A cada vez é mais comum encontrar filamentos de materiais compostos. Estes materiais estão formados por uma matriz de plástico e um recheado de partículas ou fibras. O objetivo deste recheado pode ser muito variado, desde aumentar as propriedades mecânicas finais do material até melhorar o seu aspeto estético ou acrescentar uma nova propriedade como condutividade. Assim podemos encontrar três tipos de materiais compostos:
Materiais reforçados com fibras
Trata-se de materiais cujo objetivo é melhorar as propriedades mecânicas generais da matriz. A matriz plástica pode ser qualquer material de impressão 3D enquanto os reforços mais empregados são fibra de vidro, fibra de carbono e fibra de aramida.
- Fibra de Vidro: Contribui uma maior resistência ante esforços de tração. Apresenta boa flexibilidade e melhora a resistência a flexão. Proporciona uma maior temperatura de trabalho ao material final.
- Fibra de Carbono: Ao igual que a fibra de vidro, aumenta a resistência a tração e flexão, no entanto proporciona uma maior rigidez.
- Fibra de Aramida: Destaca principalmente pela sua elevada resistência a impactos e a fadiga.
Os filamentos reforçados com fibras consideram-se materiais técnicos e estão destinados principalmente à produção de componentes funcionais de alto rendimento. De modo geral podemos encontrar materiais com cargas compreendidas entre o 10% e o 20%.
Imagem 1: Peça impressa com Nylon reforçado com fibra de carbono. Fonte: Fillamentum
Os materiais reforçados com fibras mais frequentes são aqueles baseados em nylon, no entanto a cada vez é mais frequente encontrar outro tipo de matrizes como o ABS, ou PLA, o PC ou especialmente o PETG.
Materiais com cargas de função estética
Trata-se de materiais carregados com diversos tipos de partículas e fibras, cuja principal função é variar o acabamento estético do material de base. Podemos encontrar principalmente 4 tipos de cargas:
- Fibras ou partículas de madeira: Trata-se de materiais com uma elevada carga de partículas ou fibras vegetais cuja função é proporcionar um acabamento similar à madeira.
- Partículas minerais ou cerâmicas: Geralmente partículas de gesso com diferentes colorantes. Empregam-se para conseguir acabamentos similares à cerâmica, pedra ou arcilla.
- Fibras vegetais: Empregam-se principalmente com PLA. A sua função é proporcionar um acabamento mate.
- Partículas fosforescentes: O material mais empregado é o pó de aluminato de estroncio, que proporciona um característico brilho verde. Emprega-se nos filamentos “Glow” ou que brilham na escuridão.
Imagem 2: Carro de brinquedo produzido com PLA carregado com fibras de madeira. Fonte: Fillamentum
De modo geral, este tipo de cargas combinam-se com uma matriz de PLA para maximizar a compatibilidade com todo o tipo de impressoras, já que não se procura um bom comportamento mecânico, senão um acabamento estético concreto.
Materiais com cargas que proporcionam novas propriedades
Em algumas ocasiões, a função das cargas não é melhorar as propriedades próprias da matriz, senão contribuir uma nova propriedade física. As mais comuns são a condutividade mediante o uso do grafeno e o magnetismo através de partículas de ferrita, embora é possível encontrar outras mais exóticas como o blindaje electromagnético proporcionado pelo carburo de boro.
Video 1: Peça fabricada com filamento ferromagnético. Fonte: Protopasta
Trata-se de materiais menos comuns e desarrollado para determinadas aplicações específicas.
Materiais com cargas metálicas e cerâmicas para sinterizado
Trata-se de filamentos com uma alta carga de pó metálico ou cerâmico, destinados à impressão de peças que posteriormente processar-se-ão mediante tratamentos de debinding e sinterizado. De modo geral, a matriz está composta por materiais de baixa temperatura baseados em PLA ou ceras para facilitar as tarefas de debinding, que pode ser térmico, químico ou uma combinação de ambos.
Como imprimir filamentos com cargas
Seleção do diâmetro de boquilha
Alguns filamentos com cargas requerem o uso de boquilhas com diâmetros superiores a 0.4. De modo geral, os fabricantes de filamentos com cargas incluem na ficha técnica o tamanho mínimo de boquilha recomendado, no entanto em caso de não o especificar, se deve ter em conta as seguintes indicações:
- Fibra de vidro: É recomendável empregar sempre boquilhas de ao menos 0.6 mm, como costuma incluir fibras de grande tamanho.
- Fibra de carbono: Se especifica-se que o filamento emprega fibra curta, é provável que se possa empregar uma boquilha de 0.4 mm sem risco de sofrer obstruções. No caso de que não se especifique que contém fibra curta, se recomenda começar com uma boquilha de 0.6 mm e provar a usar uma de 0.4 mm quando já se tenha conseguido imprimir satisfatoriamente com a boquilha de maior tamanho.
- Fibra de aramida: Recomenda-se começar com uma boquilha de 0.6 mm e provar a usar uma de 0.4 mm quando já se tenha conseguido imprimir satisfatoriamente com a boquilha de maior tamanho.
- Fibras ou partículas de madeira: É recomendável usar sempre boquilhas de ao menos 0.6 mm, e em alguns casos inclusive de 0.8 mm.
- Partículas minerais ou cerâmicas: Salvo naqueles casos nos que a carga seja muito alta, de modo geral é possível imprimir este tipo de filamentos com boquilhas de 0.4 mm.
- Fibras vegetais: Recomenda-se começar com uma boquilha de 0.6 mm e provar a usar uma de 0.4 mm quando já se tenha conseguido imprimir satisfatoriamente com a boquilha de maior tamanho.
- Partículas Fosforescentes: De modo geral é possível imprimí-los com boquilhas de 0.4 mm.
- Partículas com cargas metálicas ou cerâmicas: Costuma existir bastante variabilidade de um material a outro e inclusive entre o mesmo material de vários fornecedores diferentes. Se o fabricante não especifica um tamanho mínimo, é recomendável começar sempre com uma boquilha de 0.6 mm e provar a usar uma de 0.4 mm quando já se tenha conseguido imprimir satisfatoriamente com a boquilha de maior tamanho. Em alguns materiais concretos pode ser necessário empregar boquilhas de 0.8 mm.
Imagem 3: Boquilhas de diferentes diâmetros. Fonte: E3D
Uso de boquilhas endurecidas e desgaste de componentes
Deve-se ter em conta que todos os filamentos com cargas produzem um maior desgaste nos componentes do hotend e o extrusor, especialmente na boquilha, o heatbreak, as rodas do extrusor e os canos ou insertos de PTFE.
Alguns filamentos são especialmente abrasivos, como os filamentos de fibra de carbono, aramida e vidro ou partículas metálicas, cerâmicas e fosforescentes. Quando se usem estes filamentos é recomendável empregar boquilhas endurecidas.
Imágen 4: Comparativa de desgaste de boquilhas de diferentes materiais. Fonte: 3DVerkstan
No caso de empregar habitualmente este tipo de filamentos abrasivos, é recomendável empregar, além de boquilhas endurecidas, heatbreaks de materiais mais resistentes como o titanio e extrusores com rodas de aço endurecido. Além disso, deverá revisar-se periodicamente o estado destes componentes, junto do dos canos e insertos de PTFE, e substituí-los quando apresentem sinais de desgaste.
Velocidade e temperatura de impressão
Os filamentos reforçados com cargas apresentam uma maior viscosidade que o seu equivalente sem cargas, pelo que é recomendável empregar velocidades máximas de impressão menores. Também pode ser necessário empregar temperaturas de impressão ligeiramente superiores para reduzir a viscosidade quando se empregam velocidades de impressão elevadas.
Aderência à base e warping
Os filamentos com cargas geralmente sofrem uma menor contração durante o enfriamento, o que os faz menos propensos ao warping. Quanto maior seja a proporção de fibras ou partículas menor será a contração.
Por outro lado, as cargas também costumam ter efeito na aderência do material à base de impressão, se reduzindo ligeiramente. É recomendável empregar soluções de aderência como adesivos ou lacas quando se usem este tipo de filamentos, especialmente aqueles com uma elevada percentagem de carga.
Fragilidad dos filamentos
Uma característica geral dos filamentos carregados com partículas é a sua maior fragilidade, especialmente os que possuem altas percentagens de carga ou que estão baseados em PLA. É por isto que é muito importante posicionar adequadamente a bobina, de forma que o percurso até o extrusor seja o mais reto e curto possível. Além disso, é aconselhável o uso de extrusores diretos, embora alguns destes filamentos podem ser impressos também em impressoras bowden. Neste último caso é recomendável posicionar os canos de PTFE de forma que tenham a maior rádio de curvatura possível, bem como posicionar as peças na parte frontal da base de impressão.
Imagem 5: Portabobinas colocado diretamente sobre o extrusor para alimentar de forma reta o filamento. Fonte: Raise3D
Os filamentos com cargas são uma categoria especial que engloba materiais muito diversos, e que geralmente requerem configurações especiais de impressão. É por isto que se recomenda sempre consultar toda a informação facilitada pelo fabricante e seguir os seus conselhos de impressão.
Neste guia tratam-se os conceitos de forma geral e sem focar em uma marca ou modelo concreto, embora possam-se mencionar em algum momento. Podem existir diferenças importantes nos procedimentos de calibragem ou ajuste entre diferentes marcas e modelos, pelo que se recomenda consultar o manual do fabricante antes de ler este script.
