Análise comparativa das propriedades do poliácido láctico PLA de fornecedores distintos para aplicações em manufatura aditiva: uma avaliação dos parâmetros de impressão na busca da otimização do processo de impressão 3D via fabricação filamento fundido (FFF)

Abstract

Com os avanços tecnológicos, novas formas de se obter ou criar peças ou produtos no meio industrial foram desenvolvidos. Dentre esses avanços, uma das tecnologias mais promissoras é a manufatura aditiva, a qual vem revolucionando os métodos de produção de bens trazendo uma opção de baixo custo e operação otimizada. Dentre os materiais que se destacam para esta aplicação estão os polímeros termoplásticos, uma vez que, uma das principais técnicas da manufatura aditiva é a Fabricação de Filamento Fundido (FFF). Esta técnica consiste na extrusão de filamento gradualmente aquecido e extrudado sobre uma base de construção. O material utilizado no processo rapidamente é resfriado, solidificando e se unindo camada a camada até a formação final da estrutura projetada. Neste ponto, os termoplásticos possuem preferência, pois podem ser extrusados em temperaturas relativamente baixas, otimizando o processo. Dentre os principais materiais utilizados estão os filamentos de Acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS), Poliácido Láctico (PLA), Politereftalato de Etileno Glicol (PETG), Policarbonato (PC) e Poliamida. No presente trabalho, será estudado o comportamento do Poliácido Láctico (PLA) aplicado na manufatura aditiva. Este material possui grande popularidade no âmbito tecnológico da impressão 3D, uma vez que, é um polímero biodegradável, decorrente de fontes renováveis (milho, trigo, cana de açúcar) e com boas propriedades mecânicas atrelada a uma boa processabilidade decorrente da baixa temperatura de transição vítrea (em torno de 55-65ºC) apresentando assim, vantagens significativas nesta aplicação. Neste contexto, o presente trabalho apresenta uma análise comparativa das propriedades térmicas e mecânicas de dois filamentos de PLA de diferentes fornecedores (PLA Nacional e PLA Importado). Nesta etapa, foram avaliados padrões de preenchimento distintos (Concêntrico, Linear e Retilíneo), com variação no ângulo de impressão de 45 e 90º e com taxas de preenchimento de 100 e 50%, com o objetivo de identificar qual filamento proporciona melhores valores de resistência à tração. Com a caracterização térmica dos filamentos, foi possível identificar valores de cristalinidade distintos e a sua relação com à resistência mecânica obtida. Na segunda etapa, foram avaliados os impactos de diferentes padrões de deposição e preenchimento, parâmetros de processo e qualidade de impressão na resistência mecânicas das peças impressas por FFF. Ao avaliar o comportamento do PLA Nacional e PLA Importado para os mesmos padrões de impressão, foi possível identificar que o PLA Nacional possui um grau de cristalinidade maior e fornece uma resistência mecânica superior que o PLA Importado para três de quatro variáveis de impressão analisadas. Com relação aos padrões de impressão, o preenchimento de 100% no método de deposição concêntrico é a configuração que fornece maior resistência mecânica. No entanto, a escolha do melhor padrão deverá levar em conta a finalidade e durabilidade necessária do componente impresso, bem como, o custo e o tempo de impressão atrelado a técnica escolhida.

With the technological advances, new ways to obtain or create parts or products in the industrial environment have been developed. Among these advances, one of the most promising technologies is the additive manufacturing, which has been revolutionizing the production methods of goods, bringing an option of low cost and optimized operation. Among the materials that stand out for this application are the thermoplastic polymers, since one of the main additive manufacturing techniques is the Fused Filament Fabrication (FFF). This technique consists of extruding filament that is gradually heated and extruded onto a building block. The material used in the process is rapidly cooled, solidifying and bonding layer by layer until the final formation of the designed structure. Here, thermoplastics are preferred, because they can be extruded at relatively low temperatures, optimizing the process. Among the main materials used are filaments of Acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS), Polylactic Acid (PLA), Polyethylene Glycol Terephthalate (PETG), Polycarbonate (PC) and Polyamide. In the present work, the behavior of Polylactic Acid (PLA) applied to additive manufacturing will be studied. This material has great popularity in the technological field of 3D printing, since it is a biodegradable polymer, derived from renewable sources (corn, wheat, sugar cane) and with good mechanical properties coupled with a good processability resulting from the low glass transition temperature (around 55-65ºC) thus presenting significant advantages in this application. In this context, the present work presents a comparative analysis of the thermal and mechanical properties of two PLA filaments from different suppliers (National PLA and Imported PLA). In this step, distinct filling patterns were evaluated (Concentric, Linear and Rectilinear), with variation in the printing angle of 45 and 90º and with filling rates of 100 and 50%, with the objective of identifying which filament provides better tensile strength values. With the thermal characterization of the filaments, it was possible to identify different crystallinity values and their relation with the mechanical resistance obtained. In the second step, the impacts of different deposition and filling patterns, process parameters and printing quality on the mechanical strength of the FFF printed parts were evaluated. By evaluating the behavior of the Domestic PLA and Imported PLA for the same printing patterns, it was possible to identify that the Domestic PLA has a higher degree of crystallinity and provides higher mechanical strength than the Imported PLA for three of four printing variables analyzed. Regarding the printing patterns, the 100% fill in the concentric deposition method is the configuration that provides higher mechanical strength. However, the choice of the best pattern should take into account the purpose and required durability of the printed component, as well as the cost and printing time tied to the chosen technique.