Introdução à Manufatura Aditiva (1º Teste) - PDF

Introdução à Manufatura Aditiva Conceito o O termo Prototipagem rápida é usado numa variedade de indústrias para descrever o processo de criação rápida de um sistema, dispositivo ou componente/parte antes da sua conceção final ou comercialização o Consultores de gestão e engenheiros...

Introdução à Manufatura Aditiva Conceito o O termo Prototipagem rápida é usado numa variedade de indústrias para descrever o processo de criação rápida de um sistema, dispositivo ou componente/parte antes da sua conceção final ou comercialização o Consultores de gestão e engenheiros de software usam o termo Prototipagem Rápida para descrever um processo de desenvolvimento de negócios e soluções de software que permitem aos clientes testar ideias e fornecer feedback durante o processo de desenvolvimento o Este termo não é atualmente adequado para descrever estas tecnologias o ASTM (American Society for Testing and Materials) International acordou que deve ser usada nova terminologia – Manufatura Aditiva o ISO/ASTM 52900:2021(en) Manufatura aditiva — Princípios gerais — Fundamentos e vocabulário O que é a Manufatura Aditiva? o Processo de manufatura a partir de modelos virtuais 3D, normalmente camada a camada… processo oposto às metodologias subtrativas Vantagens da MA o Perspetiva de fabrico  Simplifica o design do produto  s complexas  Customização  Sustentabilidade o Perspetiva científica  Novas aplicações  Novos materiais  Melhor desempenho 1 5 Vantagens da MA face ao Fabrico tradicional Rumo à economia circular Tecnologias de MA: visão geral e princípio de funcionamento o Todas as Tecnologias e equipamentos de MA comercializados atualmente usam o conceito de produção camada a camada o Diferenças:  Materiais (“feedstock”)  Precisão da peça final (dimensões, geometria, qualidade de superfície…)  Como é que as camadas são criadas e se  Propriedades da peça final ligadas entre si  Velocidade de impressão da peça  Necessidade ou não de pós processamento  Tamanho do equipamento usado  Custo total (processamento e equipamento) 2 Manufatura Aditiva – Etapas processo Step 1: CAD o Modelo de software que descreva a geometria da Step 5: Manufatura peça o Equipamento constrói a peça o Pode ser usada Engenharia Inversa para criar este o Não há necessidade de supervisão constante modelo Step 6: Remoção da Peça Step 2: Conversão para STL o Interação o Quase todos os equipamentos MA aceitam formato o Cuidados de segurança (temperatura) de ficheiro STL o O ficheiro descreve os contornos da peça e Step 7: Pós Processamento constitui a base de cálculo para a divisão da peça em camadas o Limpeza das peças o Remoção de suportes Step 3: Transferência do ficheiro para equipamento o O ficheiro STL é transferido para o equipamento de impressão o Nesta fase é possível fazer alguma alteração/correção de tamanho, posição e orientação do processo de construção da peça Step 4: Configuração da máquina o Máquina convenientemente configurada antes do processo de impressão o Esta configuração está relacionada com parâmetros de impressão relativos ao material, energia, espessura de camada, tempos, velocidades… Afirmações sobre MA o Manufatura Aditiva é considerada uma tecnologia o Controlo total sobre o design da peça disruptiva para produzir um número limitado de o Revisões do desenho imediatas componentes de valor acrescentado com o Prazos de entrega reduzidos otimização topológica, geometrias complexas e o Modificações e reformulações sem penalidades funcionalidades que não são alcançáveis pelo o Iniciativas de manufatura sustentável fabrico tradicional o Fabricação de peças à medida das necessidades o …economizar no desperdício de materiais e o Eficiência Industrial energia o Impressão de Sistemas completos o ….consolidar uma montagem em uma única peça o Customização o ….É fácil alterar ou rever as versões de um o Complexidade num único passo produto 3 Tecnologias de MA Vantagens o Impacto da MA no fabrico e na cadeia de valor Eficiência de fabrico Melhorias na cadeia de valor Customização Menor tempo de fabrico Manufatura à medida Redução de stock Redução do tamanho do lote Manufatura descentralizada Melhorar a sustentabilidade Capacidade de fabrico multi material Redução do tempo até ao mercado Consumidores podem tornar-se micro-produtores Redução de custos de transporte Melhoria da qualidade Redução de desperdício 4 Jato de Ligante – Binder Jetting o Conceito – Cabeças de impressão a jato aplicam um agente de ligação sobre a superfície do pó. Ao unir as partículas, o objeto é construído camada por camada o Primeiro conhecido como "impressão 3D" o Desenvolvido no Massachusetts Institute of Technology (MIT) nos anos 1980 o Vantagens  Tecnologia rápida e barata  Ampla gama de materiais o Desvantagens  As peças diretamente da máquina têm propriedades mecânicas limitadas o Aplicações:  Protótipos, padrões de fundição, moldes e núcleos.  Peças porosas – indústria de moldes.  Para materiais densos (como cerâmicas, por exemplo), é necessário um passo de pós-processamento (infiltração com partículas, prensagem...) Fusão em Cama de Pó - Power Bed Fusion Sinterização Seletiva a Laser – Selective Laser Sintering (SLS) o Conceito – Uma camada de pó plástico é seletivamente fundida por um laser. As peças são construídas camada por camada na cama de pó o Vantagens  Pode fabricar peças em plásticos padrão com boas propriedades mecânicas  Conjunto de materiais está em crescimento o Desvantagens  As peças não têm as mesmas propriedades que as moldadas por injeção o Aplicações:  Protótipos, peças de suporte, pequenas séries o Polímeros, metais e compósitos 5 Fusão Seletiva por Laser – Selective Laser Melting (SLM) o Conceito – Uma fina camada de pó metálico é seletivamente fundida por um laser. As peças são construídas camada por camada o Vantagens  Pode fabricar peças em metais padrão com alta densidade, que podem ser processadas posteriormente como qualquer peça soldada o Desvantagens  Processo lento e caro  Acabamento de superfície limitado o Aplicações:  Protótipos, peças de suporte (gabaritos, fixadores, etc.), pequenas séries de peças, ferramentas Fusão por Feixe de Eletrões (EBM) – Electron Beam Melting o Conceito – Uma fina camada de pó metálico é seletivamente fundida por um feixe de eletrões. As peças são construídas camada por camada na cama de pó o Vantagens  Peças podem ser fabricadas em alguns metais padrão com alta densidade através de fusão por feixe de eletrões o Desvantagens  A disponibilidade de materiais é limitada  O processo é relativamente lento e caro o Aplicações  Protótipos, pequenas séries de peças, peças de suporte Fotopolimerização em Cuba – Vat Photopolymerization SLA – Estereolitografia / Stereolithography o Conceito SLA – A estereolitografia utiliza um líquido fotopolímero como material fonte numa cuba. Esse plástico líquido é transformado num objeto 3D camada por camada, baixando a plataforma de construção na cuba e curando com laser UV o Vantagens  Pode construir peças grandes com precisão e acabamento de superfície muito bons o Desvantagens  Funciona com fotopolímeros que não são estáveis ao longo do tempo e não possuem propriedades mecânicas bem definidas o Aplicações  Protótipos, padrões de fundição, joalharia, aplicações dentárias e médicas 6 DLP – Processamento Digital de Luz / Digital Light Processing o Conceito – A tecnologia DLP é muito semelhante à SLA, usando uma projeção de luz ultravioleta (UV) de um projetor digital para aplicar uma única imagem da camada em toda a resina de uma vez o Vantagens  Velocidade de impressão superior em comparação com a SLA  Excelente precisão de camadas  Impressoras de baixo custo o Desvantagens  Insegurança quanto ao material consumível  Alto custo dos materiais o Aplicações  Protótipos, padrões de fundição, joalharia, aplicações dentárias e médicas Jato de Material – Material Jetting Modelagem Multijet, Drop on Demand (DOD), Thermojet, impressão a jato de tinta o Conceito – A cabeça de impressão a jato aplica cera fundida numa cama de impressão. Quando o material arrefece e solidifica, permite fabricar camadas sucessivas o Vantagens  Pode alcançar uma precisão e acabamentos de superfície muito bons o Desvantagens  Funciona apenas com materiais semelhantes à cera o Aplicações  Protótipos, padrões de fundição 7 Modelagem Polyjet, multijet, polyjetting, multijetting, fotopolímero jateado o Conceito – Similar ao multijet, exceto que a cabeça de impressão aplica fotopolímeros líquidos numa cama de impressão. O material é imediatamente curado pela luz UV e solidificado, o que permite construir camadas sobrepostas o Vantagens  Diferentes materiais podem ser aplicados em conjunto para criar objetos multimateriais e multicor o Desvantagens  Funciona com fotopolímeros ativados por UV, que não são duráveis ao longo do tempo o Aplicações  Protótipos, padrões de fundição, ferramentas para moldagem por injeção Extrusão de Material (MEX) – Material Extrusion Modelagem por Deposição Fundida / Fabricação de Filamento Fundido (FFF) – Fused Deposition Modelling / Fused Filament Fabrication o Conceito – Um filamento plástico é derretido e extrudido através de um bocal. Os objetos são construídos camada por camada o Vantagens  Pode construir peças totalmente funcionais em plásticos padrão o Desvantagens  As peças impressas têm anisotropia na direção z (vertical) e uma estrutura escalonada na superfície o Aplicações  Protótipos, peças de suporte (gabaritos, fixadores), pequenas séries de peças Escrita direta com tinta/Robocasting - Direct ink writing/ Robocasting o Conceito – Material em forma semi-líquida ou pasta pode ser extrudido através de um bocal e utilizado para imprimir as secções transversais de um modelo 3D fatiado o Vantagens  Maior resolução para um sistema de extrusão  Ideal para ambientes de pesquisa e aplicações médicas (osso) o Desvantagens  Geometria limitada da peça o Aplicações  Peças monolíticas sólidas, scaffolds, implantes de tecido biocompatíveis, materiais compósitos personalizados, cerâmicas 8  o O robocasting depende das propriedades reológicas da suspensão para manter a forma do material depositado, enquanto a fundição de filamento depende da fusão rápida do filamento e da sua subsequente solidificação Requisitos Robocasting o Vantagens  Robocasting bem estabelecido para materiais porosos – biomateriais  Arquiteturas porosas de formas complexas com controlo preciso do tamanho, forma e número de poros: novos campos de pesquisa e aplicações 9   Personalização  Importante em Biomateriais  Engenharia de Tecidos  Correspondência da forma do scaffold com a localização do tecido danificado, utilizando tomografia computadorizada (CT) para criar o modelo CAD  Por que a porosidade é tão importante neste campo?  Componentes com porosidade controlada:  Diferentes formas  Tamanhos  Volume de porosidade  Interconectividade  …  Scaffold 3D ideal  Proporciona o suporte necessário para que as células se proliferem lentamente, se degradem e sejam reabsorvidas à medida que as estruturas do tecido crescem  A porosidade deve ser interconectada para permitir o crescimento celular, vascularização e difusão de nutrientes Cerâmicas tradicionais 10 Complexidade o Sobre materiais densos??? 11 Deposição de Energia Direcionada – Direct Energy Deposition (DED) EBAM - Electron beam additive manufacture (Fabricação Aditiva por Feixe de Eletrões) LENS – Laser Engineering Net Shaping o Conceito – Usa um laser de alta potência para fundir pó metálico depositado sobre uma mesa. O metal é pulverizado no ponto focal do laser, onde se funde. Um gás inerte é usado para proteger o metal dos gases atmosféricos. Utiliza uma abordagem em camadas para fabricar os componentes o Vantagens  Pode ser usado para reparar peças o Desvantagens  Envolve algum pós-processamento  A peça deve ser cortada do substrato de construção  Tem acabamento de superfície rugoso  Pode exigir usinagem ou polimento  Baixa precisão dimensional o Aplicações  Fabricação e reparação de ferramentas de moldagem por injeção  Fabricação de peças grandes de titânio e outros metais exóticos para aplicações aeroespaciais Laminação em Folha – Sheet Lamination o Conceito – Camadas de papel, plástico ou laminados metálicos são revestidas com adesivo, soldadas usando calor e pressão, e depois cortadas em forma com laser ou faca controlada por computador o Vantagens  Capacidade de produzir modelos em grande escala  Rápido e preciso  Boa resistência ao manuseio o Aplicações  Protótipos, peças grandes 12 Empresas no mercado Filamentos Tecnologias MA 13 o Tipos de material de alimentação o Materiais  Polímeros Filamento Líquido  Cerâmicas  Metais  Compósitos o Formação de camadas Luz Calor Feixe de laser Químico Pó Folha Feixe de eletrões Tipos de material de alimentação o Principais processos MA baseados na classificação de Hopkinson e Dickens Estereolitografia Base líquida Sistemas de jatos Processamento de luz direta Sinterização Seletiva a Laser Impressão Tridimensional Sistemas de deposição de metal fundido Fusão por feixe de eletrões Processos MA À base de pó Fusão seletiva a laser Sinterização de Mascaramento Seletivo Sinterização por Inibição Seletiva Fabricação eletrofotográfica em camadas Modelação por Deposição Fundida Base Sólida Tecnologias de empilhamento de folhas 14 o Materiais comerciais atualmente processados diretamente por Manufatura Aditiva (MA), por categoria de processo de MA 15  16 Base de Resina Base de Pó Filamento Jateamento de Jateamento de Fotopolimerização em cuba Fusão em Leito de Pó Extrusão Material Aglutinante SLA DLP CDLP MJ MJF SLS BJ FDM Processamento Processamento Digital Jateamento de Fusão Multi- Sinterização Jateamento de Modelagem por Estereolitografia Digital de Luz de Luz Contínuo Material Jato Seletiva a Laser Aglutinante Deposição Fundida Fundido com Curado com Curado com LED e Curado com luz Fundido com Juntado com Extrusão através de Curado com laser agente e projetor oxigénio UV laser agente de ligação bocal energia Dispersão de Dispersão de Energia térmica Curado pela luz Cura contínua de fotopolímero agente de fusão do laser Deposição de cola Deposição de Cura com feixe Princípio de construção de projetor DLP fotopolímero com luz pela exposição pela cabeça de sinteriza (colorida) em pó material fundido de laser de projetor DLP da cabeça de impressão + regiões de um de polímero através de bocal impressão aquecimento leito de pó Velocidade de construção Principais Alto desempenho materiais Engenharia (seleção) Standard Propriedades mecânicas Elevada rugosidade Qualidade da superficial superfície Baixa rugosidade Polímeros para MA superficial Custos de construção Termoplásticos vs. Termofixos Classificação dos polímeros de acordo com o seu comportamento com o aumento da temperatura o De uma forma geral, as propriedades dos polímeros dependem dos aditivos utilizados, dos materiais adicionados para aumentar a resistência do polímero; das quantidades e propriedades dos enchimentos utilizados; dos agentes de coloração usados; e dos plastificantes, que são adicionados como lubrificantes internos. o Termoplásticos:  Pouca reticulação (crosslinking)  Dúcteis o Termofixos:  Amolecem com o aquecimento  Reticulação significativa (10 a 50% das  Polietileno, polipropileno, policarbonato, unidades repetidas) poliestireno  Duros e frágeis  Termoplásticos  Não amolecem com o aquecimento  Não existem ligações entre as cadeias  Borracha vulcanizada, epóxis, resina de poliméricas, o que ajuda o movimento poliéster, resina fenólica Termoplásticos o Um termoplástico, ou plástico termomoldável, é um material polimérico plástico que se torna flexível ou moldável a uma determinada temperatura elevada e solidifica ao arrefecer o A maioria dos termoplásticos tem um peso molecular elevado o As cadeias poliméricas associam-se por forças intermoleculares, que enfraquecem rapidamente com o aumento da temperatura, originando um líquido viscoso Termofixo o Forma ligações químicas irreversíveis durante o processo de cura o Os termofixos não derretem quando aquecidos, mas normalmente decompõem-se e não se reformam ao arrefecer 17 Estruturas de polímeros Linear Ramificado Reticulado Rede Um polímero em rede é Um polímero linear é Um polímero ramificado Num polímero reticulado, as semelhante a um polímero composto por unidades de é semelhante a um cadeias poliméricas estão reticulado, mas as cadeias monómero organizadas polímero linear, exceto ligadas entre si para formar individuais de polímeros são numa cadeia longa e direita que tem alguns pontos uma rede 3D mais reticuladas de ramificação onde Os polímeros reticulados são Esta estrutura confere Este tipo de polímero não monómeros adicionais frequentemente usados onde propriedades únicas: tem ramificações ou estão ligados à cadeia são necessários rigidez e elasticidade, resiliência e ligações cruzadas principal robustez alta resistência Exemplo: Polietileno de Exemplo: Borracha Exemplo: Epóxis altamente Exemplo: PE; PP baixa densidade (LDPE) vulcanizada reticulados Propriedades mecânicas: comportamento tensão-deformação o A tenacidade do polímero pode ser estimada pela área sob a curva tensão-deformação Termoplásticos 18 Termoplásticos – mecanismos de deformação a) Antes da aplicação da carga de tração, as lamelas cristalinas estão intimamente ligadas pelas regiões amorfas entre as cadeias poliméricas densamente empacotadas b) e c) À medida que o polímero semi-cristalino começa a deformar-se, o stress provoca o alongamento e o desenrolar das cadeias na região amorfa d) A tensões mais elevadas, o stress é transferido das cadeias amorfas para as lamelas, fazendo com que as lamelas cristalinas se alinhem na direção do stress aplicado e) À medida que as cadeias amorfas e as lamelas cristalinas se alinham na direção do stress aplicado, a capacidade de suporte de carga dos polímeros aumenta 19 Termofixos o Sob uma carga de tração aplicada, as cadeias poliméricas amorfas entre as reticulações podem deformar-se de uma maneira análoga às cadeias amorfas nos polímeros semicristalinos o A principal diferença é que as ligações químicas (reticulações) impedem um movimento significativo das cadeias poliméricas, resultando em curvas de tensão-deformação com muito pouca deformação (baixos valores de deformação) o A quantidade de reticulações (densidade de reticulações) e o peso molecular entre as reticulações governa as curvas de tensão-deformação em tração o Sob cargas elevadas, as cadeias dos polímeros reticulados não conseguem deformar-se facilmente sob a tensão aplicada, o que resulta num módulo elevado, mas numa baixa elongação até à rotura. É por isso que os termofixos, embora apresentem módulos muito elevados, são tipicamente frágeis (ou seja, têm baixas elongações até à rotura) Influência da T nos termoplásticos o Aumentar a temperatura:  Diminui E  Diminui TS  Aumenta % de EL Polímeros para MA o ASA - Acrilonitrilo estireno acrilato o PETG - Polietileno tereftalato glicol o ABS - Acrilonitrilo butadieno estireno o HIPS - Poliestireno de alto impacto o PC - Policarbonato o PSU – Polissulfona o PPSU - Polifenilsulfona o PEI – Polieterimida o PLA - Ácido polilático o PVDF - Fluoreto de polivinilideno o PPS - Sulfeto de polifenileno o PEEK – Polieter éter cetona o PEKK - Polietercetonaquetona 20 Filamentos Propriedades/Parâmetros Importantes o Facilidade de impressão: Como é fácil imprimir com um material, considerando fatores como adesão à base, velocidade máxima de impressão, frequência de falhas, precisão do fluxo e facilidade de alimentação na impressora o Adesão entre camadas (isotropia): Quão bem as camadas de material aderem umas às outras. Está relacionada com a isotropia (uniformidade em todas as direções). Quanto melhor a adesão entre camadas, mais isotrópica será a peça o Elongação até à rotura: A razão entre o comprimento inicial e o comprimento alterado após a quebra de um objeto. Também é chamada de deformação de fratura o Resistência ao impacto: A energia necessária para quebrar um objeto com um impacto súbito o Resistência ao calor: A temperatura máxima que um objeto pode suportar antes de amolecer ou deformar- se Filamentos poliméricos: imprimibilidade o Facilidade de impressão – como é fácil imprimir um material em termos de: o Qualidade visual:  Adesão à base  A qualidade da peça impressa, que é  Velocidade máxima de impressão determinada pela qualidade da superfície,  Facilidade de alimentação para a como a suavidade da superfície impressora  Frequência de falhas de impressão 21 Filamentos poliméricos Termoplásticos… PLA (Ácido polilático) o Um dos materiais mais populares usados em impressão 3D o Fácil de imprimir, muito barato o Um dos filamentos mais ecológicos do mercado atualmente o Cria peças que podem ser usadas para uma grande variedade de aplicações o Derivado de culturas como milho e cana-de-açúcar, o PLA é renovável e, mais importante, biodegradável Extrusora Imprimibilidade Frágil Baixa contração térmica Baixa resistência térmica (~60°C) Temperatura: 190-220°C Disponibilidade Mais caros que os plásticos fósseis Não é necessário um hot-end Biodegradabilidade especial Inodoro Sensível aos UV ABS (Acrilonitrila butadieno estireno) o Um dos primeiros plásticos a serem usados em impressoras 3D industriais o O ABS é conhecido pela sua resistência e capacidade de absorver impacto o Ao imprimir com ABS, use um espaço aberto com boa ventilação, pois o material tende a ter um leve odor o O ABS também tende a contrair-se bastante à medida que arrefece, por isso o controlo da temperatura do volume de construção e da peça pode trazer grandes benefícios Extrusora Dúctil Mais difícil de imprimir Temperatura: Resistência térmica moderada (~80°C) Propenso a empenamento 220-250°C Resistente a impactos devido à retração térmica Propenso a empenamento Não é necessário Emite vapores perigosos devido à retração térmica um hot-end Solúvel durável (acetona, especial Solúvel (acetona, ésteres, cetonas) ésteres, cetonas) PET G (Polietileno tereftalato glicol) o O PETG é uma versão modificada com glicol do Polietileno Tereftalato (PET), que é normalmente utilizado na fabricação de garrafas de água o É um material semi-rígido com boa resistência ao impacto, mas tem uma superfície ligeiramente mais macia, o que o torna propenso a desgaste o Excelentes características térmicas, permitindo que o plástico arrefeça eficientemente com quase nenhuma deformação Extrusora Meio termo entre ABS e PLA Altamente higroscópico Temperatura: 230- Mais claro que o PLA Pode aderir bem ao vidro 250°C Menos frágil que o PLA A superfície risca Impressão mais fácil que o ABS facilmente Não é necessário um Flexível Suportes difíceis de hot-end especial Durável remover 22 PC (Policarbonato) o O policarbonato (PC) é um material de alta resistência destinado a ambientes exigentes e aplicações de engenharia o O policarbonato também tem uma alta temperatura de transição vítrea de 150 °C o Isto significa que manterá a sua integridade estrutural até essa temperatura, tornando-o adequado para uso em aplicações de alta temperatura o Também pode ser dobrado sem quebrar e é frequentemente utilizado em aplicações onde é necessária alguma flexibilidade Extrusora Altas propriedades Higroscópico Temperatura: mecânicas Difícil de imprimir 260-310°C Resistente ao calor (110°C) Alta temperatura de impressão (270 - 310°C) É necessário hot- Naturalmente transparente Deformação considerável end em todo o metal Durável Não é seguro para alimentos Nylon o Os filamentos de nylon geralmente requerem temperaturas de extrusão perto dos 250 ºC; no entanto, algumas marcas permitem a impressão a temperaturas tão baixas quanto 220 ºC, devido à sua composição química. Muitas impressoras não incluem um "hot-end" que consiga alcançar os 250 ºC de forma segura o O nylon é higroscópico, o que significa que absorve facilmente humidade do ambiente o A impressão com nylon após este ter absorvido humidade leva a vários problemas de qualidade na impressão; por isso, o armazenamento do filamento torna-se muito importante e requer cuidados especiais Extrusora Elevada flexibilidade (110°C) Altamente higroscópico Temperatura: 225-265°C Resistente a impactos Difícil de imprimir Pode exigir hot-end Alta resistência Alta temperatura de impressão (240 -300°C) totalmente metálico Durável Deformação considerável PEEK (Poliéter-éter-cetona) o Polímero semicristalino o Um dos plásticos avançados com alta temperatura de fusão (343 ºC) o Difícil de imprimir devido à elevada temperatura de fusão o Excelente resistência mecânica e química (alta resistência à biodegradação e à degradação térmica) o Permite a aplicação do polímero em condições extremas que exigem altas temperaturas de serviço ou propriedades mecânicas, como em ossos, peças de rolamentos, pistões, veículos e aeronaves 23 Elastómeros Termoplásticos (TPE) o Como o nome sugere, este material é elástico por natureza, permitindo que o plástico seja esticado e flexionado facilmente o Existem vários tipos de TPE, sendo o poliuretano termoplástico (TPU) o mais utilizado entre os filamentos de impressão 3D o O grau de elasticidade no plástico depende do tipo de TPE e da formulação química utilizada pelo fabricante. Por exemplo, alguns filamentos podem ser parcialmente flexíveis, como um pneu de carro, mas outros podem ser elásticos e totalmente flexíveis, como um elástico Extrusora Alta flexibilidade Ligeiramente higroscópico Resistente a impactos Difícil de imprimir Temperatura: 225-245°C Alta resistência UV Velocidade de impressão Resistente a altas lenta e caminho de filamento Extrusora de acionamento temperaturas (~150°C) apertado são necessários direto recomendada Deformação mínima Não é seguro para alimentos o Comparação das propriedades físicas e mecânicas e condições de impressão de PLA, ABS, Nylon, PC, PET e PEEK para FDM PLA ABS Nylon 6 PC PET G PEEK Temperatura de transição vítrea (°C) 53-64 102-115 47-57 140-151 75-80 137-152 Temperatura de fusão (°C) 145-186 - 220 220-260 - 335-343 Temperatura de deflexão de calor (°C) 56 100 190 190 71 160 Módulo (GPa) 1,2-3,0 1,8-2,39 2,8-3,1 2,34 0,9-1,1 3,56 Resistência à tração (MPa) 28-50 25-65 79 62 55 92 Temperatura de impressão (°C) 190-220 220-250 220-270 260-310 230-250 360-450 Temperatura da cama (°C) 45-60 95-110 70-90 80-120 75-90 120-150 Seleção de materiais poliméricos o Resistência ótima para a manufatura o Elevada elasticidade é necessária para a indústria de vestuário o Alta resistividade térmica é necessária para isolamento o Polímeros leves são utilizados para aplicações aeroespaciais o Maior ductilidade é necessária para fiação e circuitos o Aumento da resistência é necessário para materiais de suporte o Um ponto de fusão ótimo é essencial para fatores ambientais dependentes da temperatura experimentados pela substância polimérica utilizada o Uma quantidade adequada de flexibilidade é necessária para melhor portabilidade do material Filamentos compostos o Diferentes tipos de filamentos incluem:  Nanomateriais de carbono  Metais  Biomateriais  Cerâmicas  Fibras 24 Nanomateriais de carbono o Grafeno, grafite e nanotubos de carbono (CNT)  Estabilidade elétrica e térmica, baixa densidade e boas propriedades mecânicas (resistência, rigidez e tenacidade)  Estes nanomateriais, incluindo grafeno-nanoplacas (GNP) e nanotubos de carbono (CNT), têm uma elevada razão de aspeto e excelentes propriedades mecânicas o Potenciais aplicações: No campo da eletrónica, incluindo dispositivos de armazenamento de energia, sensores e estruturas condutoras o Filamento comercial: Um filamento de PLA à base de grafeno Metais o Cobre, bronze, ferro e aço inoxidável  Comparado com a impressão em metal, os compósitos reforçados com metal são fáceis de imprimir porque não necessitam de um extrusor de alta temperatura e são mais económicos, pois não requerem suma distribuição de energia específica o Potenciais aplicações: Dispositivos de armazenamento de energia, semicondutores e circuitos Biomateriais o Lignina, celulose (PLA)  Os biocompósitos impressos nas condições de impressão otimizadas exibiram um módulo de armazenamento superior em comparação com o PLA puro Cerâmicas o Fosfatos de cálcio (PLA) para aplicações biomédicas o Titanato de bário (ABS) o Aspetos a considerar ao imprimir um filamento composto:  Antes de fazer os filamentos compostos termoplásticos, deve-se considerar o tipo e a forma dos materiais de preenchimento necessários para uma finalidade específica  Decomposição térmica dos preenchimentos (no caso de compósitos poliméricos utilizando celulose microcristalina, é necessário definir parâmetros, incluindo temperatura, contrapressão e velocidade de extrusão, para evitar a formação de bolhas dentro do filamento)  Carga e tamanho dos preenchimentos (se for adicionado um alto conteúdo de preenchimentos ao polímero, os filamentos podem tornar-se frágeis devido à aglomeração de partículas e podem quebrar durante a impressão, resultando no entupimento do bico) 25   Bico e hot-end  A tempertura no hot-end é o parâmetro essencial para imprimir os filamentos  Desgaste dos bicos devido a reforços rígidos, incluindo cerâmicas e metais  Propriedades mecânicas: Ligação intercamada entre as camadas impressas na direção da geomea, resultando numa resistência limitada dos objetos impressos  Sustentabilidade e reciclagem: A investigação tem sido conduzida para utilizar materiais biológicos em vez de plásticos derivados de petróleo, como o nylon e o PET, para mitigar o impacto ambiental dos resíduos plásticos no planeta. Outra maneira de promover a sustentabilidade na impressão 3D é o uso de filamentos feitos a partir de plásticos reciclados Polímeros – Pós e resinas Polímeros para Manufatura Aditiva (AM) - Pós Sinterização Seletiva por Laser (SLS) o O processo de construção por SLS pode ser resumido por um procedimento cíclico de espalhamento de pó a uma temperatura elevada (próxima do ponto de fusão) caracterizado por três etapas principais: 1. Uma fina camada de pó é espalhada sobre a superfície superior do leito da parte central e aquecida até uma temperatura constante abaixo do ponto de fusão ou transição vítrea 2. A área da secção transversal de uma geometria CAD predefinida é digitalizada por um feixe laser para gerar a coalescência espacialmente controlada das partículas de pó e a adesão interlaminar com a camada anterior 3. O pistão de construção é baixado uma distância vertical equivalente a uma espessura de camada e é adicionada uma nova camada de pó por cima para repetir o ciclo até à conclusão da peça Polímeros para MA o Interligação de diferentes propriedades de polímeros para desenvolver materiais promissores para SLS o Propriedades Intrínsecas: o Propriedades Extrínsecas:  Óticas  Pó  Térmicas  Partículas  Reológicas 26 Propriedades Térmicas o Para obter uma coalescência completa das partículas de polímero na camada superior de pó, é necessária a adesão com as camadas anteriormente sinterizadas o No caso dos polímeros semicristalinos, frequentemente utilizados no processamento SLS, isso implica que a cristalização (Tc) deve ser inibida durante o processamento, pelo menos por várias camadas sinterizadas o A temperatura de processamento deve ser mantida precisamente entre o ponto de fusão (Tm) e o ponto de cristalização (Tc) do polímero utilizado 27  Problemas no Processamento por SLS (Janela de Sinterização): A cristalização prematura Curling ou crescimento lateral: durante o processamento SLS, o Se a temperatura for ligeiramente superior (próxima ao Tm) pode resultar em fissuras ocorre perda de definição, pois partículas nas proximidades do laser aderem a superfícies fundidas, prejudicando a resolução desejada o Se a temperatura estiver muito próxima do ponto de cristalização, ocorre curling devido à cristalização prematura, distorcendo as peças Propriedades Óticas o O polímero deve apresentar uma capacidade suficiente para absorver energia na atual faixa de comprimento de onda do laser (CO2 - Laser: 10,6 µm) o Caso a capacidade de absorção seja baixa, um aumento da potência do laser pode compensar o efeito  A absorção é a menos crítica das propriedades intrínsecas Propriedades Reológicas (Viscosidade e Tensão Superficial) o Baixa viscosidade zero do polímero fundido Adequada coalescência das o Baixa tensão superficial do polímero fundido partículas de polímero. Propriedades Extrínsecas Partículas o Forma e superfície:  Esférico  Fluidez 28 Pó o Densidade aparente e de batida  HR < 1,25 indica comportamento de pó de fácil fluidez  HR > 1,4 indica problemas de fluidização (propriedades coesivas) o Distribuição do tamanho das partículas:  Favorável entre 20-80 µm  O número de partículas é importante para a qualidade do pó o A densidade de batida pode ser determinada por batidas mecânicas regulares que rearranjam as partículas de pó, reduzindo o volume de vazios interparticulares. Assim, com menos vazios, a densidade de batida é maior do que a densidade aparente o Distribuição do tamanho das partículas: Polímeros para Manufatura Aditiva: Resinas Tecnologias Semelhantes à SLA 29 o Os parâmetros fundamentais do processo SL podem ser divididos em dois grupos: 1. Parâmetros técnicos, que podem ser ajustados utilizando a SLA, tais como a potência do laser, a velocidade de varrimento do laser e a espessura da camada 2. Parâmetros fotosensíveis, que são propriedades intrínsecas da resina, como a profundidade de penetração e a dose de energia crítica  Estes parâmetros têm um impacto significativo na precisão geométrica das peças fabricadas o A cura do fotopolímero é fortemente influenciada pela profundidade de penetração da luz UV, que pode ser limitada em espessuras de camada de 2 a 4 mm o A maioria das investigações sobre fotopolímeros e termofixos em Manufatura Aditiva (AM) está concentrada em alturas de camada entre 25 - 500 µm Aplicações: Exemplos Implantes cranianos Micronúcleos para administração transdérmica de fármacos Scaffolds Fotopolimerização o Polimerização - Termo utilizado para descrever o processo de ligação de pequenas moléculas (monómeros) em moléculas maiores (polímeros) compostas por muitas unidades de monómero 30 Componentes das Resinas Precursores Polímeros Termofixos Acrilatos Epóxidos Acrilatos e metacrilatos têm a fórmula molecular - CH2=CHCOO- Um epóxido é um éter cíclico, onde o éter forma um Contêm grupos vinílicos, ou seja, dois átomos de anel de três átomos: dois de carbono e um de carbono ligados por uma ligação dupla, diretamente oxigénio ligados ao carbono da carbonila Processos de Fotopolimerização o Fotopolimerização por radical livre – para acrilatos o Fotopolimerização catiónica – para epóxidos e éteres vinílicos 31 Reação de Fotopolimerização o Procedimento de Fotopolimerização por Radical Livre: 1. Ativação do fotoiniciador (P-I) - O fotoiniciador é ativado pela exposição à radiação dentro de um intervalo adequado de comprimentos de onda, formando um radical livre 2. Reação com o monómero (M) - A parte reativa do fotoiniciador reage com uma molécula de monómero 3. Propagação - Forma cadeias poliméricas longas e também promove a reticulação das cadeias. O radical é transferido de um monómero para outro 4. Terminação - A polimerização chega ao fim o O radical é transferido de monómero para monómero Exemplo o Fotoiniciador (PI) - TPO - Óxido de trimetilbenzoildifenilfosfina o Monómero - PEGDA (polietileno glicol diacrilato) o Procedimento de fotopolimerização por radicais livres 32 Causas de Terminação da Polimerização o Recombinação - Ocorre quando duas cadeias poliméricas se unem juntando dois radicais o Desproporcionamento - Envolve o cancelamento de um radical por outro, sem que haja união o Oclusão - Ocorre quando radicais livres ficam “presos” dentro de um polímero solidificado, o que significa que os locais de reação permanecem disponíveis, mas são impedidos de reagir com outros monómeros ou polímeros devido à mobilidade limitada dentro da rede polimérica Reação de Fotopolimerização Catiónica o Procedimento de fotopolimerização catiónica  A carga é transferida de monómero para monómero o Etapa 1 – O fotoiniciador gera um catião (ácido) como resultado da energia do laser. Um catalisador típico para uma polimerização catiónica é um ácido de Lewis o Etapa 2 - É a protonação de um grupo epóxi a partir do ácido fotogerado o Etapa 3 - É a abertura do anel do grupo epóxi protonado e a transferência de carga para um novo grupo epóxi adicional o Etapa 4- É o crescimento contínuo da cadeia até que todos os monómeros sejam consumidos, a carga seja transferida para outra cadeia ou a reação seja terminada Fotopolímeros Primeiros fotopolímeros UV Acrilatos Partes fracas Encolhimento considerável (5-20%) Encurvamento Porquê? A reação de polimerização dos acrilatos é inibida pelo oxigénio atmosférico Os resinas à base de acrilato tipicamente só podiam ser curadas até 46% de conclusão. Quando uma nova camada era aplicada sobre a camada já exposta, alguma radiação passava pela nova camada e iniciava novas reações fotoquímicas na camada que já estava parcialmente curada. Esta camada tornava- se menos suscetível à inibição pelo oxigénio depois de ter sido recoberta. A ligação cruzada adicional nesta camada provocava um encolhimento extra, o que aumentava as tensões na camada e causava o encurvamento observado durante ou após o processo de fabrico da peça o Tensões residuais → Entortamento  Como superar? 33 Epóxis o Mais precisas, mais duras e mais resistentes do que as resinas à base de acrilato o Encolhimento (1-2%)  Este baixo nível de encolhimento associado à química dos epóxis contribui para uma excelente adesão e reduz a tendência de os substratos flexíveis encurvarem durante a cura  Além disso, a polimerização das resinas à base de epóxi não é inibida pelo oxigénio atmosférico  Isto permite o uso de baixas concentrações de fotoiniciadores (PI), resultando em menor odor residual comparado às formulações acrílicas - Velocidade de fotocura lenta e fragilidade das peças curadas - Sensíveis à humidade, que pode inibir a polimerização Como resolver? Adicionar uma certa quantidade de acrilato às resinas epóxi Os dois tipos de monómeros não reagem entre si, mas formam uma rede de interpenetração Aumenta rapidamente a resistência das peças para que tenham integridade suficiente para serem manuseadas sem distorções durante o fabrico Fotopolímeros – Sistemas Híbridos Acrilatos Epóxidos Polimerizam radicalmente Polimerizam cationicamente Reagem rapidamente Conferem resistência e dureza aos sólidos A reação dos acrilatos aumenta a velocidade de Atuam como plastificantes na fase inicial fotopolimerização e reduz os requisitos de energia para a da polimerização do monómero acrilato (o reação do epóxi acrilato forma uma rede enquanto o epóxi A presença de monómeros de acrilato também pode diminuir ainda está no estado líquido) o efeito inibitório da humidade na polimerização do epóxi Aumenta a mobilidade Favorece a reação de Efeito Plastificante molecular propagação da cadeia Favorece a reação de propagação Moléculas de maior peso molecular na presença em cadeia os acrilatos de epóxi do que apenas no monómero de acrilato polimerizam mais extensivamente puro Os acrilatos exibem Devido ao aumento de Resultou na redução da sensibilidade reduzida viscosidade provocado difusão do oxigénio ao oxigénio no sistema pela polimerização epóxi atmosférico no material híbrido. 34 Sistema Híbrido Acrilato/Epóxi o Cura mais rápida do que os dois monómeros usados separadamente, devido ao efeito plastificante do monómero de epóxi e à contribuição do monómero de acrilato na velocidade de fotopolimerização  Os dois monómeros beneficiam de um efeito sinérgico o As propriedades ótimas podem ser obtidas através:  Da seleção e ajuste das proporções dos dois componentes o Conteúdo de Epóxi o Conteúdo de Acrilato  ↑ Características de adesão  ↑ Velocidade de cura  ↓ Encolhimento  ↓ Características de adesão  ↓ Velocidade de cura Formulações de Resinas o Precursores  Polióis, epóxidos, ácidos (met)acrílicos e seus ésteres, diisocianatos, entre outros o Diluentes  Ajustam a viscosidade das misturas para um nível aceitável para aplicação, participando também na reação de polimerização o Fotoiniciador  Componente da resina que reage à luz, funcionando como catalisador da reação  O tipo e a quantidade de fotoiniciador podem influenciar significativamente a cinética da reação, a dosagem necessária de luz, a conversão, a densidade de reticulação e, por extensão, as propriedades mecânicas das peças impressas o Absorventes  Reduzem a penetração da luz na resina, limitando a profundidade até onde a resina é curada o Outros Aditivos  Inibidores, agentes antiespumantes, antioxidantes, agentes de reforço  Estes aditivos ajudam a ajustar o comportamento e as propriedades dos fotopolímeros Monómeros e Oligómeros o Baseados em Acrilatos  Baixa funcionalidade: Índice de Densidade Viscosidade Monómero Funcionalidade -3 refração (g.cm ) (mPa.s) 2-Hidroxi-etil acrilato (2HEA) 1 1,445 1,01 8-10 4-Hidroxi-butil acrilato (4HBA) 1 1,452 1,04 10-25 4-Acriloilmorfolina (ACMO) 1 1,512 1,12 12-15 35   Alta funcionalidade: Índice de Densidade Viscosidade Monómero Funcionalidade -3 refração (g.cm ) (mPa.s) Polietileno glicol diacrilato 200- 2 1,463–1,467 1,11–1,12 15–65 400 (PEGDA) 1,6-Hexanodiol diacrilato (HDDA) 2 1,457 1,03 10 Di(trimetilolpropano) tetraacrilato 350 – 4 1,479 1,10 - 1,15 (Di-TMPTA) 800 o Baseados em Epóxidos  Os monómeros adequados para a fotopolimerização catiónica são principalmente compostos epóxi, éteres vinílicos, lactonas, acetais, éteres cíclicos. A combinação de epóxidos com polióis permite que as propriedades do filme sejam ajustadas de duro/resistente a flexível  Éter diglicidílico de bisfenol A (DGEBA) Fotoiniciadores Comprimento de Onda Fotoiniciador Máxima de Absorção (nm) BAPO 370 TPO 380 Polimerização radical Irgacure 784 400, 470 Bis-(4-dodecilfenil) iodonium hexafluoro 240 antimonato Polimerização catiónica Ciclopentadieniliron(II) hexa-fluorofosfato --- Aditivos: Diluentes Diluente Ponto de Ebulição Densidade Viscosidade Índice de Refração Água 100 1 0,89 1,333 Metanol 65 0,79 0,5 1,329 Etanol 78 0,789 1 1,36 PPG-400 200 1,01 50 1,447 Processo CDLP (Continuous Digital Light Processing) o Para impressão contínua (sem descascar), é necessário oxigénio a fluir através de um filme permeável logo acima da cama de impressão para criar uma "zona morta" o Nesta "zona morta", o processo de polimerização é inibido, garantindo que a camada sendo impressa adere à camada superior e não ao filme da cama de impressão o Esta abordagem permite impressões contínuas, onde a plataforma pode mover-se continuamente no eixo Z, resultando em impressões mais rápidas e fiáveis 36 Parâmetros-Chave no Processo de Fotopolimerização o Energia de exposição (mW/cm2) o Tempo de exposição (segundos)  Aumentar a concentração de PI pode melhorar estes parâmetros, mas uma sobrecarga pode levar à formação de ramificações laterais indesejáveis, comprometendo a resolução.  Ec (energia crítica) - Energia necessária para curar a resina até o ponto de gel.  Dp (profundidade de penetração do laser) - Profundidade em que a luz UV é atenuada a um fator de e-1 Principais parâmetros para a resina o Composição o Funcionalidade do polímero o Viscosidade  Polímeros com um maior número de grupos funcionais tendem a apresentar ligações cruzadas durante a polimerização, o que melhora a resistência da peça impressa. No entanto, isto também pode aumentar a viscosidade da resina  Outro fator importante é a viscosidade, que tem um grande impacto na fotopolimerização dos acrilatos. Soluções com viscosidade mais baixa permitem uma melhor difusividade das espécies reativas e favorecem a mobilidade segmentar Profundidade de Cura o Como a absorção de luz inicia as reações do fotopolímero, a reação começa na superfície irradiada antes de progredir através da massa do polímero o A profundidade de cura numa resina fotopolimérica é orientada pela Lei de Beer–Lambert: 𝐴 = 𝜀𝑏𝐶  Onde:  A é a absorvância  ε é a absortividade molar  b é o comprimento do caminho da luz  C é a concentração do material absorvente o O polímero e o PI absorvem luz em extensões variadas, dependendo do material e do comprimento de onda da luz. Com uma maior absorção de luz, a penetração da luz é restringida e a profundidade da polimerização pode ser inibida “Curva de Trabalho” da Profundidade de Cura vs. Exposição o Descreve a espessura à qual uma resina cura em função da "dose" de luz para uma determinada fonte de luz o Equação Básica da Curva de Trabalho de Jacobs 𝐸0 𝐶𝑑 = 𝐷𝑝 𝑙𝑛 [ ] 𝐸𝑐  Cd - Profundidade/espessura da resina curada  E0 - Energia da luz na superfície  Ec - Energia “crítica” necessária para iniciar a polimerização  Dp - Profundidade de penetração do laser numa resina 37 o Tempo de Exposição:  1 Joule = 1 watt/segundo 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝐸𝑥𝑝𝑜𝑠𝑖çã𝑜 = 𝐷𝑜𝑠𝑒 / 𝐼𝑟𝑟𝑎𝑑𝑖â𝑛𝑐𝑖𝑎 Determinação da % de Polimerização o O progresso do processo de polimerização é avaliado pelo grau de conversão de monómeros (DOC), calculado utilizando a seguinte fórmula com os dados extraídos do espectro Raman das amostras respetivas: 𝐴(𝐶=𝐶) ⁄𝐴 (𝐶=𝑂) 𝐷𝑂𝐶 = 𝐴𝐿(𝐶=𝐶) ⁄𝐴 𝐿(𝐶=𝑂)  A(C=C) e A(C=O) representam a área dos picos Raman para C=C (1635 cm -1) e C=O (1725 cm-1), respetivamente, para as amostras curadas Outros Métodos o FT-IR (Espectroscopia no Infravermelho Transformada de Fourier) o Espectroscopia Raman o Tecnologia de sonda fluorescente o Fotorreologia Propriedades Reológicas das Resinas o Como podemos medir isto? o Porque é importante? Resinas com Cargas Resinas com cargas - Fluxo de processo o Para alcançar peças geometricamente precisas, é necessário ter em conta os coeficientes de contração específicos do material, sendo que um elevado teor de carga é benéfico para reduzir a contração 38 Requisitos o É necessário utilizar partículas menores do que a altura da camada — Tamanho e distribuição de partículas o Em resinas altamente preenchidas com partículas de dimensão na faixa do comprimento de onda da luz, a dispersão é o principal mecanismo de interação com a luz, determinando assim a profundidade de cura e afetando a resolução. Reduzir a diferença de índice de refração entre a carga e a matriz é uma abordagem comum para minimizar a dispersão o As suspensões/resinas preenchidas utilizadas no processo de fotopolimerização devem apresentar um compromisso entre a concentração de sólidos e baixos valores de viscosidade:  Alta carga de sólidos  Distribuição homogénea na resina  Estabilidade, sem segregação/sedimentação de partículas  Viscosidade adequada para o fluxo durante o processo de impressão Pós-processamento o Componentes com diferentes comportamentos térmicos o Longos tempos de desaglomeração/queima o Elevada contração 39 Propriedades reológicas de resinas com cargas: Exemplos o Organização das partículas de acordo com o escoamento numa suspensão altamente carregada. a) Partículas em repouso b) O ordenamento das partículas em camadas promove o adelgaçamento c) A destruição da organização em camadas das partículas e o subsequente bloqueio promovem o espessamento por corte Resinas disponíveis no mercado: Exemplos Portfólio de Materiais 40 Propriedades dos Materiais Materiais Padrão LithaLox HP 500 LithaCon 3Y 210 LithaNit 720 3% em mol Y2O3, ZrO2 > 90% Nitreto de Composição do pó 99,95% Al2O3 estabilizado Silício Resistência à flexão (4 pontos) 430 MPa 935 MPa 760 MPa Densidade > 99,4% D.T. > 99,8% D.T. > 99,6% D.T. Rugosidade da superfície (Ra) ≈ 0,4 µm < 1,0 µm ≈ 0,7 µm Impressão 3D vs Métodos Convencionais Mesmas propriedades do material que nas tecnologias convencionais o Imagens SEM da superfície de fratura de Si3N4 Processo LCM Iso-pressionado 3 Densidade 3,25 g/cm 3,25 g/cm3 Dureza HV10 1500 1500 Resistência à flexão biaxial 764MPa 770 MPa Pastas para MA baseadas em extrusão Cerâmicas pastas/tintas O que é Robocasting? Como funciona? o Robocasting – Nova forma de fabricar cerâmicas ...Primeiramente desenvolvido nos Estados Unidos em 1996  Técnica de manufatura aditiva em que um filamento de 'tinta' é extrudido de um bocal, formando um objeto camada por camada  O modelo 3D CAD (projeto assistido por computador) é dividido em camadas  Uma típica suspensão cerâmica, referida como tinta, é então extrudida através de um pequeno bocal, delineando a forma de cada camada do modelo CAD 41 Extrusão de material (DIZ, FDM) o Princípio básico de funcionamento: 1) Deposição seletiva de uma pasta extrudada através de um bico (também normalmente chamado de Robocasting) 2) Fusão de um filamento que contém partículas cerâmicas o O DIW depende das propriedades reológicas da pasta para manter a forma do material depositado, enquanto o FDM depende do arrefecimento rápido do polímero fundido Vantagens o Utiliza tintas à base de água com conteúdo orgânico mínimo o Não requer material sacrificial ou molde o Forma personalizada com morfologia interna predefinida e reprodutível o Evita a necessidade de posterior usinagem o Combinação de diferentes materiais Robocasting – tecnologia baseada em extrusão Etapas do processo Etapas do processamento de Robocasting 42 Requisitos Requisitos das tintas/pastas: As tintas devem fluir através do bocal (100–1000 mm) e manter a forma após a deposição Partículas coloidais, poliméricas ou polieletrólitas suspensas em meio aquoso Manutenção da integridade mecânica Controlo das propriedades reológicas: Viscosidade Propriedades viscoelásticas (ou seja, perda por corte e os módulos elásticos) o As propriedades reológicas das tintas DIW incluem a capacidade de: (1) Fluir através do aparelho de deposição (2) Manter a forma após a deposição (3) Preencher ou transpor lacunas, conforme o caso o Isto significa que materiais viscoelásticos que fluem livremente sob corte através de um bocal, mas que se tornam rígidos e se estabilizam rapidamente após o alívio desse esforço de corte, são preferidos para tintas DIW Parâmetros de imprimibilidade 43 Comportamento reológico das tintas cerâmicas para DIW o Medições de varrimento de amplitude Rigidez G'eq (Pa) Tensão de escoamento 𝜏𝛾 (Pa) Tensão de fluxo 𝜏𝑓 (Pa) FTI (𝜏𝑓 /𝜏𝛾 ) Intervalo necessário para 1 x 104 – 1 x 106 100-2500 100-2000 0-20 pastas 'imprimíveis'  FTI – Índice de transição de fluxo o Definição de propriedades reológicas G' Módulo de elasticidade (ou de armazenamento) G" Módulo viscoso (ou de perda) 𝜂 ∗ Viscosidade complexa tan 𝛿 Fator de perda (indicação da fluidez do material) LVER (G'eq) frequentemente Região viscoelástica linear em pequena deformação (e módulo de chamado G'LVER armazenamento relacionado), às vezes chamada de rigidez 𝜏𝛾 (tensão de escoamento) Stresse necessário para deixar o LVER frequentemente chamado 𝜎𝛾 𝜏𝑓 ponto de fluxo ou stress de Stresse para o qual G'=G", que é considerado como a transição entre fluxo) frequentemente chamado uma pasta 'semelhante a um líquido' e uma pasta 'semelhante a um de 𝜎𝑓 sólido' Tempo necessário para recuperar a viscosidade “alta” ou rigidez inicial tG' após a extrusão. Aqui foi definido como o tempo necessário para recuperar 90% da viscosidade em repouso (sem corte) Parâmetros de imprimibilidade de uma pasta/tinta cerâmica 44 Tintas/Pastas o Extrusão a temperatura ambiente - A extrusão a temperatura ambiente depende exclusivamente da reologia das tintas para impressão. A reologia das tintas pode ser modificada através da adição de aditivos (agentes espessantes, polieletrólitos) o Extrusão formadora de gel - A extrusão formadora de gel envolve o uso de um hidrogel como matriz base. Uma reticulação química ou física da tinta também pode ser usada para alcançar a integridade mecânica adequada das peças finais. Adição de espécies iónicas, polímeros + reticulador… Tinta coloidal Tinta hidrogel Tinta organogel Base coloidal o A reologia da tinta pode ser modificada através da adição de aditivos (agentes espessantes, polieletrólitos) Tintas à base coloidal Suspensões de baixa viscosidade → Tintas floculadas Camada adsorvida estendida - fluido estável Camada adsorvida colapsada - floculação" o Efeitos: o Mecanismos de floculação:  Mudança drástica de uma suspensão  Alteração do pH fluida para um sistema pastoso elástico  Adição de sais/eletrólitos  Aumento da moldabilidade, tensão de  Adição de polieletrólitos catiónicos escoamento, módulo elástico e viscosidade 45 o Suspensões altamente concentradas (60% vol.): Adição de dispersantes o A suspensão alcança um estado fluido estável o Gelificação induzida: Adição de um PEI (polieletrólito catiónico) de baixo peso molecular o Ajuste do módulo elástico, G’, controlando a proporção catiónica/aniónica (C/A) Tintas à base de hidrogel Vantagens o Robocasting está bem estabelecido para materiais porosos:  Arquiteturas porosas de formas complexas, com controlo preciso da dimensão, forma e quantidade de poros: novos campos de investigação e aplicações 46 o Personalização:  Correspondência da forma do Scaffold com o local do tecido danificado usando tomografia computadorizada médica para criar o modelo CAD  Importante para Biomateriais - Engenharia de Tecidos Vantagens/Desvantagens Cerâmicas densas o Parâmetros a controlar:  Propriedades reológicas das tintas  Parâmetros de impressão  Velocidade  Padrão de preenchimento  Diâmetro do bocal  Secagem  Queima do aglutinante 47 o As propriedades reológicas das tintas devem ser diferentes para cerâmicas densas  Após a deposição, o filamento deve deformar-se ligeiramente para preencher os espaços entre os filamentos circulares o Espessura da camada o Padrão de preenchimento o Diâmetro do bico o Ilustrações de defeitos encontrados em condições não otimizadas: Cerâmicas densas – padrão de preenchimento Transfilamento Interfilamento Bouligand Equipamentos Wasp 48  Vantagens/Desvantagens Classes de Forma Tecnologias Vantagens Desvantagens processos de MA material Fotopolimerização Stereolitography Excelente acabamento superficial, alta em cuba (SLA) Líquido Elevadas quantidades de resolução (Vat Digital Light Suspensão aditivos orgânicos Propriedades mecânicas razoáveis Photopolimerization) Processing (DLP) 3D Printing Jato de ligante MultiJet printing Baixo consumo de energia, boa resolução Alta porosidade Pó (Binder Jetting) Binder Jetting Capacidade de reutilização do material Baixas propriedades mecânicas Printing FFF/ FDM Baixas quantidades de aditivos orgânicos Extrusão de Filamento Acabamento superficial de Robocasting/Direct Produtos finais com densidades razoáveis material Suspensão baixa qualidade Write Disponibilidade no mercado (Material Extrusion) Pasta/Tinta Preparação de tintas Assembling/CODE Facilidade de utilização do equipamento Fusão em cama de Alto consumo de energia SLS Bom acabamento superficial pó Pó Tensões térmicas SLM Boa resolução (Power Bed Fusion) Baixas propriedades mecânicas Elevadas quantidades de aditivos orgânicos Jato de material Polyjet Líquido Gradiente de propriedades, alta resolução Maioritariamente utilizado (Material Jetting) Inkjet printing Suspensão para decorar cerâmicas ou protótipos Deposição direta de Alta velocidade de impressão energia LENS Pó Baixa quantidade de material Alto consumo de energia (Direct Energy desperdiçado Deposition) o Muito poucas tecnologias de Manufatura Aditiva (AM) são capazes de gerar corpos cerâmicos totalmente densos:  A produção convencional de cerâmicas avançadas requer pós extremamente finos  Apresentam fraca fluidez e baixa densidade de empacotamento  Resinas ou filamentos preenchidos: quantidade significativa de materiais orgânicos  Limitações na espessura das paredes e no volume das peças: processo de aquecimento muito lento para evitar defeitos na superfície  A sinterização define a microestrutura, a composição de fases e as propriedades físico-químicas do componente Aplicações 49  Pós para MA - Cerâmicos e Metais Fusão em Cama de Pó - Power Bed Fusion Sinterização Seletiva a Laser – Selective Laser Sintering (SLS) o Polímeros, metais e compósitos Processo SLS o Design da peça em CAD o Espalhamento do pó com um rolo nivelador contra- rotativo (recoating) o Câmara de gás mantida a uma temperatura elevada o Laser de CO2 foca na camada e funde o material o Plataforma de construção reduzida por uma espessura de camada Cerâmicos o Processo Indireto  Os pós são misturados ou revestidos com ligantes poliméricos  Os ligantes poliméricos derretem e aglutinam as partículas  Partículas poliméricas podem ser derretidas pelo laser  Queima do ligante  Sinterização da peça Propriedades do pó e do ligante o Pós cerâmicos:  Densidade  Morfologia das partículas: partículas sub- o Ligantes poliméricos: micrométricas esféricas  Baixo ponto de fusão  Distribuição do tamanho das partículas  Baixa viscosidade  Comportamento de fluidez  Boa molhabilidade 50 Quantidade de ligante o Insuficiente: o Excessiva:  Aderência incompleta  Fração reduzida de volume do pó cerâmico  Delaminação  Elevada retração/deformação  Fraturas  Fraturas o Recomendação: A quantidade de ligante deve ser mínima, mas suficiente para alcançar as propriedades necessárias Preparação de pós cerâmicos o Método de mistura mecânica:  Pós cerâmicos e ligantes misturados durante um período específico  Boa fluidez e composição uniforme dos pós preparados o Método de dissolução-precipitação:  Os ligantes são colocados em um solvente orgânico e gradualmente dissolvidos por aquecimento, com agitação vigorosa, enquanto os pós cerâmicos são adicionados à solução.  A superfície das partículas cerâmicas é revestida com um filme formado pela cristalização do polímero após o arrefecimento da solução Mecanismo do SLS o Pós cerâmicos + ligantes: o Pós cerâmicos revestidos com ligantes:  A energia do laser atua principalmente nos  A taxa de absorção do laser pelos pós ligantes de baixo ponto de fusão revestidos é praticamente igual à do  Os ligantes entram em contacto com as próprio ligante partículas cerâmicas facilmente  As camadas de ligante absorvem a energia do laser e formam ligações entre as partículas Parâmetros de processamento do SLS 51 Pós-processamento de amostras verdes Porquê?: Aumentar a densidade e propriedades mecânicas das peças finais impressas o Infiltração:  Exemplo: Peças de carbeto de silício infiltradas com silício fundido, resultando num erro dimensional linear de 1% em comparação ao modelo CAD (erro de 250 μm em um modelo de 25 mm) o Prensagem isostática:  Exemplo: Componentes de alumina densificados por prensagem isostática a frio (CIP) e depois sinterizados para atingir densidade relativa de 94,6% o Exemplos de componentes:  Componentes porosos  Peças cerâmicas de cordierite  Componentes densos porosa preparadas por SLS (a)  eças cerâmicas obtidas por estrutura em favo de mel de furo SLS/CIP (d) SiC reto e (b) estrutura em rede de células giroóides Caso de Estudo: Cerâmicas dentárias 3Y-TZP fabricadas por SLS combinadas com CIP o Preparação de Materiais Cerâmicos  Mistura Mecânica  0,5% em peso de pó de MgO e 6,0% em peso de resina epóxi E12  Moagem com bolas (150 rpm/6 horas) o Parâmetros do laser SLS 𝑃 𝑒 = 𝐻𝑣 o Pós-processamento  CIP  Pressão: 280 MPa  Tempo: 5 minutos  Temperatura: Temperatura ambiente  RD - Densidade relativa 52 o Parâmetros de sinterização:  Aumento de temperatura a 2 °C/min até 325 °C  Aumento de temperatura a 0,5 °C/min até 575 °C, mantido por 1 hora  Aumento de temperatura a 2 °C/min até 800 °C, mantido por 1 hora  Aumento de temperatura a 5 °C/min até 1350 °C e, depois, 1550 °C por 3 horas o Densidade relativa final o Microestrutura  Superfície 3Y-TZP analisada por SEM o Tamanho médio de partícula o Resistência à flexão o Modelo CAD/Peças sinterizadas finais 53  Pós para MA - Metais Fusão em cama de pó Fusão Seletiva a Laser: SLM e Deposição por Feixe de Eletrões: EBM o Vários pós de ligas metálicas:  Alumínio  Aço  Níquel  Titânio  Cobre  Platina  Ouro o Os pós são materiais complexos – As propriedades do pó a granel podem diferir drasticamente com base em como as partículas individuais são montadas ou compactadas, assim como o número de partículas que compõem o material a granel  Muitos dos métodos de avaliação de pós atualmente utilizados foram originalmente desenvolvidos para processos de produção diferentes do PBF (Fusão em Cama de Pó). Exemplos incluem:  Taxa de fluxo Hall  Métodos de densidade compactada, que foram desenvolvidos para processos tradicionais de metalurgia do pó (PM)  Estes processos geralmente envolvem o carregamento de pós em cavidades ou moldes antes de compactá-los em uma peça "verde" Como produzir pós metálicos o Métodos Mecânicos e Químicos:  Moagem  Liga Mecânica  Eletrólise  Atomização (Água, Gás e Plasma): Atomização de gás: o Metais ou ligas metálicas são fundidos em um cadinho protegido, aquecido até que o líquido metálico alcance uma composição homogénea o O líquido metálico é direcionado para um bico de metal refratário e atomizado em pequenas gotas fundidas por um fluxo de gás inerte de alta pressão o Por fim, as gotas solidificam em partículas esféricas ou quase esféricas durante o processo de queda em uma câmara de gás inerte o Vantagens: Alta produtividade 54 Atomização de plasma o Um fio pré-qualificado é alimentado continuamente através do ápice de três jatos de tocha de plasma de árgon com arco não transferido. Simplificando, o fio começa a derreter e a ser atomizado em finas gotículas o Vantagens  Os pós são altamente esféricos e apresentam uma distribuição estreita de tamanho de partículas o Desvantagens:  Custo elevado Exemplos de atomização: o Pós atomizados (não em escala): o A otimização de peças em SLM requer, geralmente, o controlo dos principais parâmetros de processamento: 𝑃 𝐸 = 𝑣ℎ𝑡  E → Densidade de energia (J/mm3)  P → Potência do laser (W)  v → Velocidade de varredura (mm/s)  h → Espaçamento entre hachuras (μm)  t → Espessura definida para diminuir a plataforma de construção numa única camada durante o processo (μm) Problemas existentes no processo SLM Tensões Residuais: o O uso de energia de irradiação elevada no SLM cria gradientes térmicos que aumentam a acumulação de tensões residuais, propagando-se por várias camadas construídas  Isto pode levar a deformações térmicas severas, delaminação ou distorções (como o arqueamento da peça) 55 Balling: o Um defeito comum no SLM, onde ocorre a formação de pequenas esferas metálicas, que prejudica a ligação entre camadas, causa porosidade e degrada a qualidade da superfície  Altas velocidades de varredura  Uso insuficiente de potência laser, o que limita a formação do fundido Vaporização: o A fusão a laser que ocorre a níveis que excedem os limites de densidade de energia pode resultar no aumento da evaporação do fluido metálico para além do ponto de fusão do material, produzindo vapor metálico que facilita a formação de plasma o Baixa velocidade de varrimento → Elevada densidade de energia, a exposição prolongada sob irradiação laser pode induzir a ebulição da poça fundida e perturbar a sua estabilidade, induzindo pequenas bolas metálicas. Características do leito de pó são influenciadas por: o Morfologia - Partículas esféricas o Granulometria - A distribuição de tamanho de partículas (PSD) é um parâmetro dinâmico que varia durante armazenamento, distribuição e reciclagem do pó, induzindo variações no comportamento da matéria-prima o Química da superfície - Contaminação do pó o Densidade de compactação - Afetada pela distribuição de tamanho, morfologia, forças interpartículas, química de superfície e fluidez o Reologia (Fluidez) o Propriedades térmicas 56 Forças interpartículas o Pontes líquidas (devido ao líquido) o Forças capilares (devido ao líquido) o Forças de Van der Waals (forças moleculares) o Forças de valência (forças moleculares) o Forças eletrostáticas o Forças magnéticas o Forças de bloqueio (devido a irregularidades físicas) Propriedades térmicas o As propriedades térmicas do pó, como a absortividade e a condutividade, são parâmetros cruciais que afetam a absorção do laser, a formação do fundido e outros mecanismos relacionados com a transferência de calor no processo o Este processo de fusão envolve fenómenos físicos complexos e pode ser descrito como um sistema caótico. o Tipos de interações que podem ocorrer entre partículas e uma fonte laser Tamanhos das partículas de pó e a sua distribuição afetam a absorção do laser o O grau de absorção do laser varia com o número de partículas expostas sob a área da viga irradiada, sendo que uma maior absorção térmica é alcançada quando a densidade de empacotamento do pó aumenta o Uma elevada absorção é geralmente conseguida quando o empacotamento do pó aumenta o Importância do estudo:  Comportamento de empacotamento na cama de pó formada 57 Pó com uma distribuição de tamanho de partículas Gaussiana o Variações locais na estrutura do pó geram flutuações na absorção o Inserção à esquerda - A viga incidente atingiu principalmente pequenas esferas, com esferas maiores na periferia. Isto resulta numa maior absorção o Inserção à direita - Grande parte da potência incidente atingiu o substrato, resultando numa absorção reduzida Pó com uma distribuição de tamanho de partículas bimodal o Buracos na camada de pó são praticamente inexistentes o Os mínimos de absorção correspondem a situações em que a viga atinge principalmente uma esfera grande, com grande parte da luz a ser refletida diretamente (inserção à esquerda) o A maior absorção ocorre quando a viga atinge um conjunto local de pequenas esferas, como visto na inserção à direita o A diferença entre estes dois casos está relacionada com a razão entre o tamanho da viga e o tamanho das esferas irradiadas, sendo que uma maior razão oferece mais oportunidades para múltiplas reflexões 58 Quebra das propriedades do pó Fluidez Razão de Hausner o Densidade aparente e densidade de batida o HR < 1,25 significa comportamento de pó de fluxo livre o HR > 1,4 significa problemas de fluidez (propriedades coesas) 59 Ângulo de repouso (AOR): o A diferença angular entre a inclinação do montículo de pó acumulado e a base da placa o Valores de AOR inferiores a 30º representam boa fluidez  A coesão