XIV SIMPÓSIO INTERNACIONAL DE CIÊNCIAS INTEGRADAS DA UNAERP CAMPUS GUARUJÁ Necessidades Energéticas e Consequências Ambientais Estudo de materiais aplicados em uma impressora 3D open source Willy Ank de Morais Professor do Curso de Engenharia Civil / Engenharia Mecânica Universidade de Ribeirão Preto - UNAERP Campus Guarujá / Universidade Santa Cecília - UNISANTA wmorais@unaerp.br / willyank@unisanta.br Johannes Alexander Nazareth Stivi jstivi@gmail.com Luís Fernando Nakasato nakasato89@gmail.com Mário Henrique Gimenes Santana mhgsantana_pro2@hotmail.com Lucas de França Gonçalves lucas.f.goncalves1993@gmail.com Gabryel de Oliveira Duarte Lima gabryelduarte9@hotmail.com Diego Farinas de Oliveira diegofarinas@hotmail.com Este simpósio tem o apoio da Fundação Fernando Eduardo Lee Resumo: O processo de manufatura aditiva permite a fabricação de qualquer objeto independentemente de sua forma geométrica, característica que o torna interessante para inúmeras áreas de atuação. O processo consiste de uma maneira simplificada em aquecer um material que está na forma de filamento e produzir o objeto final projetado pelo usuário, utilizando a sobreposição de camadas. Com o aumento da utilização da impressora 3D em processos simples ou complexos, dúvidas em 1
relação à durabilidade, resistência e limitações surgem a cada instante, pois os equipamentos, softwares e materiais utilizados estão em constante evolução e ainda são desconhecidos pela população em geral. Neste trabalho foram gerados corpos de prova (CP s) para realização de testes de forma a contemplar o maior número de características mecânicas possíveis dos materiais utilizados, respeitando as normas ISO 527 e ASTM D 790, os materiais foram gerados por uma impressora de Modelagem por Fusão e Deposição (FDM) open-source (código aberto). Para isso, realizou-se uma análise fatorial das variáveis relevantes associadas ao processo de impressão e as análises em execução estão indicando os fatores que mais influenciam no comportamento mecânico dos materiais utilizados, especialmente na resistência dos produtos manufaturados por meio desta técnica, permitindo posteriormente aplicar os estudos em outros meios de impressão 3D. Com base nos resultados obtidos podemos encontrar maneiras de potencializar a utilização dessa tecnologia, definindo as principais características, do processo e dos materiais utilizados de acordo com o tipo de aplicação desejada, tornando o processo cada vez mais usual e seguro dentro da manufatura industrial. Palavras-chave: Manufatura aditiva; Impressão 3D; Modelagem por fusão e deposição; FDM. Summary The additive manufacturing process allows the fabrication of any object regardless of its geometric shape, a characteristic that makes it interesting for many areas of activity. The process consists of a simplified way of heating a material which is in filament form and producing the final object designed by the user, using layer overlap. With increasing use of the 3D printer in simple or complex processes, doubts regarding durability, resistance and limitations arise at any moment, since the equipment, software and materials used are in constant evolution and are still unknown by the general population. In this work, test specimens (CP's) were generated to perform the tests in order to contemplate as many mechanical characteristics as possible of the materials used, respecting ISO 527 and ASTM D 790 standards, the materials were generated by a Fusion Modeling and open-source (FDM) Deposition (FDM). For this, a factorial analysis of the relevant variables associated with the printing process was performed and the analyzes in execution are indicating the factors that most influence the mechanical behavior of the materials used, especially in the resistance of the manufactured products by means of this technique, allowing later to apply studies in other 3D printing media. Based on the results obtained we can find ways to enhance the use of this technology, defining the main characteristics of the process and the materials used according to the type of application desired, making the process more usual and safe within industrial manufacturing. Key-words: Additive manufacturing; 3D printing; Modeling by fusion and deposition; FDM Seção 4 - Curso de Engenharia Mecânica Manufatura Aditiva. Apresentação: Pôster 2
1. Introdução. No atual cenário mundial, em que as empresas estão cada vez mais competitivas, a necessidade do desenvolvimento de produtos aliado à diminuição de tempo faz com que a utilização de protótipos aumente exponencialmente. É nesse cenário que se justapõe o processo de manufatura aditiva, realizado através de impressões 3D. Tal processo possui como principais atratividades: sua rapidez, flexibilidade, liberdade geométrica e baixo custo. Desta forma, torna-se de extrema importância estudar formas de otimizar e conhecer melhor esse processo e seus produtos. 2. Objetivos. Realizar ensaios mecânicos visando analisar e verificar as características mecânicas dos polímeros utilizados em impressoras open-source FDM. Estudar quais os fatores que mais influenciam na resistência final de uma peça feita em impressora 3D, tais como: temperatura, posição, malha adotada na impressão e o tipo de material empregado. Encontrar o modo de impressão que apresenta as melhores características mecânicas de acordo com o tipo de aplicação. 3. Justificativa. Atualmente não existem dados referentes às propriedades mecânicas dos polímeros utilizados nas impressões 3D, este trabalho tem a finalidade de quantificar as principais características mecânicas dos materiais, e com esses dados, selecionar o tipo de material, as posições e preenchimento mais adequado para cada tipo de trabalho. 4. Revisão bibliográfica. Segundo Abreu (2015), o processo FDM, utiliza filamentos de resina termoplástica aquecidos que são extrudados, a partir de um bico de extrusão que se move no plano x-y. O material termoplástico utilizado para a construção dos modelos, sob a forma de fio, é alimentado através de uma bobina. O bico extrusor deposita filamentos de material sobre uma base, formando a primeira camada do componente. A plataforma é mantida a uma temperatura inferior à do material extrudido, de forma à resina termoplástica endurecer rapidamente. Após este processo a plataforma movimenta-se no sentido vertical (eixo z) e a cabeça deposita uma segunda camada sobre a primeira. O processo é repetido até à construção total do protótipo. 4.1. ABS. Deste modo, este método é principalmente bem-sucedido com materiais com baixo ponto de fusão (entre 68 ºC e 270 ºC) e baixa condução térmica. Dentro das resinas termoplásticas as mais adequadas a este processo incluem poliéster, PP, ABS, ácido polilático (PLA), policarbonato (PC), PA, elastómeros e ceras. No entanto, o ABS é o filamento termoplástico mais utilizado na tecnologia FDM, pela facilidade de extrusão a altas temperaturas (estabilidade a diferentes temperaturas), combinado com as boas propriedades mecânicas que confere às peças, como por exemplo, resistência ao impacto e resistência química. O ABS é um 3
material termoplástico rígido e leve, com alguma flexibilidade e resistência na absorção de impacto, a Tabela 1 lista algumas propriedades mecânicas do ABS. Tabela 1. Propriedades do ABS. 4.2. PLA. O PLA é outro material muito utilizado na tecnologia FDM, principalmente nas impressoras de baixo custo. As propriedades mecânicas são similares às do ABS, porém o PLA apresenta propriedades biodegradáveis por derivar do amido do milho. Esta propriedade, aliada à biocompatibilidade constitui um recurso inesgotável, e faz com que o PLA tenha sofrido uma grande evolução por parte da indústria. Dentro das vantagens deste polímero, em termos do processo de impressão, pode-se destacar o fato de poder ser impresso sob uma superfície fria, ser ecologicamente correto, velocidade de impressão mais elevada, superfície mais suave e brilhante e maior nível de detalhe. Contudo, o PLA tem baixa resistência térmica, e começa a distorcer a sua superfície em contato com temperaturas mais elevadas. A Tabela 2 apresenta algumas propriedades mecânicas relevantes do PLA. Tabela 2. Propriedades do PLA. O gráfico da Figura 1 ilustra os valores de tensão e deformação encontrados no ensaio de tração de uma impressora FDM de código aberto, com a utilização de 5 corpos de prova, é possível notar uma pequena variação nos resultados, onde apenas o Provete 1 alcançou 40 Mpa. Podemos notar também que os provetes 1 e 2 obtiveram uma baixa taxa de deformação, abaixo dos 3%. 4
Figura 1. Relação de Tensão x deformação em uma impressora FDM de código aberto, utilizando PLA. 5. Materiais e métodos. 5.1 Tipo de Impressora utilizada A impressora FDM é atualmente a tecnologia mais utilizada de impressão 3D no mundo (Palermo, 2013) e funciona da seguinte maneira: o equipamento respeita as coordenadas de um software de fatiamento e movimenta-se nos eixos X, Y e Z através de uma interligação entre componentes eletrônicos como placa de arduíno e um computador. Neste processo, um filamento plástico, que está armazenado em um carretel, é puxado por um sistema de tração que o leva até o bico extrusor aquecido, fundindo o material e depositando uma massa pastosa em uma mesa aquecida, camada por camada até criar o objeto desejado. A Figura 2 ilustra um equipamento deste tipo. Figura 2. Impressora 3D tipo FDM (Fonte: GTMax3D). 5
5.2 Softwares necessários para impressão 3D. No software (AutoCAD) foi feito o modelamento 3D de um corpo de prova, após essa etapa é necessário que a extensão do arquivo esteja em formato STL (Stereolithography) para que o arquivo tridimensional seja reconhecido em outro software de processamento da impressora 3D, existem muitos tipos de softwares para essa aplicação, o utilizado neste trabalho foi o Repetier, onde são feitas todas as configurações necessárias para que a impressora imprima corretamente, desde o espaçamento da mesa de impressão até a verificação e controle de temperaturas da mesa aquecida e do bico extrusor. Figura 3. Software Repetier com um corpo de prova processado. A relação do computador com impressora é feita através de alguns softwares como o Repetier exemplificado acima e outro software, chamado Slicer, para fatiamento do arquivo em STL, gerando as coordenadas para a impressão do arquivo. 5.3 Procedimento para ensaio mecânico de tração. Como os parâmetros de impressão influenciam diretamente nas características mecânicas do material (resistência, dureza, fragilidade, módulo de elasticidade), será realizado o ensaio mecânico de tração. Esse ensaio é um dos testes mecânicos mais utilizados devido à fácil execução e obtenção de dados quantitativos e qualitativos das características mecânicas dos materiais. O teste consiste na aplicação de carga de tração uniaxial crescente em um corpo de prova até a ruptura, obtendo-se, como principais características: limite de resistência à tração, limite de escoamento, coeficiente de escoamento, coeficiente de encruamento, módulo de tenacidade, e módulo de elasticidade. Após a impressão dos corpos de prova, seguindo o planejamento experimental, foi realizado o ensaio de tração a uma velocidade constante, medindo a carga aplicada e o alongamento resultante com o uso de célula de carga e extensômetros 6
eletrônicos. O equipamento de testes gera um gráfico de tensão deformação que foi comparado a dados já existentes na literatura para quantificar a fidelidade dos resultados. Posteriormente os dados serão tabulados de forma a permitir identificar as principais variáveis do processo de impressão 3D influenciadoras das características mecânicas do material. 6. Resultados e discussão. Os dados obtidos para os ensaios de tração podem observados nas Tabelas 3, 4, 5 e 6 e pelos gráficos nas Figuras 4 e 5. Tabela 3. Especificações dos corpos de prova. Especificações do corpo de prova (mm) Comprimento 50 Largura 12.5 Espessura 4 Impressora Graber I3 Material ABS (Corpos de prova 3-1 a 3-4) PLA (Corpos de prova 4-1 a 4-5 e 5-1 a 5-5) Temperatura da mesa ABS: 95 C PLA: 65 C Figura 4. Comparação de resultados entre corpos de prova PLA impressos com orientação de infill a 45º e 90º. 7
Figura 5. Comparação de resultados entre corpos de prova PLA e corpos de prova ABS impressos com orientação de infil a 45º. Tabela 4. Dados obtidos no ensaio de tração para a amostra Infill 45 ABS. Material: Infill 45 ABS Tensão Máxima (MPa) E (MPa) Observação CP 3-1 23,420 102,514 Fratura 90 CP 3-2 29,814 109,154 Delaminação CP 3-3 28,118 104,681 Fratura 90 CP 3-4 30,074 106,184 Fratura 90 Média 27,850 105,633 - Material: Infill 45 PLA Tabela 5. Dados obtidos no ensaio de tração para a amostra Infill 45 PLA. Tensão Máxima (MPa) E (MPa) Observação CP 4-1 39,338 102,146 Fratura 45 (esctricção) CP 4-2 37,446 98,332 Fratura 45 (esctricção) CP 4-3 40,056 94,405 Fratura 45 (esctricção) CP 4-4 33,988 96,703 Fratura 45 e 90 na região de concordância CP 4-5 34,706 85,286 Fratura 45 e 90 na região de concordância Média 37,106 95,374-8
Tabela 6. Dados obtidos no ensaio de tração para a amostra Infill 45 PLA. Material: Infill 0-90 PLA Tensão Máxima (MPa) E (MPa) Observação CP 5-1 49,514 121,063 Fratura com estiramento CP 5-2 46,384 109,621 Fratura com estiramento CP 5-3 48,472 100,385 Fratura com estiramento CP 5-4 48,732 94,293 Fratura com estiramento CP 5-5 45,078 91,329 Fratura com estiramento Média 47,636 103,338 - Observando os dados da Figura 4 nota-se que os corpos de prova impressos a 90º possuem maior resistência a tração do que os CP s impressos a 45º, isso se deve muito provavelmente à forma de deposição do filamento, pois nesse tipo de deposição os filamentos depositados estão todos no sentido da tensão axial, sendo capazes de oferecer o máximo de resistência ao esforço solicitado. Já na Figura 5 apresenta o PLA sendo muito mais resistente para tração do que o ABS, pois a média de tensão encontrada no PLA é de 37 MPa, enquanto o ABS apresenta em média 27,8 MPa, esse resultado é parcialmente condizente com os dados obtidos em literatura. Segundo a Tabela 1 (Abreu, 2015), os valores médios de resistência a tração do ABS variam de 42,5 44,8 MPa, o valor médio encontrado nos ensaios foi de 27,8 MPa, essa diferença de valores deve estar relacionada a descalibração da impressora e a falta de aquecimento da mesa, que produziram corpos de prova menos homogêneos e com mais descontinuidades. Os valores de PLA da tabela 2 (Abreu, 2015) variam de 16-72 MPa, e o valor médio encontrado pelos ensaios realizados neste trabalho foi de 37 MPa, portanto coerente com os resultados obtidos em literatura. De maneira geral os corpos de prova de PLA a 90º conseguem resistir a uma tensão média de 47,636 MPa, enquanto que os CP s de PLA a 45º resistem uma tração média de 37,106 MPa e o ABS a 27,85 MPa. De maneira geral o PLA se apresenta como o material mais resistente para esse tipo de esforço. Não se pode dizer se o ABS também se beneficia desse tipo de deposição de material a 90º já que o PLA possui comportamento diferenciado para esse tipo de esforço. 7. Conclusões. Com base nos dados encontrados, o PLA a 90 foi o material que apresentou os maiores valores de tensão de deformação e o ABS a 45 apresentou os menores valores de tensão de deformação. Já o PLA a 90 mostrou uma resistência aproximadamente 42,6% maior com relação ao ABS, portanto sendo o material mais adequado para aplicações com esforços no sentido axial. Caso a comparação ocorra entre o PLA a 45 e o ABS a 45 a diferença nos 9
valores de tensão é menor, onde o PLA apresentou uma resistência de aproximadamente 25% maior que o ABS a 45. Caso a comparação ocorra entre o PLA a 90 e o PLA a 45 a diferença nos valores de tensão é menor ainda, onde o PLA a 90 apresentou uma resistência de aproximadamente 21,27% maior que o PLA a 45. Portanto a variação de tensão entre o PLA a 90 e o ABS a 45 foi a maior registrada, e a variação de entre o PLA a 90 e o PLA a 45 foi a menor registrada, sendo necessário o estudo correto para cada tipo de aplicação, é importante salientar que o preço do PLA é geralmente 30% maior que do ABS, caso a aplicação utilize baixos valores de tensão (10 20 MPa), altas temperaturas (80 120 ) e grande quantidade de material o ABS 45 é o mais recomendado. Se a aplicação solicitar uma tensão maior (30 40 MPa), temperatura ambiente e uma menor quantidade de material o PLA a 90 é o mais recomendado. Com essas considerações, pode-se notar que independentemente das características mecânicas dos materiais, não existe um material melhor do que o outro, serão os parâmetros (a temperatura, as tensões aplicadas, o ângulo de deposição, etc), que indicarão o material necessário de acordo com cada aplicação. 8. Referências. ABREU, Sofia. Impressão 3D baixo custo versus impressão em equipamentos de elevado custo. 2015. 235 f. Dissertação (Mestrado Engenharia Mecânica) Faculdade de Engenharia Universidade do Porto, Portugal. GARCIA, Amauri et al. Ensaios dos Materiais. 2. Ed. Rio de Janeiro: Ltc, 2013. INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION. ISO 527-2:2012 Plastics Determination of tensile properties Part 2: Test conditions for moulding and extrusion plastics. Geneva: ISO, 2012. SANTANA, Leonardo. Avaliação de uma impressora 3D baseada em código aberto na fabricação de peças PLA. 2015. 166 f. Dissertação (Pós-graduação em Engenharia Mecânica). Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC, Santa Catarina. 10