A manufatura aditiva, também conhecida como impressão 3D, continua a evoluir há quase 35 anos desde seu uso comercial. As indústrias aeroespacial, automotiva, de defesa, de energia, de transporte, médica, odontológica e de bens de consumo utilizam a manufatura aditiva para uma ampla gama de aplicações.
Com uma adoção tão disseminada, fica claro que a manufatura aditiva não é uma solução única para todos os casos. De acordo com a norma ISO/ASTM 52900, quase todos os sistemas comerciais de manufatura aditiva se enquadram em uma das sete categorias de processo. Estas incluem extrusão de material (MEX), fotopolimerização em banho (VPP), fusão em leito de pó (PBF), pulverização de aglutinante (BJT), pulverização de material (MJT), deposição de energia direta (DED) e laminação de folhas (SHL). Aqui, elas estão classificadas por popularidade com base nas unidades vendidas.
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 com experiência na tecnologia. A gerência observa 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 fabricação, mas se tornará parte do arsenal de capacidades de desenvolvimento e fabricação de produtos do empreendedor.
A manufatura aditiva possui uma ampla gama de aplicações, desde microfluídica até construção em larga escala. Os benefícios da MA variam de acordo com o setor, a aplicação e o desempenho exigido. As organizações devem ter bons motivos para implementar a MA, independentemente do caso de uso. Os mais comuns são a modelagem conceitual, a verificação de projeto e a 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 crucial. Segundo o Centro de Voos Espaciais Marshall da NASA, o custo para colocar uma carga útil de 0,45 kg em órbita terrestre é de aproximadamente US$ 10.000. Reduzir o peso dos satélites pode gerar economia nos custos de lançamento. A imagem anexa mostra uma peça metálica fabricada por manufatura aditiva (MA) da Swissto12, que combina diversos guias de onda em uma única peça. Com a MA, o peso é reduzido para menos de 0,08 kg.
A manufatura aditiva é utilizada em toda a cadeia de valor da indústria de energia. Para algumas empresas, a justificativa comercial para o uso da manufatura aditiva reside na capacidade de iterar projetos rapidamente para criar o melhor produto possível no menor tempo. Na indústria de petróleo e gás, peças ou conjuntos danificados podem custar milhares de dólares ou mais em perda de produtividade por hora. Utilizar a manufatura aditiva para restaurar as operações pode ser especialmente atraente.
A MX3D, uma importante fabricante de sistemas de deposição direta de energia (DED), lançou um protótipo de ferramenta para reparo de tubulações. Segundo a empresa, um oleoduto danificado pode custar entre € 100.000 e € 1.000.000 (US$ 113.157 a US$ 1.131.570) por dia. O dispositivo, mostrado na próxima página, utiliza uma peça usinada em CNC como estrutura e emprega a tecnologia DED para soldar a circunferência do tubo. A manufatura aditiva (AM) proporciona altas taxas de deposição com mínimo desperdício, enquanto a usinagem CNC garante 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. Os revestimentos de 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 do tempo de produção e a redução das emissões em 45% em comparação com os revestimentos de água forjados tradicionais.
Outro argumento comercial para a manufatura aditiva é a redução de ferramentas caras. A Phone Scope desenvolveu adaptadores de digiscopia para dispositivos que conectam a câmera do seu celular a um telescópio ou microscópio. Novos celulares 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 a cada lançamento de novos celulares.
Assim como qualquer processo ou tecnologia, a manufatura aditiva não deve ser utilizada simplesmente por ser considerada nova ou diferente. Seu objetivo é aprimorar o desenvolvimento de produtos e/ou os processos de fabricação, agregando valor. Exemplos de outras aplicações incluem produtos personalizados e customização em massa, funcionalidades complexas, peças integradas, menor quantidade de material e peso, e desempenho aprimorado.
Para que a Manufatura Aditiva (MA) alcance seu potencial de crescimento, alguns desafios precisam ser superados. Para a maioria das aplicações de manufatura, o processo deve ser confiável e reproduzível. Os métodos subsequentes de automação da remoção de material das peças e suportes, bem como o pós-processamento, contribuirão para isso. 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 a remoção de pó e o acabamento. Ao automatizar o processo de produção em massa de aplicações, a mesma tecnologia pode ser repetida milhares de vezes. O problema é que os métodos específicos de automação podem variar de acordo com o tipo de peça, tamanho, material e processo. 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 a Manufatura Aditiva (MA), recursos mais avançados e canais internos são frequentemente adicionados. Para a Fusão Seletiva a Pó (PBF), o principal objetivo é remover 100% do pó. A Solukon fabrica sistemas automáticos de remoção de pó. A empresa desenvolveu uma tecnologia chamada Smart Powder Recovery (SRP) que gira e vibra peças metálicas ainda fixadas à plataforma de construção. A rotação e a vibração são controladas pelo modelo CAD da peça. Ao movimentar 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 restringir a viabilidade do uso da Manufatura Aditiva (MA) 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 MA. 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 fabricadas por 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, segundo a empresa, remove o pó da câmara de construção da Jet Fusion 5200 em 20 minutos. O sistema armazena o pó não fundido em um recipiente separado para reutilização ou reciclagem em 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, realiza o tratamento térmico das partes lisas com vapor 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 à de um molde de injeção.
O maior desafio que a indústria enfrenta é compreender 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 produção, na fabricação e teste de ferramentas. Por meio do pós-processamento automatizado, milhares de peças podem ser produzidas de forma confiável e reprodutível usando MA, mas isso depende das especificidades de cada peça e pode exigir uma solução personalizada.
A manufatura aditiva não tem relação com a indústria. Muitas organizações apresentam resultados interessantes de pesquisa e desenvolvimento que podem levar ao bom funcionamento de produtos e serviços. Na indústria aeroespacial, a Relativity Space produz um dos maiores sistemas de manufatura aditiva de metal, utilizando tecnologia proprietária de deposição direta de energia (DED), que a empresa espera usar na fabricação da maioria de seus foguetes. Seu foguete Terran 1 pode transportar uma carga útil de 1.250 kg para a órbita terrestre baixa. 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 representam uma forma inovadora de reimaginar o futuro dos voos espaciais. O projeto e a otimização para manufatura aditiva despertaram o interesse nesse desenvolvimento. A empresa afirma que esse método reduz o número de peças em 100 vezes em comparação com os foguetes tradicionais. A empresa também afirma ser capaz de produzir foguetes a partir de matérias-primas em até 60 dias. Este é um excelente exemplo de como combinar diversas peças em uma só, simplificando consideravelmente a cadeia de suprimentos.
Na indústria odontológica, a manufatura aditiva é utilizada para fabricar coroas, pontes, guias cirúrgicos, próteses parciais removíveis e alinhadores. A Align Technology e a SmileDirectClub utilizam a impressão 3D para produzir peças para alinhadores de plástico transparente termoformados. A Align Technology, fabricante dos produtos da marca Invisalign, utiliza muitos dos sistemas de fotopolimerização dos 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 de um paciente típico consiste em 10 alinhadores, uma estimativa conservadora, a empresa produziu 100 milhões ou mais de peças por manufatura aditiva. As peças de PRFV (Plástico Reforçado com Fibra de Vidro) são difíceis de reciclar por serem termofixas. A SmileDirectClub utiliza o sistema HP Multi Jet Fusion (MJF) para produzir peças termoplásticas que podem ser recicladas para outras aplicações.
Historicamente, a VPP (impressão volumétrica por plasma) não conseguia produzir peças finas e transparentes com propriedades de resistência adequadas para uso em aparelhos ortodônticos. Em 2021, a LuxCreo e a Graphy lançaram uma possível solução. Em fevereiro, a Graphy obteve a aprovação da FDA para impressão 3D direta de aparelhos dentários. A impressão direta torna todo o processo mais curto, fácil e potencialmente menos dispendioso.
Um dos primeiros desenvolvimentos que recebeu muita atenção da mídia foi o uso da impressão 3D em aplicações de construção em larga escala, como residências. Frequentemente, as paredes da casa são impressas por extrusão. Todas as outras partes da casa eram 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 da instalação de eletricidade, iluminação, encanamento, dutos e sistemas de aquecimento e ar condicionado. O acabamento interno e externo 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 tubos 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 fase inicial de desenvolvimento. Este projeto de P&D é interessante e inovador, mas ainda está em fase inicial de desenvolvimento.Este projeto de pesquisa é interessante e inovador, mas ainda está em fase inicial de desenvolvimento.Este projeto de pesquisa é interessante e inovador, mas ainda está em fase inicial de desenvolvimento.
A maioria de nós ainda não está familiarizada com os aspectos econômicos da impressão 3D de peças de construção ou outros objetos de grande porte. A tecnologia tem sido utilizada 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 pequena escala (de alguns centímetros a vários metros) se apliquem à impressão 3D em grande escala. Os principais benefícios do uso da manufatura aditiva incluem a criação de formas e características complexas, a redução do número de peças, a redução do material e do 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, uma subsidiária da fabricante britânica de impressoras jato de tinta industriais Xaar. A tecnologia de fusão seletiva a jato de tinta (PBF) de polímeros da Stratasys, chamada Selective Absorbion Fusion (SAF), é baseada em cabeçotes de impressão jato de tinta da Xaar. A impressora Stratasys H350 compete com o sistema HP MJF.
A aquisição da Desktop Metal foi impressionante. Em fevereiro de 2021, a empresa adquiriu a Envisiontec, fabricante de longa data de sistemas de manufatura aditiva industrial. Em maio de 2021, adquiriu a Adaptive3D, desenvolvedora de polímeros VPP flexíveis. Em julho de 2021, a Desktop Metal adquiriu a Aerosint, desenvolvedora de processos de revestimento e 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 reúne dois fabricantes renomados de sistemas BJT de metal. De modo geral, a tecnologia ainda não atingiu o nível que muitos acreditam. As empresas continuam a lidar com 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 provedora de serviços que utiliza um sistema proprietário de impressão 3D, anunciou ter enviado um milionésimo de sua unidade para clientes.
Os desenvolvedores de software e plataformas em nuvem têm observado um crescimento significativo na indústria de manufatura aditiva. Isso é especialmente verdadeiro para sistemas de gerenciamento 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 de 2021 foi a da Wohlers Associates pela ASTM International. Juntas, elas trabalham para alavancar a marca Wohlers e apoiar a adoção mais ampla da Manufatura Aditiva (MA) em todo o mundo. Por meio do Centro de Excelência em MA da ASTM, a Wohlers Associates continuará produzindo relatórios e outras publicações da Wohlers, além de fornecer serviços de consultoria, análise de mercado e treinamento.
A indústria de manufatura aditiva atingiu a maturidade 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, diminuir os prazos de entrega e os custos de ferramentas, além de aprimorar 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 ritmo acelerado.