a camada a partir de um modelo digital, em vez de remover material (maquinagem) ou de o moldar. Para um técnico de desenho e projeto de moldes, o AM é hoje uma ferramenta dupla: serve para imprimir postiços de molde com canais de refrigeração conformais, e para fabricar diretamente pequenas séries de peças poliméricas ou metálicas que, noutros tempos, exigiriam um molde.

O percurso desta sebenta segue a lógica de um projeto real: primeiro percebemos o que é o fabrico aditivo e como se classificam os processos segundo a norma ISO/ASTM 52900; depois estudamos cada família de processos em detalhe (materiais, geometrias possíveis, limitações); a seguir aprendemos a pensar em aditivo (AM design thinking) e a aplicar as orientações de design (DfAM); por fim tratamos do software de fatiamento, da orientação de impressão e do pós-processamento, sem esquecer a segurança e a economia circular.

Objetivos de aprendizagem (referencial): relacionar os diferentes tipos de tecnologias de fabrico aditivo com as especificações e funções do produto a obter; adequar os diferentes tipos de materiais; seguir as etapas do "AM (Additive Manufacturing) design thinking" na conceção de peças; adequar a orientação de impressão em função do processo de fabrico e da geometria da peça; selecionar o material e o processo de fabrico aditivo; e desenvolver design para fabrico aditivo e modelação CAD.

1. Do desenho técnico ao fabrico aditivo

O desenho técnico e o desenho assistido por computador (CAD) são o ponto de partida de qualquer peça, aditiva ou não: sem um modelo digital rigoroso (com cotas, tolerâncias e vistas normalizadas), não há nada para fabricar. No fabrico aditivo, esse modelo tem uma exigência extra: tem de ser um sólido fechado e sem erros de malha (sem furos na superfície, sem faces invertidas, sem interseções soltas), porque é ele que vai ser fatiado camada a camada.

Do CAD ao ficheiro de impressão

O fluxo típico de trabalho é:

Modelação CAD (sólido paramétrico)
   → exportar para malha (STL, 3MF, OBJ)
      → verificar e reparar a malha
         → software de fatiamento (slicer)
            → ficheiro de máquina (G-code ou equivalente)
               → equipamento de fabrico aditivo

A manipulação de ficheiros em CAD inclui saber exportar corretamente para os formatos que os equipamentos de fabrico aditivo aceitam, ajustar a resolução da malha (número de triângulos) e verificar a integridade do modelo antes de o enviar para o fatiador. Um modelo CAD bem construído, com histórico de operações claro e cotas coerentes com o desenho técnico, poupa muito tempo mais à frente, quando for preciso corrigir uma saliência ou uma parede demasiado fina.

2. O que é o fabrico aditivo e a cadeia de processos

O fabrico aditivo constrói uma peça adicionando material camada a camada, a partir de um modelo digital, ao contrário do fabrico subtrativo (maquinagem, que remove material de um bloco) e do fabrico formativo (moldação, injeção, forjamento, que dá forma a um material por deformação ou enchimento de um molde).

A cadeia de processos de fabrico

Uma peça raramente sai pronta da máquina de fabrico aditivo. A cadeia de processos de fabrico típica é:

1. Modelação CAD e preparação do ficheiro.
2. Fatiamento (slicing) e definição de parâmetros de impressão.
3. Fabrico propriamente dito (deposição, cura ou fusão camada a camada).
4. Pós-processamento (remoção de suportes, limpeza, cura adicional, tratamento térmico, acabamento).
5. Controlo de qualidade (medição de cotas, inspeção visual, ensaios).

Esta cadeia é diferente consoante o processo: uma peça em material extrusion sai quase pronta a usar, enquanto uma peça metálica em powder bed fusion só está a meio do caminho quando sai da máquina.

3. Classificação ISO/ASTM 52900: as sete famílias de processos

A norma ISO/ASTM 52900 organiza todo o fabrico aditivo em sete categorias de processos, definidas pelo mecanismo físico usado para unir o material:

Esta classificação é o mapa de todo o resto da UC: cada categoria tem materiais, geometrias possíveis, tolerâncias e regras de suportes diferentes, e escolher a categoria certa é a primeira decisão de qualquer projeto de fabrico aditivo. As quatro categorias mais usadas na indústria (e as estudadas em detalhe nesta sebenta) são material extrusion, vat photopolymerization, powder bed fusion (polímero e metal) e binder jetting/material jetting.

4. Material extrusion (FFF/FDM)

O material extrusion (MEX), popularmente conhecido por FFF (Fused Filament Fabrication) ou pelo nome comercial FDM, funde um filamento termoplástico e extruda-o através de um bico aquecido, depositando-o camada a camada sobre uma mesa.

Características e materiais

• Materiais poliméricos comuns: PLA (fácil, pouco resistente ao calor), PETG (bom compromisso resistência/facilidade), ABS (mais resistente ao calor, exige câmara fechada), náilon e PC (técnicos), compósitos com fibra de carbono ou vidro.
• Tolerância dimensional típica: ±0,2 a ±0,5 mm (ou cerca de ±0,5% da maior cota).
• Espessura mínima de parede recomendada: cerca de 0,8 a 1,2 mm (2 a 3 perímetros com um bico de 0,4 mm).
• Ângulo crítico de saliência: uma superfície inclinada a 45° ou mais acima do plano horizontal imprime sem suporte; abaixo disso, precisa de suporte.
• Anisotropia marcada: a peça é mais resistente no plano das camadas do que entre camadas (a direção Z é o ponto fraco).

Exemplo resolvido: camadas, tempo e custo de uma peça em FFF

Uma peça em PETG (um suporte de fixação para um dispositivo de controlo de qualidade) tem 54 mm de altura de construção. O fatiador usa uma altura de camada de 0,2 mm.

1. Número de camadas: N = 54 / 0,2 = 270 camadas.
2. O fatiador estima 25 segundos por camada em média. Tempo total: 270 × 25 s = 6750 s = 112,5 min = 1,875 h (cerca de 1 h 52 min).
3. O fatiador reporta um volume real de material depositado de 52 cm³ (paredes + 20% de enchimento). A densidade do PETG é 1,27 g/cm³: massa = 52 × 1,27 = 66,04 g.
4. O filamento custa 22 €/kg: custo do material = 0,06604 kg × 22 €/kg = 1,45 €.
5. A máquina custa (energia + amortização) 1,10 €/h: para 3,5 h de impressão real, custo de máquina = 3,5 × 1,10 = 3,85 €.
6. A remoção de suportes e o acabamento demoram 10 minutos de mão de obra a 12 €/h: (10/60) × 12 = 2,00 €.
7. Custo total por peça = 1,45 + 3,85 + 2,00 = 7,30 €.

Este é o cálculo base de custeio de qualquer peça em fabrico aditivo: material + tempo de máquina + mão de obra de pós-processamento.

5. Vat photopolymerization (SLA/DLP)

A vat photopolymerization (VPP), conhecida por SLA (Stereolithography) ou DLP (Digital Light Processing), cura seletivamente uma resina fotopolimerizável líquida com um laser ou um projetor de luz, camada a camada, dentro de um tanque (vat).

Características e materiais

• Materiais: resinas standard, resinas de engenharia (mais duras ou mais flexíveis), resinas dentárias/biocompatíveis, resinas de fundição (queimam sem deixar cinzas, para joalharia e fundição de precisão).
• Tolerância dimensional típica: ±0,05 a ±0,15 mm, a mais apertada entre os processos poliméricos, o que permite muito detalhe.
• Espessura mínima de parede: cerca de 0,5 a 1 mm.
• Ângulo crítico mais exigente do que em FFF, tipicamente entre 30° e 45°; qualquer elemento "flutuante" (sem ligação ao resto da peça) precisa sempre de suporte, seja qual for o ângulo.
• Peças ocas precisam de furos de drenagem de resina: pelo menos um furo de entrada e um de saída (respiro), com diâmetro mínimo de 3 a 5 mm, para a resina não polimerizada escorrer de dentro da peça.

Exemplo resolvido: camadas e tempo de uma peça em SLA

Uma peça de verificação de forma (um gabarito) tem 30 mm de altura. O equipamento usa altura de camada de 0,05 mm, mais fina do que em FFF porque a resolução da fotopolimerização é maior.

1. Número de camadas: N = 30 / 0,05 = 600 camadas.
2. Cada camada demora, em média, 12 segundos (exposição + separação da base do tanque). Tempo total: 600 × 12 s = 7200 s = 120 min = 2 h.

Note-se que em VPP o tempo de construção depende sobretudo do número de camadas (a área exposta em cada camada tem menos impacto do que em processos por deposição), ao contrário do FFF, onde o comprimento total do percurso do bico pesa muito.

6. Powder bed fusion de polímero (SLS)

O powder bed fusion (PBF) de polímero, conhecido por SLS (Selective Laser Sintering), funde seletivamente um leito de pó (tipicamente poliamida, PA12) com um laser, camada a camada. O pó não fundido à volta da peça funciona como suporte natural.

Características

• Não precisa de suportes dedicados: o pó não sinterizado sustenta as saliências e as peças suspensas, o que permite geometrias muito complexas e várias peças "empilhadas" no mesmo fabrico (nesting).
• Grandes saliências horizontais podem ainda empenar (warping) por efeito térmico, mesmo sem precisarem de suporte estrutural.
• Espessura mínima de parede: cerca de 0,7 a 1 mm.
• Peças com cavidades fechadas precisam de furos de purga do pó não fundido, com pelo menos 5 mm de diâmetro, para o pó solto sair de dentro da peça depois do fabrico.
• Tolerância dimensional típica: ±0,3% da cota (ou ±0,3 mm nas cotas mais pequenas).

7. Powder bed fusion de metal (LPBF/DMLS)

O powder bed fusion (PBF) de metal, conhecido por LPBF (Laser Powder Bed Fusion) ou DMLS (Direct Metal Laser Sintering), funde totalmente um leito de pó metálico (aço maraging, aço inoxidável, alumínio, titânio) com um laser de alta potência, dentro de uma câmara com atmosfera inerte (árgon ou azoto), para evitar a oxidação do metal fundido.

Características e diferenças críticas em relação ao SLS

Ao contrário do PBF de polímero, o PBF de metal precisa de suportes mesmo havendo pó à volta da peça, por três razões:

1. Ancoragem à placa de construção, para a peça não se soltar com a força do laser.
2. Controlo das tensões residuais: o aquecimento e arrefecimento rápidos de cada camada geram tensões que empenam a peça se não houver suportes suficientes.
3. Dissipação de calor em saliências, para o metal fundido não colapsar sobre o pó solto.

Por isso o ângulo crítico de saliência em LPBF/DMLS é semelhante ao do FFF, tipicamente cerca de 45° a partir do horizontal, mas motivado pela térmica e não só pela gravidade.

• Espessura mínima de parede: cerca de 0,3 a 0,5 mm.
• Tolerância dimensional típica: ±0,1 a ±0,2 mm.
• Pós-processamento obrigatório: alívio de tensões (tratamento térmico) com a peça ainda presa à placa, corte da peça da placa (habitualmente por eletroerosão a fio), remoção manual ou mecânica dos suportes, e por vezes prensagem isostática a quente (HIP) para fechar porosidade residual.

Ligação ao curso: postiços de molde com canais de refrigeração conformais

É aqui que o fabrico aditivo se cruza diretamente com o projeto de moldes. Um postiço de molde fabricado por LPBF em aço maraging pode ter canais de refrigeração conformais: canais que seguem a forma da cavidade, a distância constante da superfície moldante, em vez dos furos retos que a maquinagem convencional obriga. O resultado é um arrefecimento mais uniforme, ciclos de injeção mais curtos e peças moldadas com menos empeno.

Exemplo resolvido: custo de um postiço em LPBF

Um pequeno postiço de teste em aço maraging tem um volume real de material (peça + suportes) de 15 cm³.

1. Densidade do aço maraging: 8,0 g/cm³. Massa = 15 × 8,0 = 120 g.
2. O pó metálico custa 85 €/kg: custo de pó = 0,120 kg × 85 €/kg = 10,20 €.
3. O fabrico demora 6 horas de máquina, a 25 €/h: custo de máquina = 6 × 25 = 150,00 €.
4. O consumo de árgon custa 2 €/h: 6 × 2 = 12,00 €.
5. Custo total = 10,20 + 150,00 + 12,00 = 172,20 €, sem contar ainda o alívio de tensões, o corte da placa e a maquinagem de acabamento.

Este exemplo mostra porque o LPBF metálico só compensa para geometrias que não têm alternativa (como os canais conformais internos) ou para séries muito pequenas e peças de grande valor acrescentado, como os próprios postiços de molde.

Verificar uma cota fora de tolerância

Um furo com cota nominal de 10 mm, com tolerância de fabrico típica de ±0,15 mm em LPBF, sai medido em 10,18 mm. O desvio é 10,18 − 10 = 0,18 mm, que é maior do que a tolerância de 0,15 mm: a peça está fora de tolerância e precisa de correção (maquinagem de acabamento no furo, ou compensação da cota no CAD para a próxima peça).

8. Binder jetting e material jetting

Duas famílias adicionais completam o quadro de processos mais usados.

Binder jetting (BJT)

Um cabeçote de impressão deposita um ligante líquido sobre um leito de pó (metal, areia de fundição ou gesso), colando os grãos seletivamente, camada a camada, à temperatura ambiente.

• Não precisa de suportes: o pó não colado sustenta a peça, tal como no PBF de polímero.
• A peça sai do equipamento no estado "verde" (frágil, só ligada pelo binder) e tem de ser sinterizada (metal) ou curada (areia) para ganhar resistência.
• A sinterização provoca contração, tipicamente entre alguns pontos percentuais e cerca de 20%, consoante o material e se há infiltração de outro metal (como o bronze) para preencher a porosidade.
• Tolerância mais larga do que no LPBF: cerca de ±0,3 a ±0,5% da cota.
• Aplicação típica: peças metálicas de forma complexa em maior quantidade, moldações de areia para fundição, protótipos coloridos em gesso.

Material jetting (MJT)

Um cabeçote deposita gotas de material (fotopolímero ou cera) que curam com luz UV logo a seguir, camada a camada, como uma impressora de jato de tinta a três dimensões.

• Alta precisão: tolerância típica ±0,1 mm, e permite multi-material e multicor na mesma peça.
• Precisa de material de suporte, normalmente solúvel em água ou removível em gel, retirado por jato de água ou por fusão em forno.
• Aplicação típica: modelos de apresentação muito detalhados, protótipos com aspeto final (elastómeros e rígidos na mesma peça).

9. Materiais poliméricos e metálicos para fabrico aditivo

A seleção de materiais é inseparável da seleção do processo: cada processo só aceita algumas famílias de material, e cada material só está disponível nalguns processos.

Do lado da caracterização dos processos, a escolha cruza sempre três eixos: a função da peça (protótipo visual, peça mecânica, ferramenta de produção), o material exigido pela função (resistência térmica, mecânica, biocompatibilidade) e a geometria (saliências, cavidades, paredes finas). Enumerar vantagens e limitações de cada processo é o que permite argumentar a escolha: por exemplo, a SLS não precisa de suportes e permite geometrias muito complexas, mas o acabamento superficial é mais rugoso do que na SLA; o LPBF produz peças metálicas funcionais, mas é o processo mais caro e mais lento por volume.

10. Pensamento aditivo: o AM design thinking

O critério de desempenho da UC pede para seguir as etapas do "AM (Additive Manufacturing) design thinking" na conceção de peças. É uma forma de projetar que parte da liberdade de forma do fabrico aditivo, em vez de desenhar como se fosse para maquinar ou moldar e só depois "adaptar" ao fabrico aditivo.

As etapas

1. Identificar a oportunidade: a peça beneficia mesmo do fabrico aditivo (geometria complexa, série pequena, personalização, consolidação de peças)?
2. Definir os requisitos funcionais: cargas, temperatura de serviço, tolerâncias, ambiente de trabalho.
3. Idear em liberdade de forma: propor formas orgânicas, treliças, canais internos, sem as restrições da maquinagem ou da moldação.
4. Aplicar as orientações de design (DfAM): ajustar a proposta às regras do processo escolhido (ângulos, paredes, suportes).
5. Otimizar: otimização topológica, estruturas em treliça, consolidação de várias peças numa só.
6. Selecionar o material e o processo de fabrico aditivo definitivos, cruzando função, material e geometria.
7. Preparar o fabrico: orientação de impressão, fatiamento, parâmetros.
8. Fabricar e pós-processar.
9. Validar: medir, testar, comparar com os requisitos; iterar se necessário.

Este ciclo não é linear na prática (há sempre iteração entre a ideação e o DfAM), mas segui-lo por ordem evita o erro mais comum: desenhar primeiro e "pensar em aditivo" só no fim.

11. Orientações de design para fabrico aditivo (DfAM)

As orientações de design para fabrico aditivo são o conjunto de regras práticas que tornam uma peça fabricável, robusta e económica no processo escolhido.

Ângulo crítico de saliência e suportes

O ângulo crítico de saliência é o ângulo mínimo, medido a partir do plano horizontal, a partir do qual uma superfície se constrói sem suporte. Abaixo desse ângulo, a camada nova fica sem apoio suficiente na camada anterior e precisa de estruturas de suporte.

• Em FFF e em LPBF/DMLS, o valor de referência típico é 45°.
• Em VPP (SLA/DLP), o valor de referência é mais exigente, entre 30° e 45°.
• Em SLS e binder jetting, o pó não fundido/não colado à volta da peça funciona como suporte natural, dispensando suporte dedicado na maioria das saliências.

Exemplo: uma nervura de reforço desenhada com uma face inclinada a 35° acima do horizontal, para fabrico em FFF. Como 35° é menor do que o ângulo crítico de 45°, essa face precisa de suporte. A solução de design é rodar a peça ou redesenhar a nervura com uma inclinação de pelo menos 45°, eliminando o suporte e o acabamento extra que ele exige.

Orientação de construção e as suas consequências

A orientação de construção (como a peça é colocada na mesa antes do fatiamento) determina:

• Quantidade de suporte necessária (menos saliências viradas para baixo, menos suporte).
• Anisotropia: a peça é sempre mais fraca na direção entre camadas (Z) do que no plano de cada camada; orientar a peça para que as cargas principais fiquem no plano das camadas, não a atravessá-las, aumenta muito a resistência.
• Acabamento superficial: superfícies verticais e horizontais ficam mais lisas; superfícies inclinadas mostram o "efeito de escada" (staircase) das camadas, tanto mais visível quanto maior a altura de camada.

Espessura mínima de parede e folgas para peças montadas

Cada processo tem uma espessura mínima de parede abaixo da qual a peça fica frágil ou nem chega a imprimir corretamente (ver as tabelas dos capítulos 4 a 8). Para peças montadas (encaixes, dobradiças impressas, roscas), é preciso prever folga entre superfícies em contacto: um valor de referência prático é 0,2 a 0,3 mm de folga por lado em FFF, e 0,1 a 0,15 mm em VPP/LPBF, para as peças rodarem ou deslizarem sem ficarem coladas pela imprecisão do processo.

Furos, canais autoportantes e drenagem

Furos e canais horizontais até cerca de 8 a 10 mm de diâmetro costumam ser autoportantes (a curvatura evita o colapso), sobretudo em forma de losango ou de gota em vez de círculo perfeito; acima disso, ou precisam de suporte interno, ou de serem redesenhados com essa secção não circular. Canais longos precisam ainda de drenagem do que ficou lá dentro: pó (SLS, LPBF, binder jetting) ou resina (VPP).

Exemplo: um canal de refrigeração conformal num postiço de molde, com 6 mm de diâmetro e 120 mm de percurso entre a entrada e a saída. A razão comprimento/diâmetro é 120 / 6 = 20. Como valor de referência prático (não normalizado), razões acima de cerca de 15:1 dificultam a remoção completa do pó não fundido só pelas duas extremidades; a solução de design é acrescentar uma porta de purga intermédia a meio do percurso, tapada depois com um bujão, para garantir que não fica pó preso dentro do canal.

Estruturas em treliça, otimização topológica e consolidação de peças

• Estruturas em treliça (lattice): substituem material sólido por uma malha tridimensional de barras finas, reduzindo peso e material com pouca perda de rigidez onde a carga é baixa.
• Otimização topológica: um algoritmo remove material das zonas menos solicitadas de uma peça, mantendo apenas o "esqueleto" que suporta as cargas, dentro do volume e dos pontos de fixação definidos pelo projetista.
• Consolidação de peças: várias peças de um conjunto (parafusos, suportes, ligações) são redesenhadas como uma única peça impressa, eliminando montagem, folgas e pontos de falha.

Exemplo resolvido: um suporte estrutural, originalmente com 420 g, é redesenhado com otimização topológica e passa a ter 275 g, mantendo os pontos de fixação e a rigidez exigida. A poupança de massa é (420 − 275) / 420 = 34,52%. Como o custo do material é proporcional à massa, esta é também, aproximadamente, a poupança em custo de material.

12. Software de fatiamento, malha e orientação de impressão

O software de fatiamento (slicer) transforma o modelo em malha (STL/3MF) numa sequência de camadas e instruções de máquina.

Malha e manipulação dos ficheiros de impressão 3D

Uma malha (mesh) é uma aproximação da superfície do sólido por triângulos. Uma malha de boa qualidade é fechada (watertight, sem furos), coerente (normais das faces todas para fora) e tem resolução suficiente para captar os detalhes sem gerar um ficheiro enorme. Erros comuns de malha (faces em falta, sobreposições, geometria não colectora) têm de ser corrigidos antes do fatiamento, com uma ferramenta de reparação de malhas.

Parâmetros de fatiamento

• Altura de camada: mais fina dá mais detalhe e mais tempo; mais grossa dá mais rapidez e mais "efeito de escada".
• Percentagem de enchimento (infill): percentagem do interior que é sólido; valores típicos entre 15% e 50% para peças funcionais, conforme a carga esperada.
• Suportes: onde e com que densidade colocar as estruturas de suporte, e o tipo de interface com a peça (para facilitar a remoção sem danificar a superfície).
• Orientação de impressão: como já visto no capítulo 11, decide suportes, anisotropia e acabamento.

Otimização de programas de fatiamento

Efetuar a otimização de programas de fatiamento é ajustar estes parâmetros para o objetivo do projeto: menos tempo e material (protótipo rápido), mais resistência (peça funcional), ou melhor acabamento (peça de apresentação). Um exemplo comum é reorientar a peça para reduzir suportes: uma peça que precisava de 9,2 h de impressão com muitos suportes, depois de reorientada para minimizar saliências, passa a 6,5 h. A redução de tempo é (9,2 − 6,5) / 9,2 = 29,35%, só por mudar a orientação, sem alterar a geometria da peça.

13. Pós-processamento, economia circular e segurança

Pós-processamento de peças

Avaliar a exigência de pós-processamento faz parte da seleção do processo, porque muda completamente o tempo e o custo total de uma peça:

Economia circular

O fabrico aditivo tem um papel na economia circular: reduz o desperdício de material em comparação com processos subtrativos (só se usa o material da peça e dos suportes, não de todo o bloco original); permite reciclar pó não fundido (SLS, LPBF, dentro dos limites de qualidade do fabricante); e a possibilidade de fabricar peças de substituição sob pedido reduz stocks e transporte. Em contrapartida, os suportes removidos e o material fora de especificação são resíduos a gerir corretamente.

Normas de segurança e saúde no trabalho

O passo de maior exposição em todo o processo é o despoeiramento, a limpeza e a remoção de suportes, e as regras variam muito consoante o material:

⚠️ Pós metálicos (LPBF/DMLS): são um risco de inalação e, em concentração no ar, um risco de explosão (atmosfera explosiva). Nunca limpar com ar comprimido (levanta uma nuvem de pó facilmente inflamável); usar sempre um aspirador certificado ATEX. Ligar à terra (bonding) o equipamento e os recipientes para evitar eletricidade estática, usar vestuário antiestático, e manusear em atmosfera controlada sempre que o fabricante o exigir (alumínio e titânio são particularmente reativos em pó).

⚠️ Resinas fotopolimerizáveis (VPP): são sensibilizantes por contacto com a pele. Usar sempre luvas (nitrilo, não látex) e trabalhar em local ventilado; evitar o contacto direto e lavar de imediato em caso de salpico.

⚠️ Todos os processos: o despoeiramento e a remoção de suportes exigem equipamento de proteção individual (EPI) próprio para o material em causa (luvas, proteção respiratória adequada, proteção ocular), e nunca devem ser feitos com o EPI genérico da oficina de maquinagem.

Erros comuns

• Aplicar a regra de suportes do SLS (não precisa) ao LPBF metálico (precisa sempre, por térmica e ancoragem), só porque os dois usam um leito de pó.
• Confundir o volume da caixa envolvente de uma peça com o volume real de material impresso (que depende do enchimento e das paredes).
• Desenhar um canal ou cavidade fechada sem pensar na drenagem de pó ou de resina.
• Limpar pó metálico com ar comprimido, criando uma nuvem de pó facilmente inflamável.
• Escolher o processo pelo equipamento disponível, em vez de pela função, pelo material e pela geometria da peça.
• Ignorar a anisotropia: orientar uma peça de forma a que a carga principal atravesse as camadas em vez de as percorrer.
• Tratar as tolerâncias e as espessuras mínimas de um processo como se fossem normas universais, válidas para qualquer processo.

Glossário

• AM (Additive Manufacturing): fabrico aditivo, construção de peças camada a camada a partir de um modelo digital.
• ISO/ASTM 52900: norma internacional que classifica o fabrico aditivo em sete categorias de processos.
• DfAM: Design for Additive Manufacturing, orientações de design específicas para o fabrico aditivo.
• MEX (material extrusion): extrusão de filamento fundido; inclui o FFF/FDM.
• VPP (vat photopolymerization): fotopolimerização de resina líquida num tanque; inclui o SLA e o DLP.
• PBF (powder bed fusion): fusão seletiva de um leito de pó com laser; inclui o SLS (polímero) e o LPBF/DMLS (metal).
• BJT (binder jetting): jato de ligante sobre um leito de pó.
• MJT (material jetting): jato de gotas de material que curam por luz UV.
• Ângulo crítico de saliência: ângulo mínimo, a partir do horizontal, que uma superfície inclinada pode ter sem precisar de suporte.
• Anisotropia: propriedade mecânica diferente consoante a direção; nas peças aditivas, mais fraca entre camadas (Z).
• Orientação de construção: posição da peça na mesa antes do fatiamento.
• Malha (mesh): representação da superfície de um sólido por triângulos (STL, 3MF).
• Fatiamento (slicing): conversão do modelo em malha numa sequência de camadas e instruções de máquina.
• Suporte: estrutura temporária que sustenta saliências durante o fabrico, removida no pós-processamento.
• Otimização topológica: método que remove material das zonas menos solicitadas de uma peça, mantendo a rigidez necessária.
• Estrutura em treliça (lattice): malha tridimensional de barras que substitui material sólido, poupando peso.
• Consolidação de peças: redesenho de vários componentes montados como uma peça única impressa.
• Postiço de molde: inserto de um molde de injeção que define a forma da peça moldada.
• Canal de refrigeração conformal: canal de arrefecimento que segue a forma da cavidade do molde, a distância constante da superfície.
• HIP: prensagem isostática a quente, tratamento pós-fabrico que fecha porosidade residual em peças metálicas.
• Economia circular: modelo que reduz desperdício, reutiliza materiais e prolonga a vida útil dos recursos.

Atitudes e âmbito de aplicação

Estas orientações de fabrico aditivo e de DfAM são aplicáveis a diferentes contextos de design industrial, muito para além dos postiços de molde: peças aeronáuticas, dispositivos médicos, ferramentas de produção e produtos de consumo seguem a mesma lógica de seleção de material e processo. O que muda de contexto para contexto é o material e a exigência funcional; a metodologia (AM design thinking, DfAM, seleção de material e processo) mantém-se.

O trabalho desta UC avalia também um conjunto de atitudes profissionais: responsabilidade pelas próprias decisões de projeto, autonomia na condução das tarefas, sentido de organização e sentido crítico perante os resultados do fatiador e da simulação, assertividade na comunicação ao justificar a escolha de material e processo perante um cliente ou colega, autodisciplina e iniciativa e proatividade na resolução de problemas de fabrico, rigor no cumprimento das cotas e das normas de segurança, autocontrolo perante um fabrico falhado, cooperação com a equipa e respeito pelas regras e normas definidas, sobretudo as de segurança no manuseamento de pós metálicos e resinas.

Síntese

O fabrico aditivo organiza-se em sete categorias ISO/ASTM 52900 (material extrusion, vat photopolymerization, powder bed fusion, binder jetting, material jetting, sheet lamination, directed energy deposition), cada uma com materiais, tolerâncias, regras de suporte e pós-processamento próprios: FFF (barato e versátil, mas anisotrópico), SLA/DLP (detalhe fino, precisa de drenagem de resina), SLS (sem suporte dedicado, mas exige purga de pó), LPBF/DMLS (metal funcional, mas precisa sempre de suporte térmico e de pós-processamento pesado), binder jetting e material jetting (peças "verdes" ou com suporte solúvel). Projetar bem começa pelo AM design thinking (pensar em aditivo desde a ideia, não só no fim) e aplica-se com as orientações de DfAM: ângulo crítico de saliência, orientação de construção, espessura mínima de parede, folgas de montagem, drenagem de furos e canais, treliças, otimização topológica e consolidação de peças. Ligado ao curso, os postiços de molde com canais de refrigeração conformais são o exemplo mais direto de como o fabrico aditivo resolve algo que a maquinagem convencional não consegue. Fecha-se o ciclo com o software de fatiamento (malha, parâmetros, orientação), o pós-processamento (avaliado processo a processo) e, sempre, a segurança no manuseamento de pós metálicos e resinas.

Exercícios resolvidos

1. Classifica o processo FFF, o SLA e o LPBF nas categorias da ISO/ASTM 52900.

Resolução: FFF pertence a material extrusion (MEX); SLA pertence a vat photopolymerization (VPP); LPBF pertence a powder bed fusion (PBF), na variante metálica.

2. Uma peça em FFF tem 40 mm de altura e é fatiada com camadas de 0,25 mm. Quantas camadas tem?

Resolução: N = 40 / 0,25 = 160 camadas.

3. Uma nervura está desenhada com uma face a 30° do plano horizontal, para fabrico em SLA. Precisa de suporte?

Resolução: sim. O ângulo crítico em VPP situa-se tipicamente entre 30° e 45°; a 30° a face está no limite mais exigente da faixa e, na prática, a maioria dos equipamentos exige suporte abaixo de 45°. A decisão mais segura é rodar a peça ou redesenhar com um ângulo maior.

4. Porque é que o SLS não precisa de suportes dedicados e o LPBF metálico precisa, mesmo os dois usando um leito de pó?

Resolução: no SLS, o pó polimérico não fundido sustenta mecanicamente as saliências, e as temperaturas de processo são baixas. No LPBF, o laser funde totalmente o metal a temperaturas muito mais altas, o que gera tensões residuais fortes; os suportes servem para ancorar a peça à placa e controlar essas tensões, e não só para sustentar geometria.

5. Um suporte estrutural pesa 420 g. Depois de otimização topológica, passa a 275 g. Qual a poupança percentual de massa?

Resolução: (420 − 275) / 420 = 145 / 420 = 34,52%.

6. Um postiço de molde com canal de refrigeração conformal reduz o tempo de ciclo de injeção de 38 s para 24 s. Qual a redução percentual?

Resolução: (38 − 24) / 38 = 14 / 38 = 36,84%.

7. Uma peça em LPBF tem um furo com cota nominal de 10 mm e tolerância de ±0,15 mm. É medida em 10,18 mm. Está dentro de tolerância?

Resolução: desvio = 10,18 − 10 = 0,18 mm, que é maior do que a tolerância de 0,15 mm. A peça está fora de tolerância e precisa de correção.