ImpressĂŁo 3D de alta temperatura - para as massas





Há uma variedade impressionante de termoplásticos que podem ser impressos em impressoras 3D de mesa de consumo. Apesar disso, na maioria das vezes os usuários recorrem aos filamentos de polilactídeo (PLA). Não é apenas o mais barato dos materiais, mas também o mais fácil de trabalhar. Pode ser extrudado tão cedo quanto 180 ° C e bons resultados podem ser obtidos mesmo sem aquecer a mesa. A desvantagem dos objetos impressos em PLA é que eles são relativamente frágeis e não toleram bem altas temperaturas. Para prototipagem ou impressão de componentes leves, o PLA é excelente. No entanto, muitos usuários vão além de suas capacidades.



A próxima etapa é geralmente tereftalato de polietileno (PETG). Não é muito mais difícil de trabalhar do que o PLA, embora seja mais confiável e resista a altas temperaturas. Em geral, é mais adequado para a criação de peças tensionadas mecanicamente. Mas se você precisar fazer peças ainda mais fortes e resistentes ao calor, pode mudar para acrilonitrila butadieno estireno (ABS), policarbonato (PC) ou náilon. E aqui começam os problemas. Esses materiais são extrudados em temperaturas acima de 250 ° C, e para melhores resultados é recomendado o uso de câmaras fechadas. Essas impressoras estão no topo da faixa de orçamento com que os amadores estão dispostos a trabalhar.





Impressoras 3D industriais como esta, a Apium P220, custam a partir de US $ 30.000.



No entanto, as impressoras 3D industriais mais caras podem usar plásticos ainda mais duráveis ​​- polieterimida (PEI) ou algo da família da poliariletercetona (PAEK, PEEK, PEKK) ... Os componentes feitos desses plásticos são adequados para aplicações aeroespaciais, pois podem substituir o metal enquanto permanecem muito mais leves.



Esses plásticos devem ser extrudados a temperaturas da ordem de 400 ° C, sendo necessária uma câmara selada para operação, cuja temperatura constantemente excede 100 ° C. As impressoras mais baratas desse tipo custam dezenas de milhares de dólares e alguns modelos custam até seis dígitos.



Naturalmente, não há muito tempo, o mesmo poderia ser dito sobre todas as impressoras 3D. Antes, apenas laboratórios de pesquisa bem equipados usavam essas máquinas, mas agora elas estão nas bancadas de hackers e amadores em todo o mundo. É difícil prever se começará a mesma corrida para redução de preços no caso das impressoras 3D de alta temperatura, mas os primeiros passos para democratizar a tecnologia já foram dados.



Dificuldades de engenharia



Simplificando, a máquina que suporta esses chamados. "Plásticos de engenharia", você tem que ser um híbrido de impressora 3D e fogão. Esse, claro, é o principal problema. A impressora em si - o tipo e a qualidade que estamos acostumados a ver em nossas mesas - não sobreviverá nessas condições. Para uma impressora de consumo produzir peças de plástico PEI e PEEK, ela precisa ser seriamente reciclada. Isso é o que veio do NASA LulzBot TAZ 4 em 2016.





LulzBot TAZ 4, redesenhado para suportar impressĂŁo em alta temperatura



Primeiro, um corpo isolado teve que ser projetado para caber na TAZ 4 e um conjunto de lâmpadas infravermelhas de 35 W para aquecimento teve que ser instalado. Sob tais condições, os componentes eletrônicos da impressora superaqueceriam naturalmente - então eles tiveram que levá-la para fora.



Os motores de passo também sobreaqueceriam. Mas, em vez de executá-los, uma equipe do Langley Research Center decidiu fazer coberturas de resfriamento em cada um dos motores através dos quais o ar comprimido circularia.



Como muitas impressoras 3D de mesa , a TAZ 4 usa vários componentes impressos. Como são ABS, eles entrariam em colapso rapidamente em uma câmara projetada para suportar o PEEK. Eles foram impressos do PC, mas mesmo esse material não era durável o suficiente para uso constante. Seguindo a tradição clássica do RepRap, a equipe imprimiu o último, terceiro conjunto de componentes na impressora mais modificada, de plástico PEI, comercialmente denominada Ultem.



Surpreendentemente, a equipe teve poucos problemas para substituir o bico da impressora por outro capaz de extrusar plástico a 400 ° C. A popular extrusora E3D-v6 custa menos de US $ 100 e provou ser capaz de manter essa temperatura. É verdade que a equipe teve que substituir o termistor por um melhor, bem como modificar o firmware do Marlin para permitir que ele atingisse altas temperaturas. Com impressoras convencionais, uma temperatura muito alta deve causar um desligamento de emergência.





Resultados da impressão de plástico Ultem 1010 em um LulzBot TAZ 4 reciclado.



No final, um relatório da NASA indicou que o retrabalho do LulzBot TAZ 4 foi completamente bem-sucedido. Eles observaram que a tentativa de imprimir PEI com as lâmpadas infravermelhas desligadas falhou - o modelo estava delaminado e empenado, o que era de se esperar. Eles não indicaram o custo do retrabalho, entretanto, dado que naquela época a TAZ 4 custava $ 2.200, todo o projeto poderia custar 10 vezes mais barato do que propostas comerciais semelhantes.



Começando do zero



O experimento da NASA mostrou que uma impressora 3D de mesa existente pode ser convertida para impressão com plásticos de engenharia de alta temperatura e de forma bastante econômica. Mas quase ninguém acredita que essa abordagem seja a solução ideal. Existem muitas operações repetitivas envolvidas, e os engenheiros da NASA tiveram que abandonar algumas das decisões tomadas pelos desenvolvedores do LulzBot. Ainda assim, o experimento forneceu uma linha de base valiosa para outros projetos sendo construídos do zero.



Em setembro de 2020, uma equipe da Michigan Technological University apresentou o CerberusÉ uma impressora 3D de alta temperatura de código aberto capaz de criar itens de PEI e PEKK, que custa apenas US $ 1000 para montar. Sem tentar adaptar os designs existentes, a equipe iniciou o desenvolvimento do zero, visando a impressão em alta temperatura. Todos os eletrônicos são alojados separadamente da câmara selada usando um elemento de aquecimento de quilowatt que eleva rapidamente a temperatura da câmara à temperatura operacional.



Todos os motores de passo também estão fora da câmera. Por causa disso, a cinemática se torna mais complexa do que nas impressoras 3D de mesa, mas a Cerberus não requer mais um sistema de resfriamento especial para motores.



















Construir Cerberus é bastante acessível para o aquarista ambicioso. Ele tem um circuito simplificado, eletrônica de controle pronta baseada em Arduino Mega 2560 e RAMPS 1.4, e a mesma extrusora E3D-v6 como TAZ 4. Além disso, a equipe apresentou instruções claras e detalhadas para a montagem da impressora - isso não está no relatório da NASA Conheçer.



Oportunidades em expansĂŁo



Quer se trate de um retrabalho do TAZ 4 da NASA ou de novos designs como o Cerberus, está claro que os recursos técnicos de impressão PEI e PEEK na oficina doméstica já estão disponíveis para aqueles que precisam deles desesperadamente. Embora não seja tão fácil quanto comprar uma impressora 3D de US $ 200 da Amazon, no entanto, se houver demanda, máquinas mais baratas aparecerão no mercado com base nos mesmos princípios. A situação não é muito diferente da atual onda de cortadores a laser acessíveis que entraram no mercado nos últimos anos.





FĂŁs de todo o mundo imprimem EPI.



Há demanda por essas máquinas? Um ano atrás, a resposta poderia ser diferente de hoje. Mas, no combate à pandemia do coronavírus, surge uma nova demanda pela rápida fabricação de equipamentos de proteção individual (EPIs) que ninguém poderia ter previsto.



Conforme descrito no artigo da Cerberus, a equipe se apaixonou pelo desenvolvimento de uma impressora 3D de alta temperatura acessível, precisamente porque pode ser usada para imprimir EPI que pode ser esterilizado em altas temperaturas. A equipe acredita que as máscaras impressas de PEKK podem ser reutilizadas em vez de jogadas fora.



Componentes que podem ser impressos e esterilizados várias vezes obviamente terão outras aplicações médicas em potencial. Uma máquina portátil de baixo custo capaz de produzir tais componentes tem o potencial de salvar vidas em lugares do planeta onde o acesso rápido a suprimentos e equipamentos não é possível.



Os críticos da impressão 3D costumam dizer que a principal desvantagem dessas máquinas é que a confiabilidade dos itens que fabricam raramente permite que sejam usados ​​para outra coisa que não a prototipagem bruta. Mas quando uma impressora de US $ 1.000 começa a produzir componentes de nível aeroespacial, parece que estamos caminhando para uma revolução na fabricação em um ritmo sem precedentes.



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