Resina vs. Filamento: Qual Material de Impressão 3D é Mais Resistente?

A comunidade de impressão 3D debate extensivamente as vantagens e desvantagens das impressoras de resina e de filamento. Os tópicos mais discutidos geralmente envolvem a qualidade das impressões, o custo dos materiais e o tempo de impressão de cada tecnologia.

Também pode acontecer de precisarmos imprimir um objeto que exija propriedades estruturais específicas, como resistência à tração e ao impacto, e precisamos descobrir se peças de resina são mais fortes ou mais fracas do que as impressas com filamento.

Quando o assunto é resistência, peças impressas em FDM tendem a ser mais fortes do que objetos impressos em resina. Isso vale tanto para resistência ao impacto quanto para resistência à tração. Quase todos os filamentos populares como ABS, PLA, PETG, Nylon e Policarbonato superam impressões de resina comum. No entanto, deve-se mencionar que a Resina Tough (resistente) é mais forte que ABS, PETG e Nylon.

Comparação de Resistência à Tração: Resina vs Filamento

Resistência à tração de diferentes filamentos e resinas (mega Pascals)

Material	MPa
Policarbonato	67
PLA	64
Resina Tough	55
PETG	50
Nylon	48
ABS	38
Resina comum	23

A resistência à tração mede a quantidade de tensão que um material específico suporta enquanto é esticado até o ponto de ruptura. A resistência à tração do material é medida no ponto de ruptura e varia entre diferentes materiais usados para fabricar um componente idêntico.

Este é um teste bastante comum realizado na maioria das indústrias; porém, para produzir resultados razoavelmente precisos, o processo de fabricação real deve ser considerado e fatorado como uma variável.

O consenso é que impressões 3D de resina não são muito resistentes a impactos; além disso, há uma grande interrogação sobre a cura contínua de produtos de resina expostos periodicamente à luz UV. Do outro lado da balança, o PLA é um material relativamente barato e de baixa resistência à temperatura, rotulado como "último recurso".

Essas suposições não poderiam estar mais longe da verdade, e a verdade é revelada em testes justos e precisos. Aqui está uma visão geral básica de testes de resistência à tração feitos em diferentes tipos de filamento FDM, conduzidos pela Airwolf 3D, que estão em conformidade com os padrões ISO 527*. Um gancho foi feito de diferentes materiais e posto à prova.

*: Essas diretrizes especificam as condições gerais para determinar as propriedades de tração de termoplásticos sob condições especificadas.

PLA

A mesa de impressão foi ajustada a 60°C e o gancho foi impresso sem enclausuramento para manter o calor em nível moderado. O gancho de PLA suportou um peso de 285 libras, o que se traduz em uma resistência à tração de 64,4 MPa, mas há um detalhe, como sempre.

O PLA perde sua resistência à tração ao longo do tempo e, como resultado, deve ser usado apenas para seu propósito designado, que é fazer brinquedos e itens ornamentais, e não para finalidades que exijam alta resistência à tração.

PETG

O PETG mediu 50,0 MPa, o que é surpreendente, pois esperava-se que fosse mais forte que o PLA. Um teste diferente conduzido pelo toms3d.org colocou PLA contra PETG, mas duas estruturas de teste de cada foram impressas para determinar o efeito da direção das camadas. As duas amostras foram impressas vertical e horizontalmente.

O teste realizado foi um teste de flexão para determinar o ponto onde a amostra quebra. As amostras impressas verticalmente foram testadas primeiro, o que também testaria a adesão entre camadas. A amostra de PLA suportou pouco menos de 8 kg, enquanto o PETG aguentou 5,9 kg. A segunda amostra testou a resistência do material, e o PLA mediu 16,6 kg, enquanto a amostra de PETG não falhou, pois não quebrou, apenas dobrou.

Essencialmente, o PETG é mais flexível e não se rompe sob certas forças como o PLA faria, mas, no que diz respeito à resistência à tração, o PLA é mais forte.

ABS

Com o teste ISO 527, o ABS foi classificado em 38,6 MPa, substancialmente mais fraco que tanto PLA quanto PETG. No teste do gancho, o ABS teve um desempenho ruim e quebrou instantaneamente com a mesma carga de 285 lb.

Embora o ABS seja considerado um material de engenharia real usado em aplicações cotidianas, estas aplicações não exigem resistência à tração. A resistência à tração do ABS ficou em 4700 psi (32,4 MPa).

Policarbonato

No teste básico do gancho, o filamento de policarbonato foi impresso em altas temperaturas, onde a temperatura da mesa não deve ser inferior a 145°C e a do extrusor não inferior a 290°C.

É importante ter em mente que impressoras hobbyistas normais não conseguem atingir essas temperaturas desejadas. 685 libras foram suspensas do gancho, medindo 9800 psi (67,6 MPa), tornando o policarbonato o vencedor indiscutível para resistência à tração.

Nylon

O Nylon não é um filamento uniforme e, como resultado, diferentes tipos de filamento de nylon têm resistência à tração variável, mas a resistência estimada é fixada em 7000 psi (48,3 MPa), substancialmente melhor que ABS, mas abaixo do PLA. No teste do gancho, foi usado nylon 910, impresso a 250°C com temperatura da mesa entre 70-100°C. O nylon começou a dobrar e só depois de centenas de libras cedeu a 485 lbs.

Essencialmente, semelhante ao PETG, o Nylon dobra mais que o PLA.

Resina

Embora os testes de resistência à tração não tenham sido realizados pelas mesmas pessoas que fizeram os testes anteriores, as mesmas condições foram recriadas, o que significa que os resultados não são apenas válidos, mas também comparáveis.

A resina é comumente conhecida como um material muito fraco quando se trata de resistência à tração, e os resultados concordam de alguma forma com essa noção. A resina comum mediu apenas 23,4 MPa, um valor bem abaixo de todos os filamentos medidos.

Apesar dos resultados ruins para a resina comum, devo mencionar que houve avanços incríveis na impressão SLA, e a resistência à tração é definitivamente uma dimensão que recebeu muita atenção.

Todos os principais fabricantes de resina também oferecem suas resinas "tough", e não é apenas uma tática de marketing: tome a resina tough da eSun com resistência à tração de 55 MPa como exemplo.

Isso mostra que os fabricantes estão fazendo grandes esforços para atender aos requisitos que a indústria de impressão 3D exige de forma cada vez maior.

Diferença entre resina comum e resina tough

Tipos de resina comuns são considerados fracos demais para lidar com tensão e não são recomendados para uso externo devido ao processo de cura contínuo pelos raios UV do sol. No entanto, existem resinas no mercado formuladas para serem realmente fortes.

Há tecnologia em ritmo acelerado sendo introduzida no desenvolvimento de resinas, e diferentes aplicações são descobertas continuamente. Resinas fundíveis (castable) são usadas na fabricação de joias e amplamente utilizadas na odontologia.

A principal diferença entre resina comum e resina tough é a resistência à tração, com a resina tough tendo cerca do dobro da resistência à tração da resina comum.

A resina UV colorida da Anycubic foi selecionada como a resina comum testada contra algumas resinas tough, nomeadamente, Tough 2000 da Formlabs, Hard-Tough da eSun e Blu da Siraya Tech. Os resultados não foram surpreendentes: a resina padrão mediu 23,4 MPa, enquanto as resinas tough mediram 46 MPa para Formlabs, 55 MPa para eSun e 44 MPa para Siraya Tech.

Como você pode ver nos resultados dos testes, as resinas tough são realmente muito mais fortes que a resina comum, mas os resultados dos testes não se traduzem automaticamente nos seus projetos. O principal motivo é o design estrutural e a aplicação; portanto, embora as resinas tough sejam mais fortes, elas não necessariamente refletirão esses resultados de teste.

Comparação de Resistência ao Impacto: Resina vs Filamento

Resistência ao impacto para diferentes materiais e orientações (Joules/Metro)

	Plano	Horizontal	Vertical
Policarbonato	354	515	42
Nylon	325	249	60
Prusa Tough Resin	280	280	280
PETG	239	178	35
PLA	153	113	77
ABS	129	149	55

A resistência ao impacto é diferente da resistência à tração, pois mede quanto impacto um modelo padrão aguenta e quanta energia de impacto é absorvida pela força. O método usado para conduzir o teste é o teste de impacto IZOD. Os testes foram conduzidos usando três orientações diferentes: amostras de teste orientadas no plano, horizontal e vertical.

PLA

• Plano: 152,52 J/m
• Horizontal: 113,21 J/m
• Vertical: 77,42 J/m

PETG

• Plano: 238,98 J/m
• Horizontal: 178,09 J/m
• Vertical: 35,45 J/m

ABS

• Plano: 128,69 J/m
• Horizontal: 149,14 J/m
• Vertical: 55,14 J/m

Policarbonato

• Plano: 354,15 J/m
• Horizontal: 514,90 J/m
• Vertical: 42,03 J/m

Nylon

• Plano: 324,90 J/m
• Horizontal: 248,86 J/m
• Vertical: 59,61 J/m

Como você vê nos resultados, há números mistos entre os tipos de filamento, bem como na orientação da amostra de teste. O PLA obteve a maior pontuação no teste vertical com 77,42 J/m, com o PETG marcando o menor em 35,45 J/m. Amostras de teste de policarbonato e nylon estão bem equilibradas, mas o policarbonato marcou 514,90 J/m no teste horizontal, enquanto o nylon atingiu 248,86 J/m.

Diferença entre resina comum e resina tough

A resistência ao impacto da resina comum comparada à resina tough foi conduzida usando o teste de impacto IZOD com pontuação Filaween. No teste do Tom, ele usou resina Elegoo ABS-like clear red e a resina "Tough" marrom da Prusa, e os resultados falam por si mesmos.

Sendo um material isotrópico, as amostras de teste de resina precisaram apenas de uma amostra cada. O resultado da resina Tough da Prusa foi 280 mJ. Esta resina é comparável aos resultados do PLA.

Qual é o Filamento Mais Forte?

Acredito que seja uma conclusão bastante comum entre fabricantes, revisores e usuários finais que o policarbonato é classificado como o tipo de filamento mais forte.

Quando impresso corretamente e nas temperaturas certas, o policarbonato (ou PC) pode produzir componentes extremamente fortes e duradouros; no entanto, imprimir com PC pode ser problemático, pois não lida bem com overhangs e detalhes finos. O PC tem alta resistência térmica e também é bastante resistente a impactos, como mostram os resultados de teste acima.

O Nylon também é altamente avaliado e se compara favoravelmente ao PC. O filamento nylon 910 testado pela Airwolf mostrou grande força a 7000 psi, e um clipe impresso conseguiu suportar 485 lb. A MatterHackers fez testes semelhantes, mas usou seu próprio filamento de nylon chamado Nylon X. Eles imprimiram um gancho e conseguiram segurar 364 libras antes de quebrar. O Nylon recebeu ótimas avaliações, com muitos revisores classificando-o muito acima do PLA em resistência e durabilidade.

Como o nylon é higroscópico, ou seja, tende a absorver umidade, ele apresenta dificuldades de impressão. Ele tem que estar 100% seco; caso contrário, ocorrerão erros de impressão. Outro ponto sensível é a temperatura de impressão, que deve estar entre 220-270°C e é propenso a warping. O lado bom do nylon é que ele é resistente a impacto, fadiga, calor e, a cereja do bolo, é mais fácil de imprimir que PC.

Aqui estão alguns filamentos de Nylon e Policarbonato recomendados:

Como tornar uma peça FDM mais forte?

Uma impressão FDM forte é uma impressão desejável. Existem várias maneiras de aumentar a resistência das suas impressões, incluindo o uso de preenchimento retilíneo, redução do resfriamento, aumento da largura de extrusão, aumento do número de perímetros e uso de camadas mais finas. Essas dicas que ajudarão a aumentar a resistência das suas impressões FDM foram testadas e comprovadas por muitos especialistas e entusiastas de impressão 3D.

Use o Padrão de Preenchimento Retilíneo ou Colmeia

Padrões de preenchimento são definitivamente um ponto positivo para fortalecer impressões, mas infelizmente não existe um tamanho único para todos. A estrutura de colmeia é renomada por sua resistência e até usada em pneus run-flat. Do ponto de vista técnico, o padrão retilíneo é o mais forte, mas apenas quando a direção da força é levada em consideração, pois será fraco na direção oposta.

Usar um padrão de preenchimento retilíneo economiza plástico e imprime mais rápido como resultado. Imprime até 30% mais rápido que o padrão colmeia. Onde o padrão retilíneo é o mais forte em uma direção, a colmeia é igualmente forte em todas as direções, tornando-a um padrão confiável para uso geral.

Faça Recozimento (Annealing) nas suas impressões 3D

Recozimento é um processo comum na criação de peças de metal ou plástico injetado. Simplificando, é um processo de aumento de temperatura para melhorar a firmeza, resistência à tração e resistência ao calor. Embora não seja tão popular no mundo da impressão 3D, o processo ainda é aplicável, mas exigirá um grau de experimentação para obter a temperatura ideal.

Em casa, você pode colocar suas impressões no forno, mas terá que monitorar a temperatura de perto e garantir que haja uma distribuição uniforme de calor ao redor da impressão.

O recozimento basicamente aquece o plástico até sua temperatura de transição vítrea porque, neste ponto, o objeto ainda manterá sua forma, mas as moléculas serão rearranjadas em um estado mais fluido, reduzindo a tensão interna e fortalecendo a estrutura no processo.

Polímeros têm longas cadeias moleculares repetitivas compostas por estruturas moleculares amorfas e semi-cristalinas. Essas estruturas moleculares compõem o polímero e são distribuídas aleatoriamente sem linhas divisórias definitivas. As estruturas cristalinas são duras e rígidas, enquanto as amorfas são mais elásticas e flexíveis.

Quando o filamento é aquecido no bico, provavelmente será amorfo e manterá essa estrutura através do processo de resfriamento rápido. O que o recozimento alcança é mudar as características do plástico amorfo para plástico cristalino.

Filamentos PLA e PETG mostraram resultados promissores quando recozidos, enquanto ASA e ABS não mostraram mudança real além de warping durante o processo. O filamento PLA mostrou grande melhoria na resistência à tração, enquanto o PETG marcou grandes pontos para durabilidade ao impacto.

O resultado final é que o recozimento é uma ferramenta eficaz, mas pode causar complicações ao usar a técnica com impressões detalhadas.

Considerações Adicionais

Você deve considerar a aplicação de uma impressão para determinar seus pontos fortes e fracos. Além do filamento ou resina certos, várias outras considerações afetarão a utilidade da sua impressão.

Anisotrópico vs Isotrópico

Anisotrópico basicamente significa chegar a valores diferentes quando as propriedades de um material são medidas de direções diferentes, o que acontece com preenchimentos retilineares. Por outro lado, isotrópico significa valores consistentes independentemente da direção da medição, e neste caso podemos usar a estrutura de colmeia como um bom exemplo.

Com a impressão 3D FDM, a direção de impressão ou construção contribuirá para resultados anisotrópicos. Isso se torna mais óbvio com menor adesão entre camadas no eixo Z, o que causa uma resistência à tração menor comparada aos eixos X e Y. Portanto, se a anisotropia não for considerada, o produto impresso não durará quando pressão for aplicada à sua fraqueza.

Com a impressão SLA, não há necessidade de se preocupar com fraquezas estruturais de certas direções porque a resina é isotrópica, o que significa que o objeto tem a mesma resistência em todas as direções. Para maior resistência, o modelo de resina não deve ser oco para economizar resina.

Configurações do Slicer

Uma impressão forte começa com um bom design que foca na integridade estrutural alocando mais material para áreas com tensão concentrada. A otimização de topologia permite que o processo seja automatizado e é frequentemente usada na criação de designs funcionais.

O processo de fabricação também tem forte influência na resistência do produto final, e isso é determinado pelas configurações de impressão durante o fatiamento. Por exemplo, a altura da camada sendo maior resultará em maior resistência de impressão, tanto em impressões FDM quanto SLA. A estrutura e configurações de preenchimento também contribuem para a resistência da impressão, assim como a velocidade, espessura da extrusão e temperaturas ideais.

Com resina SLA, as impressoras geralmente imprimem com 100% de preenchimento, mas alguns fatiadores permitem drenar o excesso de resina de bolsões internos como opção de economia de resina; no entanto, para não comprometer a integridade da impressão, o design não deve ser oco.

Como os objetos são impressos

A espessura da camada e a adesão desempenham um papel dominante na resistência geral de um objeto impresso. Em um teste conduzido para apontar os efeitos da espessura da camada e orientação de impressão, vários ganchos foram impressos com diferentes espessuras de camada, bem como impressos verticalmente e deitados.

Os resultados do teste foram unanimemente a favor dos ganchos impressos deitados, o que indica que a integridade estrutural é influenciada se as camadas de impressão estão na mesma linha da força aplicada ao objeto.

Um bico de 0,4 mm foi usado para a impressão, e os ganchos foram impressos de 0,05 a 0,4 mm. Em ambas as orientações de impressão, os ganchos impressos com entre 0,1 mm e 0,2 mm tiveram o melhor desempenho, enquanto os ganchos de 0,3 mm e 0,4 mm tiveram o pior desempenho.

Desse teste, podemos concluir que a espessura da camada não deve exceder metade do diâmetro do bico usado se a resistência da peça for relevante para nossa aplicação. Para detalhes do teste, confira o vídeo do CNCKitchen.

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