O rápido crescimento e evolução da Impressão 3D impressiona, até mesmo para quem acompanha mais de perto esta tecnologia. Diversas empresas e aplicações surgiram e continuam surgindo rapidamente no mercado, o que ajuda na expansão da tecnologia.
Entretanto, a semente, para o que está sendo colhido agora, foi plantada a mais de 35 anos, quando iniciaram as Pesquisas e Desenvolvimento (P&D) que permitiram a criação destas tecnologias. Como resultados destas P&D, diversos artigos, patentes e equipamentos foram desenvolvidos, sendo fundamentais para estabelecer a tecnologia de Impressão 3D a nível comercial e industrial.
No artigo desta semana vou apresentar algumas informações sobre o histórico e a importância destas pesquisas e desenvolvimentos, para que possamos compreender a importância da P&D na história da impressão 3D.
Histórico
A primeira impressora 3D comercial, a SLA-1, surgiu em 1987 com o processo SLA (Estereolitografia), a partir dos resultados da pesquisa de Charles Hull, e com a criação da empresa 3D Systems. A SLA-1 é considerada como o sistema “beta test”, sendo a percursora do equipamento SLA 250.
A história do desenvolvimento da estereolitografia vem de antes de 1980, onde o pesquisador Hideo Kodama, do Nagoya Municipal Industrial Research Institute (no Japão), foi um dos primeiros a inventar a abordagem de cura a laser com feixe único. Em 1980, ele depositou a patente, que posteriormente expirou por falta do procedimento da etapa de exame da patente. Isto aconteceu por falta de recursos para continuidade da pesquisa e inovação. Os trabalhos de Kodama foram as primeiras evidências de trabalho funcionais de impressão 3D no mundo.
Em paralelo, pesquisas e experimentos eram realizados nos EUA (Alan Herbert, em 1982, no 3M Graphic Technologies Sector Laboratory, que não avançou devido a uma decisão da companhia) e na França (Jean-Claude Andre, em 1984, no French National Center for Scientific Research (CNRS), com o depósito da patente “Apparatus for Fabricating a Model of an Industrial Part”).
Já em 1984, nos EUA, Charles Hull depositou a patente “Apparatus for Production of Three-Dimensional Objects by Stereolithography” (sendo assegurada em 1986) quando estava trabalhando na UVP Inc. Em 1986, junto com Raymond Freed, eles fundaram a 3D Systems e, em 1987, estavam comercializando a primeira impressora 3D comercial.
Importância da Pesquisa e Desenvolvimento
Até 2013, mais de 70% das máquinas industriais, de nível profissional, foram vendidas por empresas americanas, sendo as principais a Stratasys, 3D Systems Corporation e Z Corporation (que foi adquirida pela 3D Systems em 2012).
Qual motivo para estas empresas americanas saírem na frente?
A pesquisa e desenvolvimento que foi executada nos EUA e financiada por instituições públicas e empresas!
Para equipamentos de metal, a Europa é um dos destaques, sendo impactado principalmente por empresas como a EOS (Alemanha) e Arcam (GE Additive) (Suécia), as quais também atuaram fortemente em pesquisa e desenvolvimento.
O papel histórico das instituições de pesquisa, empresas e do governo demonstra a importância do financiamento público (e privado) na geração de novas tecnologias e patentes.
A National Science Foundation (NSF) é uma das principais agências governamentais de fomento nos EUA e que colaborou com investimentos para as pesquisas e desenvolvimentos dos processos de impressão 3D.
Um estudo realizado por Weber, C.L. (“The Role of the National Science Foundation in the Origin and Evolution of Additive Manufacturing in the United States. 2013”) buscou identificar os principais avanços na impressão 3D para mostrar a importância dos investimentos em pesquisa e desenvolvimento. Foram identificadas 100 patentes e quatro delas representam a origem de 4 dos 7 processos de impressão 3D: fusão em leito de pó (Powder Bed Fusion), extrusão de material (Material Extrusion), jateamento de ligante (Binder Jetting) e fotopolimerização em cuba (vat Photopolimerization). Além disso, outras 2 patentes impactaram nos processos de laminação de chapas (sheet lamination) e extrusão de materiais.
As patentes fundamentais identificadas são:
- 4575330: Apparatus for production of three – dimensional objects by stereolithography (Fotopolimerização em cuba – Charles Hull – 1984);
- 4863538: Method and apparatus for producing parts by selective sintering (Fusão em leito de pó – Carl Deckard – 1986);
- 5121329: Apparatus and method for creating three – dimensional objects (Extrusão de material – Scott Crump – 1989);
- 5204055: Three – dimensional printing techniques (Emanuel Sachs – 1989).
No estudo, é citado que o impacto do financiamento governamental se deu diretamente no:
- Apoio à pesquisa inicial que criou o conhecimento, tecnologias e ferramentas que foram posteriormente adotadas no campo da impressão 3D e aplicadas por inventores para desenvolver patentes e tecnologias fundamentais para impressão 3D;
- Apoio à difusão do conhecimento das patentes fundamentais para melhorar as tecnologias e desenvolver novas aplicações;
- Financiamento direto para desenvolver as fases iniciais da tecnologia e refinamentos posteriores em 2 dos 4 processos.
Além disto, financiamentos da academia e do setor privado, para aprimorar e, posteriormente, comercializar as tecnologias de impressão 3D foram realizados.
A tabela abaixo mostra o impacto que o financiamento do governo americano, através da NSF, promoveu nas tecnologias de impressão 3D.
Alguns outros exemplos de apoio financeiro (público e/ou privado) para pesquisa e desenvolvimento, os quais foram importantes para as tecnologias de impressão 3D, são:
SLS
- Apoio da Universidade do Texas, através da Austin Technology Incubator, à empresa DTM Corporation (Nova Automation) para comercialização das impressoras 3D de SLS. A NSF colaborou com financiamento inicial para pesquisa do SLS.
- Os primeiros trabalhos de Deckard (patente SLS) na sua tese de mestrado em 1986 receberam apoio da NSF.
Binder Jetting
- Semelhante ao SLS, o desenvolvimento do processo Binder Jetting foi um esforço envolvendo professores e alunos de pós-graduação do MIT (Massachusetts Institute of Technology). Embora o conceito de Binder Jetting tenha sido criado por professores do MIT, o papel dos alunos de pós-graduação para apoiar o desenvolvimento inicial e a comercialização da tecnologia foi significativo. A NSF apoiou o processo Binder Jetting por meio do programa Strategic Manufacturing Initiative (STRATMAN), que também financiou pesquisas que apoiaram o SLS.
- Recursos do MIT e de empresas privadas, como a Ford Motor Company e a Coherent General (fornecedora de ferramentas a laser para processamento de materiais) também foram importantes para pesquisa e desenvolvimento do processo Binder Jetting.
- Estudantes de pós-graduação mais tarde estabeleceram a Z Corporation, líder de mercado em impressão 3D, para comercializar a tecnologia.
Sheet Lamination
- A laminação de folhas foi desenvolvida, em parte, a partir de 2 prêmios NSF SBIR para a Helisys, uma empresa fundada para demonstrar e comercializar a tecnologia. O Departamento de Energia (DoE) forneceu o financiamento inicial para pesquisas sobre laminação de chapas. A NSF forneceu suporte ao SBIR para laminação de folhas depois que a P&D inicial foi demonstrada.
A linha do tempo a seguir apresenta o avanço dos principais marcos históricos relacionados à impressão 3D:
Existem várias maneiras pelas quais a NSF apoiou o campo da impressão 3D por meio de prêmios diretos. Uma análise dos prêmios de impressão 3D da NSF mostra que ela forneceu quase 600 bolsas para pesquisa nesta área nos últimos 25 anos, totalizando mais de US$ 200 milhões em financiamento. Dentro da NSF, o Engineering Directorate (ENG), e dentro da ENG, o programa Civil, Mechanical and Manufacturing Innovation (CMMI) e seus precursores, têm sido os principais patrocinadores, fornecendo mais de dois terços das doações para impressão 3D e mais da metade do apoio financeiro total da NSF para impressão 3D.
Os prêmios da NSF também apoiaram empreendimentos de atividades de educação, benchmarking e roadmap essenciais para o setor privado, mas não apoiados por ele. Mais notavelmente, os especialistas entrevistados observaram que a conferência Roadmap for Additive Manufacturing de 2009, co-patrocinada pela NSF e ONR, foi um marco importante para definir futuras direções de pesquisa para o campo, embora alguns na indústria sentissem que a representação da indústria não era grande o suficiente. Além disso, o Solid Freeform Fabrication Symposium, realizado anualmente na Universidade do Texas, recebeu apoio da NSF e ONR (Office of Naval Research) na última década, principalmente para apoiar a participação dos alunos no evento.
Aprendizados relacionados a Pesquisa e Desenvolvimento
Como é possível perceber, muitas das ações de pesquisa e desenvolvimento da tecnologia e processos de impressão 3D tiveram o envolvimento de atores da academia, governo e empresas, para financiar e apoiar tecnicamente os desenvolvimentos.
Como 3 aprendizados principais, podemos citar:
- Fundamental o fornecimento de financiamento focado e consistente a longo prazo: o financiamento em pesquisa e desenvolvimento deve ser a médio e longo prazo, com foco em um roadmap estabelecido para compreender os desafios e resultados que se deseja chegar.
- Apoiar a pesquisa e desenvolvimento e ajudar na transição para prova de conceito e posterior avanço ao mercado: um importante e grande passo, com o avanço da pesquisa e desenvolvimento, é a transformação daquela tecnologia em um produto ou processo que possa ser inserido no mercado. Este é um ponto fundamental, que dá continuidade aos resultados do P&D;
- Fortalecer o ecossistema da tecnologia em relação à pesquisa e desenvolvimento: a academia, governo e empresas devem estar alinhados e cientes da importância fundamental no fortalecimento do ecossistema da tecnologia para execução de pesquisa e desenvolvimento em impressão 3D (e outras tecnologias chaves também, de acordo com as políticas e estratégias de cada país).
A tabela abaixo mostra, de forma resumida, onde a NSF conseguiu impactar no P&D para impressão 3D e, posteriormente, na inserção das tecnologias no mercado, através de empresas.
Para finalizar, é importante compreender que o avanço da tecnologia de impressão 3D continua, não para. Desta forma, é fundamental continuar com os investimentos em Pesquisa e Desenvolvimento, para retornos no médio e longo prazo.
Um roadmap para Impressão 3D é proposto no artigo “Roadmap for Additive Manufacturing: Toward Intellectualization and Industrialization”. As transformações da tecnologia de impressão 3D, da digitalização à intelectualização, da inovação à industrialização, foram com o objetivo de descrever os roteiros de pesquisa tecnológica para os próximos 5 a 10 anos.
Tanto o desenvolvimento de ponta e o roteiro tecnológico são apresentados de acordo com o fluxo de dados no processo e cadeia de valor em tecnologias impressão 3D de metodologia de projeto, material, processo e equipamentos e estruturas para aplicações industriais.
O artigo apresenta uma abordagem onde avalia que, por ser ainda uma tecnologia emergente e em rápido desenvolvimento, a impressão 3D ainda está longe de atender aos requisitos da indústria tradicional no modo de produção em massa de padronização e industrialização. Peça única, lote pequeno e customização em massa podem ser alcançados na futura industrialização para impressão 3D.
E você, o que acha do impacto da P&D nas tecnologias de impressão 3D?
Grande abraço!
Luan Saldanha.
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