Cidade Ano Londrina
2020
LUCAS HENRIQUE DA SILVA BARUZO
AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DE PARÂMETROS DE
PROCESSAMENTO APLICADOS A FABRICAÇÃO POR
Londrina 2020
AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DE PARÂMETROS DE
PROCESSAMENTO APLICADOS A FABRICAÇÃO POR
FILAMENTO FUNDIDO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Universidade Pitágoras Unopar, como requisito parcial para a obtenção do título de graduado em Engenharia Mecânica.
Orientador: M.e. André William Tonatto Tutor: Melany Trindade
Dedico este trabalho primeiramente à Deus por me dar forças e vontade para chegar até aqui, pela minha esposa por me ajudar nos momentos que mais precisei e aos meus pais pela educação, paciência e amor concedido.
Tornou-se chocantemente óbvio que nossa tecnologia excedeu nossa humanidade.
BARUZO, Lucas Henrique da Silva. Avaliação da influência de parâmetros de processamento aplicados a fabricação por filamento fundido. 2020. 45 páginas. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) – Universidade Pitágoras Unopar, Londrina, 2020.
RESUMO
A manufatura aditiva é um método de fabricação criado em 1976, no qual faz uso da tecnologia de deposição camada a camada. A categoria de fabricação mais comum é a fabricação por filamentos fundidos, no qual utiliza polímeros termoplásticos, tais como Poli (Ácido Láctico), Poliestireno, Polipropileno ou Acrilonitrila Butadieno Estireno, ambos em forma de filamento. Durante a impressão tridimensional dos modelos previamente desenhados, o termoplástico utilizado é aquecido próximo ao ponto de fusão por um bico extrusor e é depositado em uma plataforma aquecida próxima ao ponto de transição vítrea do material. Assim como em outros processos de fabricação, a fabricação por filamentos fundidos é parametrizada através dos parâmetros de processamento, onde podem influência em alterações de resistência mecânica, características geométricas ou rugosidade do modelo impresso. Para tanto dividiu-se o presente estudo em três partes no qual objetivaram respectivamente na caracterização do processo de fabricação por filamento fundido, nos parâmetros de processamento presentes neste método e na interferência que tais parâmetros tem sob o modelo final. Desta forma, verificou-se alterações ocasionadas pelo ângulo de varredura ou tipo de preenchimento, onde suscitaram alterações na resistência mecânica ou até mesmo na rugosidade do modelo impresso. Analogamente o percentual de preenchimento, temperatura de fabricação ou também geometria interna de preenchimento, interferem diretamente na geometria e massa do modelo impresso.
Palavras-chave: Manufatura Aditiva. Fabricação por Filamento Fundido. Parâmetros
Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) – Universidade Pitágoras Unopar, Londrina, 2020.
ABSTRACT
Additive manufacturing is a manufacturing method created in 1976, using layer-by-layer deposition technology. The most common manufacturing category is cast filament manufacturing, which does not use thermoplastic polymers, such as Poly (Lactic Acid), Polystyrene, Polypropylene or Acrylonitrile Butadiene Styrene , both in filament form. During the three-dimensional printing of the previously designed models, the thermoplastic used is heated close to the melting point by an extruder nozzle and is deposited on a platform developed close to the glass transition point of the material. As in other manufacturing processes, an cast filament manufacturing is parameterized through the processing parameters, where they can influence changes in mechanical strength, geometric characteristics or roughness of the printed model. To this end, the present study was divided into three parts in which they aimed respectively at the characterization of the manufacturing process by fused filament, the processing parameters in this method and the interference that these parameters have under the final model. In this way, it was verified the changes caused by the evaluation angle or type of filling, where they caused changes in the mechanical resistance or even in the roughness of the printed model. Similarly, the percentage of filling, manufacturing temperature or internal filling geometry, directly interfere with the geometry and mass of the printed model.
Keywords: Additive Manufacturing. Cast Filament Manufacturing. Processing Parameters. Thermoplastics.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – Ilustração do fatiamento de modelo CAD: (a) Modelo CAD 3D; (b) Fatiamento; (c) Peça Final. ... 16 Figura 2 – Processo de Fabricação por Fusão e Adição de Material. ... 17 Figura 3 – Curvas de Ensaio DSC (Adaptado). ... 19 Figura 4 – Classificação das dos Reforços de Fibras: (a) Fibras Contínuas; (b) Fibras Bidiecionais; (c) Fibras curtas aleatórias (Adaptado) ... 21 Figura 5 – Microscopia Eletrônica por Varrimento (MEV) transversal: (a) PBAT puro; (b) PBAT- 0,5% estearato de magnésio (Adaptado) ... 22 Figura 6 – Estrutura sanduíche simplificada. ... 23 Figura 7 – Balanceamento Entre Parâmetro de Velocidade de Deposição e Espessura de Camada ... 25 Figura 8 – Relação Entre Espessura de Camada e Largura do Filamento Depositado. ... 26 Figura 9 – Parâmetro de Processamento: (a) Largura do Filamento Depositado; (b) Largura de Contorno; (c) Espaço Entre o Preenchimento Interno; (d) Ângulo de Varredura (adaptado). ... 27 Figura 10 – Linhas de Deposição da Fabricação por Filamentos Fundidos (Adaptado)... 27 Figura 11 – Variação na quantidade de preenchimento: (a) 20 %, (b) 40 %, (c) 60 % e (d) 100 %. ... 28 Figura 12 – Orientação de Construção ... 29 Figura 13 – Corpos de Prova com Diferentes Tipos de Preenchimento: (a) Preenchimento Honeycomb; (b) Preenchimento em Grade; (c) Preenchimento Triangular; (d) Preenchimento Retilinear (Adaptado). ... 31 Figura 14 – Curva Tensão x Deformação Para Diferentes Tipos de Preenchimento: (a) Preenchimento Honeycomb; (b) Preenchimento em Grade; (c) Preenchimento Triangular; (d) Preenchimento Retilinear (Adaptado). ... 32 Figura 15 – Processo de formação da união entre dois filamentos: (a) contato superficial; (b) formação do “pescoço”; (c) difusão molecular e randomização. (Adaptado)... 33 Figura 16 – Força x Deformação para Ensaios de Compressão (Adaptado). ... 34
... 35 Figura 18 – Geometria de Modelos Impressos com Diferentes Estratégias de Preenchimento: (a) Comprimento; (b) Largura (Adaptado). ... 36 Figura 19 – Microscopia ópticas de amostra fabricada com temperatura de extrusão de 170°C. ... 37 Figura 20 – Microscopia ópticas de amostra fabricada com temperatura de extrusão de 170°C. ... 37
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
CAD Computer Aided Design
MA Manufatura Aditiva SLA Estereolitografia
ASTM American Society for Testing and Materials
FFF Fabricação por Filamento Fundido
FDM Fused Deposition Modeling
PC Policarbonato PS Poliestireno PP Polipropileno
ABS Acrilonitrila Butadieno Estireno PLA Poli Ácido Láctico
PETG Polyethylene terephthalate Glicol
LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
DSC Differential Scanning Calorimeter
HIPS Poliestireno de Alto Impacto EPS Poliestireno Expandido
PBAT Poli (Butileno Adipato-Co-Tereftalato ) MEV Microscopia Eletrônica de Varredura
1. INTRODUÇÃO ... 13
2. MÉTODOS E MATERIAIS APLICADOS À TECNOLOGIA DE MANUFATURA ADITIVA: FABRICAÇÃO POR FILAMENTO FUNDIDO ... 15
2.1 EVOLUÇÃO DA MANUFATURA ADITIVA ... 15
2.2 FABRICAÇÃO POR FILAMENTO FUNDIDO ... 16
2.3 MATÉRIAS-PRIMAS EMPREGADAS NA FABRICAÇÃO POR FILAMENTO FUNDIDO ... 17
2.3.1 Polímeros Termoplásticos ... 17
2.3.1.1 Poliácido Láctico (Pla) ... 18
2.3.1.2 Acrilonitrila Butadieno Estireno (Abs) ... 19
2.3.1.3 Polyethylene Terephthalate Glicol (Petg) ... 20
2.3.1.4 Policarbonato ... 20 2.3.1.5 Poliestireno ... 20 2.3.1.6 Polipropileno ... 21 2.3.2 Compósitos ... 21 2.3.2.1 Compósitos Fibrosos ... 21 2.3.2.2 Compósitos Particulados ... 22 2.3.2.3 Compósitos Estruturais ... 23
3. PARÂMETROS DE PROCESSAMENTO DA TÉCNICA DE FABRICAÇÃO POR FILAMENTO FUNDIDO. ... 24
3.1 VELOCIDADE DE DEPOSIÇÃO ... 24
3.2 ESPESSURA DE CAMADA ... 25
3.3 LARGURA DO FILAMENTO DEPOSITADO ... 26
3.4 VAZIOS ... 27
3.5 ÂNGULO DE VARREDURA ... 27
3.7 DIREÇÃO DE PREENCHIMENTO ... 28
3.8 TIPOS DE PREENCHIMENTO ... 29
3.9 TEMPERATURA ... 29
3.9.1 Temperatura Do Bico Extrusor ... 29
3.9.2 Temperatura Da Plataforma ... 30
4. IMPACTOS DOS PARÂMETROS DE PROCESSAMENTO EM MODELOS IMPRESSO ATRAVÉS DA FABRICAÇÃO POR FILAMENTO FUNDIDO. ... 31
4.1 RESISTÊNCIAS MECÂNICAS DE MODELOS IMPRESSOS ... 31
4.1.1 Resistência A Tração ... 31
4.1.2 Forças Máximas De Compressão ... 33
4.1.3 Resistencia A Flexão ... 34
4.2 ASPECTOS GEOMÉTRICOS, GRAVIMÉTRIVOS E MICROESTRUTURAIS DE MODELOS IMPRESSO POR FABRICAÇÃO DE FILAMENTOS FUNDIDOS .... 35
4.3 RUGOSIDADE DE MODELOS IMPRESSOS ... 38
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 39
1. INTRODUÇÃO
A manufatura aditiva (MA) conhecida também como impressão 3D e prototipagem rápida é um método de fabricação com desígnio voltado a construção de modelos previamente desenhados em software CAD (do inglês – Computer Aided
Design). A tecnologia mais utilizada neste modelo de manufatura, faz uso do
conceito de deposição camada a camada. Este consiste na deposição de polímeros fundidos, por meio de um cabeçote extrusor com liberdade de movimento em X e Y, para depositar o material polimérico sobre uma mesa previamente aquecida. A possibilidade de criar formas complexas é um dos atributos da prototipagem rápida no qual permite que seja utilizada em áreas como do automobilismo, industrial, da medicina, da odontologia, da indústria aeroespacial, entre outros.
Assim como em processos convencionais, como por exemplo a usinagem ou fundição, é comum realizar alterações em parâmetros de processo, também na Manufatura Aditiva, a fim de solucionar diversos tipos de adversidades que podem influenciar no acabamento da peça final. Os parâmetros de processamento podem influenciar na resistência a tração, na resistência ao impacto na deformação de escoamento, na cristalinidade ou até mesmo na massa de objetos manufaturados aditivamente. De maneira similar, é necessário levar em consideração a processabilidade das matérias-primas usualmente utilizados na manufatura por extrusão de material polimérico fundido, pois trata-se de termoplásticos.
Em razão da evidente evolução da manufatura aditiva bem como as possíveis alterações do modelo final fabricado acarretados por parâmetros de processamento, a presente monografia propõe uma pesquisa bibliográfica sobre as possíveis influências dos parâmetros de processamento emergentes da tecnologia de manufatura por extrusão de material polimérico fundido, bem como, a aplicação destes em polímeros como o Poli (Ácido Láctico), o Acrilonitrila Butadieno Estireno ou o Poli (Tereftalato de Etileno Glicol), não apenas pelo âmbito da aplicabilidade atual, mas para que também possa ser utilizado como base para próximos estudos destinados a evolução e difusão dessa tecnologia.
Assim como em métodos tradicionais de manufatura, os parâmetros de processamento, bem como o tipo de matéria-prima utilizada, podem interferir diretamente na peça desejada, cabe a seguinte pergunta: De que maneira os
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parâmetros de processamento podem interferir na processabilidade, geometria, rugosidade, resistência térmica, química e mecânica de peças manufaturadas por extrusão e deposição de material polimérico fundido?
Para tanto o objetivo geral deste trabalho foi, o estudo das influências dos parâmetros de processamento empregados na tecnologia de extrusão e deposição de material fundido. De forma análoga, os objetivos específicos dividem-se na análise do método de fabricação por filamento fundido (FFF) e das suas respectivas matérias-primas, a identificação dos parâmetros de processamento presentes na técnica de FFF e por fim, o impacto dos diversos parâmetros de processamento em diferentes matérias-primas com o modelo final fabricada por FFF.
Devido os avanços da manufatura aditiva, bem como, os materiais utilizados nesta metodologia de fabricação, foram utilizados artigos científicos relacionados ao tema no período de 2000 a 2020, ou seja, trabalhos publicados nos últimos 20 anos. Além disso, a presente pesquisa contempla uma revisão literária no qual expõe diferentes pesquisas qualitativas, ou seja, pesquisa de caráter exploratório, a fim de examinar as influências que podem modificar propriedades dos modelos impressos por manufatura aditiva, devido variações de parâmetros de processamento.
2. MÉTODOS E MATERIAIS APLICADOS À TECNOLOGIA DE MANUFATURA ADITIVA: FABRICAÇÃO POR FILAMENTO FUNDIDO
2.1 EVOLUÇÃO DA MANUFATURA ADITIVA
O processo conhecido como fotopolimerização, é um dos processos que mais tardar, veio inspirar a criação da manufatura aditiva. Através de uma proposta realizada por Matsubara (1976), consistia em iluminar repetidamente, camadas de um fotopolímero através de luz ultravioleta, causando o endurecimento destas e as depositando uma sobre a outra, formando assim objetos 3D. (BRAGA, 2017).
Inicialmente intitulado como prototipagem rápida, este método de fabricação foi patenteado apenas em 1986, por Charles Hull, responsável pela invenção de uma máquina Estereolitografia (SLA). Além da criação da prototipagem rápida, Hull foi o primeiro a encontrar um método de comunicação de arquivos obtidos por
software CAD com o sistema de prototipagem rápida, fator fundamental para
facilidade de produção de uma peça impressa (SANTANA, 2015).
O termo “manufatura aditiva”, como é conhecido atualmente, só passou a ser empregado em 2010, quando a ASTM (do inglês – American Society for Testing and
Materials) definiu o termo na norma ASTM F2792. Também pode-se encontrar nesta
norma termos como: fabricação aditiva, manufatura por adição de camadas, fabricação de formas complexas e processos aditivos (SANTANA, 2015; RILKO E SANTOS, 2017).
Além da tecnologia de Estereolitografia, outras técnicas de fabricação foram criadas na década de 80, tal como a Selective LASER Sintering (SLS), conhecida como sintetização seletiva a LASER, criada em 1984 por Carl Deckard e Joe Beaman. Em 1989, foi a vez de Scott e Crump, criarem o método de fabricação no qual consistia na modelagem por deposição de termoplásticos fundidos (BRAGA, 2017).
Uma das características em comum que ambas as técnicas de manufatura aditiva possuem é a linguagem de comunicação entre o software responsável pelo fatiamento do modelo a ser produzido (Figura 1c) e a impressora, que utiliza o formato Stereolitography Tesselation Language (STL), destinado a realizar o fatiamento (Figura 1b), do arquivo desenhado em software CAD (Figura 1a).
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Normalmente o software responsável pelo fatiamento (camadas) das formas geométrica, também é responsável por criação do código G, ou seja, comandos enviados para a máquina (LIRA, 2008; LEITE et al., 2011).
Figura 1 - Ilustração do fatiamento de modelo CAD: (a) Modelo CAD 3D; (b) Fatiamento; (c) Peça Final.
Fonte: LIRA, 2008, p. 7. (adaptado).
Conforme já elucidado anteriormente, a manufatura aditiva oferece diferentes técnicas que possibilitam a obtenção dos modelos desejados. Estas diferentes técnicas podem ser divididas em sete diferentes categorias, sendo estas: Fusão em leito de pó; jateamento de material; jateamento de aglutinantes; deposição direta de energia; extrusão de material; adição de laminados; fotopolimerização (TONATTO, 2017).
A categoria mais explorada por entusiastas e pesquisadores é a da extrusão de materiais, no qual engloba a método mais utilizado atualmente, que é a fabricação por filamentos fundidos. Esta tecnologia por sua vez, vem em constante ascensão tanto pelo custo-benefício de equipamentos e matérias-primas aplicadas neste conceito, quanto pelas áreas de aplicação (PORSANI et al., 2017).
2.2 FABRICAÇÃO POR FILAMENTO FUNDIDO
O processo de Fabricação por Filamento Fundido (FFF) (Figura 2), originalmente conhecida como Fused Deposition Modeling (FDM), termo utilizado pela Stratasys®, é um processo aditivo, no qual utiliza um polímero em forma de filamento, passando por um bico (com movimentos nos eixos X e Y) aquecido próximo a temperatura de fusão do mesmo. Este polímero fundido é depositado camada a camada sobre uma mesa extrusora, aquecida próximo a temperatura de transição vítrea do material utilizado, com movimentos no eixo Z, dando assim
forma ao modelo previamente desenhado em software CAD e convertido ao formato STL (BARUZO et al., 2019; MONTEIRO, 2015; MELLO et al., 2010).
Figura 2 - Processo de Fabricação por Fusão e Adição de Material.
Fonte: Leite et al., 2011, p. 5.
Contudo, técnicas como a da modelagem por fusão e deposição, vem sendo bastante exploradas por indústrias automotivas e aeroespacial, por áreas da saúde, da mecânica, entre outros. Devido a estas áreas de aplicações, estudos demonstram que a tecnologia de modelagem por fusão e deposição de materiais poliméricos é a mais utilizada (VOLPATO et al., 2017; CUNICO, 2013; SHAHRUBUDIN et al., 2019; ALBERTI et al., 2014).
2.3 MATÉRIAS-PRIMAS EMPREGADAS NA FABRICAÇÃO POR FILAMENTO FUNDIDO
2.3.1 Polímeros Termoplásticos
Frente a elevação de temperatura, os polímeros podem demostrar diferentes respostas referentes a forças mecânicas, devido sua estrutura molecular dominante, ou seja, as subdivisões dos polímeros variam de acordo com o comportamento térmico, podendo assim, os subdividir como termoplásticos e termofixos. Os
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termoplásticos molificam quando são submetidos a temperaturas acima do ponto de desencadeamento da transição vítrea do polímero e são solidificados quando submetidos a temperaturas menores que a do mesmo ponto. Basicamente, ao aquecer estes polímeros, as forças ligações secundárias diminuem devido a maior movimentação das moléculas (CALLISTER, 2012).
2.3.1.1 Poliácido Láctico (PLA)
O PLA é um polímero termoplástico, biocompatível e biodegradável, ou seja, não oferece nenhuma toxidade no momento de impressão e é compatível com o corpo humano. Quando comparado a polímeros como polietileno, polipropileno ou poliestireno, apresenta boas propriedades mecânicas, além de ser o polímero mais empregado na manufatura por fusão e adição de polímeros termoplásticos (FFF). (JAHNO, 2005; BRAMBILLA, 2013; DIAS, 2017).
O valor de tenção máxima deste biopolímero pode variar de 16 MPa a 72 MPa, com módulo de Young de 320 a 5620 MPa (MORAIS et al., 2018). Porém segundo Pereira et al. (2016), quando comparado a tensão de ruptura do polímero na cor natural com a cor azul, percebeu-se uma variação de -7%, enquanto quando comparado a cor natural com amarelo, obteve-se uma variação de -7%, ou seja, diferentes cores do PLA podem entregar diferentes resultados de propriedade mecânicas.
Analogamente as possíveis variações com a cor do PLA, as condições de armazenamento também podem influências nas propriedades geométricas de amostrar de PLA impressas por FFF, conforme elucidado por BARUZO et al., (2019). Segundo o autor, as condições de armazenamento dos filamentos podem acarretar absorção de umidade por parte do biopolímero, desencadeando um processo de degradação, transformando as cadeias poliméricas em monômeros e posteriormente oligômeros. Tal processo, possivelmente ocasionou variações na viscosidade no momento da passagem do PLA pelo bico extrusor da impressora 3D, suscitando oscilações na taxa de deposição do PLA sobre a mesa extrusora.
Outra propriedade importante para o PLA é a temperatura de transição vítrea, bem como o ponto de fusão. Santana et al. (2016), evidencia através de análises de calorimetria diferencial de varredura (DSC), que a cor do polímero também pode
provocar variações na temperatura de transição vítrea e a o ponto de fusão, conforme elucidado na Figura 3. Segundo o autor, a temperatura de degradação do PLA também varia conforme a cor, sendo que para cinza, amarelo e natural, obteve-se 360°C, 360°C e 362°C, respectivamente.
Figura 3 - Curvas de Ensaio DSC (Adaptado).
Fonte: Santana, 2016.
2.3.1.2 Acrilonitrila Butadieno Estireno (ABS)
Segundo Besko et al. (2017), o ABS é o segundo termoplástico mais utilizado na impressão 3D, sendo transformado em copolímero através de três monômeros: o Butadieno, o Acrilonitrila e o Estireno. Em comparação com o PLA, leva vantagens com relação a algumas propriedades tais como durabilidade, flexibilidade, resistência a temperatura e valor de mercado. Em contrapartida, uma das maiores desvantagens desta comparação é a geração de gases tóxicos durante o processo de impressão.
O ABS apresenta uma temperatura de transição vítrea de aproximadamente 105°C e ponto de fusão próximo ao 200°C. Sua tensão máxima a tração pode variar de 42,5 MPa à 44,8 MPa, com módulo de Young de 1100 a 2900 MPa e Tensão máxima a flexão de 60,6 a 73,1 MPa, ambos os resultados dependendo dos
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parâmetros de processamento utilizados no momento da impressão (MORAIS et al., 2018; VENTURA, 2018).
2.3.1.3 Polyethylene terephthalate Glicol (PETG)
Este copolímero amorfo, apresenta temperatura de transição vítrea de 76,2 °C e ponto de fusão de 260 °C. O PETG contém uma tensão máxima de 49,78 ± 0,37 MPa e módulo de Young de 1,50 ± 0,02 GPa., sendo que tais valores também podem variar de acordo com os parâmetros de processamento impostos no processo de impressão (SANTANA et al., 2018; FERNANDES, 2008, p. 7; ROMÃO et al., 2009).
2.3.1.4 Policarbonato
Poliéster (polímero com grupo funcional éster em sua cadeia principal) proveniente do ácido carbônico, bastante utilizado na manufatura por sintetização seletiva a LASER, o policarbonato (PC) pode ser divididos em três classes, sendo estas: alifáticos, aromáticos e reticulados. Dependendo de sua classe, o ponto de fusão do PC cristalino é de aproximadamente 260 °C com temperatura de transição vítrea de 150°. A resistência a tração destes termoplásticos varia de 55 MPa a 75 MPa, com módulo de elasticidade de 2,4 GPa (MELO, 2004).
2.3.1.5 Poliestireno
Descoberto por Edward Simon na cidade de Berlin em 1839, o poliestireno (PS) é um termoplástico no qual pode ser comercializado em duas formas, sendo estas o poliestireno expandido (EPS), também conhecido comercialmente como “isopor” e o poliestireno de alto impacto (HIPS). O HIPS, utilizado na manufatura aditiva por SLS, possui temperatura de transição vítrea entre 40 °C e 70 °C e temperatura de fusão de aproximadamente 230 °C. Já a resistência a tração deste polímero, seguindo a norma ASTM D638 é de aproximadamente 24 MPa, resistência a flexão (norma ASTM D790) de 45 MPa e Módulo de Elasticidade de aproximadamente 2000 MPa (BORGES, 2011; MALERE, 2011; STRECKER et al., 2014)
2.3.1.6 Polipropileno
Este copolímero termoplástico semicristalino, é comumente utilizado em processo de manufatura aditiva por Sintetização Seletiva a LASER. O polipropileno (PP), possui temperatura de transição vítrea de aproximadamente -20 °C e uma temperatura de fusão próximo aos 165 °C. A resistência a tração deste polímero é de aproximadamente 35 MPa juntamente a uma resistência a flexão de 1,2 a 1,7 GPa (LIMA, 2015; BATALIOTTI, 2016).
2.3.2 Compósitos
Brambilla (2013), descreve as estruturas compósitas como misturas macroscópicas, no qual são classificados em três grupos, os compósitos estruturais, os compósitos particulados e os compósitos fibrosos. O designo destes, são voltados a obtenção de melhores propriedades químicas, térmicas, mecânicas, macroestruturais ou microestruturais.
2.3.2.1 Compósitos Fibrosos
Os compósitos fibrosos (Figura 4) são definidos como a combinação de fibras com a matriz polimérica, podendo está ser termoplástica ou termofixa. Levando este conceito em consideração, estudos revelaram uma elevação de propriedades mecânicas de compósitos de PLA com fibras de Buriti. O maior ganho foi na resistência a flexão, no qual variou de 63,1 ± 2,8 MPa, para 65,9 ± 2,3 MPa, para o melhor dos casos (BRAMBILLA, 2013).
Figura 4 – Classificação das dos Reforços de Fibras: (a) Fibras Contínuas; (b) Fibras Bidiecionais; (c) Fibras curtas aleatórias (Adaptado)
Fonte: Almeida, 2012.
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2.3.2.2 Compósitos Particulados
Já os compósitos particulados, possuem uma combinação de partículas junto a matriz polimérica. Um exemplo destes compósitos são os poli (butileno adipato-co-tereftalato ) (PBAT) com cargas metálicas de magnésio. Resultados demonstraram uma diminuição da resistência a tração quando comparado o PBAT puro (Figura 5a) com o PBAT com 0,5 % de magnésio (Figura 5b), sendo estas 21,06 ± 6,43 MPa para o PBAT puro e 12,17 ± 2,21 MPa para o PBAT com 0,5 % de magnésio (CESÁRIO et al., 2018).
Figura 5 – Microscopia Eletrônica por Varrimento (MEV) transversal: (a) PBAT puro; (b) PBAT- 0,5% estearato de magnésio (Adaptado)
Fonte: Cesário, 2018.
Outro estudo realizado por Lebedev (2019), evidenciou a diminuição anômala da viscosidade dos materiais compósitos do termoplástico poli (ácido láctico) (PLA) com pós de tungstênio e chumbo. Contudo, verificou-se mudanças na viscosidade e alterações térmicas, sendo estas responsáveis pela diminuição do 1,5 a 5,0 °C do ponto de fusão e na diminuição da temperatura de decomposição de aproximadamente 50 °C quando comparado ao PLA puro. Segundo o autor, os pós metálicos desencadeiam o papel de degradação da matriz polimérica, possivelmente, ocasionado pelo carregamento metálico, podendo este ter ocasionado na mudança da biodegradação do polímero o tornando toxico.
(a) (b)
2.3.2.3 Compósitos Estruturais
Existem diversos grupos de compósitos estruturais, sendo o mais comum as denominadas estruturas sanduíche (Figura 6). Estas consistem em uma ou mais lâminas unidas na interface inferior e superior do núcleo homogêneo ou estruturado. Segundo Gama (2017), as lâminas são fundamentais para suportar esforços de flexão bem como o núcleo tem papel fundamental em esforços proporcionados por força cortante e por torção.
Figura 6 – Estrutura sanduíche simplificada.
Fonte: Dias et al., 2016.
Existem literaturas que apresentam estudos de núcleos com diversas formas geométricas e materiais, porém é bastante empregado tais como formas circulares, triangulares e hexagonal, isto é, estruturas honeycomb. Já os materiais utilizados no núcleo, variam de ligas metálicas, cerâmicas, até ligas poliméricas (YAP e YEONG, 2015).
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3. PARÂMETROS DE PROCESSAMENTO DA TÉCNICA DE FABRICAÇÃO POR FILAMENTO FUNDIDO.
Alterações em parâmetros de processamento são responsáveis por alterações dimensionais ou de propriedades mecânicas, isto é, o sucesso da fabricação de um modelo por manufatura aditiva, possui uma relação direta com os parâmetros de processamento selecionados. Além de objetivar nos aspectos dimensionais, mecânicos, microestruturais, de qualidade, de redução de desperdício e aumento na produtividade, os parâmetros de processamentos também devem ser escolhidos levando em consideração a matéria-prima utilizada (LINCK, 2016; COUTINHO, 2017).
Desta forma, autores como Onwubolu e Rayegani (2014) e Torres et al. (2016), examinaram os efeitos proporcionados por parâmetros de processamento aplicados a técnica de FFF, tais como velocidade de impressão, temperatura, densidade de preenchimento, espessura de camada e direção de preenchimento. Além destes, existem outros parâmetros que podem influenciar diretamente no modelo, tais como a largura de contorno, espessura da primeira camada, os interstícios entre camadas (vazios), a largura do contorno, largura da varredura (raster width), ângulo de arraste, vazios entre contorno, número de contornos (MOHAMED et al., 2015).
3.1 VELOCIDADE DE DEPOSIÇÃO
A velocidade de deposição, também conhecida como velocidade de impressão é caracterizada por interferir diretamente em características morfológicas dos modelos impressos, este parâmetro de processamento pode influenciar na aderência entre uma camada e outra do modelo impresso, devido a maneira como o material fundido resfria. Estudos revelam que quando os polímeros presentes na FFF, são depositados acima de uma camada que ainda está com a temperatura acima da transição vítrea, pode melhorar a coalescência das camadas e linhas de deposição (CABREIRA, 2018).
Figura 7 – Balanceamento Entre Parâmetro de Velocidade de Deposição e Espessura de Camada
Fonte: Cabreira, 2018.
Coutinho (2017) explica que devido ao baixo contato superficial (Figura 15), esses parâmetros de processamento, quando mal combinados, podem acarretar menores tensões de ruptura. A perda de resistência mecânica ocasionada pela variação velocidade de impressão, quando compensada pela espessura de camada, acarretará melhor desempenho mecânico, proporcionado pela difusão molecular entre os filamentos depositados (Figura 15c). A figura 7 demonstra esta proporcionalidade, deixando evidente que quando a velocidade de deposição for alta com uma espessura de camada próxima aos 0,06 mm, implicará em maiores tensões de ruptura. Para velocidades de deposição menores, deve-se aumentar a espessura de camada.
3.2 ESPESSURA DE CAMADA
Pertencente ao grupo de parâmetros que interferem diretamente na morfologia das peças impressas, a espessura de camada depende do bico extrusor e das características dimensionais (diâmetro) do filamento utilizado. Conforme elucidado na figura 7, a espessura de camada influencia diretamente nas tensões de escoamento do modelo impresso, porém este também pode suscitar mudanças na
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largura do filamento depositados, por serem inversamente proporcionais (Figura 8) (COUTINHO, 2017; TONATTO, 2017).
Figura 8 – Relação Entre Espessura de Camada e Largura do Filamento Depositado.
Fonte: Tonatto, 2017.
Tonatto (2017), menciona que à medida que a espessura da superfície diminui devido a redução da espessura de camada, bem como o aumento da largura do filamento depositado, poderá melhorar o acabamento da peça, devido o menor espaçamento entre contornos.
3.3 LARGURA DO FILAMENTO DEPOSITADO
A largura do filamento depositado (figura 9), é o parâmetro de processamento que interfere tanto em resistências mecânicas do modelo impresso quando no acabamento de superfície da peça. A redução da largura do filamento depositado levará o surgimento de vazios entre os cordões depositados (TONATTO, 2017).
Figura 9 – Parâmetro de Processamento: (a) Largura do Filamento Depositado; (b) Largura de Contorno; (c) Espaço Entre o Preenchimento Interno; (d) Ângulo de
Varredura (adaptado).
Fonte: Alafaghani, 2017. 3.4 VAZIOS
Em razão da deposição camada a camada proporcionada pela FFF, no qual utiliza uma estrutura anisotrópica, os modelos impressos podem apresentar os chamados “vazios”, ou “colunas de ar” (Figura 10), que são espaços com falta de material (CABREIRA, 2018).
Figura 10 – Linhas de Deposição da Fabricação por Filamentos Fundidos (Adaptado).
Fonte: Cabreira, 2018.
3.5 ÂNGULO DE VARREDURA
O ângulo de varredura (figura 9d), é encontrado em relação ao eixo X da mesa de construção. Este interfere diretamente na resistência a tração, sendo 0°, - 45°, 45°, 90°, os ângulos comumente utilizados (SOOD et al., 2011, SANTANA, 2015).
(a) (b) (c)
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3.6 DENSIDADE DE PREENCHIMENTO
A densidade de preenchimento é utilizada para ajustar a distância entre filamentos depositados, no qual quanto mais próximo, maior a densidade e vice-versa. Para tanto a massa da peça impressa será maior, visto que será adicionado uma quantidade superior de material (Figura 11). Esse parâmetro pode interferir diretamente na resistência a tração ou a compressão da peça final, pois está ligado diretamente a quantidade de vazios e no número de contornos do modelo impresso (SANTANA, 2015; COUTINHO, 2017).
Figura 11 – Variação na quantidade de preenchimento: (a) 20 %, (b) 40 %, (c) 60 % e (d) 100 %.
Fonte: Santana, 2015.
3.7 DIREÇÃO DE PREENCHIMENTO
Sood et al. (2011), descreve a direção de preenchimento ou orientação de construção como a orientação da peça na mesa de construção em relação aos eixos X, Y e Z (Figura 12).
Figura 12 – Orientação de Construção
Fonte: Santana, 2015.
Devido as possíveis alterações de números de contorno, quantidade de camadas e direção este parâmetro de processamento, este parâmetro pode vir a interferir diretamente na resistência mecânica da peça e no acabamento do modelo devido a zona de contato entre o a peça e a mesa extrusora (COUTINHO, 2017).
3.8 ESTRATÉGIAS DE PREENCHIMENTO
Este parâmetro de processamento altera a geometria interna, no qual a peça será preenchida. Existem diversas formas geométricas utilizadas, porém os mais comuns são: retilíneo, em grade, triangular, honeycomb, raster e contour. O tipo de preenchimento é capaz de alterar as tensões de escoamento da peça, bem como resistência a flexão e a compressão (SANTANA, 2015; CABRERA, 2018).
3.9 TEMPERATURA
3.9.1 Temperatura do Bico Extrusor
A temperatura do bico extrusor, interfere no fluxo de deposição de material, uma vez que quando o polímero é aquecido acima da temperatura de fusão e abaixo do ponto de degradação, passa do estado sólido para líquido. Semelhantemente, o fluxo de passagem pelo bico extrusor pode ser alterado devido a viscosidade do polímero, uma vez que polímeros semicristalinos tem maior dificuldade para escolar em cisalhamento quando comparado aos polímeros amorfos. Isso se deve à organização molecular do material suscitando menores fluidez. Pertinentemente a
30
estes fatos, também deve-se considerar que polímeros de alta massa molar aquecidos acima da temperatura de fusão, podem comportar como fluídos não newtonianos, isto é, a viscosidade não linear diminui com o aumento da taxa de cisalhamento (PERES, 2016).
A vazão de passagem do material líquido pelo bico extrusor não é dada apenas pela temperatura deste, mas também pela força cisalhante provocada pela compressão do filamento sólido em conjunto com a rotação dos parafusos, sendo este controlado pela velocidade de impressão, ou seja, a velocidade de rotação dos parafusos, interfere diretamente na taxa de cisalhamento do polímero com o bico extrusor, podendo implicar em variações nas camadas e linhas depositadas (PERES, 2016).
3.9.2 Temperatura da Plataforma
A temperatura da plataforma com movimentos no eixo Z, é responsáveis por aquecer o polímero depositado, próximo a temperatura de transição vítrea, a fim de aderir a peça em modelagem sobre a mesa. Segundo Santana (2015), este parâmetro de processamento tem influência nos valores de tensão do modelo impresso, demonstrando que o aumento de temperatura da plataforma ou mesa extrusora juntamente ao aumento da velocidade de deposição, aumentará a tensão. (PERES, 2016)
4. IMPACTOS DOS PARÂMETROS DE PROCESSAMENTO EM MODELOS IMPRESSO ATRAVÉS DA FABRICAÇÃO POR FILAMENTO FUNDIDO.
4.1 RESISTÊNCIAS MECÂNICAS DE MODELOS IMPRESSOS
4.1.1 Resistência a Tração
Estudos realizados por Santana et al. (2018), revelaram que a resistência a tração máxima de peças de PLA fabricadas por FFF com ângulo de varredura de 0 a 90° apresentam o valor de 36,61 ± 0,80 Mpa, enquanto para amostras com ângulo de varredura de -45° a 45° a resistência a tração máxima aumenta para 43,50 ± 0,72 Mpa. Além do ângulo de varredura o tipo de preenchimento da peça impressa interfere diretamente na resistência a tração. Na figura 13, pode-se observar 4 diferentes tipos de preenchimentos.
Figura 13 – Corpos de Prova com Diferentes Tipos de Preenchimento: (a) Preenchimento Honeycomb; (b) Preenchimento em Grade; (c) Preenchimento
Triangular; (d) Preenchimento Retilinear (Adaptado).
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Nos experimentos realizados por Cabreira (2018), foi possível verificar as alterações ocasionados pelos tipos de preenchimentos. Na figura 14, é possível observar que amostras de PLA fabricadas com tipo de preenchimento retilinear obtém-se o valor de tensão de escoamento próximos ao de 2,30 MPa, porém com módulo de elasticidade de 73,4 ± 1,17 MPa e deformação de escoamento de 3,91 %. Já para preenchimentos do tipo grade obteve-se valores de módulo de elasticidade de 78,8 ± 0,41 MPa com a tensão de escoamento de 1,75 ± 0,18 MPa e deformação de escoamento de 2,69 %. Para preenchimentos Honeycomb e triangular os respectivos valores foram: 1,81 ± 0,08 MPa e 1,10 ± 0,13 MPa para tensão de escoamento; 53,1 ± 1,27 MPa e 49,6 ± 2,38 MPa para módulo de elasticidade; 4,19% e 2,73% para deformação de escoamento.
Figura 14 – Curva Tensão x Deformação Para Diferentes Tipos de Preenchimento: (a) Preenchimento Honeycomb; (b) Preenchimento em Grade; (c)
Preenchimento Triangular; (d) Preenchimento Retilinear (Adaptado).
Tais resultados podem estar ligados também a união entre os filamentos depositados, no qual é dada pela energia térmica do polímero semifundido. A baixa adesão entre filamentos depositados se deve ao crescimento do “pescoço” entre os filamentos depositados, sendo estes ligados através da difusão molecular, bem como da randomização das cadeias poliméricas, conforme exibido na figura 15 (BELLEHUMEUR et al., 2004). Conforme exposto anteriormente (tópico 3.1), o baixo contato entre as superfícies dos filamentos depositados (figura 15a) podem ocasionar menores tenções de escoamento, bem como maiores de vazios, enquanto para filamentos depositados com maior contato superficial (figura 15c), poderá aumentar a tensão de escoamento, visto que o contato terá maior coalescência devido a difusão molecular destes.
Figura 15 - Processo de formação da união entre dois filamentos: (a) contato superficial; (b) formação do “pescoço”; (c) difusão molecular e randomização.
(Adaptado).
Fonte: Bellehumeur et al., 2004, p. 174.
4.1.2 Forças Máximas de Compressão
Estudos apontam que o percentual de preenchimento ocasiona mudanças na compressão sendo que estes são igualmente proporcionais, porém estes resultados dependem também do tipo de material utilizado. Conforme demonstrado na figura 16, testes realizados pela norma ASTM para amostras de PLA fabricados pelo processo FFF com 15% de preenchimento do tipo raster (PLA-15) suporta uma força máxima de 1138,1 ± 62,5 N e deformação de 0,74 ± 0,09 mm, sendo que com preenchimento de 30% (PLA-30) o valor aumenta para 1815,5 ±78,5 N e deformação de 1,41 ± 0,24 mm. Já para amostras de ABS impressas com 15 % de
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preenchimento (ABS-15) a força máxima suportada é de 944,7 ± 91.5 N e deformação de 0,68 ± 0,11 mm enquanto com o preenchimento 30% (ABS-30), o valor passará para 1465 ± 92,5 N e deformação de 0,90 ± 0,08 mm (SHIMANO et al., 2018).
Figura 16 – Força x Deformação para Ensaios de Compressão (Adaptado).
Fonte: Shimano et al., 2018.
4.1.3 Resistencia a Flexão
Ensaios de flexão de três pontos realizados pelos autores Shimano et al. (2018), apresentaram a proporcionalidade entre o percentual de preenchimento, a força máxima suportada e a deformação máxima para os materiais PLA e ABS (figura 17). Nestes obteve-se os respectivos valores de 435,8 ± 31,5 N de força máxima e 1,08 ± 0,11 mm de deformação do PLA com 15% de preenchimento (PLA-15), 516,2 ± 37,6 N de força máxima e 1,05 ± 0,07 mm de deformação do PLA com 30% de preenchimento (PLA-30), 262,0 ± 37,3 N de força máxima e 0,81 ± 0,14 mm de deformação do ABS com 15% de preenchimento (ABS-15), 289,0 ± 37,3N de força máxima e 0,81 ± 0,07mm de deformação do ABS com 30% de preenchimento (ABS-30).
Figura 17 – Força x Deformação de Ensaios de Flexão em Três Pontos (Adaptado).
Fonte: Shimano et al., 2018.
Além do percentual de preenchimento existem outros parâmetros de processamento que podem influenciar na resistência a flexão do material estudado, tal como a altura de camada do modelo extrudado. De forma análoga, Martinez et al. (2019), demonstra variação de tensão de flexão de ruptura de 13,85 MPa para 12,22 MPa para amostras fabricadas com altura de camada de 0,25 mm e 0,50, respectivamente.
4.2 ASPECTOS GEOMÉTRICOS, GRAVIMÉTRIVOS E MICROESTRUTURAIS DE MODELOS IMPRESSO POR FABRICAÇÃO DE FILAMENTOS FUNDIDOS
Segundo Cabreira (2018) os aspectos geométricos da peça impressa com diferentes tipos de preenchimento podem variar do modelo padrão. Conforme pode-se obpode-servar na figura 18, tanto para o comprimento (a) quanto para a largura (b), obteve-se valores menores do que padrão, isso para todas as estratégias de preenchimento.
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Figura 18 – Geometria de Modelos Impressos com Diferentes Estratégias de Preenchimento: (a) Comprimento; (b) Largura (Adaptado).
Fonte: Cabreira, 2018.
Além das estratégias de preenchimento, a temperatura do bico causa alterações significativas na massa do material impresso. Tonatto (2017), apresenta em sua pesquisa, alterações provocadas pela alteração da temperatura do bico extrusor, sendo estas respectivamente: 0,154 g para temperatura de 170° C, 0,155 g para temperatura de 180° C, 0,157 g para temperatura de 190° C, 0,186 g para temperatura de 200° C, 0,184 g para temperatura de 210° C, 0,195 g para temperatura de 220° C, 0,187 g para temperatura de 230° C e 0,191 g para
temperatura de 240° C. A menor massa evidenciada foi de 0,154 g, no qual foi obtida pela fabricação da amostra na temperatura de 170°C, consequentemente, aumentado o número de falhas de preenchimento (figura 19).
Figura 19 – Microscopia óptica de amostra fabricada com temperatura de extrusão de 170°C.
Fonte: Tonatto, 2017.
De acordo com a figura 20, outro parâmetro que pode interferir diretamente na massa do polímero é o percentual de preenchimento, visto que quanto maior o percentual de preenchimento, mais material será depositado e por tanto maior será a massa da peça.
Figura 20 – Microscopia ópticas de amostra fabricada com temperatura de extrusão de 170°C.
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4.3 RUGOSIDADE DE MODELOS IMPRESSOS
Já rugosidade superficial dos modelos impressos, podem ser alterados através do ângulo de varredura e a orientação de construção Estes podem ser melhorados com a redução dos vazios, bem como o aumento do ângulo de varredura, ou seja, quanto menor o número de vazios menor será a rugosidade (DURGUN e ERTAN, 2014). Em análise realizada por Nery et al. (2016), foi evidenciado que peças construídas na orientação horizontal (perpendicular a espessura) apresentam variações na rugosidade quando comparadas com peças impressas na posição vertical (paralela a espessura). A rugosidade também pode ser influenciada pela espessura da primeira camada ou pela o número de camadas (para uma determinada altura) (COUTINHO, 2017; FERNANDES, 2016).
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Quando aplicado fabricação por filamentos fundidos, as variações dos parâmetros de processamento influenciam diretamente em modelos impresso. Alterações como rugosidade do modelo impresso ou variação de massa, ocorrem possivelmente devido a reordenação da microestrutura do modelo impresso, quando variados os parâmetros de temperatura. Já os parâmetros de preenchimento, tais como densidade, tipo ou direção de preenchimento, podem interferir diretamente nas resistências mecânicas do modelo impresso, em razão da variação da geometria interna do modelo final.
Também se faz possível observar uma relação de dependência entre parâmetros, como por exemplo, a proporcionalidade explicada no capítulo 2, entre espessura de camada e velocidade de deposição.
Por fim salienta-se que todos os parâmetros estudados, modificam diretamente os aspectos dos modelos impressos, alcançando assim os objetivos gerais e específicos, propostos pelo presente trabalho.
Devido a disseminação deste método de fabricação, é sugerido novos estudos de parâmetros de processamento, direcionados a diferentes combinações destes, avaliando aspectos microestruturais, estruturais, geométricos mecânicos e térmicos. De forma análoga, torna-se imprescindível mais estudos direcionados a aplicação destes parâmetros em materiais como os compósitos particulados, como por exemplos polímeros com grafeno ou ligas metálicas ou também os compósitos estruturais, tal como a estrutura sanduíche. Além disso, é passível de estudos destinados a aplicação de diferentes parâmetros de processamento aplicados a outros métodos de manufatura aditiva, tais como Sintetização Seletiva a Laser, Laserjet, Fusão Seletiva a Laser etc.
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