Como imprimir em 3D uma impressora 3D

Como mencionado, existem muitos, muitos, muitos criadores e criadores por aí que iniciaram seu próprio projeto ou que trabalharam com outras pessoas para avançar nos objetivos da RepRap. E há muitos por aí que ainda estão levando as coisas adiante… e se algumas outras direções também.

Exemplos

Vamos dar uma olhada em alguns exemplos de impressoras funcionais que chegaram perto de atingir a meta de auto-replicação completa.

Darwin

Construído em 2007 usando peças feitas por uma impressora Stratasys que custava 100 vezes mais, o RepRap Darwin foi imediatamente colocado para trabalhar replicando essas mesmas peças por uma fração do custo. (Veja um relato fascinante disso registrado com o Dr. Bowyer naquele mesmo ano.)

Este foi um marco extremamente significativo na jornada para levar a impressão 3D econômica a um público amplo e desafiou as expectativas sobre o que a impressão 3D pode permitir. Os designs de código aberto, compartilhados junto com um convite para ajudar a fazer melhorias, inspiraram muitos a contribuir com sua energia e experiência.

A maioria dos projetos de impressoras FDM de hoje pode traçar seu DNA até Darwin. Mais importante, no entanto, é o espírito de melhoria colaborativa e evolutiva do design, que perdura nas conversas do Grupo de Usuários RepRap e nos desafios da comunidade tecnológica, como a SpeedBoatRace. As primeiras versões de Darwin podem parecer primitivas hoje, mas as impressoras 3D mais avançadas de hoje podem parecer igualmente pitorescas daqui a alguns anos?

O Darwin Evo na foto acima foi projetado como uma versão atualizada do Darwin original, incorporando inovações de projetos recentes de código aberto. Adam adicionou soluções mais recentes, como o sistema RatRig V-Core 3.1 Z-drive, um hot end E3D Revo Voron e a interface Klipper, mantendo a essência do Darwin original, mas melhorando a precisão e a confiabilidade.

Rápido

A suposição de que as peças sempre serão necessárias de outros processos de fabricação foi contestada várias vezes. O facto de as molduras e pórticos das impressoras serem feitos de metal foi particularmente questionado. Alguns projetos, como o Hangprinter, até tentaram contornar isso sem ter uma moldura!

Em 2015, Revar Desmera, do Bay Area RepRap User Group, abordou o problema projetando o Snappy, que possui uma estrutura e um sistema de acionamento totalmente imprimíveis em 3D. Com até 78% de suas peças imprimíveis por uma impressora FDM, tornou-se a “Impressora 3D mais impressa em 3D” do Guinness Book of World Records.

O design continuou a evoluir e agora está em sua terceira versão. Esse pensamento inventivo aponta para um futuro em que outras normas de design são desafiadas e a porcentagem de replicabilidade inerente se move para as regiões de 80% ou 90%. Também destaca a lacuna entre o que é possível, prático, econômico e de alto desempenho, tornando quase impossível responder à pergunta do título deste artigo…

Embora replicar este projeto possa parecer relativamente simples, vale a pena notar que esta não é uma impressora 3D para iniciantes. Além do fato de que a montagem requer conhecimentos avançados e outra impressora para preparar as peças, é necessária manutenção frequente para garantir a qualidade das impressões devido ao desgaste que pode surgir devido à baixa rigidez das peças plásticas. Se você ainda está determinado a enfrentar o desafio, vale a pena conferir o vídeo de construção do D-Flo.

MulBot

A Mulbot é outra impressora 3D de código aberto que se destaca por ser composta principalmente de peças impressas, incluindo sua estrutura, blocos de rolamentos e sistemas de movimento. O projeto foi desenhado pela 3D Printing World, que apresentou o Mulbot no Midwest RepRap Festival (MRRF) de 2019. A impressora usa rolamentos lineares parcialmente impressos em 3D e também sistemas de movimento impressos, como engrenagens helicoidais para o eixo Y, correias TPU para o eixo X e parafusos trapezoidais para o eixo Z.

Essas inovações permitem que o Mulbot seja construído com menos componentes comerciais, de acordo com a filosofia de autocópia da RepRap. Dito isso, ainda está longe de ser auto-replicante Como Darwin e Snappy, também depende de suas peças serem impressas com precisão por outra máquina. E não tem peças pré-montadas; Tudo precisa ser combinado, calibrado e configurado manualmente.

Novamente, podemos ver os desafios envolvidos na auto-replicação. Embora existam avanços e inovações que permitem o uso de mais componentes impressos, também vemos componentes não impressos evoluindo para se adaptar ao propósito da impressão 3D e soluções DIY. No entanto, isso ainda está limitado aos processos de fabricação tradicionais que ainda não são compatíveis com a impressão 3D ou que não são comercialmente viáveis.

Embora seja possível substituir alguns componentes tradicionais por peças impressas, atualmente isso raramente é possível sem sacrificar aspectos importantes da qualidade final, como rigidez e precisão.

Alternativas DIY

Dadas essas limitações, atualmente estamos vendo muitos projetos combinando componentes de fabricação tradicionais e as inovações alcançadas pela RepRap para alcançar melhores resultados que combinam o melhor dos dois mundos.

Entre as opções mais populares estão as impressoras RatRig e Voron, que representam uma evolução significativa no espírito da autocópia. Embora estejam longe do conceito de auto-replicação, esses projetos de código aberto exploram e mostram que ainda há muito a ser explorado e descoberto.

O fato é que as soluções DIY permitem que os entusiastas explorem mais profundamente o potencial de personalização que foi desbloqueado pelo legado da RepRap. No entanto, eles ainda precisam de peças tradicionais para garantir a precisão e a durabilidade necessárias para operações estáveis e de alta qualidade. Este é especialmente o caso de suas estruturas e eletrônicos, que evoluíram para atender a essa demanda crescente, mas não para fins de auto-replicação. Esse tipo de combinação, portanto, oferece um ponto de equilíbrio prático, aproveitando ao máximo as possibilidades de replicação sem comprometer o desempenho.

Para o fabricante que deseja construir sua própria impressora, projetos como RatRig e Voron fornecem uma abordagem viável dentro das limitações tecnológicas atuais. Com um bom entendimento de montagem e calibração, é possível imprimir muitas das peças necessárias, complementando-as com componentes tradicionais para criar uma impressora robusta e personalizada. Esses projetos exemplificam como a comunidade de impressão 3D continua a explorar e ultrapassar os limites do que é replicável, equilibrando inovação com praticidade.

Protótipos notáveis e projetos experimentais

Mesmo que uma impressora 3D auto-replicante pareça extremamente distante, o sonho permanece vivo através de inúmeros entusiastas independentes que insistem em tentar superar os desafios. Vejamos alguns protótipos e projetos que direta ou indiretamente inspiram novas conquistas e progridem dessa maneira.

ENMC045

Para superar as barreiras encontradas em projetos anteriores, é essencial ir mais fundo e mudar radicalmente a abordagem. Como vimos até aqui, criar uma impressora 3D auto-replicante não é apenas um desafio, mas também envolve repensar conceitos e componentes que podem, além de serem totalmente impressos, ser substitutos reais das limitações atuais sem comprometer o resultado final.

Brian Minnick, um estudante da Academia de Engenharia e Tecnologia, desenvolveu o primeiro protótipo funcional de uma impressora 3D totalmente impressa em 3D. Apresentada na Feira Internacional de Ciência e Engenharia da Regeneron (ISEF) 2021, a impressora ENMC045 representa um marco em direção à fabricação autônoma e descentralizada.

Para tornar plausível o conceito de uma impressora auto-replicante, Minnick teve que resolver quatro desafios fundamentais: criar um material condutor para motores, controlar motores sem o uso de microprocessadores, armazenar modelos digitais em formatos físicos e criar um sistema cinemático totalmente impresso. O desenvolvimento de uma solução única para cada um desses problemas permitiu que a impressora operasse sem depender de componentes eletrônicos convencionais, como pode ser visto neste vídeo.

Usando materiais resistentes ao calor, como PEEK, a impressora teoricamente seria capaz de criar componentes essenciais para sua operação, incluindo a extremidade quente. O sistema de controle analógico usando tiras de dados foi otimizado com algoritmos genéticos e aprendizado de máquina, permitindo movimentos precisos sem microprocessadores e minimizando os erros de posicionamento em 99,99%. Apesar de estar muito próximo de seu objetivo, ainda não foram encontradas soluções para tornar o protótipo efetivamente autônomo em sua automontagem.

Infinito Z

Embora o protótipo anterior visasse mudar radicalmente os conceitos, ele não incluía algo muito importante: a área de impressão disponível. As impressoras 3D atuais têm uma área de impressão limitada. Sem resolver isso, as impressoras auto-replicantes estariam condenadas a imprimir cópias cada vez menores de si mesmas, tornando o conceito inviável.

O projeto da impressora Infinity Z, como o nome sugere, é um protótipo que visa não apenas fazer impressões sem limitações de tamanho em um eixo específico, mas criar uma impressora que se encaixe dentro de sua própria área de impressão, possibilitando replicá-la em seu tamanho original ou maior. Dadas as características do eixo Z infinito, teoricamente seria possível não apenas imprimir outra máquina do mesmo tamanho, mas imprimir impressoras ainda maiores que a original.

Como você pode ver acima, o protótipo ainda usa vários componentes fabricados tradicionalmente e, como outros projetos que vimos antes, combina os feitos alcançados pela RepRap com componentes comuns e não impressos. O autor do projeto reconhece que ainda há um longo caminho a percorrer antes que a impressora 3D possa efetivamente se auto-replicar, mas isso não diminui sua motivação para persistir.

O entusiasmo e as ideias inovadoras, como reduzir o ângulo das roscas e das pernas de apoio a um valor negativo para evitar que a impressora caia durante o processo de impressão, são soluções motivadoras para dizer o mínimo e mais uma vez demonstram como as conquistas da RepRap continuam a dar frutos até hoje. Este projeto está disponível em vários repositórios, como Printables, Cults e Thingiverse, e o autor convida mais entusiastas a participar do desenvolvimento do projeto, que ainda está em andamento.

Projetos Experimentais

O desenvolvimento de tecnologias auto-replicantes, especialmente no campo da impressão 3D, depende muito da vontade de experimentar novas ideias, mesmo que não pareçam ser as mais eficientes à primeira vista. É esse espírito de experimentação que pode abrir as portas para inovações verdadeiramente disruptivas, e o sistema TIME é um excelente exemplo disso.

Em vez de seguir métodos convencionais de mudanças de ferramentas ou replicar configurações comuns, o criador decidiu explorar caminhos alternativos e até ousados, como combinar diferentes materiais em uma única impressão ou testar sistemas de movimento não convencionais.

Essa abordagem inovadora nos ensina algo fundamental para a evolução das impressoras 3D auto-replicantes: o progresso tecnológico pode surgir de ideias que, à primeira vista, parecem impraticáveis. As tentativas de combinar diferentes materiais, ou de testar um sistema de impressão em paralelo, podem parecer menos eficazes do que os métodos estabelecidos, mas é precisamente nessas tentativas que residem as chances de descobrir novas maneiras de superar as limitações atuais da replicação automática.

Ao desafiar o status quo e persistir em tentar novas ideias, os pesquisadores não estão apenas expandindo nossa compreensão do que as impressoras 3D podem fazer, mas também estabelecendo as bases para avanços futuros. A jornada em direção a uma impressora auto-replicante que pode fabricar uma ampla gama de componentes requer esse tipo de mentalidade experimental. Mesmo que essas tentativas não levem a resultados imediatos, cada teste, cada falha e cada ajuste contribuem para a construção de um repertório de soluções, e é nesse acúmulo que a verdadeira inovação acontece.

Olhando para o futuro

Para voltar à nossa pergunta original, vamos considerar onde a jornada da RepRap nos trouxe:

• Uma impressora 3D pode imprimir (inteiramente) outra impressora 3D? A resposta curta é “ainda não”. Mesmo com as tecnologias mais avançadas atualmente disponíveis, ainda estamos muito longe de isso ser possível. Certos componentes simplesmente não são adequados para os processos em questão.
• Uma impressora 3D pode imprimir a maioria das peças que podem ser montadas em outra impressora 3D? Impressionantemente, a resposta é “sim”, o que significa que o objetivo básico da RepRap foi (basicamente) alcançado! Já é possível replicar a maioria das peças usadas em uma impressora 3D na mesma impressora, e essa porcentagem aumenta se permitirmos que diferentes tecnologias de impressão 3D sejam adicionadas à mistura. Em teoria, quase tudo, exceto os CIs (e, como observou o Dr. Bowyer, talvez os lubrificantes) poderia ser impresso, embora não necessariamente de forma econômica ou com o melhor desempenho.
• Podemos imaginar uma única máquina “auto-replicante” que combine diferentes tecnologias (impressão 3D e outras), bem como monte as peças automaticamente? Esta é uma pergunta intrigante. Podemos ver a convergência da impressão 3D e outras automações por empresas como a Relativity Space com sua “fábrica definida por software“, bem como em outros sistemas de manufatura flexíveis. Por mais impressionantes que sejam, ainda estamos muito longe de uma máquina totalmente auto-replicante.

De certa forma, essas perguntas distraem o verdadeiro legado da RepRap, que, como vimos, trouxe tecnologia de produção fácil de usar para o mundo. Ao fazer isso, acelerou o ritmo da manufatura aditiva em geral e abriu novas possibilidades com as quais só poderíamos sonhar algumas décadas atrás.

Também tem sido um excelente exemplo do poder do desenvolvimento aberto e coletivo, que continua a moldar os desenvolvimentos em hardware, firmware e software. As lacunas entre o que é imprimível na teoria e na prática estão sempre diminuindo, e a promessa de desenvolvimentos mais empolgantes na manufatura aditiva está sempre crescendo.

Como seria a RepRap se renascesse hoje? É provável que o foco seja mais em continuar a tornar a impressão 3D mais fácil, rápida e ainda mais universalmente acessível, em vez de em máquinas totalmente auto-replicantes ou automontáveis. Ou talvez trouxesse algo tão inovador que mudasse tudo o que pensamos até agora.

Os dias em que uma impressora 3D pode se copiar inteiramente ainda estão longe, mas, enquanto isso, todos podemos nos beneficiar dos enormes avanços na manufatura aditiva que a RepRap permitiu.