2 Apostila Impressão 3D Para Takagaki (2012 p.28) a definição simples da impressão 3d na sua execução é que essas tecnologias (...) se baseiam no princípio de executar diversos fatiamentos da figura, geralmente na horizontal, obtendo uma fina camada da figura que é impressa através do processo de deposição de materiais das partes sólidas é exatamente a maneira como a impressora fará o objeto desejado. Tipos de Impressora 3D Selective Laser Sintering - Sinterização Seletiva a Laser (SLS) São chamadas de Sinterização Seletiva a Laser por conter lasers poderosos que endurecem uma quantidade variada de materiais, como vidro, cerâmica, nylon e alguns metais como alumínio. Porém essa tecnologia é pouco acessível pelo preço que se paga sendo assim mais comumente encontrada em empresas e não em residências. Stereolithography - Estereolitografia (SLA) Apesar do nome ser complicado e talvez nunca ter ouvido falar sobre ela, foi a primeira impressora 3D criada em 1983. Seu fundador se chama Chuck Hull, também fundador da 3D system Corp. É uma impressora que utiliza resinas líquidas como matéria prima. um laser percorre a resina formando o desenho de cada camada que será enrijecida formando assim, camada por camada, uma peça em 3D. Este método requer, normalmente um acabamento em virtude dos defeitos com sua fabricação, por exemplo, algumas peças passam por uma exposição ao calor para enrijecer melhor e ter assim uma qualidade maior ao final. É considerado o melhor método de impressão 3D caseira hoje em dia graças ao belíssimo acabamento da peça pois como é feito com laser as alturas das camadas são extremamente finas, normalmente mais finas que um fio de cabelo. Sua espessura pode chegar à 0,005mm a altura da camada.
3 Porém o seu maior defeito é a baixa resistência da peça final em questão, portanto ao escolher um tipo de impressora sempre deve-se estar atento ao objetivo da impressora. Digital Light Processing - DLP A sigla, em inglês, significa processo digital por luz e serve para designar um tipo de impressora bastante similar com as estéreo litográficas. Nesse modelo, o equipamento usa uma fonte de luz diferente do laser. Sabe-se que lasers possuem uma frequência e uma energia alta. Este tipo de impressora utiliza com mais facilidade a faixa da luz visível para seu processo. Isto faz com que sua produção seja mais barata pois é comumente utilizado projetores comuns para construção. Outro ponto que difere das impressoras SLA é a resina que é escolhida para uma faixa do espectro diferente. Isso faz das DLP impressoras bastante rápidas para confeccionar objetos com alta resolução e riqueza de detalhes, já que não é necessário um ponto de laser percorrer todo o desenho da camada, e sim um projetor que forma o desenho da camada inteira. Mas as mesmas limitações das estéreo litográficas se manifestam aqui: produtos mais frágeis podem ter vida útil reduzida. Além disso, a atenção com acabamento pós-impressão pode ser necessária. Fusion Deposition Modeling - FDM Um dos mais famosos tipos de impressão 3D caseira, seu nome já é autoexplicativo. Funciona com o derretimento de um filamento de plástico que é depositado em uma superfície, seguindo uma sequência de comandos previamente feitos por computador. Desta forma vai se depositando o plástico derretido até a peça se formar, camada por camada. A limitação desta tecnologia começa pela qualidade da peça. Como o material vai passar por um bico extrusor o furo tem limitações mínimas por questão de construção e de força de motores na hora de empurrar o plástico derretido. Isto faz com que a qualidade de detalhes do final seja relativamente pequena. Um dos maiores problemas também é o tempo de impressão, como é por depósito de plástico o processo é muito demorado e a qualidade da impressão é diretamente proporcional ao tempo, visto que para ter uma melhor qualidade devemos diminuir a altura da camada logo a máquina terá um maior caminho para percorrer Apesar dessas limitações é uma tecnologia de fácil acesso e com um custo benefício muito acima das outras. Hoje já existem fóruns e uma gama de informações sobre esse tipo de impressora.
4 Partes de uma Impressora (Estrutura Física) Para facilitar a comunicação é necessário ter conhecimento de nomes básicos sobre as partes que compõem uma impressora 3D caseira de tecnologia FDM, portanto a seguir está uma pequena lista sobre alguns nomes utilizados: - Extrusora: máquina que se opera a extrusão. É chamado de extrusora o conjunto todo que compõe a parte da impressora que fará com que o plástico seja empurrado para ser derretido e depositado na mesa para formação da peça. Estar ciente que este nome engloba todo maquinario da impressora que tem este fim. - Bico extrusor: Diferente de extrusora, este é o nome dado ao conjunto de metal que fará o processo de derretimento do plástico. - Nozzle: Também chamado de bico aquecido, é a parte de metal do bico extrusor que passará o plástico derretido para a mesa. É a parte mais perto da mesa - Bloco aquecedor: Parte de metal que será acoplado a resistência cuja função é aquecer e derreter o bico. - Tubo Garganta: Parte que juntará o Heat Sink ao bloco aquecedor. - Heat Sink: Parte fria que o filamento passará antes de ser derretido. - Hotend: Conjunto composto pelo nozzle, bloco aquecedor, cartucho aquecedor, sensor de temperatura, heat sink, tubo garganta e algumas vezes tubo ptfe. Parte responsável pelo derretimento do plástico. - Tubo ptfe: Tubo de teflon para guiar o filamento da extrusora até o hotend. - Tracionador: Parte responsável, na extrusora, em empurrar o filamento. normalmente é feito de metal e com dentes para que se tenha uma precisão boa. - Rolete de apoio: Rolamento que vai estar oposto ao tracionador ajudando-o a empurrar o filamento. - Mesa aquecida: Placa que tem o objetivo fixar a peça durante a impressão para não desgrudar e estragar o projeto. Parte eletrônica Em se tratando de impressoras 3D caseiras FDM, é muito comum achar uma variedade enorme de placas e componentes que englobam a parte eletrônica. Portanto nesta apostila vou tratar apenas das impressoras DIY (Do It Yourself), ou seja, impressoras que são feitas em casa. Basicamente existem alguns materiais eletrônicos que são indispensáveis para a construção de uma impressora, como por exemplo motores de passo, fonte
5 chaveada e placa controladora. Outros já não tanto como sensores indutivos para nivelamento automático da mesa. Fonte de alimentação: A fonte é um item essencial para uma impressora 3D. Normalmente pode ser usado fontes chaveadas, fontes antigas de computador ou fontes diversas que possuem a potência adequada. O mínimo que se deve ter para um aproveitamento adequado é 12V @ 20A, ou seja 240W. porém para um excelente aproveitamento e sobra é recomendável 12v @ 30A. Caso queira aprimorar a impressora colocando mais uma extrusora terá potência de sobra. Motores de passo: Os motores de passo é a parte mais cara de uma impressora. Para uma boa impressão é necessário um bom torque de um motor pois sem isso a impressora irá perder passos durante a impressão e deixará o produto final deformado. É possível construir uma impressora com vários modelos e marcas de motores variados, para fresa e CNC os nema 23 e 34 são mais comuns, porém existe um modelo que é mais usado na impressão 3D que é o Nema 17. Esses números está relacionado a medida das distâncias dos parafusos que seguram o motor na impressora, por este motivo que é uma grande ideia manter um padrão, desta forma muitos projetos prontos já estão na medida certa dos motores. É muito comum ver motores de passo no mercado com 1,1 kgf.cm no mercado dizendo que são para impressoras 3D. Até é possível imprimir com motores com esta especificação, porém não é recomendável pois são muito fracos e ao imprimir em uma velocidade um pouco mais alta haverá problemas. Os mais recomendáveis são os que possuem especificação de 3,5 kgf.cm pra mais. Uma sugestão é sempre olhar no datasheet do motor que irá comprar para verificar se está de acordo com o que a loja propõe. Também é bom ficar atento a duas coisas. Ao escolher um motor de passo nema 17 dar preferência aos motores bipolares e com 4 fios. É possível imprimir com monopolares e 6 fios porém a precisão é um pouco menor e dá mais trabalho para montar na placa controladora.
6 Placa controladora: Existem muitas placas controladoras no mercado para venda, sugiro fazer uma pesquisa e ver o custo benefício. A mais comum encontrada no mercado se chama Ramps. A Ramps 1.4 é a mais recente versão deste modelo atualmente. A Ramps basicamente é um shield open source para arduino mega. Isto significa que o que controla esta placa é um arduino mega, a placa sozinha não faz nada. Sua função é apenas fazer as ligações e o controle das correntes de cada componente que é necessário ser controlado na hora da impressão como motores, mesa aquecida e bico aquecido por exemplo. Nela vai a ligação de todos os fios que a impressora possui e nesta hora que a organização é essencial para um bom funcionamento. Drivers dos motores: O motor de passo é construído para ter a precisão necessária durante seu funcionamento, diferente dos motores DC comuns, não é apenas jogando uma corrente contínua que ele irá funcionar. Sua construção se baseia em dois ou mais circuitos com bobinas em série por dentro do seu invólucro que faz com que ao se energizar uma deles o motor apenas gire uma certa angulação, sendo assim necessário energizar o outro circuito para que gire mais um pouco. Desta forma o motor gira por ciclos chamados de passos e quem vai controlar quantos passos o motor deverá andar é o seu driver. Os drivers são acoplados na Ramps e os mais conhecidos no mercado são chamados driver pololu. Esses componentes possuem uma direção certa para ser encaixado na placa controladora, pois correm risco de queimarem. Em sua construção foi colocado um trimpot que permite o ajuste da corrente que vai para o motor. Desta forma é possível usar uma quantidade enorme de motores de passo sendo apenas necessário olhar o datasheet e verificar qual corrente é necessária. Mesa aquecida: Existem impressoras 3D no mercado que não utilizam a mesa aquecida e conseguem imprimir com uma qualidade razoável. Ela serve para que a peça fique grudada durante toda a impressão, pois imagina se o que você está imprimindo começasse a escorregar durante a impressão? não teria como ter precisão na hora de depositar o filamento. As mais comuns são basicamente uma resistência enorme que ao passar corrente transforma energia elétrica em calor. Apesar deste ser o foco principal da mesa aquecida ela possui outra qualidade. Para impressão de plásticos que contraem e dilatam muito com uma pequena variação de temperatura, a mesa aquecida ajuda as peças não mudarem sua temperatura drasticamente tornando o produto final melhor.
7 Termistor: São sensores de temperatura. Basicamente são resistores que variam a resistência com a variação da temperatura. Bons termistores são aqueles que possuem uma boa precisão de sua resistência para dada temperatura. Existem dois tipos de termistores, os PTC que são aqueles que aumentam a resistência com o aumento da temperatura e os NTC que diminuem a resistência. Esses sensores são de extrema importância para o funcionamento da impressora, são eles que vão definir se a Ramps alimenta mais ou não alimenta o cartucho que aquece o bico ou a mesa. Micro Switch: São chaves que interrompem ou não um circuito quando pressionadas. São utilizadas para definir onde é o zero da impressora. Uma impressora caseira não possui uma precisão excelente e com o tempo vai se perdendo as referências de onde é cada lugar. Então se coloca micro switches nos eixos da impressora para definir onde será o marco zero da impressão. É importante sempre definir o marco zero pois é muito utilizado para calibrar a altura do nozzle em relação a mesa. Parte mecânica Para a maioria das impressoras caseiras feita em casa a estrutura é feita de madeira ou perfis de alumínio. É feito um projeto e depois submetido a corte a laser para que tudo se encaixe como o previsto. Existem também algumas partes que são essenciais ao montar uma impressora e que merecem um destaque maior logo serão citadas abaixo. Eixos: É necessário ter conhecimento dos nomes que representam cada eixo da impressora. Por ser uma impressora 3D significa que existem 3 eixos chamados de X, Y e Z. O eixo Y é aquele em que olhando a impressora de frente faz com que o bico ande no sentido longitudinal, ou seja, pra frente e pra trás. O eixo Z é aquele que faz o bico subir e descer, ou seja, que controla a altura. Por exclusão e não menos importante temos o eixo X que faz o caminho de direita e esquerda. Para que o bico extrusor percorra a mesa e deposite o material é necessário haver uma guia. Normalmente se usam eixos circulares retificados e cromados de 8mm de diâmetro. Existem hoje projetos que variam o diâmetro da guia linear,
8 sendo de 8 ou 6mm para os eixos X e Y e de 12mm para o eixo Z. Uma boa pedida também são as guias lineares de trilho, apesar de serem mais caras sua precisão é enorme e quando precisar de uma precisão para dar detalhes a peça, esta guia vai ser essencial. Rolamento linear: Como é muito comum utilizar as guias lineares de 8mm, o rolamento linear deve possuir diâmetro interno de 8 mm também. O rolamento mais utilizado em projetos é o de esferas, porém se você está prezando por um projeto que não faça muito barulho de preferência para buchas. Da mesma forma que o rolamento linear de esferas, as buchas são utilizadas. Porém é importante verificar o projeto pois buchas são menores em diâmetro externo que rolamentos e é necessário uma adaptação. Correias e polias: Correias e polias deve ser comprados juntos, pois uma deve encaixar muito bem na outra. É muito utilizado o modelo de polia e correia GT2 que significa andarem 2 mm por passo, o que é uma resolução suficiente. Rolamentos: Rolamentos são usados em conjunto com as correias para servir de apoio. É utilizado variados tipos e as especificações depende do projeto que escolher Perfis de alumínio: Muitas impressoras 3D encontradas na internet hoje para construção são feitas de perfis de alumínio. A vantagem deste tipo de estrutura é a facilidade de construção de variados modelos e sua rigidez. Existem projetos que excluem as madeiras e apenas utilizam os perfis e peças impressas em outras impressoras. Construção Existem muitos projetos na internet de impressoras abertas para construção, a pesquisa pode começar conhecendo o projeto RepRap. Este projeto tem a idéia de montar impressoras 3D replicáveis, ou seja, construir outras impressoras imprimindo suas peças. A ideia é replicar e disseminar a impressão 3D
9 por meio de projetos que seus amigos que já possuem impressoras te ajudem a construir. Então faz-se uma pesquisa de qual modelo de RepRap gostaria de ter e compra-se suas peças e eletrônicos. Caso queira escolher outros modelos de impressoras que estejam disponíveis online deve-se pensar em algumas considerações. Primeiro, você gostaria de ter uma impressora 3D aberta ou fechada. Em climas mais gelados é recomendável ter uma impressora fechada pois alguns plásticos como o ABS contrai muito com uma variação pequena de temperatura e climas frios dificultam sua impressão. Outro aspecto que influencia na escolha é o modelo dos eixos que possui o projeto, existem eixos que são como a prusa i3 que a mesa se desloca inteira, outros são como a ultimaker que possui dois eixos cruzados e existe também o modelo de eixo que se chama corexy. É desenhado de forma que as trações laterais que empurram e puxam o carro do bico sejam homogêneas, dando uma melhor resolução e um bom trabalho final. Mais uma escolha é pensar se gostaria de impressoras com extrusora bowden ou normais. Extrusora bowden é um modelo de extrusora que o motor que empurra o plástico está desacoplado do carro do eixo e o filamento ligado por meio do tubo ptfe, desta forma o carro fica mais leve e a impressora pode imprimir mais rápido, porém possui seus defeitos. Como o plástico terá que percorrer todo o caminho e ser empurrado de longe do nozzle que aquece alguns tipos de filamento como os flexíveis dão mais trabalho para funcionar corretamente. A extrusora normal possui os motores da extrusora junto com o carro dos eixos. Então desta forma é possível escolher um modelo que mais se adequa ao que você precisa ou quer. Normalmente o projeto que se escolhe já vem com tutoriais de montagens entre outras coisas. Para começar a trabalhar é sugerido montar a impressora graber i3. É uma impressora que possui uma gama de configurações e muita informação online, então qualquer problema é fácil de achar a solução. Desta forma a habilidade e conhecimento vão aumentando e uma próxima ideia do que construir, por gostar ou não daquela característica na máquina, vai aparecendo e ideias vão surgindo. Configurações e Softwares Este tópico apresenta o passo a passo de como configurar os programas para a impressora conseguir depositar o material de maneira satisfatória e assim obter a peça final. Todos os softwares descritos são open source e permite a utilização de maneira gratuita.
10 Ligue a impressora na tomada. 1. Primeiramente baixe e instale o Arduino: https://www.arduino.cc/ O que é? E pra que serve? O Arduino é uma plataforma eletrônica de códigos abertos baseados em softwares e hardware de fácil utilização. É destinado para quem deseja realizar projetos interativos. Para ter um pouco mais de conhecimento sobre o arduino, no próprio site e também nesse vídeo do TED ( https://www.youtube.com/watch?t=477&v=uobuxoodlxy ) é possível saber mais. O arduino nesse caso é o responsável pelas ações físicas da Impressora 3D, agora 2. O segundo passo é: Ligue o cabo USB do seu computador na impressora 3D Reprap. O sistema operacional do seu computador vai conectar porta virtual. Siga os passos para garantir que ambos foram conectados, lembrando que cada sistema tem peculiaridades, esse são do Windows : Painel de Controle Sistemas Sistemas Gerenciar dispositivos Checar portas Checar Arduino (COM3) 3. Baixe o Pronterface http://www.pronterface.com/ Em Downloads clique em Windows e OSX. Escolha o seu sistema operacional. Após baixar o arquivo se chama Printrun, extraia o Pronterface EXE. O que é? Pra que serve? É o que vai ler o código, basicamente é o que fará a sua máquina funcionar da maneira desejada, a partir do código G e também de outros pontos que vamos especificar mais a frente. 4. Por último baixe o Repetier: http://www.repetier.com/
11 Clique em Repetier-Host. Clique em Download. Escolha seu sistema operacional. Execute a instalação. Conclua. O que é? Pra que serve? O Repetier será responsável por gerar o percurso da Impressora 3D, assim como é responsável por gerar o Código G.Após ter todos os programas instalados e no seu computador, começaremos a etapa de configurações para que sua peça possa ser impressa. Para isso é necessário ter também ter o desenho, feito em software paramétrico (Rhinoceros, AutoCad, 123Design...) e salvo em STL em alta resolução. Configurações e setagens dos softwares para impressão 1. Começando pelo Repetier: Slicer Configuration: Firmware Type : G Code Flavor RepRap, prossiga. Bed Size: 150 x 150 mm. Nozzle Diameter: 0.5 mm. Filament Diameter: 2.8mm. Extrusion Temperature: 230ºC. Bed Temperature: 110ºC. Concluída o processo de configuração nessa etapa. Object Placeman/Colocação de Objetos Clicar no +. Adicionar o arquivo. Slicer Configuration Layers and perimeters Tamanho da camada: 0.2mm Tamanho da primeira camada: 0.5mm Perímetro: 3mm Solid Layers (quantas camadas de acabamento): 3 Infill Densidade: 30% Speed Perimeters: 30mm/s Skirt and Brim
12 Loops: 2 Distance: 2mm Skirt: 1 Minimum: 0mm Clique em: Slice com Slic3r. Essa ação será responsável por gerar o percurso. Após isso, vá para G Code Editor e salve. 2. Agora as configurações do PronterFace. Ligue o botão da Impressora 3D. Clique em Conect. Regule as temperaturas: Settings - opitions -user interface - display temperature gauges. Graus Celsius. Volte para página principal. Bed: 120ºC Heat: 240ºC Set e coloque o filamento na Impressora 3D e clique algumas vezes em Extrude. Pausadamente até o polímero sair pelo bico extrusor. Clique em Load File. Assim você carrega seu arquivo do percurso gerado. Passe a cola especificada na cama da impressora. Clique em Print. Ao terminar a impressão: Clique em Set para esquentar o filamento, facilitando a retirada. Clique em Reverse. Puxe o Filamento. Desligue os componentes (Desligue o botão e retire da tomada). Para sua peça descolar com facilidade, retire e mergulhe a cama em água quente. Referências: TAKAGAKI,Luiz Koiti. Uma série sobre impressão 3D. São Paulo: Revista Inovação Tecnológica, 2012. ARDUINO < https://www.arduino.cc/ > Acesso em 25 de junho de 2015.
13 PRONTERFACE < http://www.pronterface.com/ > Acesso em 25 de junho de 2015. REPETIER < http://www.repetier.com/ > Acesso em 25 de junho de 2015. Copyright Os autores e as autoras Autores e Autoras deste documento: Gessika Bertola e Luan Roberto Estrada Martins Universidade Tecnológica Federal do Paraná Câmpus Curitiba Carlos Eduardo Cantarelli (Reitoria), Maurício Alves Mendes (Pró-Reitoria de Graduação e Educação Pro ssional), Álvaro Peixoto de Alencar (Diretoria de Graduações), Cezar Augusto Romano (Diretoria Geral do Câmpus Curitiba), Mauro Edson Alberti (Diretoria de Graduação e Educação Pro ssional) Departamento Acadêmico de Informática - DAINF Maria Claudia Figueiredo Pereiro Emer (Che a do Departamento Acadêmico de Informática 2015-17), Marília Abrahão Amaral (Coordenação do Bacharelado em Sistemas de Informação 2014-16) Projeto Compute você Mesm@: Conexões de saberes e fazeres para inclusão digital Marília Abrahão Amaral (Tutora) Programa de Educação Tutorial Computando Culturas em Equidade - PET-CoCE Marília Abrahão Amaral (Tutora) Luiz Ernesto Merkle (Comitê Gestor) Maria Cláudia Figueiredo Pereira Emer (Comitê Gestor) Ricardo Lüders (Comitê Gestor) Mariângela de Oliveira Gomes Setti (Comitê Gestor)