Como funcionam as impressoras 3D

Nos últimos dois anos, vimos uma grande variedade de impressoras 3D como o Lulzbot Mini sendo disponibilizado para os consumidores. O mais surpreendente é que, na realidade, a maioria das impressoras 3D de consumo são feras surpreendentemente simples e não há tanto quanto você poderia imaginar.

Na verdade, uma impressora 3D básica não é muito mais do que um robô estacionário glorificado com um cérebro feito de tecnologia de microcontrolador de 8 bits de baixo custo que existe há cerca de 20 anos.

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Os cérebros do Arduino

Em 2005, muito antes de Raspberry Pi, dois professores de engenharia italianos tiveram a idéia de criar uma pequena placa de computador que fosse barata e fácil de usar, permitindo que qualquer pessoa pudesse acoplar a computação digital com componentes do mundo real como motores, sensores e luzes. e interruptores. Chama-se 'Arduino', tomou o mundo pela tempestade e é baseado em uma tecnologia de microcontrolador criada em 1997.

Você sem dúvida sabe sobre 'microprocessadores' que alimentam seu PC, telefone ou tablet - mas um microcontrolador é diferente. Enquanto um microprocessador precisa de uma montanha de componentes extras para lidar com memória e armazenamento e falar com o mundo externo, os microcontroladores têm pequenas quantidades de tudo o que é construído diretamente no chip..

Além disso, usando uma tecnologia inteligente chamada "conversão analógico-digital", eles também podem ouvir o mundo externo. Eles são usados ​​em uma infinidade de aplicativos de função única ou "incorporados", incluindo drones, como vimos no mês passado.

A grande maioria das impressoras 3D de nível de consumidor tem um microcontrolador Arduino Mega-classe no seu coração e você encontrará clones do Arduino Mega board no eBay que são relativamente baratos.

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Hot-end

A extremidade pontiaguda de uma impressora 3D é, na verdade, a "extremidade quente" ou extrusora e combina um acionamento motorizado para empurrar o filamento a uma taxa configurável pelo usuário, com um elemento de aquecimento transformando o filamento de plástico em uma gosma derretida e macia no bocal.

Normalmente feito de latão, o final quente tem um pequeno reservatório onde o filamento é aquecido através de um minúsculo aquecedor (um componente eletrônico chamado de 'resistor') até 250 ℃ (482 ℉)..

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Motores de passo

Mas a chave para a impressão 3D é manobrar o bocal de filamento quente para o local certo no momento certo, entregando o filamento de plástico fundido para construir o objeto 3D uma camada de cada vez..

O trabalho de fazer as manobras cai para um tipo especial de motor chamado de 'motor de passo'. Motores comuns são aparelhos bem simples - você aplica uma voltagem elétrica em seus terminais e eles giram.

Com alguns, você pode trocar os fios (chamado de "inverter a polaridade") e o motor gira na direção oposta. Os motores de passo, no entanto, são completamente diferentes - usando múltiplos eletroímãs, um motor de passo permite a rotação em passos de precisão, com precisão de 200 passos por revolução..

Os tipos mais comuns utilizados na indústria são conhecidos como motores NEMA (National Electrical Manufacturers Association), que padronizaram as dimensões físicas, tornando-os mais fáceis de trabalhar.

Para fazer uma impressora 3D, você precisa de pelo menos quatro motores de passo - um para cada um dos três eixos de movimento, mais um para controlar o fluxo de filamento. No entanto, a maioria dos projetos usará cinco, com dois para o eixo vertical ou 'Z'.

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RAMPAS

O problema com a placa Arduino Mega, no entanto, é que ela não tem força elétrica para conduzir um motor de passo NEMA-17 sozinho, então é comumente usada com uma série de chips de driver de motor de passo que fornecem força suficiente para alimentar o motor. motores.

A comunidade de impressão 3D criou uma placa adicional especial ou 'escudo' para o Arduino Mega que incorpora esses chips de drivers chamados RAMPS (RepRap Arduino Mega Pololu Shield). Trata-se de uma placa de alimentação de impressora 3D para fins gerais projetada para lidar com uma ampla gama de projetos de impressoras 3D..

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Firmware

Impressoras 3D de consumo conectam-se a um PC (ou telefone, até mesmo) via USB, então, essencialmente, elas são apenas um dispositivo periférico USB.

Mas para que esta coleção de bits de hardware faça qualquer coisa, o microcontrolador Arduino Mega precisa ser carregado com firmware que transforma as instruções de impressão do PC em movimento real e fluxo de filamento dos outros componentes da impressora. Marlin é um dos firmwares mais populares e pode ser carregado em um Arduino Mega sem muito barulho.

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Programas

No lado do PC, você precisa de um software para transformar projetos 3D em objetos físicos. Software como o Repetier-Host pega arquivos de estereolitografia (STL) que você baixa do Thingiverse, divide-os em linhas e alimenta cada linha, por sua vez, na placa Arduino Mega dentro da impressora 3D..

O Repetier-Host é gratuito e está disponível para Windows, Mac OS X e Linux. Você também pode imprimir diretamente do seu smartphone com o GCodePrintr no Google Play.

Outras alternativas incluem o novo MatterControl Host, novamente para Windows, Mac OSX e Linux e Ultimaker's Cura.

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Inovações na impressão 3D

Não é de surpreender que os governos estejam olhando para os gostos da robótica e da impressão 3D como impulsionadores econômicos futuros - para usar uma frase bem banal, eles são "tecnologias disruptivas", tecnologias que estão mudando a maneira como fazemos as coisas..

Ainda assim, seria justo dizer que a impressão 3D não pegou exatamente a pessoa média o suficiente para comprar uma. Mas, nos últimos meses, a impressão 3D deu alguns saltos surpreendentes em tudo, da aeronáutica à saúde, incluindo alguns impressionantes vitórias caseiras..

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Motor a jato impresso em 3D

Os países estão se tornando cada vez mais interessados ​​nas tecnologias usadas para impressão 3D. Por exemplo, no final de março deste ano, a Austrália se anunciou como um centro de inovação em impressão 3D quando a Monash University, em combinação com a CSIRO e a Deakin University, inaugurou o primeiro motor a jato impresso em 3D no Avalon International Airshow..

A equipe, liderada pela professora da Universidade Monash, Xinhua Wu, recebeu um motor de turbina a gás, usado como fonte de energia auxiliar no avião 'Falcon 20' da fabricante francesa de equipamentos aeroespaciais Microturbo..

A equipe da Monash separou o motor, digitalizou cada componente em 3D e, usando os truques mais recentes em sua mochila, imprimiu silenciosamente mais duas. Desde então, a Monash desmembrou uma nova empresa, a Amaero Engineering, para comercializar a tecnologia e dar às empresas locais a chance de se beneficiarem..

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Substituição óssea

Mas a impressão de motores a jato não é a única coisa que a Austrália parece ser muito boa. Para não ficar para trás, a Faculdade de Engenharia da Universidade de Sydney começou a testar implantes ósseos impressos em 3D em pacientes com traumatismo craniano grave - com considerável sucesso.

A nova técnica, chamada 'cranioplastia rápida de modelos', foi desenvolvida em conjunto com neurocirurgiões no Liverpool Hospital em New South Wales. Ele usa as radiografias prévias de um paciente para criar um implante esterilizado, perfeito para o paciente, impresso a partir de um cimento ósseo à base de polímero..

Os benefícios para os pacientes e cirurgiões são que não é apenas mais barato, é mais forte, rápido de fazer e mais seguro para os pacientes do que os métodos anteriores..

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Impressão 3D super rápida

Uma das razões prováveis ​​para a aparente falta de interesse do consumidor na impressão 3D tem sido a lenta velocidade de impressão da tecnologia FDM (modelagem de deposição fundida) do consumidor. No entanto, nos últimos meses, houve um avanço na impressão 3D de estereolitografia (SLA).

Carbon3D, com sede na Califórnia, desenvolveu uma nova tecnologia chamada CLIP (continuous liquid interface production - produção contínua de interfaces líquidas) que afirma oferecer velocidades de impressão entre 25 e 100 vezes mais rápidas do que a tecnologia SLA atual..

A estereolitografia usa luz ultravioleta (UV) para curar resinas baseadas em polímero em objetos 3D, mas enquanto um objeto específico usando tecnologia SLA tradicional pode levar quase 12 horas para imprimir, o mesmo trabalho pode ser feito com CLIP em menos de sete minutos, melhoria surpreendente.

E a Carbon3D está falando sobre impressão com qualidade comercial a essa velocidade, o que provavelmente abrirá uma série de novas oportunidades em protótipos e indústrias de pequeno porte..

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Imprimir circuitos elétricos

Um dos grandes objetivos da tecnologia de amanhã é a capacidade de eliminar placas de circuito eletrônico comparativamente caras e restritivas e circuitos elétricos de impressão direta usando técnicas de impressão 3D. Anteriormente, a condutividade do filamento era de 10.000 ohms por centímetro, muito baixa para muito mais do que outros sensores de baixa potência.

Hoje, a Funcionalidade de start-up dos EUA uniu forças com a fabricante de filamentos ProtoParadigm para criar um novo filamento chamado 'F-Electric' com uma condutividade muito melhorada de 0,47 ohms por centímetro.

Ainda assim, com placas de circuito que utilizam cobre quase puro com uma condutividade de 0,00001ohms por centímetro, o filamento condutor ainda tem um bom caminho a percorrer até chegar a esses números. Mas as melhorias feitas apenas nos últimos meses sugerem que ainda não chegamos ao fim.

A US $ 142 por cerca de meio quilo, a F-Electric não é exatamente barata, mas com uma condutividade bastante razoável, existe o potencial para inúmeras aplicações, especialmente quando a velocidade de impressão aumenta. O inventor do projeto de impressora 3D de código aberto RepRap, Adrian Bowyer, planeja usar o material para imprimir totalmente em 3D um robô estilo Arduino, circuitos e todos.

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Impressoras 3D de orçamento

Enquanto isso, ondas de impressoras 3D de consumo continuam chegando. Você provavelmente está se perguntando 'por que eu preciso de uma impressora 3D', mas você pode estar usando um em estudo, trabalho ou apenas o destinatário da saída de um, através de próteses médicas ou viajando ao redor do mundo..

Um dos mais recentes modelos de consumo, que deve chegar a setembro deste ano, é a série Genesis, da X3D Machines. Começando a vida como quase todas as impressoras 3D parecem - no Kickstarter - os primeiros pássaros poderiam pegar o estiloso single-head Genesis Uno por US $ 199 mais frete. Com um volume decente de 9 x 9 x 12 polegadas, painel LCD e chassi de alumínio, o Genesis Uno parece que pode limpar o chão com algumas impressoras pós-mil dólares disponíveis no momento.

E não é nem mesmo o mais barato - o novo Tiko é outro ex-aluno do Kickstarter, apresentando o popular projeto tri-carruagem 'delta' e um preço de US $ 179 por penhor. Com um quadro unibody e design fechado, Tiko irá lidar com uma ampla gama de filamentos, incluindo PLA, ABS e Nylon. Agora tem mais de US $ 1,2 milhão em apoio no momento de escrever.

Depois, há o Flux, que recebeu mais de US $ 1,6 milhão em suporte do Kickstarter e combina uma impressora 3D estilo delta com um scanner 3D integrado e gravação a laser. As primeiras aves pegaram por apenas US $ 599 mais frete.

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Transformando uma impressora 2D em 3D?

Mas uma ideia que só pode chamar a atenção é o Printder, que afirma transformar uma impressora comum de menos de US $ 100 em uma impressora 3D..

Como qualquer impressora 2D, ela funciona com tinta e papel, mas a forma como cria objetos 3D parece bastante inteligente. De acordo com o site, cada folha do papel especializado torna-se uma camada 3D, com a tinta impressa atuando como uma cola. Depois de imprimir todas as camadas da página que compõem o seu objeto, você pega a bandeja de papel de saída e bate no forno por 15 minutos para permitir que a tinta combine as páginas (não há cheiro, dizem eles). Depois de deixar esfriar, você enterra a coisa toda na água, o excesso de papel se dissolve e você fica com o objeto 3D.

Com uma impressora jato de tinta A4, você terá uma área de tamanho A4 (30 x 21 centimetros) até uma 'altura' de seis polegadas (15 centimetros)..

Parece engenhosamente simples, mas ainda há muitas incógnitas no momento em que escrevo - como as impressoras com as quais ele trabalhará, o custo da tinta e o custo do papel especial de dunk-and-disappear. Também estamos nos perguntando como o ciclo de tarefas da maioria das impressoras de orçamento lidará com a carga de trabalho. Ainda assim, estamos intrigados com este, então vamos ficar de olho nele.

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