Filamentos solúveis para suporte

Uma das principais limitações da impressão 3D FFF em comparação com outras tecnologias de fabrico de aditivos é a necessidade de que a área impressa de cada camada seja suportada por uma camada impressa anterior. Isto significa que qualquer parte da peça com uma saliência superior a 45º ou qualquer ponte com mais de 10 mm requer estruturas de apoio.

Em impressoras 3D FFF de extrusão única, a única opção para gerar estruturas de suporte é utilizar o mesmo material de impressão que a peça. Estes suportes devem ser removidos mecanicamente após a impressão estar completa, e várias estratégias são utilizadas para facilitar isto, tais como fazer estes suportes com estruturas de baixa densidade e deixar uma camada de separação entre o suporte e a peça. Graças a isto, os suportes podem ser removidos manualmente sem a utilização de ferramentas, embora os acabamentos das superfícies em contacto com os suportes sejam muitas vezes mal acabados.

Imagem 1: Suportes de peças impressas em 3D. Fonte: 3DHubs

Nas impressoras 3D FFF com extrusoras duplos, a gama de opções expande-se, uma vez que não é necessário utilizar o mesmo material para a peça e para os suportes. Isto abre a porta à utilização de materiais que são solúveis em solventes que não dissolvem o material da peça. Isto torna possível a utilização de suportes densos em contacto com a peça que garantem um excelente acabamento na superfície de contacto.

Imagem 2: Extrusor duplo de Raise3D Pro2. Fonte: Raise3D

Existem múltiplos filamentos de suporte solúveis disponíveis, contudo nem todos são iguais ou têm a mesma compatibilidade. Ao seleccionar um material de suporte solúvel, é importante ter em conta uma série de características que garantam a compatibilidade com o material de impressão utilizado. Estas características são:

• Deve ser solúvel num solvente que não danifique ou prejudique as propriedades do material utilizado na peça.

• Deve ser termicamente compatível com o filamento da peça, pelo que deve ter temperaturas de impressão e de base semelhantes, bem como temperaturas de amolecimento semelhantes.
• Deve ter uma boa aderência com o material utilizado na peça.
• Deve ser fácil de imprimir e ter boa aderência entre camadas.

Neste momento é possível encontrar principalmente três tipos de materiais de suporte solúveis:

• Filamentos solúveis em solvente orgânico
• Filamentos solúveis em água, utilizando um activador
• Filamentos solúveis em água

FILAMENTOS SOLÚVEIS EM SOLVENTES ORGÂNICOS.

Estes são materiais com propriedades semelhantes ao material utilizado na peça mas que podem ser dissolvidos num solvente que não ataca ou dissolve o material que eles complementam.

Actualmente não existem muitas opções deste tipo de filamentos, principalmente devido a dois problemas: por um lado, os materiais com propriedades físico-químicas semelhantes que os tornam compatíveis entre si também causam que, em geral, o seu comportamento na maioria dos solventes é semelhante, pelo que é difícil encontrar um solvente adequado. Por outro lado, muitos destes solventes orgânicos são altamente tóxicos ou não são acessíveis à maioria dos utilizadores, além de exigirem um tratamento especializado de resíduos.

Imagem 3: D-Limoneno. Fonte: Filament2print

O filamento mais utilizado deste tipo é o HIPS, cujas propriedades o tornam compatível com a maioria dos materiais baseados em ABS e ASA. Para além de ter propriedades térmicas semelhantes, tem uma boa aderência com estas. É actualmente um dos materiais de suporte mais utilizados, não só devido à sua compatibilidade com ABS, mas também devido ao seu baixo custo e porque é solúvel em D-Limoneno, um solvente orgânico acessível, barato e de baixa toxicidade.

FILAMENTOS SOLÚVEIS EM ÁGUA ATRAVÉS DA UTILIZAÇÃO DE UM ACTIVADOR.

Estes são polímeros baseados em ATP (terpolímeros de acrilato). Este tipo de materiais têm a característica de serem solúveis em soluções alcalinas. Têm excelente compatibilidade com materiais baseados em ABS e ASA, e também podem ser utilizados com policarbonato (embora a sua compatibilidade seja um pouco menor).

Não são directamente solúveis em água, uma vez que requerem água para ter um pH alcalino, pelo que é necessário utilizar um activador constituído por um tampão, tal como o 3DWash.

Imagem 4: 3DWash. Fonte: Traxer

São uma alternativa perfeita à HIPS, não só porque não requerem a utilização de solventes orgânicos, mas também porque são filamentos desenvolvidos e aditivados especificamente para utilização como material de suporte, pelo que geralmente dissolvem-se mais rapidamente e deixam menos resíduos por parte.

Vídeo 1: Vídeo de apresentação do PolyDissolve S2. Fonte:Polymaker

Os filamentos representativos são o PolyDissolve S2 e o Z-SUPPORT ATP.

FILAMENTOS SOLÚVEIS EM ÁGUA

Um dos principais objectivos dos fabricantes tem sido a obtenção de filamentos de suporte solúveis directamente em água. Isto porque não requer solventes orgânicos ou soluções alcalinas, tornando-a a alternativa mais segura e mais acessível para a maioria dos utilizadores.

É por isso que é a categoria com a maior variedade de materiais diferentes, e com opções compatíveis com uma vasta gama de filamentos.

Dentro dos filamentos solúveis em água, dois tipos podem ser distinguidos:

Filamentos solúveis em água compatíveis com materiais de baixa temperatura: são filamentos à base de PVA (álcool polivinílico) ou BVOH (álcool vinílico butenodiol). Ambos os materiais têm excelente compatibilidade com PLA e podem ser utilizados com PA (embora a sua compatibilidade não seja tão boa). O BVOH pode ser considerado como uma evolução do PVA e tem uma série de vantagens sobre ele, tais como uma maior compatibilidade com o PETG ou mesmo com alguns filamentos flexíveis e uma maior taxa de dissolução em água fria. Alguns filamentos de PVA são LAY-PVA ou PVA Raise, enquanto que Mowiflex ou Z-SUPPORT Premium são baseados em BVOH.

Vídeo 2: Comparação entre o PVA e o BVOH. Fonte: BCN3D

Filamentos solúveis em água compatíveis com materiais de alta temperatura: Estes são os filamentos de suporte mais avançados actualmente disponíveis. São constituídos por um material composto por uma mistura de um polímero solúvel em água (semelhante aos anteriores) e um açúcar, geralmente trealose, um polissacarídeo rapidamente solúvel em água e com alta estabilidade térmica. A proporção entre polímero e açúcar, juntamente com a utilização de certos aditivos específicos de cada fabricante, torna possível obter diferentes formulações de materiais solúveis em água que são compatíveis com materiais numa vasta gama de temperaturas, de ABS a PEEK ou ULTEM.

Imagem 5: Peça de PA-CF com suportes feitos de Aquatek X1. Fonte: 3DXTech

Alguns filamentos como Aquasys 120 ou Aquatek X1 são compatíveis com PLA, bem como ABS, ASA, PA, PETG ou certos filamentos flexíveis. Aquasys 120 também pode ser utilizado com PC ou PP. Além disso, ambos os materiais podem suportar temperaturas de câmara até 120°C e são, portanto, também adequados para utilização em impressoras industriais.

Um passo acima é Aquasys 180, provavelmente o material de suporte mais avançado e mais compatível disponível hoje em dia. Além de ser compatível com os mesmos materiais que Aquasys 120, pode ser utilizado com PEKK, PEEK, ULTEM e PPSU porque pode resistir a temperaturas de câmara até 180°C.

Imagem 6: Peça com suportes feitos de Aqusys 180. Fonte: Infinite Material Solutions

No entanto, a principal vantagem deste tipo de filamentos (a sua elevada solubilidade em água) é também a sua principal desvantagem, uma vez que são altamente sensíveis à humidade ambiental. Isto torna necessário manter este tipo de filamentos em recipientes especiais, tanto durante o armazenamento como durante a utilização. Além disso, à medida que estes filamentos absorvem humidade, a sua adesão agrava-se e o risco de entupimento aumenta.

COMO ESCOLHER O FILAMENTO SOLÚVEL MAIS ADEQUADO.

Ao seleccionar o filamento solúvel mais adequado, é necessário analisar o material que vai complementar.

• ABS/ASA: Em geral é aconselhável evitar a utilização de HIPS, uma vez que envolve o manuseamento de solventes orgânicos e gera resíduos que não podem ser eliminados directamente. Neste caso, a opção mais recomendável é a utilização de filamentos ATP solúveis em água por meio de um activador. Têm uma excelente compatibilidade com estes materiais e uma baixa sensibilidade à humidade, tornando-os mais fáceis de armazenar e utilizar, bem como minimizando o risco de falha de impressão.

• PLA: Os materiais com melhor compatibilidade com PLA são os baseados em PVA e BVOH. Dentro destes, os baseados em BVOH são menos sensíveis à humidade, embora em geral os baseados em PVA sejam ligeiramente mais baratos.

• PETG/PA: Embora seja possível utilizar PVA e BVOH como material de suporte com PETG e PA, a sua compatibilidade não é particularmente boa. Neste caso a melhor opção são filamentos solúveis em água compatíveis com materiais de alta temperatura, tais como Aquasys 120.

• Flexibles: A compatibilidade entre materiais de suporte e flexibles nunca foi particularmente boa. É possível utilizar BVOH ou materiais como o Aquasys 120 com alguns filamentos flexíveis, contudo será necessário testar cada filamento flexível para verificar a compatibilidade.

• PEEK/PEKK/PEI/PPSU: Neste caso a melhor opção é utilizar o Aquasys 180, pois é o material que garante a melhor compatibilidade com este tipo de material e tem a melhor estabilidade térmica a altas temperaturas.

• Se utilizar normalmente meios solúveis com materiais diferentes, a opção ideal é utilizar um único meio compatível com todos os materiais, como Aquasys 120 ou Aquatek X1, em vez de ter um meio diferente para cada material.

Embora os filamentos solúveis sejam geralmente referidos como um único grupo, na realidade são constituídos por materiais diferentes, com características muito específicas. Hoje em dia é possível encontrar filamentos solúveis de alta qualidade compatíveis com quase qualquer material no mercado, desde PLA a PEEK.