O artigo demonstrando a construção e automação de uma impressora 3D capaz de imprimir peças através da modelagem de deposição por fusão.

1. APLICAÇÃO DA AUTOMAÇÃO EM UMA IMPRESSORA 3D
Jéferson Daronch1
RESUMO
O objetivo deste estudo é construir e automatizá-lo um equipamento que seja
capaz de imprimir peças em três dimensões e que possua diferenciais
comparados a outras impressoras existentes no mercado. Com o objetivo em
mente, propõe-se um estudo das principais funcionalidades de componentes
eletrônicos e mecânicos, uma forma correta de reutilização de materiais em sua
estrutura e a instalação de uma eletrônica compatível com os componentes
instalados no equipamento e de fácil alteração. Tendo esta análise detalhada
gera-se um equipamento com placa arduino, motores de passo, sensores e
painel display, com um controle total do equipamento sem a necessidade de
estar conectada fisicamente a um computador. Assim o equipamento teve a
capacidade de construir modelos em 3D em materiais poliméricos, de qualquer
complexidade e não limitado a dimensões.
Palavras-chave: Automação. Impressora 3D. Comando
1 INTRODUÇÃO
Na construção de protótipos industriais atualmente existe vários métodos, onde
estes métodos geralmente demandam muito tempo e são desperdiçados
materiais em sua fabricação, uma forma de melhorar é utilizar um equipamento
que constrói protótipos em uma única vez.
Este modelo físico geralmente deve apresentar um nível mínimo de
detalhamento para que possa ser inspecionado visualmente. É importante que
os níveis de detalhamentos finos esteja o mais perto do modelo real, isto torna
1
Graduado em Engenharia Mecânica, email: jeferson.daronch@gmail.com

2. 2
ajustável possíveis falha no produto, antes de sua programação de produção e
sequencialmente a produção em larga escala.
E desta forma, o estudo tem por objetivo a construção e a automatização de um
equipamento que atenda às necessidades de prototipagem, com alguns
diferencias para maximizar o aproveitamento dos sistemas de automação
instalados.
2 DESENVOLVIMENTO
2.1Impressora 3D
Na opinião de Takagaki (2012) a impressoras 3D é uma máquina que constrói
objetos em 3 dimensões a partir de uma base. Existem impressoras que, além
de produzir objetos de plástico, imprimem em metal, cerâmico, alimentos entre
outros. Todas se baseiam no princípio de executar fatiamento do modelo virtual
3D geralmente na horizontal. A cada fatia do objeto denomina-se de camada. A
construção do objeto é através da deposição de material camada a camada,
sobrepondo as diversas camadas umas sobre as outras.
Para Volpato (2006), existem diferentes tecnologias para usarem o mesmo
princípio de adição camada a camada. Baseado em líquidos, a matéria prima
encontra-se no estado líquido e na solidificação atua um laser ultravioleta.
Baseado em sólidos, o material utilizado encontra-se no estado sólido e podendo
estar na forma de filamentos, lâminas ou outros desejado, e o processo consiste
em fundir o material antes da deposição. Baseado em pó, a matéria prima é
utilizada na forma de pó e utilizado laser de alta potência no processamento.
Destacando um princípio de tecnologia de adição baseada em sólidos, Volpato
(2006) alega que a modelagem por fusão e deposição (FDM), constrói o protótipo
por deposição de um material extrudado, no qual a cabeça de extrusão possui
movimentos nos eixos X-Y e uma plataforma movimenta em eixo Z tendo sobre
ela uma mesa. A mesa recebe continuamente um material na forma de fio,

3. 3
oriundo do aquecimento do filamento, sendo tracionado por um sistema de
extrusão e chega a um bico calibrado.
Quando o material fino extrudado entra em contato com a superfície do material
da peça (já frio), ele se solidifica e adere à camada anterior, o que permite a
alteração da camada é o mecanismo elevador do eixo Z (mesa) desloca em
valores referente à espessura de camada a ser depositada até a peça estar
pronta, conforme figura 1. (VOLPATO, 2006)
Figura 1: Processo de impressão FDM
Fonte: BRAILLE (2007)
2.1.1 Aplicações
De acordo com Takagaki (2012) uma utilização da impressão 3D é na
prototipagem rápida, e com o desenvolvimento dos programas de desenho
assistidos por computador (CAD) permite reduzir erros de projetos, mas mesmo
assim, os verdadeiros problemas só surgirão ao se criar os protótipos reais.
Conforme Volpato (2013) é essencial no desenvolvimento de um produto a
elaboração de um protótipo, por possibilitar análise de forma e funcionalidade, o
que permite ajustes antes da construção do ferramental definitivo.
Historicamente o protótipo tem sido utilizado desde a antiguidade, porém vem
evoluindo dos métodos manuais virtuais e recentemente através da adição de
material.

4. 4
2.1.2 Tendência
No dizer de Monteiro (2017), em uma empresa dos Estados Unidos (EUA)
impressoras 3D totalmente funcional operadas por braço robótico, o sistema
permite substituir automaticamente a placa de construção quando a impressão
for concluída. Este modelo visa criar um sistema que possa realizar
autonomamente todo o processo de impressão 3D.
2.2 Eletrônica
2.2.1 Hardware
Como descrito por Oliveira (2006), com a implementação cada vez maior de
circuitos digitais, veio a necessidade de reduzir a eletrônica envolvida, aí surgiu
o circuito integrado, que aumenta exponencialmente a complexidade das
aplicações. Já os circuitos impressos foram desenvolvidos para unir
permanentemente os circuitos integrados aos diversos outros componentes de
um circuito eletrônico.
O circuito impresso pode ser fabricado de diversos tipos de materiais, e possui
em suas faces película de metal em que são desenhadas as trilhas condutoras,
na etapa de desenho das trilhas entra software que usam algoritmos de
minimização de rotas e sem o cruzamento de linhas. (OLIVEIRA, 2006)
Segundo Oliveira (2006) um circuito integrado (unidade de processamento)
fixado a um circuito impresso (placa) são considerados sistemas embarcados,
sistemas que tem a capacidade de processamento de informações vinda de um
software que está sendo processada internamente.
2.2.2 Firmware
Na visão de Oliveira (2006) o firmware não passa de um conjunto de regras que
rege o funcionamento do sistema, proporciona independência de arquitetura e
suas instruções operacionais são programadas diretamente no hardware. Pode

5. 5
ser escrito em diversas linguagens de programação, mas a forma como se
escreve a lógica é o algoritmo. Existe uma diversidade de linguagens de
programação, cada uma otimizada para determinada aplicação.
A linguagem pode ser dividida em baixo nível ou alto nível, dentro destas divisões
cita-se a linguagem C e sua evolução C++, bastante utilizada atualmente, devido
às suas características de escrever software e possuir uma série de
procedimentos prontos. (OLIVEIRA, 2006)
Oliveira (2006) afirma a diferenciação entre a escolha de aplicação entre as
linguagens, é por alguns dos fatores que são os hardwares serem compatíveis,
o que distingue o hardware a ser aplicado são os componentes que serão
comandados eletronicamente na impressora.
2.2.3 Software
Do ponto de vista de Pressman (1995, p.13), “o software é um elemento de
sistema lógico, e não físico. Portanto, o software tem características que são
consideravelmente diferentes das do hardware”. Os componentes de um
software são desenvolvidos por uma série de conversões (onde mapeiam as
exigências), para códigos executáveis em máquinas.
Utilizando uma linguagem de programação de vocabulário limitado, uma
gramática definida e regras de sintaxe geram-se os componentes de um
software. Eles também são atributos essenciais para a tradução por máquina.
Uma linguagem de programação é uma representação simbólica do conjunto de
instruções da unidade central de processamento (CPU). (PRESSMAN, 1995)
2.3 Mecânica
2.3.1 Estrutura
Como caracteriza Hasman e Rorner (2014 apud Ritter, 2014) a estrutura de uma
impressora é relativamente simples, geralmente de um material comum

6. 6
encontrado. O que utilizam-se em algumas delas, são as placas de madeiras ou
alumínio com partes cortadas a laser. Em outros projetos com um quadro mais
forte e leve utiliza-se tubos de alumínio extrudado.
2.3.2 Extrusor
O extrusor é a parte quente por onde passa o material, é um dos componentes
importantes para garantir a qualidade de impressão. Em sua extremidade possui
um hot-end (bloco aquecedor) geralmente de alumínio ou latão com um bico de
furo padrão com 0,4mm de diâmetro, conforme figura 2. (HASMAN & RORNER,
2014 apud RITTER, 2014)
Figura 2: Extrusor montado
Fonte: MAKER (2014)
Ainda conforme Hasman e Rorner (2014 apud Ritter 2014) o bloco de
aquecimento possuí elementos internos para aquecimento, formado por um
resistor de esmalte vítreo, um comprimento de fio níquel-cromo ou de um
aquecedor de cartucho, e para leitura de temperatura um sensor de temperatura.
2.3.3 Plataforma
Uma placa com superfície plana normalmente de madeira ou alumínio, como
base, ou até muitas vezes uma placa de circuito impresso fixada na base
superior, este circuito. Permite atuar como aquecimento da mesa, conforme
figura 3, quando conectada a um sistema eletrônico. Também pode-se fazer uso

7. 7
de isolamento térmico e mecanismos de nivelamento da placa. (HASMAN &
RORNER, 2014 apud RITTER, 2014)
Figura 3: Mesa aquecida montada
Fonte: SIERRA (2015)
2.4 Materiais de impressão
Para Watanabe et al. (2016), dentre os materiais mais utilizados no processo
FDM está o Acrilonitrila Butadieno Estireno (ABS) e o Ácido Polilático (PLA)
conforme figura 4. O ABS é um termoplástico derivado do petróleo, seu aspecto
é fosco, libera um odor desconfortante, baixa aderência à mesa de impressão e
alta contração no resfriamento, ótima resistência a impactos. Resiste a
temperaturas mais altas do que o PLA. As dimensões pós impressão não são
precisas, apresenta boa qualidade de acabamento, material fácil de realizar pós
processamento, pode ser lixado usinado com facilidade.
Figura 4: Filamento para impressora 3D
Fonte: DABAGUE (2015)

8. 8
O PLA é um termoplástico biodegradável produzido a partir de fibras de vegetais
(cana, milho, entre outros). É fácil de imprimir, possui aspecto brilhante, bastante
rígido e resistente, difícil de deformar. Sua baixa contração produz peças
precisas, baixa resistência ao atrito e a temperatura, não necessita de mesa
aquecida. (WATANABE et al., 2016)
2.5Desenvolvimento de produto
2.5.1 Concepção
Na visão de Pahl (2005), a concepção abrange desde a determinação da lista de
requisitos até a determinação da solução inicial com uma série de etapas
intermediárias chamadas de fases da concepção. Em um princípio de solução,
no momento de projeto pode ser considerado ótimo por um prazo muito
prolongado, pois novas tecnologias, descobertas científicas proporcionam outras
soluções ao mesmo projeto.
No procedimento para chegar à solução ideal, não deve-se conduzir somente
por soluções convencionais, é preciso verificar cuidadosamente se os caminhos
são passíveis de implementação. Ao generalizar o problema não se fica preso
ao óbvio, mas empenha-se numa ampliação sistemática. (PAHL, 2005)
Chega-se à solução e mesmo ela sendo uma solução básica deve ser
considerar, pelo menos na sua essência, esses princípios são avaliáveis, e para
sua avaliação é imprescindível uma materialização, mas não todo o nível de
funcionamento e sim princípios específicos que são relevantes e decisivos para
a avaliação. (PAHL, 2005)
3 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Com base na fundamentação, definiu-se a construção de um equipamento com
diferenciais dos atuais modelos no mercado. Portanto, deu-se preferência para
uma concepção sustentável com a reutilização de materiais diversos na estrutura

9. 9
do produto. Conforme a figura 5, pode-se verificar os itens: pés, painel,
plataforma, travessa, barra de apoio e chapa lateral.
Figura 5: Estrutura
Fonte: Do autor (2017)
Gerou-se uma concepção com atributos de resistência e baixo custo. Utilizou-se
hardwares (arduino e ramps) representado na figura 6 e software (cura) para
controle da impressão e do equipamento.
Figura 6: Hardware
Fonte: Do autor (2017)
Chapa
Lateral
Painel
Barra de
apoio
Pés
Travessa
Plataforma
Ramps
Arduino

10. 10
A utilização da placa arduino concretizou-se por ser um hardware livre e de placa
única, baixo custo de aquisição e flexíveis de usar com conhecimentos básicos
em programação e eletrônica. A extensão placa ramps é compatível com o
arduino facilitando sua escolha, possui a funcionalidade de expandir a placa
arduino e também possuir entradas e saídas que atende a necessidade do
equipamento.
O software teve sua escolha devido a ele ser gratuito, com atualizações
frequentes, maiores funções de parametrização e possuir versão em português.
Com a instalação deste hardware, foi possível realizar outros diferenciais sem
alterar programação e sistemas eletrônico, como:
a) Multimateriais – a confecção de um novo suporte foi necessária, por
inicialmente não conseguir efetuar a impressão em materiais flexíveis e macios,
a característica principal do suporte é um guia de filamento, antes de atingir o
parafuso trator e a eliminação do raio de entrada do furo condutor de filamento,
com isso é possível a impressão de multimateriais, sem alterar nenhum
componente eletrônico ou lógica de programação, na figura (7) é representada
estas diferenciações.
Figura 7: Novo suporte extrusor
Fonte: Do autor (2017)
ANTES
S
DEPOIS
Parafuso
tratorS
Guia
S
Raio
S

11. 11
b) Volume - um volume de impressão de 5.832.000 mm³ (aproximadamente 6
litros), um volume significativo para a maioria dos projetos industriais em escala
de 1:20, conforme figura 8.
Figura 8: Volume de impressão
Fonte: Do autor (2017)
c) Design - um design eletrônico com um menor comprimento linear de
cabeamento e com a fiação embutida representado na figura 9, tornando um
layout visualmente limpo.
Figura 9: Cabeamento
Fonte: Do autor (2017)
Mesa de
impressão
Volume de
impressão
Cabeamento
Fios
Cabeçote
de extrusão

12. 12
d) Dimensões - as dimensões de trabalho são: altura (135mm), largura (240mm)
e comprimento (180mm) conforme figura 10, o que possibilita um
aproveitamento melhor da mesa quando há necessidade de imprimir mais de
uma peça ao mesmo tempo.
Figura 10: Plataforma
Fonte: Do autor (2017)
e) Automação – conforme figura 11, pode-se verificar a utilização de: hardware
(1), este sendo dividido em duas partes, uma placa arduino mega 2560 e uma
placa extensora (shield) ramps 1.4, pinadas fisicamente uma a outra.
Uma programação lógica (2) neste caso o marlin, o que permite ajustar/alterar
sua programação dentro da IDE do arduino conforme a necessidade dos
elementos eletrônicos instalados no equipamento (3).
Largura
Altura
Comprimento

13. 13
Dentro dos elementos utilizados no controle estão: dois motores de passo nema
17, fazem o deslocamento dos eixos X e Y, dois motores de passo nema 22 tem
a finalidade de movimentar o parafuso trator da extrusora e o eixo Z.
Um ventilador 40x40 para resfriamento da extrusora, dois ventiladores 60x60 um
para o resfriamento da peça em impressão e outro para resfriar os mofset no
pico de corrente e um ventilador 80x80 para resfriamento do hardware.
Além destes, ainda estão: um resistor 5w para aquecimento da extrusora, 10
resistores de 10w para aquecimento da mesa (plataforma), dois sensores de
temperaturas um para extrusora e um para a mesa aquecida, três sensores fim
de curso um para cada eixo (X, Y e Z).
Antes que seja feita a impressão é necessário a utilização de software de
modelagem (4), este podendo ser quarquer programa CAD, capazes de gerar
arquivo virtual em três dimensões, como exemplo, nesta aplicação é utilizado o
Inventor.
Com o modelo gerado é obrigatoriedade fazê-las a conversão do arquivo para
extensão STL, esta forma de arquivo permite o software de fatiamento (5)
executar a leitura do arquivo. Utiliza-se o fatiador Cura, o que converte o modelo
3d virtual em códigos que o equipamento seja capaz de interpretá-las.
Para o controle independente do equipamento sem a necessidade de estar
conectada a um computador (PC), foi instalada um display LCD (6) de 20x4,
através dele, insere-se um cartão de memória (SD) com os códigos gerado pelo
fatiador e automaticamente após um start no painel, inicia-se a construção da
peça sem mais nenhuma intervenção.
Todos os componentes instalados anteriormente possuem funções únicas para
o controle do extrusor (7) que é a peça chave na construção do modelo 3D físico.

14. 14
Figura 11: Automação
Fonte: Do autor (2017)
Na figura 12, verifica-se a forma de pinagem dos componentes eletrônicos na
placa de controle.
Figura 12: Esquema eletrônico
Fonte: Do autor (2017)

15. 15
f) Resistência – na parte estrutural o layout permitiu a reutilização de materiais
como o aço e alumínio conforme figura 13, o que transmite uma maior
confiabilidade em relação à resistência, quando o equipamento está em
funcionamento.
Figura 13: Materiais
Fonte: Do autor (2017)
g) Viabilidade – atualmente o custo de impressoras 3D tem baixado
significativamente, o que aumenta a procura e demanda por equipamentos desta
natureza, para a fabricação de peças diversas. Nota-se conforme tabela 1 que a
impressora desenvolvida atingiu um custo em torno de um mil quatrocentos e
quinze reais, não tendo custos com software e firmware, por serem de uso livre.
Alumínio
Aço

16. 16
Tabela 1: Custo do equipamento
Fonte: Do autor (2017)
Ao comparar o equipamento desenvolvido com fabricantes de impressoras
nacionais conforme tabela 2, atinge-se uma redução na faixa de 30%, para os
modelos com as mesmas características da desenvolvida no projeto.
Tabela 2: Valor no mercado
Fonte: Do autor (2017)

17. 17
4 CONCLUSÃO
Os elementos instalados possuem uma resposta de comando satisfatória e
funcional, atenderam as necessidade de produzir peças em 3D e em
multimateriais. Seu layout da estrutura gerou robustez, que consequentemente
impactou no bom acabamento das peças impressas e pode ser controlada sem
o uso de computador conectado à impressora.
A construção do equipamento deixou uma experiência aprofundada em circuitos
eletrônicos (software, hardware), pois a ligação destes componentes exige
atenção e cuidado. Incentivou a busca de material de pesquisa em outras áreas,
não limitando o aprendizado, deixando conceitos básicos para a construção de
novos equipamentos mais sofisticados, bem como a aplicação da automação
num processo industrial.
Em formas de aplicação prática do equipamento, ele é capaz de atender uma
demanda significativa dentro de uma linha de prototipagem, e possivelmente em
produzir peças funcionais de qualidade, levando em conta o processo de
impressão por modelagem por fusão e deposição (FDM). Atualmente se requer
softwares e hardwares que transmitam uma comunicação em linguagem padrão,
ou compatíveis para as diversas aplicações, para que seja explorada ao máximo
a possibilidade da automação entre sistemas.
Após a finalização do projeto nota-se a possibilidade de inúmeras melhorias no
equipamento e no sistema de automação, como, substituir a placa eletrônica por
outra que possibilite conectar mais componentes ao mesmo tempo (Rumba),
instalar sensor de auto nivelamento da mesa (atualização do firmware), alterar a
tensão de alimentação da mesa aquecida que hoje está em 12V e desenvolver
no equipamento um ambiente interno fechado sem influência do ar externo, isto
para aperfeiçoar ainda mais o resultado final.

18. 18
TÍTULO EM LÍNGUA ESTRANGEIRA
ABSTRACT
The purpose of this study is to build and automate an equipment that is capable
of printing parts in three dimensions and that has differentials compared to other
printers on the market. With the objective in mind, it is proposed a study of the
main functionalities of electronic and mechanical components, a correct way of
reusing materials in its structure and the installation of an electronics compatible
with the components installed in the equipment and of easy change. Having this
detailed analysis, arduino board, stepper motors, sensors and panel display are
generated, with total control of the equipment without the need to be physically
connected to a computer. Thus the equipment had the ability to construct 3D
models in polymeric materials, of any complexity and not limited to dimensions.
Key-words: Automation. 3d printer. Command

19. 19
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