Entendendo as impressoras 3D

No início, os computadores eram extremamente limitados em termos de memória e poder de processamento, e eram capazes de trabalhar apenas com texto. As primeiras impressoras, chamadas de daisy wheel, ou impressoras de margarida, refletiam bem as limitações da época, usando uma roda de caracteres moldados para imprimirem documentos de texto usando uma fonte fixa:

Eventualmente, essas impressoras antiquadas deram lugar às impressoras matriciais (capazes de imprimir diferentes tipos de fontes e também gráficos), impressoras jato de tinta, impressoras laser e plotters, que permitem imprimir em grandes dimensões. Entretanto, todas estas impressoras possuem uma limitação em comum: são capazes de imprimir apenas em duas dimensões, sobre papel, pano ou lona.

Hoje em dia, gráficos 2D estão saindo de moda, já que quase todos os jogos, sem falar de muitas interfaces e aplicativos estão utilizando gráficos 3D, baseados em polígonos e texturas. Modelos 3D podem ser manipulados livremente, observados de diversos ângulos e sob diferentes tipos de luz e efeitos, assim como objetos reais. Entretanto, transportar estes objetos para o mundo real está muito além das capacidades de impressoras convencionais, que podem no máximo imprimir uma imagem renderizada, como a mostrada no monitor. Entram em cena então as impressoras 3D, capazes de produzir objetos tridimensionais utilizando plástico, resina ou até mesmo metal derretido:

O princípio de funcionamento desta nova classe de impressoras não é de todo diferente das velhas impressoras jato de tinta: elas também são baseadas em uma cabeça de impressão móvel que espirra pequenas doses de material sobre a superfície de impressão. As duas grandes diferenças é que a cabeça de impressão se move sobre três eixos (X, Y e Z) e ela deposita o material em camadas muito finas, permitindo criar objetos 3D completos de baixo para cima, depositando sucessivas camadas de plástico, metal ou resina uma sobre a outra até obter o objeto completo, como no caso desta flauta funcional, projetada e impressa por Amit Zoran do MIT:

A dureza e resistência do material dependem unicamente do composto usado. As impressoras podem ser usadas para criar desde brinquedos e outros objetos baratos, até instrumentos musicais, peças de máquinas, ossos para transplante (assim que alguém descobrir algum composto que não seja rejeitado pelo organismo) ou até mesmo bicicletas, como no caso da AirBike, que foi impressa usando um composto de Nylon, que segundo o criador oferece uma resistência similar à do alumínio:

Por enquanto, não existe nenhuma tecnologia que permita produzir o espectro completo de cores a partir da mistura de cores primárias como no caso das impressoras jato de tinta, por isso as impressoras precisam utilizar uma cabeça de impressão separada para cada cor que for ser utilizada simultaneamente. Modelos domésticos tipicamente permitem imprimir usando uma ou duas cores, mas algumas replicadoras industriais chegam a trabalhar com 9 cores simultâneas ou mais. Naturalmente, nada impede que o modelo seja dividido em diferentes peças, impressas em diferentes cores e depois montado, ou que você simplesmente pinte as peças depois de impressas. Mesmo em uma impressora de apenas uma cor é geralmente possível imprimir diferentes objetos em diferentes cores variando o material de impressão.

Na verdade, replicadores ou impressoras 3D não são algo relativamente novo, já que são usadas no meio industrial para produzir protótipos e realizar produção em pequena escala há quase 30 anos. Entretanto, replicadores industriais são muito caros, custando em geral a partir de US$ 30.000, sem falar no custo dos insumos e manutenção. O que vem mudando é que junto com replicadores industriais mais avançados estamos vendo o surgimento de impressoras 3D mais baratas, destinadas ao mercado doméstico.

Uma das impressoras comerciais mais baratas é o The Replicator, que custa apenas US$ 1099 na forma de kit. Ele é capaz de produzir objetos do tamanho de um pão de forma usando uma ou duas cores, como no caso do globo da foto:

Outro projeto interessante é o RepRap, uma impressora 3D open-souce, cujo projeto está disponível livremente (podendo ser inclusive modificado ou aperfeiçoado) e pode ser montado com a partir de US$ 400 em peças, de acordo com o modelo desejado.

Uma característica interessante do projeto é que a impressora é parcialmente auto-replicante, capaz de imprimir grande parte de seus próprios componentes, que combinados com circuitos, motores, tubos, porcas, parafusos e alguns outros componentes que podem ser comprados no mercado, permitem montar outras impressoras, que por sua vez podem ser usadas para imprimir peças para montar uma terceira geração e assim por diante.

Ela utiliza um filamento plástico como material de partida, e imprime depositando sucessivas camadas de plástico derretido na forma de pequenos pontos até obter o objeto completo. Não é um processo particularmente rápido (o modelo básico é capaz de imprimir cerca de 19 cm³ por hora), mas o material final é moderadamente resistente e a matéria prima é barata, diferente do mundo das impressoras jato de tinta, onde a tinta dos cartuchos custa mais caro que muitos metais preciosos.

Um dos objetivos dos desenvolvedores é que cada nova versão do projeto seja capaz de imprimir um percentual maior de suas próprias peças, chegando ao ponto em que a impressora seja capaz de trabalhar também com materiais condutivos, permitindo que ela produza placas de circuito. Naturalmente, não é razoável imaginar que impressoras assim sejam capazes de produzir microchips e outros componentes eletrônicos complexos em qualquer futuro próximo (e caso eventualmente sejam, os chips comerciais já serão milhares de vezes mais avançados, mantendo o gap), mas a idéia de máquinas capazes de se replicarem é um ideal antigo da ficção científica, e que só é realmente possível em um projeto open-source, já que a ultima coisa que um fabricante iria querer produzir seria uma impressora que imprimisse cópias de si mesma.

Este vídeo mostra uma Huxley, um dos modelos do projeto RepRap em ação, imprimindo uma de suas próprias peças:

Não é preciso muita imaginação para visualizar como a popularização de versões mais avançadas destas impressoras poderão mudar o mundo à nossa volta, permitindo que objetos sejam baixados via Internet e impressos em casa, em vez de precisarem ser transportados de um extremo ao outro do planeta. Naturalmente, nunca será possível imprimir um iPad 2 ou um notebook, mas coisas como brinquedos, calçados e outras peças de roupa, pratos e talheres, utensílios ou peças de reposição em geral, estão perfeitamente dentro do escopo das nossas amigas.

O Piratebay já se adiantou, inaugurando uma seção para o download de objetos físicos na forma de objetos .STL, que podem ser impressos usando uma impressora 3D. Não é difícil imaginar que conforme elas se popularizem, esta se tornará uma nova fronteira dos downloads, incluindo não apenas músicas e vídeos, mas também objetos físicos escaneados, prontos para duplicação. Outro site com vários projetos é o http://www.thingiverse.com/

Do outro lado do muro temos as impressoras industriais, que são mais rápidas, mais avançadas, suportam maior variedade de cores simultâneas e são capazes de trabalhar com mais materiais, incluindo metal. Elas são tradicionalmente usadas para o desenvolvimento de protótipos, mas cada vez mais elas passam a ser usadas para a produção de produtos finais, iniciando uma nova era de produção por demanda. Outro ramo crescente para elas são os birôs de impressão 3D, que assim como as gráficas rápidas, permitem imprimir objetos em 3D sob demanda, usando impressoras com mais recursos do que as que você poderia ter em casa.

Em resumo, as tecnologias mais usadas nas impressoras 3D são:

Thermoplastic Deposition (Fused deposition modeling): Esta é a tecnologia mais simples e mais barata de produção, usada na RepRap e vários outros modelos destinados ao mercado doméstico. A alimentação é feita usando um fio plástico, que é derretido pela cabeça e depositado na forma de pontos. Alguns modelos industriais são capazes de trabalhar com fios metálicos, permitindo imprimir objetos em metal.

Inkjet: Esta é uma tecnologia similar à usada nas impressoras jato de tinta, que utiliza sucessivas camadas de resina e fixador para criar os objetos. Esta tecnologia é mais lenta e mais cara (já que a matéria prima é fornecida na forma de cartuchos, abrindo as portas para exploração por parte dos fabricantes), mas oferece uma vantagem importante, que é a possibilidade de imprimir em cores. Elas ainda não é muito utilizada, mas pode se tornar mais popular entre as impressoras domésticas no futuro.

Selective laser sintering: Esta é uma técnica industrial que permite criar objetos a partir de vários materias, como cerâmica, vidro ou metal, fornecidos na forma de pó. As camadas são moldadas com a ajuda de um laser bastante potente, que derrete o material, que é sucessivamente depositado camada a camada.

DLP: Esta técnica tira proveito da tecnologia DLP usada em projetores, usando luz para solidificar um polímero depositado camada a camada. Esta técnica permite obter níveis muito bons de detalhes e produzir peças bastante fortes mecanicamente. É mais uma técnica utilizada em impressoras industriais, mas que tende a cair de preço e eventualmente se tornar mais comuns nas impressoras domésticas.