Explorando Materiais Compósitos para Impressão 3D: Guia Prático para Engenheiros

A manufatura aditiva pode usar uma ampla gama de materiais, desde termoplásticos de alto desempenho como PEEK até metais aeroespaciais como titânio.

Às vezes, porém, engenheiros querem combinar propriedades de dois materiais diferentes, e uma das melhores formas é usando compósitos. Usados em processos como FDM e SLS (bem como tecnologias inovadoras), materiais compósitos tipicamente contêm um material termoplástico base e um elemento de reforço como fibra de carbono. A proporção entre os dois pode variar, assim como o método de integração do material de reforço.

À medida que tecnologias de impressão 3D evoluem, o uso de compósitos imprimíveis se torna mais difundido. Seu uso não se limita à indústria: enquanto alguns compósitos (pós SLS, por exemplo) visam principalmente usuários industriais, outros (como termoplásticos reforçados com fibra picada) podem ser usados em impressoras FDM de médio custo para consumidores e profissionais.

Este artigo serve como guia introdutório a materiais compósitos para impressão 3D. Aborda materiais compósitos populares e tecnologias de impressão, explica a diferença entre compósitos de fibra picada e contínua, e considera principais aplicações e vantagens.

O que são materiais compósitos para impressão 3D?

Simplificando, um material compósito é feito de dois ou mais materiais diferentes. A especialista Markforged define compósitos como "feitos de mais de um material que, combinados, têm propriedades diferentes dos originais".

Exemplos fora da impressão 3D incluem compensado (camadas de lâminas de madeira diferentes) e concreto armado (concreto reforçado com barras de aço).

Na impressão 3D, compósitos são tipicamente combinação de termoplástico base (matriz) e reforço como fibra de carbono, fibra de vidro, grafeno ou kevlar. (Mistura de dois termoplásticos, como PLA + ABS, é tipicamente chamada de blend, não compósito.) Materiais base podem ser virtualmente qualquer coisa, mas usuários industriais tipicamente usam termoplásticos premium com boas características mesmo sem reforço; tais plásticos incluem PC, nylon e PEEK.

Compósitos podem ter diferentes formas, as mais comuns sendo pós misturados para sinterização seletiva a laser (SLS) e filamentos misturados para modelagem por deposição fundida (FDM). Menos comuns mas empolgantes são compósitos de fibras contínuas que, usando processos inovadores, podem ser rosqueadas ou tecidas em matrizes termoplásticas durante a impressão. Tais processos tipicamente requerem dois bicos: um para depositar o termoplástico, outro para distribuir as fibras contínuas. Finalmente, existem também resinas compósitos para fotopolimerização em cuba como estereolitografia (SLA); com esta tecnologia, resinas termofixas base podem ser curadas ao redor de um esqueleto de fibra de reforço.

Materiais compósitos populares para impressão 3D

Seja em pó, filamento ou outra forma, materiais compósitos para impressão 3D são geralmente desenvolvidos por alta resistência, alta rigidez, boa estabilidade dimensional e boa relação resistência-peso. Fibras são excepcionalmente leves, e podem melhorar drasticamente a resistência de um termoplástico sem adicionar massa. Compósitos de engenharia impressos em 3D podem até substituir metal.

Termoplásticos base para compósitos FDM variam de polímeros commodity como PLA e ABS no extremo mais barato, a polímeros de alto desempenho como PEEK no premium. Nylon é o principal material para pós SLS compósitos (como é o principal na sinterização a laser geralmente), mas materiais de alto desempenho como PAEK também podem ser usados.

Olhando compósitos em geral (incluindo fora da impressão 3D), fibra de vidro é o reforço mais popular — e também amplamente encontrado em compósitos de impressão 3D. Dentro da manufatura aditiva, porém, fibras de carbono são muito mais usadas que vidro, já que a impressão 3D de compósitos é usada em muitas aplicações críticas onde a resistência superior do carbono vale o custo extra. Outros reforços incluem Kevlar e grafeno.

Materiais base

• Poliamida / nylon (PA)
• Acrilonitrila butadieno estireno (ABS)
• Ácido polilático (PLA)
• Policarbonato (PC)
• Polietilenoimida (PEI)
• Polifenileno sulfeto (PPS)
• Polieteretercetona (PEEK)
• Poliariletercetona (PAEK)

Reforços

• Fibra de carbono
• Fibra de vidro
• Esferas de vidro
• Kevlar
• Grafeno
• Outros metais

Exemplos de materiais compósitos de marca incluem PA 640-GSL da EOS, pó SLS PA 12 reforçado com esferas de vidro e fibras de carbono; CarbonX PETG+CF da 3DXTech, filamento FDM PETG reforçado com fibra de carbono picada; e Onyx da Markforged, nylon base preenchido com fibra de carbono que também pode ser reforçado com fibras contínuas usando tecnologia proprietária da Markforged.

Processos de impressão 3D para materiais compósitos

Salvo algumas exceções, as tecnologias-chave para compósitos são FDM, SLS e tecnologias inovadoras para fibra contínua.

FDM

FDM é o processo mais usado para peças plásticas, e muitas impressoras de médio custo processam compósitos como ABS reforçado com fibra de carbono. Materiais compósitos para FDM consistem de termoplástico base e (geralmente) fibras picadas, descontínuas. Estas fortalecem e endurecem peças, mas em grandes quantidades podem tornar o filamento mais difícil de imprimir e afetar negativamente a qualidade superficial.

SLS

SLS é outro processo adequado para peças compósitos. Devido ao custo e complexidade, é usado principalmente por usuários industriais. Materiais são mistura de pós termoplásticos (geralmente nylon) e reforços como fibras picadas ou esferas de vidro. Note que pós SLS compósitos não são universais; fabricantes como EOS fazem máquinas dedicadas a impressão de compósitos.

Processos inovadores de fibra contínua

Uma das áreas mais avançadas da manufatura aditiva é impressão de compósitos com fibras contínuas. Empresas como Markforged, Desktop Metal, Orbital Composites, 9T Labs e Anisoprint desenvolveram hardware que integra fibras contínuas em peças termoplásticas durante a impressão, tipicamente alimentando fibras contínuas em cada camada usando bico separado.

Compósitos de fibra picada vs fibra contínua

Materiais compósitos com fibras de reforço dividem-se em duas categorias: fibra picada e fibra contínua. Dois compósitos diferentes podem conter exatamente os mesmos materiais constituintes, mas performar de forma muito diferente dependendo do tipo de fibra.

• Fibras picadas são minúsculos fios de reforço como carbono ou Kevlar. Tipicamente medem menos de 1 mm, podendo ser facilmente misturados na matriz termoplástica (PLA, ABS, etc.), dando ao plástico comum maior resistência e rigidez. São incrivelmente versáteis: misturam-se com diversos termoplásticos, e os compósitos resultantes imprimem em impressoras comuns. No entanto, quando misturadas, cada fibra assume orientação aleatória, tornando o material menos resistente que com fibras contínuas.
• Fibras contínuas, por outro lado, são fios longos, unidirecionais que, integrados à matriz termoplástica, fornecem resistência muito superior. Isso porque um fio absorve e distribui cargas por todo seu comprimento, então um comprimento contínuo maior tem maior capacidade de carga que um fio picado. Apenas nos últimos 5 anos a impressão 3D de compósitos de fibra contínua tornou-se mainstream, com vários fabricantes desenvolvendo suas tecnologias. Naturalmente, é mais cara que impressão de fibra picada, pois requer hardware dedicado.

Aplicações de materiais compósitos

Materiais compósitos têm muitos usos em muitas indústrias, abrangendo protótipos, peças de uso final e ferramentaria.

Setores que usam manufatura aditiva e compósitos incluem aeroespacial, automotivo, eletrônico, bens de consumo, médico e industrial. A maioria usa impressão 3D de compósitos para peças de alta rigidez em pequena escala (embora hardware de extrusão de grande formato possa imprimir compósitos).

Ferramentaria — em pequena ou grande escala — é aplicação particularmente relevante, pois materiais reforçados são ideais para moldes e ferramentas de fim de braço.

Em termos de tecnologias, impressão 3D de fibra contínua oferece maior escopo de aplicações potenciais (comparada a FDM ou SLS), embora ainda esteja na infância e não seja tão usada quanto técnicas de fibra picada.