Como Funciona Uma Impressora 3D


A opção por usar em meu Projeto impressoras RepRap (Replicating Rapid Prototyper - Prototipador de Replicação Rápida) cartesianas se deve ao fato de serem as mais comuns no mercado, com o menor custo de produção. Embora diferente fisicamente, sua estrutura básica e operacionalidade são bem similares às dos outros tipos de impressoras FFF (Fused Filament Fabrication - Fabricação por Filamento Fundido).

 As impressoras Cartesianas são assim chamadas por serem baseadas no sistema matemático cartesiano de coordenadas. Essa tecnologia usa o sistema de três eixos, X, Y e Z, para determinar a posição e direção do bico da cabeça de impressão. Esse bico é chamado nozzle. 

O funcionamento de uma impressora 3D FFF é tão simples que, de certa forma, é surpreendente que não tenha sido criado antes. Todo o sistema se reduz a colocar finas camadas de plástico derretido umas sobre as outras, até se ter o objeto completamente montado. O processo é conhecido por "manufatura aditiva". 
Esse processo ganhou força no final do século XX e começo do XXI, em razão dos movimentos sociais de reciclagem e economia, que iam contra o sistema ancestral de modelagem, a "manufatura subtrativa", que consiste em remover partes de uma matéria-prima para se obter o produto final. 
A manufatura subtrativa ainda é o processo de modelagem mais comum no planeta. Ele é usado para construção de qualquer objeto de madeira, por exemplo, em que partes são subtraídas de um todo, como um tronco ou um galho. O calcanhar de Aquiles desse processo é a imensa quantidade de resíduos gerados. Talvez essa seja a razão de as impressoras 3D terem ganhado impulso nesse século.
Representação dos eixos de uma impressora 3D cartesiana  *08
Na imagem acima, vemos o esqueleto de uma impressora 3D cartesiana, com detalhes para os suportes de movimento. O eixo de Y move a base de construção da impressora para a frente e para trás. O eixo de X move o cabeçote, por onde flui o plástico, para a direita e esquerda. O eixo de Z move o cabeçote para cima. Somados, os movimentos de X e Y criam a forma e os limites laterais do objeto. O movimento de Z cria as camadas superiores, dando altura à impressão.
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Nessa imagem, temos a estrutura mecânica da impressora 3D. As colunas que apoiam o cabeçote compõem a parte móvel mais pesada do conjunto. Por essa razão, existem dois motores no eixo de Z, para mover todo o bloco. Alguns modelos movem a base de cima para baixo, no eixo de Z, deixando o cabeçote fixo em uma única altura. Da mesma forma, o carretel de filamento também pode ser colocado em diversos locais, que variam de acordo com o modelo escolhido ou construído pelo usuário. 

 O cabeçote possui um motor chamado extrusor, que tem a função de puxar o filamento e empurra-lo para dentro do cabeçote. Este motor também pode ser colocado em locais variados, como junto ao carretel de filamento, na base superior da impressora ou, como na foto, junto ao cabeçote.

A base aquecida ou Hot-Bed, superfície onde ocorre a criação do objeto pela deposição do material derretido, precisa ser aquecida para manter o plástico em estado de aderência. Sem aquecimento, o plástico resfria e sofre uma retração que o desprega da mesa. Sem adesão, o objeto se move e impede que as próximas camadas sejam depositadas nas coordenadas corretas. 

 O painel de controle fornece informações durante a impressão, como tempo gasto, percentual da impressão já realizada, temperatura dos componentes. Na configuração mais comum das impressoras RepRap, o painel de controle possui uma entrada para cartão SD, que insere na impressora os dados de impressão, gerados anteriormente em um computador. 

 As impressoras 3D são bem mais independentes da assessoria do computador que as 2D. Normalmente, é mais prático alimenta-las por cartões SD ou pendrives do que mantê-las conectadas constantemente ao computador. 

 Justamente por ser um sistema ainda em desenvolvimento, até o painel de controle pode ser fixado em outros locais. Existe uma tendência, atualmente, para colocar todos os componentes eletrônicos (painel de controle, fonte de energia, unidade de memória e processamento) em uma caixa separada da impressora, mantendo assim uma divisão clara entre mecânica e eletrônica, facilitando modificações e manutenção. 

As impressoras FFF, atualmente, podem ser alimentadas por dois diâmetros específicos de filamentos: 1.75mm e 3mm. Embora seja possível adaptar as impressoras 3D para qualquer espessura de filamento, essas medidas se tornaram padrão de mercado e não é fácil encontrar filamentos comerciais em outros valores.

 O filamento de 3mm é adequado para objetos grandes, sujeitos a grandes pressões. É também usado na construção de protótipos e tem uso praticamente profissional. Já objetos feitos com o filamento de 1.75mm possuem mais detalhes, com acabamento mais fino. É largamente o mais utilizado de forma doméstica.
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 Os nozzles também são fabricados em várias medidas e com vários tipos de metal. Os mais populares e baratos são feitos em latão. Eles são confeccionados com aberturas de variados diâmetros. Os mais comuns são os de 0.4mm, adequados à maior parte das impressões domésticas. Existem menores e maiores. Quanto maior o diâmetro de saída do plástico, mais rápida será a impressão, porém menor a quantidade de detalhes. Uma peça com muitos detalhes, feita com um nozzle de 0.2mm, pode consumir até 15 vezes mais tempo que a mesma peça feita com um nozzle de 1.0mm. Como em quase todas as manufaturas, qualidade e velocidade estão sempre em lados opostos.

 Por sua própria estrutura original, uma impressora 3D tem partes bem definidas: mecânica, eletrônica, estrutural e térmica. Seus movimentos mecânicos são controlados por pequenos motores de passo (Step Motors). 
Um motor de passo é um tipo de motor que gira seu rotor em pequenos incrementos angulares, pequenas frações de uma volta completa, os tais passos. Pode girar no sentido horário e anti-horário e foi a escolha perfeita para a precisão requerida pelas RepRap.
                                                                                                       *13

Os criadores da RepRap optaram pelos motores de passo da empresa Pololu Robotics & Eletronics por uma razão básica: eram os motores mais baratos disponíveis, com qualidade comprovada pela experiência do professor Dr. Adrian Bowyer em suas pesquisas junto à Universidade de Bath, em Somerset, no Reino Unido. Embora hoje em dia existam outros fabricantes de motores de passo para impressoras 3D RepRap, os da Pololu continuam sendo os mais utilizados, não só pela tradição e alta qualidade, mas, principalmente, pelos preços reduzidos.  

A parte eletrônica de uma impressora 3D é consideravelmente simples. Como a tecnologia de coordenadas e movimentos mecânicos já existia, os criadores das impressoras RepRap apenas a adaptaram. Desde o princípio, a intenção era fazer uma impressora de custo baixo, acessível. 

 Para evitar os custos de se criar uma placa controladora, e mantendo distância das onerosas placas industriais, eles optaram por usar uma Arduino Mega 2560 (o "Projeto Arduino", criado na Itália, guarda algumas similaridades com a criação das impressoras RepRap, no sentido de que foi também um projeto de desenvolvimento tecnológico de baixo custo, visando o acesso popular).
O conjunto de placas de controle de uma impressora 3D     *14
Com a Arduino Mega 2560, os criadores da RepRap só precisaram desenvolver uma placa de cobertura (shield) para criar as saídas necessárias de controle de movimentos e a temperatura das impressoras. Essa placa se chamou RAMPS (RepRap Arduino Mega Pololu Shield - Placa de Cobertura para Arduino Mega e Pololu em RepRaps). O programa de controle é inserido na placa Arduino via computador, e a placa RAMPS é encaixada sobre a Arduino, recebendo seus comandos e orientando sua passagem aos componentes da impressora.
*14 e 15

Acima, MKS Gen e Anet 3D, placas controladoras desenvolvidas especificamente para as impressoras 3D RepRap, que visam substituir o conjunto de placas Arduino/RAMPS. 
Agregando as funções das duas, essas prometem mais velocidade na troca de dados e simplicidade na instalação. Embora sejam evoluções do conceito, alguns pequenos problemas, como dissipação de calor, por exemplo, aliados ao preço alto, têm impedido sua utilização massiva.
No começo do projeto RepRap, as impressoras 3D utilizavam fontes de energia tiradas de computadores. Eram confiáveis, com tecnologia bem conhecida e baratas. Eventualmente, algumas empresas começaram a produzir fontes específicas para impressoras 3D. Essas são mais finas e silenciosas e com cabeamento específico, o que elimina a necessidade de cortes e soldas para adaptações.
Com um preço similar (e às vezes até mais baixo) àquelas feitas para computadores, as novas fontes têm se tornado muito populares. Possuindo peso e tamanho menores, elas facilitaram em muito o desenvolvimento de modelos de impressoras mais fáceis de serem movidas, e permitiu mais criatividade no desenvolvimento estético das estruturas atuais. 

Com o avanço das pesquisas com impressoras 3D, mais peças são fabricadas com plásticos. Embora ainda hoje vários componentes das RepRap sejam feitos com outros materiais, estima-se que no futuro será possível imprimir praticamente 100% das peças. 
De minha parte, aprendi a não duvidar de nada. 

Recentemente, uma equipe francesa imprimiu um nozzle de plástico! Dois anos atrás o conceito seria impossível de ser sequer discutido. Com novas ligas plásticas sendo criadas todos os dias, impossível é apenas o que ainda não foi feito.



A cada dia, mais e melhores peças de impressoras 3D são geradas.

Tendo uma estrutura mecânica simples, as impressoras 3D RepRap requerem maior atenção apenas em sua parte eletrônica. Com o avanço das pesquisas, aliado aos recursos que a eletrônica moderna tem fornecido, é cada dia maior o número de componentes que tem sido agregados aos mecanismos, com a intenção de se conseguir mais qualidade, produtividade e velocidade. Sistemas de ventilação específicos, controladores dos passos dos motores, sensores de posição, alinhamento e temperatura são alguns dos exemplos dessa evolução. 

 Veremos a parte eletrônica com mais detalhes em um post futuro.

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