Design para Impressão 3D

Este guia apresenta técnicas essenciais e exemplos de como projetar peças otimizadas para impressão 3D em robôs da FRC.

Introdução

Projetar peças para impressão 3D exige entender a física do processo de deposição em camadas. Dominar esses conceitos ajuda a evitar desperdício de material, eliminar suportes desnecessários, produzir peças muito mais resistentes e reduzir o tempo de fatiamento e impressão.

Nota

Se você está começando com manufatura aditiva, leia antes a página Introdução à Impressão 3D.

A Versatilidade de Peças Impressas na FRC

Componentes impressos em 3D podem ser aplicados em praticamente todos os subsistemas de um robô de competição: desde polias de correia dentada e suportes angulados de câmeras até suportes de sensores, blocos antiesmagamento e peças estruturais complexas.

604 Quixilver 2024 - Uso extensivo de peças impressas em 3D

Quando Escolher Impressão 3D em Vez de Usinagem Metálica

A impressão 3D é especialmente recomendada quando:

1. Não existe peça comercial COTS pronta para a sua necessidade específica.
2. É possível imprimir uma peça funcionalmente equivalente de forma mais rápida ou econômica do que usinar em CNC router ou fresadora manual.
3. A geometria necessária envolve curvas orgânicas tridimensionais impossíveis de usinar em fresadoras convencionais de 3 eixos.
4. Você precisa prototipar e validar ângulos de sensores ou compressão de peças de jogo rapidamente.
5. A solicitação mecânica não exige a resistência extrema de uma chapa metálica de alumínio.

Tipos de Peças Abordados Neste Guia

1. Espaçadores: Espaçadores para eixos hexagonais ou blocos de offset entre chapas.
2. Crush Blocks: Blocos internos que impedem o colapso de tubos ocos ao apertar parafusos.
3. Transmissão de Potência: Polias de correia dentada, engrenagens e rodas dentadas personalizadas.
4. Suportes Estruturais (Brackets): Conexões estruturais anguladas e berços de motores.
5. Suportes de Câmeras e Sensores: Fixação angular precisa de câmeras de visão (AprilTags) e sensores de feixe óptico.
6. Gabinetes e Proteções Eletrônicas: Caixas protetoras para computadores de bordo (Orange Pi, Raspberry Pi, Arduino) e placas de circuito.
7. Gabaritos e Ferramentas (Jigs): Guias de furação e ferramentas de alinhamento para a oficina.

Espaçadores (Spacers)

Uma das aplicações mais comuns na FRC é a impressão de espaçadores sob medida para eixos hexagonais de 1/2”. Com a biblioteca FRCDesignLib, é possível gerar espaçadores em qualquer comprimento em segundos, a um custo irrisório.

Ao configurar o modelo, você verá a opção de tolerância adicional (Tolerance Adder). Fatores como contração térmica do plástico e fluxo de extrusão fazem com que furos impressos fiquem ligeiramente menores que o nominal no CAD. Adicionar uma folga dimensional de 0,1 mm a 0,5 mm (0.004” a 0.020”) garante que o espaçador deslize suavemente pelo eixo hexagonal sem necessidade de lixar ou alargar na furadeira.

Espaçador hexagonal configurável

Blocos Antiesmagamento (Crush Blocks)

Ao passar parafusos através de tubos de alumínio (especialmente com parede fina de 1/16”), o aperto da porca pode esmagar e deformar o perfil. Os crush blocks distribuem a pressão e evitam esse problema. A FRCDesignLib possui modelos paramétricos configuráveis para todos os tamanhos de tubo padrão da FRC.

Dica para Furos Horizontais sem Suporte

Furos horizontais impressos paralelos à mesa tendem a ficar achatados no topo devido à gravidade atuando sobre o filamento quente em balanço. Uma solução elegante que dispensa suportes é desenhar o topo do furo com geometria de gota (teardrop), usando um ângulo de 90° a 100° no ápice para que o bico deposite o plástico em pontes retas perfeitas.

Exemplo de bloco antiesmagamento com geometria de gota (sem suportes)

Transmissão de Potência

Polias de Correia Dentada (Pulleys)

A impressão 3D é fantástica para polias com perfis HTD ou RT25, permitindo criar qualquer contagem de dentes e integrar cubos de fixação customizados.

Polia dentada HTD configurável

Dicas para Impressão de Polias

• Perímetros e Preenchimento: Aumente o número de paredes (4 a 6 perímetros) e utilize preenchimento denso (40% a 100%) para resistir aos esforços de cisalhamento nos dentes.
• Insertos Metálicos para Eixos Hexagonais: Sob alto torque, eixos hexagonais de alumínio (especialmente ThunderHex com cantos arredondados) podem desgastar e espanar o furo plástico hexagonal de uma polia impressa, transformando-o em um furo circular liso. Para evitar isso, utilize insertos metálicos hexagonais (como os da The Thrifty Bot) que transmitem o torque através de parafusos distribuídos no corpo da polia.

Inserto metálico em polia impressa em 3D

Engrenagens

Engrenagens impressas em 3D funcionam muito bem em mecanismos de torque moderado (como garras de manipuladores e roletes de indexação), proporcionando enorme redução de peso.

3005 Robochargers 2023 - Garra com engrenagens e estrutura impressas em 3D

• Largura de Face (Face Width): Aumente a largura da engrenagem para distribuir a força de contato por uma área maior dos dentes.
• Passo Diametral (DP): Utilize passos menores com dentes maiores (como 20 DP em vez de 32 DP) para obter dentes mais robustos.

Atenção

Não utilize engrenagens impressas em 3D no primeiro estágio de motores de alta potência (pinhões de motor) ou em reduções primárias de drivetrain, onde o atrito e a temperatura causam desgaste imediato.

Suportes e Peças Estruturais Personalizadas

Para peças com ângulos compostos ou montagens complexas, a impressão 3D permite soluções integradas muito superiores a chapas dobradas:

5460 Strike Zone 2023 - Uso avançado de peças impressas no braço articulado

Orientações Críticas de Design

• Orientação na Mesa (Anisotropia): Sempre posicione a peça na mesa de modo que os maiores esforços de tração e flexão atuem ao longo dos eixos X e Y (plano das camadas), nunca no eixo Z (onde a peça pode se separar entre camadas).
• Escolha do Material: Peças sujeitas a choques mecânicos exigem materiais tenazes como PETG, Nylon (PA) ou TPU de alta dureza (Shore 95A).

Suportes de Câmeras e Sensores

Câmeras de visão computacional (como Orange Pi, Limelight ou PhotonVision) precisam ser fixadas em ângulos e alturas precisos para mirar nos marcadores AprilTag da arena. A impressão 3D permite ajustar o suporte no ângulo exato do projeto em poucas iterações.

6328 Mechanical Advantage 2024 - Suporte impresso para câmera de visão

Dica

Para suportes de sensores expostos a impactos de peças de jogo, imprimir em TPU semi-flexível torna a peça praticamente indestrutível!

Dicas Finais de Fabricação

• Chanfros em vez de Raios na Base: Evite colocar filetes arredondados (fillets) na face inferior em contato com a mesa de impressão, pois isso gera cantos finos que provocam descolamento e empenamento (warping). Substitua por um chanfro de 45° (chamfer).
• Furações para Parafusos: Projete orifícios com folga calculada (+0,2 a 0,4 mm) ou utilize insertos roscados a quente de latão (heat-set inserts) para fixações duráveis que podem ser parafusadas e desparafusadas repetidas vezes sem espanar.