Encolhimento de peças em impressão 3D e Warping

Nota: Este guia trata dos conceitos de forma geral e sem focar em uma marca ou modelo específico, embora possam ser citados em algum momento. Pode haver diferenças importantes nos procedimentos de calibração ou ajuste entre diferentes marcas e modelos, por isso é recomendável consultar o manual do fabricante antes de ler este guia.

Durante a impressão, o plástico extrudido a alta temperatura sofre uma retracção de volume devido ao arrefecimento. Em alguns materiais de impressão 3D como o PLA esta retracção é muito baixa (entre 0.3% e 0.5%), pelo que não é normalmente problemática, contudo outros materiais como o nylon 12 podem ter até 2% de retracção ou no caso do PVDF mesmo até 4%, causando deformações significativas nas peças.

Tabela 1. Retracção percentual de vários plásticos utilizados na impressão 3D FFF. Fonte: SpecialChem.com

Esta retracção é uma percentagem do tamanho da peça, pelo que se deve ter em conta que peças muito grandes impressas em materiais de baixa retracção podem ser mais problemáticas do que peças pequenas em materiais de alta retracção. É por isso que uma peça com uma base de 20 x 20 cm feita de ABS pode ter um risco de falha maior do que uma peça de 5 x 5 cm feita de ABS.

Quando o arrefecimento da peça é muito rápido e irregular, principalmente devido a uma alta diferença entre a temperatura ambiente e a temperatura de impressão, a peça encolhe desigualmente, causando deformações nas extremidades da peça. Este fenómeno é conhecido como warping. O warping tem duas consequências básicas:

1. Se a aderência entre camadas não for boa, faz com que as camadas se separem.
2. Se a aderência à base não for boa, faz com que a peça se levante.

Imagem 1: Explicação do fenómeno de warping. Fonte: rigid.ink

Em qualquer uma das situações acima referidas, a consequência é que a deformação da peça provocará o seu levantamento ou descolamento, resultando numa colisão com a cabeça de impressão e causando a falha da impressão.

Para compensar o efeito de retracção das peças

A retracção das peças durante o arrefecimento é inevitável, contudo é possível evitar ou minimizar o risco de falha de várias maneiras:

• Evitar o encolhimento da peça durante o processo de impressão.
  Esta é a solução ideal, que garantirá as peças da mais alta qualidade e evitará deformações. Consiste em manter a peça a uma temperatura igual ou ligeiramente superior à Tg do material durante todo o processo de impressão, o que evitará que a peça comece a encolher durante o processo de impressão. Uma vez terminado, arrefecerá lentamente, conseguindo uma retracção uniforme da peça sem deformação, ao mesmo tempo que evita tensões internas. Isto requer uma impressora com uma câmara aquecida capaz de atingir temperaturas adequadas para cada material.
• Para conseguir uma aderência suficiente na base para evitar que a peça se desfaça ao encolher.
  Quando uma câmara aquecida não está disponível, é possível reduzir o risco de falha, aumentando a ligação entre a primeira camada e a base. Se esta ligação for capaz de resistir às tensões causadas durante a retracção, a peça não se destacará da base e será possível terminar a impressão com sucesso. Quanto maior for o tamanho da peça, maiores serão as tensões e portanto maior será a aderência necessária. É por isso que o risco de falha aumenta com o tamanho da peça e diz-se frequentemente que os materiais propensos ao warping apenas permitem que pequenas peças sejam feitas em impressoras sem uma câmara aquecida.
• Conseguir uma boa ligação entre camadas.
  Se as forças de ligação entre a primeira camada e a base forem maiores do que as entre camadas, pode ocorrer um problema de separação ou delaminação de camadas.

Imagem 2: Efeito de separação de camadas devido ao encolhimento durante o arrefecimento. Fonte Geeetech.com

Na realidade, o limite de tamanho no fabrico de qualquer peça em FFF dependerá da força de ligação entre a primeira camada e a base e das forças de coesão entre camadas serem capazes de compensar as tensões de tracção, cisalhamento, rasgamento e descasque geradas à medida que a peça encolhe durante o arrefecimento..

A magnitude destas tensões dependerá de três factores: o volume da peça, o coeficiente de retracção do material e a temperatura ambiente de impressão.

Para reduzir o risco de falha, será necessário aumentar tanto quanto possível a aderência da peça à base e entre camadas, e reduzir as tensões geradas pela peça.

As seguintes estratégias podem ser utilizadas para melhorar a aderência da peça à base:

• Melhorar a ligação adesiva: utilizando soluções adesivas específicas do material para maximizar a força de ligação.

Imagem 3: Adesivos específicos de impressão 3D. Fonte: magigoo.com

• Aumentar a extrusão da primeira camada: mais material aplicado a pressões mais elevadas aumentará a superfície de contacto efectiva, melhorando a ligação.
• Manter a superfície limpa e livre de defeitos: A presença de pó ou outra sujidade reduz criticamente a adesão de peças.
• Aumentar a superfície de contacto com a base: A aplicação de uma borda (Brim) à peça nas primeiras camadas aumentará a superfície de contacto com a base sem aumentar as tensões na peça. Isto também ajudará a aumentar a força da ligação.
• Evitar os cantos e as arestas arredondadas em contacto com a base. Os cantos são pontos de acumulação de stress e são as áreas onde a peça começará a descascar. Arestas arredondadas em contacto com a base reduzem a superfície de contacto com a base e aumentam as tensões na peça. É melhor evitar este tipo de elemento no desenho da peça, mas quando tal não for possível, a aplicação de uma borda nas peças minimizará os seus efeitos.

As seguintes estratégias podem ser utilizadas para reduzir as tensões na peça de trabalho:

• Reduzir o volume de material na peça: isto pode ser feito através da optimização do padrão de enchimento. Isto pode ser feito reduzindo a percentagem de enchimento na peça e compensando a perda de propriedades, utilizando um maior número de perímetros ou optimizando a orientação do padrão.
• Utilizar materiais com um baixo coeficiente de retracção: Entre os materiais que satisfazem os requisitos técnicos da peça devem ser procurados materiais com um coeficiente de retracção mais baixo. Os materiais carregados com fibras ou partículas têm geralmente coeficientes de retracção mais baixos e em muitos casos oferecem propriedades mecânicas superiores, o que também ajuda a reduzir a densidade de enchimento sem perder as propriedades.
• Aumento da temperatura ambiente de impressão: impressoras de câmara fechada ou passiva, embora não atinjam temperaturas tão elevadas como as impressoras com câmara aquecida activa, podem em muitos casos manter temperaturas estáveis entre 50 e 70 °C, graças ao calor irradiado pela base de impressão. Uma estratégia comum é aquecer a base e segurá-la durante 10-15 minutos antes da impressão.

As seguintes estratégias podem ser utilizadas para melhorar a ligação entre camadas:

• Reduzir a altura da camada: Uma altura mais baixa da camada significa uma melhor coesão entre camadas.
• Aumentar a temperatura e reduzir a velocidade do ventilador de revestimento: Uma temperatura mais alta e um arrefecimento mais lento também proporcionarão uma melhor ligação por camadas.
• Aumentar o fluxo: Esta opção não é recomendada, uma vez que alterará as dimensões e tolerâncias das peças. No entanto, um caudal mais elevado tem um efeito semelhante ao obtido pela redução da altura da camada, mas sem aumentar os tempos de impressão.

Como determinar o volume máximo de impressão para cada material

É possível determinar o volume ou tamanho máximo seguro ao fabricar peças com um determinado material na nossa impressora. Para tal, temos de seguir os seguintes passos:

• Preparar um perfil de impressão adequado. O tamanho máximo da peça está ligado a este perfil em particular. Se for produzida uma variante deste perfil, o volume máximo deve ser re-determinado se algum dos parâmetros seguintes for alterado:
• Temperatura de impressão
• Temperatura de base
• Altura da primeira camada
• Altura da camada
• Taxa de fluxo de extrusão
• Velocidade da primeira camada
• Padrão de enchimento
• Densidade de enchimento
• Número de perímetros
• Procurar a melhor superfície de aderência disponível. É aconselhável utilizar revestimentos líquidos optimizados para o material de impressão a ser utilizado, e reaplicá-los antes de cada impressão.
• Assegurar que as condições de temperatura e humidade na sala onde se encontra a impressora são constantes.

Uma vez realizadas estas etapas preliminares, será necessário fazer testes iterativos até se encontrar o tamanho máximo. Para este fim, será utilizado um cubo com as arestas paralelas ao eixo Z arredondadas e com um tamanho de aproximadamente metade da base de impressão.

Seguindo este esquema é possível determinar o tamanho máximo seguro de impressão para um determinado material e combinação de perfis numa determinada impressora.

Uma vez determinado o volume máximo seguro, qualquer parte contida dentro desse volume deverá poder ser produzida praticamente sem risco de falha.

Para ter uma margem de segurança, recomenda-se activar a opção de margem (brim)  no perfil de impressão ao imprimir peças de tamanho máximo (esta função não deve ser utilizada durante a determinação iterativa do tamanho máximo).