Impressão 3D com materiais compostos. Que há que ter em conta

Cada vez é mais comum encontrar filamentos de materiais compostos. Estes materiais são compostos por uma matriz de plástico e um enchimento de partículas ou fibras. O objetivo deste enchimento pode ser bastante variado, desde aumentar as propriedades mecânicas finais do material até melhorar o seu aspecto estético ou adicionar uma nova propriedade, como a condutividade. Assim, podemos encontrar três tipos de materiais compostos:

Materiais reforçados com fibras

São materiais cujo objetivo é melhorar as propriedades mecânicas gerais da matriz. A matriz plástica pode ser qualquer material de impressão 3D, enquanto os reforços mais utilizados são fibra de vidro, fibra de carbono e fibra de aramida.

• Fibra de Vidro: Fornece maior resistência à tração. Possui boa flexibilidade e melhora a resistência à flexão. Proporciona uma temperatura de trabalho mais alta ao material final.
• Fibra de Carbono: Assim como a fibra de vidro, aumenta a resistência à tração e à flexão, mas proporciona maior rigidez.
• Fibra de Aramida: Destaca-se principalmente pela sua elevada resistência a impactos e fadiga.

Os filamentos reforçados com fibras são considerados materiais técnicos e destinam-se principalmente à produção de componentes funcionais de alto desempenho. Geralmente, esses materiais têm cargas entre 10% e 20%.

Imagem 1: Peça impressa com Nylon reforçado com fibra de carbono. Fonte: Fillamentum

Os materiais reforçados com fibras mais comuns são aqueles baseados em nylon, mas cada vez mais é comum encontrar outros tipos de matrizes como ABS, PLA, PC ou especialmente PETG.

Materiais com cargas de função estética

São materiais carregados com diversos tipos de partículas e fibras, cuja função principal é variar o acabamento estético do material base. Podemos encontrar principalmente 4 tipos de cargas:

• Fibras ou partículas de madeira: São materiais com uma alta carga de partículas ou fibras vegetais cuja função é proporcionar um acabamento semelhante à madeira.

• Partículas minerais ou cerâmicas: Geralmente partículas de gesso com diferentes corantes. São usadas para obter acabamentos semelhantes a cerâmica, pedra ou argila.

• Fibras vegetais: São usadas principalmente com PLA. Sua função é fornecer um acabamento fosco.

• Partículas fosforescentes: O material mais utilizado é o pó de aluminato de estrôncio, que proporciona um brilho verde característico. É usado em filamentos "Glow" ou que brilham no escuro.

Imagem 2: Carro de brinquedo produzido com PLA carregado com fibras de madeira. Fonte: Fillamentum

Em geral, este tipo de cargas é combinado com uma matriz de PLA para maximizar a compatibilidade com todos os tipos de impressoras, uma vez que não se busca um bom comportamento mecânico, mas sim um acabamento estético específico.

Materiais com cargas que proporcionam novas propriedades

Às vezes, a função das cargas não é melhorar as propriedades próprias da matriz, mas sim fornecer uma nova propriedade física. As mais comuns são condutividade através do uso de grafeno e magnetismo através de partículas de ferrita, embora seja possível encontrar outras mais exóticas como blindagem eletromagnética fornecida por carbeto de boro.

Vídeo 1: Peça fabricada com filamento ferromagnético. Fonte: Protopasta

São materiais menos comuns e desenvolvidos para aplicações específicas.

Materiais com cargas metálicas e cerâmicas para sinterização.

São filamentos com uma alta carga de pó metálico ou cerâmico, destinados à impressão de peças que posteriormente serão processadas por tratamentos de debinding e sinterização. Geralmente, a matriz é composta por materiais de baixa temperatura à base de PLA ou ceras para facilitar as tarefas de debinding, que podem ser térmicas, químicas ou uma combinação de ambas.

Como imprimir filamentos com cargas

Seleção do diâmetro da Boquilha

Alguns filamentos com cargas requerem o uso de boquilhas com diâmetros superiores a 0,4. Geralmente, os fabricantes de filamentos com cargas incluem na ficha técnica o tamanho mínimo de boquilha recomendado; no entanto, caso não o especifiquem, devem-se considerar as seguintes indicações:

• Fibra de vidro: É recomendável sempre usar boquilhas de pelo menos 0,6 mm, pois geralmente contém fibras de grande tamanho.

• Fibra de carbono: Se for especificado que o filamento usa fibra curta, é provável que possa ser usado um bocal de 0,4 mm sem o risco de obstruções. No caso de não ser especificado que contém fibra curta, recomenda-se começar com um bocal de 0,6 mm e testar o uso de um de 0,4 mm quando já tiver conseguido imprimir satisfatoriamente com o bocal de maior tamanho.

• Fibra de aramida: Recomenda-se começar com um bocal de 0,6 mm e testar o uso de um de 0,4 mm quando já tiver conseguido imprimir satisfatoriamente com o bocal de maior tamanho.

• Fibras ou partículas de madeira: É recomendável sempre usar boquilhas de pelo menos 0,6 mm e, em alguns casos, até de 0,8 mm.

• Partículas minerais ou cerâmicas: Exceto nos casos em que a carga seja muito alta, geralmente é possível imprimir esse tipo de filamento com bocais de 0,4 mm.

• Fibras vegetais: Recomenda-se começar com um bocal de 0,6 mm e testar o uso de um de 0,4 mm quando já tiver conseguido imprimir satisfatoriamente com o bocal de maior tamanho.

• Partículas Fosforescentes: Geralmente é possível imprimi-los com bocais de 0,4 mm.

• Partículas com cargas metálicas ou cerâmicas: Geralmente há bastante variabilidade de um material para outro e até entre o mesmo material de vários fornecedores diferentes. Se o fabricante não especificar um tamanho mínimo, é recomendável começar sempre com um bocal de 0,6 mm e testar o uso de um de 0,4 mm quando já tiver conseguido imprimir satisfatoriamente com o bocal de maior tamanho. Em alguns materiais específicos, pode ser necessário usar bocais de 0,8 mm.

Imagem 3: Bocais de diferentes diâmetros. Fonte: E3D

Uso de bocais endurecidos e desgaste de componentes.

Deve-se ter em mente que todos os filamentos com cargas produzem um maior desgaste nos componentes do hotend e extrusor, especialmente na boquilha, no heatbreak, nas rodas do extrusor e nos tubos 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 usar esses filamentos é recomendável usar bocais endurecidos.

Imagem 4: Comparação de desgaste de bocais de diferentes materiais. Fonte: 3DVerkstan

No caso de usar regularmente este tipo de filamentos abrasivos, é recomendável usar, além de bocais endurecidos, heatbreaks de materiais mais resistentes como titânio e extrusores com rodas de aço endurecido. Além disso, os componentes devem ser verificados periodicamente, juntamente com os tubos e insertos de PTFE, e substituídos quando apresentarem sinais de desgaste.

Velocidade e temperatura de impressão

Os filamentos reforçados com cargas apresentam uma viscosidade maior que o equivalente sem cargas, então é recomendável usar velocidades máximas de impressão mais baixas. Também pode ser necessário usar temperaturas de impressão ligeiramente mais altas para reduzir a viscosidade quando se usam velocidades de impressão elevadas.

Adesão à base e warping

Os filamentos com cargas geralmente sofrem menos contração durante o resfriamento, tornando-os menos propensos ao warping. Quanto maior a proporção de fibras ou partículas, menor será a contração.

Por outro lado, as cargas geralmente também afetam a adesão do material à base de impressão, diminuindo-a ligeiramente. É recomendável usar soluções de adesão, como adesivos ou lacas, ao usar esse tipo de filamentos, especialmente aqueles com uma porcentagem de carga elevada.

Fragilidade dos filamentos

Uma característica geral de os filamentos carregados com partículas é sua maior fragilidade, especialmente aqueles que possuem altas porcentagens de carga ou que são baseados em PLA. Por isso, é muito importante posicionar adequadamente a bobina, de modo que o percurso até o extrusor seja o mais reto e curto possível. Além disso, é aconselhável o uso de extrusoras diretas, embora alguns desses filamentos também possam ser impressos em impressoras bowden. Neste último caso, é recomendável posicionar os tubos de PTFE de forma que tenham o maior raio de curvatura possível, além de posicionar as peças na parte frontal da base de impressão.

Imagem 5: Suporte de bobina colocado diretamente sobre o extrusor para alimentar o filamento de forma reta. Fonte: Raise3D

Os filamentos com cargas são uma categoria especial que inclui materiais muito diversos e geralmente requer configurações especiais de impressão. Por isso, sempre é recomendável consultar todas as informações fornecidas pelo fabricante e seguir seus conselhos de impressão.

Neste guia, os conceitos são tratados de forma geral e sem foco em uma marca ou modelo específico, embora possam ser mencionados 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.