Teste de stress estrutural | Impressão 3D Deixe um comentário

Você acredita que a técnica de impressão 3D foi criada há mais de três décadas? Pois acredite, é verdade! Ainda em 1984, o empresário norte-americano Chuck Hull desenvolveu a primeira impressora 3D, a SLA-1. No início, esta técnica era utilizada para criar lâmpadas de solidificação de resinas e diminuir o tempo de fabricação de peças plásticas.

Chuck Hull e a primeira impressora 3D
Chuck Hull e a primeira impressora 3D

Como você pode imaginar, a segunda aplicação apresentou maior potencial. Desde então, as impressoras 3D foram fortemente desenvolvidas e, atualmente, permitem a fabricação de peças complexas, que antes não eram produzidas, de forma mais rápida e com mais qualidade. Por este motivo, a indústria de impressão 3D movimenta bilhões por ano atualmente!

Prótese feita com impressão 3D
Prótese feita com impressão 3D

Para se ter uma impressora 3D em 1984, era preciso desembolsar nada mais nada menos que um milhão de dólares! Hoje em dia, alguns modelos de entrada podem ser encontrados no mercado por aproximadamente dois mil reais. Quanta diferença!\

Existem diversas formas de impressão 3D, porém a mais comum é a FDM ou FFF (Fused Deposition Modeling). Nesta técnica, um filamento é guiado até o bico de impressão, onde é derretido e extrusado de uma forma determinada por um software.

Da mesma forma, existem diversos tipos de filamentos: ABS, PLA, PETG, Nylon, HIPS, filamento de fibra de carbono, filamento de madeira, entre outros.

Cada um destes filamentos apresenta propriedades mecânicas diferentes. Alguns são mais resistentes. Outros são mais flexíveis. Por isso, é muito importante conhecer estas características antes de definir com qual material a sua peça vai ser impressa. Como esta não é uma tarefa nada fácil, nós decidimos te ajudar!

Neste artigo, serão apresentados alguns dos resultados de testes de stress estrutural feitos por Raquel Meirelles Bolelli, do Centro Universitário do Instituto Mauá de Tecnologia (CEUN – IMT).

Neste estudo, a autora avaliou as propriedades mecânicas dos filamentos ABS (Acrilonitrila Butadieno Estireno), PLA (Poliácido Lático) com fibra de carbono, PLA com cobre, PLA com bronze, PLA com alumínio e PETG. Para isso, foram realizados ensaios de tração, flexão e de impacto com corpos de prova impressos com cada um destes materiais.

Qual é o filamento mais resistente? Qual é o mais flexível? E o mais resistente ao impacto? Após a leitura, você será capaz de responder estas perguntas e poderá verificar qual o melhor material para a sua aplicação!

Metodologia

Os testes feitos no estudo foram realizados em duas etapas diferentes: impressão e ensaios mecânicos. Com relação à impressão, os corpos de prova foram modelados computacionalmente e impressos de acordo com os parâmetros estabelecidos pela norma. A segunda etapa consistiu na realização de ensaios mecânicos com os protótipos impressos para, assim, determinar suas propriedades.

Etapa de impressão

Primeiramente, os corpos de prova foram modelados computacionalmente de acordo com as normas ASTM D790, ASTM D638 e ASTM D256.
A seguir, podem ser vistos os modelos criados para os ensaios de flexão, tração e impacto, respectivamente.

Corpo de prova para o ensaio de flexão.
Corpo de prova para o ensaio de flexão
Corpo de prova para o ensaio de tração
Corpo de prova para o ensaio de tração
Corpo de prova para o ensaio de impacto
Corpo de prova para o ensaio de impacto

Em seguida, a autora do estudo realizou a determinação e inserção dos parâmetros na impressora 3D. Os parâmetros definidos podem ser vistos na tabela a segui:

Tabela 1 – Parâmetros comuns para impressão dos corpos de prova

Formato do preenchimento interno Triangular
Velocidade de impressão 35 mm/s
Largura da extrusão 0,4 mm
Densidade de preenchimento 50%
Quantidade de camadas sólidas nas paredes laterais 3
Quantidade de camadas sólidas superiores 2
Quantidade de camadas sólidas inferiores 2
Espessura de cada camada 0,2 mm
Orientação de deposição dos filamentos

 

Com relação aos tipos de filamentos escolhidos, foram utilizados ABS, PLA com fibra de carbono, PLA com cobre, PLA com bronze, PLA com alumínio e PETG.

As temperaturas de impressão adotadas pela autora do estudo podem ser vistas na tabela a seguir:

Material Temperaturas de impressão (ºC)
ABS 235
PLA com fibra de carbono 217
PLA com cobre 217
PLA com bronze 217
PLA com alumínio 217
PETG 260

Por fim, foi feita a impressão de dois protótipos para cada tipo de filamento citado anteriormente.

Etapa de Ensaios Mecânicos

Nesta etapa, foram realizados ensaios mecânicos de tração, flexão e impacto com os corpos de prova impressos na etapa anterior conforme as normas ASTM D790, ASTM D638 e ASTM D256.

Ensaio de tração

Basicamente, o ensaio de tração é feito aplicando uma força em um dos eixos de um protótipo padronizado, promovendo a deformação do material até a sua fratura. Este ensaio permite a determinação de diversas propriedades do material, por exemplo, resistência à tração, módulo de elasticidade, tensão de escoamento, tensão de ruptura, deformação no escoamento, deformação na ruptura, etc.

Ensaio de tração
Ensaio de tração

Neste caso, a autora do estudo analisou somente a tensão à tração, que representa o valor de tensão no qual o material é submetido à máxima deformação.

Os resultados obtidos podem ser vistos abaixo:

Material Médias das tensões à tração dos dois corpos de prova (MPa)
ABS 16,42
PLA com fibra de carbono 33,91
PLA com cobre 35,09
PLA com bronze 33,49
PLA com alumínio 43,72
PETG 25,43

Ensaio de flexão

De forma resumida, o ensaio de flexão é feito aplicando uma carga crescente em determinados pontos de uma barra até a sua frartura ou até atingir uma deformação pré-estabelecida. Este ensaio permite a obtenção de características importantes do material, por exemplo, deflexão máxima de ruptura, módulos de ruptura, elasticidade, tenacidade, etc.

Ensaio de flexão
Ensaio de flexão

Da mesma forma, a autora do estudo optou por analisar somente a tensão à flexão, que indica a tensão no qual o material sofre a máxima flexão.

Os resultados encontrados podem ser verificados a seguir:

Material Médias das tensões à flexão dos dois corpos de prova (MPa)
ABS 28,57
PLA com fibra de carbono 60,46
PLA com cobre 55,58
PLA com bronze 62,75
PLA com alumínio 51,94
PETG 52,70

Ensaio de impacto

Basicamente, o ensaio de impacto é feito aplicando uma força bruta e repentina no protótipo, que deve rompe-lo. Este ensaio permite determinar diversas propriedades do material, por exemplo, ductilidade, fragilidade, tenacidade, etc.

Ensaio de impacto
Ensaio de impacto

Neste caso, a autora do estudo analisou somente a energia de impacto, que representa a energia máxima utilizada pela força para romper o material.

Os resultados obtidos podem ser vistos abaixo:

Material Médias das energias de impacto (J/m)
ABS 70,49
PLA com fibra de carbono 34,06
PLA com cobre 32,10
PLA com bronze 26,93
PLA com alumínio 25,79
PETG 25,81

Resultados

Com relação ao ensaio de tração, o tipo de filamento que apresentou maior resistência foi o PLA com alumínio, com uma média de tensão à tração de 43,72 MPa. Em contrapartida, o material que apresentou menor resistência foi o ABS, com uma tensão média à tração de 43,72 MPa.

Já para o ensaio de flexão, o tipo de filamento que mostrou melhor flexibilidade foi o PLA com bronze, com uma média de tensão à flexão de 62,75 MPa. Por outro lado, o filamento ABS não mostrou uma flexibilidade tão alta, com uma média de tensão à flexão de 28,57 MPa.

Por fim, para o ensaio de impacto, o tipo de filamento que apresentou resultados mais satisfatórios foi o ABS, com uma média de energia de impacto de 70,49 J/m. Em contrapartida, o material que apresentou piores resultados foi o PLA com alumínio, com uma média de energia de impacto de 25,79 J/m. Neste caso, quanto menor a energia absorvida, mais frágil será o material.

Considerações Finais

Os resultados dos testes de stress estrutural nos mostram que os tipos de filamento disponíveis para impressão 3D não possuem as mesmas propriedades mecânicas. Estas características variam de material de material. Nem sempre um material que é flexível, apresenta boa resistência ao impacto. Da mesma forma, nem sempre um material resistente ao impacto, apresenta boa flexibilidade. Por isso, antes de imprimir seu projeto, verifique se o seu filamento é o mais adequado para as condições em que ele será utilizado. Se precisar de ajuda, é só revisar este material!

 


Esse post é resultado da parceria da FilipeFlop com a Cheetah E-Racing. Você pode conferir mais conteúdos feitos pela Cheetah no seguinte link.

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