Paper Impressão 3D - Final

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Cícero Evanildo Campos de Oliveira ¹ 
Maicon Souza ¹ 
Roberto Ramos Matheus ¹ 
Vinícius Cunha Fernandes ¹ 
Ronei Backendorf ² 
Centro Universitário Leonardo da Vinci – UNIASSELVI - Curso (ENM0017) – Seminário Interdisciplinar IV: 
(ENM01) - 08/07/2020 
O ESPAÇO QUE A IMPREESÃO 3D OCUPARÁ NA 
INDÚSTRIA 4.0 
 
Alunos ¹ 
Tutor ² 
 
RESUMO 
 
O presente trabalho visa contribuir com as discussões na produção de válvulas de reposição para 
respiradores pelo processo de fabricação de impressão em 3D. Considera também a importância 
que a impressão em 3D vem obtendo em alguns países durante a pandemia do Covid-19 para cobrir 
a demanda das válvulas de respiradores em tratamento terapêutico. A coleta de dados foi dada 
através de pesquisas online, com base em engenheiros e especialistas. As analises evidenciaram uma 
demanda muito forte que a impressão em 3D vem suprindo, com um custo mais baixo e qualidade 
igual ou superior as que se encontram no mercado, e, com isso, fomentando a economia com seu 
preço inferior comparada as tecnologias já existentes, tendo a vantagem de poder adicionar alguns 
sistemas ao projeto, que é feito via software. Na briga pela competitividade do mercado por preços 
cada mais baratos e qualidade melhor, a impressão 3D terá um papel fundamental na indústria 4.0, 
não esquecendo das inovações que ela sempre teve junto a medicina. 
 
Palavras-chave: Impressora 3D, Impressora, Prototipagem, Manufatura, Industria 4.0, Eletrônica. 
 
1. INTRODUÇÃO 
 
A tecnologia de impressão em 3D com polímeros vem se estruturando e ganhando o mercado 
nos últimos anos, apesar de já existir desde 1984, criada por Chuck Hull. O funcionamento ocorre 
basicamente através da adição de camadas sobrepostas até obter-se o resultado final. 
Apesar de esta tecnologia ser muito expressiva nas indústrias, ela tem uma importância muito 
grande trabalhando lado a lado com a medicina, na construção de alguns órgãos de transplantes como: 
rim, coração, mandíbula e até próteses de pernas. 
Neste trabalho temos como objetivo explicar de forma sucinta a importância da tecnologia de 
impressão em 3D em peças para acompanhar a demanda na área da medicina durante a pandemia do 
Covid-19, exemplificando através de acontecimentos na Itália. 
Aplicando uma metodologia com embasamento em pesquisas online de especialistas e 
engenheiros em que pudemos obter uma pesquisa com a aplicação de uma didática simples e direta 
para melhor entendimento do leitor. 
Organizamos o nosso trabalho em 5 partes para melhor compreensão e organização, ficando 
assim a 1° parte a introdução onde é feita uma apresentação do tema. Na 2° parte temos a 
fundamentação teórica onde é feito o desenvolvimento do tema. Na 3° parte que é a metodologia 
temos um exemplo em tabela do assunto. Na 4° parte se encontrará os resultados e discussões sobre 
o trabalho. E, por fim, a 5° parte que diz respeito à conclusão que tiramos desta pesquisa. 
 
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2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 
 
 A elaboração referente à pesquisa consiste na produção de válvulas de reposição para 
respiradores para tratamento terapêutico pelo processo de fabricação de impressão em 3D. Em meio 
à pandemia do novo corona vírus um dos países mais afetados pela doença foi à Itália, onde a escassez 
de leitos, equipamentos e máscaras gerou a necessidade de produção de válvulas em larga escala pelo 
processo mais rápido para atender as necessidades hospitalares. Se as válvulas fossem produzidas 
pelo processo normal, segundo o Bioengenheiro Alexandro M. Hamke o tempo estimado seria 
elevado, motivo pelo qual muitos dos pacientes internados não sobreviveriam, devido ao tempo de 
espera para a substituição das válvulas que estavam com desgaste e necessitavam serem substituídas 
a cada oito horas. Com essa alta demanda o fabricante original não atendeu a necessidade e assim 
buscou-se a produção da válvula para reposição pelo processo de impressão em 3D. 
As primeiras unidades das válvulas pelo processo de produção em impressora 3D foram realizadas 
em uma impressora de filamento, porém mesmo assim não era suficiente para atender as demandas 
hospitalares, pois as válvulas sofriam desgastes prematuros e o tempo de fabricação nesse tipo de 
impressora é de aproximadamente uma hora para cada unidade. Assim o design foi enviado à outra 
empresa especializada na reprodução de peças em impressão 3D, a LONATI que utiliza laser para 
fazer à sinterização (fusão) de um pó plástico a base de poliamida para ganhar tempo na confecção 
das válvulas e maior qualidade. Com esse processo as válvulas são produzidas com maior velocidade. 
Segundo a NASA (2014), “[...] a estação espacial internacional está desde o final de 2014, com uma 
impressora 3D em funcionamento para testar as propriedades mecânicas das peças criadas e a 
confiabilidade do equipamento em gravidade zero”. 
Na fabricação das válvulas foi utilizada uma impressora em 3D do modelo FDM derivado do inglês 
(Fuse Deposition Modeling) que significa fundição e modelagem por deposição, pois o custo do 
material em comparação com outros produtos não é tão elevado, em compensação permite que 
incorpore alguns detalhes na peça se for necessário. Essa técnica de fabricação consiste em uma 
técnica de filamentos de um material plástico normalmente de PLA, pois é o nome mais comum para 
o (Ácido Polilático) ou ABS que representa (Acrilonitrila Butadieno Estireno) até um estado 
semissólido e uma deposição do material pelo bico extrusor, sendo que esse tipo de fabricação ocorre 
através dos movimentos dos eixos X, Y e Z formando assim camada por camada até que a válvula 
obtenha seu formato desejado. O diâmetro do bico extrusor é de 1,75 mm, levando em consideração 
que a espessura da parede da válvula é de 2,55 mm e do orifício de 0,8 mm. 
 No mercado e no ramo industrial existem vários modelos de impressoras 3D onde podemos 
citar: A impressora FDM ou FFF (Fused Deposition Modeling) a extrusão nesse tipo de impressora 
ocorre através de um filamento termoplástico sólido é empurrado através de um bocal aquecido 
derretendo-o durante o processo de fusão, então a impressora deposita o material em uma plataforma 
aquecida a 50ºC onde durante a passagem pelo bico extrusor o plástico é resfriado e solidifica para 
formar a peça final. Para Volpato (2007), a impressão em 3D é basicamente o processo em maior 
crescimento industrial e em escala mundial, obtido a partir de adições de camadas de materiais 
utilizando o método digital criado por um sistema CAD3. 
 
 
✓ Tipos de impressão 3D: (Fused Deposition Modeling) e às vezes chamada de FFF (Fused 
Filament Fabrication). 
✓ Materiais filamento termoplástico (PLA, ABS, PETG, FLEXÍVEL, HIPS). 
✓ Precisão dimensional +/- 0,5% (limite inferior +/- 0,5 mm). 
✓ Aplicações comuns: todos os tipos de peças, sendo limitada pela área da peça. 
✓ Pontos fortes: melhor acabamento superficial. 
✓ Pontos fracos: tamanho da peça a ser impressa limitada pela área da impressão. 
 Impressora 3D (SLA OU DLP) são os tipos de impressora multifuncional em que uma resina 
de Fotopolimero é seletivamente curada por uma fonte de luz, as formas mais comuns desse tipo de 
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polimerização são as impressões (SLA) (Estereolitografia) e (DLP) (digital light processing) a 
diferença entre esses tipos de tecnologias 3D são as fontes de luzes destinadas a cada aplicação. 
✓ Tipos de impressão 3D: Estereolitografia (SLA) processamento de luz direta na peça. 
✓ Materiais: resina de fotopolímero (Padrão, transparente e de alta temperatura). 
✓ Precisão dimensional: 0,5% (limite inferior +/- 0,15 mm) 
✓ Pontos fortes: acabamento superficial suave sem formar ranhuras. 
✓ Pontos fracos: muito frágil não sendo aconselhada para peças robustas. 
 Impressoras (DMLS- Direct Metal Laser Sintering), (SLM-Selective Laser Melting), e (EBM-
Eléctron Beam Melting). A DMLS e a SLM produzem peças de maneira bem parecidas com o modelo 
SLS, no entanto a grande diferença e queesses tipos de impressoras são aplicados a reprodução de 
peças de metal. A impressora (SLM) é um dos tipos de impressora que utiliza laser para obter a 
reprodução da peça completa através da fusão completa do pó metálico (algo que não seja produzida 
por liga). Impressora (EMB) o material utilizado nesse processo é o pó metálico que derrete no 
formato de camada por auxilio do computador que controla os fleches de elétrons em alto vácuo 
emitido pela fonte. 
 
A reprodução de peças por impressão em 3D não é nem será um substituto para a produção industrial na maioria das 
industriais, mas uma solução de nichos de mercado. (JORGE VINCENTE LOPES SILVA, 2019) 
 
 Falando na utilização na indústria das impressoras 3D contabilizam os ganhos dessa aplicação 
como redução de custos, ganhos em tempo e redução em prazos, ganhos na eficiência produtiva. O 
resultado é reprodução de peças complexas totalmente densas sem desperdícios de matéria prima, já 
o benefício referente à área da saúde ganha destaque na modelagem de próteses com as dimensões 
especifica do cliente, além de imprimir exames baseadas em situações reais e também é possível a 
criação de estruturas personalizada para quem necessita. 
 Na engenharia biomédica a impressão 3D pode contribuir na reprodução de peças para 
fabricação de próteses mais complexas permitindo que as partes humanas sejam substituídas por 
próteses com características semelhantes à parte do corpo, permitindo todos os movimentos do corpo, 
fazendo com que se criem peças altamente complexas, já está em desenvolvimento também a 
fabricação de células para a fabricação de órgãos, ou seja, será possível imprimir um osso provisório 
para que a lesão se recupere por impressão em 3D (VOLPATO, 2007). 
 A parte eletrônica da impressora 3D e composta por um micro controlador principal que e o 
cérebro da máquina, por sensores capazes de coletar as informações de posicionamento dos eixos e 
temperaturas, atuadores capazes de transmitir comados de velocidade, posição, deslocamento e por 
última interface com o operador como LCD, diodos emissores de luzes (LEDS) e conexão via USB 
para computar. O fatiador também conhecido como software de fatiamento e uma programação usada 
por computador para impressão 3D, este tipo de soft e utilizado para converter o modelo 3D em 
instruções de programação após armazenamento de dados. 
 
 PLANO DE MANUTENÇÃO PERIÓDICA EM IMPRESSORA 3D (FDM). 
 
✓ DIARIAMENTE: Antes de utiliza-la, elimine qualquer resíduo do seu interior e limpe o pó 
do exterior. 
✓ Verifique sempre e os movimentos dos eixos se estão uniformes. 
✓ Verifique se se os perfis de impressão estão corretos. 
 
 
✓ MENSALMENTE: Calibre a impressora 
✓ Comprove se existe alguma atualização no software. 
✓ Limpe com um pano os eixos X, Y, Z. 
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✓ Lubrifique as barras X, Y, Z e os rolamentos lineares caso exista com óleo de máquina de 
costura. 
✓ TRIMESTRALMENTE: Limpe em profundidade o extrusor, retirando o ventilador e o 
dissipador, elimine os resíduos presentes. 
✓ Verifique as rocas dos parafusos 
✓ Revise o tudo PTFE a cada 250 de impressão. 
 
 
[...]. Para muitas empresas, a lógica desta tecnologia já está clara. A primeira vantagem é a 
eficiência. Dado que as impressoras 3D constroem objetos por camadas, com plástico ou 
outro material, guiadas por um arquivo de desenho que elimina o desperdício da fabricação 
tradicional, na qual até 90% da matéria-prima acaba sendo descartada. As impressoras 
podem trabalhar durante todo o dia e noite sem vigilância. Podem imprimir peças 
interligadas, reduzindo ou eliminando a necessidade de montagem. Elas vão permitir que as 
empresas encurtem as cadeias de fornecimento, rapidamente distribuirão produtos para 
qualquer impressora e rapidamente farão peças de reposição. E podem criar objetos com 
geometrias e complexidades internas que as máquinas das fábricas tradicionais não 
conseguem igualar. (BLOOMBERG NEWS, 2013.p.140). 
 
 
FIGURA 1: ESQUEMA GENÉRICO DA TECNOLOGIA 3D FDM 
 
 
FONTE: VOLPATO, Neri. Prototipagem Rápida: tecnologias e aplicações. Edição: 1ª 
Edgard Blucher ,2007. 
 
 
Conforme mostra a figura 1 esse modelo de impressora 3D FDM possui um esquema de 
funcionamento simples, pois é composto por menos componentes em comparação com outros tipos 
de impressora, mais na prática tem uma gama de vantagens, pois na produção de peças podemos 
escolher o modelo a ser impresso, configurar a impressão do arquivo, ajustar o software da 
impressora, planejar a impressão, salvar os dados em um cartão de memória e produzir a peça sem 
uso do computador tornando fácil o processo operacional, na produção das válvulas. Na Itália uma 
impressora foi levada para um dos hospitais para reproduzir válvulas, pelos próprios técnicos e 
enfermeiros, pois o processo não exigia um elevado conhecimento técnico após a impressora estar 
configurada. Essa alternativa pode resolver problemas como ferramentas quebradas com muito mais 
rapidez e efetividade. Também se acredita que as impressoras 3D são responsáveis por uma grande 
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revolução na pesquisa e tecnologia, as antigas opções não eram capazes de solucionar dificuldades 
com essa velocidade. 
 
 
3. MATERIAIS E MÉTODOS 
 
 Desde então a empresa LONATI até então ainda nova no mercado fundada em 1984 resolveu 
inovar 1991 no mercado de fabricação de peças por impressão em 3D ao inserir no mercado a 
modelagem e reprodução de componentes e peças pelo processo de fusão e deposição de material 
(FDM – Fused Deposition Modeling), uma tecnologia que até então prometia agilizar a fabricação de 
prototipagem e que é altamente utilizada nos dias atuais, se tornando referência no processo de fusão, 
na Itália a LONATI 3D é referência na reprodução de peças por impressões e pelo processo de fusão 
em pó, fusão em plástico, com destaque no ramo de fabricação de peças por impressões em 3D 
chamou a atenção dos engenheiros para reproduzir em grande escala as válvula Venturi para o 
tratamento contra o Covid-19 (como mencionado anteriormente) conseguindo atender a demanda de 
todos os hospitais da Itália como afirma o médico humanitário Tarek Loubani, sendo pioneira nesses 
tipos de matérias como mostra a tabela 1: 
 
 
TABELA 1 – MATERIAIS UTILIZADOS PELA TENOLOGIA 3D FDM (MA) 
 
 
 Tecnologia Materiais disponíveis 
 Estereolitografia Fotopolimero 
 Modelagem por fusão e deposição (FDM) Termoplástico e metais eutéticos 
 Sinterização seletiva a laser (SLS) Termoplástico e metais pulverizados 
 
FONTE: RAULINO, B. R. Manufatura Aditiva: Desenvolvimento de uma máquina de 
prototipagem rápida baseada na tecnologia FDM (modelagem por fusão e deposição). 
Trabalho de Graduação em Engenharia de Controle e Automação, Publicação FT.TG-nº, 
Faculdade de Tecnologia, Universidade de Brasília, Brasília, DF, 105p. 2011. 
 
 
 
As informações descritas na tabela 1 demonstram os materiais que esse tipo de impressora 
pode trabalhar na produção de peças pelo processo de impressão 3D, a tecnologia FDM representada 
na figura 1 e uma tecnologia da empresa (LONATI) conforme já mencionado que fabricou as 
válvulas na Itália para atender a alta demanda contra a pandemia do Covid19, altamente recomendada 
pelo departamento de engenharia da LONATI pelo baixo custo tanto de manutenção como na 
fabricação de peças juntamente com as tecnologias 3DP. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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As partes que compõem a impressora FDM podem citar: 
 
 Filamento; 
 Caixa de controle de temperatura para eliminar a umidade do filamento; 
 Três motores de passo para controlar os eixos X,Y e Z; 
 Aquecedor térmico para aquecer o plástico a 200º C; 
 Bico extrusor; 
 Cooler; 
 Mesa de aquecimento (50ºC); 
 Fontes e placas de controle de temperaturas; 
 Tubo de filamento; 
 Cabeçote extrusor; 
 Suprimento do filamento; 
 Plataforma de construção; 
 Estrutura do suporte; 
 Base de poliuretano. 
 
 
 
FIGURA 2 - IMPRESSORA 3D FDM PARA REPRODUÇÃODE PEÇAS PELO PROCESSO DE 
FUSÃO E DEPOSITAÇÃO POR CAMADAS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FONTE: Disponível em: https://store.makerbot.com/. Acesso em 15, Julho. 2020. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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4. RESULTADOS E DISCUSSÃO 
 
A principal vantagem que os engenheiros encontraram para a produção dessa válvula com a 
impressora 3D FDM, foi o preço do material e a facilidade de acesso para a aquisição do plástico, 
onde a resistência do material fica muito próxima do modelo original, segundo Alessandro M. Hamke, 
além disso, é mais fácil para armazenamento e manuseio. Outra vantagem segundo os engenheiros 
está na facilidade de se trabalhar com o material para a realização de estudos e uma grande gama de 
impressoras no mercado com preços mais acessíveis. O preço final das válvulas ficou em torno de € 
0,90 cerca de (R$5,00). Outro ponto em questão para a escolha desse tipo de impressora 3D FDM é 
que a peça não necessita de tratamento pós-impressão, não sendo necessária a realização de 
acabamento, tais como a retirada de ranhuras e rebarbas devido à temperatura sofrida pelo plástico 
durante o depósito das camadas e o resfriamento pós-camadas. 
Sem dúvida existem outros processos de fabricação de peças por impressões em 3D em 
desenvolvimento na engenharia mecânica, mas o grande desafio ainda é aumentar o número de peças 
produzidas com menor tempo possível e buscar reduzir ainda mais o custo de produção de uma peça 
pelo processo de fusão e deposição de material por camada. Conforme o departamento de engenharia 
da empresa LONATI que cedeu seu tempo e matéria prima para produção das válvulas para o combate 
a pandemia na Itália, o desafio maior é reproduzir vários tipos de peças e componentes sem fazer 
setup ou substituição do bico extrusor. 
Para Marques (2014), dentre as dezenas de tecnologias em desenvolvimento no mundo para 
elaboração de peças por impressão em 3D com menor tempo de produção existente, se destacam 
quatro: A FDM (Fused Depositin Modeling) com a utilização de filamentos como matéria prima 
principal. A SLA (Stereolithography Aparattus) que utiliza luz ultravioleta para curar a resina liquida 
durante o processo de injeção do material. O SLS (Selective Laser Sintering), que projeta a fabricação 
de peças por impressão em 3D com materiais granulados de plásticos, cerâmicos e até metais. Essas 
características construtivas das tecnologias são bastante estudadas na engenharia mecânica com o 
propósito de alcançar o objetivo desejado como foi o caso da produção das válvulas para o tratamento 
terapêutico contra a corona vírus na Itália. 
O resultado foi alcançado com a produção das válvulas de reposição dos respiradores em larga 
escala, pois os pacientes que necessitavam foram atendidos conforme necessidade. Além da demanda 
suprida, o produto teve boa qualidade e baixo custo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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5. CONCLUSÃO 
 
Nos tempos atuais a produção em larga escala de produtos, com qualidade e baixo custo, é o 
diferencial das empresas para se manterem competitivas no mercado. No trabalho apresentado, 
verificou-se que havia uma demanda das válvulas dos respiradores, para atender pacientes infectados 
pelo novo Corona vírus e graças à tecnologia de impressão em 3D esse atendimento foi possível, 
salvando milhares de vidas. 
 Atualmente a gama de processos e equipamentos na área da impressão 3D chama a atenção, 
pois conforme indicado neste trabalho, encontramos uma pequena amostragem, levando em 
consideração que abordamos um tipo de peça apenas. O processo em impressão 3D além de fabricar 
peças de reposição em compostos plásticos, também já é utilizado para confecção de peças de 
reposição em metais, a indústria automobilística é uma das áreas que está na ponta deste processo. 
 A agilidade de criação no novo processo também impressiona, pois conforme a pesquisa, 
em um curto espaço de tempo criou-se o protótipo da peça de reposição e se iniciou a produção em 
série. É uma tecnologia que está acessível em todas as partes do mundo, umas mais desenvolvidas e 
outras em aprimoramento. Outro fator que deve se destacar é que esta tecnologia está acessível aos 
mais diversos ramos da indústria, indiferente da capacidade produtiva das mesmas. A impressão 3D 
está em um ritmo acelerado e com certeza em um curto espaço de tempo será possível fabricar peças 
e componentes com maiores dimensões. Já existem estudos de fabricação de casas e carrocerias de 
automóveis. Uma certeza é que a tecnologia de impressão em 3D veio para ficar, pois com o estudo 
intensivo neste ramo em alguns anos, já tivemos uma evolução significativa e que ainda está longe 
do final. Para o curso de Engenharia Mecânica o trabalho foi de extrema importância, pois nos 
mostrou que cada vez o ramo da engenharia tem um amplo horizonte e é aplicado em todas as áreas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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REFERÊNCIAS 
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