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

Plastico Moderno
12 de abril de 2021
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    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

    Figura 3: 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.

    Figura 4: 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

    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

    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.



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