O Fabrico Aditivo na Indústria Cerâmica – Atualidade e Inovação

Por Hélio Jorge, coordenador técnico de projetos de I&D do CTCV e Victor Francisco, coordenador da unidade de Inovação e Desenvolvimento e gestor de projetos do CTCV.

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O potencial do FA no setor cerâmico

As tecnologias de Fabrico Aditivo (FA) têm hoje uma aplicação larga em diversas indústrias e são aceites pelo mercado como a via para a prototipagem rápida e produção. Têm motivado uma crescente utilização de outras tecnologias digitais, da modelação 3D à digitalização 3D (ou engenharia inversa), como suporte ao desenvolvimento de produto e à prototipagem. O elevado estado de maturidade das tecnologias da produção rápida de protótipos catapultou o fabrico aditivo como uma potencial ferramenta de fabrico de produtos.

Assim, estas tecnologias têm criado oportunidades para a promoção de alterações nos processos de desenvolvimento e produção. As aplicações são de espetro largo na indústria, e usufruem de diversas vantagens, tais como a redução significativa dos ciclos de desenvolvimento de produto (da fase de conceção ao protótipo) ou o fabrico de protótipos funcionais (no material final do produto) e de pequenas séries de produtos em curto espaço de tempo e com um custo aceitável. A utilização destas técnicas torna possível o fabrico de artefactos com geometrias complexas que não são possíveis de obter através das técnicas convencionais de produção de produtos cerâmicos. A reprodutibilidade e o controlo computorizado das características geométricas destes produtos fazem com que as técnicas de fabrico aditivo apresentem inúmeras vantagens para a indústria cerâmica e justifiquem o seu grande potencial no fabrico de aplicações que respondam às necessidades de segmentos de mercado específicos.

Este processo começa atualmente a ser utilizado no fabrico de peças, em pequenas séries. A elevada flexibilidade ao nível da utilização de materiais permite encontrar produtos em campos tão diversos como protótipos, produtos personalizados, peças de decoração, pequenas séries, aplicações biomédicas, entre outras.

Presente e futuro

Tecnicamente, as tecnologias de fabrico aditivo têm em comum o facto de uma peça ou produto (ou um modelo tridimensional) ser criado pela formação de sucessivas camadas de material a partir de um modelo 3D digital. Na indústria cerâmica, podemos dividir estas tecnologias em função da sua aplicação que, por sua vez, está relacionada com o tipo de material usado para imprimir e, consequentemente, o material da peça.

Por um lado, a aplicação da produção de modelos e protótipos de peças cerâmicas, em que usam materiais não cerâmicos (sobretudo plásticos) para a obtenção de protótipos não funcionais para avaliação da forma e da estética do design ou para a produção de modelos ou madres para serem usados no arranque do processo de produção de um novo produto. Por outro lado, o fabrico aditivo pode ser usado para o fabrico de peças e produtos em material cerâmico, quer materiais tradicionais, usados em produtos como a louça decorativa e utilitária, quer materiais técnicos, usados para aplicações de alto desempenho como em sistema ou máquinas industriais, implantes médicos ou em joalharia de luxo.

Estes dois grupos de aplicação do fabrico aditivo na indústria cerâmica apresentam-se “a dois ritmos” distintos. O primeiro, com tecnologias disponíveis completamente maduras, onde a utilização só depende da procura, ou seja, da capacidade de inovação das empresas e das equipas de criação de produto, criando a necessidade do seu uso. O segundo, com tecnologias disponíveis, mas em fase final de desenvolvimento e de validação em primeiros segmentos de mercado, onde as tecnologias e as aplicações ainda estão em fase de matching. As dificuldades técnicas e o valor alto de investimento têm sido uma barreira, bem como o desenvolvimento de know-how para o seu uso eficaz.

Aplicação no desenvolvimento de produto

A modelação tridimensional (ou 3D) é o processo de desenvolvimento de uma representação matemática de qualquer superfície tridimensional de um objeto (seja inanimado ou vivo), através de software especializado; o produto é chamado de modelo tridimensional. A modelação 3D permite apoiar os designers cerâmicos a tirar as ideias do papel, criando um modelo em computador que possa ser impresso posteriormente ou utilizado para outros fins. Cada modelo 3D pode ter o seu início em esboços, ilustrações bidimensionais, desenhos técnicos, fotografias ou outras referências.

A digitalização 3D é outro processo bastante útil aos gabinetes de desenvolvimento de produto cerâmico, que consiste num processo de transformação de um objeto do formato físico para digital, guardando todas as suas características de forma e textura, independentemente da sua complexidade e densidade, com alta precisão (submilimétrica), e que permite executar levantamentos tridimensionais traduzidos na realização de projetos de especial complexidade técnica. O processo é realizado através de scanners de alta densidade que capturam o objeto através da construção de uma nuvem de pontos ou malha triangular, exportando o ficheiro para diferentes formatos. Esta tecnologia veio revolucionar os métodos tradicionais de levantamento utilizados pelos modeladores cerâmicos, permitindo um aumento de precisão, detalhe e redução de erros e custos.

Conjugada com o fabrico aditivo, a aplicação no desenvolvimento de produto é uma das principais formas de utilização destas tecnologias, em particular no setor da cerâmica utilitária e sobretudo decorativa. A produção de protótipos não-funcionais por fabrico aditivo permite a criação de primeiros modelos, os quais podem ser usados como suporte à avaliação pelo cliente, permitindo depois a sua integração no processo produtivo através da criação dos respetivos moldes e madres.

Conjugada com o fabrico aditivo, a aplicação no desenvolvimento de produto é uma das principais formas de utilização destas tecnologias, em particular no setor da cerâmica utilitária e sobretudo decorativa. A produção de protótipos não-funcionais por fabrico aditivo permite a criação de primeiros modelos, os quais podem ser usados como suporte à avaliação pelo cliente, permitindo depois a sua integração no processo produtivo através da criação dos respetivos moldes e madres.

Aplicação no fabrico de novos produtos

Ao nível do fabrico de produto cerâmico, e só a nível internacional, existem várias aplicações em fase de validação na área dos cerâmicos avançados, onde as características técnicas são preponderantes. Nos cerâmicos tradicionais, as tecnologias de fabricação aditiva começam a ser adotadas por ateliers ou pequenas empresas, na produção de peças artísticas e decorativas (vasos, jarras, estatuetas, etc.), com muita enfâse em formas complexas e inovadoras 3D.

Não restam muitas dúvidas de que o desenvolvimento da fabricação aditiva em cerâmicos é uma realidade. Mas, tal como noutros materiais, as tecnologias disponíveis serão adotadas com diferentes variantes e especificações para diferentes tipos de produto. Nos cerâmicos avançados, os fabricantes de peças reconhecem, por exemplo, que demorou cerca de dez anos até a sua tecnologia de fabrico atingir a maturidade industrial. Embora os cerâmicos avançados estejam numa fase mais adiantada de validação industrial, os cerâmicos mais tradicionais podem beneficiar rapidamente destas tecnologias, quando usadas primeiramente em produtos de nicho.

No sector artístico e artesanal (ex.: vasos, jarras, estatuetas) a tecnologia de fabricação aditiva robocasting é já uma opção viável, tendo em conta a oferta tecnológica no mercado e a facilidade de adaptação à realidade do negócio. No setor médico (ex.: facetas ou implantes dentários ou implantes ortopédicos) (Figura 5) ou no setor de componentes industriais (ex.: peças de resistência ao desgaste mecânico ou químico ou refratários), as tecnologias de laser serão as mais utilizadas, dada a maior evolução tecnológica dos equipamentos ao nível de automatização e dos materiais, enquanto as tecnologias de pó e injeção de ligantes podem ter possibilidades de competir nos nichos de prostética, dada a porosidade dos materiais.

Conclusão

A utilização das tecnologias de fabricação aditiva nos processos da indústria cerâmica é hoje uma realidade e, sobretudo, uma oportunidade para esta indústria.

A elevada maturidade da digitalização, modelação e impressão 3D irá progressivamente fomentar a maior abrangência da adoção destas tecnologias pela indústria, contribuindo para a redução da duração dos ciclos de desenvolvimento de produto, para a criação de produtos inovadores e de maior complexidade, e também para promover um maior nível de interação com o cliente nas fases de desenvolvimento de produto.