Do CAD ao fabrico aditivo

O desenho técnico e o desenho assistido por computador (CAD) continuam a ser o ponto de partida. No fabrico aditivo, o modelo tem uma exigência extra: tem de ser um sólido fechado, sem furos na malha nem faces invertidas.

• CAD paramétrico → exportar para malha (STL, 3MF, OBJ).
• Verificar e reparar a malha antes de a enviar ao fatiador.
• Ajustar a resolução: poucos triângulos perdem detalhe, triângulos a mais geram ficheiros enormes.

A qualidade da manipulação de ficheiros em CAD decide se o resto do fluxo corre bem.

Do modelo ao equipamento

CAD (sólido) → malha (STL/3MF) → reparar malha
   → fatiador (slicer) → ficheiro de máquina → equipamento

• Cada seta desta cadeia pode introduzir erro: exportação, malha, parâmetros de fatiamento.
• Um modelo CAD bem construído poupa retrabalho quando é preciso ajustar uma saliência ou uma parede fina.

Aditivo vs subtrativo vs formativo

O fabrico aditivo constrói a peça a partir de um modelo digital, sem ferramenta específica para cada forma, ao contrário do molde ou da matriz.

A cadeia de processos de fabrico

1. Modelação CAD e preparação do ficheiro.
2. Fatiamento e definição de parâmetros.
3. Fabrico: deposição, cura ou fusão camada a camada.
4. Pós-processamento: suportes, limpeza, tratamento térmico, acabamento.
5. Controlo de qualidade: cotas, inspeção visual, ensaios.

Uma peça em plástico por extrusão sai quase pronta; uma peça metálica por fusão de pó só está a meio do caminho.

A norma de classificação

A ISO/ASTM 52900 organiza o fabrico aditivo em sete categorias, definidas pelo mecanismo físico de união do material.

As quatro famílias mais usadas

Esta UC aprofunda as quatro categorias mais comuns na indústria:

• Material extrusion: FFF/FDM.
• Vat photopolymerization: SLA, DLP.
• Powder bed fusion: SLS (polímero), LPBF/DMLS (metal).
• Binder jetting e material jetting.

Cada uma tem materiais, geometrias possíveis, tolerâncias e regras de suporte diferentes. Escolher a categoria certa é a primeira decisão de qualquer projeto.

Como funciona e materiais

Funde um filamento termoplástico e extruda-o por um bico aquecido, camada a camada.

• Materiais: PLA, PETG, ABS/ASA, náilon, PC, compósitos com fibra.
• Tolerância típica: ±0,2 a ±0,5 mm.
• Parede mínima recomendada: 0,8 a 1,2 mm (2 a 3 perímetros a 0,4 mm).
• Ângulo crítico: cerca de 45° a partir do horizontal.
• Anisotropia marcada: mais fraca entre camadas (Z) do que no plano.

Exemplo resolvido: camadas, tempo e custo

Suporte de fixação em PETG, 54 mm de altura, camada de 0,2 mm.

1. N = 54 / 0,2 = 270 camadas.
2. A 25 s/camada: 270 × 25 = 6750 s = 1,875 h (≈ 1 h 52 min).
3. Volume real depositado: 52 cm³ × densidade 1,27 g/cm³ = 66,04 g.
4. Material: 0,06604 kg × 22 €/kg = 1,45 €.
5. Máquina: 3,5 h × 1,10 €/h = 3,85 €. Mão de obra: (10/60) × 12 = 2,00 €.
6. Total = 1,45 + 3,85 + 2,00 = 7,30 €.

Como funciona e materiais

Cura seletivamente resina líquida com laser (SLA) ou projetor de luz (DLP), num tanque.

• Materiais: resina standard, de engenharia, dentária, de fundição.
• Tolerância típica: ±0,05 a ±0,15 mm, a mais apertada dos processos poliméricos.
• Parede mínima: 0,5 a 1 mm.
• Ângulo crítico: entre 30° e 45°; elementos flutuantes precisam sempre de suporte.
• Peças ocas precisam de furos de drenagem de resina (mínimo 3 a 5 mm).

Exemplo resolvido: camadas e tempo

Gabarito de verificação, 30 mm de altura, camada de 0,05 mm.

1. N = 30 / 0,05 = 600 camadas.
2. A 12 s/camada: 600 × 12 = 7200 s = 120 min = 2 h.

Em VPP, o tempo depende sobretudo do número de camadas; em FFF, pesa mais o comprimento do percurso do bico.

Como funciona e regras

Funde seletivamente um leito de pó, tipicamente poliamida (PA12), com laser.

• Sem suportes dedicados: o pó não fundido sustenta as saliências.
• Grandes saliências horizontais podem ainda empenar (warping).
• Parede mínima: 0,7 a 1 mm.
• Cavidades fechadas precisam de furos de purga do pó (mínimo 5 mm).
• Tolerância típica: ±0,3% da cota.

Porque é diferente do SLS

Funde totalmente um leito de pó metálico (aço maraging, inox, alumínio, titânio) com laser, em atmosfera inerte.

Ao contrário do SLS, precisa sempre de suportes, por três razões:

1. Ancoragem à placa de construção.
2. Controlo de tensões residuais (aquecimento/arrefecimento rápidos).
3. Dissipação de calor em saliências.

Ângulo crítico: cerca de 45°, tal como no FFF, mas por razões térmicas.

Postiços de molde com canais conformais

Um postiço de molde em aço maraging, fabricado por LPBF, pode ter canais de refrigeração conformais: seguem a forma da cavidade, a distância constante da superfície.

• Arrefecimento mais uniforme.
• Ciclos de injeção mais curtos.
• Peças moldadas com menos empeno.

Pós-processamento obrigatório: alívio de tensões, corte da placa (eletroerosão a fio), remoção de suportes, por vezes HIP.

Exemplo resolvido: custo de um postiço em LPBF

Postiço de teste, 15 cm³ de material (peça + suportes), aço maraging (8,0 g/cm³).

1. Massa = 15 × 8,0 = 120 g.
2. Pó: 0,120 kg × 85 €/kg = 10,20 €.
3. Máquina: 6 h × 25 €/h = 150,00 €. Árgon: 6 h × 2 €/h = 12,00 €.
4. Total = 10,20 + 150,00 + 12,00 = 172,20 € (antes do pós-processamento).

Verificar tolerância: furo nominal 10 mm, medido 10,18 mm, tolerância ±0,15 mm. Desvio = 0,18 mm > 0,15 mm → fora de tolerância.

Duas famílias adicionais

Binder jetting (BJT): deposita ligante sobre um leito de pó (metal, areia, gesso), à temperatura ambiente.

• Sem suportes; peça sai "verde" e precisa de sinterização.
• Contração na sinterização: alguns pontos percentuais até cerca de 20%.
• Tolerância: ±0,3 a ±0,5% da cota.

Material jetting (MJT): jato de gotas de fotopolímero que curam por UV.

• Tolerância apertada: ±0,1 mm; permite multi-material e multicor.
• Precisa de suporte solúvel, removido por água ou forno.

Escolher material e processo em conjunto

A escolha cruza sempre função, material e geometria: enumerar vantagens e limitações de cada processo é o que sustenta a decisão.

As etapas do pensamento aditivo

1. Identificar a oportunidade (a peça beneficia do fabrico aditivo?).
2. Definir os requisitos funcionais.
3. Idear em liberdade de forma.
4. Aplicar as orientações DfAM.
5. Otimizar (topológica, treliças, consolidação).
6. Selecionar material e processo definitivos.
7. Preparar o fabrico (orientação, fatiamento).
8. Fabricar e pós-processar.
9. Validar e iterar.

Ângulo crítico de saliência

Ângulo mínimo, a partir do horizontal, a partir do qual uma superfície se constrói sem suporte.

Exemplo: nervura a 35° em FFF. Como 35° < 45°, precisa de suporte; a solução é rodar a peça ou redesenhar com ângulo maior.

Orientação de construção

Decide três coisas ao mesmo tempo:

• Quantidade de suporte necessária.
• Anisotropia: orientar para a carga principal ficar no plano das camadas, nunca a atravessá-las.
• Acabamento: superfícies inclinadas mostram o "efeito de escada" (staircase), tanto mais visível quanto maior a altura de camada.

A mesma peça, orientada de duas formas diferentes, pode precisar de suportes muito diferentes e ter resistências muito diferentes.

Espessura mínima de parede e folgas

• Cada processo tem uma espessura mínima de parede (ver blocos 4 a 8); abaixo dela, a peça fica frágil ou nem imprime bem.
• Peças montadas precisam de folga: cerca de 0,2 a 0,3 mm por lado em FFF; 0,1 a 0,15 mm em VPP/LPBF.

Furos, canais e drenagem

• Furos/canais até 8 a 10 mm costumam ser autoportantes, sobretudo em losango.
• Exemplo: canal conformal, 6 mm de diâmetro, 120 mm de percurso → razão L/D = 120/6 = 20. Acima de ≈15:1 (valor prático), acrescentar porta de purga intermédia.

Treliças, otimização topológica e consolidação

• Treliça (lattice): malha 3D de barras, substitui material sólido onde a carga é baixa.
• Otimização topológica: remove material das zonas menos solicitadas, mantendo o "esqueleto" estrutural.
• Consolidação de peças: várias peças montadas passam a uma peça única impressa.

Exemplo: suporte de 420 g otimizado para 275 g. Poupança = (420 − 275) / 420 = 34,52%.

Malha e manipulação de ficheiros

Uma malha (mesh) aproxima a superfície por triângulos. Boa malha: fechada, coerente (normais para fora), resolução suficiente.

Erros de malha (faces em falta, sobreposições) têm de ser corrigidos antes do fatiamento, com uma ferramenta de reparação.

Parâmetros principais do fatiador: altura de camada, percentagem de enchimento (15% a 50% típico), suportes, orientação.

Otimizar o programa de fatiamento

Ajustar os parâmetros ao objetivo do projeto: menos tempo (protótipo), mais resistência (peça funcional), melhor acabamento (apresentação).

Exemplo resolvido: peça com 9,2 h de impressão e muitos suportes; reorientada, passa a 6,5 h.

Redução = (9,2 − 6,5) / 9,2 = 29,35%, só por reorientar, sem mudar a geometria.

Avaliar a exigência de pós-processamento

Economia circular

Menos desperdício que o subtrativo; reciclagem de pó não fundido; peças de substituição sob pedido reduzem stock.

Segurança no despoeiramento e na remoção de suportes

O passo de maior exposição de toda a cadeia.

• Pós metálicos: risco de inalação e de explosão (atmosfera explosiva). Nunca usar ar comprimido; usar aspirador ATEX, ligação à terra, vestuário antiestático.
• Resinas fotopolimerizáveis: sensibilizantes; usar luvas de nitrilo e local ventilado.
• Todos os processos: EPI próprio para o material, nunca o EPI genérico da maquinagem.