Propriedades mecânicas de provetes poliméricos produzidos industrialmente por impressão 3D (SLS)

Abstract

A procura por uma solução alternativa à produção de peças obtidas por fabrico subtrativo (FS) levou ao aparecimento, desenvolvimento e consolidação de alternativas, como é o caso do fabrico aditivo (FA), normalmente designado por “impressão 3D”.Dado que todos os processos de FA se baseiam no fabrico pela deposição/adição de camadas sucessivas, tal implica obviamente uma excelente coesão e/ou adesão entre as mesmas, de modo a obter uma peça compacta e resistente. Neste contexto, a contestação em torno das propriedades mecânicas das peças obtidas por FA tem sido um dos principais entraves ao ainda maior desenvolvimento deste modo de fabrico.Ainda assim, tendo em conta o leque de vantagens de todos os processos aditivos e a crescente globalização, a quantidade de fabricantes de equipamentos, bem como dos materiais disponíveis para impressão 3D tem vindo a aumentar. Como se sabe, este crescimento exponencial acarreta, por vezes, aspetos negativos. Um exemplo está relacionado com a qualidade da matéria-prima utilizada, que é muitas vezes colocada em segundo plano, privilegiando-se a vertente financeira das empresas. Este aspeto é ainda mais grave no caso de materiais poliméricos ou compósitos de matriz polimérica, dado que as suas propriedades são afetadas por inúmeros fatores, incluindo a presença ou ausência de aditivos (se plástico se polímero), bem como a pureza dos mesmos.Um dos polímeros mais utilizados no fabrico aditivo é a poliamida (PA), que muitas vezes é designada pelo nome comercial de nylon. Este material pode assumir várias estruturas moleculares, dependendo das moléculas de monómero utilizado, dando origem a materiais com diferentes propriedades físico-químicas e mecânicas. Atualmente, no mercado de matérias-primas para fabrico aditivo, especificamente a partir de partículas de pós, as poliamidas mais comuns são a PA6, PA11 e a PA12.A empresa BBE Engineering, onde foi efetuado o estágio conducente à presente dissertação, dedica-se ao fabrico de peças poliméricas em PA12, PA12 aditivado e compósitos de matriz PA12, pela tecnologia de Sinterização Seletiva a Laser (do inglês Selective Laser Sintering – SLS).Neste contexto, esta dissertação teve como objetivo principal a produção e caracterização de provetes fabricados na empresa. Através das técnicas de caracterizaçãoPropriedades mecânicas de provetes poliméricos produzidos industrialmente por impressão 3D (SLS)iv 2023utilizadas foi possível identificar qual dos materiais poliméricos disponíveis na BBE oferece um melhor desempenho do componente a disponibilizar ao cliente, dependendo, como é óbvio, da sua aplicação final e do ambiente onde se insere.O conjunto de ensaios efetuados incluiu a determinação da distribuição granulométrica dos pós usados no fabrico, bem como a sua morfologia, as propriedades mecânicas dos provetes impressos, a sua resistência à chama e o seu teor de humidade.Entre os resultados pode ser salientada a deficiente adesão observada entre matriz e reforço no compósito de PA12 com esferas de vidro, o que provocou um aumento de porosidade.O estudo efetuado possibilitou disponibilizar à empresa um conjunto de dados que permitirão, no futuro, corrigir algumas das falhas intrínsecas a todo o processamento por fabrico aditivo, com vista a diminuir os custos finais do mesmo e a percentagem de rejeições.

The search for an alternative solution to the production of parts obtained by subtractive manufacturing (SM) led to the emergence, development and consolidation of alternatives, such as additive manufacturing (AM), commonly known as 3D printing.Considering that all AM processes are based on manufacturing by deposition/addition of successive layers, this obviously implies an excellent cohesion and/or adhesion between them, in order to obtain a compact and resistant component. In this context, the dispute around the mechanical properties of parts obtained by AM has been one of the main obstacles to the further development of this manufacturing approach.Even so, considering the range of advantages of all additive processes and increasing globalization, the number of equipment manufacturers, as well as the materials available for 3D printing, has been increasing. As we know, this exponential growth sometimes has negative aspects. An example is related to the quality of the raw material used, which is often placed in the background, favouring the financial aspect of companies. This aspect is even more serious in the case of polymeric materials, or polymer matrix composites, as their properties are affected by numerous factors, including the presence or absence of additives (whether plastic or polymer), as well as their purity.One of the most widely used polymers in additive manufacturing is polyamide (PA), which is often referred to by the trade name nylon. This material can assume various molecular structures, depending on the monomer molecules used, giving rise to materials with different physical-chemical and mechanical properties. Currently, in the raw materials market for additive manufacturing, specifically of powder particles, the most common polyamides are PA6, PA11 and PA12.The company BBE Engineering, where the internship leading to this dissertation was carried out, is specialized to the manufacture of polymeric parts in PA12 or PA12 matrix composites, using Selective Laser Sintering (SLS) technology.In this context, this dissertation had as main objective the production and characterization of specimens manufactured in the company. Through the characterization techniques used, it was possible to identify which of the polymeric materials available atPropriedades mecânicas de provetes poliméricos produzidos industrialmente por impressão 3D (SLS)vi 2023BBE offers the best performance for the component to be produce to the customer, depending, of course, on its final application and the environment in which it operates.The set of tests carried out included the determination of the granulometric distribution of the powders used in the manufacture, as well as their morphology, the mechanical properties of the printed specimens, their fire resistance and their water absorption capacity.Among the results, it can be highlighted the lack of adhesion observed between matrix and reinforcement in the composite of PA12 with glass spheres, which led to an increase in porosity.The study carried out made it possible to provide the company with a set of data that will allow, in the future, to correct some of the flaws intrinsic to all processing by additive manufacturing, with a view to reducing its final costs and the percentage of rejections.