A importância da isotropia na impressão 3D

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

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

O fato de um material ser isotrópico não implica que todas as peças feitas com aquele material mantenham esta qualidade. Muitas vezes o método de conformação ou fabricação pode tornar uma peça anisotrópica ou ortotrópica, apesar de sua matéria-prima possuir isotropia.

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

Às vezes, essa anisotropia é uma decisão de engenharia que leva em consideração quais cargas a peça irá suportar e busca melhorar seu desempenho ou otimizar a relação peso/resistência. Este é o caso, por exemplo, de compósitos reforçados com fibras, nos quais malhas de fibras orientadas são frequentemente usadas para melhorar as propriedades em uma determinada direção.

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

Mas, o que acontece quando essa anisotropia é uma consequência não intencional, produto do método de conformação ou fabricação? Neste caso, se as cargas que vão atuar sobre a peça não forem uniformes e soubermos bem como varia a isotropia da peça após sua fabricação, podemos adaptar sua orientação durante o processo de conformação para que a direção preferencial coincida com a direção da carga . Isso complica muito as tarefas de projeto e fabricação, mas pode ser um obstáculo recuperável.

Porém, quando não sabemos a priori em que direção as cargas irão atuar sobre uma peça, o fato de suas propriedades não serem uniformes em todas as direções pode representar um grande problema . Em primeiro lugar, devem ser testadas as propriedades em todas as direções e os valores mais baixos como a resistência da peça devem ser considerados . Em segundo lugar, é muito mais complicado determinar quando essa parte falhará , pois a vida útil quando as cargas atuam em sua direção mais favorável pode ser muito maior do que quando atuam na direção menos favorável.

Por isso, quando se trata de peças que devem cumprir uma função mecânica ou estrutural, o controle 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 é baseado na formação da peça camada por camada por extrusão de um fio de polímero fundido.

É precisamente por isso que, ao nível da sua microestrutura, as peças impressas em FDM são estruturas microporosas . Isso implica que a seção real da peça varia em cada direção em relação à seção aparente que podemos medir no nível macroscópico. Além disso, outro fator entra em jogo:a coesão entre as camadas, que nem sempre ocorre de forma ideal e reprodutível.

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

Devido a essa incompatibilidade entre as seções reais da peça e as seções aparentes, o módulo aparente ao testar a peça nos três eixos também varia.

Por exemplo, se testarmos um cubo de 1 cm ³ , veremos que o módulo de elasticidade é diferente nos três eixos. Isso porque ao calcular E =(F⁄S) / (∆L⁄L) onde S é a seção da peça, estamos tomando como seção 1 cm ² para os três eixos, quando a seção real varia de um eixo para outro como visto na imagem 3.

Imagem 3: Seções de uma peça impressa com 100% de preenchimento e todas as camadas voltadas para a mesma direção.

Poderíamos minimizar esse efeito variando a direção da impressão em cada camada. Orientando as camadas a 90º como mostra a figura 4, poderíamos obter peças ortotrópicas nos eixos X e Y , embora a anisotropia permanecesse no eixo Z.

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

Em teoria, se variarmos cada camada em um pequeno ângulo , em grandes peças 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 seções reais das peças e assim prever suas propriedades teóricas em cada direção, porém na prática impressoras FDM não são suficientemente precisas para obter estruturas homogêneas e reprodutíveis , como visto na imagem 5 .

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

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

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

Na impressão SLA, as peças são formadas polimerizando uma resina camada por camada . Isso implica que as peças são completamente densas e, portanto, sua seção aparente e real são as mesmas . Além disso, a coesão entre as moléculas é formada por ligações químicas e de forma homogênea em 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 fracas 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 junto com a Form 3L impressora, capaz de produzir peças de até 335x200x300 mm, formam o tandem perfeito para muitas aplicações que requerem peças isotrópicas com altas propriedades mecânicas.

Imagem 7:Impressora de formulário 3L SLA. Fonte:Formlabs

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

Essa tecnologia é baseada 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 de alta complexidade e até mesmo a impressão de mecanismos móveis já montados.

As peças produzidas por impressão SLS são porosas, porém, ao contrário das produzidas por FDM, sua porosidade é homogênea e independe da orientação da peça durante a impressão , como pode ser visto na imagem 8.

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

Isso faz com que tenham uma alta isotropia, pois, embora suas seções reais e suas seções aparentes não sejam iguais, elas permanecem 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, elas são constantes, independentes da orientação da peça e podem ser facilmente determinadas , 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 nylon 11 , náilon 12 ou mesmo elastômeros termoplásticos como TPE e TPU .

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

Vídeo 1: vídeo do Lisa Pro. Fonte:Sinterit

Quando se trata de produzir peças por impressão 3D que devem atender a certos requisitos mecânicos, não se deve considerar apenas as propriedades do material de partida, mas também a tecnologia pela qual será fabricado. Embora a tecnologia FDM é provavelmente o mais versátil quando se trata de escolher materiais técnicos , o fato de as peças impressas terem isotropia muito baixa pode ser um grande problema difícil de superar em muitos casos. Orientação da peça durante a impressão, seleção de padrões de preenchimento, e uma boa compreensão de onde e sob quais condições a peça funcionará são fatores críticos na produção de componentes técnicos usando impressão 3D FDM. Isso significa que o projeto e a produção de peças usando essa tecnologia são talvez os mais complexos, embora apresentem limitações significativas.

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

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

Como escolher a tecnologia mais adequada:FDM, SLA e SLS Como a impressão 3D pode contribuir para a fabricação de moldes