Materiais avançados de impressão 3D: Um guia abrangente para desempenho, aplicações e inovações

Na vasta gama da impressão 3D, a escolha dos materiais de impressão 3D determina a concretização do objetivo pretendido em qualquer projeto. Um fator crucial que define as possibilidades da impressão 3D é a variedade de materiais disponíveis. Cada material difere nas suas propriedades de aplicação. Entre estes, o PLA, o ABS, o PETG e o Nylon são os mais populares devido à sua capacidade de utilização e adaptação a várias aplicações.

O titânio, o aço inoxidável e outros metais como o alumínio são utilizados principalmente para fins industriais. Nestas aplicações, a força e a resistência são cruciais. A cerâmica é utilizada devido às suas capacidades de tolerância a altas temperaturas e de resistência ao desgaste. Fibras como o carbono proporcionam força e leveza, enquanto as resinas, particularmente os fotopolímeros, são utilizadas para trabalhos de precisão em indústrias como a dentária e a joalharia.

De acordo com os materiais selecionados, estes têm o seu papel e acrescentam algumas caraterísticas ao campo do fabrico de aditivos. Este artigo fornece uma exploração aprofundada do desenvolvimento de materiais utilizados na impressão 3D, a sua comparação de desempenho, aplicações adequadas e comparação de custos. No final deste guia, terá uma compreensão clara dos materiais. Saberá qual deles é o mais adequado para as suas necessidades de impressão 3D.

Tipos de materiais de impressão 3D

Polímeros

A maioria dos materiais de impressão 3D são polímeros porque são versáteis e podem ser utilizados em muitas áreas. PLA tem a reputação de ser amigo do ambiente e simples de trabalhar. Como tal, é adequado para utilizadores principiantes e para a criação de protótipos. O ABS fornece mais força e estabilidade, ideais para aplicações rigorosas. O PETG tem caraterísticas tanto do PLA como do ABS, oferecendo força e resistência química para peças usadas. Ao mesmo tempo, o Nylon é o material mais robusto, flexível e resistente ao desgaste, adequado para aplicações de engenharia de alta tensão. Alguns polímeros têm elevada resistência e são normalmente utilizados no sector aeroespacial, enquanto outros são utilizados em placas de circuitos devido à sua flexibilidade.

Os materiais poliméricos têm sido cruciais para o avanço da tecnologia de impressão 3D, que começou nos anos 80 com a comercialização da estereolitografia. A história dos polímeros críticos, como as poliamidas e o PLA, remonta ao início do século XX, e os precursores significativos da AM foram desenvolvidos nas décadas de 1920 e 1940. O FFF e o SLS foram desenvolvidos pela primeira vez na década de 1980 e no início da década de 1990, e beneficiaram da expansão tecnológica dos computadores.

Com a expiração das patentes no início de 2000, a implementação da tecnologia de impressão 3D estendeu-se a outros sectores, como a medicina e a indústria aeroespacial. Depois de 2010, materiais melhorados, como os polímeros inteligentes, expandiram a AM da prototipagem para o fabrico direto de ferramentas e a produção de produtos finais. Para além disso, o software mais barato e disponível e as ferramentas de código aberto impulsionaram a impressão 3D para o público.

Processo de impressão 3D para polímeros e compósitos

O fabrico de objectos laminados é um processo de impressão 3D comum. No entanto, não é recomendado para a criação de objectos a partir de polímeros, bem como para a sinterização selectiva a laser e a sinterização direta a laser de metal, uma vez que estão bem estabelecidos para a criação de objectos a partir de polímeros e compósitos de polímeros, utilizando os processos FFF, SLA, MJ, BJ e PBF.

Todos os métodos são caracterizados por uma aplicabilidade diferente e por determinadas caraterísticas que dependem das condições do polímero, tais como a forma, o estado ou outras propriedades físicas. No entanto, é necessário ter em conta algumas limitações sempre que se escolhe uma técnica específica de impressão 3D, incluindo a compatibilidade com determinados materiais, o custo utilizável, os requisitos em termos de resolução e a complexidade das geometrias utilizadas.

Esta revisão apresenta e explica estes métodos, descreve os tipos de polímeros que podem ser utilizados e descreve as suas vantagens e desvantagens, apresentadas no diagrama seguinte.

Fonte: https://www.researchgate.net/figure/Schematic-representations-of-3D-printing-techniques13_fig2_373843699

Fonte da foto: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238521005178

Fonte da foto: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238521005178

Metais

Os metais essenciais como o titânio, o aço inoxidável e o alumínio têm um papel significativo na impressão 3D global para utilização industrial devido à sua resistência, flexibilidade e propriedades de leveza. O titânio é excelente para a indústria aeroespacial e para a medicina. O aço inoxidável é altamente versátil e robusto. O alumínio é um condutor de calor leve e fácil.

Titânio: Resistência e biocompatibilidade

O titânio tornou-se um metal preferido na impressão 3D, particularmente para aplicações que exigem força, resistência superior à corrosão e biocompatibilidade. A sua estrutura leve mas forte torna-o ideal para peças aeroespaciais. Isto é especialmente importante para a próxima geração de aeronaves, onde é crucial minimizar a massa sem comprometer a resistência.

A biocompatibilidade do titânio torna-o adequado para utilização na indústria médica. É especialmente valioso no fabrico de implantes e próteses que se integram no corpo humano.

O elevado ponto de fusão e a reatividade do titânio tornam a impressão 3D um desafio. São necessários métodos específicos como EBM e SLM para controlar o ambiente de impressão e evitar a oxidação.

O diagrama seguinte mostra um fluxo de trabalho genérico para criar uma peça de titânio impressa em 3D utilizando SLM:

Aço inoxidável: Versatilidade e durabilidade

Outro material de impressão 3D comum é o aço inoxidável. É conhecido por ser elástico e resistente à corrosão. Oferece uma excelente combinação de força, flexibilidade e resistência à corrosão. Isto torna-o adequado para utilização em quase todas as indústrias, desde peças de automóveis a artigos para a casa.

Para o aço inoxidável na impressão 3D, o DMLS e o Binder Jetting podem ser utilizados em várias formas e estruturas devido à flexibilidade dos dois processos de fabrico e ao seu elevado grau de precisão nas formas de impressão 3D.

Também ajuda a criar peças funcionais que são utilizadas para suportar um elevado desgaste e são concebidas para trabalhar em condições ambientais extremas.

Segue-se um diagrama do processo DMLS para aço inoxidável, ilustrando como cada camada é fundida para criar um componente rígido e resistente.

Alumínio: Leve e de alta condutividade

Devido à sua baixa densidade e boas caraterísticas de condutividade térmica e eléctrica, o alumínio é muito procurado na impressão 3D. Estas caraterísticas tornam-no especialmente importante no fabrico de automóveis e em aplicações eléctricas, onde a redução de peso e a dissipação de calor são essenciais.

As ligas de alumínio que podem ser utilizadas na impressão 3D, AlSi10Mg, são impressas através de SLS ou DMLS. Estas técnicas permitem a criação de peças pequenas e leves com formas complexas que não podem ser feitas ou seriam dispendiosas em processos convencionais.

Esta propriedade também explica porque é que o alumínio é utilizado para peças que requerem dissipadores de calorcomo, por exemplo, permutadores de calor e caixas para equipamento elétrico.

Esta figura ilustra o processo SLS para o alumínio. Indica que as propriedades mecânicas exigidas do produto final são alcançáveis devido ao elevado grau de precisão e controlo inerente ao processo.

Cerâmica

As cerâmicas são amplamente utilizadas na impressão 3D devido às suas caraterísticas superiores de resistência a altas temperaturas e ao desgaste. Estes materiais demonstraram um elevado grau de resistência térmica e resistência à corrosão; por conseguinte, devem ser adaptados às indústrias aeroespacial, automóvel e energética.

Por exemplo, aplicações específicas, como lâminas de turbina, escudos térmicos ou outros produtos de motor de alto desempenho, exigem a integração de componentes cerâmicos devido à sua durabilidade e estabilidade térmica.

Algumas técnicas aplicadas para criar cerâmica utilizando a impressão 3D incluem SLS ou Binder Jetting, uma vez que permitem a formação de formas que não podem ser facilmente realizadas através de métodos convencionais.

Além disso, a utilização de cerâmica está a ganhar importância em aplicações em que as propriedades de desgaste são tão cruciais devido à sua elevada dureza e baixo coeficiente de atrito. É essencial em indústrias como a indústria transformadora e mineira, onde os revestimentos e bocais de cerâmica podem aumentar a durabilidade do equipamento e minimizar os custos de reparação.

Utilizando tecnologias sofisticadas de impressão 3D em cerâmica, são fabricadas peças complexas com geometrias elaboradas e controlos dimensionais rigorosos para proporcionar um elevado desempenho em condições de funcionamento agressivas.

Compósitos

Os materiais de elevado desempenho, como o CFRP, estão a tornar-se muito populares e a influenciar a forma como a impressão 3D é feita, uma vez que proporcionam um maior resistência e rigidez e baixo peso. Os compósitos de fibra de carbono são mais valorizados pela sua resistência à tração e rigidez e, por isso, têm uma grande procura em aplicações onde são necessários materiais de alta resistência e leves, como as indústrias aeroespacial, automóvel e de artigos desportivos.

A aplicação de fibras de carbono numa matriz polimérica pode permitir a criação de componentes cuja resistência é aumentada enquanto o seu peso é reduzido em comparação com os materiais convencionais.

Além disso, a integração de materiais compósitos na impressão 3D permite a conceção de estruturas com geometrias não convencionais, o que não é possível através de outras técnicas. Estes materiais compósitos são depois processados através de modelação por deposição fundida (FDM) com linhas/fitas planas de fibra de carbono ou qualquer outra abordagem composta com maior controlo e direção sobre a natureza direcional destas fibras alinhadas.

Comparação das propriedades dos materiais

Aplicações de engenharia de materiais de impressão 3D

Polímeros: Materiais versáteis para prototipagem e produtos de consumo

Os polímeros são essenciais na impressão 3D, especialmente para a criação de protótipos, produtos de consumo e educação. O PLA (ácido poliláctico) é um dos materiais mais utilizados devido ao seu baixo custo, à rápida velocidade de impressão e ao facto de ser amigo do ambiente, bem como à sua superfície brilhante e lisa, que é particularmente boa para modelos geométricos e peças não utilizáveis.

Por outro lado, o nylon é utilizado para o fabrico de peças que necessitam de ser flexíveis e robustas, sendo utilizado em mecanismos, dobradiças, engrenagens e outras peças forçadas. Devido à sua força e resistência ao impacto, o material de nylon pode ser utilizado para aplicações de nível superior e como transição do modelo para o nível de produção em vários sectores.

Metais: Materiais de alta resistência para aplicações industriais

Devido às suas caraterísticas excepcionais, os metais são essenciais em várias indústrias, como a aeroespacial, a automóvel e a dos dispositivos médicos. É versátil devido à sua leveza e elevada resistência, o que o torna adequado para peças de avião ou equipamento cirúrgico. O aço inoxidável é escolhido pela sua capacidade de suportar o desgaste, além de ser resistente à ferrugem, o que o torna a melhor opção para utilização em peças de automóveis e até em instrumentos médicos, onde a fiabilidade é essencial e os componentes são susceptíveis de serem expostos a condições adversas durante longos períodos.

Estes metais facilitam a criação de peças complexas e de elevada fiabilidade, cruciais nos processos modernos de engenharia e produção.

Cerâmica: Materiais resistentes ao desgaste e a altas temperaturas

É utilizado em aplicações que requerem elevada resistência e estabilidade térmica, como lâminas de turbina na aviação ou peças resistentes ao calor em muitos domínios. Também oferecem um desempenho muito elevado e estável a altas temperaturas, o que se aplica a aplicações biomédicas, fornecendo implantes duradouros e adequados para o tecido corporal.

Estas propriedades ajudam as cerâmicas a suportar várias condições devido à sua fiabilidade em aplicações industriais e médicas.

Compósitos: Materiais leves e de alta resistência

A utilização de materiais compósitos é adequada para casos em que a resistência e o peso do material são de interesse, por exemplo, a parte de um drone ou artigos considerados materiais desportivos. Estes materiais, como os polímeros reforçados com fibra de carbono, têm elevada resistência à tração e são leves, pelo que são adequados para utilização em componentes que requerem elevada resistência e facilidade de manobra.

Nestes domínios, a incorporação de materiais compósitos aumenta o desempenho e a eficácia sem correr o risco de comprometer a resistência.

Tendências futuras dos materiais de impressão 3D

À medida que a tecnologia de impressão 3D continua a evoluir, são esperados progressos significativos nos materiais utilizados para o fabrico de aditivos. A biocompatibilidade e o respeito pelo ambiente são duas tendências importantes, uma vez que o material do elétrodo pode ser simultaneamente biocompatível e amigo do ambiente. À medida que as atenções se voltam para a sensibilidade ambiental, a tendência está a evoluir para materiais que oferecem um bom desempenho, mas que são amigos do ambiente. Estes materiais serão úteis nos sectores médicos, onde os polímeros e metais biocompatíveis serão utilizados para implantes e membros artificiais, reduzindo o impacto ambiental sem comprometer os padrões médicos.

Para além disso, acredita-se que os avanços nas misturas de materiais e nos compósitos irão aumentar o potencial do fabrico aditivo. As gerações subsequentes de compósitos possuirão caraterísticas mecânicas ainda melhores, tais como elevada resistência/peso, elevada flexibilidade e resistência ao calor, o que alargará a aplicação destas tecnologias à indústria aeroespacial, automóvel e aos bens de consumo em geral. A integração de polímeros, metais e cerâmicas permitirá o ajuste fino das propriedades dos materiais para fabrico e abrirá novas oportunidades de avanço para a impressão 3D em várias indústrias.

Conclusão

Para reiterar, um dos factores mais críticos de qualquer projeto de fabrico aditivo é o material utilizado na impressão 3D. Cada material contribui com propriedades que podem melhorar, dificultar ou mesmo alterar o desempenho, a vida útil e a qualidade do produto final. Por exemplo, o titânio e o alumínio possuem rácios de resistência/peso elevados que são desejáveis para a indústria aeroespacial e automóvel, enquanto o PLA e o nylon são adequados para a criação de protótipos e bens de consumo, respetivamente.

Para tal, as propriedades mecânicas, a resistência térmica e o custo dos materiais disponíveis podem ser comparados e as decisões tomadas de acordo com as necessidades dos projectos que os fabricantes têm em mente. Este processo não só melhora a funcionalidade e a fiabilidade do produto final, como também preserva questões de custo no processo ou linha de produção.