Qual filamento de impressora 3D é o mais forte? Guia especializado para durabilidade e desempenho

As impressoras da variedade FDM/FFF (Filament Deposition Modeling/Fused Filament Fabrication) constroem peças usando fios de matéria-prima plástica conhecidos como filamentos. O plástico é derretido e extrudado para construir o modelo 3D. Existem vários tipos de filamentos para impressoras 3D que são conhecidos por sua resistência e durabilidade. Sua definição do mais forte, entretanto, depende da aplicação e dos requisitos específicos da peça impressa. 

Existem duas interpretações básicas de “resistência” que podem ser aplicadas ao comportamento de tração dos filamentos de impressoras 3D. Dependem da eventual carga de tração da peça acabada. 

Em um caso, a peça é carregada em uma direção alinhada com os filamentos. Quando este for o caso, a alta resistência à tração no filamento bruto também se traduzirá em boa resistência à tração no item acabado. 

O outro caso ocorre quando a peça é carregada perpendicularmente às camadas de impressão. Neste ponto, o “filamento 3D mais forte” torna-se uma expressão da força de adesão entre filamentos adjacentes ligados, em vez da força intrínseca do filamento. Esta última situação leva a uma definição que considera a questão da resistência como “qual filamento se liga de forma mais segura”. 

Ambas as propriedades do filamento (juntamente com outras) são críticas se você deseja construir modelos de alta resiliência, tolerantes à flexibilidade e resistentes à abrasão. Você deve equilibrar as demandas na construção final, visando resistência à tração, resistência à flexão, dureza ao desgaste, resistência ao impacto e muito mais. Cada tipo de filamento pode oferecer vantagens diferentes aos seus modelos, mas nenhum deles se adequará a todas as situações. Lembre-se também de que sua impressora pode não aceitar todos os materiais de construção possíveis e alguns filamentos têm mais restrições de design do que outros. E não importa quais tipos você escolha, as propriedades do produto final dependerão muito da qualidade do design e do pensamento que você coloca nos princípios de design para fabricação (DFM).

Este artigo examinará vários filamentos de impressão 3D que são considerados como tendo um equilíbrio de propriedades e revisará alguns dos conceitos que você precisa ter em mente ao projetá-los. 

Quais são os tipos de filamento para impressora 3D?

Os filamentos FDM/FFF vêm em muitos materiais, com uma gama ainda mais ampla de aditivos que melhoram propriedades específicas, como:resistência à abrasão, resistência à tração e resistência à flexão. Abaixo estão os materiais de base de filamento que são amplamente considerados como oferecendo a mais alta resistência, resistência e durabilidade em modelos impressos em 3D:

1. Policarbonato

Os filamentos de policarbonato (PC) produzem modelos de alta resistência, tenacidade e resistência ao calor. Ao longo da direção axial do filamento, ele apresenta resistência à tração de 66 MPa. Suas vantagens incluem:alta resistência, tolerância à temperatura e clareza óptica. Por outro lado, o PC pode ser difícil de imprimir e tem pouca tendência a absorver umidade. O PC custa US$ 70-200 por kg com 1,75 mm de diâmetro. Para obter mais informações, consulte nosso guia O que é policarbonato?

2. Náilon

Os modelos construídos com filamentos de náilon são conhecidos por sua resistência e resistência ao desgaste. O material tem uma resistência à tração de 50-90 MPa dependendo do tipo. O nylon é um material resistente e barato. Entretanto, pode ser difícil imprimir modelos de qualidade e o material enfraquece severamente quando seu teor de umidade cai muito. O náilon pode ser comprado por US$ 40-100 por kg com 1,75 mm de diâmetro. Para obter mais informações, consulte nosso guia Tudo sobre filamento de impressão 3D de nylon.

3. TPU

O poliuretano termoplástico (TPU) cria itens altamente resilientes e elásticos que podem suportar impactos e abrasão significativos. A sua elasticidade inerente torna este um material “forte” em muitos aspectos. O TPU tem uma resistência à tração de 50 MPa. O problema é que ele pode obstruir facilmente os bicos da impressora e deve ser impresso lentamente. O TPU custa US$ 30-60 por kg com 1,75 mm de diâmetro. Para obter mais informações, consulte nosso guia sobre Poliuretano Termoplástico de Engenharia (ETPU).

O que significa resistência à tração para o filamento da impressora 3D?

A resistência à tração de um filamento de impressão 3D descreve a carga máxima de tração que um filamento pode suportar antes de fraturar ou sofrer alongamento permanente (inelástico e irrecuperável). Polímeros termoplásticos, como aqueles usados ​​na impressão FDM/FFF, possuem limites de carga de extensão elástica. Quando a carga estiver abaixo do limite elástico do filamento, ele retornará às dimensões originais assim que a carga for removida. Quando a tensão de carga elástica é excedida, ocorre deformação permanente ou fratura.

O que significa resistência ao impacto para o filamento da impressora 3D?

A resiliência ao impacto para um filamento de impressão 3D é a medida da reação do filamento ao impacto repentino ou carga de choque. Um material forte deve absorver a energia do impacto e deformar-se sem fraturar. É uma propriedade importante para materiais utilizados em peças mecânicas, brinquedos e equipamentos de proteção, por exemplo.

Deve-se notar que a resiliência ao impacto de um item impresso em 3D não é determinada apenas pelo filamento independente. Fatores como:direção de construção em relação ao impacto, construção/densidade de preenchimento de treliça “interna” e fusão da camada de filamento também afetam seu desempenho. Em muitos casos, estes factores serão colectivamente mais significativos do que as características de impacto do filamento bruto. 

Quais são outras métricas de resistência usadas para filamentos de impressora 3D?

Os filamentos da impressora têm outras propriedades relacionadas à resistência que podem ser críticas para o seu processo de design. Existem também propriedades de manutenção de resistência que devem ser levadas em consideração nesta análise. Embora possam ser propriedades do filamento, é mais útil vê-las como propriedades de um modelo , construído usando um tipo de filamento . Essas métricas de força estão listadas abaixo:

1. Resistência à flexão: Mede a resistência de um filamento ou modelo à fratura ou distorção permanente quando sujeito a uma força de flexão. 
2. Alongamento na Ruptura: Mede a capacidade de um filamento ou modelo de resistir à fratura sob cargas de tração constantes, sofrendo distorção permanente (inelástica) à medida que a carga aumenta. Quando eventualmente ocorrer uma fratura, a deformação plástica será mensurável em ambos os lados da fratura.
3. Resistência ao cisalhamento: Mede a capacidade de um material ou modelo de resistir à fratura ou deformação sob carga de cisalhamento. A resistência ao cisalhamento do material a granel está apenas ligeiramente relacionada à resistência ao cisalhamento de uma peça impressa. Situações de carga de cisalhamento são frequentemente complexas e não representam cisalhamento puro do material. Isso torna os resultados reais dos testes muito mais dependentes da orientação de impressão, do design da peça e dos cenários de carregamento do que da propriedade básica do filamento.
4. Resistência à compressão: Mede a capacidade de um filamento ou modelo de suportar forças que o comprimem ou esmagam. Isto é diferente da propensão do modelo para flexionar como um todo sob compressão – uma situação que depende, em vez disso, da resiliência flexural. Na realidade, a resistência à compressão do filamento estará apenas ligeiramente relacionada com a de uma impressão 3D, a menos que a impressão seja sólida e extremamente simples em termos de secção transversal. 
5. Resistência à abrasão: Mede a resistência da superfície de um modelo de filamento à falha por fragmentação ou esmerilhamento quando repetidamente desgastado por um material igualmente duro (ou mais duro).
6. Resistência à fadiga: Define a tolerância do material em relação ao carregamento cíclico que se aproxima dos seus limites físicos. A taxa de deformação, o tempo de recuperação e a contagem total de ciclos para tal carregamento podem afetar negativamente o material. Isso pode ser uma função da direção de construção e de outros parâmetros de construção, bem como das principais propriedades do próprio material. 
7. Resistência ao rasgo: Mede a capacidade de um filamento e do modelo de resistir ao rasgo. Isto será uma função dos parâmetros de impressão quando o rasgo estiver ao longo dos planos da camada. Somente quando o rasgo ocorre na direção axial do filamento é que essa resistência é inteiramente baseada nas propriedades intrínsecas do material. Rasgar e cisalhar são modos intimamente relacionados.
8. Resistência ao calor: Define a capacidade de um modelo de reter suas outras propriedades à medida que as temperaturas aumentam. Se o polímero tiver uma alta temperatura de transição vítrea, ele tolerará temperaturas de uso mais altas antes de enfraquecer.
9. Resistência à fluência: Define a capacidade de um modelo de manter sua estabilidade dimensional sob uma carga constante que continua por períodos prolongados.
10. Resistência Química: Define a capacidade de um material de manter suas propriedades quando exposto a produtos químicos agressivos, como solventes, ácidos e bases, ou condições como exposição a UV. 

Alguns dos parâmetros acima estarão alinhados com as propriedades básicas do material do filamento, enquanto outros são extremamente dependentes do design e configuração do item impresso. 

O que é filamento para impressoras 3D?

O filamento da impressora 3D é a matéria-prima do polímero que passa pela extrusora da impressora e é derretida para a construção dos modelos impressos. Esta matéria-prima pode ser qualquer um de uma gama de polímeros e pode conter outros aditivos que modificam as propriedades do polímero. A matéria-prima do filamento é entregue em rolos prontos para instalação que fornecem material à extrusora a partir de uma posição fixa, através de uma guia. O filamento é preso por um mecanismo alimentador de engrenagens ou rodas de pressão que o puxam da bobina e o empurram através do bico aquecido da extrusora quando necessário.

O que é um polímero de alto desempenho?

Os polímeros de alto desempenho são diferenciados dos materiais mais comuns por uma série de possíveis características do material. Materiais de alto desempenho geralmente são superiores em pelo menos uma destas características: 

1. Resistência à tração
2. Resistência ao cisalhamento
3. Resistência à flexão
4. Limite de temperatura antes que as propriedades comecem a degradar
5. Resiliência química
6. Use resiliência
7. Resistência à fluência
8. Elasticidade

O que é filamento composto?

Filamentos compostos para FDM/FFF são filamentos de impressão 3D que incluem aditivos dentro do polímero de filamento básico. Aditivos como fibra de madeira, pós metálicos, fibra de carbono ou Kevlar® e muitos outros materiais são usados ​​para melhorar propriedades específicas de polímeros de impressão básicos e de alto desempenho. Os compósitos destinam-se a melhorar as propriedades ou funcionalidade em relação aos polímeros puros. 

Fibras de madeira com seções transversais redondas e superfícies lisas melhoram a resistência, rigidez e densidade das peças impressas. Kevlar®, fibra de carbono ou filamentos carregados de grafeno tendem a ter resistência, resistência e rigidez superiores. Em proporções suficientemente grandes, o grafeno pode até tornar o material eletricamente condutivo. Filamentos que contêm pós de bronze, cobre e aço inoxidável não oferecem maior resistência, mas podem criar aparências metálicas. Os filamentos compostos permitem modificar uma ou mais propriedades das peças impressas em 3D, mas existem problemas de impressão que podem dificultar o uso de tais materiais em máquinas mais simples.

Qual é o filamento de impressora 3D mais resistente que posso escolher?

O filamento de impressora 3D mais forte dependerá de detalhes como:tipo de carregamento esperado, intensidade de carregamento, orientação projeto-construção e densidade de preenchimento da peça impressa em 3D. No entanto, os seguintes são os filamentos de impressora 3D mais fortes disponíveis atualmente:

1. Nylon reforçado com fibra de carbono: Isso combina o aumento da resistência dos aditivos de fibra de carbono com a resistência e durabilidade do náilon, tornando-o geralmente o material de impressão 3D mais resistente.
2. Policarbonato: O PC é um filamento resistente e durável que pode suportar altas temperaturas. Oferece excelente resistência ao impacto, entre outras propriedades de desempenho de alto nível.
3. Polieterimida (Ultem / PEI): Um termoplástico com excelente resistência, resistência ao calor e resistência química, o Ultem é amplamente utilizado na prototipagem de componentes aeroespaciais.

É importante observar que esses filamentos geralmente exigem configurações de impressora especializadas e podem não ser compatíveis com impressoras FDM/FFF mais simples. Eles podem ser consideravelmente mais difíceis de imprimir, por isso é importante praticar com esses materiais de alto desempenho antes de tentar construir modelos funcionais sob restrições de tempo.