Introdução à Manufatura Aditiva/Módulo 2

Apresentação

No segundo módulo do curso "Introdução à Manufatura Aditiva", aprofundaremos nosso conhecimento nas tecnologias fundamentais dessa área inovadora. Na manufatura aditiva, a manipulação de materiais desempenha um papel crucial. Por isso, é essencial compreender plenamente os materiais utilizados e como eles interagem com o processo de fabricação. Nas próximas aulas, exploraremos esses aspectos com maior profundidade, visando enriquecer ainda mais nosso entendimento sobre o tema.

AULA 6 - Materiais

Na aula 6 do curso "Introdução à Manufatura Aditiva", daremos continuidade ao aprofundamento do conhecimento nas tecnologias essenciais dessa área inovadora. Neste módulo, focaremos especificamente nos materiais utilizados na manufatura aditiva comum, ou seja tecnologias FDM e FFF, destacando sua importância e influência no processo de fabricação. Compreender a interação entre os materiais e a tecnologia é fundamental para o sucesso nesse campo. Ao longo das próximas aulas, exploraremos de forma mais detalhada os diferentes tipos de materiais empregados, suas propriedades e como são aplicados na fabricação aditiva. Nosso objetivo é enriquecer ainda mais o entendimento dos participantes sobre esse tema crucial, preparando-os para enfrentar desafios e oportunidades nesse cenário em constante evolução.

Tendemos a separar os polímeros de em Básico, Intermediário e Avançados. Por ser um curso introdutório, vamos trabalhar com materiais Básicos, pincelando sobre alguns materiais intermediários que a NEO3D recomenda para casos de engenharia.

Polímeros

Antes de estudarmos os materiais mais comuns para a Manufatura Aditiva, precisamos estudar e compreender o que são polímeros. Um polímero é uma macromolécula formada pela repetição de unidades menores chamadas monômeros, que se ligam entre si através de reações químicas específicas. Para entender melhor, imagine um colar de pérolas, onde cada pérola representa um monômero e o colar completo representa o polímero. Esses materiais são extremamente versáteis e podem ser encontrados em uma ampla variedade de produtos do nosso dia a dia, como plásticos, borrachas, fibras têxteis, e até mesmo em substâncias biológicas como o DNA e as proteínas.

Um monômero é uma molécula de baixa massa molecular que possui a capacidade de se ligar a outras moléculas semelhantes, formando estruturas maiores e mais complexas conhecidas como polímeros. Este processo de ligação é chamado de polimerização. Os monômeros são, portanto, os blocos de construção fundamentais dos polímeros, que são materiais de grande importância em diversas indústrias e aplicações.

Existem diferentes tipos de monômeros, dependendo da natureza química das moléculas envolvidas. Alguns exemplos comuns incluem o etileno, que é o monômero do polietileno, e o estireno, que é o monômero do poliestireno. A escolha do monômero adequado é crucial, pois determina as propriedades físicas, químicas e mecânicas do polímero resultante.

A polimerização pode ocorrer por diferentes mecanismos, sendo os mais comuns a polimerização por adição e a polimerização por condensação. Na polimerização por adição, os monômeros se unem sem a perda de átomos, enquanto na polimerização por condensação, a união dos monômeros resulta na liberação de pequenas moléculas, como água.

Os polímeros podem ser classificados de diversas maneiras, dependendo de sua origem, estrutura e propriedades. Uma das classificações mais comuns é baseada na origem dos monômeros, dividindo-os em polímeros naturais e sintéticos. Polímeros naturais incluem substâncias como a celulose, a seda e a borracha natural. Já os polímeros sintéticos são produzidos em laboratório e incluem materiais como o polietileno, o polipropileno e o poliestireno.

Do ponto de vista estrutural, os polímeros podem ser lineares, ramificados ou reticulados. Polímeros lineares consistem em cadeias longas e contínuas de monômeros, enquanto os ramificados possuem cadeias laterais que se estendem a partir da cadeia principal. Polímeros reticulados, por sua vez, possuem uma estrutura tridimensional onde as cadeias estão interligadas, formando uma rede complexa. Essas variações estruturais influenciam diretamente nas propriedades físicas e mecânicas dos polímeros, como a resistência, a flexibilidade e a solubilidade.

A síntese de polímeros pode ocorrer através de diferentes mecanismos de polimerização, sendo os mais comuns a polimerização por adição e a polimerização por condensação. Na polimerização por adição, os monômeros se ligam uns aos outros sem a formação de subprodutos. Um exemplo clássico é a produção de polietileno a partir do etileno. Já na polimerização por condensação, a ligação entre monômeros resulta na liberação de pequenas moléculas como água ou metanol. Um exemplo é a formação de nylon a partir de ácido adípico e hexametilenodiamina.

Em termos técnicos, os polímeros exibem uma variedade de propriedades termodinâmicas e reológicas que são cruciais para suas aplicações industriais. A temperatura de transição vítrea (Tg) é um parâmetro importante que indica a temperatura abaixo da qual o polímero se comporta de maneira rígida e quebradiça. Acima dessa temperatura, o material se torna mais flexível e dúctil. Outro parâmetro relevante é a temperatura de fusão (Tm), que define o ponto em que o polímero passa do estado sólido para o estado líquido.

A reologia dos polímeros, que estuda o fluxo e a deformação dos materiais, é fundamental para processos de fabricação como extrusão, moldagem por injeção e sopro. A viscosidade dos polímeros, por exemplo, é uma propriedade que varia com a temperatura e a taxa de cisalhamento, influenciando diretamente na processabilidade do material.

Por fim, a caracterização dos polímeros envolve uma série de técnicas analíticas avançadas, como a espectroscopia de infravermelho (FTIR), a cromatografia de permeação em gel (GPC) e a análise térmica diferencial (DSC). Essas técnicas permitem a determinação da composição química, da distribuição de massa molar e das transições térmicas, respectivamente, fornecendo informações essenciais para o desenvolvimento e a aplicação de novos materiais poliméricos.

PLA - Ácido Polilático

O Ácido Polilático (PLA) é um polímero semi-biodegradável amplamente utilizado em diversas indústrias devido às suas propriedades ecológicas e versatilidade. Este material é derivado de fontes renováveis, como o amido de milho, a cana-de-açúcar e a beterraba, o que o torna uma alternativa sustentável aos plásticos convencionais, que são baseados em petróleo.

A produção do PLA envolve vários estágios. Inicialmente, o material de origem (como o milho) é fermentado (processo que utiliza Lactobacilos) para produzir ácido láctico. Este ácido láctico é então polimerizado através de um processo de condensação ou polimerização por abertura de anel, resultando no polímero PLA. Este processo é relativamente eficiente e pode ser realizado em grande escala, o que contribui para a viabilidade econômica do PLA.

O PLA possui várias propriedades que o tornam atraente para uma ampla gama de aplicações. Ele é transparente, tem uma boa resistência mecânica e é semi-biodegradável, o que significa que pode se decompor em condições adequadas de compostagem. Além disso, o PLA apresenta uma baixa toxicidade, sendo seguro para uso em embalagens de alimentos e produtos médicos.

O PLA é amplamente utilizado em diversas indústrias devido às suas propriedades únicas. Na indústria de embalagens, ele é usado para produzir filmes, garrafas e outros tipos de recipientes. Na área médica, o PLA é utilizado na fabricação de suturas, stents e dispositivos de liberação controlada de medicamentos, devido à sua biocompatibilidade e biodegradabilidade. Além disso, o PLA é popular na impressão 3D, onde é valorizado por sua facilidade de uso e qualidade de impressão.

Como qualquer material, o PLA possui vantagens e desvantagens. Entre as vantagens, destacam-se a sua origem renovável, semi-biodegradabilidade e baixa toxicidade. No entanto, o PLA também apresenta algumas limitações. Ele possui uma resistência térmica relativamente baixa, o que pode limitar seu uso em aplicações que envolvem altas temperaturas. Além disso, a biodegradabilidade do PLA requer condições específicas de compostagem industrial, o que significa que ele não se decomporá facilmente em aterros sanitários ou no ambiente natural, mesmo assim é um material que irá se decompor mais rápido que outras alternativas a base de petróleo.

A NEO3D junto com seus parceiros fornece aos seus clientes o PLA REVO. Este material sofre um processo de repolimeralização, o que é então alterado sua cadeia para ter características avançadas, mantendo um material simples de se imprimir. O PLA REVO está disponível em diversas cores e uma edição especial, enriquecido com Nanotubos de Carbono. Esse enriquecimento permite um melhor fluxo de impressão e aumenta sua força nominal, ductilidade, resistência a impacto e aderência de camada. É o melhor material para peças que não precisam de resistência térmica.

Temperatura de extrusão: 215±15 °C

Temperatura da Mesa: 40±15 °C

Adesão à mesa: Fita azul de pintura, Fita crepe ou diretamente no vidro. O PLA adere muito bem ao vidro quente e ao G10 quente. Lembre-se de manter as superfícies bem limpas.

Propriedades gerais do Filamento de PLA

● É um filamento muito rígido, porém é frágil

● Melhor utilizado para impressões artísticas, protótipos, brinquedos de mesa, aplicações com pouco estresse no material.

● Melhor material para iniciantes, devido a sua simplicidade para imprimir e baixa contração (na casa de 0.003%).

ABS – Acrilonitrilo butadieno estireno

Temperatura de extrusão: 230±10 °C

Temperatura da Mesa: 90±15 °C

Adesão à mesa: Fita Kapton, Laquê de cabelo e Cola ABond para impressão 3D.

ABS (Acrilonitrilo butadieno estireno) é outro material para impressão 3D muito comum. Ele é comumente usados para peças com necessidade de serem mais duráveis que necessitem resistir temperaturas maiores. Comparado ao PLA , o filamento ABS é menos frágil e mais dúctil. Também pode sofrer um processo após a impressão para se obter uma aparência lisa e brilhante. Quando imprimir com o filamento de ABS, é recomendado uma mesa aquecida, pois o plástico ABS tem uma contração muito alta, principalmente quando resfriado muito rápido pode não aderir às camadas anteriores causando uma falha na impressão ou fragilizar a peça.

Propriedades gerais do Filamento de ABS

• É um filamento forte, dúctil e resistente ao desgaste com boa tolerância à temperatura.
• Utilizado para peças com necessidades de alta resistência, como engrenagens, peças expostas à UV e calor, e principalmente para prototipagem.
• Material difícil de manipular

PLA Flexível

Temperatura de extrusão: 230±10 °C

Temperatura da Mesa: 30±10 °C

Adesão à mesa: Fita Azul para Pintura e Cola ABond para impressão 3D.

O PLA Flexível, também conhecido como PLA Macio, é utilizado em impressões onde queremos uma textura emborrachada que possam dobrar ou flexionar. É compatível com quase todas as impressoras 3D.

Propriedades gerais do Filamento PLA Flexível

● PLA Flexível cria peças emborrachadas, elásticas e resistentes à impacto.

● Seu melhor uso é para tampas, cintas, capinhas de celulares, para-choques, artístico, entre outros.

● Quanto menos preenchimento você usar, mais flexível a impressão será.

PVA – Acetato de Policloreto

Temperatura de extrusão: 180±20 °C

Temperatura da Mesa: 45±10 °C

Adesão à mesa: Fita Azul para Pintura e Cola ABond para impressão 3D.

O PVA (Acetato Policloreto) é um material translúcido com uma leve coloração levemente amarelada, e é usado principalmente como um material de suporte, por ser solúvel em água, ou seja, que se dissolve quando mergulhado em água quente (e por este motivo ele necessita ser mantido seco para sua impressão). PVA é mais utilizado em impressoras 3D com duas extrusoras, onde uma extrusora imprime com o material primário (como ABS ou PLA) enquanto a outra imprime com o filamento de suporte solúvel para providenciar ajuda em beiradas e ressaltos.

Propriedades gerais do Filamento PVA

● Filamento de nylon é forte e ainda flexível, fazendo-o difícil de quebrar e estilhaçar.

● Comumente usado para dobradiças vivas, ou partes funcionais fortes.

● Precisa ser secado antes de ser impresso para um acabamento forte e brilhoso.

HIPS – Poliestireno de Alto Impacto

Temperatura de extrusão: 230±10 °C

Temperatura da Mesa: 50±10 °C

Adesão à mesa: Fita Kapton, Laquê de cabelo e Cola ABond para impressão 3D.

O material HIPS (Poliestireno de Alto Impacto) é muito similar ao ABS, e possuem alta compatibilidade. A diferença principal é que o HIPS é um plástico que pode ser dissolvido usando Limoneno (um composto encontrado no limão), fazendo com que seja um ótimo material para suporte para ABS.

Propriedades gerais do Filamento HIPS

● HIPS é um filamento rígido, e um material para suporte que dissolve em Limoneno.

● Muito utilizado para modelos com suportes internos, ou com incríveis detalhes ou saliências.

● Melhor material de suporte para ABS ou materiais de temperaturas similares.