Impacto dos parâmetros de impressão FFF na resistência mecânica de peças impressas em 3D

Este estudo tem como objetivo investigar a influência dos parâmetros de impressão 3D, especificamente utilizando a técnica Fused Filament Fabrication (FFF), nas características mecânicas das peças produzidas. A análise envolveu o exame de 495 amostras impressas, com variações em parâmetros-chave como temperatura de extrusão, velocidade de impressão, densidade, geometria de preenchimento, altura da camada e número de paredes.

Foi empregada a impressora BCN3D Epsilon W50, utilizando materiais comumente utilizados nesta tecnologia:PLA, PETG e ABS. A avaliação da resistência mecânica foi realizada através de ensaios de tração uniaxial, considerando os diversos parâmetros. Este estudo foi realizado testando um total de 495 corpos de prova seguindo a norma UNE-EN ISO 527-2 Tipo 1A, aderindo ao modelo de teste de moldagem ou extrusão de plástico.

A expectativa é que um aumento na temperatura de extrusão, na densidade e no número de paredes resulte em peças impressas com propriedades aprimoradas. Como consequência, uma velocidade de impressão mais elevada e uma altura de camada reduzida podem potencialmente levar a uma diminuição da resistência mecânica, embora a extensão precisa do seu impacto permaneça incerta.

Hipóteses Principais

• Tipo de preenchimento :Supõe-se que o preenchimento da grade ofereça resistência superior em comparação aos preenchimentos giroide e triangular devido à sua estrutura de grade interconectada.
• Densidade de preenchimento: Prevê-se que uma maior densidade de preenchimento contribua para o aumento da resistência mecânica, uma vez que mais material dentro da peça deverá melhorar a sua capacidade de suportar tensões.
• Altura da camada: Presume-se que uma altura de camada mais baixa afeta negativamente a resistência mecânica devido a fraquezas na adesão entre as camadas.
• Velocidade de impressão: Prevê-se que a velocidade de impressão elevada resulte na diminuição da qualidade da peça devido à instabilidade da extrusão e à ligação menos eficaz entre as camadas, enfraquecendo potencialmente a resistência mecânica.
• Temperatura de impressão: Espera-se que uma faixa de temperatura mais alta melhore a ligação entre as camadas, aumentando assim a resistência mecânica das peças. Por outro lado, temperaturas mais baixas podem resultar em extrusão a frio com perda de material.
• Número de paredes: Sugere-se um maior número de paredes para aumentar significativamente a resistência mecânica das peças impressas, proporcionando maior estabilidade estrutural.

[Baixe o artigo técnico – Estudo do impacto dos parâmetros de impressão 3D nas propriedades mecânicas de amostras FFF.]

Resultados

Na seção seguinte, os gráficos exibem vários resultados e conclusões. Para análises e dados detalhados, consulte o whitepaper.

Efeito no tipo de preenchimento

Analisando os dados obtidos e verificando que, dependendo do material, cada tipo de enchimento afeta de forma diferente, podemos concluir que o padrão não tem um efeito significativo ou relevante nas propriedades finais das peças. Embora seja verdade que tanto os corpos de prova ABS quanto PETG com preenchimento giroide produzem as cargas mais altas, a diferença e a variabilidade em relação ao PLA nos impedem de afirmar que este tipo de preenchimento é o melhor em termos de melhoria das propriedades mecânicas. Portanto, a premissa a partir da qual partiu este teste, de esperar um melhor desempenho do preenchimento da grade seguido do triangular e por último do giroide, está incorreta.

Efeito da densidade de preenchimento

Analisando os resultados obtidos, podemos concluir que a premissa estabelecida antes do teste estava correta. Ou seja, as propriedades mecânicas das peças aumentam em relação ao aumento da densidade. Esta afirmação é muito mais clara no PLA e PETG, enquanto no ABS é muito menos perceptível, a ponto de não aumentar a resistência à tração entre os corpos de prova com 60% de preenchimento e aqueles com 80%. Isto pode ser devido ao tipo de estrutura polimérica que cada um dos materiais forma, sendo o PLA e o PETG materiais com estrutura cristalina, enquanto esta formulação de ABS possui uma estrutura mais amorfa. Adicionalmente, podemos concluir também que aumentar a densidade das peças impressas em ABS em mais de 60% não garante maior desempenho mecânico.

Efeito da altura da camada

Como esperado, o aumento da altura da camada proporciona melhor desempenho às peças impressas. Isto porque, como mencionado anteriormente, há menos “pontos fracos” ao longo da peça. Esses pontos fracos são as juntas de cada uma das camadas impressas, pois a adesão entre as camadas nunca terá a mesma resistência mecânica do próprio material.

Efeito da velocidade de impressão

Após a análise dos dados, concluímos que assim como a maior velocidade de impressão aumenta a instabilidade na extrusão do material e, portanto, aumenta a possibilidade de ocorrência de imperfeições na peça impressa, levando a uma menor resistência mecânica, também existe um limite inferior nesta velocidade de impressão. Ou seja, não é verdade que menor velocidade de impressão resulte em maior resistência mecânica. Cada material possui uma faixa ideal de temperatura de trabalho para impressão. Se a temperatura de trabalho estiver abaixo desta faixa, o material será extrudado a frio, enquanto se a temperatura de impressão estiver acima desta faixa, o material poderá degradar, cristalizando sua estrutura polimérica e causando extrusão incorreta.

Para uma melhor compreensão da conclusão a seguir, é necessária uma breve explicação sobre a temperatura de impressão (temperatura de trabalho) dos materiais. Conforme explicado anteriormente, a velocidade de impressão afeta a extrusão do filamento porque esta velocidade é a taxa na qual o filamento passa através do bloco térmico. Isto implica que a temperatura do bloco de calor (temperatura de impressão) deve ser superior à temperatura do ponto de fusão do material, pois tem de compensar o défice de transmissão de calor ao filamento. Ou seja, e com isto, concluímos que a temperatura de impressão a que os materiais são tipicamente extrudidos em FFF é muito superior à temperatura de fusão do material. Portanto, se a velocidade de impressão for muito baixa, o material pode degradar-se durante a extrusão e, portanto, perder propriedades do próprio material, incluindo propriedades mecânicas.

Temperatura de impressão 

Tendo em conta os dados obtidos e tendo analisado previamente a velocidade de impressão e como afetam vários parâmetros como a densidade ou a altura da camada, deduzimos que a temperatura de impressão não ajuda significativamente a melhorar as propriedades mecânicas ou, pelo contrário, é difícil estabelecer uma constante para controlar o resultado final da fabricação. Ou seja, tal como acontece com a velocidade de impressão, a temperatura de impressão afeta cada material de forma diferente e nem sempre de uma forma facilmente previsível.

No caso do PLA, é verdade que a tendência é a esperada, mas com o ABS e o PETG não. É mais provável que a estrutura polimérica dos diferentes materiais e a temperatura de transição vítrea de cada material definam esta linha de tendência.

Número de paredes

Neste ensaio pudemos observar quão claramente cada aumento no número de paredes aumenta a resistência à tração dos corpos de prova em cada um dos materiais, assim como nos ensaios 2.2 (densidade de preenchimento) e 2.3 (altura da camada). No caso do PETG, a evolução tem sido muito mais clara em cada um dos incrementos, mas isso pode ser devido aos desvios de cada um dos outros testes. Faz sentido, e é esperado, que cada aumento no número de paredes aumente a resistência à tração da mesma forma. Ou seja, cada aumento nas paredes faz com que a força máxima aumente o mesmo valor de forma consistente. Isso pode ser claramente observado no ensaio de corpos de prova de PETG, onde cada vez que uma parede é adicionada aos corpos de prova, a força máxima aumenta em 30%. Tomamos o PETG como exemplo porque deduzimos, ao ver o desvio dos testes, que foi o que sofreu menos influência de agentes externos.

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