A manufatura aditiva, também conhecida como impressão 3D, tem evoluído continuamente ao longo de quase 35 anos desde seu uso comercial. Os setores aeroespacial, automotivo, de defesa, energia, transporte, médico, odontológico e de consumo utilizam a manufatura aditiva para uma ampla gama de aplicações.
Com uma adoção tão ampla, fica claro que a manufatura aditiva não é uma solução única. De acordo com a norma terminológica ISO/ASTM 52900, quase todos os sistemas comerciais de manufatura aditiva se enquadram em uma das sete categorias de processo. Essas categorias incluem extrusão de material (MEX), fotopolimerização em banho (VPP), fusão em leito de pó (PBF), pulverização de ligantes (BJT), pulverização de materiais (MJT), deposição de energia direcionada (DED) e laminação de chapas (SHL). Aqui, eles são classificados por popularidade com base nas vendas unitárias.
Um número crescente de profissionais da indústria, incluindo engenheiros e gerentes, está aprendendo quando a manufatura aditiva pode ajudar a melhorar um produto ou processo e quando não pode. Historicamente, as principais iniciativas para implementar a manufatura aditiva partiram de engenheiros experientes na tecnologia. A gerência vê cada vez mais exemplos de como a manufatura aditiva pode melhorar a produtividade, reduzir os prazos de entrega e criar novas oportunidades de negócios. A manufatura aditiva não substituirá a maioria das formas tradicionais de manufatura, mas se tornará parte do arsenal de desenvolvimento de produtos e capacidades de manufatura do empreendedor.
A manufatura aditiva possui uma ampla gama de aplicações, desde microfluídica até construção em larga escala. Os benefícios da manufatura aditiva variam de acordo com o setor, a aplicação e o desempenho necessário. As organizações devem ter bons motivos para implementar a manufatura aditiva, independentemente do caso de uso. Os mais comuns são modelagem conceitual, verificação de projeto e verificação de adequação e funcionalidade. Cada vez mais empresas a utilizam para criar ferramentas e aplicações para produção em massa, incluindo o desenvolvimento de produtos personalizados.
Para aplicações aeroespaciais, o peso é um fator importante. De acordo com o Centro de Voos Espaciais Marshall da NASA, custa cerca de US$ 10.000 para colocar uma carga útil de 0,45 kg na órbita da Terra. Reduzir o peso dos satélites pode economizar nos custos de lançamento. A imagem em anexo mostra uma peça metálica Swissto12 de AM que combina vários guias de onda em uma única peça. Com AM, o peso é reduzido para menos de 0,08 kg.
A manufatura aditiva é utilizada em toda a cadeia de valor do setor de energia. Para algumas empresas, o argumento comercial para o uso da manufatura aditiva é a rápida iteração de projetos para criar o melhor produto possível no menor tempo possível. No setor de petróleo e gás, peças ou conjuntos danificados podem custar milhares de dólares ou mais em perda de produtividade por hora. Usar a manufatura aditiva para restaurar operações pode ser especialmente atraente.
A MX3D, grande fabricante de sistemas DED, lançou um protótipo de ferramenta para reparo de tubulações. Uma tubulação danificada pode custar entre € 100.000 e € 1.000.000 (US$ 113.157 a US$ 1.131.570) por dia, segundo a empresa. O dispositivo mostrado na próxima página utiliza uma peça CNC como estrutura e solda DED na circunferência da tubulação. A AM proporciona altas taxas de deposição com desperdício mínimo, enquanto a CNC proporciona a precisão necessária.
Em 2021, um revestimento de água impresso em 3D foi instalado em uma plataforma de petróleo da TotalEnergies no Mar do Norte. As camisas d'água são um elemento crítico usado para controlar a recuperação de hidrocarbonetos em poços em construção. Nesse caso, os benefícios do uso da manufatura aditiva são a redução dos prazos de entrega e a redução de emissões em 45% em comparação com as camisas d'água forjadas tradicionais.
Outro argumento comercial para a manufatura aditiva é a redução de ferramentas caras. A Phone Scope desenvolveu adaptadores digiscoping para dispositivos que conectam a câmera do seu telefone a um telescópio ou microscópio. Novos telefones são lançados todos os anos, exigindo que as empresas lancem uma nova linha de adaptadores. Ao usar a manufatura aditiva, uma empresa pode economizar dinheiro em ferramentas caras que precisam ser substituídas quando novos telefones são lançados.
Como acontece com qualquer processo ou tecnologia, a manufatura aditiva não deve ser utilizada por ser considerada nova ou diferente. O objetivo é aprimorar o desenvolvimento de produtos e/ou os processos de fabricação. Deve agregar valor. Exemplos de outros casos de negócios incluem produtos personalizados e customização em massa, funcionalidade complexa, peças integradas, menos material e peso, e desempenho aprimorado.
Para que a manufatura aditiva concretize seu potencial de crescimento, desafios precisam ser enfrentados. Para a maioria das aplicações de manufatura, o processo deve ser confiável e reprodutível. Os métodos subsequentes de automação da remoção de material de peças e suportes e do pós-processamento ajudarão. A automação também aumenta a produtividade e reduz o custo por peça.
Uma das áreas de maior interesse é a automação do pós-processamento, como remoção de pó e acabamento. Ao automatizar o processo de produção em massa de aplicações, a mesma tecnologia pode ser repetida milhares de vezes. O problema é que métodos específicos de automação podem variar de acordo com o tipo, tamanho, material e processo da peça. Por exemplo, o pós-processamento de coroas dentárias automatizadas é muito diferente do processamento de peças de motores de foguete, embora ambos possam ser feitos de metal.
Como as peças são otimizadas para AM, recursos mais avançados e canais internos são frequentemente adicionados. Para PBF, o principal objetivo é remover 100% do pó. A Solukon fabrica sistemas automáticos de remoção de pó. A empresa desenvolveu uma tecnologia chamada Recuperação Inteligente de Pó (SRP), que gira e vibra peças metálicas que ainda estão fixadas na placa de construção. A rotação e a vibração são controladas pelo modelo CAD da peça. Ao mover e agitar as peças com precisão, o pó capturado flui quase como um líquido. Essa automação reduz o trabalho manual e pode melhorar a confiabilidade e a reprodutibilidade da remoção de pó.
Os problemas e limitações da remoção manual de pó podem limitar a viabilidade do uso da FA para produção em massa, mesmo em pequenas quantidades. Os sistemas de remoção de pó metálico da Solukon podem operar em atmosfera inerte e coletar o pó não utilizado para reutilização em máquinas de FA. A Solukon realizou uma pesquisa com clientes e publicou um estudo em dezembro de 2021 mostrando que as duas maiores preocupações são a saúde ocupacional e a reprodutibilidade.
A remoção manual de pó de estruturas de resina PBF pode ser demorada. Empresas como a DyeMansion e a PostProcess Technologies estão desenvolvendo sistemas de pós-processamento para remover o pó automaticamente. Muitas peças de manufatura aditiva podem ser carregadas em um sistema que inverte e ejeta o meio para remover o excesso de pó. A HP possui seu próprio sistema que supostamente remove o pó da câmara de construção da Jet Fusion 5200 em 20 minutos. O sistema armazena o pó não derretido em um recipiente separado para reutilização ou reciclagem para outras aplicações.
As empresas podem se beneficiar da automação se ela puder ser aplicada à maioria das etapas de pós-processamento. A DyeMansion oferece sistemas para remoção de pó, preparação de superfície e pintura. O sistema PowerFuse S carrega as peças, vaporiza as peças lisas e as descarrega. A empresa fornece um suporte de aço inoxidável para pendurar as peças, o que é feito manualmente. O sistema PowerFuse S pode produzir uma superfície semelhante a um molde de injeção.
O maior desafio que a indústria enfrenta é entender as reais oportunidades que a automação oferece. Se for necessário fabricar um milhão de peças de polímero, os processos tradicionais de fundição ou moldagem podem ser a melhor solução, embora isso dependa da peça. A manufatura aditiva (MA) costuma estar disponível para a primeira fase de produção na produção e testes de ferramentas. Por meio do pós-processamento automatizado, milhares de peças podem ser produzidas de forma confiável e reprodutível usando a MA, mas ela é específica para cada peça e pode exigir uma solução personalizada.
A manufatura aditiva não tem nada a ver com a indústria. Muitas organizações apresentam resultados interessantes de pesquisa e desenvolvimento que podem levar ao funcionamento adequado de produtos e serviços. Na indústria aeroespacial, a Relativity Space produz um dos maiores sistemas de manufatura aditiva de metais usando tecnologia DED proprietária, que a empresa espera que seja usada para fabricar a maioria de seus foguetes. Seu foguete Terran 1 pode levar uma carga útil de 1.250 kg à órbita baixa da Terra. A Relativity planeja lançar um foguete de teste em meados de 2022 e já está planejando um foguete maior e reutilizável chamado Terran R.
Os foguetes Terran 1 e R da Relativity Space são uma forma inovadora de reimaginar como serão os voos espaciais do futuro. O design e a otimização para manufatura aditiva despertaram o interesse neste desenvolvimento. A empresa afirma que este método reduz o número de peças em 100 vezes em comparação com foguetes tradicionais. A empresa também afirma que pode produzir foguetes a partir de matérias-primas em 60 dias. Este é um ótimo exemplo de combinação de muitas peças em uma, simplificando significativamente a cadeia de suprimentos.
Na indústria odontológica, a manufatura aditiva é usada para fazer coroas, pontes, modelos de perfuração cirúrgica, próteses parciais e alinhadores. A Align Technology e a SmileDirectClub usam impressão 3D para produzir peças para alinhadores plásticos transparentes termoformados. A Align Technology, fabricante dos produtos da marca Invisalign, usa muitos dos sistemas de fotopolimerização nos banhos da 3D Systems. Em 2021, a empresa afirmou ter tratado mais de 10 milhões de pacientes desde que recebeu a aprovação do FDA em 1998. Se o tratamento típico de um paciente consistir em 10 alinhadores, o que é uma estimativa baixa, a empresa produziu 100 milhões ou mais de peças de AM. As peças de FRP são difíceis de reciclar porque são termofixas. A SmileDirectClub usa o sistema HP Multi Jet Fusion (MJF) para produzir peças termoplásticas que podem ser recicladas para outras aplicações.
Historicamente, a VPP não conseguiu produzir peças finas e transparentes com propriedades de resistência para uso em aparelhos ortodônticos. Em 2021, a LuxCreo e a Graphy lançaram uma possível solução. Desde fevereiro, a Graphy obteve aprovação da FDA para impressão 3D direta de aparelhos odontológicos. Se você os imprimir diretamente, o processo de ponta a ponta é considerado mais curto, fácil e potencialmente menos custoso.
Um desenvolvimento inicial que recebeu muita atenção da mídia foi o uso da impressão 3D para aplicações de construção em larga escala, como habitações. Frequentemente, as paredes da casa são impressas por extrusão. Todas as outras partes da casa foram feitas usando métodos e materiais tradicionais, incluindo pisos, tetos, telhados, escadas, portas, janelas, eletrodomésticos, armários e bancadas. Paredes impressas em 3D podem aumentar o custo de instalação de eletricidade, iluminação, encanamento, dutos e saídas de ar para aquecimento e ar condicionado. Acabar o interior e o exterior de uma parede de concreto é mais difícil do que com um projeto de parede tradicional. Modernizar uma casa com paredes impressas em 3D também é uma consideração importante.
Pesquisadores do Laboratório Nacional de Oak Ridge estão estudando como armazenar energia em paredes impressas em 3D. Ao inserir canos na parede durante a construção, a água pode fluir através dela para aquecimento e resfriamento. Este projeto de P&D é interessante e inovador, mas ainda está em estágio inicial de desenvolvimento. Este projeto de P&D é interessante e inovador, mas ainda está em estágio inicial de desenvolvimento.Este projeto de pesquisa é interessante e inovador, mas ainda está nos estágios iniciais de desenvolvimento.Este projeto de pesquisa é interessante e inovador, mas ainda está nos estágios iniciais de desenvolvimento.
A maioria de nós ainda não está familiarizada com a economia da impressão 3D de peças de construção ou outros objetos grandes. A tecnologia tem sido usada para produzir algumas pontes, toldos, bancos de parque e elementos decorativos para edifícios e ambientes externos. Acredita-se que as vantagens da manufatura aditiva em pequenas escalas (de alguns centímetros a vários metros) se aplicam à impressão 3D em larga escala. Os principais benefícios do uso da manufatura aditiva incluem a criação de formas e características complexas, a redução do número de peças, da redução de material e peso e o aumento da produtividade. Se a manufatura aditiva não agrega valor, sua utilidade deve ser questionada.
Em outubro de 2021, a Stratasys adquiriu os 55% restantes da Xaar 3D, subsidiária da fabricante britânica de impressoras jato de tinta industriais Xaar. A tecnologia de polímero PBF da Stratasys, chamada Fusão por Absorção Seletiva, baseia-se nas cabeças de impressão jato de tinta da Xaar. A máquina Stratasys H350 compete com o sistema HP MJF.
A compra da Desktop Metal foi impressionante. Em fevereiro de 2021, a empresa adquiriu a Envisiontec, fabricante de longa data de sistemas industriais de manufatura aditiva. Em maio de 2021, a empresa adquiriu a Adaptive3D, desenvolvedora de polímeros VPP flexíveis. Em julho de 2021, a Desktop Metal adquiriu a Aerosint, desenvolvedora de processos de repintura em pó multimateriais. A maior aquisição ocorreu em agosto, quando a Desktop Metal comprou a concorrente ExOne por US$ 575 milhões.
A aquisição da ExOne pela Desktop Metal une dois renomados fabricantes de sistemas de BJT metálicos. Em geral, a tecnologia ainda não atingiu o nível que muitos acreditam. As empresas continuam a abordar questões como repetibilidade, confiabilidade e compreensão da causa raiz dos problemas à medida que surgem. Mesmo assim, se os problemas forem resolvidos, ainda há espaço para a tecnologia alcançar mercados maiores. Em julho de 2021, a 3DEO, uma prestadora de serviços que utiliza um sistema proprietário de impressão 3D, anunciou ter enviado um milionésimo de sua produção para clientes.
Desenvolvedores de software e plataformas em nuvem têm observado um crescimento significativo no setor de manufatura aditiva. Isso é especialmente verdadeiro para sistemas de gestão de desempenho (MES) que rastreiam a cadeia de valor da manufatura aditiva. A 3D Systems concordou em adquirir a Oqton em setembro de 2021 por US$ 180 milhões. Fundada em 2017, a Oqton fornece soluções baseadas em nuvem para aprimorar o fluxo de trabalho e aumentar a eficiência da manufatura aditiva. A Materialize adquiriu a Link3D em novembro de 2021 por US$ 33,5 milhões. Assim como a Oqton, a plataforma em nuvem da Link3D rastreia o trabalho e simplifica o fluxo de trabalho da manufatura aditiva.
Uma das aquisições mais recentes em 2021 foi a aquisição da Wohlers Associates pela ASTM International. Juntas, elas trabalham para alavancar a marca Wohlers e apoiar a adoção mais ampla da AM em todo o mundo. Por meio do Centro de Excelência em AM da ASTM, a Wohlers Associates continuará produzindo relatórios e outras publicações sobre a Wohlers, além de fornecer serviços de consultoria, análises de mercado e treinamento.
A indústria de manufatura aditiva amadureceu e muitos setores estão utilizando a tecnologia para uma ampla gama de aplicações. Mas a impressão 3D não substituirá a maioria das outras formas de manufatura. Em vez disso, ela é usada para criar novos tipos de produtos e modelos de negócios. As organizações utilizam a manufatura aditiva para reduzir o peso das peças, reduzir os prazos de entrega e os custos das ferramentas, além de melhorar a personalização e o desempenho dos produtos. Espera-se que a indústria de manufatura aditiva continue sua trajetória de crescimento com o surgimento de novas empresas, produtos, serviços, aplicações e casos de uso, muitas vezes em uma velocidade vertiginosa.