2. Fundamentação Teórica

  Nesta sessão será apresentada a fundamentação teórica necessária para compreender este projeto.

  Primeiramente será explicado o que é um equipamento de controle numérico computadorizado, seguido dos tipos comuns de impressoras 3D, e dos componentes normalmente utilizados na montagem de impressoras 3D.

  Após serão expostos conceitos sobre cinemática, utilizados para fundamentar em seguida um levantamento dos tipos comuns de cinemática utilizados em impressoras 3D.

  Em seguida será exposto como ocorre o controle de impressoras 3D, de forma que elas gerem um objeto tridimensional a partir de uma programação, expor os principais materiais utilizados como matéria prima e como podem ser obtidos os modelos a serem impressos.


2.1 CNC (Controle Numérico Computadorizado)

  Controle Numérico Computadorizado é um método de controle de máquinas onde, ao invés de um operador efetuar o controle manual ou utilizar de gabaritos, um controlador eletrônico efetua o planejamento e comanda os motores, servomotores e/ou ferramentas de atuação para realizar uma operação.

  Segundo MARCICANO (2014), equipamentos CNC utilizam um micro-computador embarcado no próprio equipamento, que executa instruções geradas por um sistema integrado de projeto e fabricação, ou através da própria entrada de instruções da máquina, atingindo grande precisão e repetibilidade do processo, o que permite que mesmo peças complexas sejam fabricadas com alta produtividade.

  Tipos comuns de equipamentos CNC são:

  - Tornos
  - Fresadoras
  - Entalhadeiras
  - Punsionadeiras
  - Retificadoras
  - Corte: Oxi-corte / Plasma / Laser / Jato-d'água
  - Impressoras 3D

2.2 Manufatura Aditiva / Impressão 3D

  A manufatura aditiva, chamada popularmente de impressão 3D, é um conjunto de processos de fabricação onde as peças são formadas através da adição de material, em vez da retirada de material como em processos usuais como fresamento e torneamento. Esta fabricação normalmente é executada por camadas, onde após a formação da camada inferior, uma nova camada é criada sobreposta a anterior, continuando este processo até o término da fabricação da peça.

  A norma ISO/ASTM 52900:2015 separa os processos por similaridade em 7 categorias:

  • Binder Jetting (Jateamento de Ligação): Também chamada de 3DP, nesta tecnologia uma camada de material em pó é depositada em uma cuba de construção e um cabeçote de impressão passa por cima, depositando de forma seletiva um agente ligante que une as partículas de pó. Após a cura do agente ligante uma nova camada de pó é depositada em cima da camada anterior, e este processo se repete.
  • Directed Energy Deposition (Deposição de Energia Direcionada): Um consumível do material a ser depositado é direcionado ao local onde será adicionado através de um equipamento CNC, onde no braço oposto existe um dispositivo (laser, canhão de elétrons ou arco de plasma) que direciona energia ao ponto onde o material deve ser adicionado, fundindo o material.
  • Material Extrusion (Extrusão de Material): Nesta tecnologia, também chamada de FFF (Fused Filament Fabrication - Fabricação por Filamento Fundido) ou FDM (Fused Deposition Modeling - Deposição de Modelagem Fundida), um filamento de material polimérico é aquecido até a temperatura de fusão e depositado através de um bico de forma seletiva para formar camadas da peça a ser fabricada, que são empilhadas verticalmente para formar a peça.
  • Material Jetting (Jateamento de Material): Microgotas de material foto-polimerizante são depositadas de forma seletiva, e após a conclusão da camada são curadas através de uma lampada ultra-violeta.
  • Powder Bed Fusion (Fusão de Pó em Cuba): Nesta categoria se encontram várias tecnologias distintas de fabricação, sendo as mais notáveis:
    • SLS - Selective Laser Sintering (Sinterização Seletiva a Laser): Material polimérico é aquecido em uma cuba e um laser adiciona energia às particulas seletivamente para fazer elas chegarem próximas ao ponto de fusão, se unindo em um processo de sinterização.
    • DMLS - Direct Metal Laser Sintering (Sinterização Direta de Metais a Laser): Mesmo processo do SLS, porém em temperatura mais elevada e utilizando metais.
    • SLM – Selective Laser Melting (Derretimento Seletivo por Laser): Mesmo processo do SLS, porém alcança a temperatura de fusão do polímero, fundindo o material que forma a peça.
    • EBM - Electron Beam Melting (Derretimento por Feixes de Elétron): Mesmo processo do SLM, porém utilizando vácuo e feixes de elétron no lugar do laser para fundir pó de metais.
  • Sheet Lamination (Laminação de Chapas): Chapas finas de material metálico são cortadas no formato da camada e coladas ou soldadas na camada anterior formando a peça.
  • Photopolymerization (Foto-polimerização): Resina fotopolimerizável e despejada em um tanque e é curada de forma seletiva através de luz. Nesta categoria se encontram as tecnologias:
    • DLP: Toda a camada é formada de uma única vez através da projeção digital da região a ser foto-polimerizada.
    • SLA: Um laser percorre a toda a região a ser foto-polimerizada.


2.3 Componentes de Impressoras 3D FFF

  Esta sessão apresenta componentes comuns a impressoras 3D, para fundamentar e auxiliar o entendimento das escolhas de projeto nas próximas sessões.

2.3.1 Motores Elétricos

  Segundo Yu e Zhao (2011), motores elétricos são dispositivos que transformam energia elétrica em energia mecânica utilizando princípios eletromagnéticos. Estes dispositivos são responsáveis por gerar os movimentos de operação de diversos equipamentos.

   2.3.1.1 Motor Universal

      Motores universais são amplamente utilizados devido sua versatilidade (trabalham tanto em corrente contínua quanto alternada), quanto por seu custo relativamente baixo. A figura 1 mostra um motor funcional de uso em demonstrações acadêmicas, onde é possível observar a atuação dos componentes durante o movimento.

Fig. 1 - Motor Universal cortado para utilização em explicações acadêmicas

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Fonte: BENN ELECTRICALS PVT. LTD.


      Segundo WOODFORD (2017), quando alimentados por corrente contínua um conjunto de escovas transmite a energia por contatores para as bobinas do rotor, que ao serem acopladas magneticamente ao estator através de um campo gerado eletricamente por bobinas ou magneticamente por imãs permanentes, gera um movimento de rotação no rotor. Este movimento leva ao acoplamento de um novo conjunto de contatores no comutador, mantendo o giro do motor.

      Já quando alimentados por correntes alternadas a corrente correndo pela bobina do rotor é inversa à corrente do estator, gerando movimento rotativo em uma direção. Como a corrente sempre será inversa entre o rotor e o estator, a inversão da direção da corrente alternada não influencia na direção do movimento.

      Desta forma enquanto houver corrente nos terminais o motor permanece em giro, não sendo possível manter o motor estático enquanto energizado.

      Por este motivo em impressoras 3D este tipo de motor é utilizado principalmente em operações onde a posição rotacional não seja relevante ao processo ou em controles de sistema fechado onde é possível efetuar a correção contínua da posição através do uso de encoders para medir a posição incremental ou absoluta e efetuar a correção (como em servo-motores).

   2.3.1.2 Motor BLDC

      Motores BLDC são motores de corrente contínua sem escovas. Neste tipo de motor o rotor possui imãs permanentes e o estator possui diversas bobinas. Um controlador faz a comutação entre as bobinas gerando um fluxo magnético rotativo que se acopla aos imãs do rotor e causa um movimento rotativo, conforme a figura 1, desta forma não sendo necessária a utilização de escovas para fazer a comutação, tornando o sistema mais eficiente e com menor necessidade de manutenção. O controle de velocidade deste tipo de motor é feito pelo controlador, já que para completar o giro o motor depende que as bobinas sejam excitadas em uma ordem específica. Este tipo de motor é muito utilizado em ventiladores para refrigeração forçada.

Fig. 2 - Rotação de um motor BLDC de três fases

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Fonte: Adaptado de YU e ZHAO (2011)


      Ao alimentar um par de contatos deste motor o mesmo acopla em uma posição específica, sendo capaz de segurar torque nesta posição enquanto a bobina estiver ativa, diferentemente de motores universais. O torque máximo que o motor consegue segurar antes de perder o posicionamento é chamado de Torque de Retenção.

   2.3.1.3 Motor de Passo

      Motores BLDC são capazes de reter o posicionamento mantendo corrente em um par de bobinas. Contudo, motores BLDC são projetados para ter uma transição homogênea entre as fases, permitindo grandes velocidades, e não para ter repetibilidade na posição.

      Motores de passo são, essencialmente, semelhantes aos motores BLDC. Contudo, confome pode ser visualizado na figura 3, a disposição dos polos das bobinas é menos espaçada e a quantidade e disposição magnética no rotor é maior, fazendo com que as comutações entre as bobinas causem apenas um pequeno incremento na rotação, chamado de passo. Essa característica torna o motor de passo ideal para aplicações onde seja necessário um alto grau de precisão no posicionamento.

Fig. 3 - Elementos internos de um motor de passo

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Fonte: Adaptado de EARL (2015)


      A quantidade de giro, medida em graus, está descrita na carcaça e na especificação do motor, sendo possível encontrar motores com diversos ângulos de passo. Em impressoras 3D são comuns o uso de motores de 0.9º e 1.8º, ou seja, a cada comutação entre bobinas o motor se desloca neste ângulo. Esta informação também pode estar descrita pelo número de passos para completar uma revolução, por exemplo em um motor de 1.8º são necessários 200 passos para completar uma revolução, enquanto em um motor de 0,9º são necessários 400 passos.

      A informação é importante não apenas por configurar a precisão do motor, mas também porque a capacidade máxima do controlador em gerir a comutação entre os passos determinará a velocidade máxima teórica do conjunto movido. Desta forma é necessário balancear entre precisão e velocidade, de acordo com o objetivo do projeto.

      Embora Motores de Passo sejam usualmente classificados pela norma NEMA ICS-16(2001) que define numerações de acordo o tamanho da face frontal, em décimos de polegada, fabricantes frequentemente utilizam de variações que diferem da norma, exceto quanto aos furos de montagem. Tal norma permite que motores de fabricantes diferentes possam ser montados no mesmo suporte, garantindo intercambialidade, porém a utilização fora da norma gera uma grande variação de possibilidades quanto, entre outros parâmetros, ao diâmetro de eixos, comprimento do motor e temperatura de operação.

      Os motores mais usuais em impressoras 3D são os NEMA17, com face frontal de 1,7"x1,7" (ou mais usualmente 1,67”x1,67”), e os NEMA23, com face frontal de 2,3"x2,3" para situações que necessitem de maior torque (embora o tamanho do motor não determine o torque, motores maiores usualmente são capazes da acomodar conjuntos magnéticos mais potentes). A figura 4 mostra as dimensões padrões usuais para um motor NEMA17 em milímetros e polegadas.

Fig. 4 - Motor Minebea NEMA17 da família 17PM-K

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Fonte: Adaptado de MINEBEA CO. LTD.


      Alguns parâmetros que devem ser analisados na seleção de um motor de passo são:

  • Padrão de montagem: Usualmente NEMA17 ou NEMA23;
  • Padrão das bobinas: Em impressoras 3D são utilizados somente motores bipolares de 4 fios;
  • Ângulo de passo: Usualmente 1.8º ou 0,9º;
  • Diâmetro do eixo: Usualmente 5mm para NEMA17 e 6,35mm para NEMA23, porém varia conforme modelo do motor;
  • Torque de retenção / Torque detentor: Capacidade máxima do motor se manter estático com as bobinas ativas com uma carga aplicada;
  • Torque Dinâmico: Capacidade de torque do motor a uma determinada velocidade. Conforme a figura 5, podemos verificar que quanto mais rápido ocorre o giro, menor é o torque dinâmico do motor;

Fig. 5 - Curva de Torque Dinâmico

torquedinamico.jpg

Fonte: KALATEC AUTOMAÇÃO

  • Corrente das bobinas: Os motores são acionados através de corrente constante, sendo necessário que o controle tenha capacidade de fornecer a corrente necessária para que o motor entregue o máximo de torque;
  • Resistência: Determina a tensão de operação através da corrente fornecida, utilizando a lei de ohm (1). Em impressão 3D usualmente se utilizam tensões várias vezes superiores a tensão de operação do motor, pois os controladores utilizam corte de corrente para controlar os motores.
(1)
\begin{equation} V = I*R \end{equation}

Onde:

V = Tensão de operação

I = Corrente da bobina

R = Resistência

  • Indutância: Motores de passo possuem elevado torque em baixas velocidades, porém torque menor em altas velocidades, o que significa que para este tipo de motor é mais difícil carregar uma carga em alta velocidade. Motores com altos valores de indutância tem como característica um maior torque em baixas velocidades, sendo ideal para transporte de cargas de peso elevado em baixas velocidade, enquanto motores com baixos valores de indutância conseguem ter maior torque em altas velocidades, conseguindo carregar pequenas cargas a uma alta velocidade. Para utilização em impressoras 3D normalmente se utilizam motores com indutância abaixo de 15mH.


2.3.2 Mecanismos de Transmissão

   Esta sessão demonstrará os mecanismos que mais usualmente são utilizados para transmitir o movimento gerado pelo motor para as partes que devem ser movidas.
   O estudo desses mecanismos é importante porque interferem diretamente na resolução, precisão e folgas estáticas e dinâmicas do sistema.

   2.3.2.1 Conjunto Polias e Correias Sincronizadoras

         Segundo BUDYNAS e NISBETT (2011), correias sincronizadoras são um elemento fabricado em tecido emborrachado revestido de Nylon com dentes que se encaixam nas polias para permitir que o movimento de rotação da polia seja estendido a todo o perímetro da correia, tendo alta eficiência (97% a 99%), não precisando de lubrificação e sendo mais silenciosas que outras opções como correntes, desta forma sendo ótimas opções para transmissão de potência em elementos de precisão.

         O conjunto de polias e correias sincronizadoras é o mecanismo de transmissão mais utilizado em impressoras 3D pois polias são componentes flexíveis, permitindo que sejam utilizadas cinemáticas onde a distância axial é variável, por possuir baixas folgas, além de ser facilmente encontrada com facilidade para comercialização, tendo um custo relativamente baixo.

         Vários padrões industriais foram historicamente utilizados em modelos de impressoras 3D, como GT2, MXL, T2.5, T5 e XL. Contudo o uso de correias padrão GT2-2M passou a ser adotado por um grande número de fabricantes pois são correias sincronizadoras de movimento linear, que possuem uma folga menor que correias trapezoidais, e como possuem passo curto e dente de padrão curvilíneo permitem a utilização em polias de baixo diâmetro, o que contribui para o aumento da precisão máxima da máquina. A figura 6 demonstra a diferença entre correias e polias de padrão trapezoidal e padrão curvilíneo, onde é possivel identificar que devido ao encaixe mais justo é possível obter menores folgas. O Handbook da SPD/SI também afirma que devido a profundidade dos sulcos serem proporcionalmente maiores, correias com este padrão também tem menor tendência de pular de posição, além de distribuir melhor as forças por ter uma área de contato maior, o que significa que com uma mesma largura a correia curvilínea é capaz de carregar cargas maiores, ou trabalhar com carga reduzida aliviando a tensão nos rolamentos.

Fig. 6 - Geometria de Correias Sincronizadoras e Polias

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Fonte: Adaptado de SPD/SI

         Segundo a Norma ISO 13050:2014 as características mais importantes de uma correia sincronizadora são:

  • Dimensões nominais dos dentes;
  • Espaçamento de passo entre os dentes;
  • Dimensões e tolerâncias de Largura e comprimento;
  • Especificações de medida de comprimento;
  • Dimensões e tolerâncias do sulco da polia;
  • Dimensões e tolerâncias de diâmetro e comprimento da polia;
  • Especificação de qualidade da polia.

Fig. 7 - Construção da Correia

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Fonte: Adaptado de Gates PowerGrip® GT®2 Drive Design Manual (2000)


         O Manual de Design de Transmissão Gates PowerGrip® GT®2 ainda informa a importância de definir o material da alma da correia, sendo este um reforço que permite que a correia consiga suportar cargas maiores sem sofrer deformação elástica. Contudo dependendo do material da alma (aço, kevlar ou fibra de vidro) também há uma redução no diâmetro mínimo da polia, para não causar o rompimento prematuro da alma. Desta forma é importante balancear entre a capacidade de carga e o material da alma (ou ausência deste) para definir o tipo de correia a ser usada, pois o aumento do diâmetro da polia reduz a precisão máxima da máquina. A figura 7 mostra a construção da correia, onde é possivel visualizar a alma servindo de reforço para cargas no sentido de tração da correia.

   2.3.2.2 Fusos

         BUDYNAS e NISBETT (2011) definem que fusos são categorizados como parafusos helicoidais de potência, por serem capazes de transmitir potências grandes com precisão, permitindo que sejam usados para transformar movimentos angulares em movimentos lineares. Os fusos mais utilizados em Impressão 3D são fusos de trapezoidais e fusos de esferas recirculantes.

Fig. 8 - Visão em corte de um Fuso Trapezoidal

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Fonte: Adaptado de THOMSON LINEAR MOTION (2017)


         Fusos trapezoidais são formados por um eixo com roscas em formato trapezoidal. Tem como vantagem o baixo custo (quando comparados com fusos de esfera), não precisam de lubrificação ao utilizar castanhas de bronze e são mais silenciosos. Contudo são menos eficientes que fusos de esferas, esquentando mais e precisando de substituição mais frequentemente quando submetidos a grandes cargas. A figura 8 mostra uma visão em corte de um fuso trapezoidal, onde é possível ver como a castanha se fixa ao fuso.

Fig. 9 - Visão em corte de um Fuso de Esferas Recirculantes

fuso%20esferas.png

Fonte: Adaptado de THOMSON LINEAR MOTION (2017)


         Fusos de esferas recirculantes são formados por um eixo com roscas em formato circular, formadas por usinagem ou rolagem. Tem como vantagem a alta eficiência, necessitando de menos torque para gerar o movimento linear, menor fricção, trabalho mais frio e menor desgaste. Contudo fazem mais ruído devido a recirculação das esferas e necessitam sempre de lubrificação. A figura 9 mostra uma visão em corte de um fuso de esferas recirculantes, sendo possível notar como a interface entre o fuso e a castanha se dá por uma constante circulação das esferas.

   2.3.2.3 Barras Roscadas

         Barras roscadas são parafusos de fixação, usualmente com rosca em toda a extensão do parafuso, fabricados em grande comprimento.
         Embora sua função original seja de fixar peças, vem sendo utilizada também como elemento estrutural (como será visto mais adiante) e como elemento de transmissão de movimento, conforme pode ser verificado na Figura 10. Tal utilização alternativa como parafuso de potência é resultado de seu baixo custo (uma vez que é amplamente comercializado), facilidade de aquisição e pequeno passo de rosca.

Fig. 10 - Utilização de Barras Roscadas como elementos de transmissão de movimento na impressora Prusa I3

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Fonte: Adaptado de PRUSA RESEARCH S.R.O (2015)


         Enquanto fusos possuem uma grande gama de passos e entradas de rosca, para atender requisitos delimitados pelo projeto de transmissão, barras roscadas usualmente atendem a norma ISO 262:1998, possuindo uma opção de passo grosso e outra para passo fino, geralmente menores que os passos utilizados em fusos. Como exemplo, caso atenda a norma ISO 262:1998, um parafuso M8 (M significando que é métrico e 8 significando a grossura nominal do parafuso) tem um passo de 1,25mm com passo grosso ou 1mm (ou mais raramente 0,75mm) na opção de passo fino. Um fuso trapezoidal TR-8 usualmente teria o passo entre 8mm e 2mm.
         Embora um passo muito fino reduza a velocidade máxima do conjunto movido, aumentando sua resolução de movimento, também acaba diminuindo os efeitos de erro de posicionamento introduzidos pela baixa qualidade da rosca (quando comparado a fusos), tornando sua utilização oportuna em impressoras 3D de baixo custo, onde compromissos com a precisão do equipamento já sejam esperados.

2.3.3 Componentes de Deslocamento

   2.3.3.1 Eixos Lineares

         Os eixos lineares são as guias de deslocamento mais comuns em Impressoras 3D, pois são facilmente encontrados no mercado e podem ser fabricados com uma boa precisão.

Fig. 11 - Eixos Lineares na movimentação dos carros que movem em X, Y e Z

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Fonte: Adaptado de PRUSA RESEARCH S.R.O (2015)


         Eles servem para permitir o deslocamento de buchas e rolamentos lineares em apenas dois graus de liberdade, translação no sentido do eixo e rotação sobre o eixo. Quando usado em pares paralelos, restringem o movimento de rotação e permitem apenas a translação no sentido do eixo, o que é desejado para várias aplicações de controle linear de posição. A figura 10 demonstra o uso de eixos paralelos para deslocamento linear em uma impressora 3D.

   2.3.3.2 Trilhos e Guias Lineares

         Embora tenham a mesma função, trilhos e guias lineares diferem de eixos lineares por permitir apenas o movimento de translação no sentido do eixo, não permitindo rotação em qualquer eixo ou translação em eixos ortogonais.
         É possível achar diversos tipos de trilhos e guias lineares no mercado, sendo os mais comuns em Impressão 3D os trilhos V-Slot e as mini guias de trilho perfilado.

Fig. 12 - Trilhos V-Slot

v-slot

Fonte: Adaptado de V-Slot Europe (2018)


         Os trilhos padrão V-Slot são formados por um perfil extrudado de alumínio, onde existem sulcos chanfrados por onde roldanas percorrem para gerar o movimento linear, conforme pode ser verificado na Figura 12. Usualmente ao menos uma destas roldanas é montada sobre um parafuso excêntrico para que possam ser efetuados ajustes, retirando folgas do sistema.
         ABREU (2017) considera o uso de roldanas de Poliacetal para a movimentação dos carros sobre os trilhos V-Slot uma solução comum em impressoras 3D, justificando que além de serem elementos baratos e facilmente encontrados no mercado estes também possuem propriedades mecânicas adequadas, como baixo coeficiente de fricção, alta rigidez e capacidade de absorver vibrações.

Fig. 13 - Mini guias de trilho perfilado

guia-linear

Fonte: SVENSKA KULLAGERFABRIKEN - SKF (2018)


         As guias de trilho perfilado são formadas por um conjunto de carrinho e trilho que usualmente são vendidos em um kit pré-tensionado para ajuste de folgas, o que garante precisão e repetibilidade. O carrinho desliza sobre o trilho através de um sistema de esferas recirculantes, como pode ser verificado na figura 14, o que permite suportar cargas gerando pouco desgaste, já que toda a superfície do carrinho fica apoiada em ambos os lados do trilho por uma ou mais colunas de esferas. O trilho possui furações por toda sua extensão para permitir a fixação a um elemento estrutural, permitindo que o elemento seja melhor apoiado e evitando deformações.

Fig. 14 - Esferas recirculantes de um carrinho de trilho perfilado

esferas-recirculantes

Fonte: HIWIN TECHNOLOGIES CORP (2018)


   2.3.3.3 Rolamentos, Buchas e Juntas Esféricas

         Rolamentos são dispositivos fabricados para diminuir o atrito em movimentos entre duas ou mais peças, geralmente através do uso de elementos de rolagem. Segundo o Catálogo Técnico de Rolamentos - NSK (2013), podem ser classificados quanto a direção da carga que suporta (axial ou radial), quanto ao tipo de elemento de rolagem (esferas, rolos e agulhas) e quanto a configuração da aplicação específica deles (rolamentos lineares, de empuxo, magnéticos, rolo filiado, rolo de pressão). Outra forma de classificação, segundo a AST BEARINGS (2010), é quanto ao seu grau de tolerância e precisão conforme classificação ABEC-ABMA, equivalente também a norma ISO 492.
         Em impressoras 3D são utilizados principalmente rolamentos radiais de esferas para suporte de fusos em mancais de rolamento e permitir a rotação de polias livres, e rolamentos lineares de esfera recirculante para permitir o movimento em eixos lineares.

Fig. 15 - Rolamentos Lineares de esferas recirculantes

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Fonte: KALATEC AUTOMAÇÃO (2018)


         Rolamentos lineares de esferas recirculantes são utilizados para diminuir o atrito em translações lineares, conforme pode ser visto na montagem eixo-rolamento demonstrada na figura 15. O funcionamento deste tipo de rolamento é dado pelo apoio das esferas no eixo linear, sendo que o movimento relativo entre o eixo linear e o corpo do rolamento faz com que as esferas circulem por um caminho interno que as devolve a posição inicial, para que continuem a recircular. Por este motivo este tipo de rolamento não deve ser utilizado em situações em que ocorra giro do eixo, visto que neste caso não ocorre recirculação das esferas, causando desgaste prematuro do rolamento e do eixo.

Fig. 16 - Rolamento Radial de esferas da extrusora de uma máquina PRUSA I3

rolamento-extrusora

Fonte: PRUSA RESEARCH S.R.O (2015)


         Rolamentos radiais são utilizados para reduzir o atrito em rotações relativas entre o mancal (ou qualquer mecanismo ligado a carcaça externa do rolamento) e o eixo. Em impressoras 3D são comuns os usos para permitir o giro de polias livres, suportar fusos, ou ainda servindo para comprimir uma carga radial em um sentido específico, como no caso da extrusora conforme pode ser verificado na figura 16, onde um rolamento empurra o filamento contra uma polia tratora, através de molas compressoras. Estes rolamentos são utilizados para receber apenas cargas radiais (ortogonais ao eixo), não devendo ser utilizados para movimento linear (perpendicular ao eixo) ou para receber altas cargas axiais, pois estas utilizações causam desgaste prematuro no rolamento e no eixo.

Fig. 17 - Bucha Linear IGUS® Drylin® R RJUM-21

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Fonte: adaptado de IGUS (2018)


         Buchas são elementos deslizantes que não possuem elementos de rolagem, ou seja, o deslizamento rotativo ou linear ocorre com contato entre o eixo e a bucha. Por este motivo normalmente são utilizados materiais com baixo coeficiente de atrito, como bronze, PTFE (Politetrafluoretileno), POM (Poliacetal) e PEEK (poliéter-éter-cetona), materiais produzidos por metalurgia do pó com impregnação de lubrificantes, ou ainda materiais compósitos auto-lubrificantes.
         Embora tenham como vantagem a operação sem necessidade de lubrificação externa e que o desgaste destes componentes não causam falhas críticas como os rolamentos, estes elementos necessitam de um alinhamento quanto ao eixo mais preciso para não gerar travamentos ou desgastes prematuros e irregulares nas buchas, que levariam a criação de folgas.
         Geralmente são encontradas comercialmente com as mesmas dimensões de rolamentos comerciais, podendo ser aplicadas sem adaptações. Caso não encontrada uma bucha com a dimensão exata é necessário a manufatura de uma camisa para a bucha, sendo necessário verificar junto ao fabricante das buchas a necessidade de aplicação de pré-carga para reduzir folgas.

Fig. 18 - Junta Esférica / Terminal de Rótula SKF

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Fonte: SVENSKA KULLAGERFABRIKEN SKF (2018)


         Juntas esféricas, também chamadas de terminais de rótulas, são componentes de deslizamento rotativo utilizados quando são necessárias movimentações em 3 graus de liberdade. Este elemento, confome visto na figura 18, é composto por um olhal, por onde desliza em seu interior uma esfera restringida com um furo passante, por onde se conecta ao elemento manipulado. É um componente muito utilizado em impressoras 3D de cinemática paralela tipo Delta, onde o posicionamento é dado por três conjuntos de hastes trigonometricamente manipuladas para gerar um plano de movimento, em uma configuração que pode ser verificada na figura 19.

Fig. 19 - Junta Esférica / Terminal de Rótula SKF

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Fonte: RepRap (2014)


   2.3.3.4 Extrusoras e Engrenagens Tratoras

         As Impressoras 3D FDM/FFF utilizam como matéria prima filamentos plásticos, que para alimentação da máquina são empurrados por uma engrenagem tratora tratora contra um bico aquecido (hotend) para se fundir em finas extrusões e gerar as linhas de impressão. O componente responsável por gerar o movimento do filamento, empurrando ele contra o bico aquecido, é a Extrusora.
         Quanto a disposição da extrusora na impressora, podemos encontrar duas disposições comuns:

  • O sistema direto, onde o motor é montado diretamente ao cabeçote de impressão;
  • O sistema bowden, onde o motor fica montado na estrutura fixa da impressora e o filamento é empurrado para o cabeçote através de tubos de PTFE;

Fig. 20 - Comparação entre Extrusora Direta e Bowden

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Fonte: Adaptado de 3D PRINTER POWER (2018)


         Extrusoras de sistema direto, conforme pode ser verificado na figura 20, possuem um caminho extremamente menor entre a saída da engrenagem tratora e o hotend. Isso permite um controle melhor sobre a resposta da saída de filamento extrudado pelo hotend, menores quantidades de retração do filamento para movimentos e menor elongamento do filamento, especialmente em filamentos flexíveis e semi-flexíveis. Contudo tem como desvantagem a quantidade de massa que é carregada sobre o cabeçote móvel, o que aumenta a inércia do conjunto movido, obrigando a utilização de menores velocidades, acelerações e arranques para obter a mesma qualidade de um sistema mais leve e piorando a precisão de posicionamento do cabeçote. Este efeito se torna ainda mais acentuado quando se utilizam múltiplos conjuntos de extrusoras no mesmo cabeçote para impressão em multiplas cores ou em materiais diferentes.
         Já extrusoras de sistema Bowden tem comportamento oposto. Por estarem separadas do conjunto movido, conectadas apenas por um tubo de PTFE que direciona o filamento ao hotend, não adicionam massa significativa ao cabeçote, mantendo uma baixa inércia do conjunto movido. Isso permite impressões com maiores velocidades, acelerações e arranques sem perda de qualidade. Contudo o controle sobre o filamento é menor devido a distância entre a extrusora e o cabeçote, fazendo com que sejam necessárias retrações maiores e dificultando a impressão em materiais flexíveis e semi-flexíveis.

2.3.4 Componentes de Aquecimento

         Para produções de peças em Impressoras 3D FDM/FFF são utilizados filamentos plásticos, que são aquecidos e despejados pelo bico, formando as camadas de impressão. Por este motivo são necessários elementos de aquecimento na impressora, tanto para fazer a extrusão do filamento (equipamento chamado hotend), para fazer o aquecimento da superfície de impressão (mesa aquecida), ou em alguns casos específicos para manter a temperatura do ar dentro da câmara a uma temperatura específica durante a impressão (câmara aquecida).
         Nesta sessão estes elementos serão detalhados para melhor compreensão da utilidade de cada componente, e como são aplicados em impressoras 3D.

   2.3.4.1 Hotend

         O hotend é o principal componente de uma Impressora 3D FDM/FFF, pois é neste componente em que ocorre o derretimento controlado do material plástico, utilizado para formar as peças impressas.

Fig. 21 - Montagem de um Hotend E3D V6

hotend.jpg

Fonte: Adaptado de E3D (2018)


         Conforme pode ser verificado na figura 21, o hotend é composto de diversos elementos. O aquecimento ocorre devido a resistência elétrica que é aplicada ao cartucho aquecedor (elemento número 8 na figura). Este calor é transferido para o bloco de aquecimento (elemento 4) para que ocorra uma distribuição homogênea para o bico (elemento 1). Um termistor (elemento 7) é conectado ao bloco de aquecimento para leitura da temperatura, sendo conectado a placa controladora para garantir que o bloco esteja atingindo a temperatura de impressão para o material do filamento. Porém este aquecimento do filamento não pode subir para regiões acima do bico, sob risco do filamento dobrar e entupir o canal por onde passa. Por este motivo o bloco de aquecimento é conectado a um dissipador com refrigeração ativa (elementos 3, 11.1 e 11.3, respectivamente), isolado termicamente por uma garganta de pequena área se sessão transversal (elemento 2) para diminuir a quantidade de calor transferido ao dissipador, evitando o resfriamento do bloco aquecedor e o aquecimento do dissipador, criando uma zona de transição térmica. Hotends para conexão direta possuem no elemento 5 uma entrada para conexão de um pequeno tubo de PTFE para ligação da extrusora ao hotend, guiando o filamento. Já hotends para conexão bowden possuem no elemento 5 uma rosca onde pode ser acoplado um conector pneumático, onde neste é acoplado o tubo de PTFE que liga o hotend a extrusora, localizada em outra parte da impressora.
         Algumas configurações de Hotend voltadas para impressões multi-material compartilham alguns destes elementos para vários hotends internos, permitindo a impressão com cores e/ou materiais diferentes na mesma peça. Exemplos de hotends com esta configuração são o hotend Kraken, que possui 4 bicos ligados a um único dissipador que utiliza refrigeração líquida, ou o Diamond, que utiliza vários dissipadores para entrada de filamento, ligados a um único bloco aquecedor e bico com canais internos para mistura dos filamentos.

   2.3.4.2 Mesa Aquecida

         Este componente de aquecimento permite uma melhor adesão entre a peça impressa e a superfície de impressão, sendo importante para a impressão de materiais com alta retração térmica como o ABS, segundo Johansson (2016).
         A mesa aquecida é, embora não necessária para o funcionamento da impressora, uma parte importante da popularização dos equipamentos de impressão 3D. Segundo Sampaio (2017). as impressoras industriais utilizam de aquecimento de todo o ar do volume de impressão a uma temperatura elevada (por volta de 90ºC para impressão em ABS), o que torna sua operação mais cara, devido ao maior custo de operação, e também aumenta os custos de projeto, devido necessidade de retirar a eletrônica e motores da área aquecida. A mesa aquecida diminui estes custos ao permitir que somente a mesa que faz interface entre a superfície de impressão e a peça seja aquecida, o que evita o descolamento da peça na superfície de impressão, e também solta calor para o ambiente imediatamente superior a mesa, formando uma zona de temperatura maior que a temperatura ambiente. Isto evita a necessidade de uma câmara aquecida para alguns materiais com menor contração térmica como PLA e PETG, e também reduz a necessidade de aquecimento da câmara para materiais de maior contração térmica como ABS e PC.
         O funcionamento da mesa é dado por um conjunto de resistências elétricas que fazem o aquecimento, uma superfície que faz a distribuição homogênea do calor, geralmente de alumínio, e de uma superfície de impressão onde a peça faz contato. Nesta mesa também é montado um termistor para leitura da temperatura, ligado a placa controladora para permitir o controle da temperatura conforme o material sendo impresso. A temperatura da mesa depende da morfologia da cadeia polimérica, e é geralmente definida próxima a sua zona de transição vítrea para materiais amorfos, que possuem uma transição entre estados mais definida, e experimentalmente para materiais cristalinos e semi-cristalinos. Usualmente o fabricante do filamento informa os dados aproximados de temperatura esperados para o material em seu catálogo técnico, não sendo necessário ser efetuado o teste a cada impressão ou aquisição de material.
         Embora materiais de baixa contração térmica possam ser impressos em superfície a temperatura ambiente, estes se beneficiam do aquecimento da mesa para promover a adesão das primeiras camadas e evitar o descolamento durante a impressão.

   2.3.4.3 Câmara Aquecida

         A câmara aquecida é composta pelo fechamento da impressora e isolamento térmico para evitar a fuga de calor, assim como resistências e ventoinhas para circular ar aquecido por dentro da câmara.

Fig. 22 - Efeito de descolamento de camadas em ABS devido contração do material

warping.jpg

Fonte: 3DFila (2016)


         Embora alguns materiais como PLA e PETG não necessitem de câmara aquecida para manter sua estabilidade dimensional, outros materiais como ABS, ASA, POM e PC podem vir a deformar e/ou ter separação entre as camadas devido ao acúmulo de tensões internas geradas pelo resfriamento desigual entre partes da peça, especialmente para peças de grande volume, conforme pode ser verificado na figura 22. Outro fato agravante é que estes materiais geralmente possuem maior temperatura de impressão, o que agrava a contração térmica durante o resfriamento. Por este motivo é utilizada a câmara aquecida, como forma de diminuir o gradiente de temperatura, fazendo com que a peça resfrie mais lentamente e homogeneamente.  

2.3.5 Componentes Estruturais

   2.3.5.1 Barras Roscadas

         Barras Roscadas são, conforme abordado anteriormente em Mecanismos de Transmissão, elementos de fixação que também podem ser utilizados como componentes estruturais e como elementos de transmissão de potência. Embora sejam usualmente lembradas como componentes de impressoras caseiras, existem vários modelos comerciais de impressoras que utilizam barras roscadas, pois este é um elemento barato, fácil de processar e armazenar, e de boa rigidez.

Fig. 23 - Montagem da estrutura do eixo X utilizando barras roscadas

prusai3mk2-Yaxis.jpg

Fonte: PRUSA Research (2017)


         Estes elementos são geralmente utilizados intertravados por compressão, para que não ocorram folgas e evite afrouxamentos durante o uso da impressora, confome pode ser verificado na figura 23, onde são utilizadas porcas comprimindo peças plásticas para gerar o travamento da barra.

   2.3.5.2 Madeiras e MDF

         Outro tipo de estrutura comum em impressoras 3D, especialmente nos modelos de baixo custo, são as estruturas baseadas em chapas de madeiras e compósitos originados de madeira, como MDF e OSB.

Fig. 24 - Impressora Flashforge Creator

flashforge-madeira.jpg

Fonte: Flashforge (2018)


         Embora este material não seja o mais resistente ou rígido, a utilização de painéis de madeira e derivados é comum devido a facilidade de fabricação utilizando equipamento CNC de corte, permitindo que estruturas sejam fabricadas sequencialmente sem necessidade de grandes investimentos.

   2.3.5.3 Perfis de Alumínio Extrudado

         Perfis de alumínio extrudado recebem este nome pois o material sofre um processo em que é forçado contra um orifício (extrusão) com um formato específico (perfil), para que adquira o formato e dimensões estipulados. Este processo garante uma boa uniformidade dimensional.
         Segundo Sampaio (2017), os perfis mais utilizados são de padrão T, que possuem sulcos por onde podem ser presos acessórios e fixadores, para formar e estabilizar a estrutura.

Fig. 24 - Impressora CR-10S, com estrutura em perfis de alumínio extrudado

cr10-s.png

Fonte: Creality3D (2018)


         É possível justificar a produção de impressoras comerciais com perfis de alumínio extrudado pois com simples gabaritos de corte e furação é possível alcançar uma boa repetibilidade e agilidade na montagem, pois toda a estrutura pode ser parafusada.

   2.3.5.4 Chapas Metálicas

         O uso de chapas metálicas permite que toda a estrutura seja recortada e dobrada a partir de máquinas automatizadas ou prensas, o que possibilita que tanto grandes ou pequenas operações de produção possam ser alcançadas por este método. Efetuado o processamento das chapas, todas as peças podem ser montadas através de uso de fixadores permanentes (como rebites ou solda) ou fixadores removíveis (como parafusos), formando a estrutura.

Fig. 25 - Impressora Printrbot Pro Plus

PrintrbotPlusPro.png

Fonte: Printrbot (2018)


         Embora este método seja excelente para produção em massa, como pode-se notar pela grande adoção na fabricação de eletrodomésticos, este método possui desvantagens, uma delas sendo a complexidade do design, que precisa seguir diversas regras para garantir a rigidez e durabilidade da estrutura, como observar o ângulo dos grãos do metal para não causar rachaduras, respeitar raios de curva para não sobrecarregar a quina e manter uma determinada distância e desalinhamento entre furos para não causar rasgamento. Além disso, por impressoras 3D possuírem partes móveis e zonas térmicas, é preciso também considerar as vibrações e dilatações do material que, embora sejam também considerações importantes em outros materiais, afetam mais drasticamente estruturas de chapas metálicas.
         Como pode ser verificado na figura 25, este método reduz a quantidade de peças estruturais, substituindo reforços por dobras e chanfros na chapa, o que simplifica a montagem e, desde que respeitados os conceitos de DFM (Design For Manufacturing - Projeto para Fabricação), também garante uma estrutura rígida e funcional.

2.3.6 Eletrônica Embarcada

   2.3.6.1 Controlador

         O controlador é o cérebro de uma impressora 3D. Neste componente é rodado o firmware, programa responsável pelo controle da impressão, onde serão feitos todos os cálculos de posicionamento e cinemática, criação e mantenimento de uma fila de instruções que a impressora deverá efetuar, leitura e correção de temperaturas, controle de gráficos da tela, assim como também os mecanismos de segurança.
         A maioria das impressoras 3D utilizam como controlador um chip 8 bits da Atmel/Microchip família ATMega, visto que esta linha de controladores possui diversas funções embarcadas em um único chip e é compatível com a programação por Arduino, interface de programação onde a maioria dos softwares de controle utilizados podem ser executados para compilar para o chip.

Fig. 26 - Placa controladora Arduino Mega 2560 Rev3

arduinomega.jpg

Fonte: Arduino (2018)


         O chip controlador pode estar em uma placa de Arduino, conforme a figura 26, acoplada a uma placa de eletrônica auxiliar que redireciona os pinos do chip para cada função da impressora 3D, ou ainda ser soldado diretamente em uma placa fabricada especificamente para controle para impressoras 3D, como demonstrado na figura 27. Contudo os chips Atmel de 8 bits podem ser um gargalo para impressoras 3D mais complexas, sendo possível a utilização direta de processadores 32 bits ou o uso de co-processamento, onde um chip de 32 bits ficaria responsável pelos cálculos cinemáticos e fila de impressão, enquanto o chip de 8 bits fica responsável apenas pelo controle do sistema de posicionamento.

Fig. 27 - Placa controladora Melzi v2

melzi2board.jpg

Fonte: RepRap (2018)


   2.3.6.2 Eletrônica Auxiliar

         Existem diversas eletrônicas auxiliares voltadas para impressora 3D, entre adaptadores para controladores como a placa Ramps e derivadas, como também placas auxiliares para expandir as funcionalidades das placas controladoras, como placas específicas para controlar mesas aquecidas de maior potência, sensores de final de curso próprios para conectar na placa de controle, placas de expansão de extrusoras, controladores de ventoinhas, controle de iluminação, leitores de cartão de memória e placas com display LCD para interface de controle.
         Graças a esta grande gama de produtos voltados para impressão 3D é possível alcançar um alto nível de customização na impressora, para conseguir atingir os aspectos necessários de impressão conforme a necessidade de uso.

   2.3.6.3 Drivers de motor de passos

Fig. 28 - Driver TRINAMIC TMC2130

tmc2130.png

Fonte: Filastruder (2018)


         Os drivers de motor de passo são os componentes responsáveis por transformar o comando vindo da placa controladora em corrente elétrica enviada ao motor para gerar o movimento, de acordo com a programação estipulada. Além disso alguns drivers mais inteligentes como o Trinamic TMC2130, demonstrado na figura 28, possuem funções adicionais, como identificar possíveis perdas e passo e dificuldades de avanço do carro, através da análise da força contra eletromotriz, que permite por exemplo identificar os finais de curso sem necessidade de um sensor, apenas pelo aumento da corrente no final do curso devido ao stall do motor.
         Os drivers padrões utilizam de 3 entradas (ativado, direção e pulso) para gerar os movimentos, e 3 pinos para configuração dos micropassos. Desta forma para gerar um movimento de 10mm, em uma configuração de 1/16 micropassos, um motor de 1,8º com uma correia GT-2 com 2mm de passo e uma polia de 20 dentes, resultaria em:

(2)
\begin{gather} \displaystyle \frac{Passos}{mm} = \frac{Passos\ por\ revolução / Micropasso\ do\ motor}{Passo\ da\ correia * Dentes\ da\ polia} ,\ \\ \end{gather} \begin{gather} \end{gather} \begin{gather} Portanto:\ \frac{Passos}{10mm} = \frac{10mm\ * 200\ passos\ por\ revolução / (1/16)\ micropassos}{(2mm\ * 20\ dentes)} = 800\ passos \nonumber \end{gather}

         Desta forma para andar os 10mm solicitados o controlador deverá ativar o pino ENABLE, em seguida definir a direção pelo pino DIR e após enviar 800 pulsos pelo pino PULSE. A velocidade com que o movimento ocorrerá dependerá de quantos pulsos forem enviados em um determinado tempo, a aceleração dependerá da variação do tempo entre um envio e outro e a sobre-aceleração ou arranque dependerá da variação na mudança de aceleração.
         Outra função importante do driver é configurar quanto de corrente será entregue ao motor. Esta configuração é efetuada através de um potenciômetro em drivers comuns e através da configuração do firmware para drivers inteligentes.

2.4 Conceitos de Cinemática

         Cinemática é o estudo dos movimentos de sistemas mecânicos, sem considerar a força que gera estes movimentos, sendo o contrário da cinética, que se trata do estudo das forças de sistemas em movimento. Segundo Norton (2010), tal distinção é feita arbitrariamente apenas para fins didáticos, pois ambos são fisicamente inseparáveis. O estudo da cinemática tem grande importância por permitir que sejam projetados movimentos mecânicos e analisadas as posições, velocidades, acelerações e sobre-acelerações dos componentes que compõem o sistema mecânico.
         Esta sessão discorrerá sobre conceitos importantes de cinemática, necessários para posteriormente discorrer sobre as configurações cinemáticas comuns em impressoras 3D.

2.4.1 Cinemática Serial e Paralela

         Existem dois grupos comuns de cinemática no estudo de robótica, a cinemática serial e a cinemática paralela, sendo que a principal direfença entre elas é a forma como os componentes motores atuam sobre os componentes movidos, de forma a gerar o movimento no atuador.

Fig. 29 - Cinemática Serial e Paralela

paralela-serial.png

Fonte: PANDILOV e DUKOVSKI (2014)


         Cinemáticas do tipo Serial, como exemplificado na figura 29 no item "a", podem ser comparadas com os braços humanos. A disposição dos atuadores se dá em um elo aberto, onde a movimentação de um elo gera movimentação no espaço para todos os elos posteriores.
         Já em cinemáticas do tipo Paralela, demonstradas na figura 29 item "b", todas as juntas são conectadas ao atuador em elos fechados, atuando em conjunto para gerar a movimentação deste no espaço.
         Analisando as estruturas é possível identificar vantagens e desvantagens de cada tipo de cinemática. Segundo PANDILOV e DUKOVSKI (2014), cinemáticas seriais conseguem ter um maior volume de trabalho, e este volume de trabalho é mais simples de ser calculado, enquanto em cinemáticas paralelas a complexidade do volume de trabalho aumenta com a quantidade de atuadores, e o volume de trabalho é menor devido a alta complexidade. Também é possível verificar que na cinemática serial a maior força que pode ser aplicada é a suportada pelo atuador mais fraco, enquanto em cinemáticas paralelas todos os atuadores distribuem o recebimento de carga.

2.4.2 Modelagem cinemática direta e cinemática inversa

         Existem duas formas de encontrar o modelo cinemático de um sistema: a modelagem cinemática direta e cinemática inversa.
         A modelagem cinemática direta analisa como cada atuador gera movimentos na cadeia de componentes movidos e no efetuador. Este tipo de modelagem é mais comum em configurações do tipo serial, pois é necessário apenas aplicar os parâmetros de cada junta pela notação de Denavit-Hartenberg, através de uma simples multiplicação de matrizes de rotação e/ou translação, obtendo uma única solução. Já em cinemáticas do tipo paralela este tipo de cálculo seria mais difícil, pois exigiria a construção de um conjunto de restrições de movimento aplicadas ao resultado polinomial para achar possíveis soluções.
         A modelagem por análise inversa, segundo FUDOLI et al (2016), analisa através da posição do efetuador como os componentes atuadores devem estar parametrizados para alcançar esta posição. Este tipo de modelagem é mais complicada em configurações seriais, pois podem existir múltiplas configurações de posicionamento dos elementos do braço para que o efetuador fique em uma posição específica. Já em cinemática paralela este tipo de análise se torna menos complexa que a modelagem cinemática direta, pois todos os elementos atuadores estão acoplados ao efetuador, desta forma reagindo diretamente ao posicionamento deste.
         Embora seja possível encontrar manualmente a solução específica para um único caso de posicionamento, com algum esforço, é preciso lembrar que estes cálculos em impressoras 3D são executados em tempo real pelo controlador, ou seja, quanto maior a complexidade, maior a quantidade de processamento necessária para poder acompanhar a solução do posicionamento sem que ocorram travamentos.

2.4.3 Resolução Motriz e Exatidão Cinemática

         Resolução motriz é a menor quantidade de movimento que um equipamento é capaz de realizar em seu atuador. É importante não confundir a resolução com precisão ou exatidão, pois estes dependem de um referencial de posicionamento exato e preciso para calcular a variação entre os resultados tomados e o valor esperado.
         A resolução de um determinado eixo do equipamento de impressão 3D pode ser encontrado através do inverso da equação 2, que referencia a quantidade de passos por mm, para encontrar a quantidade de deslocamento em apenas um passo.

Para Correias:

(3)
\begin{gather} \displaystyle \frac{Deslocamento}{Passo} = \frac{Passo\ da\ correia * Dente\ da\ polia}{Passos\ por\ revolução / Micropasso\ do\ motor} \end{gather}

Para Fusos

(4)
\begin{gather} \displaystyle \frac{Deslocamento}{Passo} = \frac{Passo\ da\ rosca}{Passos\ por\ revolução / Micropasso\ do\ motor} \end{gather}

Fig. 30 - Determinação de Exatidão em cinemática Delta

exatidao-delta.png

Fonte: JANSEN (2014)

         Quanto a exatidão cinemática, esta dependerá tanto da resolução, quanto também da configuração cinemática em que está aplicada, e por isso não deve ser confundida com a exatidão utilizada para determinar estatisticamente o grau de variação entre o resultado esperado e o obtido em um conjunto de amostras, pois esta ultima deve considerar as forças externas que atuam sobre o efetuador.
         Em configurações cinemáticas onde todos os componentes utilizem movimentação linear ortogonal aos eixos a exatidão cinemática será igual a resolução cinemática, pois o movimento é proporcional e em mesma intensidade em toda a área de movimentação. Porém em situações onde o movimento do efetuador ocorra por rotação de um dos elos o menor deslocamento dependerá do ângulo entre os braços e o efetuador e suas relações trigonométricas com o eixo de movimento pela resolução motriz, ou seja, a exatidão cinemática será variável dentro da área de movimentação, tendo regiões com maior ou menor exatidão, conforme pode ser verificado na figura 30, onde é identificado que quanto mais longe da origem, menor a exatidão em uma impressora com cinemática de configuração paralela tipo Delta. Desta forma, segundo Jansen (2014), pode ser necessário limitar a zona de movimentação a uma região onde a exatidão seja aceitável, ou ainda utilizar um sistema de transmissão para reduzir o movimento mínimo, aumentando a resolução para compensar a perda de exatidão.

2.4.4 Configurações Cinemáticas de Impressoras 3D FFF

         Existem diversas configurações cinemáticas possíveis em impressoras 3D, sendo mais utilizadas em máquinas comerciais as configurações Cartesianas e Delta, com suas subvariações. Embora existam outros tipos de cinemática, como Polar e SCARA, estes são menos comuns em impressão 3D devido a alta complexidade, tanto da montagem mecânica quanto do cálculo cinemático, exigindo componentes de alto custo para executar corretamente a impressão, e por isso sendo geralmente evitados por fabricantes.

2.4.4.1 Configuraçção Cartesiana

         Máquinas que utilizam configuração cartesiana fazem sua movimentação baseando-se nas coordenadas cartesianas X, Y e Z. Porém existem diversos subgrupos de impressoras de configuração cartesiana, podendo ser separadas quanto a sua ligação de elos (serial ou paralela), quanto a direção de movimentação da mesa e quanto a ligação do efetuador aos eixos restantes.

Fig. 31 - Impressoras de Cinemática Cartesiana

cine-cartesianas.png

Fonte: Adaptado de SAMPAIO(2017)


         A configuração mais comum para impressoras 3D está representada na figura 31, item A). Esta configuração é serial, pois utilizando a mesa como referencial, a ferramenta está acoplada ao carro do eixo X, que por sua vez está acoplado ao carro do eixo Z, que está conectado a carcaça da impressora, onde está também conectada a mesa através do eixo Y.
         Esta configuração de impressora se tornou comum devido a facilidade de interpretar os eixos cartesianos, pois todos os movimentos ocorrem em pares paralelos de guias lineares, portanto possuindo restrição de movimento prismática, com um motor acoplado a cada eixo, gerando um movimento específico. Desta forma não é necessário que o controlador reinterprete as posições.
         Porém analisando a cinética dos movimentos, este tipo de cinemática costuma carregar muito peso, por carregar os motores nos eixos e a peça na mesa de impressão, formando uma alta inércia nos movimentos que impede a utilização de grandes velocidades e acelerações.

Fig. 32 - Cartesiana Dualwire

ultimaker-gantry.png

Fonte: PHELAN (2016)


         Outra configuração comum é a configuração Dual Wire, utilizada nas máquinas Ultimaker representada no item B) da figura 31. Neste tipo de máquina a ferramenta está acoplada aos eixos X e Y no topo da máquina, conforme demonstrado na figura 32, e a mesa está acoplada ao eixo Z.
         A movimentação neste sistema também é independente, havendo um motor para movimentar cada eixo.
         Esta configuração remove o peso da ferramenta, ao transmitir o movimento de X e Y para a ferramenta através de eixos auxiliares que correm sobre os carros X e Y, movidos por correias, retirando o peso dos motores dos carros dos eixos X e Y. Outra vantagem deste tipo de cinemática é que a mesa passa a ser montada sobre o eixo Z, onde apenas pequenos movimentos são executados, diminuindo o efeito da inércia causada pelo peso do conjunto mesa+peça impressa. Uma desvantagem deste tipo de configuração é que a construção se torna mais complexa, com utilização de maior quantidade de polias, rolamentos e correias.

Fig. 33 - Cartesiana CoreXY

coreXY.png

Fonte: Adaptado de MOYER (2012)


         A configuração CoreXY, utilizada na impressora CNC BRASIL representada na figura 31, item C), é uma cinemática cartesiana mista, sendo paralela em XY e em série em Z. Nesta cinemática os motores, denominados Alpha e Beta, estão ligados por correias à ferramenta, não sendo necessários eixos auxiliares para transmitir o movimento.
         Para obter as equações de movimento podemos utilizar uma análise do movimento dos motores:

  • Ao girar o motor Alpha no sentido Anti-Horário (positivo), ocorre um movimento da ferramenta ao mesmo tempo em X positivo e em Y positivo.
  • Ao girar o motor Beta no sentido Anti-Horário (positivo), ocorre um movimento da ferramenta em X positivo e em Y negativo.

         Desta forma, temos que:

(5)
\begin{align} \Delta A = \Delta X + \Delta Y \\ \Delta B = \Delta X - \Delta Y \nonumber \end{align}

         Substituindo os termos nas equações, obtemos:

(6)
\begin{align} \Delta X = \frac{ \Delta A + \Delta B }{2} \\ \Delta Y = \frac{ \Delta A - \Delta B }{2} \end{align}

         Através da utilização destas simples conversões o controlador pode converter a entrada, recebida em posições cartesianas, em posições Alpha e Beta para controlar os motores e gerar o movimento correto na ferramenta.
         Desta forma, para mover a ferramenta em X+, o controlador deve controlar em A+B, para mover em X- deve controlar em -A-B, para mover em Y+ deve controlar em A-B, para mover em Y- deve controlar em -A+B. As diagonais são feitas pelos controles A+, A-, B+ e B-.
         Analisando a cinética desta configuração, é a que possui a menor inércia no conjunto movido, pois além dos motores estarem estáticos, presos a estrutura, a movimentação é efetuada por correias, que são mais leves que eixos auxiliares. Também há de se considerar que existe apenas um eixo móvel em XY, o outro eixo estando preso a estrutura. Assim como na cinemática Dual Wire a mesa está montada no eixo Z, que efetua apenas pequenos movimentos durante a impressão, diminuindo o efeito da inércia causada pelo peso do conjunto mesa+peça impressa. Esta configuração também diminui significativamente a complexidade do sistema, reduzindo a quantidade de peças, quando comparado a configuração Dual Wire.
         Como desvantagem desta configuração existe a necessidade de maior quantidade de cálculos para a movimentação cinemática, embora sejam cálculos relativamente simples.

2.4.4.2 Configuração Delta

         Robôs de configuração Delta, muito utilizados na indústria para aplicações de pick and place, utilizam cinemáticas paralelas, onde atuadores rotativos defasados entre si em 120º, movem braços articulados com juntas esféricas, que geram o movimento sobre o efetuador, conforme pode ser visto na figura 34. Neste tipo de configuração os eixos atuam em ângulos para definir o posicionamento, fazendo com que o cálculo de posicionamento seja feito por trigonometria.

Fig. 34 - Robô delta paralelo FANUC M1-iA/1H

DeltaFANUC-M-1iA-1H.jpg

Fonte: Adaptado de FANUC (2018)


         Em impressoras 3D este tipo de configuração Delta com atuadores rotativos é incomum, sendo utilizado outro tipo de configuração delta chamada Delta Linear, que pode ser visto na figura 35.

Fig. 35 - Torres de movimentação conectadas ao efetuador

delta-torres.png

Fonte: Adaptado de Abreu (2017)


         Nas configurações Delta Lineares, o movimento é baseado em 3 torres de movimentação defasadas em 120º, nomeadas A, B e C, por onde correm verticalmente carros de movimento. Nestes carros estão conectados, por juntas esféricas, braços de controle que transmitem o movimento dos carros ao efetuador.

Fig. 36 - Simplificação das posições de uma torre de movimentação

delta-cinemática.png

Fonte: Do autor


         Analisando a movimentação dos componentes podemos identificar que o movimento dos carros ocorre apenas na vertical, ao longo do eixo Z, em todas as torres. A movimentação em XY é dada pela diferença de altura entre os carros e a movimentação em Z é dada pela diferença de altura entre todos os carros e a mesa. Como os carros estão acoplados às torres, suas posições X e Y são sempre conhecidas. Outros valores sempre conhecidos são o comprimento da haste, o offset da ferramenta e o offset do pivô.
Desta forma, podemos definir os pontos:

(7)
\begin{gather} A1 = (A1_x,A1_y,A1_z)\\ B1 = (B1_x,B1_y,B1_z)\\ C1 = (C1_x,C1_y,C1_z) \end{gather}

Utilizando a ferramenta como referência podemos relacionar os pontos de pivô:

(8)
\begin{gather} A1_x = T_x + Po\\ A1_y = T_y\\ A1_z = T_z + Po \end{gather}

Sabendo que o ângulo entre os pivôs é de 120º:

(9)
\begin{gather} B1_x = T_x + Po * cos(120)\\ B1_y = T_y + Po * sin(120)\\ B1_z = T_z + To \end{gather}

e

(10)
\begin{gather} C1_x = T_x + Po * cos(-120)\\ C1_y = T_y + Po * sin(-120)\\ C1_z = T_z + To \end{gather}

Sabendo as posições dos pontos de pivotagem no efetuador, que os pontos dos carros em A, B e C estão alinhados com os pontos de pivotagem, e que a origem se encontra no centro geométrico da impressora, obtemos:

(11)
\begin{gather} A2_x = TorreA_x\\ A2_y = 0 \end{gather}
(12)
\begin{gather} B2_x = posTorreA_x * cos(120)\\ B1_y = posTorreA_x * sin(120) \end{gather}
(13)
\begin{gather} C2_x = posTorreA_x * cos(-120)\\ C1_y = posTorreA_x * sin(-120) \end{gather}

As distâncias em XY do ponto de pivotagem até a estrutura pode ser encontrado utilizando pitágoras:

(14)
\begin{gather} A2A1 = \sqrt{(A2_x-A1_x)^2 + (A2_y-A1_y)^2}\\ B2B1 = \sqrt{(B2_x-B1_x)^2 + (B2_y-B1_y)^2}\\ C2C1 = \sqrt{(C2_x-C1_x)^2 + (C2_y-C1_y)^2} \end{gather}

Sabendo a distância em XY e o comprimento da haste, podemos agora identificar a altura dos triângulos relacionados a cada carro:

(15)
\begin{gather} lA = lB = lC\\ h_A = \sqrt{lA^2 – A2A1^2}\\ h_B = \sqrt{lB^2 – B2B1^2}\\ h_C = \sqrt{lC^2 – C2C1^2} \end{gather}

Desta forma, identificamos que a altura do carro em relação à mesa é dada pela soma da altura do triângulo de cada carro com a altura da ferramenta e com o offset da ferramenta.

(16)
\begin{gather} A2_z = h_A + T_z + To\\ B2_z = h_B + T_z + To\\ C2_z = h_C + T_z + To \end{gather}

         Analisando a cinética é possível verificar as vantagens e desvantagens desta configuração.
         Como vantagens podemos identificar que todos os motores trabalham simultaneamente para mover o efetuador, o que permite um movimento rápido, o tamanho externo da impressora ser quase idêntico a área útil e o fato da mesa não ser móvel, o que evita que a inércia da parte já impressa da peça se movendo e vibrações desta comprometam a qualidade de impressão, e a fácil escalabilidade na vertical, sendo possível fabricar impressoras verticalmente maiores apenas aumentando alguns componentes.
         Contudo como desvantagens podemos identificar que a complexidade matemática para que ocorra o posicionamento é maior que em impressoras cartesianas, sendo necessário um processador mais potente (e mais caro) para fazer estes cálculos em tempo real. Adicionalmente, a exatidão cinemática variável no volume de impressão faz com que regiões próximas a extremidade da área de impressão tenham menores exatidões, o que pode comprometer o encaixe em peças mecânicas que necessitem de menor tolerância.

2.5 Controle de Impressoras 3D

         Esta sessão discorrerá sobre como ocorre o controle de impressoras 3D, primeiramente a um nível de programação embarcada (firmware), após a nível de instruções (código G), e por fim a nível de host (fatiador e como se comporta para diferentes geometrias).

2.5.1 Firmware

         O Firmware é um software (programa) que roda em um hardware embarcado. Por esta definição, o firmware da impressora 3D é composto do conjunto de comandos que controlam como o hardware da impressora se comporta, de acordo com as configurações do sistema e as entradas que este recebe.
         O firmware que controla a impressora é separado em diversos módulos que se intercomunicam. Por exemplo, ambos o módulo de entrada serial, responsável pela entrada de dados (como por exemplo uma lista de comandos obtida a partir de um arquivo no cartão de memória ou por conexão USB), quanto o sistema de movimentação (que define quantos pulsos devem ser entregues ao motor de passo e em que frequência deve ocorrer os pulsos), estão conectados ao sistema planejador de movimentos, que cria uma lista de comandos e monta uma ordem para que estes ocorram, de acordo com as configurações pré estabelecidas para a impressora, como velocidade máxima e mínima, aceleração máxima e mínima, arranque máximo, retrações, temperaturas mínimas e máximas, entre outros.
         Outro exemplo é o sistema térmico com o sistema de controle de segurança, que faz com que a impressora anule a movimentação e desligue caso seja identificado que a temperatura dos componentes de aquecimento foge dos parâmetros de segurança.
         Existem vários Firmwares open-source gratuitos disponíveis para impressoras 3D, como por exemplo os firmwares Marlin, Repetier, Teacup e Klipper. Cada um destes firmwares lida com as especificações de forma diferente. Como exemplo o firmware Marlin é executado inteiramente em processadores 8 bits, como o ATMega2560 disponível na placa Arduino Mega, enquanto o firmware Klipper divide suas tarefas entre um processador ARM 32 bits, como o disponível em um Raspberry Pi, para tarefas mais pesadas como interface com o usuário, conexão de rede, sistema de monitoramento e controle, e planejamento de movimentos cinemáticos, e um processador 8 bits para executar somente o sistema de execução de movimento, o que garante uma capacidade computacional para movimentação maior.

2.5.2 Velocidade Máxima Teórica

         A velocidade máxima teórica que pode ser obtida em uma impressora 3D pode ser obtida através da análise do processamento computacional disponível para gerar a movimentação, da menor quantidade de movimento na divisão de passo disponível pelo driver, e pela relação entre o giro do eixo e a movimentação do carro de movimentação. Esta análise é efetuada considerando apenas o controle, e desconsiderando fatores como inércia e perda de torque do motores de passo em altas velocidades, já que estes devem ser analisados experimentalmente, pois análises simplificadas fogem muito do resultado real esperado.
         Esta análise se baseia na menor capacidade de movimentação, analisada anteriormente nas fórmulas 3 e 4, porém agora sendo utilizada a capacidade do microcontrolador em gerar os pulsos que causam a movimentação.
         Por exemplo, para em uma configuração que tenhamos os seguintes dados:

  • Polias de 20 dentes, 2mm de passo
  • Motor de 200 passos por revolução
  • Driver com capacidade de 1/16 de micro passos
  • 10Khz de capacidade de processamento para movimentação (capacidade computacional disponível na maioria das impressoras, que rodam firmware Marlin com um processador ATMega2560 de 16MHz).


         Sabemos que cada revolução da polia gera 40mm de movimento (20 dentes * 2mm de passo), e que a cada revolução existem 200 passos passos inteiros, portanto cada passo causa um movimento linear de 0,2mm (40mm / 200 passos).
         Porém cada passo inteiro é subdividido pelo driver em 16 micro passos, desta forma fazendo com que cada micro passo de 1/16 cause 0,0125mm de movimento linear (0,2mm * (1/16)). Sabemos também que a quantidade de micro passos por milímetro é o inverso da mínima distância movida, portanto temos 80 passos/mm (1 micro passo /0,0125mm).
         Como sabemos que a capacidade máxima do controlador em gerar movimentos é de 10 mil vezes por segundo, identificamos que a velocidade máxima teórica é de 125mm/s (10kHz / 80 passos por milímetro).

         A resolução de 0,0125mm é bastante adequada e a velocidade de 125mm/s não é considerada lenta para impressoras de baixo volume de impressão, porém grandes volumes de impressão precisam de um sistema de movimentação mais veloz para compensar o grande aumento de tempo gerado por peças maiores. Adicionalmente, 1/16 micro passos nos motores faz com que a troca entre micro passos ainda tenha um ângulo elevado (1.8º / 16 = 0,1125º), gerando vibrações que podem ser transmitidas para a peça impressa. Para movimentações mais precisas e maiores velocidades também é necessário uma maior capacidade computacional. Por exemplo a mesma configuração, porém em 1/64 micro passos, teria apenas 31,25mm/s de velocidade máxima, enquanto em 1/256 micro passos teria 7,8125mm/s de velocidade, ambas consideradas velocidades extremamente baixas para a maioria das aplicações.
         Neste caso deve ser efetuado um compromisso entre a resolução e a velocidade, pois não é possível obter grandes valores com esta limitação no volume computacional, ou obter um microcontrolador que possua maior computacional para gerir mais rapidamente a mudança de passos para os motores.
         Um exemplo de compromisso seria a mudança da configuração para 1/8 micro passos, que faria com que a mesma configuração tivesse 0,025mm de resolução linear, que é uma boa resolução, porém sua velocidade máxima teórica aumentasse para 250mm/s, uma velocidade alta, capaz de atender grandes volumes de impressão.
         Contudo esta mudança causaria maiores vibrações no motor, já que o ângulo mínimo de movimentação rotativa passaria a ser de 0,2º. Para resolver esta dificuldade é necessária a utilização de drivers inteligentes, capazes de interpolar a entrada recebida em 1/8 micro passos e gerar uma movimentação para os motores mais precisa, transformando a entrada trapezoidal em uma saída em senoide.

Fig. 37 - Análise da transição de pulsos entre Double Stepping e Quad Stepping efetuada pelo controlador para compensar a quantidade excessiva de passos por segundo

double-quad-stepping.png

Fonte: NISLEY (2013)


         Outra forma menos prática de resolver o limite de processamento seria configurar o controlador para efetuar o cálculo de movimentação após múltiplas saídas de passos. Esta técnica é chamada de Double Stepping quando a relação de cálculo por saída é de 2:1 e Quad Stepping quando a relação é de 1:4, e pode ser verificada na figura 37. Contudo, esta técnica deve ser evitada, pois a distribuição dos pulsos entre os cálculos não é efetuada de forma normalizada, ou seja, o tempo entre os pulsos varia, o que causa artefatos na impressão devido as variações de tempo nas micro-movimentações, sendo efetuada automaticamente pelo firmware quando a velocidade excede a quantidade de pulsos máximas que o controlador pode efetuar em Single Stepping.

2.5.3 Código G

         Código G é a linguagem de programação que as impressoras 3D utilizam como entrada de dados, para que sejam formadas as peças. Estes códigos contém informações sobre as operações que devem ser efetuadas sequencialmente conforme recebidas, como movimentação, aquecimento e alteração de configurações. O código G utilizado por impressoras 3D para a movimentação do cabeçote segue a norma NIST RS274NGC (2000), porém como a impressão 3D possui necessidades específicas mais códigos foram adicionados para suplementar a capacidade de controle.
         Alguns códigos mais utilizados são:

  • G28 - Faz o homing, achando a posição da origem através de sensores de final de curso
  • G1 - Efetua movimentação dos eixos, através dos parâmetros recebidos para velocidade e quantidade de movimento.
  • G90 - Configura as movimentações para serem feitas sobre as posições absolutas.
  • G91 - Configura as movimentações para serem feitas sobre as posições relativas.
  • M80/M81 - Liga/desliga a fonte de energia, respectivamente

         Embora seja interessante conhecer os códigos para verificação manual de dificuldades ocorridas durante uma impressão, os códigos G são gerados automaticamente pelos fatiadores, programas responsáveis por gerar todos os comandos que serão executados durante a impressão de uma peça.

2.5.4 Fatiador

         O fatiador é o programa responsável por transformar os modelos tridimensionais em camadas que serão impressas uma a uma pela impressora para formar uma peça tridimensional, de acordo com os parâmetros configurados.
         Estas camadas são separadas de acordo com sua construção geométrica em diferentes elementos, que constituem o objeto, como perímetros internos e externos, preenchimentos, pontes e overhangs, além de criar elementos de suporte e de superfície que auxiliam na impressão da peça.

2.5.4.1 Camadas

         As camadas são elementos fundamentais da impressão 3D FFF, pois elas definem as características do objeto sendo impresso. Camadas finas fazem com que o modelo seja sub-dividido em mais partes, o que gera um nível de detalhes maior, porém aumenta o tempo de impressão. Já camadas mais grossas fazem o modelo ser dividido me menos partes, diminuindo a quantidade de detalhes e diminuindo o tempo de impressão.
         É comum que não se use uma altura de camada maior que 80% da largura do bico, pois o filamento deve ser comprimido contra a camada anterior para aderir corretamente. Também não é recomendado camadas menores que 20% da largura do bico, para evitar que o material fique quente por muito tempo e degrade dentro do bico, entupindo-o.
         Existe também uma distinção entre camadas de base, de topo e de preenchimento. As camadas de base ficam próximas a base da geometria sendo impressa e compõem a estética da parte inferior. As camadas de topo ficam próximas as regiões de topo da geometria, e compõe a estética da parte superior da peça. Já camadas de preenchimento ficam entre as camadas de base e topo, e representam a parte do modelo que não será completamente preenchida, recebendo um preenchimento vazado para economizar material.

2.5.4.2 Perímetros

         Perímetros são as linhas que compõem as paredes externas da peça sendo impressa. Uma quantidade maior de perímetros faz com que a parede externa fique mais grossa, deixando a peça mais resistente. Geralmente o perímetro externo (parede visível pelo lado de fora) é impresso a uma velocidade inferior aos demais para melhorar a qualidade superficial da peça impressa, permitindo maiores detalhes.

2.5.4.3 Preenchimento

         O preenchimento é utilizado para completar a parte mais interna da impressão, de forma que o modelo não fique nem totalmente oco (o que dependendo da geometria poderia impedir a impressão ou piorar a qualidade), nem totalmente denso (o que gastaria muito material e demoraria muito para imprimir).
         O preenchimento possui configurações próprias, podendo ter altura de camada diferente da peça impressa (para imprimir preenchimento para várias camadas de uma única vez), densidade fixa ou variável, e podendo ser impresso em diversas orientações e geometrias (como colméia, zig-zag, retilíneo e grade).

2.5.4.4 Suportes

         Suportes são estruturas adicionais que o fatiador gera para compensar geometrias que não possam ser impressas sem uma camada anterior que a segure. Por exemplo, ao imprimir um personagem com os braços para baixo devem ser utilizados suportes na parte inferior dos braços, para segura-los até que nas camadas superiores o braço se junte ao ombro. Os suportes podem ser adicionados automaticamente através da análise da estrutura, ou manualmente.
         Existe uma separação entre a impressão da ultima camada do suporte e a primeira camada imediatamente superior a ele, para facilitar sua remoção. Também é possível utilizar suportes de material solúvel para facilitar sua retirada.

2.5.4.5 Pontes

         Pontes são regiões do objeto onde o fatiador detecta que pode imprimir sobre um vão sem necessidade de suporte, esticando o filamento durante a impressão, acelerando a impressão naquele ponto e resfriando o suporte utilizando uma ventoinha, para fazer com que esta estrutura fique geometricamente correta.

2.5.4.6 Overhangs

         Overhang é o grau de inclinação em uma parede onde o material da camada superior consegue se apoiar na camada inferior, sem necessidade de suportes.
         Este fator depende do material e da refrigeração sendo aplicada a peça durante a impressão, assim como da geometria do bico.

2.5.4.7 Estruturas de Superfície (RAFT / Brim / Skirt)

         Rafts são superficies adicionais, como suportes, que podem ser impressos em baixo da peça, seja para apoia-la melhor a mesa ou para evitar que o material copie a textura da superfície de impressão, mantendo similaridade com a superfície do restante da peça.
         Brim é uma superfície adicional que circula ao redor do perímetro externo nas primeiras camadas para aumentar a área de contato da peça com a mesa, prendendo a peça. Esta função é importante para peças que possuam pouco contato com a mesa na parte inferior, para evitar que se soltem da mesa durante a impressão.
         Skirts são superfícies adicionais, impressas antes da peça, que circulam ao redor do perímetro da peça nas primeiras camadas, porém com um afastamento para não tocar na peça. Sua função é permitir a visualização da altura da primeira camada para ajustes antes de iniciar a impressão da peça, e se livrar de escorrimentos de material que poderiam se prender a peça caso esta fosse impressa diretamente.

2.6 Materiais utilizados para impressão 3D

         Nesta sessão serão discutidas as principais propriedades mecânicas, térmicas e de operação dos materiais mais comuns na impressão 3D. Não serão discutidas as tensões máxima de tração e cisalhamento devido a características anisotrópicas da impressão 3D FFF, fazendo com que a resistência não seja a mesma em todas as direções, e devido a variações na resistência de acordo com as configurações de operação do maquinário.

2.6.1 PLA

         O poli(ácido lático), também conhecido por Ácido Polilático, ou pela sigla inglesa PLA, é o material mais utilizado em impressão 3D. Segundo TECHMEDIANETWORKS (2018) este material é derivado do ácido lático obtido através da fermentação bacteriana de glicose extraída de vegetais como milho ou cana de açúcar, e por ser derivado de compostos vegetais é um material biocompostável, sendo consumível por bactérias comuns.
         Seu uso é comum devido à sua facilidade de utilização, já que é um material com baixo ponto de fusão (180 a 184 ºC) segundo WYPYCH (2016, p. 451), e que devido à baixa temperatura de transição vítrea (55 a 75 ºC) não requer utilização de mesa ou câmara aquecidas, aderindo em superfícies não aquecidas (apesar de se beneficiar destas para promover melhor adesão à superfície), contudo pelo mesmo motivo este material não é indicado para imprimir objetos onde a utilização ocorra em temperatura ambiente acima de 60ºC.
         É um polímero que atua bem mesmo em impressoras de entrada, sem muitos recursos e sob temperatura ambiente. Contudo devido à grande variação entre sua temperatura de fusão e a temperatura de transição vítrea, é recomendado resfriar o material durante a impressão com uma ventoinha para reduzir o escoamento, melhorando de forma significativa a qualidade da impressão.
         O material é bastante rígido (modulo de Young entre 3,700 a 4,100 MPa), e sua falha ocorre por estilhaçamento. Degrada rapidamente com exposição à umidade ou raios ultravioleta.
         O Pós-processamento de peças impressas em PLA é trabalhoso, visto que não aceita temperaturas altas e que por ter alta rigidez não é facilmente lixável. O tratamento químico de alisamento superficial pode ser feito através de imersão em líquido ou vapor de seus solventes: clorofórmio, tetraidrofurano, diclorometano e acetato de etila, todos estes materiais que necessitam conhecimento de segurança laboratorial para correta manipulação.

2.6.2 ABS

         O Acrilonitrila Butadieno Estireno, também conhecido pela sigla inglesa ABS, é o segundo material mais utilizado em impressão 3D.
         Este material derivado de petróleo é muito utilizado na indústria para processos de injeção, e devido a sua alta disponibilidade no mercado, sua boa capacidade de reter cor e seu baixo custo, se tornou também um material disponível para impressão 3D.
         Possui temperatura de fusão entre 200ºC e 220ºC e temperatura de transição vítrea de 105ºC, que são temperaturas facilmente obtidas em impressoras 3D. Contudo, este material possui uma alta contração térmica, e por este motivo necessita de controle de temperatura (uso de mesa aquecida ou câmara aquecida) e câmara fechada, para evitar que correntes de ar façam a peça contrair desigualmente, segundo SIMPLIFY3D (2018). Devido à alta temperatura de transição vítrea este material possui boa resistência térmica, podendo ser utilizado em ambientes com altas temperaturas.
         Embora este material não seja tóxico, durante a impressão produz odor e libera uma quantidade considerável de nanopartículas, que podem causar dores de cabeça e náuseas em pessoas sensíveis à formulação do monômero e, embora não exista nenhum estudo que conclua que as nanopartículas de ABS causem problemas de saúde, não é recomendável o contato prolongado com o ar contaminado para evitar sensibilização. Algumas impressoras 3D possuem exaustão para área externa ao término da impressão, ou filtragem do ar por filtros HEPA para evitar a contaminação do ambiente.
         É um material resistente e dúctil (modulo de Young entre 1810-2390 MPa), e sua falha geralmente ocorre por escoamento. Degrada com exposição à raios ultravioleta.
         O pós processamento de peças impressas em ABS é relativamente simples, segundo CENTRO SVILUPPO PROGETTI (2018), visto que pode ser facilmente lixado por ser um material macio. Seu tratamento químico de alisamento superficial também é facilmente obtido através de imersão em líquido ou vapor de seus solventes: Acetona e Metil-Etil-Cetona (também chamado de Butanona), porém estes materiais tem venda controlada pela Polícia Federal, são altamente inflamáveis e necessitam de conhecimento em segurança laboratorial para correta manipulação.

2.6.3 PETG

         Segundo VON ÜBEL (2018) o Politereftalato de etileno glicol (PETG) é um plastico obtido pela adição de glicol à formulação do PET, material conhecido pelo grande uso na produção de garrafas. A adição do glicol torna o material mais tenaz e permite impressões em maior velocidade.
         Este material tem grande possibilidade de uso em impressão 3D pois contém as melhores propriedades dos materiais mais utilizados em impressão 3D (PLA e ABS). Como exemplo possui resistência mecânica e térmica similar ao ABS, porém não solta odores, tem baixa retração e não requer câmara aquecida, assim como o PLA. Além disso possui alta adesão nas camadas no próprio material, que facilita a impressão de peças impermeáveis a líquidos e quimicamente inerte, sendo afetado quimicamente por poucos materiais.
         Porém este material também tem suas desvantagens segundo SIMPLIFY3D (2018), como o custo mais elevado, sua alta viscosidade que faz com que o material tenda a escorrer do bico criando artefatos na peça impressa e unindo estruturas de suporte à peça, e devido a sua tendência de se unir ao mesmo material menores precisões em cantos da peça impressa, pois o material tende a ser puxado pelo bico em movimento, arredondando os cantos.
         É um material resistente e dúctil (modulo de Young entre 2000-2700 MPa), e sua falha geralmente ocorre por escoamento. Degrada com exposição à raios ultravioleta.
         O pós processamento em peças de PETG é relativamente simples, sendo facilmente lixado por se tratar de um material macio. Não constam em livros de impressão 3D o uso de solventes para suavização de camadas, embora segundo WYPYCH (2016, p. 401) sejam solventes deste material o sulfóxido de dimetilo e o Nitrobenzeno, sendo necessários mais testes para identificar se podem ser utilizados para pós processamento de peças impressas, com o devido cuidado em obedecer procedimentos de segurança laboratorial.

2.6.4 NYLON

         O nome Nylon se refere não apenas a um material, mas a um conjunto de polímeros da família das poliamidas, sendo os mais conhecidos o PA-6, PA-6,6, PA-11 e o PA-12.
         Este material é muito comum na indústria devido sua resistência mecânica, sendo muito comum também na impressão 3D SLS por sinterização a laser. Contudo quando se trata de impressão 3D FFF este material ainda não é muito utilizado devido as suas propriedades térmicas e higroscópicas.
         Este material requer alta temperatura para fusão, uso de mesa aquecida e preferencialmente câmara aquecida, e por isso grande parte das impressoras 3D não tem capacidade de imprimir com este material. Segundo SIMPLIFY3D (2018) a capacidade deste filamento de absorver água também não auxilia para a impressão 3D FFF, uma vez que a água impregnada no filamento ao ser aquecida e virar vapor gera disrupções no fluxo de filamento que está sendo depositado pelo bico, levando a uma má qualidade de impressão.
         Para evitar estes problemas existem formulações específicas de Nylon voltadas para impressão 3D como o Nylon 230, com menor temperatura de fusão e menor necessidade de temperatura ambiente alta (TAULMAN3D LLC, 2018), porém com preço mais elevado.
         O Nylon é um material com excelentes propriedades mecânicas, tendo grande resistência a impacto e sendo parcialmente flexível. Por possuir baixo coeficiente de atrito não sobre grande abrasão em peças para deslizamento mecânico. Também não emite odor característico durante a impressão.
         É um material resistente e dúctil, e sua falha geralmente ocorre por escoamento. Degrada rapidamente com exposição à raios ultravioleta, porém existem formulações com aditivos para melhorar a resistência à raios ultravioleta.
         Quanto ao pós processamento o Nylon é muito inerte, não sendo atacado quimicamente com facilidade pela maioria dos compostos, exceto soluções ácidas fortes e bases fortes (WYPYCH, 2016 p. 401). Desta forma o ideal para suavização da impressão é o pós processamento mecânico, normalmente realizado por vibroacabamento (tamboreamento).

2.6.5 ASA

         O Acrilonitrilo Estireno Acrilatom, conhecido pela sigla inglesa ASA, é um material criado para ter propriedades semelhantes ao ABS, segundo CENTRO SVILUPPO PROGETTI S.R.L. (2018), porém com melhor capacidade de resistir a raios ultravioleta e umidade, o que torna este material ideal para utilização com exposição à intempéries, e por isso foi bem adotado na indústria automobilística.
         Possui temperatura de fusão entre 200ºC e 220ºC e temperatura de transição vítrea por volta de 115ºC, temperaturas facilmente obtidas em impressoras 3D. A contração térmica deste material também é menor que a do ABS, sendo mais recomendado para peças mecânicas que necessitem de encaixes precisos, porém ainda necessita de controle de temperatura (uso de mesa aquecida ou câmara aquecida) e câmara fechada, para evitar que correntes de ar façam a peça contrair desigualmente. Devido à alta temperatura de transição vítrea este material possui boa resistência térmica, podendo ser utilizado em ambientes com altas temperaturas.
         Embora este material não seja tóxico, durante a impressão produz odor e libera uma quantidade considerável de nanopartículas, que podem causar dores de cabeça e náuseas em pessoas sensíveis à formulação do monômero e, embora não exista nenhum estudo que conclua que as nanopartículas de ASA causem problemas de saúde, não é recomendável o contato prolongado com o ar contaminado para evitar sensibilização. Algumas impressoras 3D possuem exaustão para área externa ao término da impressão, ou filtragem do ar por filtros HEPA para evitar a contaminação do ambiente.
         É um material resistente e dúctil (modulo de Young entre 1900-2600 MPa), e sua falha geralmente ocorre por escoamento. É extremamente resistente exposição à raios ultravioleta e umidade.
         O pós processamento de peças impressas em ASA é relativamente simples, visto que pode ser facilmente lixado por ser um material macio. Seu tratamento químico de alisamento superficial também é facilmente obtido através de imersão em líquido ou vapor de seus solventes: Acetona e Metil-Etil-Cetona (também chamado de Butanona), porém estes materiais tem venda controlada pela Polícia Federal, são altamente inflamáveis e necessitam de conhecimento em segurança laboratorial para correta manipulação. 

2.6.6 PVA

         O Álcool Polivinílico, conhecido pela sigla inglesa PVA, é um polímero biodegradável solúvel em água (VON ÜBEL, 2018). Este material é utilizado em impressão 3D apenas para a impressão de suportes solúveis, uma vez que o material é extremamente macio e a umidade do ar degrada o polímero, impedindo este material seja utilizado para peças mecânicas.
         Sua temperatura de fusão é de 178ºC e a temperatura de transição vítrea é de 84ºC (WYPYCH, 2016 p. 611).
         Devido a impressão 3D FFF ocorrer em camadas algumas geometrias e orientações precisam que ocorra o suporte de suas superfícies para que sejam impressas corretamente. O suporte solúvel de PVA permite que mesmo geometrias mais complexas utilizem suportes, principalmente onde suportes do mesmo material da peça seriam inviáveis. Devido ao suporte ser solúvel não existe separação entre a camada anterior de suporte e a superior de material, permitindo uma melhor qualidade superficial nas peças apoiadas. Aoós o término da impressão o suporte é removido por imersão em água morna.

2.6.7 HIPS

         Poliestireno de alto impacto, também conhecido pela sigla inglesa HIPS, é um material utilizado na impressão 3D como para material de suporte solúvel para impressões em ABS e outros materiais que não aderem a PVA.
         Possui temperatura de fusão de 275ºC e temperatura de transição vítrea de 103ºC (WYPYCH, 2016 p. 561), que são temperaturas relativamente altas para impressoras 3D. Este material possui uma alta contração térmica, e por este motivo necessita de controle de temperatura (uso de mesa aquecida ou câmara aquecida) e câmara fechada, para evitar que correntes de ar façam a peça contrair desigualmente.
         Após a impressão da peça os suportes podem ser removidos por imersão no solvente D-Limoneno (3DLAB, 2018), dissolvendo apenas os suportes e mantendo o restante da peça intacta.

2.6.8 PC

         O Policarbonato (PC) é um polímero de engenharia muito utilizado para peças que necessitem de grande resistência mecânica ou utilização em operações alta temperatura.
         Sua temperatura de fusão é de 261ºC, e sua temperatura de transição vítrea de 150ºC (WYPYCH, 2016 p. 317). Graças a sua temperatura de transição vítrea alta o material não sofre deformações significativas em baixa temperatura. Estas temperaturas não são facilmente obtidas em impressoras 3D, sendo necessária a utilização de componentes específicos para impressão de materiais de alta temperatura, e devido a este material possui uma alta contração térmica necessita também de controle de temperatura, com uso de mesa aquecida e câmara aquecida.
         É um material extremamente resistente e dúctil (modulo de Young entre 2390-2600 MPa), e sua falha geralmente ocorre por escoamento. Degrada com exposição à raios ultravioleta, porém pode receber aditivos na composição para diminuir esta degradação.
         O pós processamento de peças impressas em policarbonato é relativamente simples, visto que pode ser lixado. Não consta informação na literatura de impressão 3D sobre o tratamento químico de alisamento superficial para este material, sendo necessário estudo sobre o possível uso de seus solventes: clorofórmio, diclorometano, acetofenona e benzeno, todos estes materiais que necessitam conhecimento de segurança laboratorial para correta manipulação.

2.6.9 TPU

         O Poliuretano termoplástico, conhecido pela sigla em inglês TPU, é um polímero elástico, sendo utilizado em impressão 3D para fabricação de peças flexíveis, como estampas em tecido, atuadores pneumáticos, capas protetoras, amortecedores e tampas flexíveis.
         Possui temperatura de fusão entre 170ºC e 235ºC e temperatura de transição vítrea entre -44ºC e -66ºC (WYPYCH, 2016 p. 686). A temperatura de fusão pode ser obtida facilmente mesmo em impressoras 3D simples, e não necessita de grande controle térmico, podendo aderir até mesmo em mesa sem aquecimento, embora a adesão seja maior em uma mesa levemente aquecida a cerca de 60ºC. Não necessita de câmara aquecida ou fechada.
         A maior dificuldade na impressão deste material é, segundo SIMPLIFY3D (2018), a forma como ele se comporta ao ser empurrado pela extrusora. É preciso que não existam folgas significativas na extrusora para evitar que o filamento flexível enrole na engrenagem tratora. Este filamento se torna mais difícil de imprimir em sistemas bowden devido ao comprimento da tubulação e as folgas do tubo, que fazem com que a elasticidade do filamento dificulte a extrusora a empurrar o filamento. Como em sistemas diretos o percurso da extrusora ao hotend é menor o material se comporta de forma parecida com outros filamentos, sendo possível obter melhor controle do filamento em sistemas de tração direta, o que garante melhor qualidade de impressão.
         O pós processamento de peças impressas em TPU é relativamente simples, visto que pequenos erros podem ser cortados com um alicate, por ser um material elástico.

2.7 Fontes de modelos para impressão

         Da mesma forma que uma impressora comum (2D) utiliza arquivos com dados bidimensionais da imagem a ser impressa, uma impressora 3D utiliza arquivos com dados tridimensionais do modelo a ser impresso. Por este motivo não é possível efetuar a impressão em 3D de fotos bidimensionais, pois faltariam informações sobre a terceira dimensão.
         Para obter os modelos a serem impressos são utilizadas ferramentas específicas para este tipo de abordagem, como escultura e modelagem tridimensional, desenho CAD, ou ainda obter modelos prontos, feitos pelos métodos anteriores, em sites de compartilhamento.

Fig. 37 - Escultura tridimensional no software Sculptris

sculptris.jpg

Fonte: Shapeways (2018)


         A escultura tridimensional se baseia nos mesmos princípios da escultura manual, onde se inicia com um pedaço de massa de modelar, e através da manipulação artística, adicionando novos pedaços ao objeto, é formada a peça. Embora esta técnica não garanta boa precisão geométrica, é ideal para modelagens orgânicas, como por exemplo pessoas ou animais, conforme demonstrado na figura 37.

Fig. 38 - Modelagem tridimensional no software Sketchup

sketchup.png

Fonte: Shapeways (2018)


         Já a modelagem tridimensional também não é indicada para peças que necessitem de precisão, visto que o uso original deste tipo de ferramenta é para criação de modelos utilizados em computação gráfica, animação e jogos. Porém é possível efetuar peças mecânicas de baixa precisão com este tipo de ferramenta, pois se baseiam na modificação de pontos, vértices e polígonos de peças tridimensionais, podendo serem criadas tanto peças orgânicas quanto peças mecânicas e objetos. A figura 38 demonstra a modelagem de um carro no software Sketchup.

Fig. 39 - CAD no software Onshape

Onshape.png

Fonte: Shapeways (2018)


         Programas CAD são programas de desenho técnico assistido por computador, ou seja, são capazes de reproduzir o desenho com exatidão em um formato tridimensional.
         Neste tipo de ferramenta são formados corpos sólidos a partir de extrusões de desenhos 2D, sendo modificados continuamente por processos similares aos processos de fabricação, até a formação final da peça conforme os requisitos de projeto.
         Estes programas não dispõem de ferramentas de modelagem orgânica, sendo utilizados apenas para criar componentes mecânicos. Como exemplo, na figura 39 podemos verificar uma caixa de engrenagens montada no software Onshape.
         Embora estes programas sejam geralmente caros e para uso profissional, com alta complexidade, existem ainda versões gratuitas de programas CAD, como Autodesk Fusion, FreeCAD e OpenSCAD, e também versões que não necessitam de instalação e funcionam na internet como o Onshape, assim como versões mais simplificadas, ideais para a aprendizagem de crianças, como o Tinkercad.

Fig. 40 - Site de compartilhamento de modelos 3D Thingverse

thingverse.png

Fonte: MAKERBOT INDUSTRIES (2018)


         Outra forma de obter modelos para impressão são sites de compartilhamento e venda de modelos 3D. Nestes sites os usuários, modeladores e projetistas compartilham suas criações de forma gratuita ou paga, para que outras pessoas possam efetuar a impressão do modelo.
         Por ultimo existem empresas que disponibilizam modelos para baixar, como fabricantes que disponibilizam os modelos de peças de suas máquinas para que os clientes possam efetuar manutenções e modificações, como também catálogos técnicos que disponibilizam os modelos de componentes para que possam ser impressos protótipos, permitindo verificar se a peça atende ao projeto antes de comprar o componente.

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