1. Surgimento das Impressoras 3D; Origem, classificação e funcionamento.
A obtenção de peças por meio de impressão 3D se apresenta como uma vertente da indústria 4.0, uma vez que, as fabricações aditivas, digitais ou Prototipagens Rápidas, alteraram a forma e modo de produção.
De acordo com o autor RAULINO , a Prototipagem Rápida (RP – Rapid Prototyping) se trata da fabricação que surgiu ao final dos anos 80, baseada na adição de material em planas camadas, haja vista a crescente necessidade da indústria de reduzir custos no processo de desenvolvimento e fabricação de produtos.
No cenário atual há uma vasta variedade de métodos de impressão, porém, se faz necessário um breve contexto histórico de Impressões 3D.
Inicialmente, importante destacar que a primeira técnica de produção de protótipo a partir de um arquivo virtual foi descoberta em 1984 por Chuck Hull, sendo a invenção registrada como Stereolithography (SLA), parenteada em 1986, definida pelo inventor como ““método e máquina para fazer objetos sólidos através da impressão sucessiva de finas camadas do material UV curável, uma em cima da outra”. 
Os principais objetivos da impressão 3D na época eram a criação de lâmpadas para solidificação de resinas, bem como conceder celeridade o processo de fabricação de peças plásticas, nesse sentido, foi desenvolvido o conceito de prototipagem rápida, que visa a produção de objeto detalhado com altura, profundidade e largura.
Em síntese, a grande maioria das tecnologias existentes se assemelham na quantidade de eixos de deslocamento, na necessidade de fatiar a imagem tridimensional em várias imagens bidimensionais e na utilização de softwares, vez que eles são responsáveis pelo fatiamento das imagens em diversas camadas.
A fabricação comum, conhecida como subtrativa consiste em métodos que subtraem material a partir de insumo bruto ou inacabado, sendo assim, essa modalidade de fabricação faz uso de uma série de ferramentas previamente fabricadas ou adquiridas, sendo a combinação dos materiais o fato gerador do produto final.Diferentemente, a fabricação aditiva não subtrai material a partir de uma matéria prima, são as chamadas técnicas de impressão 3D, como a SLA que dispensam ferramentas intermediárias para produção, exceto a própria impressora.
Já a estereolitografia possui a característica que viabiliza a fabricação de produtos que não são possíveis por meio da técnica subtrativa. Além disto, a fabricação aditiva das impressoras apresenta um potencial de fabricação customizada e viável economicamente, uma vez que dispensa moldes pré-fabricados, ferramentas, adaptações, entre outros recursos intermediários necessários na produção de grande quantidade de unidades.
Atualmente existem diferentes tipos dessa tecnologia disruptiva, com a utilização de diferentes princípios no modo de produção. As principais técnicas de impressão 3D são: Modelagem por Fusão e Deposição, Sinterização Seletiva a Laser, Estereolitografia, Manufatura de Objetos Laminados e 3D Print, conforme veremos brevemente a seguir.
2.Espécies e Classificações de Impressoras 3D
Possuem particularidades e similaridades as variadas técnicas de impressão 3D existentes, destacando-se pela característica de produção direta, a partir de um arquivo digital, gerando significativa redução de custos de produção, armazenagem e transporte.
A distinção entre as diferentes técnicas desenvolvidas se da a partir da análise de aspectos fundamentais, tais como: materiais utilizados para produção, precisão, acabamento, textura e resistência, sendo que cada técnica possui vantagens e se encontra condicionada ao propósito e ao investimento disponível.São três as tecnologias mais utilizadas para Prototipagem Rápida, sendo que todas possuem em comum o conceito de três eixos de deslocamento e de sobreposição de diversas imagens fatiadas e se diferem quanto à forma de fusão e materiais utilizados.
A técnica pioneira de impressão 3D inicialmente desenvolvida nos anos 80 foi a Stereolithography (SLA), mais tarde, foi desenvolvida a conhecida como Fused
Deposition Modeling (FDM) ou modelagem de deposição fundida, patenteada em 1989 por Scott Crump. Nas décadas subsequentes surgiram as denominadas Selective Laser Sintering (SLS) ou sinterização a laser, Selective Laser Melting (SLM) ou derretimento a laser, Polyjet e outras técnicas não difundidas amplamente.
3 O procedimento de impressão 3D
Stereolithography (SLA) e Digital Light Processing (DLP) correspondem à estereolitografia, que consiste em uma resina de fotopolímero que é curada por uma fonte de luz. Ambas possuem como princípio de funcionamento a utilização de fonte de luz seletiva. No entanto, a principal diferença entre SLA e DLP é a fonte de luz utilizada para curar resina. Enquanto a SLA utiliza laser de pontos, a impressora DLP usa voxel.
Quanto a Stereolithography ou fotossolidificação, assim também chamada, utiliza como princípio básico a solidificação de um líquido exposto a luz ultravioleta. Na impressora SLA existe um recipiente que é preenchido por resina plástica liquida, que, posteriormente, é curada com luz ultravioleta. Ou seja, a resina ao ser afetada pelo feixe de luz resulta na solidificação de um material altamente resistente.Outro método SLA é a tecnologia de impressão tridimensional mais rápida existente atualmente, que se dá a partir da aplicação de jatos, por meio de cartuchos
de impressão, de polímeros fotossensíveis em pó, que são reunidos de forma seletiva por outro cartucho com conteúdo adesivo. Essa técnica é a única que permite a aplicação de finalização colorida nos objetos, havendo a simulação de pintura.Nesse contexto, após a conclusão da modelagem do objeto, é necessária a remoção do excesso de material da peça, bem como o depósito da mesma em uma espécie de forno ultravioleta, que possui a função de complementar o processo de cura dos polímeros de diferentes materiais plásticos.
Esse equipamento cria modelos complexos e resistentes com grande velocidade, contudo, as máquinas possuem um preço relativamente alto, juntamente com os insumos de alto custo, como o litro da resina plástica líquida, fatores que tornam o processo de fabricação mais oneroso que os outros modelos de impressoras.
Já o modelo Fused Deposition Modeling (FDM) é o mais conhecido e utilizado atualmente, seu princípio de atuação consiste basicamente no aquecimento do filamento até que ocorra a fusão, desta forma, o volume de material derretido é pressionado por um bico extrusor, sendo depositado na superfície de impressão formando a peça desejada.
O elemento que define a tecnologia utilizada na impressora FDM é o cabeçote de impressão que é formado por um conjunto de resistências que aquece um molde perfurado. Esse modelo de impressora possui uma base metálica aquecida que é o local onde o material extrusado é depositado e onde ocorre a formação da peça.
O modelo de impressora 3D FDM atua com resolução de 0,05 e 0,4 milímetros, sendo correspondente essa medida à altura da camada, ou seja, quanto menor o valor, mais lisa será a peça, com maior qualidade superficial.
Ainda, a FDM possui como ponto positivo seu baixo custo, tendo em vista que muitas peças mecânicas da própria impressora podem ser fabricadas por ela mesma, e como ponto negativo a limitação de impressão, uma vez que se restringe a plásticos.Diferentemente, Selective Laser Sintering (SLS) e a Selective Laser Melting (SLM) são técnicas que resultam em impressões de alta precisão e alta resistência, em razão de se utilizarem de matérias primas em estado granular, ou seja, utilizam o pó do material a ser utilizado, ao invés de possuírem um filamento rígido como insumo.
As referidas técnicas pela alta capacidade de realizar acabamentos precisos, produzem peças para segmentos complexos como automotivo, aeroespacial e ferramentas cirúrgicas.
A técnica Selective Laser Sintering (SLS) ou sinterização a laser, foi desenvolvida nos Estados Unidos e utiliza como base espécie de laser para esculpir os objetos formados de pó altamente fino, seja de metal, plástico ou outros materiais.
No processo, o pó a ser fusionado é depositado pela máquina em uma espécie de câmara de impressão e ocorre o nivelamento de sua superfície, dessa forma, o laser de alta potência é projetado em direção ao pó, que, em fusão, origina a primeira fatia correspondente àquela face da peça. Na etapa subsequente, a câmara de impressão se eleva alguns milímetros, permitindo que uma nova camada de pó seja depositada.
Dentre as vantagens dessa tecnologia, está o irrisório desperdício de insumos utilizados na produção, tendo em vista que se trata de pó e todo o excesso pode ser reutilizado em impressões futuras, bem como a versatilidade no que tange a utilização de materiais diferentes como metais, polímeros e plástico, sendo possível também a impressão de objetos pintados, haja vista a possibilidade de cada camada ser colorizada separadamente no momento da impressão.
Ademais, a alta precisão do laser permite a criação de objetos detalhados e complexos, inclusive contendo partes móveis, porém, o alto custo envolvido impede a popularização desse modelo de impressora.
Por fim e voltada mormente à produção de objetos pequenos, foi desenvolvida a técnica da micro fabricação tridimensional em gel, que se utiliza de lasers focados em diferentes distancias e pontos para modelar o material até que ele se torne sólido. Nesse procedimento, todo o restante que não foi focado é levado ao fim do procedimento, se desprendendo da peça principal.
Nesses casos, componentes com tamanhos inferiores a 100 nanômetros são facilmente produzidos, outro exemplo são peças interligadas com partes móveis.
Nessa senda, verifica-se que as impressoras possuem peculiaridades e variáveis, devendo ser definidas as prioridades no processo de produção e analisadas as necessidades para atendimento das demandas, quais sejam: custo dos materiais de impressão, celeridade do procedimento de impressão, maleabilidade, volumetria, resolução, necessidade de cores, textura e resistência.
4 Caráter Disruptivo e Inovador da Tecnologia
As tecnologias disruptivas das impressões 3D tendem a ganhar popularidade longo dos próximos anos, uma vez que viabiliza o acesso a diferentes materiais, possuindo como grande diferencial a fabricação de peças exclusivas, reproduzidas a partir da utilização de fotos.
Não obstante, não restam dúvidas acerca da capacidade e utilidade desta tecnologia, frente aos inúmeros resultados positivos que o universo das impressões já atinge, especialmente nas áreas que necessitam de grandes fomentos para desenvolvimento como grandes indústrias, aeroespacial, automobilística, aparelhagem médica e ortodôntica.
O uso da tecnologia 3D na indústria é economicamente aplicável em designs complexos e alta personalização, sendo viável financeiramente a depender do volume de produção, diferentemente das áreas de biomedicina e medicina, que necessitam atender alta demanda. Nesse contexto, a alta capacidade de personalização de próteses e outros aparelhos fabricados em tamanhos pré-estabelecidos apresenta significativos avanços em relação às tecnologias convencionais.
No que concerne ao ramo da construção civil, a ICON, empresa de construção e tecnologia apresentou projeto na South by Southwest – SXSW, realizado em Austin nos EUA, onde a impressão 3D é utilizada para lançar um método de baixo custo para imprimir casas de 650 metros quadrados, feitas de cimento, em apenas 12 a 24 horas, que poderá ser utilizado também para erradicar a falta de moradia, problema que afeta mais de 11 milhões de pessoas que vivem sem condições básicas de infraestrutura, de acordo com dados do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE).
Não obstante, impressoras 3D têm sido utilizadas no alimentício, uma vez que poderiam reproduzir receitas com a exatidão de um chefe de cozinha altamente especializado, bem como diante da possibilidade anunciada pela Agência Aeroespacial Nacional Americana (NASA) de enviar exemplares ao espaço para impressão de comida.
A possibilidade de produção de alimentos a partir da impressão 3D se concretiza com o desenvolvimento do Alt-Steak, espécie de bife vegano a base de plantas, desenvolvido por uma startup Israelense. O produto tem um impacto ambiental 95% menor do que a produção de carne bovina e processo, são utilizadas impressoras 3D de alimentos em escala industrial, que ao imprimir os materiais à base de plantas criam “bifes sustentáveis, ricos em proteínas e sem colesterol e deve ser comercializado em 2021.
Por fim, insta salientar a extrema utilidade e fundamental papel das impressoras 3D no atual cenário pandêmico, uma vez que as impressões tem auxiliado na contenção da escassez de equipamentos médico, mediante a impressão de EPIs como máscaras impressas em 3D, óculos, protetores faciais e outros equipamentos que visam proteger os profissionais que atuam na linha de frente contra o novo coronavírus, bem como a impressão de válvulas para equipamento de oxigênio, visando salvar a vida dos pacientes infectados, como ocorrido na Itália.