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IMPRESSORA 3D
“Impressora de Prototipagem Rápida”
Araras, 15 de Julho de 2020
IMPRESSORA 3D
“Impressora de Prototipagem Rápida”
								Autores
Adrian William	
Altieres Pinto
Felipe Cezar
Thiago Bombo	
Orientador
Profo Guilherme
Araras, 15 de Julho de 2020
IMPRESSORA 3D
“Impressora de Prototipagem Rápida”
Autores
Adrian William
Altieres Pinto
Felipe Cezar
Thiago Bombo
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso Técnico em Mecatrônica, da ETEC Prefeito Alberto Feres, como parte integrante dos requisitos para formação em Técnico em Nutrição e Dietética.
Araras, 15 de Julho de 2020
DEDICATÓRIA
Dedicamos este trabalho a todos que buscam se aperfeiçoar em seu conhecimento, pois o maior investimento que se faz é no intelecto.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos a Deus por nos ter dado forças para chegarmos até aqui. Aos professores pelo conhecimento que nos foi passado. Ao Orientador que por sua vez nos ajudou em tudo que precisamos. Aos nossos colegas e amigos pelo companheirismo e auxilio. Aos nossos familiares pelo apoio.
‘’ Ebenézer, até aqui nos ajudou o Senhor!’’
1 Samuel cap.7 vers.12 (Bíblia Sagrada)
RESUMO
O cenário tecnológico vem se desenvolvendo de forma muito rápida, trazendo consigo uma nova era da informação e uma nova forma de produção juntamente com a indústria 4.0, sendo assim as maquinas e equipamentos tendem a acompanhar o processo de mudança, trazendo novas formas e conceitos de produzir um produto.
A impressora 3D vem com uma proposta muito ampla, desde construir um protótipo para testes e início de produção de um novo produto, até mesmo de um produto finalizado para venda, nós temos certeza que dentro de pouco tempo cada cidadão terá em sua casa um equipamento de prototipagem rápida, podendo utiliza-la para vários fins, já que dispomos de vários tipos de impressoras 3D, desde uma peça simples de Xadrez até um órgão humano(ainda em pesquisa), então não colocamos um limite nessa tecnologia.
Os benefícios de uma impressora 3D são imensos, mas sua usabilidade ainda exigem um certo tempo, pois em determinados processos industriais não seriam tão benéficos, já que ainda são lentas e perdem em produção para outros tipos de maquinas, mas em certos processos são bem assertivos. 
No cenário tecnológico existem premiações e concursos quanto ao tipo de impressora 3D, estamos falando de residências impressas em prototipagem rápida. Isso é um grande incentivo nessa área, pois a corrida espacial está a todo vapor e a ideia principal é construir abrigos em outros planetas, utilizando a matéria prima do planeta alvo de colonização. Finalizando a impressora 3D será o grande salto tecnológico jamais visto.
Palavras Chave: Impressora 3D, Prototipagem Rápida, Tecnologia
LISTA DE FIGURAS, TABELAS E GRAFICOS
SUMARIO
1. INTRODUÇÃO A IMPRESSORA 3D
A tecnologia tem evoluído de forma incrivelmente rápida, hoje podemos contar com a tecnologia que vem trazendo para a sociedade novas formas de produzir peças e componentes, uma nova era industrial chegou e com ela trouxe a impressora 3D.
As impressoras 3D são a nova sensação do mercado. Sua inovadora tecnologia vem gerando um impacto positivo em vários segmentos da economia, desde áreas como a construção civil, setor automotivo e saúde (na criação de próteses humanas, por exemplo) até a indústria de brinquedos infantis. Doces e chocolates podem ser confeccionados no formato de uma bicicleta ou de um pirâmide! E até peças de casas já podem ser “impressas”.
Enfim, são equipamentos que criam, camada por camada, os mais variados tipos de objetos tridimensionais, comandados por softwares desenvolvidos especialmente para fins de modelagem, como o AutoCAD 3D, Solid Works e demais softwares modeladores. Devido a sua versatilidade e precisão, o mercado vem adotando gradativamente a impressão 3D.
Isso explica a importância de se estudar o funcionamento e as aplicações ligadas a essas máquinas revolucionárias, que abrem um novo e imenso leque de possibilidades (e oportunidades!), para quem deseja trabalhar criando produtos em três dimensões.
Dentre os tipos que se destaca como popular é o tipo extrusão, por ser barata, e em um futuro próximo, provavelmente será comparada com uma impressora jato de tinta, todos terão uma em sua casa, mas existem muitos outros tipos como estereolitografia (SLA), que utiliza lasers apontados para um tipo de resina que reage e forma objetos, a síntese a laser que utiliza lasers para enrijecer pó ferroso para criar objetos, Outros que podem até mesmo criar alimentos, e a órgãos humanos (ainda em pesquisa), mas que em breve será realidade.
Impressoras 3D é um marco muito grande, pois poderemos utiliza-las para criar de qualquer material um objeto com perfeição. E serão utilizadas em larga escala em um futuro próximo.
1.1 Características de Processos de Prototipagem 
A utilização de processos de construção de protótipos remonta a um período por volta do ano 2.500 A.C. No passado, um modelo era, obrigatoriamente, uma réplica de um determinado objeto, construído a partir de moldagem direta, com materiais como gesso, argila, silicones, entre outros. O gesso era amplamente utilizado devido ser facilmente moldado pelos artesãos, à prototipagem era utilizada até mesmo para a construção de coroas e tronos, sendo testados pelo rei que deveria aprovar ou solicitar ajustes antes da construção da peça final, objetos de adoração também eram construídos inicialmente em gesso ou outro material antes de serem construídos em rocha ou outro material final. 
Atualmente prototipagens se utilizam de materiais como plásticos e resinas moldáveis, gesso, cera e outros materiais mais modernos, no entanto o desenvolvimento de protótipos manuais é essencialmente um trabalho artesanal, com a utilização de poucas ferramentas. Eventualmente, devido à complexidade e exigências dos clientes, os processos de construção de protótipos podem utilizar a usinagem, respeitando as realidades de formas geométricas, nível de acabamento superficial, impacto visual além da execução de testes funcionais. O custo nesse caso é ainda mais alto. 
A necessidade de dar mais velocidade ao processo de criação de protótipos começou a ser prioridade nas últimas décadas, a robótica aliada a informática, permitiram que a prototipagem fosse revolucionada com a criação de equipamentos que praticamente imprimem as peças desejadas em 3D, dando assim, a tão desejada velocidade no desenvolvimento de produtos. 
1.2 Princípios de Funcionamento 
O conceito de prototipagem rápida utilizando impressoras 3D sempre visa à produção de um objeto detalhado com altura, largura e profundidade, para atingir este objetivo existem diversas tecnologias diferentes, porém todas as impressoras se assemelham na quantidade de eixos de deslocamento e na necessidade de se fatiar a imagem tridimensional em inúmeras imagens bidimensionais. As impressoras comuns possuem deslocamento linear em dois eixos diferentes, x e y; enquanto o papel se desloca em um eixo a cabeça de impressão se desloca em outro eixo criando a imagem no papel. Nas impressoras de prototipagem rápida acrescenta-se o eixo z e após um deslocamento correspondente a uma imagem em duas dimensões, há um avanço em z e o início de uma nova impressão nos eixos x e y, desta forma camadas e camadas de impressão vão se sobrepondo e criando o objeto tridimensional. 
Para que o processo de impressão em 3D seja possível, softwares específicos são responsáveis pelo fatiamento em inúmeras camadas de uma imagem tridimensional, criando assim de dezenas a milhares de imagens bidimensionais, que serão impressas uma a uma, sobrepondo-se uma sobre a outra criando o objeto desejado. A qualidade do acabamento e o detalhamento da peça a ser impressa depende do avanço do eixo z, quanto maior a resolução no movimento deste eixo, um melhor acabamento superficiale detalhamento podem ser obtidos. Os materiais utilizados na prototipagem rápida são diversos, desde plásticos, gesso, ligas metálicas e fluídos fotossensíveis.
 
Figura 1. Impressora Industrial modelo 			Figura 2. Impressora residencial modelo Thing-o-Matic
Object 1000 da empresa Object/Stratasys		da empresa MarkerBot
3. OBJETIVO GERAL
O Objetivo geral é popularizar a impressora 3D, trazendo ao público toda sua funcionalidade, já que entendemos que nem todos sabem o que é, e qual seu papel hoje na indústria e sociedade.
Com isso iremos trazer a inclusão tecnológica, seus benefícios e todas as características necessárias, para que fique claro a todos os membros da sociedade interessados em ter conhecimento sobre o assunto em questão.
4. OBJETIVO ESPECIFICO
Podemos destacar a revolução industrial ou seja indústria 4.0, onde essa nova revolução está trazendo imersão nos setores industriais e aeroespaciais. As impressoras 3D ainda não estão sendo usadas em larga escala, elas são usadas em processos específicos pois ainda são lentas para certos processos, nosso objetivo especifico é alertar e condicionar as empresas sobre a tecnologia e também as pessoas que tem o interesse em entender onde e como pode-se utilizar essa tecnologia para o benefício da produção, como também o aproveitamento melhorado do espaço físico de um setor de trabalho, já que as maquinas são menores comparados com maquinas de usinagem tradicional. Existem também empresas competindo pela fatia espacial na área de impressão 3D que poderá em futuro próximo ser usada na construção de bases lunares e mais à frente em colônias em Marte. Por isso é necessário o envolvimento da sociedade, pois entendemos que será um benefício enorme para a população em geral. 
5. JUSTIFICATIVA
A nossa justificativa se baseia inteiramente na divulgação da evolução da tecnologia no nosso caso a impressora 3D. Por ser uma tecnologia emergente e que tomara uma grande fatia na indústria 4.0. Acreditamos que todos tem o direito de entender e compreender, como uma impressora funciona, quais suas funções hoje nas indústrias e em cada lar dos cidadãos. Precisamos lembrar que essa evolução trará a todos, mais conforto, uma vida mais sustentável, pois levara ao reaproveitamento de matérias primas jamais pensadas, como o próprio entulho de obras, utilizando-se de processos ainda em estudo, como também a questão das garrafas pets e demais variantes, que poderão ser reaproveitadas como filamentos. Finalmente queremos que todos tenham o conhecimento sobre as impressoras 3D e aonde essas pessoas poderão utilizar essa tecnologia.
6. DESENVOLVIMENTO E REVISÃO LITERARIA
6.1 Tecnologias de Prototipagem Rápida
Há três tecnologias mais utilizadas para prototipagem rápida, que baseadas no mesmo conceito de três eixos de deslocamento e de sobreposição de inúmeras imagens fatiadas, porém diferem na forma que a fusão é produzida e nos materiais utilizados, abaixo vemos um infográfico que descreve as técnicas e a seguir temos a descrição detalhada dos processos de impressão.
Figura 3. Tecnologias de impressão 3D mais utilizadas 
6.2 Fused Deposition Modeling - Modelagem por Fusão e Depósito (FDM) 
Este é o modelo mais simples de prototipagem rápida, a impressora 3D que emprega essa tecnologia funde um polímero pelo processo de extrusão e o deposita camada a camada formando a peça desejada, é uma impressora de baixo custo, já muito utilizada por aficionados por essa tecnologia, e muitas das peças mecânicas da própria impressora FDM pode ser fabricada por ela mesma. Porém sua limitação se restringe a plásticos, estes são disponibilizados em bobinas com bitolas na escala de décimos de milímetro. 
O componente principal desta impressora e o que define a tecnologia utilizada é o cabeçote de impressão, este é formado por um conjunto de resistências que aquece um molde perfurado, um fio de polímero de pequeno diâmetro será forçado a entrar neste molde por um motor que o desenrola da bobina e o direciona para o molde, o fio de polímero irá se fundir e escorrer pela cavidade interna do molde vindo a se depositar no local onde se forma a peça desejada. Este modelo de impressora possui uma base metálica aquecida que é o local onde o material extrusado é depositado, é sobre esta base que a peça é formada, o intuito dessa base aquecida é evitar a aderência do polímero à placa base, caso ela fosse fria, e também reduzir a taxa de resfriamento do polímero, que no caso do plástico ABS evita o empenamento do mesmo. 
Algumas impressoras FDM colocam o cabeçote de impressão nos eixos x e y, sendo então ele que se desloca bidimensionalmente, e a base térmica onde a peça é formada movimenta-se no eixo z, assim a base irá descer alguns milímetros toda vez que uma fatia da imagem for impressa e uma nova fatia foi iniciar a impressão. Outras impressoras funcionam de forma inversa, o cabeçote de impressão não se movimenta nos eixos x e y, mas somente no eixo z, os movimentos x e y são executados pela base, e a cada término de impressão de uma fatia, o cabeçote movimenta-se para cima no sentido de z formando a peça desejada.
Figura 4: Prototipagem por tecnologia FDM, (Fonte da imagem: divulgação/ Penn)
6.3 Selective Laser Sintering - Sinterização Seletiva a Laser (SLS) 
A Sinterização Seletiva a Laser é outro processo de impressão 3D, neste processo é utilizado um laser para esculpir os objetos em uma espécie de pó extremamente fino, que pode ser de plástico, metal ou outros materiais. O pó a ser fusionado é colocado pela própria maquina em uma câmara de impressão e sua superfície é nivelada por um braço próprio, dessa forma uma camada milimétrica de pó é depositado na câmara, em seguida, um laser de altíssima potência é projetado no pó e vai desenhando a fatia correspondente àquela face da peça a ser impressa; o material entra em fusão, criando a primeira camada. Após o termino dessa etapa, a câmara de impressão sobe alguns milímetros permitindo que uma nova camada de pó seja depositada, a impressora deposita e nivela automaticamente o pó a ser fusionado, e o laser novamente passa sobre o pó aquecendo e sinterizando a nova camada. O processo de elevar a câmara de impressão, depositar pó, nivelar e o laser sinterizar uma nova camada se repete até que o objeto esteja completamente pronto. 
No final é preciso remover todo o excesso de pó do objeto impresso. É possível fazer isso com um jato de ar comprimido ou escovas próprias para esse propósito. É importante lembrar que todo o excesso de material pode ser reutilizado mais tarde, portanto o desperdício é mínimo. 
Dentre as vantagens dessa tecnologia de impressão pode se destacar a versatilidade em poder trabalhar com uma grande variedade de materiais diferentes, desde polímeros e plásticos até metais, também é possível imprimir objetos já pintados, pois cada camada pode ser colorizada separadamente no momento da impressão. A precisão do laser também permite a criação de objetos mais complexos e detalhados, contendo, inclusive, partes móveis. No entanto o custo desta tecnologia impede a construção dessas impressoras por entusiastas, como ocorre com a tecnologia FDM.
Figura 5: Prototipagem por tecnologia SLS, (Fonte da imagem: Reprodução/Axis)
6.4 Stereolithography - Estereolitografia (SLA) 
Stereolithography ou “fotos solidificação” é semelhante ao processo SLS, porém ao invés de utilizar pó é utilizado um liquido sensível a luz ou duas resinas que reagem entre si quando expostas a luz, o princípio básico nesta técnica de impressão é a solidificação de um líquido quando exposto a luz ultravioleta. Na impressora SLA há um recipiente que é preenchido com um líquido especial, uma espécie de resina plástica que pode ser “curada” com luz ultravioleta, ou seja, a resina solidifica ao ser bombardeada por um feixe de luz ultravioleta, criando uma peça com uma excelente resistência mecânica, antes do processo de impressão a resina é depositada na câmara de impressão, no centro da câmara de impressãohá uma plataforma que fica elevada e a poucos milímetros abaixo da superfície do líquido, o laser inicia o processo de bombardeamento do material na região desta plataforma, o liquido então se solidifica somente no local onde o laser foi projetado formando a primeira camada de impressão. Depois disso, a plataforma central desce poucos milímetros e o líquido cobre a primeira camada já impressa formando uma película sobre essa, o laser inicia o bombardeamento novamente formando mais uma camada. Esse processo de bombardeamento pelo laser, descida da plataforma, cobertura da parte impressa por uma película de líquido e início de um novo bombardeamento continua até o final da impressão da peça. 
O outro método SLA consiste na aplicação de jatos de polímeros fotossensíveis em pó por meio de um cartucho de impressão, que são unidos de forma seletiva por outro cartucho com conteúdo adesivo. Esta é a tecnologia de impressão tridimensional mais rápida existente atualmente, além de ser também a única que permite a aplicação de finalização colorida nos objetos (simulando a pintura). Depois que o objeto está concluído, é preciso remover o excesso de material da peça e posicioná-la dentro de uma espécie de “forno” ultravioleta que serve para completar o processo de cura dos polímeros dos diferentes matérias plásticos. 
Esse tipo de equipamento pode criar modelos complexos e resistentes de maneira relativamente rápida, porém as máquinas são relativamente mais caras e o custo do litro da resina plástica líquida pode ultrapassar as centenas de dólares, o que torna o processo de fabricação ligeiramente mais caro do que o de outros modelos. 
Por fim — e voltada especialmente à produção de objetos realmente pequenos — temos a micro fabricação tridimensional em gel, que utiliza lasers focados em diferentes pontos e distâncias para tratar o material até um ponto em que ele se torne sólido. Todo o restante que não foi focado é simplesmente lavado ao fim do procedimento, se desprendendo da peça. Componentes com tamanhos inferiores a 100 nanômetros são facilmente produzidos. Outro exemplo, novamente, são as peças interligadas com partes móveis. 
Fica claro que cada uma delas possui suas próprias vantagens e problemas, cabendo a quem compra o equipamento definir as prioridades e necessidades, dentre questões como: custo dos materiais de impressão, maleabilidade, velocidade de impressão, capacidades (para um usuário ou vários compartilhados), qualidade e resolução (para impressão detalhada) e necessidade de cores.
7. MATERIAIS UTILIZADOS PARA A IMPRESSÃO
Os materiais utilizados em prototipagem rápida variam conforme o tipo de tecnologia de fusão da impressora e o tipo de utilização ao qual o protótipo se destina; os termoplásticos para impressões FDM mais utilizados estão disponíveis no mercado com diâmetros de filamento da ordem de 0,3mm, são vendidos em bobinas com dezenas de metros de comprimento, e com diversas cores, são os mais acessíveis para os iniciantes nessa tecnologia ou que prefiram ter uma impressora de pequeno porte para solução à confecção de pequenas peças, abaixo listamos os materiais de impressão mais utilizados para essa técnica de impressão: 
7.1 ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) 
O ABS é da família dos plásticos sendo então um derivado do petróleo, é o plástico mais utilizado em impressoras de prototipagem 3D FDM de baixo custo, o ABS é um material amplamente utilizado na indústria, ele é encontrado em para choques de carros, mesas, eletrodomésticos, dentre outros utensílios. Tem boas propriedades mecânicas, é rígido, leve, flexível, resistente na absorção de impactos, isolante eléctrico e possui um acabamento brilhante. 
A temperatura de extrusão do ABS situa-se entre 210°C e 240ºC dependendo de características do próprio fabricante do ABS, ao ser extrusado, o ABS libera um odor característico que pode ocasionar desconforto em algumas pessoas. 
A grande dificuldade em se trabalhar com o ABS é a adesão do plástico na mesa, o ABS tende a se contrair no processo de resfriamento, portanto as peças tendem a descolar da mesa, nem sempre a peça sai da mesa, mas fica com a base bastante deformada (com os cantos levantados), a solução mais comum é utilizar uma mesa aquecida, geralmente entre 100 e 120ºC, recoberta por fita Kapton. Outras soluções incluem utilizar uma câmara de impressão aquecida. 
7.2 PLA (Polylatic Acid - Ácido Polilático) 
O PLA é um material biodegradável, feito a partir do milho, ou da cana-de-açúcar, sendo da família do poliéster, é amplamente utilizado em embalagens biodegradáveis, e também em muitos produtos do dia a dia. 
Também é uma matéria prima comum e amplamente utilizada na prototipagem rápida com impressoras FDM; como vantagem pode-se destacar a facilidade de impressão, a possibilidade de imprimir sem a necessidade da mesa aquecida, temperatura de fusão sensivelmente menor (é extrusado entre 170°C e 200ºC) e o seu apelo ecológico. As propriedades mecânicas do PLA também são boas: é mais rígido que o ABS e resiste um pouco mais a tensões de flexão/torção. Um dos pontos negativos é a resistência térmica, o PLA não suporta temperaturas muito altas. Algumas pesquisas têm desenvolvido misturas de PLA com alguns aditivos que buscam melhorar as suas propriedades.
7.3 PVA (Polyvinyl alcohol - Álcool de Polivinila) 
O PVA é um plástico pouco conhecido se comparado ao PLA e ABS, a grande vantagem do PVA é sua capacidade de se dissolver em água, logo existe um enorme campo de aplicação para esse plástico na prototipagem rápida, especialmente como material de suporte, responsável por auxiliar a impressão de volumes que ficariam suspensos e se deformariam antes de solidificar. Máquinas dotadas de duas cabeças de extrusão imprimem a peça em ABS ou PLA e o suporte em PVA, depois a peça é imersa em água e o suporte de PVA se dissolve. Uma das desvantagens do PVA é ser sensível a altas temperaturas, quando exposto a temperaturas acima de 200ºC por um longo período de tempo ocorre a formação de aglutinados que entopem o bico de extrusão e dificilmente são removidos, para evitar esse problema, a temperatura de extrusão deve estar entre a faixa de 160°C a 190ºC. 
Figura 6. Materiais para prototipagem rápida. O ABS, PVA e PLA são visualmente semelhantes, mas com características termoplásticas diferentes 
7.4 PC (Polycarbonate - Policarbonato) 
O policarbonato é um termoplástico maleável que aceita ser dobrado, é transparente e muito resistente, sua utilização é ampla, incluindo desde o modelismo até na manufatura de vidros a prova de bala. O PC tem algumas peculiaridades, é extrusado entre 260 e 310ºC, e é muito sensível a umidade, portanto para se obter peças transparentes é preciso ter um ambiente bem seco e o plástico deve ser seco também. Sua utilização em prototipagem rápida com impressoras 3D ainda não é muito comum, mas novos métodos de impressão estão sendo aprimorados para o uso desse termoplástico.
					
	 
Figura 7a e 7b. Filamento de Policarbonato e 	peça produzida com este material. 
7.5 Nylon 
Um material muito interessante para se imprimir uma vez que produz peças flexíveis, e muito resistentes. As desvantagens do Nylon são relacionadas com a adesão entre camadas, a temperatura de extrusão e a umidade absorvida. Recentemente surgiram novas variantes de Nylon voltadas para impressão 3D, muito promissoras, porém o nylon ainda não tem a popularidade do ABS no mundo da prototipagem rápida.
 
Figura 8a e 8b. Filamento de Nylon e peça produzida com este material. 
7.6 Laywood 
O Laywood é uma mistura de polímeros com madeira, é um material com propriedades semelhantes ao PLA, mas com acabamento igual a madeira, criando um efeito visual muito interessante, outra característica desse material é a capacidade de alterar a cor e o acabamento das peças de acordo com a temperatura de extrusão, que pode ser entre 170 e 250ºC.
 
Figura 9a e 9b. Filamento de Laywood e peça produzida com este material. 
8. MERCADO DE IMPRESSÃO 3DApesar de não ser mais uma novidade, as impressoras 3D possuem poucos representantes no mercado interno brasileiro, as impressoras 3D mais difundidas e utilizadas são as “artesanais”, produzidas pelos próprios usuários baseadas em softwares livres, porém sem aplicação industrial. 
Para as indústrias estão disponíveis impressoras de alto padrão de sofisticação, mas que chegam a cobrar mais de uma centena de milhares de Reais por isso. Como fornecedores de impressoras no mercado nacional, em nível industrial, podemos citar as companhias: Unique, Dimension, Stratasys e a Desktop Factory. Há também impressoras de pequeno porte industriais, cuja marca mais proeminente no nosso mercado é a Cliever, a “carro chefe” da marca é a CL1 que custa em torno de R$4.500,00 e possui precisão de 0,1mm. 
 
Figura 10. Impressoras da empresa Stratasys. 
Figura 11. Impressora da empresa Brasileira 	Cliever. 
Quando o assunto são impressoras amadoras, de pequeno porte e para aplicações leves e residenciais as principais empresas que fornecem são: RepRap, Marker bot e a Formlabs. O valor de uma Marquerbot é de US$ 2.199 (R$ 4.400), seu custo fica muito próximo a Cliever nacional, mas é preciso adicionar a esse valor o custo do frete, os impostos e a matéria-prima. A Formlabs oferece sua impressora por US$ 3.299 (R$ 6.600). Porém, também é preciso calcular o valor do frete, dos impostos de importação e da matéria-prima. Tanto a impressora da Marker Bot quanto a da Formlabs já vem pronta para utilização. 
Já a empresa RepRap fornece materiais para amadores que queiram montar sua impressora em casa, porém esses amadores não devem ser leigos no assunto, pois não são Kits prontos de montagem que são fornecidos, mas motores, correias, cabeça de impressão, mesa aquecida e circuitos eletrônicos.
Todo o restante do projeto deve ser desenvolvido pelo usuário, assim como a instalação, montagem, testes e desenvolvimento de toda a parte de software do equipamento. Desta forma são montadas diversas impressoras baseadas em diferentes soluções para os problemas encontrados, gerando assim um grupo de estudo em impressão 3D, permitindo que as soluções mais simples e baratas sejam difundidas entre os entusiastas e sejam mais amplamente aplicadas. Esse “movimento” amador é o principal motor do desenvolvimento e popularização do mercado de impressão 3D hoje no Brasil. Vale ressaltar que as peças básicas para a montagem de uma impressora 3D baseadas nos equipamentos da Reprap não sai por menos de R$2.000,00 e ainda são necessários inúmeros outros componentes para que a impressora fique funcional. 
 
Figura 12a e 12b. Impressoras amadoras com componentes RepRap 
9. A IMPRESSORA 3D CONSTRUIDA PARA O TCC
A ideia de se construir uma impressora de prototipagem rápida partiu do princípio de uma pesquisa feita por todos os membros do Grupo e chegamos à conclusão que existe uma carência desse tipo de tecnologia no mercado nacional. Em locais como os Estados Unidos e Europa, o uso dessa tecnologia em nível acadêmico e amadorismo já está relativamente bem difundida, mas no Brasil essa tecnologia de prototipagem ainda é pouco conhecida, sendo seu uso restrito a grandes empresas. Se as Etecs adotassem esse tipo de equipamento como instrumento didático nos cursos de mecatrônica e eletrotécnica, o conhecimento sobre micro controladores, servo mecanismos e eletroeletrônica seria incrementando de forma significativa. 
Baseados nas informações que obtivemos pela pesquisa prévia que realizamos, visando a construção de uma impressora 3D custo x benefício, traçamos algumas diretrizes para o projeto: 
 A tecnologia a ser utilizada será FDM, (Fusão por depósito de material); 
 Localizar fornecedores de materiais eletroeletrônicos, como servo motores e placas aquecidas, para que adquiríssemos os materiais que não podemos construir; 
· Utilizar o Alumínio para a estrutura do equipamento devido o custo x beneficio 
· Fazer download dos softwares que a impressora necessita para funcionar e aprender a utiliza-los; 
· Definir um cronograma de montagem e dividir entre os membros do grupo todas as tarefas necessárias para que o cronograma fosse obedecido; 
O Projeto depois de concluído resultou em uma impressora 3D de ABS com tecnologia de impressão FDM com as seguintes características: 
· A peça de maior dimensão que pode ser impressa é equivalente ao volume de um cubo com 120 mm de lado; 
· Velocidade de construção, (Build Speed) até 10 camadas por minuto; 
· Material de fusão é o ABS com diâmetro nominal de 1,75 mm; 
· Diâmetro do furo do bico é 0,3 mm que é a precisão da impressão; 
· Peso total da máquina é de 50 KG 
10. MATERIAIS E MÉTODOS
10.1 Materiais Usados
Para se iniciar a montagem do equipamento, uma listagem completa com todos os materiais necessários foi elaborada conforme a tabela abaixo.
10.2 DESCRIÇÃO DO PROCESSO DE MONTAGEM
Começamos montando a parte estrutural da impressora 3D que vai servir de base para todos os outros componentes, depois incluímos os fim de curso e as hastes com seus respectivos rolamentos e o primeiro motor que será responsável pelo eixo Z.
 
Figura 13. Montagem da Base			Figura 14. Fixagem do fim de curso
Figura 15. Montagem dos rolamentos, hastes e motor
 
Terminado a base, partimos para a montagem da cama, fixação da cama na estrutura das hastes (carrinho), a colocação e regulagem da correia e colocando a Heat Bed (traduzindo cama quente, essa é a base onde o material extrusado vai se acumulando)
 
Figura 16. Montagem da Cama			Figura 17. Fixação da cama nos Rolamentos 
 
Figura 18. Colocação e regulagem da correia		 Figura 19. Fixação da HeatBed (Cama Quente)
 
Agora iremos fixar o motor em seu suporte especifico e montar o segundo conjunto de hastes, rolamentos, fim de curso, a correia e regulagem, o suporte da extrusora sobre os rolamentos e a extrusora. Esse é o conjunto responsável pelo eixo X.
 
Figura 20. Fixação do fim de curso	 		 Figura 21. Fixação do motor no suporte
 
Figura 22. Fixação das Hastes e rolamentos		 Figura 23. Fixação do suporte da Extrusora 
 
Figura 24. Fixação da extrusora		 	 Figura 25. Colação da correia e regulagem
Montaremos agora dois motores em seus devidos suportes, fixaremos os suportes na estrutura, seus dois fusos(varões), as duas hastes restantes que farão o movimento de subida e decida da extrusora. Sendo responsável então pelo eixo Y. ao final travamos a estrutura com o perfilado superior.
 
Figura 26. Fixação dos dois motores no suporte	 	 Figura 27. Fixação dos suportes na estrutura
 
Figura 28. Fixação da estrutura secundaria na base	 Figura 29. Colocação das hastes e varoes 
 
Figura 30. Fixação do conjunto da extrusora	 Figura 31. Superior da estrutura sendo finalizado
 
Parte mecânica finalizada, partiremos para parte elétrica e eletrônica do equipamento. Começando pelo suporte do switch on/off e da fonte de alimentação, foi feito a fixação na estrutura principal, fixação da placa controladora em seu suporte, fixado o suporte da placa na estrutura principal, ligação de todos os componentes na placa controladora e finalizando com fita hellerman e tubo espiral para organização.
 
Figura 32. Suporte da fonte já com o switch on/of Figura Figura 33. Fixação da fonte no suporte
 
Figura 34. Fixação do suporte na estrutura 		 Figura 35. Fixação da placa de controle 
 
Figura 36. Fixação do suporte da placa 		 Figura 37. Ligação de todos os cabos na placa
 
 
Figura 38. Organizando os cabos com fita hellerman 	 Figura 39. Colocação de tubo espiral
 
Finalizando a montagem, fixamos o suporte do display e também fixado o display e ligando seus conectores correspondentes.
Figura 40. Display fixado
10.3 Sistemas Eletroeletrônicos
Embora seja de montagem relativamente simples a impressora 3D é umequipamento que dispõe dos mais avançados dispositivos e malhas de controle, para entender satisfatoriamente o funcionamento de equipamento, se faz necessário uma compreensão sobre os tipos de controles de processo e suas características básicas. 
10.4 Controle do Processo 
Os processos industrias são operadores que funcionam em ambientes adversos, e para garantir a máxima qualidade e eficiência de qualquer processo, as indústrias investem cada vez mais em sistema automatizados que garantam esse resultado. Essa dinâmica é realizada pelas malhas de controle que garantem a estabilidade da operação e atende as especificações do processo. Existem dois tipos de processos para se automatizar uma planta. 
PROCESSO CONTINUO – as variáveis são reguladas ou ajustadas através de um valor de referência ou set-point. 
PROCESSO DESCONTINUO - São processos que funcionam de acordo com a sequência de operações programáveis, que dependem de sinais de entrada do processo e da unidade de controle. 
10.5 Objetivos de um Sistema de Controle 
 Proteger o sistema de perturbações externas ou da natureza. 
 Garantir a estabilidade de funcionamento do processo. 
 Fazer a otimização de desempenho do processo. 
10.6 Malhas de Controle 
A estratégia de controle de um processo pode ser composta por quatro etapas. A primeira delas é o processo, é a partir dele que conheceremos cada fase do funcionamento do processo e assim ter condições de levantar informações necessárias para automatiza-lo. A segunda etapa é a Instrumentação de Medição, que fazem as medições das variáveis do processo e informam de modo contínuo. A terceira parte são os Instrumentos de Controle que fazem a tomada de decisão e consequentemente a atuação no processo. A quarta parte são os Instrumentos de Atuação que fazem a correção da atuação da terceira parte (Instrumentos de Controle) do processos. 
10.7 Processos de controle em Malha aberta e Malha Fechada 
 MALHA ABERTA – Tipo de sistema que não possui realimentação, consiste em aplicar um sinal na entrada para se ter uma reposta na saída já esperada (Variável controlada). Como a entrada não depende da saída não é possível se ter uma resposta da evolução do processo, a desvantagem desse processo que só teremos uma saída esperada se não tivermos perturbações externas. 
 MALHA FECHADA – É um tipo de sistema que funciona ao contrário do sistema de Malha Fechada, é aplicado um sinal na entrada e esperasse que a saída (Variável Controlada) atinja um determinado valor ou apresente um determinado comportamento. Com esse tipo de processo conseguimos medir a evoluçao do processo e com isso melhora-lo; dieferente do sistema de Malha Aberta com esse Processo de Controle conseguimos uma saída de resposta mesmo com pertubações externas, pois essas ja estarão calculada no sistema. 
10.8 Controle e Funcionamento do Projeto 
A alimentação é feita por uma fonte que recebe 220v ou 127v e abaixa para 12v que alimenta a placa conjugada que possuem como micro controlador o Atmega com todos os periféricos conecta ao Arduino que controla os motores de Passo movendo a plataforma de acordo com a programação feita em C ou C++ e enviada ao arduino pela porta USB via cabo, as End Stops fazem a limitação do avanço dos motores. 
O sistema eletroeletrônico possui uma placa de processamento Arduíno com microcontrolador AT-Mega, na mesma placa do Arduino temos embutido o Shield, que faz o controle do aquecimento da mesa de impressão e do bico extrusor. Também conectados ao Arduíno estão as placas dos motores de passo dos eixos e do alimentador do bico extrusor. 
O controle dos motores de Passo é feita em Malha Aberta, pois os motores de Passo não possuem sensores que fazem medições e corrijam o seu posicionamento. O posicionamento é feito através dos pulsos enviado ao motor que energizam cada uma de suas bobinas internas, devido a precisão do seu funcionamento um amalha fechada não se faz necessária. 
O controle do aquecimento das resistências, tanto da mesa quanto do bico, é feito em Malha Fechada, pois se trata de um processo que deve seguir limites mínimos e máximos de temperatura para se obter a qualidade desejada. Somente através desse método de controle conseguimos monitorar todos os pontos do processo fazendo melhorias se necessário.
10.9 Fluxograma do Circuito Elétrico
Figura 26: Diagrama Elétrico
11. Descrição dos Componentes 
1 - Fonte 
Uma fonte de alimentação tem a finalidade de transformar energia elétrica na forma de corrente Alternada em corrente Continua. 
2 - Coolers 1 e 2 
Dissipador de calor, constante ventilador que remove o excesso de calor do gabinete. 
3 - USB 
Dispositivo que permite a entrada e saída de dados e facilita a conexão de aparelhos e periféricos. 
4 - Arduino 
É uma plataforma eletrônica de hardware livre, com um microcontrolador com entradas e saídas, programada em linguagem C ou C++. 
5 - Placa Mãe 
É responsável por conectar todos os componentes, além de expandir as portas digitais e analógicas conforme a necessidade do projeto. 
6 - Motores de Passo (X, Y, Z, B) 
Motor DC de precisão, torque e velocidade muito utilizado em otimização de máquinas para garantir o controle do processo. 
7 - Driver (X, Y, Z, B) 
É responsável por controlar o acionamento dos motores de passo, este controle é feito por meio de circuitos eletrônicos chamados de acionadores ou Driver adequando os pulsos do motor de acordo com aplicação. 
8 - End Stop X, Y, Z (fim de Cursos) 
Comutador elétrico atuado por uma força física muito pequena limitando os cursos de cada eixo 
9 - Shield Control Extruder 
É uma plataforma eletrônica que controla as resistências da mesa e bico de acordo com a leitura feita pelos termopares. 
10 - Heater (Resistência) da Mesa e Bico 
As resistências elétricas (um fio elétrico com resistividade elevada; resistividade é uma grandeza elétrica). A passagem da corrente elétrica num fio dá origem à produção de calor. 
11 - Termopar 
São sensores utilizados em diversos processos de medição de temperatura. É constituído por dois metais com suas extremidades curto-circuitadas gerando uma força eletromotriz (FEM), que ligada a um aparelho de medição consegue realizar leituras dos termopares. 
12 - Cooler Fan (Cooler de resfriamento) 
Tem a finalidade de resfriar a peça após ser impressa para garantir a qualidade e velocidade do processo final. 
13 - Coolers do Bico e da Mesa 
Dissipadores de calor que a função de retirar o excesso de calor gerado durante o processo.
11.1 Processos e Ferramentas para Impressão 
A seguir segue a descrição detalhada dos paços de impressão de uma peça com o nome (ETEC). 
11.2 Modelo 2D (Bidimensional) 
Inicialmente devemos construir um modelo utilizando um software cad, este modelo deverá ser uma figura “fechada” ou seja com todos as curvas e retas unidas por pontos, para esse exemplo adotamos o nome(ETEC) para demonstrar o sketch (croqui) no AutoCad2017.
11.3 Modelo em 3D (Tridimensional) 
Depois que o modelo em 2D estiver pronto, devemos adicionar mais um terceiro eixo no sketch, ou seja devemos dar volume para o logo, no exemplo abaixo o logo terá a espessura de 15mm.
11.4 Extensão STL 
Ao termino do modelamento tridimensional o modelo deverá ser salvo na extensão STL (Stereolithograph) Esse formato transforma um modelo CAD em uma malha de triângulos. O arquivo contém informação dos vértices e normais da figura. Para a conversão de arquivos aconselha-se fechar todos os “furos” na malha; Orientar as normais para fora; Exportar o modelo com o parâmetro binário.
11.5 Replicator G 
Esse é um software open source 3D construído para plataforma Arduino, inicialmente o mesmo foi desenvolvido para máquinas do tipo CNC, atualmente o software adaptado para prototipagem, com ele conseguimos ler o modelo tridimensional no formato STL e posiciona-lo na matriz referência da mesa de impressão, o mesmo envia as instruções através de compilação para o controlador Arduino que as recebe na linguagem de programação c/c++.
Figura36: Tela do software Replicator G 
Peça posicionada na matriz da placa de impressão previamente configurada.
Através Replicator, configuramos os parâmetros de impressão como demonstrado abaixo: 
 
Figura 37: Tela de configuração de impressão (parâmetros).
11.6 Slic3r
Converte o seu modelo 3D em instruções G-código para que o Replicador consiga compilar as informações ao controlador, é o Slic3r que “fatia” o objeto, ou seja, divide em camadas pré-definidas.
11.7 G-code 
GCodes é um protocolo baseado em texto, que é gerado com base em um modelo 3D. Estas instruções podem ser enviados para uma máquina que irá interpretar estas linhas e executá-los, um por um. As instruções Gcode frequentemente têm um X, Y e Z de coordenadas, são estes os pontos no espaço 3D que a cabeça de impressão se moverá dentro Além disso, não há uma definição de velocidade, o chamado 'avanço'. 
Aqui está um exemplo pedaço de Gcode:
Através deste pedaço de Gcode, a ferramenta será movido de sua posição atual para X, Y e Z posição 0.0. Isso acontecerá na última configuração de velocidade (velocidade de avanço, F) que foi enviado. Em seguida, ele irá se mover para a posição 10, 10, 0 (X, Y, Z) em avanço de 1000. As distâncias são em milímetros ou centímetros, dependendo da configuração da máquina. O avanço é mm / min ou polegadas / min. 
Alguns códigos G úteis são: 
 G0 - Rapid Motion - Movimento Rápido 
 G1 - Coordinated Motion - Movimento Coordenado 
 G2 - Arc - Clockwise – sentido horário 
 G3 - Arc - Counter Clockwise – sentido anti-horário 
 G4 - Dwell 
G10 - Create Coordinate System Offset from the Absolute one - Criar Sistema de Coordenadas Offset do Absoluto 
 G17 - Select XY plane (default) 
 G18 - Select XZ plane (not implemented) 
 G19 - Select YX plane (not implemented) 
 G20 - Inches as units - polegadas como unidades 
 G21 - Millimeters as units - Milímetros como unidades 
 G28 - Home given Axes to maximum – máxima distancia do eixo selecionado 
 G30 - Go Home via Intermediate Point (not implemented) 
 G31 - Single probe (not implemented) 
 G32 - Probe area (not implemented) 
 G53 - Set absolute coordinate system 
 G54-G59 - Use coordinate system from G10 P0-5 
 G90 - Absolute Positioning – posicionamento absoluto 
 G91 - Relative Positioning – posicionamento relativo 
 G92 - Define current position on axes - Definir a posição atual em eixos 
 G94 - Feed rate mode (not implemented) - Modo de Avanço 
 G97 - Spindle speed rate - Taxa de Velocidade de rotação 
 G161 - Home negative 
 G162 - Home positive 
 X absolute position - posição absoluta 
 Y absolute position - posição absoluta 
 Z absolute position - posição absoluta 
 A position (rotary around X) 
 B position (rotary around Y) 
 C position (rotary around Z) 
 U Relative axis parallel to X 
 V Relative axis parallel to Y 
 W Relative axis parallel to Z 
 M code (another "action" register or Machine code(*)) (otherwise referred to as a "Miscellaneous" function") 
 F feed rate 
 S spindle speed 
 N line number 
 R Arc radius or optional word passed to a subprogram/canned cycle 
 P Dwell time or optional word passed to a subprogram/canned cycle 
 T Tool selection 
 I Arc data X axis 
 J Arc data Y axis. 
 K Arc data Z axis, or optional word passed to a subprogram/canned cycle 
 D Cutter diameter/radius offset 
H Tool length offset 
Segue abaixo um exemplo de código G: 
G1 X5 Y-5 Z6 F3300.0 (mova para posição <x,y,z>=<5,-5,6> na velocidade de 3300.0) 
G21 (muda as unidades para milímetro) 
G90 (posiciona a peça na posição absoluta) G92 X0 Y0 Z0 (posiciona a peça na posição de calibragem <x,y,z>=<0,0,0>) 
PEÇAA FINALIZADA IMAGEM
11.8 FLUXOGRAMA DE IMPRESSÃO (SOFTWARE):
12. MATRIZ DE CUSTOS
12. RESULTADOS E DISCUSSÕES
13 CONSIDERAÇÕES FINAIS
13. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
[1] TECMUNDO ROBÓTICA. Disponível em < www.tecmundo.com.br> [2] STRATASYS. Disponível em: <http://www.stratasys.com/>. 
[3] WIRED. Disponível em < http://www.wired.com/design/2012/11/big-3d-printers-euromold-2012/) > 
[4] REPRAP COMMUNITY. Disponível em <http://reprap.org>. 
[5] GADGETEER. Disponível em < http://the-gadgeteer.com >. 
[6] UNIVERSITY OF PENNSYLVANYA. Disponível em < http://www.upenn.edu/spotlights/rep-rap-3d-printing-blood-vessel-networks >. 
[7] AXYS PROTOTYPES. Disponível em http://www.axisproto.com. 
[8] ULTIMACHINE. Disponível em <https://ultimachine.com/>. 
[9] 3DERS. Disponível em < http://www.3ders.org/ >. 
[10] WHOLESALER. Disponível em < http://www.sz-wholesaler.com >. 
[11] OCTAVE SYSTEMS INCORPORATED. Disponível em 
< http://www.octave.com/ >. 
[12] PLASTIC2PRINT. Disponível em < http://www.plastic2print.com [13] 3DPRINTWORLD. Disponível em < http://www. 3dprintworld.org >. 
[14] REPLICATOR. Disponível em <http://www.replicator.org/ >. 
[15] SEACAM. Disponível em <http://www.seacam.com.br/?seaservicos =prototipagem-rapida-3d-%E2%80%93-impressao-3d>. 
[16] DESIGNOTECA. Disponível em <http://site.designoteca.com/2012/02/16/ como-preparar-arquivos-para-fabricacao-digital/>. 
[17] GCODES. Disponível em <http://replicat.org/ gcodes>. 
[18] SKEINFORGE. Disponível em <http://reprap.org/wiki/Skeinforge>.