Filamentos Compósitos – Um novo conceito em materiais de alta performance para impressão 3D

ADDITIVA 3D Printing Technologies

Fundamental para o desenvolvimento da manufatura aditiva a nível industrial, o mercado de materiais para impressão 3D vem crescendo constantemente ao longo dos últimos anos.

Em 2020, é esperado que o segmento de materiais ultrapasse a marca dos U$ 2 bi pela primeira vez, com forte crescimento tanto para polímeros quanto metais.

Segundo o Wholers report, em 2019 foram listados pouco mais de 1.700 materiais diferentes para manufatura aditiva – entre todas as técnicas. Em 2020, foram listadas 2.245 opções de materiais– o que representa um aumento de 30% em relação ao ano anterior.

Figura 1: Materiais disponíveis para todas as técnicas de manufatura aditiva nos últimos anos. Fonte: Wholers Report/2020.
Materiais disponíveis para todas as técnicas de manufatura aditiva nos últimos anos. Fonte: Wholers Report/2020.

 

Apesar dos números serem impressionantes, o cenário ainda está longe de ser o ideal. Os materiais também são responsáveis pela dificuldade da adoção da impressão 3D por grande parte das empresas.

Dentre os fatores citados, os custos e, principalmente, a disponibilidade de materiais de alta performance são apontados como as grandes barreiras.

Embora o custo dos materiais para impressão seja, algumas vezes, maior do que o seu similar convencional, podemos ficar otimistas em relação à diversidade de materiais para diferentes aplicações.

Começamos a observar um segmento diferente de materiais para impressão 3D que surge para atender às demandas mais exigentes da indústria, capaz de combinar propriedades que antes não poderiam ser encontradas em um único material: os materiais compósitos.

Muitos dos materiais utilizados hoje na impressão 3D FFF, como ABS, PLA, PET e PC, não possuem resistência mecânica, térmica ou química suficientes para produzir peças completamente funcionais – restringindo a aplicação da técnica à prototipagem.

O desenvolvimento de materiais compósitos é um caminho para superar essa limitação e ampliar o range de aplicações possíveis para a impressão 3D.

Mas, afinal, o que são os materiais compósitos?

São materiais que combinam propriedades que não podem ser atendidas de maneira isolada por materiais convencionais como ligas metálicas, cerâmicos e polímeros.

Eles são encontrados principalmente em aplicações na construção civil, setor automotivo e aeroespacial.

Em geral, buscamos a solução nos materiais compósitos quando queremos combinar duas ou mais das seguintes propriedades:

  • Baixa densidade;
  • Propriedades mecânicas superiores (dureza, tração, impacto);
  • Propriedades elétricas específicas;
  • Resistência a determinados agentes químicos.
Figura 2: Materiais compósitos na manufatura aeroespacial.
Materiais compósitos na manufatura aeroespacial.

 

Em uma definição estrutural, os compósitos são formados pela combinação de dois materiais, denominados matriz e reforço.

O material matriz é aquele responsável por conferir a estrutura do compósito, podendo ser um cerâmico, metal ou polímero.

Já o material reforço é responsável por realçar alguma de suas propriedades desejadas, sendo apresentado na forma de partículas, microesferas ou fibras.

Desta forma, as propriedades finais do compósito são dependentes da natureza dos materiais combinados e da proporção e formato do material de reforço.

Figura 3: Razão de Aspecto dos diferentes tipos de reforços
Razão de Aspecto dos diferentes tipos de reforços

A razão de aspecto é utilizada para descrever o formato e a regularidade do reforço e ela é calculada dividindo a maior dimensão pela mais curta.

 

Por exemplo, as microesferas de vidro são perfeitamente esféricas, com razão de aspecto igual à 1 e, portanto, respondem de maneira idêntica aos esforços mecânicos vindos de qualquer direção.

São utilizadas especificamente para aumentar a dureza e a resistência à compressão.

As fibras representam uma classe especial de reforços. Ao contrário das partículas esféricas, as fibras possuem uma elevada razão de aspecto, ou seja, elas se estendem ao longo de uma direção preferencial.

Se orientadas na mesma direção, as fibras têm o potencial de aumentar consideravelmente as propriedades mecânicas do material no qual elas estão dispersas.

Por exemplo, o módulo de elasticidade e a tensão máxima de tração no sentido das fibras são propriedades comumente melhoradas pela adição deste tipo de reforço.

Figura 4: Possíveis orientações das fibras inseridos em uma matriz.
Possíveis orientações das fibras inseridos em uma matriz.

Por que a impressão 3D de compósitos?

A verdade é que existe uma relação de benefício mútuo para os dois lados quando fazemos essa combinação.

A manufatura aditiva necessita dos materiais compósitos, pois estes possuem propriedades que não são atendidas por polímeros convencionais, podendo substituir os metais e os polímeros de alta performance, como PEEK, PPSU e Ultem em algumas aplicações.

Por outro lado, os compósitos também precisam da manufatura aditiva.

Apesar dos anos de grande progresso no desenvolvimento dos materiais compósitos, a sua forte dependência de métodos de fabricação manual e a falta de técnicas de fabricação automatizadas impediram que os compósitos fossem os materiais de escolha para produção de altos volumes, peças customizadas ou de geometrias complexas com qualidade consistente.

Materiais compósitos e a Impressão 3D FFF

Para impressão FFF (fused filament fabrication), os compósitos mais comuns são os de matriz polimérica reforçados com fibras curtas de vidro ou carbono.

Isso ocorre porque o processo de impressão destes materiais é idêntico ao dos filamentos plásticos convencionais e, por isso, eles podem ser impressos na grande maioria dos equipamentos FFF disponíveis no mercado.

O sistema é o mesmo: o filamento é fundido e depositado camada sobre camada até a formação da nossa peça final. São exemplos desta categoria os grades de Polipropileno reforçado com 30% de fibras de vidro (PP GF30) e Poliamida reforçada com 15% de fibras de carbono (PA CF15).

 

Figura 5: Representação dos principais componentes da impressão FFF. O processo para os compósitos de fibras curtas é o mesmo que aquele para filamentos de polímeros convencionais
Representação dos principais componentes da impressão FFF. O processo para os compósitos de fibras curtas é o mesmo que aquele para filamentos de polímeros convencionais

 

Durante o processo de impressão, devido à alta razão de aspecto, as fibras se alinham na direção do fluxo do filamento fundido. Isso permite a obtenção de melhores propriedades mecânicas na direção em que as fibras estão alinhadas.

Na tabela abaixo, apresentamos o efeito da adição de fibras de carbono nas propriedades mecânicas do Ultrafuse® PET (Polietileno tereftalato) e Ultrafuse® PET CF15 (Polietileno tereftalato com 15% de fibra de carbono), filamentos desenvolvidos pela BASF Forward AM – cujos valores foram obtidos após a realização de ensaios de tração e flexão, seguindo as respectivas normas ISO.

Tabela 1: Comparação de propriedades mecânicas entre o Ultrafuse® PET e o Ultrafuse® PET CF15.
Tabela 1: Comparação de propriedades mecânicas entre o Ultrafuse® PET e o Ultrafuse® PET CF15.

 

O PET é um material de fácil impressão, assim como o PLA, porém muito mais resistente.

As peças produzidas com este filamento apresentam ótima adesão entre as camadas e excelente resolução, podem ser aplicadas em contato com água e são 100% recicláveis.

Ao adicionarmos fibras curtas de carbono neste polímero, melhoramos as suas propriedades mecânicas sem comprometer as características básicas do material. Conforme apresentado na Tabela 1, a resistência máxima de tração praticamente dobra no Ultrafuse® PET CF 15, enquanto o módulo de elasticidade (indicativo da rigidez do material) mais do que triplica.

Outra importante vantagem da adição de fibras a um termoplástico é a melhora na sua resistência térmica, que pode ser entendida como uma melhor estabilidade dimensional em ambientes quentes – como por exemplo: motores de carros, painéis elétricos, etc.

Para exemplificar este efeito, a figura abaixo compara as temperaturas de deflexão térmica para o Ultrafuse® PA (Poliamida) e Ultrafuse® PAHT CF15 (Poliamida reforçada com 15% de fibras de carbono).

Figura 6: Temperatura de deflexão térmica (1,82 MPa), em °C, do Ultrafuse® PA e Ultrafuse® PAHT CF15. Fonte: BCN3D.
Figura 6: Temperatura de deflexão térmica (1,82 MPa), em °C, do Ultrafuse® PA e Ultrafuse® PAHT CF15. Fonte: BCN3D.

 

A poliamida é um dos materiais de engenharia mais utilizados em aplicações industriais, sendo conhecida por sua flexibilidade e durabilidade.

Ela permite a produção de peças com excelente resistência à fadiga e ao desgaste por abrasão, além de alta resistência ao impacto, mesmo com espessuras mais finas.

A adição de 15% de fibra de carbono transforma completamente a poliamida em um material extremamente rígido, capaz de suportar cargas mecânicas elevadas sem flexionar, mesmo a altas temperaturas.

De acordo com os dados do ensaio de HDT apresentados na figura 5, o PAHT CF15 suporta temperaturas 42% maiores que aquelas toleradas pelo PA puro. Segundo outras informações fornecidas pela BASF 3D Printing Solutions GmbH, as peças impressas com Ultrafuse® PAHT CF15 podem ser submetidas a temperaturas constantes de 150°C com picos de até 180°C, por um curto período.

Aspectos importantes da impressão 3D de compósitos:

Um dos principais pontos a serem melhorados na técnica de impressão 3D FFF de materiais compósitos (assim como para polímeros sem reforço) é a resistência mecânica das peças no sentido perpendicular à deposição do filamento – o eixo z, que é, geralmente, muito mais baixa do que aquela apresentada no plano de impressão.

Ao trabalharmos com filamentos reforçados com fibras curtas, a anisotropia do material fica mais evidente, uma vez que aumentamos ainda mais a resistência mecânica na direção de deposição.

Por isso, é extremamente importante pensar o design da peça e sentido da impressão de acordo com a direção das tensões às quais a peça será submetida efetivamente quando em uso.

Figura 7: Representação do processo de impressão 3D de materiais compósitos de fibras curtas. As fibras se alinham no sentido da deposição do material fundido.
Figura 7: Representação do processo de impressão 3D de materiais compósitos de fibras curtas. As fibras se alinham no sentido da deposição do material fundido.

 

A adição das fibras ao polímero não afeta somente as propriedades físicas, mecânicas, ou químicas do material, ela afeta também a facilidade com a qual o material pode ser impresso.

No estado fundido, a presença de partículas sólidas e rígidas, como é o caso das fibras, aumenta a viscosidade do polímero – isso quer dizer é necessário atingir temperaturas mais altas no extrusor para garantir o fluxo ideal.

Outro aspecto a ser levado em conta é o efeito abrasivo das fibras. O uso de fibras de carbono, e especialmente de vidro, pode resultar em um desgaste considerável do nozzle (bico de impressão) em um período curto.

Por isso, quando se imprime com filamentos de materiais compósitos, é recomendado sempre trabalhar com o nozzle de um material resistente à abrasão, como aço endurecido, carbeto de tungstênio ou rubi.

Figura 8: Nozzle com ponteira em Rubi - Material resistente ao desgaste por abrasão, indicado para a impressão de filamentos compósitos. Fonte: ALL3DP.
Figura 8: Nozzle com ponteira em Rubi – Material resistente ao desgaste por abrasão, indicado para a impressão de filamentos compósitos. Fonte: ALL3DP.

Portfólio de filamentos compósitos

Comprometida com o desenvolvimento da manufatura aditiva a nível industrial, a BASF 3D Printing Solutions GmbH desenvolveu diferentes grades de filamentos compósitos, que atendem demandas extremamente exigentes e permitem que o usuário explore por completo o potencial da impressão 3D.

Confira abaixo algumas características dos materiais compósitos da linha Ultrafuse®:

Ultrafuse® PET CF15: 

Ultrafuse® PET CF 15 contém 15% de fibra de carbono e foi desenvolvido para que o usuário da impressão 3D produza peças completamente funcionais.

Sua elevada estabilidade dimensional e baixíssima absorção de umidade tornam ele um material ideal para aplicações em contato com água.

Ultrafuse® PET CF 15 combina resistência a altas temperaturas, resistência à tração e elevada rigidez, tudo isso mantendo as características do PET puro, como facilidade de impressão, excelente adesão entre camadas e acabamento superficial.

  • Mais fácil processamento entre os filamentos compósitos
  • Baixíssima absorção de umidade
  • Elevada rigidez e resistência à tração
  • Custo extremamente acessível
Figura 9: Ultrafuse® PET CF15
Figura 9: Ultrafuse® PET CF15

 

Poliamida de alta temperatura reforçada: Ultrafuse® PAHT CF15

A Poliamida de alta temperatura reforçada com 15% de fibra de carbono combina resistência química e a altas temperaturas com propriedades mecânicas extremas.

É um material sofisticado que abre novas possibilidades no campo da impressão 3D. A poliamida, classe à qual o nylon pertence, é um termoplástico que possui ampla aplicação no setor automotivo, peças expostas ao calor, proteção de equipamentos eletrônicos e ambientes industriais exigentes.

O grade utilizado para a produção deste filamento possui maior resistência química que a grande maioria das poliamidas, além de uma maior estabilidade dimensional.

A combinação com fibras de carbono no Ultrafuse PAHT CF15 faz com que o material:

  • Excelente resistência à tração e rigidez – Maior entre os compósitos
  • Resistência a temperaturas de até 150°C, com picos temporários de até 180°C valores extremamente significantes para um polímero!
  • Pode ser combinado com o filamento de suporte solúvel em água para produção de peças com geometrias complexas – Ultrafuse® BVOH.
Figura 10: Ultrafuse® PAHT CF15
Figura 10: Ultrafuse® PAHT CF15

A combinação da poliamida com as fibras de carbono neste material traz ainda uma outra característica muito importante: a propriedade antiestática, ou como é conhecido, ESD safe.

As fibras são adequadas para desviar certas correntes de falhas. Isso significa que o material pode ser utilizado em tampas de equipamentos eletrônicos e peças de carcaças, por exemplo.

Ultrafuse® PP GF30:

Ultrafuse® PP GF30 combina a baixa densidade e a resistência química do polipropileno com a rigidez e a estabilidade dimensional proporcionadas pelo reforço de fibras de vidro.

Foi desenvolvido para produção de elementos estruturais rígidos, como eixos, barras e suportes, e peças que serão expostas a ambientes agressivos e úmidos ou em contato com produtos químicos.

  • Produção de peças extremamente rígidas e leves
  • Resistência à umidade e radiação UV
  • Resistência a diversos químicos
  • Ampla faixa de trabalho da peça final: -20°C à 120°C

 

Figura 11: Ultrafuse® PP GF30
Figura 11: Ultrafuse® PP GF30

O polipropileno é um dos termoplásticos mais utilizados em diferentes indústrias, especialmente no setor automotivo. No entanto, a produção de filamentos com alto teor de reforço sempre foi uma grande dificuldade. Ultrafuse® PP GF30 contém 30% de fibras de vidro especiais desenvolvidas exclusivamente para a produção de filamentos e impressão 3D.

Isso garante que a peça impressa seja extremamente funcional sob maiores temperaturas e cargas mecânicas que aquelas suportadas pelo PP puro. Devido a sua resistência a radiação UV, o PP GF30 é um material adequado para aplicações que são diretamente expostas a luz solar.

Impressoras compatíveis com os filamentos compósitos Ultrafuse®

O processo de impressão dos filamentos de materiais compósitos é o mesmo que aquele para os polímeros convencionais. Sendo assim, é possível imprimir com filamentos compósitos na grande maioria dos equipamentos disponíveis no mercado. A impressora deve apenas atingir os seguintes critérios:

  • Atingir os ranges de temperatura de extrusão e mesa descritos nos datasheets técnicos individuais de cada material. Dentre os materiais da linha Ultrafuse®, a maior temperatura do extrusor necessária é de até 280°C e para a mesa 120°C.
  • Nozzle em material resistente ao desgaste por abrasão. Em alguns casos, este acessório pode ser obtido separadamente do equipamento, abrindo ainda mais o leque de opções de impressoras compatíveis.

A lista de equipamentos habilitados é muito grande e inclui tanto fabricantes nacionais quanto internacionais. Alguns exemplos são apresentados abaixo, porém, é muito importante ressaltar que a lista não se limita a apenas equipamentos destas marcas:

Figura 12: Fabricantes de impressoras 3D com pelo menos um modelo de equipamento compatível com os filamentos compósitos BASF Ultrafuse®.
Figura 12: Fabricantes de impressoras 3D com pelo menos um modelo de equipamento compatível com os filamentos compósitos BASF Ultrafuse®.

 

Considerações finais: Materiais de Alta Performance para impressão 3D

Por muito tempo, a disponibilidade de materiais de alta performance foi um fator limitante na adoção da impressão 3D por parte da indústria.

Hoje, os desenvolvimentos da BASF 3D Printing Solutions GmbH em filamentos de materiais compósitos, especialmente aqueles com fibra de vidro e carbono, abrem novas possibilidades para as empresas.

Em busca da competitividade no mercado, as indústrias precisam produzir mais e melhor pelo menor custo possível. Para atingir estes objetivos, deve-se eliminar gargalos na produção, desperdício de tempo, garantir que os equipamentos funcionem na sua melhor performance e, em muitos processos, não interromper a linha de produção.

Sabemos que a incorporação da impressão 3D na indústria garante a capacidade de personalização e aumento da produtividade.

Rotinas internas passam a ser mais eficazes, a criação de protótipos e desenvolvimento de peças e ferramentas se torna mais rápida e, também, mais econômica.

As tecnologias oferecidas hoje no Brasil pela ADDITIVA 3D Printing Technologies permitem que o usuário desenvolva cada vez mais aplicações funcionais, onde são exigidas propriedades rigorosas sem que ocorra o comprometimento da facilidade do processamento.

Tudo isso acelera a criação de novos produtos e possibilita atender as demandas mais exigentes do mercado.

Consulte a Additiva – Empresa de destaque no GuiaQD.

 

ADDITIVA 3D Printing Technologies

Tecnologias de Impressão 3D. Impressão 3D em Metal, Filamentos Plásticos, Pó Metálico e Polímeros. Serviços de Pós Processamento. Debinding e Sinterização.

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Referências:

 

Bruno da Costa Oliveira - 3D
Bruno da Costa Oliveira

 

Autor: Bruno da Costa Oliveira

Engenheiro de Materiais pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul
Coordenador de Negócios da ADDITIVA 3D Printing Technologies

 

Por: Bruno da Costa Oliveira Engenheiro de Materiais pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul e Coordenador de Negócios da ADDITIVA 3D Printing Technologies.

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