Por Que a Isotropia Importa na Impressão 3D: Consistência e Desempenho

A isotropia nos materiais é uma qualidade que define a uniformidade das suas propriedades independentemente da direção em que são medidas.

Em geral, a maioria dos termoplásticos são considerados materiais isotrópicos. Devido à sua natureza e à coesão entre as cadeias poliméricas que os compõem ser uniforme em todas as direções, as suas propriedades mecânicas também o são.

O facto de um material ser isotrópico não implica que todas as peças feitas com esse material mantenham esta qualidade. Em muitas ocasiões, o método de conformação ou fabricação pode fazer com que uma peça seja anisotrópica ou ortotrópica, apesar de a sua matéria-prima ter isotropia.

Por exemplo, uma peça feita de um termoplástico reforçado com fibras. Na matriz plástica, as fibras estão orientadas aleatória e uniformemente, mantendo assim a isotropia do material. No entanto, se uma peça deste material for fabricada usando métodos de estiramento mecânico, as fibras podem ser reorientadas dentro da matriz numa direção preferida, fazendo com que o material se torne anisotrópico. Às vezes, durante o processo de injeção de termoplástico ou na cura de resinas, geram-se tensões internas que podem fazer com que o material reduza o seu grau de isotropia.

Às vezes esta anisotropia é uma decisão de engenharia que tem em conta que cargas a peça vai suportar e procura melhorar o seu desempenho ou otimizar a relação peso/resistência. É o caso, por exemplo, de compósitos reforçados com fibras, nos quais se utilizam frequentemente malhas de fibras orientadas para melhorar as propriedades numa determinada direção.

Imagem 1: Material isotrópico e anisotrópico. Fonte: Instron.

Mas, o que acontece quando esta anisotropia é uma consequência não intencional, produto do método de conformação ou fabricação? Neste caso, se as cargas que atuarão sobre a peça não são uniformes e conhecemos bem como a isotropia da peça varia após a sua fabricação, podemos adaptar a sua orientação durante o processo de conformação para que a direção preferida coincida com a direção da carga. Isto complica muito as tarefas de design e fabricação, mas pode ser um obstáculo contornável.

No entanto, quando não sabemos a priori em que direção atuarão as cargas sobre uma peça, o facto de as suas propriedades não serem uniformes em todas as direções pode representar um grande problema. Em primeiro lugar, as propriedades em todas as direções devem ser testadas e devem ser considerados os valores mais baixos, como a resistência da peça. Em segundo lugar, é muito mais complicado determinar quando essa peça vai falhar, já que a vida útil quando as cargas atuam na sua direção mais favorável pode ser muito maior do que quando atuam na menos favorável.

É por isso que, quando se trata de peças que devem cumprir uma função mecânica ou estrutural, o controlo da isotropia é de grande importância.

Isotropia na impressão 3D

Um dos métodos de fabricação em que a isotropia é claramente afetada é a impressão 3D FDM. Este método de fabricação baseia-se na formação da peça camada por camada através da extrusão de um fio de polímero fundido.

É precisamente por isso que, ao nível da sua microestrutura, as peças impressas usando FDM são estruturas microporosas. Isto implica que a secção real da peça varia em cada direção em relação à secção aparente que podemos medir ao nível macroscópico. Além disso, entra em jogo outro fator: a coesão entre camadas, que nem sempre ocorre de forma ideal e reprodutível.

Imagem 2: Microestrutura de uma impressão 3D FDM. Fonte: Formlabs.

Devido a esta discrepância entre secções reais e aparentes da peça, o módulo de elasticidade aparente ao testar a peça nos três eixos também variará.

Por exemplo, se testarmos um cubo de 1 cm³, veremos que o módulo de elasticidade é diferente nos três eixos. Isto acontece porque ao calcular E = (F/S) / (ΔL/L), onde S é a secção da peça, estamos a tomar como secção 1 cm² para os três eixos, quando a secção real varia de um eixo para outro, como se vê na imagem 3.

Imagem 3: Secções de uma peça impressa com 100% de preenchimento e todas as camadas viradas na mesma direção.

Poderíamos minimizar este efeito variando a direção de impressão em cada camada. Ao orientar as camadas a 90º como mostrado na figura 4, poderíamos obter peças ortotrópicas nos eixos X e Y, embora a anisotropia permaneceria no eixo Z.

Imagem 4: Secções de uma peça impressa com 100% de preenchimento e cada camada orientada a 90º em relação à anterior.

Em teoria, se variarmos cada camada por um pequeno ângulo, em peças grandes compostas por um grande número de camadas sobrepostas, poderíamos obter isotropia planar no plano XY, mas ainda não atingiríamos uma isotropia completa.

Poderíamos tentar obter as secções reais das peças e assim prever as suas propriedades teóricas em cada direção, porém na prática as impressoras FDM não são suficientemente precisas para obter estruturas homogéneas e reprodutíveis, como se vê na imagem 5.

Imagem 5: Secções de peças impressas com camadas de 0,1, 0,2 e 0,3 mm. Fonte: S. Garzon-Hernandez et al. Materials and Design 188 (2020) 108414

Por tudo isto, é muito difícil prever o comportamento mecânico de uma peça impressa em FDM.

No entanto, este fenómeno não é universal na impressão 3D. Outras tecnologias como a impressão 3D SLA e a impressão 3D SLS produzem peças com alta isotropia.

Na impressão SLA, as peças são formadas pela fotocura de uma resina camada por camada. Isto implica que as peças são completamente densas e portanto a sua secção aparente e real são iguais. Além disso, a coesão entre moléculas forma-se por ligações químicas e de forma homogénea por toda a peça.

Imagem 6: Módulo de Young de uma peça impressa por SLA, medido em diferentes ângulos. Fonte: Formlabs

Apesar de tradicionalmente as resinas SLA não serem consideradas para aplicações técnicas devido às suas pobres propriedades mecânicas, nos últimos anos houve um salto significativo no desenvolvimento de resinas com propriedades mecânicas e térmicas compatíveis com os requisitos mais exigentes. É o caso das resinas de engenharia da Formlabs, que juntamente com a impressora Form 3L, capaz de produzir peças até 335x200x300 mm, formam o tandem perfeito para muitas aplicações que requerem peças isotrópicas com altas propriedades mecânicas.

Imagem 7: Impressora SLA Form 3L. Fonte: Formlabs

No entanto, apesar do avanço no desenvolvimento de materiais técnicos para SLA, a tecnologia que garante melhores resultados para aplicações técnicas é a impressão 3D SLS.

Esta tecnologia baseia-se na sinterização camada por camada de micropartículas poliméricas. O resultado são peças com características ideais para aplicações de engenharia: têm alta isotropia, alta precisão dimensional e podem ser impressas sem suportes, permitindo geometrias altamente complexas e até a impressão de mecanismos móveis já montados.

As peças produzidas por impressão SLS são porosas, no entanto, ao contrário das produzidas por FDM, a sua porosidade é homogénea e não depende da orientação da peça durante a impressão, como se pode ver na imagem 8.

Imagem 8: Microestrutura interna de uma peça impressa usando SLS.

Isto faz com que tenham alta isotropia, pois, embora as suas secções reais e aparentes não sejam as mesmas, mantêm-se constantes em todas as direções.

É por isso que, embora as propriedades mecânicas das peças impressas por SLS sejam diferentes das do material de partida, são constantes, independentes da orientação da peça e podem ser facilmente determinadas, o que simplifica os cálculos de engenharia e permite determinar com baixas margens de erro a resistência e a vida útil dos componentes fabricados com esta tecnologia.

Além disso, a impressão SLS permite o uso de polímeros técnicos amplamente utilizados no setor industrial, como o nylon 11, nylon 12 ou até elastómeros termoplásticos como TPE e TPU.

É o caso de impressoras 3D como a Lisa Pro, uma impressora com excelente relação qualidade-preço, capaz de produzir peças de altíssima qualidade em materiais como poliamida 11, graças à sua capacidade de imprimir em atmosfera de nitrogénio.

Vídeo 1: Vídeo da Lisa Pro. Fonte: Sinterit

Quando se trata de produzir peças por impressão 3D que tenham de cumprir certos requisitos mecânicos, não se deve considerar apenas as propriedades do material de partida, mas também a tecnologia pela qual será fabricada. Embora a tecnologia FDM seja provavelmente a mais versátil na escolha de materiais técnicos, o facto de as peças impressas terem isotropia muito baixa pode ser um grande problema difícil de superar em muitos casos. A orientação da peça durante a impressão, a seleção de padrões de preenchimento, e uma boa compreensão de onde e sob que condições a peça vai funcionar são fatores críticos na produção de componentes técnicos usando impressão 3D FDM. Isto significa que o design e produção de peças com esta tecnologia é talvez o mais complexo enquanto apresenta limitações significativas.

Muitas destas limitações desaparecem com a impressão SLA e SLS. A possibilidade de obter peças densas ou com porosidade homogénea, com alta isotropia e a disponibilidade de materiais técnicos com boas propriedades mecânicas, tornam-nas uma alternativa promissora para aplicações onde a impressão 3D FDM não é adequada.

Além disso, a possibilidade de imprimir peças sem necessidade de suportes pré-montados e mecanismos móveis, torna a impressão SLS a tecnologia ideal ao reduzir e simplificar o pós-processamento das peças.