A manufatura aditiva vem ganhando espaço nos meios produtivos como uma alternativa para a fabricação de peças com design complexo, o que é dificilmente obtido por outros processos de fabricação(1). Nesta técnica, camadas de material são depositadas uma sobre as outras, e por meio da união das interfaces de contato é formado o produto desejado(2). O processo de fabricação por filamento fundido (FFF) é semelhante às operações clássicas de extrusão, nas quais o polímero sólido é fundido, pressurizado e extrudado para dar origem a um produto(3). Entre os processos de impressão 3D, ele é classificado como modelagem por deposição fundida (FDM), sendo muitas vezes referenciado pela sigla FFF/FDM(4). A FFF é conhecida como a técnica mais empregada na fabricação de objetos 3D com uso de polímeros(5).

O desempenho e a confiabilidade do processo FFF/FDM são geralmente associados à estrutura de hardware e software da impressora 3D(1). Entretanto, a seleção de parâmetros de impressão é também importante, principalmente quando polímeros de engenharia são utilizados em aplicações industriais, nas quais o controle da produção é fundamental para assegurar a repetibilidade do processo(6)

Polímeros de engenharia, ou termoplásticos de engenharia, são materiais com propriedades físico/químicas promissoras e com flexibilidade para melhorar as propriedades mecânicas por meio de aditivos e técnicas de copolimerização(7). Esses materiais apresentam excelente desempenho mecânico, estabilidade térmica, resiliência e relativa inércia química quando comparados aos plásticos tradicionais(8). Ainda segundo os autores, esses materiais apresentam efeitos de anisotropia a serem melhor investigados quando aplicados na impressão 3D. A escolha adequada de padrões de preenchimento, além da otimização dos parâmetros de impressão, poderão proporcionar a obtenção de produtos impressos 3D com novas características, comparáveis ou superiores às dos produtos obtidos por outros processos(9).

A blenda ABS/PC consiste em um polímero de engenharia que combina propriedades diversas, tais como alta resistência ao impacto, alta rigidez, excelente resistência à temperatura e a intempéries, e também é anti-chama(10). É usada em inúmeras áreas como, por exemplo, indústria automobilística, eletroeletrônica, dispositivos de TI, construção civil, entre outras(11). As principais aplicações estão na fabricação de painéis de instrumentação, componentes estruturais, adaptadores e dispositivos portáteis elétricos e eletrônicos(12). Apesar de esse termoplástico ser comumente aplicado na indústria automotiva e eletrônica, as pesquisas sobre ele são limitadas à manufatura por injeção em matriz metálica(13). O potencial da fabricação de peças por manufatura aditiva, a partir desta blenda, está no controle das propriedades mecânicas por meio do direcionamento específico das linhas de deposição do material fundido, associado a outros parâmetros de impressão como, por exemplo, a temperatura de extrusão(14).

Nesse sentido, esta pesquisa visa contribuir para a compreensão das propriedades mecânicas de componentes fabricados por impressão 3D, utilizando uma blenda de ABS e policarbonato (ABS/PC), comumente aplicada na indústria automotiva. O padrão de preenchimento e a temperatura de extrusão foram considerados variáveis em ensaios de tração. Análise de variância (ANOVA) e teste post-hoc de Tukey foram as ferramentas estatísticas adotadas para avaliar o efeito dos fatores de controle no comportamento mecânico dos corpos de prova.

 

Materiais e métodos

A técnica de impressão dos corpos de prova usada foi a fabricação por filamento fundido (FFF). A impressora 3D utilizada é da marca GTMax3D, modelo Core H5, com área de impressão de 300 x 300 x 500 mm, velocidade máxima de impressão de 180 mm/s e de deslocamento de 400 mm/s, e diâmetro de filamento do material de 1,75 mm. A mesa de impressão é feita de alumínio e aquecida, com tampo de vidro (até 135 °C), nivelamento automático e detecção de fim de filamento. O gabinete da impressora é totalmente fechado. O software de fatiamento utilizado foi o Simplify3D.

Todos os corpos de prova foram impressos com altura da camada de 0,2 mm, espessura da parede de 1,2 mm e preenchimento de 100%. Os parâmetros de impressão adotados foram velocidade de impressão de 30 mm/s, bico de extrusão de 0,5 mm de diâmetro e temperatura de extrusão de 270, 280 e 290 °C. Três padrões de preenchimento foram adotados nos experimentos: linear, concêntrico e zig-zag. O material utilizado na fabricação dos corpos de prova foi o ABS/PC (acrilonitrilo-butadieno-estireno + policarbonato), na proporção de 70% de ABS e 30% de PC. Os ensaios de tração foram realizados com auxílio de uma máquina da marca EMIC, modelo DL-30000, com capacidade máxima de 300 kN.

A velocidade do ensaio foi de 10 mm/min. As propriedades mecânicas avaliadas foram tensão máxima e tensão de ruptura, com aplicação de uma matriz fatorial 32, totalizando nove condições de impressão 3D. Cinco corpos de prova de cada condição de fabricação foram submetidos aos ensaios de tração, para fins de repetibilidade e cálculo das médias, considerando um intervalo de confiança de 95%. A análise de variância (ANOVA) possibilitou a avaliação do efeito das variáveis na resposta e o teste de Tukey possibilitou a comparação das médias entre os níveis dentro de um mesmo fator de controle.

 

Resultados e discussão

A tabela 1 mostra os resultados da análise de variância para o efeito dos parâmetros de impressão na resistência máxima dos corpos de prova impressos. De acordo com a análise da probabilidade, os parâmetros de impressão avaliados e a respectiva interação influenciaram o valor da resistência máxima (P<0,05). A análise do quadrado médio também revelou que o fator de controle mais significativo para alterar a resistência máxima é o padrão de preenchimento, seguido da temperatura de extrusão.

 

 

A figura mostra o gráfico do efeito dos parâmetros de impressão na resistência máxima e tensão de ruptura dos corpos de prova submetidos ao ensaio de tração.Constatou-se, por meio de análise do gráfico, que o padrão concêntrico apresentou a maior resistência (˜ 40 MPa), mantendo-se estável com a variação da temperatura de extrusão. Os padrões de preenchimento linear e zig-zag foram mais sensíveis à temperatura quando houve mudança de 270 para 280 °C, com elevação da resistência em 65% para o linear e 17% para o zig-zag. Entre esses dois padrões, o zig-zag tendeu a conferir às amostras maior adesão entre as camadas. Devido à trajetória do bico de extrusão, houve aumento da área das interfaces de contato das linhas de material depositado, favorecendo a resistência mecânica. Por outro lado, o padrão linear necessitou de maior temperatura para conferir o mesmo efeito de adesão entre as camadas.

Com relação à tensão de ruptura, os corpos de prova impressos usando o padrão zig-zag a 270 °C não apresentaram ruptura durante os ensaios de tração. O mesmo ocorreu para o padrão concêntrico nas temperaturas de 280 e 290 °C. O fenômeno precisa ser melhor compreendido e novos experimentos serão necessários para esse estudo. Para as demais condições de impressão 3D, a tensão de ruptura correspondeu a 50% da resistência máxima sob temperatura de extrusão de 270 °C e 60% para as temperaturas de 280 e 290°C.

A tabela 2 mostra o teste post-hoc de Tukey para comparação das médias, visando identificar a ocorrência de variação da resistência máxima dos corpos de prova entre os níveis, dentro de um mesmo fator de controle. Nesse sentido, o teste revelou que apenas a comparação das médias entre s temperaturas de 280 e 290 °C não resultou em variação da resistência máxima, estando de acordo com o observado no gráfico da figura 1(a). A estabilidade da adesão das linhas de deposição para os padrões linear e zig-zag ocorreu a partir de 280 °C, mantendo a resistência mecânica estável a partir daí.

 

 

Fig. 1 – Gráficos do efeito da temperatura de extrusão na tensão máxima (a) e de ruptura (b)

Conclusão

Este trabalho visou à compreensão sobre o efeito dos parâmetros de impressão no comportamento mecânico de corpos de prova submetidos ao ensaio de tração. O padrão de preenchimento, a temperatura de extrusão e a respectiva interação afetam a resistência mecânica das amostras. O padrão concêntrico resulta em maior resistência mecânica, em torno de 40 MPa e constante para as temperaturas de extrusão avaliadas. Os padrões de preenchimento linear e zig-zag possuem aumento e estabilidade da resistência máxima a partir de 280 °C.

A associação de parâmetros de impressão afeta a ruptura dos corpos de prova, promovendo maior elasticidade em algumas condições de impressão 3D. Esta pesquisa revela que a escolha adequada de parâmetros de impressão é importante para o controle do comportamento mecânico de peças feitas de ABS/PC e produzidas por impressão 3D.

 

Agradecimentos

Os autores agradecem ao IFSP pelo apoio à pesquisa e à 3DX Filamentos Ltda. pelo fornecimento dos filamentos de ABS/PC usados na impressão 3D dos corpos de prova.

 

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1) Peterson, A. M.: Review of acrylonitrile butadiene styrene in fused filament fabrication: A plastics engineering-focused perspective. Additive Manufacturing, v. 27, p. 363-371, 2019. 

2) Mcilroy, C.; Olmsted, P. D.: Disentanglement effects on welding behaviour of polymer melts during the fused-filament-fabrication method for additive manufacturing. Polymer, v. 123, p. 376-391, 2017. 

3) Phan, D. D.; Swain, Z. R.; Mackay, M. E.: Rheological and heat transfer effects in fused filament fabrication. Journal of Rheology, v. 62, n. 5, p. 1097- 1107, 2018. 

4) Joo, Y.; Shin I.; Ham, G.; Abuzar, S. M.; Hyun, S-M.; Hwang, S-J.: The advent of a novel manufacturing technology in pharmaceutics: Superiority of fused deposition modeling 3D printer. Journal of Pharmaceutical Investigation, v. 50, n. 2, p. 131-145, 2020. 

5) Liu, Z.; Wang, Y.; Wu, B.; Cui, C.; Guo, Y.; Yan, C.: A critical review of fused deposition modeling 3D printing technology in manufacturing polylactic acid parts. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, v. 102, n. 9-12, p. 2877-2889, 2019. 

6) Schirmeister, C.; Hees, T.; Licht, E. H.; Mülhaupt, R.: 3D printing of high-density polyethylene by fused filament fabrication. Additive Manufacturing, v. 28, p. 152-159, 2019. 

7) Juster, H.; Van Der Aar, B.; De Brouwer, H.: A review on microfabrication of thermoplastic polymer-based microneedle arrays. Polymer Engineering & Science, v. 59, n. 5, p. 877-890, 2019. 

8) Picard, M.; Mohanty, A. K.; Misra, M.: Recent advances in additive manufacturing of engineering thermoplastics: challenges and opportunities. RSC Advances, v. 10, n. 59, p. 36058-36089, 2020. 

9) Cicala, G.; Latteri, A.; Curto, B. D.; Russo, A. L.; Recca, G.; Farè, S.: Engineering thermoplastics for additive manufacturing: a critical perspective with experimental evidence to support functional applications. Journal of applied biomaterials & functional materials, v. 15, n. 1, p. 10-18, 2017. 

10) Kiran, A. S. K.; Veluru, J. B.; Merum, S.; Radhamani, A. V.; Doble, M.; Kumar, T. S. S.: Additive manufacturing technologies: an overview of challenges and perspective of using electrospraying. Nanocomposites, v. 4, n. 4, p. 190-214, 2018. 

11) Lee, J-Y.; An, J.; Chua, C. K.: Fundamentals and applications of 3D printing for novel materials. Applied Materials Today, v. 7, p. 120-133, 2017. 

12) Pawar, S.; Dolas, D.: Effect of process parameters on flexural strength and surface roughness in fused deposition modeling of PC-ABS material. Journal of Micromanufacturing, p. 1-7, 2021. 

13) Yap, Y. L. et al.: A non-destructive experimental-cum-numerical methodology for the characterization of 3D-printed materials — polycarbonate-acrylonitrile butadiene styrene (PC-ABS). Mechanics of Materials, v. 132, p. 121-133, 2019. 

14) Yap, P-V.; Chan, M-Y.; Koay, S-C.: Preliminary study on mechanical properties of 3D printed multi-materials ABS/PC parts: effect of printing parameters. Journal of Physical Science, v. 32, n. 2, 87-104, 2021.


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