Os números atuais da fabricação aditiva

Cristina Domínguez, Investigadora do departamento de Design e Injeção da Aimplas14/02/2020
A Fabricação Aditiva (FA) é uma tecnologia em expansão que todos os dias está presente em cada vez mais setores e aplicações, dado que as suas condições de fabrico únicas conferem grandes vantagens relativamente a outros processos de transformação [3].

Cada vez mais setores introduzem a FA nos seus processos de fabrico: aeroespacial, cuidados de saúde e bens de consumo são os que possuem uma maior expetativa de crescimento. Mas são muitos outros os campos em que está a estabelecer-se: robótica, jogos, eletrónica de consumo, arte e design, automóvel, mobiliário, arquitetura, joalharia... [2]

E esta tendência parece manter-se em crescimento. Segundo o National Intelligence Council dos Estados Unidos (NIC), prevê-se que o mercado da FA neste país norte-americano quadruplique o seu tamanho entre 2014 e 2025 [2].

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Mercado de impressão 3D por tecnologias nos Estados Unidos 2014-2025 (em milhões de dólares). Fonte: Grandviewresearch.com

Principais tecnologias

Estas são as tecnologias mais utilizadas no mercado da impressão 3D. Cada uma segue determinados princípios, orientações de design e utiliza determinados materiais específicos:

  • Fusion Deposition Modeling (FDM): fusão de um fio de plástico fino
  • Estereolitografia (SLA): banho de resina fotocurável
  • Selective Laser Sintering (SLS): fundição de material em pó
  • PolyJet photopolymer: solidificação de um fotopolímero líquido
  • Multi Jet Fusion: fusão seletiva por calor de poliamidas em pó
  • SLM: fusão seletiva de metal em pó
  • Formação em vácuo: processo em que se criam modelos em FA para criar moldes de silicone.

Destas tecnologias, cabe destacar as seguintes:

 

FDM. Fusion Deposition Modeling

É extrudido um filamento fundido sobre uma superfície de construção ao longo de uma trajetória predeterminada.

À medida que o material é extrudido, arrefece, formando uma superfície sólida que proporciona a base para a camada de material seguinte sobre a qual se irá construir. Isto repete-se camada por camada até completar o objeto.

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Processo de fabricação por tecnologia FDM. Fonte: Materialise.

Características:

  • Utiliza materiais padronizados e muito duradouros
  • Boa estabilidade das suas propriedades mecânicas ao longo do tempo e a qualidade das suas peças.
  • Os termoplásticos utilizados são adequados para protótipos funcionais detalhados, ferramentas de fabrico duradouras e volumes de peças reduzidos.
  • Alta precisão
  • Tempos de entrega reduzidos.

 

SLA. Estereolitografia

É um método de impressão 3D que utiliza um laser de luz UV para curar seletivamente uma resina fotopolimérica que se encontra dentro de um tanque.

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Processo de fabricação por tecnologia SLA. Fonte: Materialise.

Características:

  • Produz modelos com um aspeto excelente e uma qualidade superficial impecável em muito pouco tempo.
  • Peças representativas para realizar testes visuais.
  • Alto grau de precisão.
  • Peças de grande dimensão.
  • Peças transparentes.
  • As impressões são isotrópicas, as camadas unem-se quimicamente entre si, tendo como resultado propriedades físicas quase idênticas nas direções x, y, z.
  • O custo em comparação com a FDM é mais elevado devido ao material de adição, mas a qualidade de impressão é mais elevada do que na FDM.

 

SLS. Sinterização seletiva por laser

A sinterização laser é uma tecnologia que utiliza materiais sólidos em pó (normalmente, plásticos). Um raio laser controlado por computador permite fundir partículas na base de pó de forma seletiva. Dado que o pó se sustém por si mesmo, não é necessário utilizar estruturas de apoio.

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Processo de fabricação por tecnologia SLS. Fonte: Materialise.

Características:

  • Não requer estruturas de apoio.
  • Adequada para peças que entram em contacto mutuamente.
  • A liberdade em matéria de design que a sinterização por laser proporciona permite gerar peças complexas e funcionais.
  • O processo de produção é rápido e rentável, dado que maximizamos o espaço de construção disponível em cada máquina.
  • Produção direta de projetos com um volume reduzido.
  • Devido às altas temperaturas do processo, as peças podem sofrer contrações e deformações.

 

Impressão 3D com fibras

Tecnologia única, capaz de trabalhar com fibras contínuas, com o objetivo de fabricar peças em 3 dimensões e reforçadas

É possível fabricar peças altamente resistentes e robustas em muito pouco tempo e de uma forma rápida e limpa, melhorando, desta forma, as prestações do Alumínio 6061.

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Características:

  • Peças resistentes, graças à sua tecnologia única de impressão com fibra contínua de carbono.
  • Possui uma elevada precisão graças à sua resolução, que pretende aproximar-se da SLA ou de peças fabricadas por injeção, além de contar com um sistema laser de controlo de tolerâncias.
  • É possível obter peças que podem ser utilizadas como peças finais, com uma superfície suave, sem o conhecido efeito de camadas da tecnologia FFF.
  • Materiais: Fibra de carbono, fibra de vidro, Kevlar, Onyx (Nylon com microfibras de carbono) e Nylon.

 

Bioimpressão

O setor da bioimpressão é provavelmente um dos mais disruptores e futuristas desde a chegada das tecnologias de fabricação aditiva ao contexto industrial.

As primeiras incursões da fabricação aditiva realizaram-se no âmbito do desenvolvimento de instrumentos cirúrgicos específicos ou aproveitando a biocompatibilidade de compostos metálicos, no fabrico de ortóteses e próteses.

Mas a verdadeira tendência revolucionária já não passa pelo simples fabrico de ortóteses ou próteses, mas sim por incursões em territórios historicamente vedados (por serem desconhecidos), como o fabrico de tecidos, tanto para planificação cirúrgica como para o tratamento personalizado e à medida do paciente.

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Fonte: Regemat3d

Finalmente, com a bioimpressão investiga-se o avanço da chamada “medicina personalizada”, na qual o tratamento será adaptado às necessidades específicas de cada paciente, para obter resultados ótimos [7].

Por outro lado, é utilizada no campo farmacêutico, no qual a investigação se foca na introdução e estudo do comportamento de compostos em determinadas estruturas [7].

O produto que é o objetivo deste tipo de impressoras é completamente diferente do resto e, portanto, não é uma tecnologia competitiva, mas sim complementar.

Aplicações gerais e linhas de investigação na Europa

Uma perspetiva bastante ampla dos setores que são objetivo para esta tecnologia é apresentada pelo AM-Motion, um projeto europeu que define as orientações para o estabelecimento de uma estratégia para a implantação da FA na Europa.

Segundo o AM-Motion, os setores-chave para o desenvolvimento da FA são:

  • Saúde
  • Aeroespacial
  • Automóvel
  • Bens de consumo e eletrónica
  • Equipamentos industriais e ferramentas
  • Construção
  • Energia

Destes, destacam-se os setores nos quais a Aimplas está a ser especialmente intensiva em I+D+i.

 

Saúde

Em 2019, as aplicações em saúde corresponderam a 12,2% das receitas do mercado da FA, com uma previsão de cerca de 450 milhões de USD para 2020 [1].

A FA proporciona um elevado valor acrescentado a inúmeras aplicações, através dos seguintes elementos-chave:

  • Personalização
  • Eficiência na biocompatibilidade
  • Favorecimento do crescimento ósseo após uma cirurgia
  • Integração da medicina e dos cuidados de saúde através da inovação digital
  • Aumento da eficiência da cadeia de abastecimento
  • Diminuição de prazos de execução
  • Menores tempos de resposta

Os produtos desenvolvidos mais inovadores dentro deste setor englobam-se nos seguintes campos:

  • Implantes médicos
  • Tecido vivo e órgãos
  • Dispositivos de apoio e próteses
  • Equipamento cirúrgico, ferramentas e modelos
  • Outros produtos personalizados
  • Produtos dentários
  • Alimentação

Alemanha, França, Reino Unido e Espanha são os países com maior número de projetos neste campo, sendo as regiões-chave: Valência, Astúrias, País Basco, Catalunha, Flandres, Normandia, Brabante do Norte, Gales Este, Thüringen [1].

Na Alemanha, a investigação foca-se nos produtos dentários, enquanto em Espanha há uma maior tendência para o estudo de scaffolds bioimpressos e da osseointegração, juntamente com a impressão 3D de comida. França posiciona-se na bioimpressão de tecido ósseo e, finalmente, o Reino Unido destina os seus projetos à otimização de materiais e processos [1].

 

Aeroespacial

É desde 2015 um setor que cresceu até se transformar no segundo maior no mercado da FA, passando de 4,3% para 16%. Prevê-se que em 2021 atinja os 1.000 milhões de USD [1].

Neste setor, os fatores-chave para desenvolvimento da FA passam pela otimização de:

  • Peso
  • Custo do ciclo de vida
  • Tempo de vida
  • Comportamento dos materiais
  • Tempo de design e validação
  • Simplicidade de montagens

Esta tecnologia pode ser especialmente útil para a produção de:

  • Peças para turbinas e motores
  • Asas de avióes pequenos e componentes da fuselagem
  • Peças para o cockpit e para a área dos passageiros
  • Outras peças complexas
  • Componentes de asas de aeronaves grandes e fuselagem
  • Peças de reposição e reparações
  • Modelo concetual, protótipos e moldes avançados
  • Nichos, peças de baixo volume
  • Eletrónica integrada

Os países líderes em investigação neste setor voltam a ser Alemanha, Espanha e França, com uma linha de trabalho comum: a otimização de processos para o desenvolvimento de peças de alto desempenho [1].

 

Automóvel

Este setor já utiliza a FA desde há pelo menos três décadas e durante todo este tempo foi-se alargando a todos os seus elementos. Para 2025 prevê-se que atinja valores de mercado de 4.300 milhões de USD [1].

A FA proporciona um elevado valor acrescentado a inúmeras aplicações, através dos seguintes elementos-chave:

  • Prototipagem
  • Redução de peso
  • Liberdade de design
  • Redução de emissões de carbono em veículos
  • Aumento da qualidade, da fiabilidade e da reprodutibilidade

Aplicações:

  • Componentes de motor
  • Meios auxiliares da produção e suportes
  • Eletrónica integrada
  • Modelo concetual, protótipos e moldes avançados
  • Nichos, peças de baixo volume
  • Peças de reposição e reparações

A maior força investigadora do setor é conferida pela Alemanha, Portugal e Reino Unido. Os primeiros focam-se na otimização de processos para o desenvolvimento de peças de alto desempenho e o terceiro na prototipagem rápida [1].

 

Bens de consumo e eletrónica

Este setor ocupa o quarto lugar no mercado da FA, representando 13% da indústria atual. [1].

A FA proporciona um elevado valor acrescentado a inúmeras aplicações, através dos seguintes elementos-chave:

  • Aumento da eficiência da cadeia de abastecimento
  • Personalização e produtos à medida
  • Melhoria dos materiais
  • Facilidade de criação de produtos inovadores
  • Aumento da funcionalidade

Aplicações:

  • Tecnologia 'wearable'
  • Utensílios para a casa
  • Sensores e antenas
  • Entertenimento
  • Componentes básicos de eletrónica
  • Peças de reposição e reparações
  • Outros componentes eletrónicos
  • Embalagem
  • Arte
Neste setor, o país mais avançado é França que, juntamente com Alemanha, Espanha e Reino Unido, focam-se na eletrónica impressa e no desenvolvimento de processos e materiais de aplicações wearable [1].

Unir estas tendências e necessidades sociais e industriais associadas à FA é o objetivo do projeto de I+D+i que a Aimplas está a liderar e coordenar, o projeto 3D-Future.

No âmbito do 3D-Future, a Aimplas, baseando-se na sua vasta experiência no desenvolvimento de compostos termoplásticos, polímeros biocompatíveis e resinas fotocuráveis que abrangem todo o tipo de novas funcionalidades (questões ambientais, melhoria das propriedades mecânicas, estéticas, etc.), pode aproveitar todo esse conhecimento e experiência prévia gerada para a adaptar eficiente e idealmente a este setor industrial em plena expansão.

O projeto 3D-Future irá proporcionar às empresas não apenas novas formulações de compostos com propriedades adequadas para estas prestações de elevado valor acrescentado intrínsecas aos seus setores de aplicação (saúde-médico, aeroespacial e telecomunicações), mas também a metodologia de fabrico que, adaptada à especificidade dos compostos desenvolvidos, garante aos potenciais utilizadores, o máximo aproveitamento das propriedades obtidas no material, de forma a que se transfiram de forma clara para as propriedades finais do produto ou componentes que sejam desenvolvidos.

O projeto 3D-Future “Desenvolvimento de novos materiais para fabricação aditiva em aplicações de elevado valor acrescentado” é um projeto financiado através do programa Projetos de I+D em colaboração com empresas da Ivace, com arquivo n.º IMDEEA/2019/90. Este projeto é cofinanciado pelos fundos FEDER, no âmbito do Programa Operacional FEDER da Comunitat Valenciana 2014-2020.

Bibliografia

[1] AM-Motion, 2016, A strategic approach to increasing Europe's value proposition for additive manufacturing technologies and capabilities [online]. [Accessed 2 October 2019]. First draft AM roadmap. Available from: https://www.am-motion.eu

[2] ICEX España Exportación e Inversiones, M.P, 2019, Fabricación aditiva, un futuro de impresión… en 3D. Icex.es [online]. 2019. [Accessed 1 October 2019]. Available from: https://www.icex.es/icex/es

[3] Jorquera Ortega, Adam, 2017, Fabricación digital. [Madrid]: Secretaría General Técnica, Subdirección General de Documentación y Publicaciones.

[4] Market Research Reports & Consulting | Grand View Research, Inc., 2019. Grandviewresearch.com [online],

[5] Tecnología de impresión 3D, 2019. Materialise [online]

[6] Regemat3D, 2019. Regemat3d.com [online]

[7] ¿Es la bioimpresión el futuro de la medicina a medida? - 3Dnatives, 2019. 3Dnatives [online]

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