OBSERVATÓRIO TECNOLÓGICO IMPRESSÃO 3D

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1 SETEMBRO/2012 OBSERVATÓRIO TECNOLÓGICO IMPRESSÃO 3D Este relatório apresenta o conceito de impressão 3D e os benefícios da sua utilização no processo fabril. Adicionalmente traz um panorama do mercado mundial e nacional do mercado de impressão 3D. A impressão 3D é o uso de técnicas de manufatura aditiva para a fabricação de protótipos, moldes, produtos finais ou componentes. Embora a literatura denote expressamente os benefícios da adoção da impressão 3D para uma gama de setores industriais, inexistem estudos quantitativos que denotem sua difusão no setor industrial, especialmente na produção de bens finais. A expectativa futura dos especialistas é pela substituição dos processos de manufatura tradicionais pelas técnicas de impressão 3D. Diretoria de Inovação e Meio Ambiente Gerência de Desenvolvimento e Inovação

2 Expediente Sistema FIRJAN Federação das Indústrias do Estado do Rio de Janeiro Presidente Eduardo Eugenio Gouvêa Vieira Diretoria Geral do Sistema FIRJAN Diretor Augusto Franco Alencar Diretoria Regional do SENAI-RJ Diretora Maria Lucia Telles Diretoria de Inovação e Meio-Ambiente Diretora Marilene Carvalho Gerência de Desenvolvimento e Inovação Gerente Ana Carolina Machado Arroio Coordenação Rafael de Jesus Gonçalves 2

3 1. O que é impressão tridimensional (3D)? A impressão tridimensional (3D) compreende um conjunto de técnicas de manufatura aditiva 1 que possibilita empresas e indivíduos, com acesso aos dados tridimensionais em um computador, literalmente imprimir objetos sólidos. Sua principal característica é permitir criar partes de peças em qualquer forma geométrica ou material. A escolha da técnica está intimamente ligada à precisão desejada no equipamento, ao tempo de prototipagem, ao custo e principalmente ao material termoplásticos, ligas de titânio, papel, entre outros que se deseja transformar 2. Diferente da manufatura subtrativa que utiliza ferramentas para o desgaste do material processos de usinagem, na manufatura aditiva o objeto desejado é obtido produzindo-se camada por camada. Cabe denotar que, tanto nas técnicas aditivas quanto nas técnicas subtrativas modernas, os sistemas de desenho e manufatura são auxiliados por um software/computador. Na literatura, a impressão 3D é também qualificada como uma técnica de prototipagem rápida ou manufatura rápida. A primeira denominação decorre do fato da impressão 3D ser previamente concebida para fabricação de protótipos. A segunda, por sua vez, está intrinsecamente ligada à possibilidade que essa tecnologia traz hoje para fabricação rápida de moldes, produtos finais ou componentes. Os benefícios da impressão 3D incluem tanto questões relacionadas ao processo de criação 3, quanto ao melhor uso dos recursos 4. O quadro abaixo sintetiza alguns dos benefícios descritos na literatura. 1 Para saber mais sobre as diferentes técnicas disponíveis, ver Anexo I. É importante denotar que literatura técnica Gebhardt (2012); Gibson et. al (2010) qualificam a impressão 3D como uma técnica desenvolvida por pesquisadores do MIT, enquanto que comercialmente muitas publicações tratam impressão 3D e manufatura aditiva como palavras sinônimas. 2 Os requisitos que definem a escolha das técnicas de impressão 3D estão descritos no anexo II. 3 Informação disponível em: < > Data de acesso: 01/08/ Informação disponível em: < %20Moving%20towards% pdf > Data de acesso: 05/08/2012 3

4 Figura 1 Quadro de benefícios da impressão 3D 2. Panorama do mercado mundial Segundo a consultoria Wohlers Associates, a receita anual a partir da impressão 3D foi aproximadamente US$ 1,7 bilhão em 2011, registrando somente nesse ano um crescimento de 29.4%. O relatório da consultoria também indica que a manufatura de bens finais utilizando impressão 3D cresceu sua participação de zero para 24% no total da receita obtida pela indústria entre os anos de 2003 e A figura abaixo segmenta o mercado de impressão 3D em fornecedores da tecnologia, prestadores de serviço e clientes. Figura 2 Mercado de Impressão 3D 5 Informação disponível em: < > Data de acesso: 20/08/2012 4

5 O mercado de fabricantes de equipamentos de impressão 3D está concentrado nos Estados Unidos, Alemanha e Suécia. Nos últimos anos, observa-se que os principais players desse mercado estão adquirindo empresas ou até mesmo se fundindo. O exemplo mais recente está nas empresas Stratasys e Objet. Com a fusão dessas empresas, estima-se que o valor de mercado do grupo ultrapasse US$ 1,4 bilhão em Segundo artigo publicado na Engineering.com, as maiores empresas no mercado hoje são a 3D Systems e Stratasys/Objet. Em 2011, A 3D Systems faturou cerca de US$ 230 milhões, enquanto que o grupo recém fundido teve uma receita de US$ 277 milhões 7. A figura abaixo apresenta alguns fornecedores da tecnologia e seu país de origem. Figura 3 Relação de empresas fornecedoras de equipamentos de impressão 3D 6 Informação disponível em: < > Data de acesso: 10/08/ Informação disponível em: < Merger-Good-News-for-Engineers.aspx > Data de acesso: 13/08/2012 5

6 Segundo levantamento realizado pela VCE Solutions, hoje existem cerca de 260 prestadores de serviço em tecnologias de impressão 3D no mundo 8. Uma análise sobre o modelo de negócio dessas empresas denota a existência de um mercado robusto para o uso da impressão 3D como tecnologia de prototipagem rápida e fabricação de moldes. O desafio está no uso da tecnologia para produção de bens finais. No mundo, o uso da impressão 3D para fabricação de produtos finais ocorre principalmente nos seguintes setores: Medicina: implantes maxiofacial e cranial; prótese auditiva personalizada; entre outras. Odontologia: pontes, coroas, implantes dentários, entre outras; Entretenimento (brinquedos): avatares de jogos eletrônicos; Automotiva e Aeronáutica: Fabricação de peças; 8 Informação disponível em < %20by%20VCE%20Solutions.pdf > Data de acesso: 12/07/2012 6

7 3. O mercado nacional Inexiste hoje uma pesquisa estruturada sobre o mercado de impressão 3D no Brasil. Entretanto, em 2010, o Sistema FIRJAN realizou uma pesquisa na área de fabricação mecânica com 290 gestores de empresas fornecedoras de produtos ou serviços voltados à cadeia produtiva de óleo e gás ou que atuem na área fim. Essa pesquisa identificou categorias de fabricação mecânica cujas inovações tecnológicas são consideradas importantes para a competitividade das empresas nos próximos 20 anos. A pesquisa tratou a impressão 3D como uma subárea da prototipagem rápida. Os resultados da pesquisa indicaram que apenas 8% dos entrevistados (23 gestores) avaliaram a área de prototipagem rápida como importante em termos de inovação tecnológica nos próximos 20 anos. Esses 23 gestores foram questionados se já possuem a tecnologia de impressão 3D. O gráfico abaixo consolida as respostas. Gráfico 1 Número de gestores de empresas da cadeia produtiva de petróleo & gás que indicaram possui tecnologia de impressão 3D Fonte: Elaborado a partir de dados da Prospecção tecnológica na área de fabricação mecânica da cadeia produtiva de petróleo & Gás É importante ressaltar que o Brasil já tem a sua primeira impressora 3D desenvolvida localmente. A Cliever, como é chamada a impressora 3D, foi o primeiro protótipo concebido pela RAIAR, empresa incubada na PUC-RS 9. A máquina está avaliada em R$ 4 mil e o custo da matéria prima para a produção das peças gira em torno de R$ 60 o 9 Informação disponível em: < > Data de acesso: 7

8 quilo, suficiente para produzir 50 peças de 8 centímetros quadrados cada. A matéria prima utilizada no equipamento é o plástico ABS. 4. Considerações finais A manufatura rápida é um desenvolvimento recente em tecnologia de fabricação, que permite empresas e indivíduos com acesso aos dados tridimensionais no computador, a capacidade de literalmente imprimir objetos sólidos camada por camada. Sua principal característica é permitir criar partes de peças de qualquer forma geométrica ou material. A escolha do processo está fortemente ligada à precisão desejada no equipamento, ao tempo de prototipagem, ao custo e principalmente ao material que se deseja transformar. Os exemplos mais encontrados na literatura do uso da impressão 3D são protótipos, moldes, implantes médicos, aparelhos auditivos, coroas dentais, bem como peças (pequena escala) da indústria automobilística e aeronáutica. Não foi identificado estudo quantitativo sobre empresas que utilizam a impressão 3D na produção de bens finais. Contudo, a percepção dos pesquisadores, é de que poucas empresas utilizem essa tecnologia. No entanto, as oportunidades que a impressão 3D apresenta são significativas. O uso dessa tecnologia permite eliminar a necessidade de grande parte do investimento de capital associado com a fabricação, possibilita a fabricação de geometrias complexas personalizadas e tem o potencial para reduzir a pegada de carbono da produção global. A perspectiva é de que a impressão 3D possa resultar em uma nova revolução industrial. O quadro abaixo apresenta os setores e suas potenciais aplicações com a impressão 3D. 8

9 Figura 5 Setores e potenciais aplicações da impressão 3D 9

10 ANEXO I Técnicas de Impressão 3D Técnica Estereolitografia (SLA) Descrição É o processo pioneiro da prototipagem rápida e baseia-se na fotopolimerização de uma resina pela incidência de luz ultravioleta (UV). Os polímeros líquidos sensíveis à luz se solidificam quando expostos à radiação ultravioleta. Uma fonte de raio laser ultravioleta, com alta precisão de foco, traça a primeira camada, solidificando a secção transversal do modelo e deixando as demais áreas líquidas. Em seguida, um elevador mergulha levemente a plataforma no banho de polímero líquido e o raio laser cria a segunda camada de polímero sólido acima da primeira camada. O processo é repetido diversas vezes até o protótipo estar completo. Os suportes são retirados e o modelo é introduzido num forno de radiação ultravioleta para ser submetido a uma cura completa. Sinterização a Laser Seletivo (SLS) Este processo constrói objetos tridimensionais através da superposição de camadas, utilizando materiais a base de pó. As camadas são ligadas pela ação do calor de um equipamento de emissão de laser. Essa camada do pó solidificada é depositada em um cilindro. Em seguida são depositadas novas camadas de pó sobre a camada sinterizada, que também irão sofrer a ação do laser, repetindo-se o processo até o final da formação do objeto. Manufatura de Objetos em Lâminas (LOM) Neste processo as camadas de material, na forma de tiras revestidas de adesivo, são grudadas umas nas outras formando-se o protótipo. O material consiste de bobinas de papel laminado com cola termoplástica. Um rolo coletor avança a tira de papel sobre a plataforma de construção, onde há uma base feita de papel e fita com espuma nas duas faces. A seguir, um rolo aquecido aplica pressão para fixar o papel à base. Uma fonte de raio laser com alta precisão de foco corta o contorno da primeira camada sobre o papel e então quadricula a área em excesso. Após o corte da primeira camada a plataforma é abaixada para que o rolo coletor avance a tira de papel e exponha material novo. Então a plataforma se eleva até um ponto ligeiramente inferior à altura original, o rolo aquecido liga a segunda camada a primeira e a fonte de raio laser corta a segunda camada. Este processo é repetido até a construção da peça estar completa. 10

11 Modelagem por Deposição de Material Fundido (FDM) No processo FDM os filamentos de resina termoplástica aquecida são extrudados a partir de uma matriz em forma de ponta que se move num plano X-Y. A matriz de extrusão controlada deposita filetes de materiais muito finos sobre a plataforma de construção, formando a primeira camada do componente. A plataforma se desloca no sentido vertical para que possa ser depositada a nova camada de material sobre a camada anterior. O processo é repetido até a construção total do protótipo. As resinas termoplásticas geralmente usadas são: ABS, poliéster, polipropileno, entre outros. Impressão tridimensional (3DTM) A impressão tridimensional (3DTM) é uma técnica de manufatura aditiva concebida por pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachussetts (MIT) no final da década de 80. Nesse caso, o software projeta uma série de camadas do objeto e envia suas descrições para a impressora 3D. Na impressora, um material em pó cerâmico, metálico ou plástico é depositado segundo as camadas sequenciais projetadas. De acordo com o material em pó depositado em cada camada, um fluído ligante é seletivamente fornecido utilizando-se uma técnica de impressão por jato de tinta (um cabeçote). A imagem abaixo demonstra como é realizado o processo de impressão 3D. 11

12 ANEXO II Requisitos para escolha da técnica de impressão 3D A figura 6 apresenta uma classificação de alguns processos de prototipagem de acordo com o estado de agregação do material original sólido, pastoso, líquido ou gasoso. Figura 6 Classificação dos Processos de Prototipagem Rápida - Fonte: Gebhardt (2002) Além do material de origem, os processos de prototipagem rápida são qualificados segundo: i) o custo para fabricação de um protótipo; ii) a sua precisão; iii) velocidade de construção; iv) resistência mecânica e; v) tamanho máximo de peças. 12

13 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Gebhardt A. (2002) Materials in Rapid Prototyping: today s limits and future possibilities. Computer Aided Materials Engineering. Workshop, Trieste, Italy, December 5-7, 2002 (2012) Understanding Additive Manufacturing: rapid prototyping, rapid tooling, rapid manufacturing. Hanser Gardner Publications, Gibson et. al (2010) Additive manufacturing technologies: rapid manufacturing to direct digital manufacturing. New York: Springer,