INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO CURSO SUPERIOR DE ENGENHARIA MECÂNICA JÚLIA SANTOS LAUERS

(1)

INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO CURSO SUPERIOR DE ENGENHARIA MECÂNICA

JÚLIA SANTOS LAUERS

AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DAS VARIÁVEIS ALTURA DA CAMADA, PADRÃO DE PREENCHIMENTO E PIGMENTAÇÃO NO PROCESSO DE MANUFATURA

ADITIVA POR FUSÃO E DEPOSIÇÃO DE MATERIAL (FDM) UTILIZANDO POLIÁCIDO LÁTICO (PLA)

VITÓRIA 2021

(2)

JÚLIA SANTOS LAUERS

AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DAS VARIÁVEIS ALTURA DA CAMADA, PADRÃO DE PREENCHIMENTO E PIGMENTAÇÃO NO PROCESSO DE MANUFATURA

ADITIVA POR FUSÃO E DEPOSIÇÃO DE MATERIAL (FDM) UTILIZANDO POLIÁCIDO LÁTICO (PLA)

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Coordenadoria do Curso de Engenharia Mecânica do Instituto Federal do Espírito Santo como requisito parcial para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecânica.

Orientador: Prof. Dr. André Gustavo de Sousa Galdino

VITÓRIA 2021

(3)

(4)

MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO

INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO

SISTEMA INTEGRADO DE PATRIMÔNIO, ADMINISTRAÇÃO E CONTRATOS

FOLHA DE ASSINATURAS

Emitido em 06/05/2021

FOLHA DE APROVAÇÃO-TCC Nº Folha de defesa de TCC Julia Santos Lauers/2021 - VIT-CCEMEC (11.02.35.01.09.02.27)

(Nº do Documento: 1)

NÃO PROTOCOLADO) (Nº do Protocolo:

(Assinado digitalmente em 06/05/2021 18:48 )

ANDRE GUSTAVO DE SOUSA GALDINO

PROFESSOR DO ENSINO BASICO TECNICO E TECNOLOGICO VIT-CPMTS (11.02.35.01.07.14)

Matrícula: 1910642

ARMANDO MARQUES

PROFESSOR DO ENSINO BASICO TECNICO E TECNOLOGICO VIT-CCEMEC (11.02.35.01.09.02.27)

GUILHERME AUGUSTO DE MORAIS PINTO

PROFESSOR DO ENSINO BASICO TECNICO E TECNOLOGICO VIT-CCTM (11.02.35.01.09.02.15)

Para verificar a autenticidade deste documento entre em https://sipac.ifes.edu.br/documentos/ informando seu número: , ano: 1 2021, tipo: FOLHA DE APROVAÇÃO-TCC, data de emissão: 06/05/2021 e o código de

(5)

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) (Biblioteca Nilo Peçanha do Instituto Federal do Espírito Santo)

L372a Lauers, Júlia Santos.

Avaliação da influência das variáveis altura da camada, padrão de preenchimento e pigmentação no processo de manufatura aditiva por fusão e deposição de material (FDM) utilizando o poliácido lático (PLA) / Júlia Santos Lauers. – 2021.

49 f. : il. ; 30 cm.

Orientador: André Gustavo de Sousa Galdino.

Monografia (graduação) – Instituto Federal do Espírito Santo,

Coordenadoria do Curso de Engenharia Mecânica do Curso Superior em Engenharia Mecânica, Vitória, 2021.

1. Ferramentas. 2. Máquinas – Ferramentas. 3. Processos de fabricação – Automação. 4. Materiais – Inovações tecnológicas. 5. Produtividade industrial. 6. Engenharia mecânica. I. Galdino, André Gustavo de Sousa. III. Instituto Federal do Espírito Santo. IV. Título.

CDD 21 – 621.9

(6)

AGRADECIMENTOS

A Deus, por não inspirar em mim desejos irrealizáveis e me permitir traçar essa jornada.

Á minha mãe Susana, meu tio Marcio e meu irmão Enzo por sempre acreditarem em mim e tomarem café da tarde todos os dias ouvindo meus desabafos.

Ao meu pai Marcelo por me incentivar e me encorajar à Engenharia e à tia Rosana por sempre apoiar meus estudos.

À toda minha família, por me apoiar de todas as formas.

Ao meu namorado Jean por acreditar em mim e me incentivar nos momentos de maior dificuldade e à sua família, Angélica, Felipe e Gilmar, por se tornar minha também. Às minhas amigas Amanda, Izis e Yasmim por segurarem minha mão e serem essenciais na minha caminhada na graduação.

Às minhas amigas de longa data Danielle, Sízera e Nathália por formarem comigo um quarteto e estarem sempre ao meu lado.

Ao Ifes, pelo ensino público, gratuito e de qualidade.

Ao meu orientador Prof. André Gustavo de Sousa Galdino por todo suporte ao longo da graduação, pelas iniciações científicas e por me apresentar o mundo da manufatura aditiva.

Ao servidor Claudio Patrocínio Junior por toda paciência em ensinar em todos os dias de pesquisa no laboratório.

E a todos que de forma direta ou indireta contribuíram para o desenvolvimento deste trabalho.

(7)

RESUMO

A manufatura aditiva (AM) é um processo produtivo que vem ganhando destaque, principalmente no cenário da Indústria 4.0. Dentre as tecnologias da AM temos a fusão e deposição de material (FDM) muito empregada por possuir princípios de funcionamento simples e baixo custo. Com a expansão da tecnologia FDM tornou-se importante analisar e estudar as variáveis que existem no processo e os materiais de impressão utilizados. Com um viés tecnológico e sustentável, o PLA, polímero biodegradável é um dos materiais mais utilizados para técnica FDM. Este trabalho visa avaliar a influência das variáveis FDM espessura de camada e padrão de preenchimento, além da variável pigmentação relacionada ao PLA por meio do planejamento de experimentos (DOE) utilizando o planejamento fatorial 2k_{por meio}

da Análise de Variância (ANOVA) analisada através do software Statistica®. As variáveis de resposta a analisadas foram o limite de resistência à tração, o alongamento na ruptura, o tempo de impressão e a massa de material utilizado. Palavras-Chave: Manufatura Aditiva. FDM. PLA. Planejamento de Experimentos.

(8)

ABSTRACT

Additive manufacturing (AM) is a productive process that has been gaining prominence, especially in the scenario of Industry 4.0. Among the technologies of AM we have the fusion and deposition of material (FDM) widely used for having simple operating principles and low cost. With the expansion of FDM technology, it became important to analyze and study the variables that exist in the process and the printing materials used. With a technological and sustainable bias, PLA, a biodegradable polymer is one of the most used materials for the FDM technique. This work aims to evaluate the influence of the FDM variables layer thickness and filling pattern, in addition to the pigmentation variable related to PLA through the design of experiments (DOE) using the 2k_{factorial design through the Analysis of Variance (ANOVA)}

analyzed through the Statistica® software. The response variables analyzed were the limit of tensile strength, the elongation at break, the printing time and the mass of material used.

(9)

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ABS – Acrilonitrila Butadieno Estireno (Acrylonitrile Butadiene Styrene) AM – Manufatura Aditiva (Additive Manufacturing)

ANOVA – Análise de Variância (Analysis of variance)

ASA – Acrilonitrila Estireno Acrilato (Acrylonitrile Styrene Acrylate) CAD – Desenho Assistido por Computador (Computer Aided Design) DLP – Processamento Digital de Luz (Digital Prototyping Lab)

DOE – Planejamento de Experimentos (Design of Experiment) FDM – Fusão e Deposição de Material (Fused Deposition Modeling)

LOM – Fabricação de Objetos Laminados (Laminated Object Manufacturing) PC – Policarbonato (Polycarbonate)

PET – Politereftalato de etileno (Polyethylene terephthalate)

PETG – Polietileno Tereftalado-Glicol (Polyethylene Terephthalate Glycol-Modified) PLA – Poliácido Lático (Polylactic Acid)

SLA – Estereolitografia (Stereolithography Apparatus)

SLS – Sinterização Seletiva a Laser (Selective Laser Sintering) STL – Estereolitografia (Stereolithography)

(10)

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 - Princípio do processo FDM... 17

Figura 2 - Modelo geral de processo de experimentos ... 22

Figura 3 - Arranjo geral do planejamento fatorial ... 24

Figura 4 - Fluxograma metodológico ... 27

Figura 5 - Corpo de prova segundo a norma ASTM D638-02a ... 31

Figura 6 - Interface do Ultimaker Cura®... 31

Figura 7 - Impressora 3D Creality Ender 3 ... 32

Figura 8 - Corpos de prova impressos em PLA ... 33

Figura 9 - Máquina universal de ensaios Emic DL 100000 ... 34

Figura 10 - Extensômetro Emic de 25 mm ... 34

Figura 11 - Paquímetro Massi analógico ... 35

Figura 12 - Gráfico de probabilidade de resistência à tração ... 38

Figura 13 - Gráficos de médias de limite de resistência à tração ... 38

Figura 14 - Gráfico de probabilidade de alongamento da ruptura... 40

Figura 15 - Gráficos de médias de alongamento na ruptura ... 40

Figura 16 - Gráfico de probabilidade de tempo de impressão ... 42

Figura 17 - Gráficos de médias de tempo de impressão ... 42

Figura 18 - Gráfico de probabilidade de massa de material ... 44

(11)

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Matriz de teste para planejamento fatorial 23_{... 25}

Tabela 2 - Níveis de variação para espessura de camada, padrão de preenchimento e pigmentação ... 29

Tabela 3 – Matriz de teste do planejamento fatorial 23_{... 30}

Tabela 4 - Propriedades principais do perfil Low Quality ... 32

Tabela 5 - Matriz experimental de limite de resistência à tração ... 36

Tabela 6 - Matriz experimental de alongamento na ruptura ... 39

Tabela 7 - Matriz experimental de tempo de impressão ... 41

(12)

SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO... 12 1.1 OBJETIVO GERAL ... 12 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 13 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 14 2.1 MANUFATURA ADITIVA ... 14 2.1.1 FDM ... 16 2.1.2 Variáveis do processo FDM ... 18

2.1.3 Matérias primas utilizadas em FDM... 19

2.1.4 PLA ... 20

2.1.5 Variáveis do material PLA ... 20

2.1.6 Pesquisas sobre a tecnologia FDM utilizando PLA ... 21

2.2 PLANEJAMENTO DE EXPERIMENTOS ... 22

2.2.1 Planejamento fatorial de experimentos ... 23

2.2.2 Planejamento fatorial 2k_{... 24}

3 MATERIAIS E MÉTODOS ... 27

3.1 MATERIAIS ... 27

3.2 MÉTODOS ... 28

3.2.1 Definição das variáveis de resposta ... 28

3.2.2 Definição dos fatores e níveis ... 28

3.2.3 Planejamento de experimentos ... 30

3.2.5 Aplicação da técnica FDM ... 30

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 36

4.1 MATRIZ EXPERIMENTAL PARA O ENSAIO DE TRAÇÃO... 36

4.1.1 Limite de resistência à tração ... 36

4.1.2 Alongamento na ruptura ... 38

(13)

4.2.1 Tempo de impressão... 41

4.2.2 Massa de material ... 42

5 CONCLUSÃO E CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 45

(14)

12

1 INTRODUÇÃO

A manufatura aditiva (AM) vem ganhando cada vez mais espaço com a Indústria 4.0 e seu avanço tecnológico para formação de processos mais eficientes e autônomos. Inicialmente visada como uma fabricação exclusivamente de protótipos, a AM expandiu sua utilização desde a prototipagem rápida até produtos finais de alta qualidade. Dentre as técnicas da manufatura aditiva a fusão e deposição de material (FDM) é destaque por possuir princípios simplificados – extrusão e deposição de material em camadas – e baixo custo; dessa forma, possui grande difusão na indústria e no mercado. No entanto, existem limitações relacionadas à carga suportada pelas peças que é menor em relação a processos de fabricação mais tradicionais, como a injeção de material, por exemplo. Existem diversas variáveis que conduzem a técnica FDM: variáveis de fatiamento, orientação da construção, temperatura e tratamentos pós-fabricação.

Por meio de modelos 3D computadorizados é possível realizar a confecção de peças por impressão com uso de polímeros, sendo o poliácido lático (PLA) um dos termoplásticos mais utilizados. Os processos de manufatura buscam avançar tecnologicamente em conjunto com a sustentabilidade e, dessa forma, o PLA sendo um material biodegradável e proveniente de fontes renováveis tornou-se uma alternativa viável aos polímeros advindos do petróleo. No entanto, o PLA possui baixa estabilidade térmica e baixa tenacidade em relação aos demais materiais utilizados na técnica FDM.

Torna-se fundamental, portanto, a investigação das variáveis do processo FDM aplicadas ao uso do PLA como escolha de uma tecnologia sustentável e, dessa forma, analisar como tais variáveis de fabricação ou do material influenciarão no comportamento das peças confeccionadas por manufatura aditiva.

1.1 OBJETIVO GERAL

Avaliar como as variáveis altura da camada, padrão de preenchimento e pigmentação do processo de manufatura aditiva por fusão e deposição de material influenciam nas propriedades mecânicas, no tempo de impressão e na massa de material utilizado do PLA.

(15)

13

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Definir os níveis das variáveis altura da camada, padrão de preenchimento e pigmentação;

• Analisar as variáveis limite de resistência à tração e alongamento na ruptura por meio de ensaio de tração;

• Analisar as variáveis de resposta tempo de impressão e massa do material; • Avaliar as variáveis de resposta do processo através do planejamento de

(16)

14

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 MANUFATURA ADITIVA

Anteriormente denominada de prototipagem rápida, a manufatura aditiva é um processo de fabricação oriunda da adição sucessiva de material por camadas através de uma representação geométrica computacional 3D. Em meados nos anos 80, esse processo era muito utilizado para desenvolver protótipos de maneira rápida. Contudo, com a evolução da tecnologia, percebeu-se o potencial para desenvolvimento de peças finais de alta qualidade. Em razão disso, o nome do processo foi definido pelo princípio de adição, distinguindo-se dos processos convencionais gerados por moldagem, remoção, união ou divisão (VOLPATO, 2017).

A manufatura aditiva pode ser detalhada pelas seguintes etapas: 1) Modelagem 3D;

2) Fatiamento do modelo 3D; e 3) Fabricação da peça.

A modelagem 3D é realizada com auxílio de sistemas de desenhos assistidos por computador (CAD) e devem ser criados em formatos específicos para o processo, que transformam o modelo gerado em malhas triangulares. O mais utilizado é conhecido como estereolitografia (STL). Posteriormente é necessário um software de comunicação entre o STL gerado e os parâmetros a serem utilizados na impressão da peça, ou seja, o fatiamento do modelo 3D em diversas camadas de espessura constante e o caminho a ser traçado pela máquina em um arquivo denominado

G-code. A última etapa é a de fabricação, nesta etapa há a execução do processo de

adição de camadas com o material de escolha. Pode-se ainda, realizar o pós-processamento da peça para possíveis limpezas e acabamentos (VOLPATO, 2017).

As principais vantagens da AM podem ser sintetizadas em: confecção de objetos complexos sem limitações quanto a geometria, pequena presença de resíduos de fabricação evitando desperdício de material, dispensa a troca de ferramentas durante o processo, produção do objeto em uma única etapa de confecção – exceto aquelas que necessitam do pós-processamento –, apesar do objeto 3D as camadas são baseadas em planos 2D isentando a necessidade de cálculos complexos para a

(17)

15

trajetória da ferramenta, flexibilidade para criação de peças com densidade ou até material diferente permitindo uma graduação funcional da peça de acordo com a propriedade necessária, dentre diversas possibilidades que estão em constante atualizações e pesquisas. No entanto, há limitações que ainda precisam ser superadas: as propriedades dos objetos produzidos ainda não correspondem as propriedades obtidas aos processos tradicionais de fabricação, bem como a precisão dimensional e o acabamento superficial, limitação da disponibilidade de fabricante dos materiais específicos necessários para os processos, para porte industrial o custo de aquisição pode ser elevado, problemas de confecção como empenamento ou descolamento da plataforma de impressão, tecnologia lenta em relação a produção em grande escala de produtos, etc. Grande parte das limitações são estudadas exponencialmente para melhoria contínua do processo AM e já possuem resultados positivos quanto ao aprimoramento da tecnologia (VOLPATO, 2017).

A manufatura aditiva vem ganhando destaque na indústria por ser uma tecnologia promissora para a revolução dos sistemas de manufatura. Isto é corroborado pelo desenvolvimento da AM na Quarta Revolução Industrial na qual a automatização dos processos é um princípio fundamental através das fábricas inteligentes. Dessa forma, as pesquisas em torno da aplicação e otimização dessa tecnologia estão em destaque, principalmente, na área de projetos, engenharia, produção e logística, para ainda, possibilitar integrar os sistemas de produção tradicionais com a manufatura aditiva (FERA et al., 2016).

O uso deste meio de fabricação iniciou-se com a utilização de polímeros como material-base em razão às tecnologias dos equipamentos disponíveis. A biofabricação, na década de 1990, foi um setor que propulsionou a manufatura aditiva e possibilitou o destaque para um setor industrial novo, requerendo pesquisas para novas aplicações e aprimoramento das tecnologias já existentes na AM. Dessa forma, a tecnologia abrangeu a utilização dos metais como matéria-prima em suas fabricações, com isso, surgiram novas oportunidades visto que qualquer metal que possa ser soldado é utilizável na manufatura aditiva: aços inoxidáveis, titânio e suas ligas, algumas ligas de alumínio e também de níquel são exemplos de materiais utilizados nos equipamentos mais modernos (FERA et al., 2016). Um destaque mais recente na AM vem sendo a 3D food: estudos sobre a utilização da tecnologia na

(18)

16

confecção de alimentos buscam mitigar desafios como a diferença das propriedades físico-químicas utilizadas para fabricação do alimento em 3D (PÉREZ et al., 2019).

A expansão rápida da AM abrangeu aplicações em setores médicos, odontológicos, alimentícios, de bens de consumo, entre tantos outros, e deu-se por meio da fabricação de produtos poliméricos em sua maioria, sendo de destaque os processos:

• estereolitografia (SLA): utiliza-se o processo de fotopolimerização com uma fonte de luz para curar uma resina líquida em cada camada do fatiamento; • processamento digital de luz (DLP): consiste na projeção digital que exibe a

camada a ser impressa e curada por luz;

• fusão e deposição de material (FDM): o polímero é fundido e extrudado por um bico que deposita camada por camada;

• fabricação de objetos laminados (LOM): as camadas são fundidas e cortadas utilizando um laser controlado por computador; e

• sinterização seletiva a laser (SLS): de modo seletivo uma fonte de energia funde partículas de pó por camada.

Entre estes processos, a indústria expandiu a utilização do FDM por ser uma técnica mais simples em relação as demais exploradas, permitir o desenvolvimento de peças complexas com um custo baixo, além da diminuição da produção de resíduos e da alta flexibilidade de uso de diversos polímeros (AKHOUNDI et al., 2019).

2.1.1 FDM

O processo FDM permite a produção de objetos complexos e detalhados. A tecnologia possui seu sistema baseado em filamento, extrusora, aquecedor e bico extrusor (Figura 1). O filamento é o material utilizado em forma de fio, a extrusora é composta de engrenagens de alimentação que irão guiar o filamento, o aquecedor o responsável pela fusão e o bico pela deposição do material (DOUNGKOM; JIAMJIROCK, 2019).

(19)

17

Figura 1 - Princípio do processo FDM

Fonte: Adaptado de Doungkom; Jiamjiroch (2021)

Neste processo, o filamento em estado sólido é tracionado e entram em contato com o bico que está sendo aquecido. Assim, o filamento sofre fusão e é extrudado e depositado na plataforma que pode ser aquecida ou estar em temperatura ambiente. Gera-se, portanto, a peça resultante do fatiamento com ou sem a presença de suportes. A movimentação da plataforma pode variar de acordo com cada máquina, contudo, o bico sempre irá mover-se em dois eixos enquanto a plataforma irá variar em eixo único, por fim, tem-se três eixos de movimentação caracterizando a impressão 3D (DOUNGKOM; JIAMJIROCK, 2019).

A deposição do material acontece em camadas que são interpretadas pela máquina através do g-code produzido. Ao percorrer todo caminho de uma camada o eixo-y move-se na altura da camada correspondente e, dessa forma, inicia a deposição de uma nova camada sob a camada anterior de forma sucessiva até a finalização do processo (AKHOUNDI et al., 2019).

A tecnologia FDM possui vantagens que destacam sua utilização na indústria, como: princípio de fabricação simples em relação às demais tecnologias AM; utilização de diversos termoplásticos, incluindo os polímeros de engenharia; os materiais são estáveis e, dessa maneira, apresentam respostas positivas mecânica e quimicamente; não é necessário pós-cura do material utilizado; o processo pode ocorrer em escritórios sem exaustão ao ambiente, exceto alguns materiais que liberam odores mais fortes; baixo custo operacional e de mão-de-obra. Contudo, algumas limitações podem ser citadas: a precisão dimensional e detalhamento das peças são restritas pelo tamanho do bico extrusor; a depender do modelo a ser fabricado é

(20)

18

necessário estruturas de suporte; é necessário pós-processamento para remoção dos suportes, se houver; há limitação dos fornecedores de matéria-prima para a técnica FDM; o processo de fabricação é relativamente lento e limitado pelo fluxo do material no bico extrusor (VOLPATO, 2017).

Além das limitações apresentadas a tecnologia FDM não se tornou um processo de fabricação visado para peças que necessitem suportar cargas exigentes, pois as peças são confeccionadas por camadas e a má adesão entre camadas pode gerar tensão residual e baixa resistência quando comparados aos processos de fabricação tradicionais (como a moldagem por injeção, por exemplo, no qual o material é comprimido sob alta pressão). Por isso, pesquisas para melhorar as propriedades mecânicas dos produtos impressos são de extrema importância para a tecnologia. Otimização dos parâmetros do processo FDM e adição de fibras ou nanofibras no material utilizado são métodos que possibilitam melhorar as propriedades mecânicas das peças impressas e, dessa forma, investigar a relação de variáveis na resistência à tração, compressão, impacto e diversas outras análises (AKHOUNDI et al., 2019). 2.1.2 Variáveis do processo FDM

As variáveis do processo FDM podem ser divididas em duas vertentes: pré-processamento, presentes antes da confecção das peças; e pós-pré-processamento, englobando as variáveis após da extrusão concluída (CHOHAN; SINGH; RUPINDER, 2017).

A influência das variáveis de pré-processamento nas propriedades das peças impressas é pesquisada para diferentes materiais e conjuntos de variáveis escolhidas. Estas variáveis podem ser setorizadas como variáveis de fatiamento, orientação da construção e temperatura. As variáveis de fatiamento incluem: altura da camada, diâmetro do bico extrusor, diâmetro do filamento, largura de extrusão, fluxo, velocidade de impressão, preenchimento, padrão de preenchimento, espessura da parede, camadas superiores e inferiores, dentre outros fatores modificáveis. Em relação a orientação da construção as impressões podem ser realizadas horizontal, vertical ou lateralmente, além de diferentes orientações, geralmente, esta é escolhida buscando a menor utilização de suportes. Quanto as condições de temperatura temos: temperatura do bico extrusor, temperatura da plataforma e até mesmo a temperatura

(21)

19

ambiente. Nem todas as variáveis refletem a mesma influência sobre as propriedades da peça impressa e, por isso, estas são objetos de estudo (POPESCU et al., 2018).

Quanto ao pós-processamento, as análises ocorrem em relação aos tratamentos térmicos das peças. Pesquisas utilizando fontes de calor de ar direcionado a corpos de prova por determinado tempo resultaram em alterações no comportamento da peça em relação aquelas que não foram expostas. Portanto, o tratamento térmico pós-fabricação é uma variável importante para análise das propriedades mecânicas (TORRES et al., 2015).

2.1.3 Matérias primas utilizadas em FDM

Polímeros, compósitos com matriz polimérica, bio-compósitos, nanocompósitos e compósitos reforçados com fibras são matérias-primas utilizadas no processo FDM. Os materiais mais utilizados são: ABS, PLA, Náilon/Poliamida, ASA, PET, PETG e PC. Há diversos materiais como o grafeno, cobre, fibras de carbono, vidro e Kevlar que são utilizados como reforço e podem ser incorporados a matéria-prima em busca da melhoria no resultado de propriedades específicas desejadas. (WICKRAMASINGHE et al., 2020).

Os polímeros mais comuns são o ABS, o Náilon e o PLA. Estes são termoplásticos que permitem sua modelagem devido à baixa temperatura de fusão, são encontrados em carretéis com diâmetro específico – mais comumente utiliza-se 1,75 mm – e são chamados de “filamentos”. O ABS geralmente é utilizado em itens domésticos ou na confecção de brinquedos, não é recomendado, no entanto, no uso medicinal devido a presença de estireno. Já o Náilon é utilizado em eletrodomésticos e na engenharia aeroespacial e automotiva. O PLA, por sua vez, é um polímero biodegradável e biocompatível, sendo muito utilizado na biomedicina (WICKRAMASINGHE et al., 2020). A procura por materiais biodegradáveis tem aumentado ao longo dos anos tornando-se de grande relevância, portanto, o PLA apresenta-se uma alternativa ecologicamente correta e, por isso, sua utilização e aplicação vem crescendo em larga escala (DE MACEDO et al., 2017).

(22)

20

2.1.4 PLA

O PLA é um polímero termoplástico biodegradável e derivado de recursos renováveis como o milho e a beterraba. Este polímero é altamente versátil e viável para aplicações em ambientes com difíceis recuperações de produtos devido sua característica degradável. Não é apenas esse fator, no entanto, que torna o material visado para utilização. O PLA vem ganhando grande destaque por apresentar excelentes propriedades a um preço competitivo (DRUMRIGHT et al., 2000).

Esse polímero tem destaque na biomedicina e na substituição de plásticos provenientes de fontes à base de petróleo. É de suma importância, portanto, o avanço contínuo nas pesquisas de caracterização, análise e implementação do PLA, uma vez que isso possibilita abranger novas aplicações. Entretanto, o PLA é suscetível a diferentes reações por meio do seu processamento e, por isso, a qualidade da matéria-prima e das condições de uso devem ser analisadas com rigor, evitando a introdução de impurezas prejudiciais a sua aplicação (INKINEN et al., 2011).

O PLA possui excelentes propriedades, alta resistência mecânica e baixa toxicidade. Além disso, uma vantagem deste polímero em relação aos demais é a diminuição de emissão de CO2, uma vez que, este é absorvido no cultivo do milho –

principal fonte do material – e, por isso, o PLA tem potencial de emitir menos gases de efeito estufa. Contudo, as limitações do PLA podem ser citadas sendo: a fraca estabilidade térmica, baixa capacidade de absorver energia e deformar plasticamente sem fraturar e baixa ductilidade (JAMSHIDIAN et al., 2010).

2.1.5 Variáveis do material PLA

O filamento de PLA utilizado para o processo FDM possui diferentes aditivos para coloração do material. Dessa forma, a cor do PLA pode afetar as propriedades da peça impressa, como resistência mecânica e acabamento superficial. Portanto, a presença de aditivo é uma variável que influencia diretamente as características da impressão (SOARES et al., 2018).

Outra variável abordada pelo PLA é visando mitigar a limitação quanto ao comportamento mecânico frágil e a produtividade através da incorporação das fibras naturais ao PLA. Estas fibras são caracterizadas como células entrelaças ao PLA

(23)

21

alterando as propriedades finais devido polimerização e orientação molecular (MACEDO et al., 2017).

2.1.6 Pesquisas sobre a tecnologia FDM utilizando PLA

AFROSE et al. (2015) investigaram o comportamento da fadiga de partes de peças de PLA pela tecnologia FDM a partir da orientação de impressão na plataforma. No carregamento estático as peças confeccionadas por FDM na orientação do eixo-x possui maior tensão de tração em relação ao eixo-y e a 45° na plataforma. Porém, com carga cíclica, as peças impressas com orientação 45° apresentaram maior vida à fadiga do que as orientadas no eixo-x ou no eixo-y.

TORRES et al. (2015) analisaram as variáveis de processamento FDM: espessura da camada, densidade de preenchimento e tempo de tratamento pós-processamento a 100°C. Utilizando o PLA em testes de torção observou-se que a espessura da camada e a densidade são variáveis de grande importância para otimizar a resistência do material e o tratamento térmico teve uma resposta menor, mas existente. No entanto, em relação a ductilidade, densidade e tratamento térmico são de maior influência enquanto obtiveram uma resposta menor quanto a espessura de camada.

NUGROHO et al. (2019) analisas propriedades de tensão do PLA otimizando os parâmetros da tecnologia FDM. Realizou-se testes para analisar a maior resistência à tração em relação aos parâmetros e foi analisado que os parâmetros que mais influenciam do maior pro menor são: densidade de preenchimento, temperatura, padrão de preenchimento e largura de extrusão. A configuração ideal obtida foi 75% de densidade, 215° de temperatura, preenchimento do tipo favo de mel e 0,3 mm de largura de extrusão.

(24)

22

2.2 PLANEJAMENTO DE EXPERIMENTOS

Experimentos são utilizados para analisar o desempenho de processos (Figura 2) e este é uma combinação de operações, máquinas, métodos e qualquer recurso que transforma as variáveis de entradas em saídas com variáveis de análise, sendo algumas variáveis controláveis (x1, x2, ..., xp) e outras não (z1, z2, ..., zp). Para isso o

planejamento de experimentos (DOE) é de extrema importância para os métodos científicos, uma vez que os resultados e discussões acerca de experimentos estão relacionados diretamente com a maneira da coleta dos dados. Portanto, torna-se essencial um planejamento adequado do experimento. Os experimentos envolvem diversos fatores e o objetivo do experimentador é analisar o efeito destes fatores na variável de resposta escolhida – geralmente são selecionadas múltiplas variáveis de resposta (MONTGOMERY, 2012).

Figura 2 - Modelo geral de processo de experimentos

Fonte: Adaptado de Montgomery (2021)

Os fatores podem ser definidos como cada variável do processo em estudo. Os níveis são as condições de cada fator investigado e comumente são identificados por nível baixo (-) e nível alto (+) (CUNICO et al., 2008).

Um esboço deve ser traçado para utilização da abordagem estatística seguindo o planejamento:

(25)

23

• Reconhecer o problema;

• Selecionar a variável de resposta; • Escolher os fatores e os níveis; • Escolher o projeto experimental; • Realizar o experimento; e

• Analisar estatisticamente os dados.

O planejamento de experimentos teve inicialmente um destaque muito grande no setor agrícola, porém, sua aplicação expandiu para diversas áreas, como: ciência, engenharia, setor de serviços de negócios, finanças, operações governamentais, dentre outros. A ciência e engenharia possuem um histórico de grande sucesso com a aplicação do DOE o que apresenta uma competividade grande na indústria. Além disso, o planejamento experimental tornou-se parte de diversos programas de graduação e pós-graduação de engenharia nas universidades (MONTGOMERY, 2012).

2.2.1 Planejamento fatorial de experimentos

O planejamento fatorial é aplicado de forma eficiente em experimentos que possuem dois ou mais fatores, ou seja, a cada ensaio do experimento todas as combinações possíveis dos níveis dos fatores são analisadas. Supondo que existem dois fatores A e B, tem-se a níveis do fator A e b níveis do fator B, ou seja, cada réplica do experimento contém combinações de ab para n réplicas (Figura 3) (MONTGOMERY, 2012). As réplicas dos experimentos são de extrema importância para determinação do erro do experimento analisado e são diferentes da quantidade de experimentos realizados pois cada experimento possui n réplicas (CUNICO et al, 2008).

(26)

24

Figura 3 - Arranjo geral do planejamento fatorial

A utilização do planejamento fatorial possui a limitante do número reduzido de níveis dificultando uma análise completa em relação às variáveis existentes. Entretanto, suas vantagens podem ser descritas como a diminuição da quantidade de ensaios mantendo a qualidade do experimento e análise de diversas variáveis de forma simultânea (CUNICO et al, 2008).

Os experimentos fatoriais possibilitam analisar as interações presentes e, dessa forma, evitar conclusões enganosas quando se é observado apenas um fator isolado. Além disso, há possibilidade de estimar os efeitos de um fator em vários níveis de outros fatores, ou seja, gera-se diversas conclusões válidas pra diferentes combinações experimentais (MONTGOMERY, 2012).

2.2.2 Planejamento fatorial 2k

O planejamento fatorial 2k _{pode ser entendido como um experimento com dois}

níveis para k fatores, ou seja, serão realizadas 2 x ... x 2 (k vezes) = 2k_{. Por exemplo,}

em um planejamento fatorial com dois níveis e dois fatores (22_{) teremos 4 números de}

experimentos realizados chamados de combinações. Já para dois níveis e três fatores (23_{) teremos oito combinações (CUNICO et al, 2008).}

(27)

25

Analisando, por exemplo, o planejamento 23 _{temos três fatores e, dessa forma,}

três efeitos principais A, B e C. Além dos efeitos principais temos a avaliação das interações entre os fatores que serão três nesse caso: AB, AC e BC. Por fim, teremos a interação entre todos os fatores observados que será ABC para três fatores (MONTGOMERY, 2012). Os efeitos principais são observados quando os níveis são alterados no fator analisado. Já os efeitos de interação estão relacionados com o efeito principal de um fator nos níveis de um outro fator do planejamento (CUNICO et al, 2008).

Diante da listagem dos níveis baixo e alto dos fatores e suas interações, teremos a chamada matriz de experimento (Tabela 1) onde os sinais se alternam na coluna a em grupos de 20_{, para coluna b com 2}1_{e para c com 2}2_{. Além disso as}

interações são sinalizadas pela multiplicação dos fatores principais (MONTGOMERY, 2012).

Tabela 1 - Matriz de teste para planejamento fatorial 23

Combinação A B C AB AC BC ABC Resposta

1 - - - + + + - y1 2 + - - - - + + y2 3 - + - - + - + y3 4 + + - + - - - y4 5 - - + + - - + y5 6 + - + - + - - y6 7 - + + - - + - y7 8 + + + + + + + y8

Para configurar e analisar os experimentos fatoriais de dois níveis existem diversos softwares estatísticos. Estes softwares utilizam o método chamado de análise de variância (ANOVA) (MONTGOMERY, 2012). O ANOVA é uma técnica estatística que compara três ou mais amostras através de testes de hipóteses. Pode ser utilizado para testar o efeito de dois fatores nas variáveis analisadas, como no caso do planejamento fatorial 2k_{. Assume-se hipóteses nulas, ou seja, que a variável}

(28)

26

determinando se suas variâncias são iguais para todas as hipóteses nulas. E, dessa forma, é possível determinar os efeitos principais e as interações das variáveis de resposta (LARSON; FARBER, 2010).

(29)

27

3 MATERIAIS E MÉTODOS

O fluxograma apresenta a metodologia utilizada nesta pesquisa através da abordagem estatística de planejamento (Figura 4).

Figura 4 - Fluxograma metodológico

Fonte: Elaborado pela autora (2021)

3.1 MATERIAIS

Os materiais utilizados foram os filamentos de PLA na cor branca e na cor natural, ambos do fornecedor 3DFila, com 1,75 mm de espessura.

(30)

28

3.2 MÉTODOS

3.2.1 Definição das variáveis de resposta

Os ensaios mecânicos são formas importantes de compreender o comportamento de um material e conhecer as suas propriedades. Um ensaio comumente utilizado é o ensaio de tração no qual amostras são deformadas até sua fratura por uma carga que aumenta de maneira gradativa. Este ensaio é aplicado uniaxialmente ao longo do eixo da amostra (CALLISTER, RETHWISCH, 2012). As variáveis de resposta selecionadas de acordo com o ensaio de tração foram: limite de resistência à tração e ductilidade.

O limite de resistência à tração é a tensão máxima suportada pelo material e, se mantida, ocasiona a fratura da peça. A ductilidade é medida através do alongamento na ruptura e é importante pois caracteriza o grau de deformação plástica que foi suportado até a fratura. Com isso, materiais com baixas deformações são chamados de materiais frágeis (CALLISTER, RETHWISCH, 2012).

Além das propriedades mecânicas, na manufatura aditiva é fundamental que o tempo de impressão do corpo de prova e massa do material utilizado seja otimizada de forma que estes sejam adequados ao tipo de projeto proposto para aplicação da técnica FDM. Portanto, estas variáveis também serão analisadas.

3.2.2 Definição dos fatores e níveis

Foram selecionados três fatores para análise: espessura de camada, padrão de preenchimento e pigmentação. Além disso, foram escolhidos dois níveis relevantes para cada fator (Tabela 2).

A espessura de camada é uma variável de pré-processamento de fatiamento e foi selecionada com base nas configurações padrões pré-definidas pelo software Ultimaker Cura® 4.7.0. Este software possibilita transformação do modelo 3D STL em formato g-code que será processado pela impressora e, também, a configuração das variáveis de pré-processamento da técnica FDM. O Ultimaker Cura® possui configurações padrões pré-estabelecidas para diversas impressoras FDM, incluindo a Creality Ender 3, que será utilizada nesse projeto. Essas configurações pré-definidas são chamadas de perfis e são baseadas em valores para as variáveis de

(31)

pré-29

processamento que entregam bons resultados de impressão sem necessitar que o operador realize configurações personalizadas. Foi analisado dois perfis: super

quality, traduzindo seria um perfil de alta qualidade de impressão; e low quality, com

uma baixa qualidade. A diferença de maior destaque entre estes perfis é a altura de camada e, por isso, é a primeira variável selecionada. O perfil super quality apresenta uma espessura de camada de 0,12 mm, já o perfil low quality utiliza 0,28 mm, sendo estes os níveis selecionados.

O padrão de preenchimento também é uma variável de pré-processamento de fatiamento e o Ultimaker Cura® possui diversos padrões: grade, linhas, triangular, cúbica, entre outros. Aloyaydi et al. (2020) analisaram, por meio do teste de impacto de baixa velocidade e do teste de compressão, que o padrão de preenchimento influenciou de maneira expressiva na resposta mecânica do PLA impresso pela técnica FDM. Sendo assim, esta variável foi escolhida para que seja estudado o comportamento para característica de tração. Além disso, Aloyaydi et al. (2020) observaram que o padrão de preenchimento triangular absorveu maior energia no teste de impacto e o padrão grade exibiu maior resistência à compressão. Portanto, o padrão triangular e grade foram selecionados como níveis do fator.

Diferentemente das primeiras variáveis selecionadas, a pigmentação é uma variável de análise do material. Soares et al. (2018) observaram que cor do PLA influencia no acabamento da peça impressa em FDM. Portanto, foi escolhido analisar como a ausência ou presença de pigmentação irá influenciar a resposta mecânica. Nos testes, Soares et al. (2018), identificaram que o PLA natural, ou seja, sem pigmentação obteve melhores resultados no acabamento. Com isso, os níveis adotados foram ausente e presente, referentes a pigmentação do PLA.

Tanto os fatores espessura de camada e padrão de preenchimento influenciam no tempo de impressão e na massa de material gasto. Contudo, a pigmentação não possui essa influência, visto que não é uma variável relacionada diretamente o pré-processamento da técnica FDM.

Tabela 2 - Níveis de variação para espessura de camada, padrão de preenchimento e pigmentação

(32)

30

A Espessura de camada (mm) 0,28 0,12

B Padrão de preenchimento Grade Triangular

C Pigmentação Ausente Presente

Fonte: Elaborado pela autora (2021).

3.2.3 Planejamento de experimentos

Sendo três fatores a serem analisados definiu-se um planejamento fatorial 23_,

ou seja, 23_{= 8 combinações que foram separadas em X}

1 a X8 na matriz de teste (

Tabela 3).

Tabela 3 – Matriz de teste do planejamento fatorial 23

Combinação Espessura de camada (mm) Padrão de Preenchimento Pigmentação X1 0,12 Grade Ausente X2 0,28 Grade Ausente X3 0,12 Triangular Ausente X4 0,28 Triangular Ausente X5 0,12 Grade Presente X6 0,28 Grade Presente X7 0,12 Triangular Presente X8 0,28 Triangular Presente

Fonte: Elaborado pela autora (2021).

3.2.5 Aplicação da técnica FDM

O corpo de prova a ser analisado foi modelado segundo a norma ASTM D638-02a tipo IV (ASTM, 2002) para ensaio de tração (Figura 5) utilizando o software gráfico de CAD SolidWorks® versão 2018, sendo gerado o arquivo em formato STL, que é utilizado pela impressora 3D com tecnologia FDM.

(33)

31

Figura 5 - Corpo de prova segundo a norma ASTM D638-02a

A etapa pré-fabricação dos corpos de prova com os parâmetros selecionados foi realizada no software Cura® 4.7.0 ( Figura 6) que permite configurar os parâmetros de impressão desejados para o processo. Para este projeto foi adotado o perfil low quality como padrão para a impressora Creality Ender 3 (Figura 7), pertencente a autora deste trabalho, que irá padronizar as propriedades da confecção dos corpos de prova (Tabela 4), exceto as propriedades que serão variáveis de análise e do tipo de aderência na plataforma que pelo perfil seria brim e foi escolhido nenhuma aderência para que não influencie de maneira equivocada o gasto de massa de material e o tempo de impressão.

Figura 6 - Interface do Ultimaker Cura®

(34)

32

Figura 7 - Impressora 3D Creality Ender 3

Tabela 4 - Propriedades principais do perfil Low Quality

Propriedade Valor fixado

Largura de extrusão 0,4 mm Espessura de parede 0,8 mm Camadas superiores/inferiores 4 Preenchimento 20% Temperatura de impressão 200ºC Temperatura da plataforma 50ºC Fluxo 100% Velocidade de impressão 50 mm/s

Dessa forma, os modelos configurados foram salvos no formato G-CODE que possibilita a leitura do modelo e suas configurações pela impressora 3D. Foram confeccionados 5 corpos de prova de cada combinação do planejamento de

(35)

33

experimentos conforme a norma citada para que fosse obtido resultados eficazes, totalizando, portanto, 40 corpos de prova impressos em PLA (Figura 8).

Figura 8 - Corpos de prova impressos em PLA

Após confeccionar os corpos de prova foram realizados os ensaios de tração na máquina universal de ensaios Emic DL 100000 (Figura 9) que está localizada no Laboratório de Ensaios Mecânicos Destrutivos do Ifes Campus Vitória. Utilizou-se para medição: do alongamento do corpo de prova, um extensômetro Emic de 25 mm (Figura 10) pertencente ao Ifes Campus Vitória; da variação dimensional, um paquímetro Massi analógico (Figura 11) também pertencente ao Ifes Campus Vitória.

(36)

34

Figura 9 - Máquina universal de ensaios Emic DL 100000

Figura 10 - Extensômetro Emic de 25 mm

(37)

35

Figura 11 - Paquímetro Massi analógico

Os dados obtidos foram manipulados no software Statistica® utilizando o ANOVA para verificar se os fatores exercem influência sobre as variáveis de resposta.

(38)

36

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO

Por meio do ANOVA, utilizando o software Statistica 7, obtemos gráficos importantes para avaliação das variáveis de análise, além da matriz experimental do planejamento experimental.

• Quanto aos valores obtidos das variáveis de resposta: matriz experimental;

• Quanto a influência dos fatores nas variáveis de resposta: gráfico de probabilidade;

• Quanto a diferença entre os níveis de cada fator para as variáveis de resposta: gráficos de médias para cada variável.

A matriz experimental apresenta as médias obtidas para cada resposta. O gráfico de probabilidade nos permite verificar quais efeitos principais e interações são significantes ou não para análise da variável de resposta, sendo que os efeitos díspares dos demais são relevantes para análise. Já os gráficos de médias nos permitem inferir o efeito da mudança de nível em cada variável analisada, a inclinação da reta determina se há ou não influência, podendo a reta permanecer sem inclinação, portanto, sem influência.

4.1 MATRIZ EXPERIMENTAL PARA O ENSAIO DE TRAÇÃO

O ensaio de tração possibilitou analisar as variáveis: limite de resistência à tração e alongamento na ruptura.

4.1.1 Limite de resistência à tração

A matriz experimental de limite de resistência à tração (Tabela 5) apresenta os resultados obtidos com seus respectivos desvios padrões.

Tabela 5 - Matriz experimental de limite de resistência à tração Combinação Espessura de camada (mm) Padrão de preenchimento Pigmentação Limite de resistência à tração (MPa)

(39)

37 X1 0,12 Grade Ausente 19,19 ± 0,66 X2 0,28 Grade Ausente 29,54 ± 0,80 X3 0,12 Triangular Ausente 18,71 ± 0,45 X4 0,28 Triangular Ausente 30,01 ± 0,25 X5 0,12 Grade Presente 16,87 ± 0,48 X6 0,28 Grade Presente 26,66 ± 0,56 X7 0,12 Triangular Presente 18,73 ± 0,64 X8 0,28 Triangular Presente 28,15 ± 0,78

Através da matriz podemos notar que a combinação com espessura de camada 0,28 mm, padrão de preenchimento triangular e sem pigmentação (combinação X4)

foi a que obteve maior limite de resistência à tração com 30,01 MPa. Já a espessura de camada 0,12 mm, padrão de preenchimento tipo grade e com pigmentação (combinação X5) foi a configuração que apresentou menor tensão com 16,87 MPa.

Percebe-se que configurações opostas apresentaram diferentes extremos.

O gráfico de probabilidade de resistência à tração (Figura 12) apresenta que a variável espessura de camada (efeito A) é a variável mais significante para o limite de resistência à tração. Porém, nota-se também uma pequena influência da pigmentação (efeito C).

Já os gráficos de médias de limite de resistência à tração (Figura 13) permite inferir que há diferença entre os valores de tensão entre todos os níveis para as variáveis selecionadas. Sendo as maiores tensões apresentadas na espessura de camada 0,28 mm, padrão de preenchimento triangular e sem pigmentação.

(40)

38

Figura 12 - Gráfico de probabilidade de resistência à tração

Figura 13 - Gráficos de médias de limite de resistência à tração

4.1.2 Alongamento na ruptura

Temos a matriz experimental de alongamento na ruptura (Tabela 6) com os resultados.

(41)

39

Tabela 6 - Matriz experimental de alongamento na ruptura Combinação Espessura de camada (mm) Padrão de preenchimento Pigmentação Alongamento na ruptura (%) X1 0,12 Grade Ausente 2,86 ± 0,47 X2 0,28 Grade Ausente 2,75 ± 0,34 X3 0,12 Triangular Ausente 1,61 ± 0,45 X4 0,28 Triangular Ausente 2,56 ± 0,21 X5 0,12 Grade Presente 2,52 ± 0,70 X6 0,28 Grade Presente 3,40 ± 0,35 X7 0,12 Triangular Presente 1,54 ± 0,43 X8 0,28 Triangular Presente 3,12 ± 0,63

Para o alongamento da ruptura a combinação espessura de camada 0,28 mm, padrão de preenchimento tipo grade e com pigmentação (combinação X6) possui

maior valor, ou seja, possui a combinação mais dúctil dentre as analisadas com 3,40%. Contudo, a configuração de menor alongamento na ruptura foi espessura de camada a espessura de camada 0,12 mm, padrão de preenchimento triangular e com pigmentação (combinação X7) com 1,54%.

O gráfico de probabilidade de alongamento da ruptura (Figura 14) apresenta a espessura de camada (efeito A) e o padrão de preenchimento (efeito B) como variáveis significantes para o alongamento da ruptura. O que corrobora com o resultado encontrado na geometria de médias.

Os gráficos de médias do alongamento de ruptura (Figura 15) apresentam que os níveis de todas as variáveis também interferem nos valores obtidos. Temos que os maiores valores de ductilidade são vistos em espessura de camada 0,28 mm, padrão de preenchimento tipo grade e com presença de pigmentação.

(42)

40

Figura 14 - Gráfico de probabilidade de alongamento da ruptura

Figura 15 - Gráficos de médias de alongamento na ruptura

4.2 MATRIZ DE EXPERIMENTOS DE TEMPO E MASSA

O software Cura® apresenta valores de tempo de impressão e comprimento de filamento gasto para impressão de cada corpo de prova. Dessa forma, é possível calcular a massa de material gasto pela equação:

(43)

41

Sendo a densidade do PLA 1,24 g/cm3_{e o diâmetro do filamento sendo 1,75}

mm, pode-se calcular todas as massas impressas.

Portanto, analisou-se as variáveis tempo de impressão e massa de material. 4.2.1 Tempo de impressão

Obteve-se a matriz experimental (Tabela 7).

Tabela 7 - Matriz experimental de tempo de impressão Combinação Espessura de camada (mm) Padrão de preenchimento Pigmentação Tempo (minutos) X1 0,12 Grade Ausente 42 X2 0,28 Grade Ausente 28 X3 0,12 Triangular Ausente 42 X4 0,28 Triangular Ausente 28 X5 0,12 Grade Presente 42 X6 0,28 Grade Presente 28 X7 0,12 Triangular Presente 42 X8 0,28 Triangular Presente 28

Nota-se que para a variável tempo de impressão existem apenas duas respostas: 28 e 42 min. Para todas respostas de 28 min a espessura de camada era de 0,28 mm (combinações X1, X3, X5 e X7) e as correspondentes a 42 min possuíam

0,12 mm (combinações X2, X4, X6 e X8).

O gráfico de probabilidade de tempo de impressão (Figura 16) demonstra o que a geometria de médias apresenta: a espessura de camada (efeito A) é a única variável relevante quanto ao tempo. Da mesma forma, o gráfico de médias (Figura 17), visto que não há influência dos níveis para os fatores padrão de preenchimento e pigmentação.

(44)

42

Figura 16 - Gráfico de probabilidade de tempo de impressão

Figura 17 - Gráficos de médias de tempo de impressão

4.2.2 Massa de material

Em relação a massa de material utilizada obteve-se a matriz experimental da massa de material (Tabela 8).

(45)

43

Tabela 8 - Matriz experimental de massa de material Combinação Espessura de camada (mm) Padrão de preenchimento Pigmentação Massa de material (gramas) X1 0,12 Grade Ausente 3,728 X2 0,28 Grade Ausente 5,279 X3 0,12 Triangular Ausente 3,728 X4 0,28 Triangular Ausente 5,309 X5 0,12 Grade Presente 3,728 X6 0,28 Grade Presente 5,279 X7 0,12 Triangular Presente 3,728 X8 0,28 Triangular Presente 5,309

Pode-se inferir que as combinações que mais gastam material são as com espessura 0,28 mm e padrão de preenchimento triangular (combinações X4 e X8) com

5,309 g. Já todas as combinações para espessura de camadas 0,12 mm (combinações X1, X3, X5 e X7) possuem o menor gasto de massa sendo 3,728 gramas.

Quanto o gráfico de probabilidade de massa de material (Figura 18) percebemos que somente a espessura de camada (efeito A) possui influência significativa na massa, enquanto o padrão de preenchimento (efeito B) e a interação entre espessura de camada e padrão de preenchimento (efeito AB) possuem uma pequena influência na massa gasta.

É possível confirmar os efeitos através dos gráficos de médias de massa de material (Figura 19), pois apenas a variável pigmentação não possui diferença de valor em relação ao nível.

(46)

44

Figura 18 - Gráfico de probabilidade de massa de material

Figura 19 - Gráficos de médias de massa de material

(47)

45

5 CONCLUSÃO E CONSIDERAÇÕES FINAIS

Este trabalho avaliou a influência dos parâmetros (espessura de camada, padrão de preenchimento e pigmentação) do processo FDM nas propriedades mecânicas (limite de resistência à tração e alongamento na ruptura) e no tempo e material (tempo de impressão e massa de material utilizado) de corpos de prova de PLA, podendo-se concluir que:

• Para o limite de resistência à tração a espessura de camada possui grande relação com o resultado e quanto maior a espessura maior será a tensão suportada. Há uma pequena influência da pigmentação, no qual o PLA natural sem pigmento possui maiores valores de tensão. A melhor configuração encontrada foi espessura de camada 0,28 mm, padrão de preenchimento triangular e sem pigmentação.

• No alongamento na ruptura a espessura de camada e o padrão de preenchimento estão relacionados com os valores obtidos. Ao aumentar a espessura de camada aumenta-se a ductilidade. Bem como a utilização do padrão de preenchimento tipo grade. A melhor combinação foi espessura de camada 0,28 mm, padrão de preenchimento tipo grade e com pigmentação. • No tempo de impressão apenas a espessura de camada é relevante e o

aumento desta diminui o tempo final de confecção das peças. Todas as combinações com espessura de camada 0,28 mm obtiveram melhor desempenho, ou seja, menor tempo de confecção.

• A massa de material utilizada sofre influência da espessura de camada, padrão de preenchimento e da interação entre estes dois fatores. Esta foi a única variável na qual a interação entre dois fatores foi relevante para a pesquisa. A diminuição da camada de espessura reduz o gasto de material, bem como a utilização do padrão de preenchimento grade. O menor gasto de massa ocorreu com espessura de camada igual a 0,12 mm.

As variáveis pré-processamento do processo FDM (espessura de camada e padrão de preenchimento) possuem influência tanto na resistência mecânica quanto no tempo e massa. Estas são mais relevantes para as variáveis de resposta quando comparadas a variável do material PLA (pigmentação).

(48)

46

Recomenda-se a pesquisa da variável pigmentação com outras cores de pigmentos para uma análise detalhada quanto a coloração. Além do estudo comparativo entre o PLA e outros materiais utilizados em FDM, como o ABS e Náilon.

(49)

47

REFERÊNCIAS

AFROSE, Faujiya. MASOOD, S. H. IOVENITTI, Pio. NIKZAD, Mostafa. SBARSKI, Igor. Effects of part build orientations on fatigue behaviour of FDM-processed PLA material. Progress in Additive Manufacturing. 1, 21-28. 2016.

AKHOUNDI, Behnam. BEHRAVESH, Amir H. SAED, Arvin B. Improving mechanical properties of continuous fiber-reinforced thermoplasctic composites produced by FDM 3D printer. Journal of Reinforced Plastics and Composites, Vol. 38(3) 99-116. 2019.

ALOYAYDI, Bandar. SIVASANKARAN, Subbarayan. MUSTAFA, Ammar. Investigation of infill-patterns on mechanical response of 3D printed poly-lactic-acid. Polymer Testing. Vol. 87. 2020.

CALLISTER JR., William D. RETHWISCH, David G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. Rio de Janeiro. LTC. 2012.

CHOHAN, Fasgurpreet S. SINGH, Rupinder. Pre and post processing techniques to improve surface characteristics of FDM parts: a state of art review and future applications. Rapid Prototyping Journal. Vol 23(3), 495-513. 2017.

CUNICO, M. W. M. CUNICO, M. M. MIGUEL, O.G. ZAWADZKI, S. F. PERALLTA-ZAMORA, P. VOLPATO, N. Planejamento fatorial: uma ferramenta estatística valiosa para a definição de parâmetros experimentais empregados na pesquisa científica. Visão Acadêmica. Vol 9(1). 2008.

DE MACEDO, José R. N. BARBOSA, Rennan F. S. ROSA, Derval S. Macro, micro e nano compósitos de PLA: degradação biótica e abiótica. 14º Congresso Brasileiro de Polímeros. 2017.

DOUNGKOM, P. JIAMJIROCK, K. Analysis of Printing and Infiltration over the Tensile Properties of PLA Printed Parts by a Fuse Deposition Modelling Printer. International Conference on Mechanical Engineering. IOP Conference Series:

Materials Science and Engineering 501. 2019.

DRUMRIGHT, Ray E. GRUBER, Patrick R. HENTON, David E. Polylactic Acid Technology. Advanced Materials. Vol. 12(23), pp. 1841-1846. 2000.

(50)

48

FERA, M. FRUGGIERO, F. LAMBIASE, A. MACCHIAROLI, R. State of the art of additive manufacturing: Review for tolerances, mechanical resistance and production costs. Cogent Engineering, Vol. 3(1). 2016.

INKINEN, Saara. HAKKARAINEN, Mina. ALBERTSSON, Ann-Christine. SÖDEGARD, Anders. From Lactic Acid to Poly(lactic acid) (PLA):

Characterization and Analysis of PLA and Its Precursors. Biomacromolecules, Vol.12(3), pp.523-532. 2011.

JAMSHIDIAN, Majid. TEHRANY, Elmira Arab. IMRAN, Muhammad. JACQUOT, Muriel. DESOBRY, Stéphane. Poly-Lactic Acid: Production, Applications, Nanocomposites, and Release Studies. Institute of Food Technologists. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety Vol. 9. 2010.

LARSON, Ron. FARBER, Betsy. Estatística Aplicada. 4ª edição. São Paulo. Editora Pearson, 2010.

NUGROHO, Aris Widyo. MAHARDIKA, A. H. BUDIANTORO, Cahyo. Improving the tensile properties of 3D printed PLA by optimizing the processing parameter. Journal of Energy, Mechanical, Material, and Manufacturing Engineering. Vol. 4(1), 29-36. 2019.

PÉREZ, Bianca. NYKVIST, Hanna. BROGGER, Anja F. LARSEN, Maria Barmar. FALKEBORG, Mia Fiilsoe. Impact of macronutrients printability and 3D-printer parameters on 3D-food printing: A review. Food Chemistry. Vol.287, 249-257. 2019.

POPESCU, Diana. ZAPCIU, Aurelian. AMZA, Catalin. BACIU, Florin. MARINESCU, Rodica. FDM process parameters influence over the mechanical properties of Polymer specimentes: A review. Polymer Testing. Vol 69, 157-166. 2018.

SOARES, Juliana B. FINAMOR, João. SILVA, Fabio P. ROLDO, Liane. CÂNDIDO, Luis H. Analysis of the influence of polylactic acid (PLA) colour on FDM 3D printing temperature and part finishing. Rapid Prototyping Journal, 1305-1316. 2018.

TORRES, Jonathan. COTELO, José. KARL, Justin. GORDON, Ali P. Mechanical Property Optimization of FDM PLA in Shear with Multiple Objectives. JOM. Vol 67(5), 1183-1193. 2015.

(51)

49

VOLPATO, NERI. Manufatura aditiva: tecnologias e aplicações da impressão 3D. Editora Edgard Blücher Ltda. São Paulo. 2017.

WICKRAMASINGHE, Sachini. DO, Truong. TRAN, Phuong. FDM-Based 3D Printing of Polymer and Associated Composite: A Review on Mechanical Properties, Defects and Treatments. Polymers, Vol. 12(1529), 1529. 2020.