Materiais compostos de impressão 3D:um guia introdutório

A manufatura aditiva pode ser usada com uma ampla gama de materiais, desde termoplásticos de alto desempenho, como PEEK, até metais prontos para o setor aeroespacial, como titânio.

Às vezes, no entanto, os engenheiros querem combinar as propriedades de dois materiais diferentes, e uma das melhores maneiras de fazer isso é usando compósitos . Usados ​​em processos como FDM e SLS (assim como em novas tecnologias), os materiais compostos normalmente contêm um material termoplástico básico e um elemento de reforço como fibra de carbono. A relação entre os dois elementos pode variar, assim como o método de integração do material de reforço.

À medida que as tecnologias de impressão 3D continuam a melhorar, o uso de compósitos imprimíveis em 3D está se tornando mais difundido. E seu uso também não se limita à indústria:enquanto alguns compósitos (pós SLS, por exemplo) são direcionados principalmente a usuários industriais , outros (como termoplásticos reforçados com fibra picada) podem ser usados ​​em impressoras 3D FDM de preço médio para consumidores e profissionais .

Este artigo serve como um guia introdutório para materiais compósitos de impressão 3D. Ele analisa alguns materiais compostos populares e tecnologias de impressão compostas, explica a diferença entre fibra cortada e compósitos de fibra contínua e considera as principais aplicações e vantagens dos compósitos de impressão 3D.

O que são materiais de impressão 3D compostos?

Simplificando, um material composto é um material composto de dois ou mais materiais diferentes . O especialista em impressão 3D composta Markforged define compósitos como sendo “compostos de mais de um material que, quando combinados, possuem propriedades diferentes de seus materiais originais”.

Exemplos de compósitos fora da impressão 3D incluem madeira compensada (camadas de diferentes folheados de madeira) e concreto armado (concreto reforçado por barras de aço).

Dentro da impressão 3D, os compósitos são normalmente uma combinação de um termoplástico material de base (uma matriz) e um reforço elemento como fibra de carbono, fibra de vidro, grafeno, oukevlar . (Observe que uma mistura de dois termoplásticos, como PLA + ABS, é normalmente chamada de mistura , não um compósito.) Os materiais básicos podem ser praticamente qualquer coisa, mas os usuários industriais normalmente usam termoplásticos premium que possuem boas características de material, mesmo sem elementos de reforço; tais plásticos incluem PC, nylon e PEEK.

Os compósitos podem assumir diferentes formas de materiais, sendo os mais comuns os pós para sinterização seletiva a laser (SLS) e filamentos mistos para modelagem de deposição fundida (FDM) . Menos comuns, mas particularmente interessantes, são os compósitos feitos de um material básico combinado com fibras contínuas que, usando novos processos, podem ser rosqueados ou tecidos em matrizes termoplásticas enquanto estão sendo impressas. Tais processos normalmente requerem dois bocais:um para depositar o termoplástico e outro para distribuir as fibras contínuas. Finalmente, há também um número limitado de resinas compostas para fotopolimerização em cuba Processos de impressão 3D como estereolitografia (SLA); com esta tecnologia, materiais de base de resina termofixa podem ser curados em torno de um esqueleto de fibra de reforço.

Materiais de impressão 3D compostos populares

Seja em pó, filamento ou outra forma, os materiais de impressão 3D compostos geralmente são desenvolvidos por sua alta resistência , alta rigidez , boa estabilidade dimensional , e boa resistência ao peso Razão. As fibras são excepcionalmente leves e podem melhorar drasticamente a resistência de um termoplástico sem aumentar sua massa. Compósitos de engenharia impressos em 3D podem até ser usados ​​como substitutos do metal.

Os termoplásticos básicos para compósitos de impressão 3D FDM variam de polímeros de commodities como PLA e ABS no extremo mais barato da escala, para polímeros de alto desempenho como PEEK na extremidade premium. Nilon é o principal material usado para pós SLS compostos (como é o principal material usado na sinterização a laser em geral), mas materiais de alto desempenho como PAEK também pode ser usado.

Ao analisar os compostos em geral (incluindo fora da impressão 3D), a fibra de vidro é o material de reforço mais popular - e também é amplamente encontrado em compósitos de impressão 3D. Na manufatura aditiva, no entanto, as fibras de carbono são muito mais amplamente utilizados do que o vidro, uma vez que a impressão 3D composta é usada para muitas aplicações críticas onde a resistência superior do carbono vale a despesa adicional. Outros materiais de reforço incluem Kevlar e grafeno.

Materiais básicos

• Poliamida/náilon (PA): 
• Acrilonitrila butadieno estireno (ABS)
• Ácido polilático (PLA)
• Policarbonato (PC)
• Polieterimida (PE)
• sulfeto de polifenileno (PPS)
• Poliéter éter cetona (PEEK)
• Poliariletercetona (PAEK)

Reforços

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

Exemplos de materiais compósitos de marca no mercado incluem EOSs PA 640-GSL , um pó SLS de nylon PA 12 reforçado com contas de vidro e fibras de carbono; CarbonX PETG+CF da 3DXTech , um filamento PETG FDM reforçado com fibra de carbono picada; e Onyx de Markforged , um material de base de nylon preenchido com fibra de carbono que também pode ser reforçado com fibras contínuas usando a tecnologia de impressão composta proprietária da Markforged.

Processos de impressão 3D para materiais compósitos

Além de algumas exceções, as principais tecnologias de impressão 3D para impressão 3D composta são modelagem de deposição fundida (FDM), sinterização seletiva a laser (SLS) e novas tecnologias para impressão contínua de fibra.

FDM

O FDM é o processo de impressão 3D mais utilizado para peças plásticas, e muitas máquinas de preço médio são capazes de processar materiais compostos como ABS reforçado com fibra de carbono. Os materiais compósitos para FDM consistem em um material base termoplástico e (geralmente) fibras descontínuas cortadas. Essas fibras podem fortalecer e endurecer as peças impressas, mas em quantidades maiores também podem dificultar a impressão do filamento e podem afetar negativamente a qualidade da superfície.

SLS

O SLS é outro processo de impressão 3D de plástico adequado para a produção de peças compostas. Devido ao custo e complexidade dos sistemas SLS, esta tecnologia é usada principalmente por usuários industriais. Os materiais são uma mistura de pós termoplásticos (geralmente nylon) e elementos de reforço como fibras picadas ou contas de vidro. Observe que os pós SLS compostos não são universais; fabricantes de hardware como a EOS fabricam máquinas dedicadas à impressão composta.

Novos processos de fibra contínua

Uma das áreas mais avançadas da manufatura aditiva é a impressão de compósitos com fibras contínuas — conceito explicado na seção a seguir. Empresas como Markforged, Desktop Metal, Orbital Composites, 9T Labs e Anisoprint desenvolveram hardware de manufatura aditiva composta que pode integrar fibras contínuas em peças termoplásticas durante a impressão, normalmente alimentando fibras contínuas em cada camada individual usando um bico separado.

Fibra cortada x compósitos de fibra contínua

Os materiais de impressão 3D compostos com fibras de reforço podem ser divididos em duas categorias distintas:compósitos de fibra cortada e compósitos de fibra contínua. Portanto, embora dois compósitos diferentes possam conter exatamente os mesmos materiais constituintes, eles podem ter um desempenho muito diferente, dependendo de terem fibras cortadas ou contínuas.

• Fibras picadas são pequenos fios de material de reforço como carbono ou Kevlar. Normalmente medindo menos de um milímetro de comprimento, esses fios podem ser facilmente misturados em uma matriz termoplástica (PLA, ABS, etc.), dando ao plástico comum maior resistência e rigidez. As fibras picadas são incrivelmente úteis porque são altamente versáteis :eles podem ser misturados com uma grande variedade de termoplásticos, e os compostos resultantes podem ser impressos em impressoras 3D comuns. No entanto, quando as fibras cortadas são misturadas em um material de base, cada fibra individual assume uma orientação aleatória , o que torna o material menos resistente do que um material com fibras contínuas.
• Fibras contínuas , por outro lado, são mais longos, unidirecionais fios de material de reforço que, quando integrados a uma matriz termoplástica, forneciam uma resistência muito superior em comparação com as fibras cortadas. Isso ocorre porque um fio pode absorver e distribuir cargas em todo o seu comprimento, portanto, um comprimento contínuo mais longo tem maior capacidade de carga do que um pequeno fio picado. Somente nos últimos cinco anos, a impressão 3D contínua de fibra composta se tornou popular, com vários fabricantes desenvolvendo suas próprias tecnologias. Escusado será dizer que a impressão de composto de fibra contínua é mais cara do que a impressão de composto de fibra cortada, pois é necessário hardware dedicado.

Aplicações de materiais compósitos

Os materiais compostos têm muitos usos em muitos setores, e as aplicações abrangem protótipos , peças de uso final , e ferramentas .

Os setores que usam manufatura aditiva e compósitos de impressão 3D incluem aeroespacial, automotivo, eletrônicos, bens de consumo, médicos, eindustriais . A maioria dessas indústrias usa impressão 3D composta para fazer peças de alta rigidez que são pequenas em escala (embora alguns hardwares de extrusão de grande formato sejam capazes de imprimir compostos).

O ferramental - em pequena ou grande escala - é uma aplicação particularmente relevante para impressão 3D composta, pois os materiais reforçados são ideais para moldes e ferramentas de extremidade de braço.

Em termos de tecnologias específicas, a impressão 3D de fibra contínua oferece o maior escopo de aplicações potenciais (em comparação com FDM ou SLS), embora ainda esteja em sua infância e não seja tão amplamente utilizada quanto as técnicas de impressão 3D de fibra cortada.