O fabrico de filamento fundido (FFF), também conhecido como modelação por deposição fundida (com o acrónimo de marca registada FDM), é um processo de impressão 3D que utiliza o filamento contínuo de um material termoplástico. Hamzah, Hairul Hisham; Saiful, Arifin Shafiee; Aya, Abdalla; Patel, Bhavik Anil (2018). "3D printable conductive materials for the fabrication of electrochemical sensors: A mini review". Electrochemistry Communications. 96: 27–371. doi:10.1016/j.elecom.2018.09.006. S2CID 105586826. O filamento é alimentado a partir de uma bobina e forçado a passar pela cabeça de extrusão móvel e aquecida, sendo depositado camada a camada na mesa de impressão. A cabeça de impressão é movida sob controlo computadorizado para determinar a forma a ser impressa. Geralmente, move-se em duas dimensões, depositando horizontalmente uma camada de cada vez, subindo verticalmente em pequenos incrementos para iniciar uma nova camada. A velocidade da cabeça de extrusão pode ser controlada para interromper e retomar a deposição, permitindo a formação de um plano descontínuo sem fios ou gotejamentos entre as seções. O termo "fabrico de filamento fundido" foi criado pelos membros do projeto RepRap para dar o acrónimo FFF, para que a sua utilização não tivesse restrições legais Jones, R.; Haufe, P.; Sells, E.; Iravani, P.; Olliver, V.; Palmer, C.; Bowyer, A. (2011). "Reprap-- the replicating rapid prototyper". Robotica. 29 (1): 177–191. doi:10.1017/S026357471000069X.. Este processo é, atualmente, mais popular (por número de máquinas) para a impressão 3D para amadores "A Comprehensive List of All 3D Printing Technologies". MANUFACTUR3D. 2018-11-05. Retrieved 2018-11-06.. Outras técnicas, como a fotopolimerização e a sinterização de pós, podem oferecer melhores resultados, no entanto, são significativamente mais dispendiosas.

A cabeça de extrusão da impressora 3D é o componente responsável por fundir ou aquecer a matéria-prima para a formação de um perfil contínuo. Os materiais compatíveis com esta tecnologia incluem termoplásticos como o acrilonitrila butadieno estireno (ABS),Bin Hamzah, Hairul Hisham; Keattch, Oliver; Covill, Derek; Patel, Bhavik Anil (2018). "The effects of printing orientation on the electrochemical behaviour of 3D printed acrylonitrile butadiene styrene (ABS)/carbon black electrodes". Scientific Reports. 8 (1): 9135. Bibcode:2018NatSR...8.9135B. doi:10.1038/s41598-018-27188-5. PMC 6002470. PMID 29904165. ácido polilático (PLA), politereftalato de polietileno glicol (PETG), politereftalato de etileno (PET), poliestireno de alto impacto (HIPS), poliuretano termoplástico (TPU) e poliamidas alifáticas (nylon) "Category:Thermoplastics". RepRap Wiki. Retrieved 2 November 2014..

História

Esta tecnologia foi desenvolvida por S. Scott Crump, cofundador da Stratasys, em 1988."FDM(Fused Deposition Modeling)". rpworld.net. Archived from the original on August 12, 2013. Retrieved December 27, 2017. Chua, Chee Kai; Leong, Kah Fai; Lim, Chu Sing (2003). Rapid Prototyping: Principles and Applications. Singapore: World Scientific. p. 124. ISBN 9789812381170. Após a expiração da sua patente em 2009,"Patent#:US005121329". United States Patent and Trademark Office. passou-se a poder utilizar este tipo de impressão sem pagar à Stratasys pelo direito de o fazer, trazendo novas oportunidades de aplicação. Isto levou à queda de preço significativa desta tecnologia. Rundle, Guy (2014). A Revolution in the Making. South Melbourne, VIC: Affirm Press. ISBN 9781922213303. Apesar disto, a Stratasys ainda possui a marca registada (trademark) do termo "FDM". Stratasys. "Stratasys Legal Information". stratasys.com. Retrieved 2016-07-20.United States Patent and Trademark Office. "Trademark Status Document Retrieval (TSDR): Registration Number 4325106". uspto.gov. Retrieved 2017-08-20.

Processo Impressão 3D, ou fabrico aditivo (FA), envolve o fabrico de uma peça através da deposição de material camada a camada Gibson, I; Rosen, D W; Stucker, B (2010). Additive Manufacturing Technologies: Rapid Prototyping to Direct Digital Manufacturing. Boston, MA: Springer. ISBN 9781441911193.. Existe uma vasta gama de diferentes tecnologias de FA que o podem fazer, incluindo a extrusão de material (material extrusion), a projeção de ligante (binder jetting), a projeção de material (material jetting) e a deposição de material sob energia dirigida (Directed Energy Deposition ou DED) Conner, Brett P.; Manogharan, Guha P.; Martof, Ashley N.; Rodomsky, Lauren M.; Rodomsky, Caitlyn M.; Jordan, Dakesha C.; Limperos, James W. (2014). "Making sense of 3-D printing: Creating a map of additive manufacturing products and services". Addit Manuf. 1–4: 64–76. doi:10.1016/j.addma.2014.08.005.. Estes processos têm vários tipos de extrusoras e são altamente compatíveis com vários materiais.

Extrusão de Material (Material Extrusion)

O fabrico de filamento fundido utiliza a extrusão de material para imprimir produtos tridimensionais. Na maioria das máquinas direcionadas a esta tecnologia o material de alimentação vem sob a forma de filamento, enrolado numa bobina. O liquefator da impressora 3D é o componente maioritariamente utilizado neste tipo de impressão. As suas extrusoras possuem uma extremidade fria e uma extremidade quente. A extremidade fria puxa o material da bobina através de um binário baseado em engrenagens, utilizando um motor de passo para controlar a taxa de alimentação, levando a matéria-prima até à extremidade quente. Esta, por sua vez, é constituída por uma câmara de aquecimento e um nozzle. A câmara de aquecimento aloja o liquefator que derrete a matéria-prima. Isto permite que o material saia do nozzle para formar um cordão de plástico fino e pegajoso, facilitando a sua aderência ao material sobre o qual está a ser depositado. O nozzle tem normalmente um diâmetro entre 0,3 mm e 1 mm e são utilizados diferentes tipos de nozzles e métodos de aquecimento, consoante o material a imprimir "FDM Extruders". RepRap wiki. Retrieved 24 October 2014.. O nozzle mais utilizado é o V6, popularizado pela E3D, e o MK8. A substituição deste componente Ciprian. "How To Change The 3D Printer Nozzle?". 3D Print Beginner. Retrieved 2020-05-24. deve ser efetuada enquanto está quente, para evitar fugas de plástico.

Variantes do processo Extrusão a quente de varetas (Hot extrusion of rods) - A matéria-prima tem a forma de uma vareta. Por ser mais espessa que o filamento convencional, pode ser empurrada em direção à extremidade quente por meio de um pistão ou de rolos, aplicando uma força e/ou velocidade superiores às do FFF convencional Bose, Animesh; Schuh, Christopher A.; Tobia, Jay C.; Tuncer, Nihan; Mykulowycz, Nicholas M.; Preston, Aaron; Barbati, Alexander C.; Kernan, Brian; Gibson, Michael A. (2018-06-01). "Traditional and additive manufacturing of a new Tungsten heavy alloy alternative". International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 73: 22–28. doi:10.1016/j.ijrmhm.2018.01.019. ISSN 0263-4368. S2CID 139180552.. Extrusão a frio de pasta (Cold extrusion of slurries) - Wang, Jiwen; Shaw, Leon L.; Cameron, Thomas B. (2006). "Solid Freeform Fabrication of Permanent Dental Restorations via Slurry Micro-Extrusion". Journal of the American Ceramic Society. 89 (1): 346–349. doi:10.1111/j.1551-2916.2005.00672.x. ISSN 1551-2916. A matéria-prima apresenta-se sob a forma de uma pasta ou argila – uma mistura de sólidos mais densos suspensos em líquido, que é seca após a deposição. Neste caso, o material é geralmente empurrado para o nozzle não aquecido por ação de um pistão. Estes tipos de materiais pastosos, como a cerâmica e o chocolate, podem ser extrudidos utilizando uma extrusora de pasta especializada "Universal Paste extruder – Ceramic, Food and Real Chocolate 3D Printing". Richrap.blogspot.com. 2012-04-06. Retrieved 2 November 2014.. Extrusão a quente de pellets (Hot extrusion of pellets) - A matéria-prima apresenta-se sob a forma de pellets, ou seja, pequenos grânulos de material termoplástico Volpato, N.; Kretschek, D.; Foggiatto, J. A.; Gomez da Silva Cruz, C. M. (2015-12-01). "Experimental analysis of an extrusion system for additive manufacturing based on polymer pellets". The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 81 (9): 1519–1531. doi:10.1007/s00170-015-7300-2. ISSN 1433-3015. S2CID 110866375. ou misturas de aglutinante termoplástico com aditivos em pó Rane, Kedarnath; Di Landro, Luca; Strano, Matteo (2019-01-06). "Processability of SS316L powder - binder mixtures for vertical extrusion and deposition on table tests". Powder Technology. 345: 553–562. doi:10.1016/j.powtec.2019.01.010. hdl:11311/1074304. ISSN 0032-5910. S2CID 104453792.. O material é empurrado para o nozzle por ação de um pistão ou de um parafuso rotativo, contido num cilindro de extrusão. Neste caso, tanto o cilindro de extrusão como o nozzle são aquecidos.

Impressão

O FFF começa com um processo de software que processa um ficheiro STL, orientando o modelo para o processo de construção e criando matematicamente o slicing de acordo com os parâmetros do processamento selecionados. Caso seja necessário, podem ser geradas estruturas de suporte "Xomerty Design Guide: Fused Deposition Modeling" (PDF). Hubspot.net. Xometry. Retrieved December 12, 2018.. O nozzle pode ser deslocado nas direções horizontal e vertical e está montado numa plataforma mecânica, que por sua vez se move no plano xy.

À medida que o nozzle se desloca sobre a mesa de impressão, deposita uma gota fina de plástico extrudido, designada de "road", que solidifica rapidamente em contacto com o substrato e/ou as roads depositadas anteriormente Bellini, Anna; Güçeri, Selçuk; Bertoldi, Maurizio (2014). "Liquefier Dynamics in Fused Deposition". Journal of Manufacturing Science and Engineering. 126 (2): 237. doi:10.1115/1.1688377.. As camadas sólidas são geradas seguindo um movimento de rasterização em que as roads são depositadas lado a lado dentro de um limite definido. Normalmente, são utilizados motores de passo ou servomotores para mover a cabeça de extrusão. O mecanismo utilizado é frequentemente um desenho retilíneo X-Y-Z, embora tenham sido utilizados outros desenhos mecânicos, como o deltabot. Após a conclusão de uma camada, a mesa de impressão baixa na direção z para iniciar a camada seguinte, repetindo este processo até que o objeto esteja completo. Para uma ligação bem-sucedida das “roads”, é necessário controlar termicamente o material depositado. Para isto, o sistema pode ser mantido dentro de uma câmara a uma temperatura inferior ao ponto de fusão do material usado. Embora o FFF exiba uma grande flexibilidade, permitindo a existência de saliências através do suporte das camadas inferiores, esta tecnologia apresenta geralmente algumas limitações quando se trata do ângulo dessas saliências. Para além disto, não consegue produzir estalactites sem algum tipo de suporte adicional. Existe uma miríade de materiais disponíveis, como o Acrilonitrila Butadieno Estireno (ABS), o Ácido Polilático (PLA), o Policarbonato (PC), a Poliamida (PA), o Poliestireno (PS), a lignina, a borracha, entre muitos outros, com diferentes compromissos entre as propriedades de resistência e temperatura. Além disso, até a cor de um determinado material termoplástico pode afetar a resistência do objeto impresso Wittbrodt, Ben; Pearce, Joshua M. (2015-10-01). "The effects of PLA color on material properties of 3-D printed components". Additive Manufacturing. 8: 110–116. doi:10.1016/j.addma.2015.09.006.. Recentemente, uma empresa alemã demonstrou, pela primeira vez, a possibilidade técnica de processar PEEK granulado em forma de filamento e imprimir peças em 3D utilizando a tecnologia FFF "PEEK being 3D-printed". 3dprint.com. March 21, 2015. Retrieved March 26, 2015.. Durante o FFF, o polímero fundido quente é exposto ao ar.