FACULDADE DE ENGENHARIA
DA UNIVERSIDADE DO PORTO
Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica (MIEM)
Análise da influência da pigmentação na qualidade
de peças impressas por FFF em PLA e PETG
Francisco Forte Alvim de Castro – up201403574
Orientador: Fernando Jorge Lino Alves (Professor Dr. – FEUP, Portugal) Co-Orientador: Leonardo Santana (Investigador Dr. – UFSC, Brasil)
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v Resumo: a impressão 3D por extrusão, conhecida atualmente por Fabricação por Filamentos Fundidos (FFF), revolucionou o mercado tecnológico, aproximando o Fabrico Aditivo a um grupo diversificado de utilizadores. Essa democratização só foi alcançada graças aos esforços de muitos entusiastas que tornaram os sistemas de impressão 3D um grupo de máquinas de código aberto e baixo custo. Como era de se esperar, muitos equipamentos surgiram nos últimos anos e com eles uma grande variedade de materiais de impressão, incluindo os filamentos termoplásticos pigmentados. A principal questão é que estes materiais são comercializados sem nenhum padrão em termos de tipos de pigmentos e quantidades, variando, portanto, de fornecedor para fornecedor. Os aditivos alteram as propriedades térmicas e reológicas dos materiais, conduzindo à necessidade de parametrizações específicas por cores, que muitas vezes são negligenciadas por quem os comercializa. Neste sentido, este trabalho de mestrado procura, através de um estudo isoparamétrico, mostrar como a cor pode influenciar as propriedades mecânicas de peças em FFF em quatro situações distintas: (i) após a impressão, (ii) após tratamentos térmicos (recozido e reprocessamento em cama de pó), (iii) após exposição atmosférica e (iv) na impressão multicor. Para isso, foram utilizadas duas bases poliméricas, Ácido Polilático (PLA) e Politereftalato de etileno glicol (PETG), sendo analisadas quatro cores distintas para cada material: azul, branco, laranja e vermelho. Experimentalmente o trabalho foi dividido em dois momentos: análise individual de peças por cores e avaliação de peças multicores. Na primeira etapa, foram investigadas as três primeiras situações (i, ii, iii) mencionadas anteriormente, sendo as peças produzidas nas diferentes cores avaliadas por medição de massa, cor e ensaios mecânicos à flexão. O segundo estudo focou-se na análise da qualidade da adesão entre partes em diferentes cores, numa mesma peça, através de ensaios de resistência ao rasgamento. Os resultados do trabalho mostram que as cores afetam de forma significativa o módulo e a resistência mecânica máxima de peças fabricadas por FFF. Para além disso, os pigmentos alteram de forma aleatória o comportamento mecânico de componentes submetidos a tratamentos térmicos e exposição atmosférica, impedindo a construção de modelos de previsão para respostas pós-impressão. A impressão colorida ainda é um desafio, já que a análise da resistência da linha de adesão entre cores é afetada pelo funcionamento do equipamento auxiliar de impressão multicor (Palette 2S). Por fim, o estudo ressalta a importância do reconhecimento das propriedades de cada filamento em função dos seus pigmentos, alertando os utilizadores sobre a importância de considerar este fator para a parametrização de impressão, pós-tratamento e aplicações que exigem exposição ao meio ambiente. Para além disso, ressalta a importância de regulamentações sobre a produção e desenvolvimento de fichas técnicas de materiais coloridos.
Palavras-chave: FFF, PLA, PETG, pigmento, isoparamétrico, tratamento térmico, exposição atmosférica, multicor.
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vii Abstract: extrusion-based 3D printing, also known as Fused Filament Fabrication (FFF), revolutionized the technological market, bringing closer together both Additive Manufacturing and its very diverse group of users. That democratization was only possible with the efforts of the enthusiast community that made 3D printing setups open-source and low-cost. As expected, many systems appeared in the last years and, with them, a vast diversity of printing materials, colored filaments included. The question is that these materials are marketed without any standard for the types and quantities of pigments, varying between manufacturers. These additives alter the thermal and rheological properties of the materials, leading to the necessity of specific parameterization by color that are neglected by the distributors. In this sense, this master’s research aims, through an isoparametric study, to demonstrate how the color of the material can influence the mechanical properties in parts obtained by FFF in four different situations: (i) “as printed”, (ii) after heat treatments (annealing and reprocessing in powder bed), (iii) after atmospheric exposure and (iv) in multicolored printing. For that, two polymeric bases were used, Polylactic Acid (PLA) and Polyethylene Terephthalate Glycol (PETG), analyzed in four different colors for each material: blue, white, orange and red. Experimentally, this work was divided in two distinct moments: individual analysis of printed parts by color and analysis of multicolored parts. In the first stage, the first three previously mentioned condition (I, ii, iii) were investigated, being the different colored produced parts analyzed by measurement of mass, color, and flexural mechanical tests. The second stage focused on the analysis of the adhesion quality between different colored parts in the same specimen, through tear resistance tests. The results of this work show that the colors significantly affect the flexural modulus and maximum mechanical strength of the FFF parts. Moreover, the pigments randomly alter the mechanical behavior of the parts submitted to heat treatments and atmospheric exposure, preventing the construction of a prediction model for the behavior after printing. Multicolored printing is still a challenge once the analysis of the adhesion line between colors is affected by the performance of the auxiliary equipment for multicolored printing. Lastly, this study highlights the need to acknowledge the properties of each filament based on its pigment, alerting the user about the importance of taking this factor into account for the printing parameterization, post-treatment and applications that require atmospheric exposure. Furthermore, this work highlights the need for standardization in manufacturing and development of technical datasheets of colored materials.
Keywords: FFF, PLA, PETG, pigment, isoparametric, heat treatment, atmospheric exposure, multicolor.
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ix Bibliografia gerada a partir da dissertação
[1] CASTRO, Francisco, SANTANA, Leonardo, ALVES, Jorge Lino. “Parameterization calibration for heat treatments applied to PLA parts obtained in FFF 3D printers”. In: DOCTORAL CONGRESS IN ENGINEERING, 4th, 2021, Porto, Book of abstracts and invited lectures of the 4th Symposium on Mechanical Engineering, Porto,
2021: FEUP Edições, 2021
[2] CASTRO, Francisco, SANTANA, Leonardo, ALVES, Jorge Lino. “Extrusion-based 3D Printing: Color Influence on Mechanical Properties of PLA Parts”. INTERNATIONAL CONGRESS OF MECHANICAL ENGINEERING (COBEM2021), 26, 2021, Florianópolis – SC. Novembro 2021. Resumo aceite e versão preliminar do artigo em análise.
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xi Agradecimentos
Gostaria de agradecer a todas as pessoas que direta e/ou indiretamente estiveram presentes durante o desenvolvimento do trabalho desta dissertação, bem como ao longo de todo o meu percurso no MIEM.
Em primeiro lugar, ao orientador desta dissertação, Professor Jorge Lino, pela oportunidade de realizar esta dissertação, numa área do meu interesse particular, por toda a disponibilidade e ajuda prestada, bem como por ter disponibilizado os recursos necessários à realização deste trabalho.
Ao coorientador deste trabalho, Dr. Leonardo Santana, por toda a paciência, disponibilidade, orientação e discurso incentivador.
Ao Dr. Marco Marques por toda a ajuda, disponibilidade e partilha de conhecimento.
Aos meus pais, por sempre me apoiarem e disponibilizarem condições ao longo do percurso que foi o MIEM.
À minha irmã, Sofia, por todo o apoio e disponibilidade para ajudar.
À Matilde, por toda a paciência, compreensão, apoio e ajuda ao longo deste trabalho.
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xiii Lista de Acrónimos
3D – Tridimensional
ABS – Acrilonitrilo Butadieno Estireno
ANOVA – Analysis of Variance (Análise de variância) ASTM – American Society for Ttesting and Materials CAD – Computed Aided Design
CAM – Computer Aided Manufacturing CNC – Computer Numeric Control CV – Coeficiente de variação FA – Fabrico Aditivo
FDM – Fused Deposition Modeling FFF – Fused Filament Fabrication
FTIR – Fourier Transformed Infrared Spectroscopy HIPS – Poliestireno de elevada resistência ao impacto
LDPS – Laboratório de Desenvolvimento de Produto e Serviços MF – Módulo à Flexão
PETG – Politereftalato de etileno glicol PLA – Ácido Polilático
PTFE – Politetrafluoretileno PVA – Acetato de polivinilo
STL – Standard Triangle (Tesselation) Language TMF – Tensão Máxima à Flexão
TPU – Poliuretano Termoplástico TT – Tratamento Térmico
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xv Lista de Símbolos
α – Nível de significância da análise estatística (ANOVA) ρ – Massa volúmica
Tc – Temperatura de cristalização
Textrusão – Temperatura de extrusão
Tfusão – Temperatura de fusão
Tg – Temperatura de transição vítrea
WD – Massa da amostra seca para medição da massa volúmica
Wi – Massa da amostra mergulhada em água destilada para medição da massa
volúmica
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Índice de Conteúdos
1. Introdução ... 1 1.1. Objetivos do projeto ... 1 1.1.1. Objetivo geral ... 1 1.1.2. Objetivos específicos ... 2 1.2. Metodologia ... 2 1.3. Etapas da dissertação ... 3 2. Revisão bibliográfica ... 5 2.1. Fabrico Aditivo ... 5 2.2. Processo FFF ... 6 2.3. Tipos de impressoras ... 8 2.4. Impressão multicor ... 92.4.1. Múltiplos cabeçotes de extrusão ... 9
2.4.2. Bloco de extrusão único ... 10
2.4.3. Palette 2S ... 11
2.5. Sotware de slicing e controlo ... 13
2.6. Parâmetros de impressão ... 14
2.7. Materiais poliméricos ... 16
2.8. Aditivos e pigmentos ... 17
2.9. Tratamentos térmicos ... 19
2.10. Medição de cor ... 20
2.11. Resumo da literatura em impressão multicor ... 22
3. Materiais e métodos ... 25
3.1. Materiais utilizados ... 26
3.2. Caracterização dos filamentos ... 27
3.2.1. Medição da massa volúmica ... 27
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3.3. Montagem da impressora ... 29
3.4. Calibração da impressora ... 34
3.5. Metodologia aplicada ao caso de estudo 1... 39
3.5.1. Impressão dos provetes ... 39
3.5.2. Análise da massa ... 40 3.5.3. Análise dimensional ... 41 3.5.4. Análise da cor ... 42 3.5.5. Ensaios mecânicos ... 44 3.5.6. Tratamentos térmicos ... 44 3.5.7. Exposição atmosférica ... 49
3.6. Metodologia aplicada ao caso de estudo 2... 50
3.6.1. Calibração do Palette 2S ... 51
3.6.2. Impressão de provetes multicor ... 54
3.6.3. Impressão de torres de temperatura ... 55
4. Resultados e discussão ... 57
4.1. Resultados da caracterização dos filamentos ... 57
4.1.1. Massa volúmica ... 57
4.1.2. FTIR ... 58
4.2. Caso de estudo 1 com peças impressas ... 60
4.2.1. Sem Tratamento ... 61 4.2.2. Recozido ... 65 4.2.3. Reprocessamento ... 67 4.2.4. Comparação de condições ... 68 4.2.5. Exposição Atmosférica ... 76 4.2.6. Medição de cor ... 79 4.3. Caso de estudo 2 ... 82
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4.3.2. Impressão de torres de temperatura ... 84
5. Conclusões e trabalhos futuros ... 87
6. Referências ... 91
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xxi Índice de Figuras
Figura 1 - Etapas da dissertação ... 3
Figura 2 - Estágios do processo de fabrico aditivo (Campbell 2011, adaptado). ... 5
Figura 3 - Esquema de uma impressora FFF (Manufacturing Guide s.d., adaptado); 1 – Base; 2 – Filamento; 3 – Engrenagens do bloco de extrusão; 4 – Bico de extrusão; 5 – Estrutura de suporte. ... 7
Figura 4 - Estágios do processo de impressão 3D por FDM. ... 7
Figura 5 – Esquema do tipo de impressora 3D cartesiana (a) e delta (b) (EngiPrinters 2020, adaptado). ... 9
Figura 6 - Exemplo de bloco de extrusão duplo (Pick 3D Printer 2021, adaptado). . 10
Figura 7 - Exemplo de bloco de extrusão único para impressão multimaterial (RepRap 2018, adaptado). ... 11
Figura 8 – Sistema Palette 2S: vista frontal (Mosaic Manufacturing s.d.) (a) e blocos funcionais (Mosaic Manufacturing s.d., adaptado) (b); 1 – Bloco de condução; 2 – Bloco de corte; 3 – Bloco de ligação; 4 – Bloco de alimentação; 5 – Tubo de ligação. ... 12
Figura 9 - Fio de filamento produzido pelo sistema Palette 2S (Mosaic Manufacturing 2021). ... 13
Figura 10 - Conversão do modelo ".stl" (a) em camadas (b). ... 13
Figura 11 - Espaço de cor CIELAB (Ly, et al. 2020, adaptado). ... 21
Figura 12 - Colorímetro portátil (PCE Instruments s.d., adaptado). ... 22
Figura 13 - Esquema da metodologia aplicada. ... 25
Figura 14 - Filamentos utilizados... 26
Figura 15 – Balança utilizada para medição da massa volúmica (a) e amostras dos filamentos para análise (b). ... 28
Figura 16 - Equipamento utilizado para o ensaio FTIR (Cary 630 FTIR). ... 29
Figura 17 - Ambiente virtual do manual de montagem da impressora Prusa i3 MK3s (Prusa Research 2021). ... 30
Figura 18 – Subconjuntos da base e eixo Y (a), do eixo X (b) e do eixo Z (c). ... 30
Figura 19 – Montagem do cabeçote no eixo X (a) e vista ampliada do cabeçote de extrusão (b). ... 31
xxii Figura 20 - Sistema motorizado de alimentação de filamento (material de construção) (Prusa Research 2021, adaptado) (a) e bloco de aquecimento (Prusa Research 2021, adaptado) (b). ... 31 Figura 21 - Subconjunto do ecrã LCD. ... 32 Figura 22 – Subconjunto da base de aquecimento (a) e fonte de alimentação (b). . 32 Figura 23 - Caixa de proteção da placa mãe e ligações eletrónicas. ... 33 Figura 24 - Instalação da impressora utilizada. Na figura vê-se também o sistema
Palette. ... 33
Figura 25 - Esquema da distância entre o bico e a base de impressão (MatterHackers 2020, adaptado). ... 35 Figura 26 - Imagens disponibilizadas pelo fabricante para comparação e calibração da primeira camada de impressão (Prusa Research 2020, adaptado). ... 35 Figura 27 - Cubo de teste para verificação da precisão dimensional (a); L para verificação da perpendicularidade dos eixos (b) e torre de calibração da extrusão linear (c). ... 36 Figura 28 - Cubo de teste impresso com o filamento Prusa Research. ... 37 Figura 29 - Exemplo de sob extrusão na superfície do topo do cubo (a) e exemplo de sobre extrusão e deformação dos cantos da amostra (b). ... 38 Figura 30 - Dimensões dos provetes segundo ASTM D790 (ASTM 2012) (todas as dimensões em milímetros (mm)). ... 39 Figura 31 - Vistas frontal da disposição dos provetes (a), de topo da disposição dos provetes (b) e esquema do distanciamento e numeração dos provetes (c). ... 39 Figura 32 – Balança utilizada na medição de massa (a) e características técnicas do equipamento (b). ... 40 Figura 33 - Paquímetro digital utilizado para análise dimensional. ... 41 Figura 34 - Pontos de medição do comprimento (a), da largura (b) e da espessura (c). ... 41 Figura 35 - Colorímetro utilizado na análise da cor. ... 42 Figura 36 – Medição da cor do provete laranja (a) e valores incoerentes dos parâmetros de cor medidos (b). ... 42 Figura 37 - Medição da cor de uma peça laranja (a) e valores dos parâmetros de cor corretamente medidos (b). ... 43 Figura 38 – Metodologia adaptada para medição dos provetes laranja (a) e valores dos parâmetros de cor corretamente medidos com a metodologia adaptada (b). ... 43
xxiii Figura 39 – Máquina de ensaios utilizada. ... 44 Figura 40 – Mufla utilizada para realização dos tratamentos térmicos (a) e especificações técnicas do equipamento (b). ... 45 Figura 41 – Disposição dos provetes para tratamento térmico de recozimento: (a) De acordo com a numeração; (b) Dentro da mufla. ... 46 Figura 42 – Posicionamento dos provetes no recipiente (a) e recipiente pronto a colocar na mufla e bloco de aço (b). ... 47 Figura 43 – Aquisição de dados de temperatura com sistema DataLogger; (a) e curva “temperatura vs tempo” recolhida pelo sistema de aquisição de dados (b). ... 48 Figura 44 – Instalação para exposição atmosférica dos provetes (a), modo de amarração dos provetes (b) e instalação dos provetes para exposição atmosférica (c). ... 50 Figura 45 - Sistema Palette 2S: visão frontal (a) e blocos funcionais (b). ... 51 Figura 46 - Modelo 3D de calibração da impressão multicor (Mosaic Manufacturing s.d.). ... 53 Figura 47 - Processo iterativo de calibração para impressão multicor. ... 53 Figura 48 - Provetes de ensaio de resistência ao rasgamento (a), pormenor da zona de ligação (b) e todas as combinações de cores (c). ... 54 Figura 49 - Modelo 3D da torre de temperatura: vista frontal (a) e perspetiva isométrica (b). ... 55 Figura 50 – Curva de análise do FTIR do PLA (a) e do PETG (b). ... 58 Figura 51 – Resultados da medição de massa do PLA (a) e do PETG (b). ... 61 Figura 52 – Resultados do módulo à flexão (MF) do PLA, em função da condição: (a) Azul; (b) Branco; (c) Laranja; (d) Vermelho. ... 69 Figura 53 – Resultados da tensão máxima à flexão (TMF) do PLA: (a) Azul; (b) Branco; (c) Laranja; (d) Vermelho. ... 70 Figura 54 - Resultados do módulo à flexão (MF) do PETG: (a) Azul; (b) Branco; (c) Laranja; (d) Vermelho. ... 73 Figura 55 - Resultados da tensão máxima à flexão (TMF) do PETG: (a) Azul; (b) Branco; (c) Laranja; (d) Vermelho. ... 74 Figura 56 - Condições atmosféricas médias: (a) Temperatura; (b) Humidade; (c) Índice UV; (d) Cobertura de nuvens. ... 76 Figura 57 - Comparação da cor do provete com o resultado da medição do PLA: (a) Azul; (b) Branco; (c) Laranja; (d) Vermelho. ... 81
xxiv Figura 58 - Comparação da cor do provete com o resultado da medição do PETG: (a) Azul; (b) Branco; (c) Laranja; (d) Vermelho. ... 82 Figura 59 - Torres de temperatura (PLA) para o filamento: (a) Azul; (b) Branco; (c) Laranja; (d) Vermelho. ... 84 Figura 60 - Esquema de TT de: (a) Um (1) patamar; (b) Dois (2) patamares; (c) Três (3) patamares. ... 99 Figura 61 -Provete após impressão (a), degradado (b) e adesão de sal (c) ... 102 Figura 62 –(a) Curvas médias das condições extremas de recozido do PLA; (b) Cuvas médias das condições extremas de reprocessamento do PLA; (c) Curvas médias das condições extremas de recozido do PETG; (d) Curvas médias das condições extremas de reprocessamento do PETG. ... 103 Figura 63 – Correspondência de tratamentos e codificações para o PLA (a) e resultados da análise de variância (b). ... 106 Figura 64 - Correspondência de tratamentos e codificações para o PETG (a) e resultados da análise de variância (b). ... 107
xxv Índice de Tabelas
Tabela 1 - Opções de impressoras 3D disponíveis no mercado. ... 9 Tabela 2 - Softwares de slicing. ... 14 Tabela 3 - Principais materiais para impressão 3D e respetivas propriedades (Horvarth 2014, adaptado) (Filamentive 2020, adaptado) (Tanikella, Wiitbrodt e Pearce 2017). ... 16 Tabela 4 - Propriedades do PLA e PETG (Matmatch 2020, adaptado)... 17 Tabela 5 - Principais tipos de aditivos utilizados em polímeros e respetivas funções (Almeida e Souza 2015, adaptado). ... 18 Tabela 6 - Tipos de pigmentos e respetivas características em função da cor (SpecialChem 2018). ... 19 Tabela 7 - Propriedades dos materiais fornecidas pelo fabricante (Filament-PM by Plasty Mladec 2018) (Filament PM by Plasty Mladec 2019). ... 27 Tabela 8 - Parâmetros de impressão utilizados. ... 38 Tabela 9 – Parâmetros utilizados para os tratamentos térmicos. ... 49 Tabela 10 - Parâmetros utilizados na impressão multicor. ... 52 Tabela 11 – Resultados médios das medições das massas volúmicas dos filamentos e análise estatística. ... 57 Tabela 12 – Resultados da análise de FTIR. ... 58 Tabela 13 – Resultados médios da medição da massa e teste de Tukey. ... 61 Tabela 14 - Resultados da ANOVA para as propriedades mecânicas do PLA e PETG na condição “SemTrat”. ... 63 Tabela 15 - Resultados da condição "SemTrat" para o PLA e PETG e análise estatística. ... 63 Tabela 16 - Resultados da ANOVA para as propriedades mecânicas do PLA e PETG na condição “Recozido”. ... 65 Tabela 17 -Resultados da condição “Recozimento” para o PLA e PETG e análise estatística. ... 66 Tabela 18 - Resultados da ANOVA para as propriedades mecânicas do PLA e PETG na condição “Reprocessamento”. ... 67 Tabela 19 - Resultados da condição "Reprocessamento" para o PLA e PETG e análise estatística. ... 67
xxvi Tabela 20 - Propriedades mecânicas do PLA na condição “ExpAtm” e teste de Scott-Knott. ... 77 Tabela 21 - Propriedades mecânicas do PETG na condição “ExpAtm” e teste de Scott-Knott. ... 79 Tabela 22 - Parâmetros CIELAB do PLA e do PETG em função da condição. ... 80 Tabela 23 - Resultados dos ensaios de resistência ao rasgo. ... 83 Tabela 24 - Temperatura escolhida em função do material. ... 84 Tabela 25 - Condições de tratamento térmico e respetivos parâmetros. ... 100 Tabela 26 – Propriedades mecânicas do PLA em função da condição de tratamento térmico. ... 101 Tabela 27 – Propriedades mecânicas do PETG em função da condição. ... 102 Tabela 28 - Tratamentos térmicos escolhidos para os respetivos materiais. ... 105
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1. Introdução
A motivação para a realização deste trabalho provém do interesse na tecnologia de impressão tridimensional, particularmente, nos equipamentos de baixo custo (low
cost) baseados na tecnologia de Fabricação por Filamentos Fundidos (FFF). Uma vez
que apresentam valores cada vez mais acessíveis, tanto em máquinas, como em materiais, permitem a um vasto número de pessoas, técnicas ou não, produzirem protótipos das suas ideias e realizar projetos num curto espaço de tempo.
Atualmente, com a evolução e aparecimento de sistemas periféricos, ou auxiliares, que permitem o fabrico de peças multicolor em FFF, a abordagem do uso de materiais pigmentados e seus desafios em torno de configuração de impressão, capacidade de pós-tratamento e resposta ao ambiente de aplicação, torna este tema particularmente interessante.
1.1. Objetivos do projeto
1.1.1.
Objetivo geral
Este trabalho tem como objetivo avaliar a influência de aditivos de pigmentação, inseridos na matriz polimérica dos filamentos consumíveis, na qualidade de peças fabricadas por Impressão 3D FFF, através da análise das propriedades mecânicas de componentes em diferentes situações, isto é, após a sua impressão, após tratamentos térmicos, após exposição às condições atmosféricas e na integridade da ligação entre camadas de diferentes cores.
2
1.1.2.
Objetivos específicos
Os objetivos específicos propostos são:
• Montagem e calibração de uma impressora 3D do tipo FFF (extrusão de plástico);
• Seleção e caracterização de filamentos poliméricos com aditivos de pigmentação;
• Fabrico de provetes, em diferentes cores, para análise da qualidade após a Impressão 3D, após tratamentos térmicos e após exposição atmosférica; • Calibração dos parâmetros, tempo e temperatura, para tratamentos
térmicos de recozido e reprocessamento em cama de pó;
• Análise da qualidade das peças através da mediação da massa, cor e ensaios mecânicos de flexão;
• Estudo da impressão 3D de peças multicolor e análise da qualidade da linha de adesão entre diferentes cores através de ensaio de resistência ao rasgamento.
1.2. Metodologia
O presente trabalho inicia-se com um estudo de revisão sobre o processo de impressão 3D por Fabricação por Filamentos Fundidos (FFF), seguido da montagem de uma impressora Prusa e respetiva análise sobre o funcionamento e calibração da mesma. Posteriormente, foi realizada a caracterização dos filamentos termoplásticos pigmentados e das propriedades mecânicas dos diferentes materiais após a sua impressão, bem como após a realização de tratamentos térmicos e exposição atmosférica. Do ponto de vista prático, o trabalho ainda envolveu medições de massa das peças e análise da cor.
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1.3. Etapas da dissertação
Neste tópico são apresentadas as diversas etapas desta dissertação (Figura 1).
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2. Revisão bibliográfica
2.1. Fabrico Aditivo
O processo de Fabrico Aditivo (FA) permite a construção de objetos físicos a partir de modelos CAD 3D virtuais. O processo baseia-se na adição sucessiva de camadas de material depositadas até à obtenção da geometria pretendida (González 2016).
As tecnologias de FA, de maneira geral, seguem o seguinte procedimento:
1. Criação de um modelo CAD 3D (obtido a partir de modelação tradicional, varrimento 3D ou por download em repositórios online);
2. Conversão do modelo CAD 3D num ficheiro “.stl” (outras opções também são utilizadas: “.obj”, “.amf”, “.3mf”);
3. Utilização de um software para fatiamento (slicing) do arquivo 3D (.”stl”) em camadas e planeamento do processo de impressão 3D;
4. Conversão do ficheiro, tradicionalmente, em “.gcode” para leitura da impressora;
5. Impressão 3D.
Ilustra-se este processo na Figura 2.
6 A norma mais utilizada para classificação dos processos de FA é a americana ASTM F2792 (ASTM 2012), que define sete categorias:
• Binder Jetting – processo onde é depositado seletivamente um ligante para unir um material na forma de pó;
• Directed Energy Deposition – técnica que utiliza energia térmica (laser, feixe de eletrões ou plasma) para fundir as camadas de material sucessivamente adicionadas;
• Material Extrusion – tecnologia em que o material é extrudido e seletivamente depositado através de um bico ou orifício calibrado;
• Material Jetting – sistema na qual gotículas de material são seletivamente depositadas e curadas;
• Powder Bed Fusion – processo em que se utiliza energia térmica para seletivamente aglutinar regiões de uma base de pó;
• Sheet Lamination – processo onde camadas (folhas) de material são sucessivamente coladas e cortadas de forma a obter um objeto;
• VAT Photopolymerization – processo em que o fotopolímero líquido, colocado dentro de uma cuba, é seletivamente solidificado (geralmente por um sistema laser) e em seguida curado, polimerizado, em câmara com luz UV.
Nesta dissertação, apenas será abordado o processo de Modelação por Extrusão de Plástico (FDM - Fused Deposition Modeling), ou Fabricação por Filamentos Fundidos (FFF – Fused Filament Fabrication), estando este integrado no grupo de processos de Extrusão de Material (Material Extrusion). O termo FDM está associado à empresa que o desenvolveu e patenteou, a Stratasys®. Com a queda da patente do
processo e a generalização desta tecnologia em equipamentos de baixo custo e código aberto, a utilização do termo FFF passou a ser mais utilizada e conhecida, e como tal será a adotada neste documento.
2.2. Processo FFF
A Modelação por Extrusão de Plástico (FFF) é um processo de Fabrico Aditivo que utiliza um cabeçote de extrusão para tracionar, aquecer e transformar um filamento
7 de um material termoplástico, que será depositado para construir um objeto por adição sucessiva de camadas (Deans 2017).
Seguindo o esquema da Figura 3 (Manufacturing Guide s.d.), o modelo é construído sobre uma base (1). O termoplástico, na forma de filamento (2), é tracionado e empurrado por um conjunto de engrenagens (3), atravessando o bico de extrusão (4), que é aquecido a uma temperatura suficientemente elevada para que seja possível dar-se a transformação do polímero para o estado pastoso, ou semi-líquido, e assim permitir a extrusão do material. Este cabeçote, ou bloco de extrusão movimenta-se sobre a base utilizando coordenadas cartesianas (eixos X, Y e Z) (Gibson, et al. 2021).
Caso seja necessário construir estruturas que não são autossustentáveis — tais como partes ocas, de transição (pontes), inclinadas, ou um furo interior — é possível imprimir elementos de suporte (5), que deverão ser removidos posteriormente (através de banho em água, soluções químicas ou por operações de corte manuais).
Figura 3 - Esquema de uma impressora FFF (Manufacturing Guide s.d., adaptado); 1 – Base; 2 – Filamento; 3 – Engrenagens do bloco de extrusão; 4 – Bico de extrusão; 5 – Estrutura de suporte.
Apresenta-se na Figura 4 os principais estágios do processo FFF.
8 A primeira etapa do processo é a obtenção do modelo CAD 3D. Este pode ser desenvolvido ou obtido por levantamento de forma com um equipamento de digitalização 3D.
De seguida, é necessária a conversão do ficheiro do modelo CAD 3D num ficheiro “.stl”, que transforma todas as superfícies do modelo numa malha de triângulos. O número de triângulos criados nesta fase irá definir a precisão dimensional e a resolução do modelo.
Após conversão em ficheiro “.stl”, através de um software de fatiamento (slicing), será obtido o ficheiro “.gcode”.
O “g-code” é uma linguagem de programação semelhante à utilizada nas máquinas CNC, apesar de ser específico para as impressoras 3D.
2.3. Tipos de impressoras
As impressoras 3D que utilizam a tecnologia FFF podem ser, de forma geral, distinguidas entre dois tipos (Figura 5), em função da sua configuração (Martel 2017):
• Impressoras cartesianas:
o Impressoras com três eixos perpendiculares (eixo X, Y e Z), que funcionam de forma independente entre si (Figura 5 (a));
o Volume de impressão normalmente cúbico;
o Origem do sistema de coordenadas encontra-se num vértice da base de impressão.
• Impressoras delta:
o Impressoras com três eixos verticais, onde um movimento horizontal é função da movimentação conjugada de todos os eixos (Figura 5 (b));
o Volume de impressão normalmente cilíndrico;
o Origem do sistema de coordenadas encontra-se no centro da base de impressão.
9
Figura 5 – Esquema do tipo de impressora 3D cartesiana (a) e delta (b) (EngiPrinters 2020, adaptado).
O mercado atual de impressoras 3D do tipo cartesiana e delta é repleto de opções de máquinas, desde as mais simples, que imprimem com um único material de cada vez, às mais complexas, que envolvem, por exemplo, os sistemas multicolores (processamento de dois ou mais materiais numa mesma impressão) (Hoffman 2021). Apresentam-se alguns destes equipamentos na Tabela 1, bem como o seu valor de venda.
Tabela 1 - Opções de impressoras 3D disponíveis no mercado.
Impressora Fabricante Tipo Valor
Ender 3 v2 Creality Cartesiana ~276 €
Original Prusa i3 MK3S (kit) Prusa Research Cartesiana ~769 €
Vyper Anycubic Cartesiana ~335 €
Q5 FLSun Delta ~209 €
K280 He3D Delta ~276 €
Delta Pro Monoprice Delta ~586 €
Nota: Valores retirados dos sites dos fabricantes, em 23 junho 2021 (convertidos em euros com a conversão 1 $ - 0,84 €)
2.4. Impressão multicor
Nesta secção serão abordadas as principais opções de sistemas disponíveis no mercado para a impressão 3D multicor.
2.4.1.
Múltiplos cabeçotes de extrusão
Esta configuração, em termos gerais, apresenta dois blocos de extrusão simples acoplados entre si (Figura 6).
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Figura 6 - Exemplo de bloco de extrusão duplo (Pick 3D Printer 2021, adaptado).
Este sistema apresenta como principal vantagem o controlo distinto das temperaturas de extrusão, possibilitando o uso de dois materiais diferentes numa mesma impressão. Geralmente, este sistema é utilizado com um material de suporte solúvel (Acetato de polivinilo (PVA) ou o Poliestireno de elevada resistência ao impacto (HIPS)) num bloco de extrusão e noutro o material de construção.
Apresentam como grande desvantagem a necessidade de uma correta calibração da distância entre os dois bicos de extrusão para garantir o alinhamento dos diferentes materiais durante o processo de impressão. Esta situação também dificulta a correta nivelação da plataforma, ou base, de construção (Brandão 2018).
2.4.2.
Bloco de extrusão único
Esta configuração apresenta um único cabeçote de extrusão, sendo alimentando por dois ou mais filamentos. (Figura 7).
Este sistema apresenta a possibilidade de misturar filamentos devido à alimentação de múltiplos materiais. Além disso, elimina os problemas de desalinhamentos da solução de múltiplos blocos de extrusão apresentada anteriormente. No entanto, este sistema não permite o controlo independente de temperaturas de extrusão de cada material (Brandão 2018).
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Figura 7 - Exemplo de bloco de extrusão único para impressão multimaterial (RepRap 2018, adaptado).
2.4.3.
Palette 2S
O sistema Palette 2S é um equipamento da marca Mosaic Manufacturing (Mosaic Manufacturing s.d.) (Figura 8) que permite a impressão multicolor quando acoplado a qualquer impressora 3D.
O modelo em questão permite a alimentação de até quatro filamentos, produzindo um único fio que alimenta o cabeçote de extrusão do equipamento de impressão. A produção deste fio é executada com recurso ao corte e colagem de vários trechos (segmentos) dos filamentos de entrada. É de salientar o facto deste sistema permitir também a conjugação de diferentes materiais como, por exemplo, a combinação de Ácido Polilático (PLA) e Poliuretano Termoplástico (TPU) (material flexível) (Pascale e Simion 2018).
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Figura 8 – Sistema Palette 2S: vista frontal (Mosaic Manufacturing s.d.) (a) e blocos funcionais (Mosaic Manufacturing s.d., adaptado) (b); 1 – Bloco de condução; 2 – Bloco de corte; 3 – Bloco de ligação; 4 – Bloco de
alimentação; 5 – Tubo de ligação.
Como é mostrado na Figura 8 (b), o sistema é constituído por:
1. Bloco de condução: mecanismo que controla a alimentação dos filamentos de entrada;
2. Bloco de corte: mecanismos que realiza o corte dos filamentos de entrada; 3. Bloco de ligação: mecanismo que realiza o aquecimento das extremidades
dos filamentos, a sua colagem e o arrefecimento (Figura 9);
4. Bloco de alimentação: este bloco garante que não existem falhas de alimentação de filamento ao equipamento de impressão.
5. Tubo de ligação: no fim do bloco de alimentação encontra-se um tubo PTFE que faz a ligação do Palette ao bloco de extrusão da impressora. Em função da disponibilidade do sistema no laboratório LDPS/FEUP, esta foi a opção de impressão multicor utilizada neste trabalho de mestrado.
13
Figura 9 - Fio de filamento produzido pelo sistema Palette 2S (Mosaic Manufacturing 2021).
2.5. Sotware de slicing e controlo
Como referido em 2.1, a primeira etapa do processo de fabrico aditivo é a criação do modelo 3D, que depois será fatiado em camadas e convertido num ficheiro “.gcode”.
A geração deste código é realizada num software CAM, onde são definidas as configurações dos parâmetros de impressão e todo o planeamento do processo de fabrico. É neste código que se encontra a informação necessária ao funcionamento do equipamento de impressão (Volpato, et al. 2017).
Estes softwares são designados de fatiadores (slicers), porque executam a conversão de modelos “.stl” em modelos em camadas (Figura 10).
O processo de impressão 3D por FFF assenta, principalmente, no conceito de open
source, pelo que a maioria dos softwares de slicing são de acesso gratuito e com
elevada capacidade de customização. São apresentados na Tabela 2 algumas das opções disponíveis.
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Software Custo Nível de utilizador
Cura Livre Iniciante
Octoprint Livre Intermédio
Slic3r Livre Profissional
PrusaSlicer Livre Intermédio/Profissional
Simplify 3D Pago Profissional
2.6. Parâmetros de impressão
De forma a obter peças impressas com a qualidade desejável, é necessário definir os diversos parâmetros de impressão encontrados no slicer. O correto ajuste destes parâmetros influencia diretamente as propriedades finais da peça e da impressão, tais como, o tempo de impressão, a quantidade de material utilizada, as propriedades mecânicas, a precisão dimensional e a qualidade das superfícies (Kristiawan, et al. 2021).
• Altura de camada: define a altura dos filamentos nas camadas depositadas. Um valor inferior, resultará numa maior resolução dos objetos produzidos e melhor acomodação das camadas. Um valor superior, possibilitará uma redução do tempo de impressão. Este parâmetro é dependente da dimensão do bico de extrusão (Khan e Shaikh 2014);
• Largura de camada: define a largura do filamento depositado dentro de uma camada. O seu valor é múltiplo da dimensão da dimensão do bico de extrusão (por norma 1,2 vezes o valor do diâmetro do bico de extrusão) (Agarwala, et al. 1996);
• Ângulo de impressão / varrimento (raster angle): ângulo, em relação ao eixo X da plataforma de construção, em que as linhas de filamento são depositadas dentro das camadas (Sood, Ohdar e Mahapatra 2011)
• Orientação de construção: define a posição/inclinação que a peça faz com a base de construção. Devido à natureza tipicamente anisotrópica dos componentes fabricados por FFF, terá influência direta na resistência mecânica das peças (Bagsik 2011);
15 • Percentagem de preenchimento: corresponde à densidade/quantidade de material no espaço interno de uma peça. É definido por valores percentuais. Maior preenchimento aumenta a resistência mecânica dos componentes, à custa de maiores tempos de impressão e gasto de material (Riddick, et al. 2016);
• Velocidades de impressão: define a velocidade linear que o bloco de extrusão atinge durante os movimentos de deposição de material. São geralmente definidos diferentes valores de velocidade de acordo com a zona de impressão (primeira camada, perímetros ou preenchimento) (Yuan 2008) ;
• Velocidade volumétrica máxima: define uma relação entre a altura de camada, a largura de camada e a velocidade de impressão (dada pela multiplicação dos três fatores e expressa em mm3/s). Este parâmetro é,
portanto, uma taxa de transferência volumétrica, isto é, a quantidade de material depositado por unidade de tempo durante o movimento e é determinado também em função em função do bico de extrusão e do comportamento reológico do material (especialmente a viscosidade) (Yuan 2008) (Agarwala, et al. 1996) (Prusa Research 2020);
• Temperatura de extrusão e da base: definem os valores de temperatura a que o bico (temperatura de extrusão) e a base aquecida (temperatura da base) se encontram durante o processo de impressão. Estes valores são função das propriedades do material (Yuan 2008);
• Fluxo de material (Multiplicador de extrusão): representa a quantidade de material que é extrudido por unidade de tempo. O fluxo de material é controlado pelo multiplicador de extrusão e tem influência na qualidade dimensional das peças obtidas (Santana, Alves e Sabino Netto 2017);
• Retração: define o movimento de recuo do filamento durante uma fase em que não pode existir extrusão. É de salientar que o movimento de retração não permite a retração do material presente no bico de extrusão, uma vez que esse material já se encontra num estado amolecido, mas alivia a pressão do filamento, evitando a extrusão involuntária (Brandão 2018);
• Número de perímetros: define o número de linhas de contorno consecutivas realizadas durante o processo de impressão (Lanzotti, et al. 2015).
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2.7. Materiais poliméricos
Na impressão 3D podem ser utilizados diferentes tipos de polímeros termoplásticos, devendo ter-se em consideração que polímeros de temperatura de extrusão muito elevada, exigem equipamentos mais caros e complexos (Hanson, Jennings e Hill 2021).
Apresenta-se na Tabela 3 os principais materiais utilizados na impressão tridimensional por FFF, bem como as suas propriedades.
Tabela 3 - Principais materiais para impressão 3D e respetivas propriedades (Horvarth 2014, adaptado) (Filamentive 2020, adaptado) (Tanikella, Wiitbrodt e Pearce 2017).
Material Sigla Textrusão [ºC] Descrição
Policarbonato PC 270 – 300 ºC Resistente ao impacto. Transparente.
Poliamida PA 240 – 260 ºC Baixo atrito.
Acrilonitrilo Butadieno
Estireno ABS 210 – 250 ºC Flexível, fácil de moldar. Poliestireno de elevada
resistência ao impacto HIPS 200 – 230 ºC
Semelhante ao ABS mas pode ser dissolvido. Usado
tipicamente como suporte. Politereftalato de Etileno
Glicol PETG 220 – 250 ~C
Durável, resistência ao impacto. Acetato de Polivinilo PVA 185 – 200 ºC
Dissolve-se em água quente. Usado como material de suporte. Ácido Polilático PLA 180 – 230 ºC Derivado de plantas e
biodegradável Acrilonitrilo Estireno
Acrilato ASA 230 – 250 ºC
Elevada resistência ao impacto e a radiação UV, baixo coeficiente contração
Nota: Textrusão – Temperatura de extrusão
Neste trabalho de mestrado serão alvos de análise o PLA e o PETG, apresentando um custo médio de 20 €/kg.
O PLA é um termoplástico derivado do ácido lático presente em recursos renováveis como amido de milho ou cana-de-açúcar, contrariamente à maioria dos plásticos, que são derivados da destilação e polimerização de reservas de petróleo (Rogers 2015). O PLA é um polímero que pode ser semi-cristalino e, portanto, apresenta uma elevada dependência do historial térmico e pré-tratamentos aplicados (Tsuji e Ikada 1995).
Por outro lado, o PETG é um termoplástico amorfo, com elevada resistência química e durabilidade. Este material é um copolímero, isto é, um produto derivado
17 de dois monómeros diferentes. É uma versão modificada com glicol proveniente do polímero PET (Matmatch 2020).
São apresentadas algumas propriedades destes materiais na Tabela 4.
Tabela 4 - Propriedades do PLA e PETG (Matmatch 2020, adaptado).
Propriedade PLA PETG
Módulo de Elasticidade [GPa] 3,5 2,1
Tensão máxima à flexão [MPa] 106 70
Massa volúmica [g/cm3] 1,252 1,27
Tg [ºC] 60 – 70 70 – 80
Tc [ºC] 105 - 115 ---
Tfusão [ºC] 165 --- Nota: Tg – Temperatura de transição vítrea; Tc – Temperatura de cristalização; Tfusão – Temperatura de fusão
2.8. Aditivos e pigmentos
Atualmente são utilizados aditivos para atribuir determinadas propriedades pretendidas aos materiais termoplásticos. Apresenta-se na Tabela 5 os principais tipos e funções destes aditivos (Almeida e Souza 2015).
Para esta investigação de mestrado, são de especial interesse os corantes, uma vez que podem refletir alterações nas propriedades mecânicas das peças impressas, tanto na sua condição após impressão, como após exposição atmosférica e/ou tratamentos térmicos.
Os corantes são partículas orgânicas ou inorgânicas insolúveis que são adicionadas à base polimérica para lhes conferir uma determinada cor. Os pigmentos orgânicos são de difícil dispersão e, por isso, tendem a formar aglomerados, provocando zonas de maior e menor intensidade de cor. Estes tipos de pigmentos são principalmente utilizados para aplicações que requeiram elevada intensidade de cor e tons brilhantes.
Por outro lado, os pigmentos inorgânicos dispersam-se mais facilmente e, por isso, apresentam resultantes mais consistentes. Estes tipos de pigmentos são utilizados em situações em que seja necessário um elevado nível de opacidade e resistência a temperaturas mais elevadas (SpecialChem 2018).
18
adaptado).
Aditivo Função
Agentes de expansão Proporcionam a formação de espumas por meio de libertação de gases provenientes de reações químicas ou transformações físicas. Agentes de reticulação Formam ligações cruzadas entre as moléculas do polímero para
melhorar propriedades como rigidez e dureza. Antiestáticos
Auxiliam a dissipação de cargas estáticas presentes na superfície de uma peça ou produto plástico por meio de condutividade elétrica e prevenindo descargas ou choques elétricos.
Cargas Adicionam volume a um polímero, aumentando a sua rigidez e dureza superficial.
Corantes Alteram a aparência de um produto polimérico, proporcionado a coloração necessária do material para a aplicação desejada. Estabilizantes
Atuam diminuindo a velocidade de degradação dos polímeros ou evitando o início do processo de degradação durante a vida útil do produto.
Lubrificantes Auxiliam o processamento do polímero, aumentando a fluidez do material sem alterar significativamente as propriedades finais. Modificadores de impacto
Aumentam a resistência ao impacto de polímero que tenham comportamento frágil e quebradiço, alterando a sua estrutura para alcançar o objetivo.
Nucleantes Promovem o aumento da cristalinidade de polímeros, facilitando a formação de núcleos para crescimento de cristais.
Plastificantes
Aumentam a flexibilidade de polímeros por meio da facilidade de movimentação molecular provocada pela sua utilização. Utilizados principalmente em resinas de PVC.
Reforços Aumentam a resistência mecânica de polímeros, utilizando para isso fibras curtas ou longas e esferas.
Retardantes de chama
Dificultam a queima de um polímero por meio da inibição da ignição, pela promoção da autoextinção da chama ou pela diminuição da velocidade de queima.
A escolha do tipo de pigmento (orgânico ou inorgânico) é baseada nos seguintes requisitos:
• Resistência às intempéries; • Resistência à luz;
• Deformação / nucleação; • Transparência.
Na Tabela 6 são apresentados os tipos de corantes mais utilizados em polímeros e as respetivas famílias, para as cores dos materiais utilizados nesta investigação de mestrado.
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Tabela 6 - Tipos de pigmentos e respetivas características em função da cor (SpecialChem 2018).
Pigmento Família Características Tipo
Laranja
Benzimidazolona Boa resistência ao calor e luz
Orgânico Diceto Pirrolo-Pirrol
(DPP)
Boa resistência ao calor, luz e intempéries
Isoindolinona Excelente resistência ao calor, luz e intempéries
Sulfureto de Cádmio Excelente resistência às
intempéries Inorgânico
Vermelho
Antraquinona Boa resistência ao calor e luz
Orgânico Pigmentos de diazo Boa resistência ao calor e luz;
Resistência média às intempéries Diceto Pirrolo-Pirrol
(DPP)
Boa resistência ao calor e luz Excelente resistência às intempéries
Quinacridona
Boa resistência ao calor e luz; Excelente resistência às intempéries
Óxido de ferro Excelente resistência à luz
Inorgânico Pigmento ultramarino Excelente resistência à luz
Azul
Antraquinona
Boa resistência ao calor e luz; Excelente resistência às intempéries
Orgânico Ftalocianina
Boa resistência ao calor e luz; Excelente resistência às intempéries
Pigmento ultramarino Boa resistência química
Inorgânico Óxido metálico Boa resistência às intempéries
Branco Dióxido de Titânio Excelente resistência às
intempéries Inorgânico
2.9. Tratamentos térmicos
A necessidade de controlar as propriedades mecânicas dos materiais conduz à utilização de tratamentos pós-produção, tais como os tratamentos térmicos.
O tratamento térmico mais aplicado a peças impressas é o recozido (annealing), que procura aumentar a difusão molecular e a cristalinidade (para os materiais semi-cristalinos), melhorar a ligação entre camadas e aliviar as tensões residuais geradas pelos constantes ciclos de aquecimento e arrefecimento do processo de impressão FFF. Este tratamento é executado elevando a temperatura do material até um valor próximo da sua temperatura de transição vítrea (Tg), fazendo com que este entre
parcialmente no domínio da mobilidade (Di Vona 2014).
A comunidade de entusiastas da impressão 3D desempenha um papel fundamental no que toca à descoberta de novas formas de executar estes
20 tratamentos pós-produção. Baseado numa técnica apresentada por esta comunidade, neste trabalho de mestrado foi também testado o tratamento de reprocessamento em cama de pó.
Este tratamento procura eliminar o historial de defeitos provocados pelo processo de impressão 3D, elevando o material até uma temperatura próxima da sua temperatura de extrusão. Neste caso, a impressão 3D apenas dará a forma pretendida ao objeto impresso. Através do reprocessamento, é possível melhorar a ligação entre e dentro das camadas e eliminar vazios, tornando assim as peças mais homogéneas, resultando teoricamente numa melhoria das propriedades mecânicas (Amza, et al. 2021).
Ambos os tratamentos térmicos descritos acima são caracterizados pelas suas temperaturas de tratamento e o tempo de exposição. Estes parâmetros, se incorretamente definidos, poderão resultar numa degradação dos materiais induzida por excesso de carga térmica. A situação resultará numa destruição das ligações entre as moléculas dos polímeros, que terão como consequência uma redução das suas propriedades mecânicas. A degradação afetará também a cor, transformando as cores originais em tons mais castanhos (Niaounakis 2015) (SpecialChem 2018).
2.10. Medição de cor
O princípio fundamental da colorimetria é a visão do ser humano. A visualização da cor é o resultado da estimulação de células fotorrecetoras nos olhos e a interpretação dos sinais visuais pelo cérebro.
Um dos primeiros métodos de padronização é o sistema de cor Munsell, que distingue as cores em três dimensões independentes:
• Tonalidade: absorção ou reflexão de determinados comprimentos de onda de luz;
• Valor: luminosidade intrínseca; • Cor: saturação.
De modo a ser possível interpretar uma cor são necessários um objeto, uma fonte luminosa e um observador. Em 1931, a CIE (Comission Internationale de l’Eclairage) iniciou a criação de um padrão de ordenação de cores, com base na definição da fonte luminosa, do observador e da relação entre cores (Ly, et al. 2020).
21 O espaço de cor CIELAB de 1976 é, atualmente, o sistema mais utilizado para determinação dos parâmetros de cor. Este espaço é constituído por três eixos (Figura 11):
• L*: escala cinzenta, com valores compreendidos entre 0 (preto) e 100 (branco);
• a*: eixo vermelho/verde, com valores negativos (verde) e positivos (vermelho);
• b*: eixo amarelo/azul, com valores negativos (azul) e positivos (amarelo).
Teoricamente, os eixos a* e b* são infinitos (Whetzel 2015).
Figura 11 - Espaço de cor CIELAB (Ly, et al. 2020, adaptado).
Para medição destes parâmetros é necessário o uso de um colorímetro (Figura 12).
Este aparelho mede a absorção de ondas de luz. Durante o processo de medição de cor, são registadas as variações da intensidade da radiação eletromagnética nas regiões de comprimento de onda visíveis, após transmissão ou reflexão por parte do objeto. O colorímetro compara a quantidade de luz que atravessa um determinado objeto com a quantidade de luz que atravessa uma amostra de um solvente puro.
Estes tipos de equipamentos são compostos por uma célula luminosa que é capaz de determinar a quantidade de luz que atravessa o objeto em análise (Choudhury 2014).
22
Figura 12 - Colorímetro portátil (PCE Instruments s.d., adaptado).
2.11. Resumo da literatura em impressão multicor
Neste tópico serão abordados estudos anteriores que abordaram a questão da influência da pigmentação na qualidade das peças impressas.
Matos et al. (2018) caracterizaram cinco filamentos de PLA de cores diferentes (azul, cinza, transparente, laranja e natural), comparando-os com um grupo de controlo em formato de pellet. Nesta caracterização foram utilizados a Termogravimetria (TG), Análise Termogravimétrica Diferencial (DTG), Análise Térmica Diferencial (DTA) e Calorimetria Diferencial de Varrimento (DSC). Os autores observaram diferenças significativas nos valores de entalpia e temperaturas de cristalização e de fusão, indicando diferenças no nível de cristalinidade (36% entre as duas condições críticas).
Du Plessis et al. (2016) investigaram a influência de porosidades e inclusões presentes no filamento na integridade final das peças impressas. Os autores concluíram que a qualidade do filamento, por cor e fabricante, não afeta de forma significativa as impressões. Esta investigação foi conduzida para dois materiais distintos, ABS (branco, azul, amarelo, vermelho e preto) e PLA (cinzento).
Soares et al. (2018) caracterizaram três filamentos de PLA da marca 2M3D
Company (natural (translúcido), preto e verde) através de microscopia eletrónica de
varrimento (SEM), Espetroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR), Análise Termogravimétrica (TGA) e Análise Mecânica Dinâmica (DMA). Os
23 resultados apontam diferenças significativas no acabamento das peças impressas fabricadas com as diferentes cores e com a mesma parametrização de impressão. Estas diferenças foram justificadas pela análise térmica dos materiais. As temperaturas de degradação e de transição vítrea variam entre as cores, afetando a temperatura de extrusão.
Wittbrodt e Pearce (2015) analisaram a percentagem de cristalinidade e resistência mecânica de PLA em cinco cores (branco, preto, azul, cinza e natural). Os resultados demonstraram uma influência significativa da cor na percentagem de cristalinidade, bem como uma relação entre a cristalinidade e resistência mecânica. Por outro lado, não foi observada uma relação direta entre o arranjo da estrutura molecular e a resistência molecular. A resistência mecânica apresenta uma relação com a temperatura de fusão, que por sua vez, é dependente da percentagem de cristalinidade.
Kanu et al. (2001) analisaram o efeito de pigmentos orgânicos e inorgânicos nas propriedades mecânicas do polipropileno (PP), comparando os resultados com um grupo de controlo sem pigmentação (natural). Os resultados demonstram um efeito positivo e significativo da presença dos pigmentos no módulo de elasticidade do PP.
24 (página em branco)
25
3. Materiais e métodos
Neste capítulo serão apresentados os procedimentos metodológicos, equipamentos e materiais utilizados para a realização desta investigação de mestrado. É disponibilizado na Figura 13 um esquema com as etapas da pesquisa
26
3.1. Materiais utilizados
Para este trabalho foram utilizados dez filamentos termoplásticos, de 1,75 mm de diâmetro, subdivididos em função de duas bases poliméricas: PLA (seis filamentos) e PETG (quatro filamentos). Para uma primeira etapa de calibração da impressora 3D e dos parâmetros de processo utilizou-se um PLA azul da marca Fillamentum e um PLA cinza, fornecido em conjunto com o equipamento de impressão, da marca Prusa
Research.
Como foco de análises principais deste estudo foram utilizados oito (8) filamentos (Figura 14): • PLA: o Azul (Blue); o Branco (White); o Laranja (Orange); o Vermelho (Red); • PETG: o Azul (Blue); o Branco (White); o Laranja (Orange 2018); o Vermelho (Red).
27 Todos os materiais da Figura 14 foram adquiridos do mesmo fabricante, neste caso da Filament PM. O uso de materiais de um mesmo fornecedor foi adotado para evitar possíveis erros na análise de resultados, que poderiam ser inseridos por conta de diferentes processos de fabrico dos filamentos, ou mesmo pela presença de aditivos distintos, inclusive o tipo de corante (orgânico ou inorgânico). A escolha das cores foi baseada no material que o fornecedor tinha disponível com a mesma cor em PLA e PETG, embora na cor azul haja uma ligeira variação de tonalidade.
Durante o decorrer do trabalho experimental, os filamentos foram mantidos dentro das respetivas embalagens, com pacotes de gel de sílica, e armazenados com cuidado para prevenir a absorção de humidade. Na Tabela 7 são apresentadas as propriedades dos materiais, provenientes das fichas técnicas fornecidas pelo fabricante.
Tabela 7 - Propriedades dos materiais fornecidas pelo fabricante (Filament-PM by Plasty Mladec 2018) (Filament PM by Plasty Mladec 2019).
Propriedades PLA PETG
Temperatura de Vicat 55 ºC 85 ºC
Módulo à Flexão 3,5 GPa 1,88 GPa
Massa Volúmica 1,24 g/cm3 1,27 g/cm3
Índice de Fluidez 6 g/10min 11 g/10min
Nota: temperatura de Vicat corresponde à temperatura na qual existe a penetração de 1 mm de uma ponta de 1 mm2 de área sob uma das cargas específicas do ensaio (1 kg ou 5
kg) a uma taxa de aquecimento previamente definida (50 ºC/h ou 120 ºC/h) (Almeida e Souza 2015).
3.2. Caracterização dos filamentos
A caracterização dos filamentos baseou-se em dois procedimentos: (i) medição da massa volúmica e (ii) análise da estrutura molecular por Espectroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR).
3.2.1.
Medição da massa volúmica
Consistiu na medição da massa volúmica de cinco (5) amostras de material, obtidas de cada filamento de PLA e PETG nas diferentes cores. O procedimento foi realizado com recurso a uma balança Mettler H31AR (Figura 15) com uma resolução de ±0,1 mg.
28
Figura 15 – Balança utilizada para medição da massa volúmica (a) e amostras dos filamentos para análise (b).
O ensaio baseou-se no princípio de Arquimedes e obedeceu aos seguintes passos: 1. Medição da massa da amostra suspensa por um fio de nylon de suporte
(WD) (em seco);
2. Medição da massa da amostra submergida num recipiente com água destilada (Wi; ρH2O= 997,7705 kg/m3, a 22ºC);
3. Medição da massa do fio de nylon de suporte (WS).
É importante mencionar que todas as medições foram realizadas à temperatura de 22°C. A partir dos valores aferidos na balança, aplicou-se a equação (1) para determinar a massa volúmica da amostra (𝜌amostra).
𝜌𝑎𝑚𝑜𝑠𝑡𝑟𝑎 = 𝑊𝐷− 𝑊𝑠
𝑊𝐷− 𝑊𝑖∗ 𝜌𝐻2𝑂 (1)
3.1.2. FTIR
Este ensaio foi realizado no Laboratório de Lubrificantes (CETRIB/INEGI) com recurso ao equipamento Cary 630 FTIR, da Agilent Technologies, apresentado na Figura 16. Foi analisada uma amostra de cada filamento para a identificação de espetros para o intervalo de comprimento de onda de 4000 a 650cm-1.
29
Figura 16 - Equipamento utilizado para o ensaio FTIR (Cary 630 FTIR).
3.3. Montagem da impressora
Neste trabalho foi utilizada uma impressora 3D Original Prusa i3 MK3s da marca
Prusa Research®. O modelo pode ser obtido já montado e calibrado pelo fornecedor
do equipamento ou na opção de conjunto de peças por montar. No âmbito deste projeto, a máquina foi obtida como kit para montagem.
É oferecido um manual de instruções físico (impresso) com o produto e apresenta ao utilizador as principais diretrizes de montagem estrutural e instalação de periféricos de controlo e interface. Contudo, o fornecedor da impressora aconselha a utilização do manual disponível online1, uma vez que este é atualizado frequentemente e conta
também com os comentários e experiências de outros utilizadores, facilitando assim a montagem do sistema de impressão. Esta é baseada numa sequência de nove (9) passos, conforme mostrado na Figura 17.
1- Para mais informações, consultar o link:
30
Figura 17 - Ambiente virtual do manual de montagem da impressora Prusa i3 MK3s (Prusa Research 2021).
O primeiro módulo a ser montado consiste no eixo de movimentação Y, que é conjugado com o suporte da base aquecida, isto é, da plataforma de construção da impressora 3D. Na sequência, realizou-se a montagem do subconjunto do eixo X e, em seguida, do eixo Z. Apresentam-se na Figura 18 os três subconjuntos.
31 O subconjunto do eixo Y é responsável por movimentar a base aquecida, sobre a qual o material aquecido e amolecido é depositado para o empilhamento das camadas. Os módulos dos eixos X e Z são responsáveis, respetivamente, pela movimentação horizontal e vertical do cabeçote de extrusão.
Concluída a parte de movimentação, o passo seguinte é a montagem do cabeçote de extrusão da máquina. O resultado é apresentado na Figura 19.
Figura 19 – Montagem do cabeçote no eixo X (a) e vista ampliada do cabeçote de extrusão (b).
Este bloco é responsável pelo processamento dos termoplásticos. O sistema agrega as funções de alimentação de filamento (material de construção) (Figura 20 (a)), aquecimento e transformação da matéria-prima (Hotend – bloco de aquecimento) e extrusão através de uma matriz (bico) (Figura 20 (b)), com dimensões calibradas.
Figura 20 - Sistema motorizado de alimentação de filamento (material de construção) (Prusa Research 2021, adaptado) (a) e bloco de aquecimento (Prusa Research 2021, adaptado) (b).
32 De seguida é montado o sistema de interface máquina-utilizador, o ecrã LCD, apresentado na Figura 21.
Figura 21 - Subconjunto do ecrã LCD.
O sexto subconjunto a ser montado consiste no acoplamento da parte aquecida da plataforma de construção e instalação da fonte de alimentação elétrica, apresentado na Figura 22.
Figura 22 – Subconjunto da base de aquecimento (a) e fonte de alimentação (b).
A mesa de aquecimento (Figura 22 (a)) é responsável pelo aquecimento da mesa de impressão e a fonte de alimentação (Figura 22 (b)) é responsável pela alimentação elétrica de todo o sistema.
33 O último passo é a ligação de todos os componentes à placa-mãe (motherboard), responsável pela monitorização e controlo das ações da impressora, e montagem do suporte para colocação da bobina de filamento.
Apresenta-se na Figura 23 a caixa onde se encontram a placa-mãe e as respetivas ligações.
Figura 23 - Caixa de proteção da placa mãe e ligações eletrónicas.
A impressora utilizada neste trabalho foi colocada no interior de uma caixa de acrílico (Figura 24), de forma a inserir uma barreira física às variações de temperatura do ambiente externo, que poderiam afetar a qualidade do processo de impressão das amostras para o estudo.
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3.4. Calibração da impressora
Após montagem da impressora 3D foi necessário proceder à sua calibração. O firmware da máquina executa uma avaliação do equipamento (apenas necessária às impressoras compradas em kit) para verificação de:
1. Funcionamento do bloco de extrusão e das ventoinhas: as ventoinhas são ligadas e o motor responsável pela alimentação de filamento é colocado em funcionamento;
2. Funcionamento do aquecimento da base e do cabeçote de extrusão: a base é aquecida durante 10 segundos, juntamente com o bloco de aquecimento do sistema de extrusão;
3. Funcionamento dos motores dos eixos X, Y e Z: os motores responsáveis pelos movimentos dos três (3) eixos são colocados em funcionamento, fazendo pequenas movimentações.
4. Comprimento dos eixos X e Y: a base de impressão e o cabeçote de extrusão são movimentados ao longo de todo o curso dos eixos para verificação do seu comprimento;
5. Tensão das correias dos eixos X e Y: a base de impressão e o cabeçote de extrusão são movimentados ao longo dos seus cursos e avaliados num valor adimensional, apresentando valores ótimos para o intervalo de 240 – 300, sendo o 275 o seu valor ideal;
6. Polia ajustável do eixo Y: o motor do eixo Y é colocado em funcionamento, verificando se é possível movimentar a base;
7. Sensor de filamento e sensor infravermelhos: verifica se o atuador do sensor é ativado com a alimentação de filamento.
Após os testes mencionados acima, é necessário então fazer a calibração da primeira camada de impressão. Tal procedimento é essencial para o bom funcionamento da impressora, uma vez que qualquer impressão realizada terá como base esta primeira camada.
A determinação da qualidade da primeira camada é realizada pelo utilizador e depende da sua avaliação visual. O procedimento tem início com a definição da distância entre o bico de extrusão e a mesa de impressão (Figura 25), sendo executado através de um ficheiro “.gcode” embutido no firmware da impressora.
35 Através da rotação do manípulo da interface da impressora (Figura 21), é ajustada esta distância até obter uma primeira camada satisfatória. O site do fabricante disponibiliza padrões de qualidade para comparação visual de resultados, conforme mostrado na Figura 26.
Figura 25 - Esquema da distância entre o bico e a base de impressão (MatterHackers 2020, adaptado).
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Figura 26 - Imagens disponibilizadas pelo fabricante para comparação e calibração da primeira camada de impressão (Prusa Research 2020, adaptado).
