Tutorial Impressão 3D – Introdução

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C4 – A Impressora 3D – Estrutura e Eixos

Vamos começar a introduzir a Impressora 3D. A máquina que vai fabricar o objeto. Existem vários modelos de máquinas de impressão FFF. Podem existir algumas diferenças na forma como o movimento da impressão acontece.

Vamos focar a atenção nas impressoras que recebem instruções na forma de coordenadas cartesianas. Ui…o que é isso? Vais reparar que já sabes isto tudo… sem saber que o sabes! Apenas não conheces os nomes destas ideias.

i. O sistema de coordenadas e os eixos x, y, z

Ao imprimir um objeto, a impressora recebe constantemente instruções para saber onde tem que posicionar a cabeça de impressão. O seu movimento obedece a uma sequência de instruções que lhe permite atualizar a posição. É muito importante que cada posição seja definida com precisão, isto para que seja possível imprimir uma peça com a forma e com as dimensões corretas. Sem querer ainda entrar em detalhes sobre o movimento, vamos introduzir alguns conceitos importantes.

Um sistema de coordenadas permite-nos descrever de uma forma precisa uma localização no espaço. Isto é importante, por exemplo, quando queremos partilhar essa informação com alguém. Vamos pensar numa situação: imagina que queres combinar com uma amiga, junto ao portão do jardim que fica na mesma rua da tua escola. A tua amiga não conhece o jardim, mas sabe onde fica a escola. Como vais explicar a localização do ponto de encontro – o portão do jardim? Pensa um pouco…

Como a tua amiga conhece a localização da escola, se calhar começarás por dizer: Imagina que estás junto ao portão da escola. Depois, irás descrever a localização do jardim em relação à localização da escola. Concordas? Assim, o portão da escola será o ponto de partida do caminho que tens que descrever até ao jardim – será a origem do caminho. O ponto de encontro, o jardim, será o destino do caminho. Em seguida, tens que indicar para que lado a tua amiga tem que andar – o sentido do movimento. Figura 4.1.

Claro que para sermos mais exatos será necessário indicar a distância que vai do ponto de partida até ao destino. E esta distância podemos medir com uma fita métrica.

Então, relembrando, para poderes descrever a uma amiga a localização de alguma coisa no espaço:

• É necessário haver uma origem que ambas conheçam, um ponto de partida – neste caso a localização da escola;
• É necessário indicar o sentido e direção do movimento relativamente ao ponto de origem – neste caso para que lado fica o jardim;
• É necessário ter uma medida da distância entre a origem e o destino – a distância que a amiga tem que percorrer. 

A localização do ponto de encontro pode descrever-se através da Figura 4.2:

O exemplo dado foi bastante simplificado, mas adianta dois conceitos importantes: ponto de origem e linha orientada. (Figura 4.2.)

Há ainda uma outra informação que não discutimos: a escola e o jardim encontram-se do mesmo lado da rua. Mas podia não ser o caso. Esta é também uma informação importante. Consegues pensar porquê?

Imaginemos agora uma praça, a escola fica num lado da praça e o jardim no lado oposto, Figura 4.3. Como vamos indicar à tua amiga onde fica o jardim? O procedimento é semelhante, mas talvez seja necessário utilizar um sistema um pouco mais informativo – um sistema de coordenadas com duas dimensões.

Para explicar à tua amiga, neste caso, existem várias opções. Por exemplo:

• Pode atravessar a praça até ao jardim, na direção da seta laranja.
• Pode andar 6 m para a direita, e 2 m para cima (‘direita’ e ‘cima’ para quem olha a figura). Repara que escrevemos um x e um y junto às setas azuis. Podemos dizer: andar 6 m na direção de x e 2 m na direção de y.

À linha orientada esquerda–direita chamamos eixo x, ou eixo dos x, e à linha orientada baixo–cima chamamos eixo y, ou eixo dos y. Em geral, consideramos ainda que estes dois eixos são perpendiculares (também se diz ortogonais), ou seja formam entre si um ângulo de 90º. Estas representações geométricas foram pensadas para ajudar a descrever as posições de pontos, pessoas ou de objectos.  

A este conjunto de eixo x e eixo y, com origem (o zero) no mesmo ponto, e ortogonais, e uma medida da distância de cada ponto da linha relativamente à origem, chamamos sistema de coordenada cartesiano de duas dimensões (2D).

Mas agora tu perguntas: se queremos imprimir e criar modelos 3D precisamos de um sistema de coordenadas 3D? Sim, isso mesmo! Ao sistema de coordenadas 2D que definimos acima acrescentamos um outro eixo – eixo z – que é perpendicular aos outros dois (x e y), e com origem coincidente com a origem dos outros dois eixos. Vamos ter então três linhas orientadas: trás-frente, outra esquerda-direita, e outra baixo-cima – os três eixos x, y, e z.

Na Figura 4.4, podes ver os três eixos representados na sua forma mais habitual. Nesta figura temos uma gaivota a voar, por cima do jardim. Vamos considerar que a unidade de medida, em cada eixo, representa um metro (1 m). Assim, conseguiremos localizar a gaivota no ponto G se andarmos, a partir da origem O:

• 4 m ao longo do eixo x,
• depois 6 m ao longo do eixo y,
• e depois 5 m ao longo do eixo z.

A estes três números que representam a distância à origem em cada eixo – 4, 6, e 5 – chamamos coordenadas cartesianas.

Ao imprimir, uma impressora recebe instruções para colocar a cabeça de impressão num certo ponto, e depois noutro, e depois noutro,… Se essas instruções são dadas na forma de coordenadas cartesianas, a impressora diz-se cartesiana. Habitualmente não usamos este nome, mas por vezes é necessário salientar este detalhe mais técnico.

A impressora Minmi é uma impressora cartesiana. Vamos, em seguida, começar por apresentar quais as partes da impressora que representam os eixos de que falámos – x, y, e z.

ii. A impressora 3D: estrutura e eixos

Quando desenhas numa folha de papel a tua mão segura o lápis e movimenta-se sobre a folha. O lápis desenha, a tua mão/braço e o teu cérebro são o motor e o centro de operações que causa o movimento do lápis. Consegues movimentar o lápis para trás-frente, esquerda-direita, e todas as posições intermédias. Certo? Com as impressora 3D é semelhante. As impressoras 3D não têm braços, ou cérebros tão inteligentes como os nossos, mas possuem uma estrutura e outros elementos importantes para poderem imprimir.

Uma impressora deverá ter uma estrutura rígida e estável que permita segurar todas as peças no seu lugar. Pode ser de plástico, de metal, ou ambas. Podes ver a Figura 4.5 que mostra a estrutura básica da impressora Minmi. Vamos começar a introduzir algumas peças desta estrutura, e definir os eixos x, y, e z.  

O eixo x

Na impressora é habitual chamar eixo x à direção esquerda-direita, quando estamos de frente para a impressora. Na Figura 4.6.a, podes ver a parte da estrutura que representa a direção do eixo x. Esta estrutura é dada por peças de plástico e pelos os varões de aço. 

A cabeça de impressão será montada na peça que se vê ao centro. Esta peça deslizante funcionará como que um carrinho para a cabeça de impressão. Costumamos usar a palavra em inglês e chamar a esta peça deslizante carriage.

É o motor (montado à esquerda, Figura 4.6.a) que será responsável pelo movimento do carriage, movendo-o ao longo do eixo. É do lado do motor, que se situa a origem do eixo – o ponto que serve ser referência para as distâncias medidas, e percorridas ao longo deste eixo x. 

Na extremidade oposta ao motor, à direita, a peça de plástico ajuda a fixar a estrutura. Esta peça ajuda na tensão da correia, que é importante para movimento do carriage. Costumamos usar a palavra em inglês e chamar à correia belt.

Adiante, falaremos com mais detalhe sobre movimento.

Podes ver a estrutura do eixo do x montada na impressora Minmi, na Figura 4.6.b.

 

O eixo y

Na impressora é habitual chamar eixo y à direção trás-frente, quando nos situamos de frente para a impressora. Na Figura 4.7.a, podes ver a parte da estrutura que representa a direção do eixo y. Tal como no eixo x, esta estrutura é dada por peças de plástico e pelos os varões de aço.

 

A plataforma de impressão, a bed (cama em inglês), será montada no frog. Esta peça deslizante funcionará como que um carrinho para a bed. Costumamos chamar a esta peça deslizante frog, a palavra em inglês para sapo…talvez por se assemelhar a um sapo quando visto de cima. 🙂

Em semelhança ao eixo x, esta estrutura tem também um motor (atrás) que será responsável pelo movimento da bed, movendo-o ao longo do eixo. É do lado do motor, que se situa a origem do eixo – o ponto que serve ser referência para as distâncias medidas, e percorridas ao longo deste eixo. Na extremidade oposta ao motor, à frente, temos o varão e outras peças que ajudam na tensão da correia e que ajuda o movimento. 

Podes ver a estrutura do eixo do y montada na impressora Minmi, na Figura 4.7.b.

Aqui vamos perguntar-te uma coisa: estavas talvez a imaginar que a cabeça de impressão iria mover-se ao longo dos dois eixos? Se foi o caso, não foi mal pensado pois algumas impressoras funcionam assim. Aqui vamos falar de um caso em que não é assim. 🙂

Em muitas impressoras, como é o caso da Minmi, a cabeça de impressão move-se no eixo x, e depois o movimento ao longo do eixo y é feito pela bed. O importante é que, na prática, é muito parecido. O importante é o movimento da cabeça de impressão relativamente à bed, na direção y. Vamos deixar uma ideia para experimentares, e pensares. Com um lápis e uma folha de papel, experimenta o seguinte:

• Primeiro: coloca folha em cima da mesa e desenha um risco ao longo da folha.
• Segundo: vira a folha, e do outro lado manter o lápis fixo na filha, em cima, e puxa a folha na tua direção.
• Terceiro: o que observas? De que modo podemos dizer que os riscos são semelhantes, ou diferentes? 

O eixo z

Já temos dois eixos. A cabeça de impressão move-se no x, a bed no y. E a combinação dos dois movimentos vai permitir imprimir a duas dimensões. Como é que o objeto se constrói para cima?

As impressoras FFF fabricam objectos imprimindo camada sobre camada. A cada camada adiciona-se, por cima, uma outra camada. Talvez já tenhas trabalhado com barro ou plasticina um método chamado técnica do rolo – Figura 4.8.  Não queremos aqui dizer que a impressora faz rolos e cola-os uns aos outros, mas sim ilustrar uma ideia de construção por camadas. Ao imprimir, a impressora vai depositando filamento derretido, camada sobre camada, até formar o objeto.

Cada camada terá uma altura, uma coordenada no eixo z, em relação à base (ou bed) da impressora. E como fazemos a cabeça de impressão ficar à altura necessária de cada camada? Claro, temos que fazer um movimento ao longo do eixo z. Também neste caso, o movimento das várias impressoras 3D é diferente consoante o modelo. No caso da Minmi, é o eixo x que se move ao longo do eixo z. Vamos ver como. 

Existem dois varões roscados (retângulos azuis, Figura 4.9.a) que se encontram acoplados aos motores (retângulos lilás, Figura 4.9.b), e permitem movimentos da estrutura do eixo x ao longo do eixo z. O eixo z é definido com ajuda de dois varões lisos que estão fixos na estrutura (retângulos azuis, Figura 4.9.b). É do lado dos motores, que se situa a origem do eixo z – o ponto que serve ser referência para as distâncias medidas (retângulos lilás, Figura 4.9.b). 

Podes ver a estrutura do eixo do z na impressora Minmi, na Figura 4.9.b.

Como já referimos, adiante falaremos com mais detalhe sobre movimento ao longo destes três eixos. Por agora é importante que tenhas conseguido apreender o que é um de sistema de coordenadas cartesiano, e que consigas identificar os eixos x, y e z na impressora.

 

Vamos lá recordar:

• Sistema de coordenadas – é uma estrutura pensada para descrever, através de coordenadas, com precisão as posições de pontos no espaço. Implica a escolha de uma orientação, de uma origem, e de uma unidade de medida.
• Eixo – linha de referência que define geometricamente o sistema de coordenadas. É uma linha orientada, com um ponto de origem (o mesmo do sistema de coordenadas), e uma medida de distâncias de cada ponto da linha em relação à origem (a mesma do sistema de coordenadas).
• Ortogonal ou perpendicular – duas linhas dizem-se perpendiculares se formam um ângulo de 90º entre si.
• Sistema de coordenadas cartesiano 2D – sistema de coordenadas dado por dois eixos (x e y), com origem (o zero) no mesmo ponto, e ortogonais.
• Sistema de coordenadas cartesiano 3D – sistema de coordenadas dado por três eixos, ortogonais entre si, e que se intersetam no mesmo ponto (a origem de cada um).
• Coordenadas cartesianas – os números que representam a distância à origem em cada eixo de um determinado sistema de coordenadas. Num sistema de coordenadas 2D, precisamos de dois de números, por exemplo (2,5). Num sistema de coordenadas 3D, precisamos de três números, por exemplo (2,5,1).
• A impressora 3D cartesiana tem definido um sistema de coordenadas cartesiano 3D, com três eixos – x, y, e z.
• O eixo x da impressora define-se na direção esquerda-direita – a direção do movimento da cabeça de impressão.
• O eixo y da impressora define-se no sentido trás-frente – a direção do movimento da bed.
• O eixo z da impressora define-se no sentido baixo-cima. A impressão 3D é realizada camada a camada, em que cada camada tem uma coordenada no eixo z. Quando é necessário o posicionamento para cada coordenada em z, todo o eixo x se movimenta.

 

Iremos voltar a alguns destes conceitos quando falarmos do movimento da impressão. 

Para saber se conseguiste entender o essencial podes resolver o quiz/puzzle. Clica aqui.

Importante não esquecer… DIVERTE–TE!