DAVID KRETSCHEK
DESENVOLVIMENTO DE UM CABEÇOTE DE EXTRUSÃO POR
ÊMBOLO PARA POLIPROPILENO GRANULADO VISANDO A
MANUFATURA ADITIVA
Dissertação apresentada como requisito
parcial para obtençãodo grau de Mestre
em Engenharia, do Programade Pós-
Graduação em Engenharia Mecânica e de
Materiais, Universidade
TecnológicaFederal do Paraná. Área de
Concentração: Manufatura.
Orientador: Prof. Neri Volpato, Ph.D.
Co-orientador : Prof. José A. Foggiatto, Dr. Eng.
CURITIBA
2012
TERMO DE APROVAÇÃO
DAVID KRETSCHEK
DESENVOLVIMENTO DE UM CABEÇOTE DE EXTRUSÃO
POR ÊMBOLO PARA POLIPROPILENO GRANULADO
VISANDO A MANUFATURA ADITIVA
Esta Dissertação foi julgada para a obtenção do título de mestre em engenharia,
área de concentração em engenharia de manufatura, e aprovada em sua forma final
pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecância e de Materiais.
_____________________________
Prof. Giuseppe Pintaúde, Dr. Eng.
Coordenador de Curso
Banca Examinadora
Prof. Neri Volpato, Ph.D Jorge Vicente Lopes da Silva, Dr. Eng
(UTFPR) (CTI)
__________________________ _______________________________
Prof. Carlos Ciulik, Ph.D Prof. Elaine Cristina de Azevedo, Dr.Eng
(UTFPR) (UTFPR)
__________________________
Prof. José Aguiomar Foggiatto, D.Eng
(UTFPR)
Curitiba, 29 de Junho de 2012
DEDICATÓRIA
“Man kann alles verlieren in dieser Leben,
Aber niemand kann dir die Erziehung wegnehmen.”
Aos meus pais e irmão, que me deram o que há de mais
importante na vida. Amor, educação e exemplo.
AGRADECIMENTOS
Aos meus orientadores, Neri Volpato e José A. Foggiatto, por acreditarem, pela paciência, compreensão e orientação. À Luciana D‟Addario Guimarães, que na boa parte deste tempo foi minha namorada, obrigado pela paciência e carinho.
Ao meu amigo Antônio Verguetz pela inestimável ajuda com tudo, companhia de dia, de noite, no fim de semana e no feriado na UTFPR. À Daphene Solis, pela simpatia e os resumos. Ao Ariel Gandelman pela empolgação, positivismo e ajuda multidisciplinar. Alexandre “Xandão” Franzoni, pela diversão e ajuda com RP3. Ao Wilson G. Gaebler Jr pelas fotografias. À Margot Oliveira, Luísa Dieter, Thiago Chuba, André Ceccon e Victor Lesinhovski, alunos do técnico em mecânica e estagiários do NUFER, por sempre me ajudar quando eu precisei, com a modelagem em CAD, simulação térmica e preparação de amostras. Em especial ao Maikel Alef, também aluno do técnico e estagiário do NUFER, pela incrível presteza, dedicação e vontade de ajudar.
Aos professores, Márcia Araujo, Elaine Azevedo e Walter Mikos pela atenção e presteza na ajuda com materiais e metrologia. Ao Otávio Beruski, expoente da química brasileira, e ao professor Carlos Cruz, pela incrível presteza e inestimável ajuda com a espectroscopia. Ao Rodrigo “Guigo” Nesello, Vitor “Vitinho” Caldart, Eduardo “Dudu” Lima, Guilherme “Berno” Berno, todos alunos do técnico em mecânica pela presteza e ajuda com a usinagem. À minha amigaDaniela Wollmann e o Alexandre José Gonçalves do GrMAT. Ao Gustavo Macioski, técnico de laboratório e responsável pelo devido funcionamento do DACOC, pelo ajuda com os ensaios de tração. Ao pessoal da SunHeat, com as resistências. Aos membros da banca avaliadora, Carlos Cziulik, Elaine Azevedo e Jorge Vicente Lopes da Silva, pela presteza na leitura do trabalho e ajuda com a sua melhoria.À Graça e ao Giuseppe, obrigado pela paciência com os meus atrasos. À CAPES pela bolsa concedida. À Franciele Litvin pela persistente lembrança de que eu deveria entregar este trabalho.
A todos estes que não falharam em me ajudar e para os quais eu espero nunca falhar.
Este trabalho, como deve ser a pesquisa e desenvolvimento, não foi feito por um indivíduo, mas por uma equipe, neste caso de amigos. Não foi o trabalho ideal e esta parte é culpa minha, mas qualquer mérito que possa ter, tem graças a estas pessoas.
RESUMO
KRETSCHEK, David. Desenvolvimento de um Cabeçote de Extrusão por Êmbolo
para Polipropileno Granulado Visando a Manufatura Aditiva. 2012. 131 f. Dissertação
(Mestrado em Engenharia Mecânica) – Programa de Pós-Graduação em Engenharia
Mecânica e de Materiais. Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba.
2012.
Um dos processos de manufatura aditiva mais popularesse baseia na fusão e
deposição do material. O princípio de funcionamento aplicado nestes equipamentos
restringe o fornecimento de matéria-prima, principalmente no mercado nacional, e a
gama de materiais aplicáveis. O desenvolvimento de um equipamento capaz de
processar o material na forma granulada contribuiria para a popularização do
processo e para a ampliação da gama de materiais disponíveis a serem utilizados.
Este trabalho descreve o desenvolvimento de um cabeçote de extrusão capaz de
processar polipropileno granulado e extrudá-lo em forma de filamento contínuo e
controlado. Este foi projetado de forma a reduzir o efeito da degradação sobre o
material. Experimentos foram conduzidos a fim de caracterizar o comportamento
dimensional dos filamentos gerados e assim permitir o seu melhor controle. A
degradação do material no interior do cilindro aquecido foi avaliada por ensaios de
espectroscopia no infravermelho e de tração em amostras de filamentos. Os
resultados dos experimentos de extrusão mostraram que os filamentos apresentam
variação de vazão ao longo do comprimento extrudado, sendo que a sua largura
aumenta até atingir um patamar onde estabiliza. Os ensaios de espectroscopia
mostram ocorrer degradação dentro do cilindro aquecido, mas os efeitos negativos
sobre a resistência mecânica dos filamentos são menos acentuados quando
empregando o cabeçote projetado. Concluiu-se que o princípio de extrusão por
êmbolo com alimentação granulada é viável, necessitando, no entanto, desenvolver
mecanismos de controle da extrusão mais adequados ao processo.
Palavras-Chave: Manufatura Aditiva. Processos baseados em Fusão e Deposição.
FDM.
ABSTRACT
KRETSCHEK, David. Development of a Piston Driven Extrusion Head Fed with
Granulated Polypropylene for Additive Manufacturing Application. 2012. 131 f.
Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Programa de Pós-Graduação
em Engenharia Mecânica e de Materiais. Universidade Tecnológica Federal do
Paraná. Curitiba. 2012.
One of the most popular additive manufacturing processes is based on
fuseddeposition of the material. The principleapplied to these machines makes
difficult to find suppliers of raw materials, especially in brazilian market, and narrow
the variety of materials applicable. The development of equipment able to process
the material in the granular form will contribute to the process popularization and
extension of available material to be used. This work describes the development of
an extrusion head capable to process polypropylene granules and extrudeit as
continuous and controlled filament. The extrusion head was designed in order to
minimize the volume of material to be fused and reduce the effect of material
degradation. Experiments were conducted to characterize the dimensional behavior
of the filaments generated and thus allow its better control. The material degradation
inside the extrusion head was assessed by infrared spectroscopyand its negative
effects over filaments strength by tensile tests.The results of the extrusion
experiments showed that the filaments have flow variation along the extruded length,
following an increasing curve until a value where its average stabilizes. Spectroscopy
showed that degradation occurs inside the heated cylinder, but its negative effects on
material strength are less intense when using the designed extrusion head. It was
concluded that the extrusion plunger principle with granulated feeding is viable for
Additive Manufacturing, requiring, however, better control mechanisms of the
extrusion to enable the manufacture of uniform and cohesive parts.
Keywords: Additive Manufacturing. Fused Deposition based processes. FDM.
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 2.1 - CABEÇOTE DE EXTRUSÃO FDM ..................................................... 25
FIGURA 2.2 - FUNCIONAMENTO DO CABEÇOTE DE EXTRUSÃO DA FDM ........ 26
FIGURA 2.3 - PARÂMETROS DE PREENCHIMENTOS DAS CAMADAS. .............. 27
FIGURA 2.4 - ESTRUTURA TÍPICA DE PEÇA FABRICADA POR FDM .................. 28
FIGURA 2.5 - ESTRUTURAS COM GAP NEGATIVO (A) E NULO (B) .................... 28
FIGURA 2.6 - CURVAS TENSÃO-DEFORMAÇÃO DOS CORPOS DE ABS ........... 29
FIGURA 2.7 - EQUIPAMENTO BITS FOR BYTES (A), MAKERBOT (B) E REPRAP
(C) ...................................................................................................... 31
FIGURA 2.8 –PEÇA DE PP (ESQ.) E ABS (DIR.) FABRICADAS PELA BITS FOR
BYTES ............................................................................................... 32
FIGURA 2.9 - FLAMBAGEM DO FILAMENTO ......................................................... 34
FIGURA 2.10 - EQUIPAMENTO MED (A) E DETALHE DA ROSCA DE EXTRUSÃO
(B) ...................................................................................................... 34
FIGURA 2.11 - CABEÇOTE EXTRUSOR DESENVOLVIDO PARA FAB@HOME ... 35
FIGURA 2.12 - PEÇAS FABRICADAS EM EVA ....................................................... 36
FIGURA 2.13 - ESQUEMA DO EQUIPAMENTO (A), 1ª ROSCA FABRICADA (B) E
EQUIPAMENTO MONTADO (C) ....................................................... 38
FIGURA 2.14 - EQUIPAMENTO DESENVOLVIDO .................................................. 39
FIGURA 2.15 - ESTRUTURAS FABRICADAS PELO EQUIPAMENTO .................... 40
FIGURA 2.16 - SISTEMA ROTATIVO PNEUMÁTICO (A) E COM ROSCA (B) ........ 41
FIGURA 2.17 - PEÇAS FEITAS PELA BIOEXTRUDER (A) E (B) E DETALHE DOS
FILAMENTOS (C) .............................................................................. 41
FIGURA 2.18 - EQUIPAMENTO DESENVOLVIDO POR LU ET AL. ........................ 42
FIGURA 2.19 - RELAÇÃO DA MASSA MOLECULAR COM ALGUMAS
PROPRIEDADES DOS POLÍMEROS: A = MÓDULO ELÁSTICO, B =
RESISTÊNCIA À TRAÇÃO E C = DUREZA ...................................... 43
FIGURA 2.20 - CONFORMAÇÃO ALEATÓRIA E RESTRIÇÕES DA ESTRUTURA
DE UMA CADEIA CARBÔNICA ......................................................... 44
FIGURA 2.21 - ESTIRAMENTO DAS MACROMOLÉCULAS NA ENTRADA DO
CAPILAR ............................................................................................ 45
FIGURA 2.22 - ROSCA DE PROCESSAMENTO DE POLÍMEROS ......................... 45
FIGURA 2.23 - ESQUEMA DE FUNCIONAMENTO DE REÔMETRO CAPILAR ..... 46
FIGURA 2.24 - INCHAMENTO DO EXTRUDADO .................................................... 47
FIGURA 2.25 - INCHAMENTO DO EXTRUDADO EM FUNÇÃO DA TAXA DE
CISALHAMENTO A DIFERENTES TEMPERATURAS ..................... 47
FIGURA 2.26 - FRATURA DO FUNDIDO ................................................................. 48
FIGURA 2.27 - FÓRMULA DO POLIPROPILENO .................................................... 51
FIGURA 2.28 - CONFORMAÇÃO EM ESPIRAL DA FASE CRISTALINA DO
POLIPROPILENO ISOTÁTICO HOMOPOLÍMERO ........................... 52
FIGURA 3.1 - DISPOSITIVO DE TESTE DE EXTRUSÃO ........................................ 56
FIGURA 3.2 - COMPONENTES DO DISPOSITIVO DE TESTES ............................. 56
FIGURA 3.3 - ILUSTRAÇÃO DO FUNCIONAMENTO PRETENDIDO DO SISTEMA
EXTRUSOR. ...................................................................................... 58
FIGURA 3.4 - CONCEPÇÕES AVALIADAS POR SIMULAÇÃO: (A) COM ALETAS E
(B) COM PAREDE FINA. ................................................................... 59
FIGURA 3.5–RESULTADOS DA SIMULAÇÃO NO CILINDRO COM ALETAS (A) E
DE PAREDE FINA(B). ....................................................................... 60
FIGURA 3.6 - DESENHO DETALHADO DA CONCEPÇÃO 2. ................................. 63
FIGURA 3.7–DESENHO DETALHADO DA CONCEPÇÃO 3 ................................... 64
FIGURA 3.8 - CABEÇOTE EXTRUSOR ................................................................... 65
FIGURA 3.9 – SISTEMA DE CONTROLE DA TEMPERATURA .............................. 68
FIGURA 3.10 - BANCADA CNC ................................................................................ 69
FIGURA 3.11 - SISTEMA DE CONTROLE DO EQUIPAMENTO PROTÓTIPO ....... 70
FIGURA 3.12 - EQUIPAMENTO PROTÓTIPO COM PERIFÉRICOS ....................... 71
FIGURA 3.13 - ILUSTRAÇÃO DOS PARÂMETROS DE EXTRUSÃO ..................... 72
FIGURA 3.14 - MOVIMENTAÇÃO SEGUNDO X E Y ............................................... 74
FIGURA 4.1 - FLUXOGRAMA DAS ETAPAS EXPERIMENTAIS ............................. 76
FIGURA 4.2 - POSIÇÃO DOS TERMOPARES AO LONGO DO CILINDRO ............ 78
FIGURA 4.3 - TRAJETÓRIA PARA ANÁLISE DOS FILAMENTOS DE 250 MM ...... 82
FIGURA 4.4 - TRAJETÓRIA PARA A ANÁLISE DOS FILAMENTOS DE 1450 MM . 84
FIGURA 4.5 - PONTOS DE MEDIÇÕES DAS AMOSTRAS DE 1450 MM ............... 85
FIGURA 4.6 - PONTOS DE MEDIÇÕES DAS AMOSTRAS DE 4000 MM ............... 86
FIGURA 4.7 - TRAJETÓRIA DE VERIFICAÇÃO DA ADESÃO ................................ 87
FIGURA 4.8- TRAJETÓRIA DE PREPARAÇÃO DAS AMOSTRAS DO ENSAIO DE
TRAÇÃO ............................................................................................ 90
FIGURA 5.1 - GRÁFICO TEMPERATURA X TEMPO CONFORME ALTURA DO
CILINDRO PARA TP=180°C .............................................................. 91
FIGURA 5.2 - GRÁFICO TEMPERATURA X TEMPO CONFORME ALTURA DO
CILINDRO PARA TP=200°C .............................................................. 92
FIGURA 5.3 - GRÁFICO TEMPERATURA X TEMPO CONFORME ALTURA DO
CILINDRO PARA TP=220°C .............................................................. 92
FIGURA 5.4 - AMOSTRA DE MATERIAL ALIMENTADO A 200°C, MAS NÃO
COMPRIMIDO ................................................................................... 94
FIGURA 5.5 - PERFIL DA TEMPERATURA AO LONGO DO CILINDRO ................. 94
FIGURA 5.6 - AMOSTRAS DO MATERIAL FUNDIDO A TP 180°C (A), 200°C (B),
220°C (C) E TODAS AS AMOSTRAS JUNTAS (D) ........................... 95
FIGURA 5.7 - ASPECTO DO CONTATO FILAMENTO-POLIURETANO ................. 97
FIGURA 5.8 - GRÁFICO DOS RESULTADO DO FILAMENTO DE 250 MM ............ 98
FIGURA 5.9 - GRÁFICO DE DISPERSÃO DO DESVIO PADRÃO ......................... 100
FIGURA 5.10 - GRÁFICO DOS EFEITOS DOS PARÂMETROS NA LARGURA DO
FILAMENTO PARA VM DE 2MM/S ................................................. 101
FIGURA 5.11 - MICROGRAFIAS DOS FILAMENTOS EXTRUDADOS A 180 °C, VD
135 MM/MIN E VE (A) 0,008, (B) 0,019 E (C) 0,043 MM/S. ............ 102
FIGURA 5.12–MICROGRAFIA DOS DEFEITOS NAS AMOSTRAS DE
FILAMENTOS EXTRUDADOS (A) ESTRICÇÃO, (B) FRATURA E (C)
INCLUSÃO ....................................................................................... 103
FIGURA 5.13 - GRÁFICO DAS LARGURAS MÉDIAS DOS ENSAIOS COM
FILAMENTOS DE 1450 MM ............................................................ 105
FIGURA 5.14 – GRÁFICO DAS LARGURAS MÉDIAS DOS ENSAIOS 1 E 4 COM
FILAMENTOS DE 1450MM ............................................................. 106
FIGURA 5.15 - GRÁFICO DAS MEDIÇÕES DE LARGURA DO FILAMENTO DE
4000 MM .......................................................................................... 107
FIGURA 5.16- GRÁFICO DAS ÁREAS DO FILAMENTO DE 4000 MM ................. 108
FIGURA 5.17 - GRÁFICO DE CORES EM FUNÇÃO DA ALTURA EM Z ............... 109
FIGURA 5.18–AMOSTRA PARA VERIFICAÇÃO DO PERFIL DE ALTURA E
INDICAÇÃO DO PLANO DE CORTE .............................................. 110
FIGURA 5.19 - PERFIL DE ALTURA DO INÍCIO DA AMOSTRA ........................... 110
FIGURA 5.20 - PERFIL DE ALTURA DO FIM DA AMOSTRA ................................ 110
FIGURA 5.21 - ESPECTROS NO INFREAVERMELHO DAS AMOSTRAS
PREPARADAS COM O CILINDRO DE CONCEPÇÃO 2. ............... 112
FIGURA 5.22 - ES SPECTROS NO INFREAVERMELHO DAS AMOSTRAS
PREPARADAS COM O CILINDRO DE CONCEPÇÃO 3. ............... 112
FIGURA 5.23 - GRÁFICOS DE TENSÃO X DEFORMAÇÃO DA CONCEPÇÃO 2
COM TP (A) 180°C, (B) 200°C E (C) 220°C .................................... 115
FIGURA 5.24 - GRÁFICOS DE TENSÃO X DEFORMAÇÃO EMPREGANDO A
CONCEPÇÃO 3 COM TP (A) 180°C, (B) 200°C E (C) 220°C ......... 116
LISTA DE TABELAS
TABELA 2.1 - PROPRIEDADES DO POLIPROPILENO H301 DA BRASKEM ......... 52
TABELA 3.1 – REQUISITOS BÁSICOS DE PROJETO PARA CABEÇOTE DE
EXTRUSÃO ....................................................................................... 54
TABELA 3.2 - PARÂMETROS DAS SIMULAÇÕES TÉRMICAS .............................. 59
TABELA 3.3- PARÂMETROS PID DO CONTROLADOR ......................................... 68
TABELA 4.1 - PLANEJAMENTO DA ANÁLISE DE FUSÃO DO CILINDRO ............. 77
TABELA 4.2 - ETAPAS DE AQUISIÇÃO DO PERFIL DE TEMPERATURA AO
LONGO DO CILINDRO ...................................................................... 78
TABELA 4.3- ETAPAS DE PREPARAÇÃO DAS AMOSTRAS DE MASSA FUNDIDA
........................................................................................................... 79
TABELA 4.4 - TIPOS DE SUBSTRATOS ................................................................. 80
TABELA 4.5 - PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL 3³ DA EXTRUSÃO EM 250 MM
........................................................................................................... 83
TABELA 4.6- PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL DE ESPECTROSCOPIA NO
INFRAVERMELHO ............................................................................ 89
TABELA 5.1 - RESULTADOS DOS TESTES DE SUBSTRATO .............................. 96
TABELA 5.2 - RESULTADOS RESUMIDOS DOS FILAMENTOS DE 250MM ......... 99
TABELA 5.3 - RESULTADOS RESUMIDOS DE EXTRUSÃO EM 1450 MM .......... 105
TABELA 5.4- TABELA DOS RESULTADOS RESUMIDOS DE ÁREA DOS
FILAMENTOS DE 4000 MM ............................................................ 107
TABELA 5.5- RESULTADOS DOS ENSAIOS DE TRAÇÃO ................................... 114
LISTA DE ACRÔNIMOSE SIGLAS
ABS Acrilonitrila-Butadieno-Estireno (Acrylonitrile-Butadiene-Styrene)
AM Manufatura Aditiva (Additive Manufacturing)
CAD Projeto Auxiliado por Computador (Computer Aided Design)
Cf Cilindro de Parede Fina
Cm Cilindro de Parede Grossa
CNC Controle Numérico Computadorizado (Computer Numerical Control)
DACOC Departamento Acadêmico de Construção Civil
Dp Desvio Padrão
EMC2 Programa de controle CNC para plataforma LINUX (Enhanced Machine
Control)
EVA Etileno – Acetato de Vinila (Ethylene Vinyl Acetate)
FD Fusão e Deposição (Fused Deposition)
FDC Fusão e Deposição de Cerâmicos (Fused Deposition of Ceramics)
FDM Modelagem por Fusão e Deposição (Fused Deposition Modeling)
FTIR Espectroscopia no Infravermelho por Transformada de Fourier (Fourier
Transform Infrared Spectroscopy)
LEA Levantamento do Estado da Arte
MED Mini Extruder Deposition
NUFER Núcleo de Prototipagem e Ferramental (Prototyping and Tooling Group)
PC Policarbonato (Polycarbonate)
PCL Policaprolactona (Polycaprolactone)
PEI Polieterimida (Polyetherimide)
PLA Polilactato (Polylactide)
PM Peso Molecular (Molecular Weight)
PP Polipropileno (Polypropylene)
PPSF Polifenilsulfona (Polyphenylsulfone)
RM Manufatura Rápida (Rapid Manufacturing)
RP Prototipagem Rápida (Rapid Prototyping)
RP3 Planejamento de Processo de Prototipagem Rápida (Rapid Prototyping
Process Planning)
RT Ferramental Rápido (Rapid Tooling)
SL Estereolitografia, processo (Stereolithography)
SML Stratasys Modeling Language
STL Estereolitografia, formato de arquivo (Stereolithography)
UTFPR Universidade Tecnológica Federal do Paraná
UV Ultra-Violeta
LISTA DE SÍMBOLOS
Af Área do furo de saída do cilindro
Ae Área da seção transversal do êmbolo
F Frequência de acionamento do motor de passo
i Taxa de redução do redutor
k Coeficiente de condutividade térmica
L Comprimento do cilindro
Ppr Resolução do motor de passo em pulsos por revolução
Pf Passo do fuso do cabeçote
qf„ Taxa de transferência de calor por condução do cilindro de parede fina
qg„ Taxa de transferência de calor por condução do cilindro de parede
grossa
qf„„ Taxa de transferência de calor por convecção do cilindrode parede fina
qg„„ Taxa de transferência de calor por convecção em do cilindro de parede
grossa
ri Raio interno de ambos os cilindros
ref Raio externo cilindro de parede fina
reg Raio externo cilindro de parede grossa
r Resolução do driver de micropassos
Ti Temperatura na parede interna do cilindro
Te Temperatura na parede externa do cilindro
Tc Temperatura da superfície do cilindro
Tar Temperatura da superfície do fluido
Tm Temperatura de fusão do material
Tp Temperatura de processamento
T Período dos pulsos acionamento do motor de passo
Ve Velocidade de deslocamento do êmbolo
Vf Velocidade de extrusão do filamento
Vd Velocidade de deslocamento do cabeçote
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 18
1.1 Apresentação do problema ............................................................................................................. 19 1.2 Objetivos ....................................................................................................................................... 20 1.3 Justificativa ...................................................................................................................................... 20 1.4 Organização do trabalho ................................................................................................................. 21
2 MANUFATURA ADITIVA – PROCESSOS BASEADOS EM FUSÃO E DEPOSIÇÃO ............................................................................................................. 22
2.1 O princípio da Manufatura Aditiva ................................................................................................... 22 2.2 Classificação dos processos de AM ............................................................................................... 23 2.3 Tecnologias Baseadas em Fusão e Deposição .............................................................................. 24 2.4 Processo comercial de FDM ........................................................................................................... 25
2.4.1 Parâmetros de Processamento e Propriedades das Peças Fabricadas por FDM ...................... 27
2.5 Processos de Baixo Custo Baseados em FD ................................................................................. 30 2.6 Processos Experimentais Baseados em FD ................................................................................... 32
2.6.1 FD com Alimentação em Filamentos ........................................................................................... 32
2.6.2 FD com extrusão por Rosca......................................................................................................... 33
2.6.3 FD com Extrusão por Êmbolo ...................................................................................................... 38
2.7 Polímeros como materiais para processos baseados em FD ........................................................ 43
2.7.1 Reologia do Polímero Fundido ..................................................................................................... 44
2.7.2 Processamento ............................................................................................................................ 45
2.7.3 Fenômenos Observados na Extrusão .......................................................................................... 46
2.7.4 Degradação ................................................................................................................................ 49
2.7.5 Polipropileno ................................................................................................................................ 51
2.8 Considerações sobre A Literatura ................................................................................................... 53
3 DESENVOLVIMENTO DO CABEÇOTE DE EXTRUSÃO ..................................... 54
3.1 Requisitos para AM ......................................................................................................................... 54 3.2 Concepção 1 - Testes Preliminares ................................................................................................ 55 3.3 Concepção 2 - Desenvolvimento do sistema de extrusão .............................................................. 57
3.3.1 Avaliação de Concepções por Simulação Térmica ..................................................................... 58
3.3.2 Cálculo da Eficiência Térmica da Concepção 2 Variando a Espessura da Parede .................... 60
3.3.3 Fabricação ................................................................................................................................ 63
3.4 Concepção 3 – Cilindro de Comparação ........................................................................................ 64 3.5 Cabeçote de Extrusão ..................................................................................................................... 65
3.5.1 Sistema Motor .............................................................................................................................. 65
3.5.2 Sistema de Controle do Cabeçote ............................................................................................... 67
3.6 Bancada CNC ................................................................................................................................. 69
3.6.1 Implementação do Código G no Planejamento do Processo ...................................................... 71
3.7 Parâmetros de Extrusão .................................................................................................................. 72
3.7.1 Temperatura de Processamento .................................................................................................. 73
3.7.2 Velocidade de Extrusão do filamento ........................................................................................... 73
3.7.3 Velocidade do Êmbolo ................................................................................................................. 74
3.7.4 Velocidade de Deslocamento do Cabeçote ................................................................................. 74
3.7.5 Altura da Camada ........................................................................................................................ 75
3.7.6 Tempo de Permanência ............................................................................................................... 75
4 Estudo experimental do processo .................................................................. 76
4.1 Análise da Fusão do PP ao longo do cilindro ................................................................................. 76
4.1.1 Perfil de Temperatura ao Longo do Cilindro ................................................................................ 78
4.1.2 Avaliação da Massa Fundida ....................................................................................................... 79
4.2 Testes de Substrato ........................................................................................................................ 79 4.3 Estudo de Extrusão – DEFINIÇÃO DA JANELA DE PROCESSAMENTO .................................... 81
4.3.1 Análise do Filamento de 250 mm ................................................................................................. 81
4.3.2 Análise do Filamento de 1450 mm ............................................................................................... 83
4.3.3 Análise do Filamento de 4000 mm ............................................................................................... 85
4.3.4 Verificação da Adesão Lateral entre Filamentos ......................................................................... 86
4.4 Estudo da degradação .................................................................................................................... 88
4.4.1 Espectroscopia no Infravermelho ................................................................................................. 88
4.4.2 Ensaios de Tração ....................................................................................................................... 90
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES ....................................................................... 91
5.1 Análise da Fusão do PP ao longo do cilindro ................................................................................. 91 5.2 Resultados dos Testes de Substrato .............................................................................................. 96 5.3 Estudo de Extrusão ......................................................................................................................... 98
5.3.1 Análise do Filamento de 250 mm ................................................................................................. 98
5.3.2 Análise do Filamento de 1450 mm ............................................................................................. 104
5.3.3 Análise do Filamento 4000 mm .................................................................................................. 106
5.3.4 Verificação da Adesão ............................................................................................................... 108
5.4 Estudo da Degradação .................................................................................................................. 111
5.4.1 Espectroscopia no Infravermelho ............................................................................................... 111
5.4.2 Ensaios de Tração ..................................................................................................................... 113
6 CONCLUSÕES .................................................................................................... 118
6.1 Considerações Finais .................................................................................................................... 118 6.2 Conclusões .................................................................................................................................... 119 6.3 Recomendações para Trabalhos Futuros ..................................................................................... 120
REFERÊNCIAS ....................................................................................................... 122
18
1 INTRODUÇÃO
Os processos de fabricação convencionais podem ser classificados em quatro
grupos: por remoção de material, por fusão e moldagem, por conformação e por
adição. Neste último grupo, se enquadram também os processos denominados de
manufatura aditiva (AM - Additive Manufacturing), um processo cuja aplicação
comercial começou no final da década de 80 (VOLPATO; CARVALHO, 2007).
Neste,são produzidas peças através da adição de material, camada a camada, sem
ferramentas, mudança de orientação da peça, moldes ou dispositivos de fixação e
com pouca interferência humana (ibid.)
O empregoda AM no processo de desenvolvimento de produtos e na produção
em baixa escala, como processo de fabricação rápido e flexível, já está
consolidado.Novas aplicações de especial potencial na indústria, como a fabricação
de ferramentas de produção, e na área médica,como a fabricação de estruturas para
cultura de tecidos e a fabricaçãode próteses,vêm se desenvolvendo.
Um dos processos de AM mais populares, denominado Modelagem por Fusão
e Deposição (FDM – Fused Deposition Modeling), é objeto frequente de pesquisa e
desenvolvimento.Neste, a fabricação do modelo é feito pela extrusão de um
filamento polimérico fundido preenchendo as camadas e formando a peça. Com
base no princípio de deposição do material fundido, uma série de novos processos
vem sendo desenvolvidos para atender a requisitos específicos de cada aplicação,
como processar biopolímeros e materiais biocompatíveis ou reduzir custos.
O mercado da manufatura aditiva vem experimentando um forte crescimento
impulsionado pela criação de novas aplicações e a popularização das aplicações já
existentes (Wohlers, 2012). Segundo Petrusch et al. (2007), vários países vêm
desenvolvendo máquinas de AM procurando atingir parte desse mercado ou
simplesmente promover o desenvolvimento da tecnologia. No Brasil, algumas
universidades e instituições vêm realizando pesquisas nesta área, mas estas ainda
são poucas (ibid).
19
1.1 APRESENTAÇÃO DO PROBLEMA
O Brasil ainda não usufrui plenamente do potencial impacto desta tecnologia e
de suas aplicações, pois, por ser importador de equipamentos de AM, está sujeito
aos altos custos de aquisição e manutenção, o que acaba onerando sua operação e,
por consequência, limitando seu emprego (PETRUSCH et al., 2007).
Além do custo inicial de aquisição do equipamento, a manutenção do seu
funcionamento também é onerosa. A especificidade dos materiais empregados para
fabricação dos modelos faz com que, para vários processos, haja poucos ou
nenhum fornecedor alternativo, obrigando a sua importação. A manutenção do
equipamento, em caso de problemas no seu funcionamento, exige a contratação de
serviços especializados, pois, as tecnologias empregadas são, muitas vezes, pouco
usuais e as empresas fabricantes dos equipamentos são bastante restritivas quanto
à abertura de seus sistemas para estudo e intervenção de pesquisadores e usuários.
Em especial, nos processos baseados em Fusão e Deposição (FD) a
alimentação do material no equipamento é, geralmente, feita em forma de um
filamento. Esta forma de alimentação dificulta a aquisição de matéria-prima pois,
exige o pré-processamento do material para um filamento. Além de incorporar mais
uma etapa para produção da matéria-prima, nem todos materiais com aplicações
potenciais em AM permitem a formação de um filamento que atenda aos requisitos
de rigidez necessários (BELLINI, 2003).
Os processos de AM são, em geral, caros e pouco acessíveis, tanto na
aquisição quanto para manutenção. Naqueles baseados em FD a alimentação em
forma de filamento gera uma forte restrição de acesso à diferentes materiais. Foi
acreditado ao processo baseado em FD de extrusão com alimentação granulada a
capacidade de solucionar estes problemas, empregando para isto um sistema
mecânico simples e acessível.
20
1.2 OBJETIVOS
O objetivo principal deste trabalho é desenvolver um cabeçote de extrusão por
êmbolo com alimentação de polipropileno granulado e avaliar a sua viabilidade como
princípio de funcionamento para aplicação em manufatura aditiva.
Para cumprir este objetivo alguns objetivos específicos foram definidos.
Projetar e fabricar um sistema de deposiçãocapaz de gerar um filamento
contínuo e controlado a partir de polipropileno granulado;
Estudar o comportamento dimensional do filamento gerado a fim de
verificar se o processo é estável(controlado);
Estudar o efeito da degradação térmica sobre a qualidade do filamento
para verificar a viabilidade de aplicação do processo para AM;
Verificar a adesão entre filamentos depositados adjacentemente.
1.3 JUSTIFICATIVA
O desenvolvimento de um processo nacional deve atrair a atenção para o
cenário brasileiro da manufatura aditiva e incentivar a pesquisa e desenvolvimento
nesta área. O desenvolvimento de um equipamento tecnologicamente acessível e
capaz de processar materiais de fácil obtenção deve reduzir o custo de operação e
manutenção, popularizando a AM entre usuários autônomos, interessados em
produzir itens próprios, e pequenas empresas, que não podem adquirir e manter
equipamentos importados.Nas instituições de ensino, daria maior liberdade para as
pesquisas baseadas em tal processo e aos alunos permitiria o uso desta tecnologia
sem ter de arcar com o alto custo associado à operação de equipamentos
importados.
O emprego do princípio de fusão e deposição, reforçado pela alimentação
granulada, amplia a gama de materiais aplicáveis ao processo dando mais
flexibilidade à pesquisa em AM e facilitando o acesso dos usuários à matéria-prima.
21
A redução do custo de aquisição e operação dos equipamentos permitirá a
aplicação em maior escala da AM, fazendo com que mais projetos usufruam das
suas vantagens.
1.4 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
Este documento está organizado em seis capítulos. O Capítulo 1 se refere à
introdução à área do conhecimento e ao contexto do trabalho. São apresentados
alguns problemas na AM, justificado o empenho de um esforço de pesquisa para
solucioná-los e os objetivos deste trabalho. O Capítulo 2 revisa conceitos de
manufatura aditiva, o estado da arte dos processos de AM baseados em fusão e
deposição e aborda os conceitos sobre polímerosimportantes à compreensão do
trabalho. No Capítulo 3 é descrito o desenvolvimento do cabeçote de extrusão por
êmbolo e alimentação granulada. O Capítulo 4 são descritos os materiais e métodos
experimentais usados no estudo do filamento produzido pelo cabeçote desenvolvido.
O Capítulo 5 apresenta os resultados e discussões dos experimentos enquanto que
no Capítulo 6 são descritas as conclusões sobre o trabalho e as sugestões de
trabalhos futuros.
22
2 MANUFATURA ADITIVA – PROCESSOS BASEADOS EM FUSÃO
E DEPOSIÇÃO
Neste capítulo serão apresentados os conceitos de manufatura aditiva, em
especial aqueles associados aos processos baseados em fusão e deposição, uma
revisão do estado da arte dos processos. Serão visto conceitos de polímeros de
interesse no trabalho. A revisão destes conceitos visa inteirar o leitor sobre o
contexto do trabalho e embasar a tomada de decisões.
2.1 O PRINCÍPIO DA MANUFATURA ADITIVA
A Manufatura Aditiva (AM – Additive Manufacturing) é definida como um
processo de fabricação no qual um modelo físico é fabricado pela adição de material
em camadas sucessivas a partir de um modelo tridimensional gerado em um
programa CAD (Computer Aided Design) (ASTM, 2010; VOLPATO; CARVALHO,
2007; GRIMM, 2004).
Segundo Volpato e Carvalho (2007), o processo de adição de camadasfoi
inicialmente concebido e empregado na fabricação de protótipos para visualização,
sem grandes exigências de precisão e resistência mecânica. Desta aplicação, surgiu
o termo prototipagem rápida (RP - Rapid Prototyping). Com a popularização do
processo surgiram, no entanto, novas aplicações e novas exigências às peças
fabricadas por AM. Estas passaram a ser empregados também pela engenharia para
testes funcionais, devendo suas propriedades se assemelhar às peças que seriam
posteriormente produzidas pelo processo definitivo de fabricação. Da necessidade
de maior quantidade de peças protótipo, surgiu a aplicação da AM para a fabricação
de ferramental, conhecida como ferramental rápido (RT-Rapid Tooling).
Posteriormente, a aplicação da AM como processo definitivo de fabricação das
peças deu origem ao termo manufatura rápida (RM-Rapid Manufacturing).
23
A AM, enquanto processo de fabricação, apresenta uma série de vantagens em
relação a outros processos, como a usinagem. O princípio de manufatura por
camadas garante à AM grande liberdade quanto à geometria, incluindo peças
impossíveis ou dificilmente fabricadas por outro processo. Outra característica
positivaé a independência de dispositivos de fixação, pois o próprio processo gera
estruturas responsáveis por sustentar e fixar a peça que está sendo fabricada.
Contribuindo também para a automação do processo, uma ou várias peças podem
ser fabricadas em uma só etapa, sem haver necessidade, por exemplo, de troca de
ferramentas ou paradas para mudança de fixação, permitindo assim que as
máquinas trabalhem, uma vez preparadas,independentes de um operador. A AM
permite a fabricação de uma peça, a partir de um modelo virtual, em apenas uma
etapa contínua de fabricação. Isto torna a agilidade de obtenção de um modelo físico
talvez a principal vantagem deste processo (GRIMM, 2004; VOLPATO; CARVALHO,
2007).
2.2 CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE AM
Desde o final da década de 1980, quando o primeiro equipamento de AM foi
comercializado, empregando a tecnologia denominada de Estereolitografia (SL -
Stereolithography), várias outras tecnologias foram desenvolvidas (VOLPATO;
CARVALHO, 2007). Segundo Wohlers (2012), em 2012 existem cerca de 31
fabricantes de equipamentos de AM, sendo que alguns destes comercializavam mais
de um tipo de equipamento. Apesar da variedade de fabricantes e equipamentos, os
processos de AM apresentam basicamente as mesmas etapas e podem ser
classificados segundo o estado inicial da matéria-prima em três tipos (VOLPATO;
CARVALHO, 2007). São eles:
1) Baseados em líquido, quando a matéria-prima empregada para fabricar
o modelo encontra-se líquida antes de ser processada, podendo ser, por
exemplo, uma resina polimérica, armazenada em uma cuba e curada
24
por um feixe de laser ultravioleta (UV) ou jateada por um cabeçote de
impressão e curada quando exposta à luz UV;
2) Baseados em sólido. Neste, o material encontra-se no estado sólido,
podendo ser em forma de filamento, lâmina ou outra qualquer, e é
fundido e depositado ou simplesmente recortado, por uma faca ou por
laser, para formar o modelo;
3) Baseados em pó. A matéria-prima encontra-se na forma de pó antes de
ser processada, por exemplo, pela incidência de um feixe laser que
aquece e funde o material ou pela aplicação de um material aglutinante
que será curado para dar maior rigidez ao modelo.
2.3 TECNOLOGIAS BASEADAS EM FUSÃO E DEPOSIÇÃO
Em função do escopo da pesquisa, uma maior atenção foi dada às tecnologias
baseadas em fusão e deposição (FD - Fused Deposition) de material. Estas se
caracterizam por depositarem material fundido na forma de filamentos finos que ao
se solidifica dão rigidez à peça.
Um dos processos de FD mais conhecidos é denominado Modelagem por
Fusão e Deposição (FDM - Fused Deposition Modeling). Este foi concebido em 1989
e patenteado em 1992 como processo de AM por Steven Scott Crump
(STRATASYS, 1992), co-fundador da empresa Stratasys Inc.A FDM foi um dos
primeiros processos de AM desenvolvidos, sendo também o mais popular,
superando, em número de máquinas instaladas, qualquer outro processo (GIBSON;
ROSEN; STUKER, 2010). O termoFused Deposition Modeling e a sigla FDM são
registrados pela empresa Stratasys e se referem aos equipamentos da marca, nos
quais a alimentação da matéria-prima é feita em forma de um filamento
(STRATASYS, 2004).Ambos são, muitas vezes, utilizados para se referir
genericamente aos processos nos quais a matéria-prima, independente da forma
25
como esta se apresenta, está inicialmente sólida, é fundida e extrudada para então
ser solidificada (GIBSON; ROSEN; STUKER, 2010).
Este trabalho empregará a sigla FDM e o seu significado para se referir ao
processo patenteado em 1992, enquanto que outros processos semelhantes
baseados no mesmo princípio, mas com características diferentes, como por
exemplo a forma de alimentação da matéria-prima, serão tratados como processos
baseados em FD ou pela sua própria denominação, quando houver.
2.4 PROCESSO COMERCIAL DE FDM
No processo comercial FDM a matéria-prima, um termoplástico, é alimentada
em forma de um filamento flexível enrolado em uma bobina. O filamento é conduzido
até o cabeçote extrusor, um dispositivo móvel controlado por CNC, onde polias são
responsáveis por tracioná-lo da bobina e empurrá-lo através de um canal aquecido,
fazendo-o fundir-se e ser extrudado por um furo na extremidade oposta do canal
(STRATASYS, 1992). A Figura 2.1 mostra os esboços do cabeçote de extrusão FDM
desenvolvido por Steven S. Crump.
Figura 2.1 - Cabeçote de Extrusão FDM1
Fonte: Stratasys (1992).
1Todas as Figuras, Tabelas e Quadros sem indicação explícita da fonte foram produzidas pelo autor da dissertação.
26
Ofilamento gerado pela extrusão do material é depositado segundo a trajetória
de preenchimento das camadas definida na etapa de planejamento do processo.
Com o preenchimento de uma camada, a plataforma onde o material foi depositado
é deslocada para baixo, o equivalente à altura de uma camada, e a fabricação de
uma nova é iniciada, agora sobre o material depositado na camada que a
antecedeu. Através deste processo a peça é fabricada, camada a camada, pela
extrusão de um filamento polimérico.Em todos os equipamentos FDM
comercializados pela Stratasys, o processo ocorre em uma câmara fechada com
temperatura controlada, gerando um ambiente aquecido à temperatura logo abaixo
da temperatura de amolecimento do polímero. A Figura 2.2 ilustra o funcionamento
do processo FDM.
Figura 2.2 - Funcionamento do Cabeçote de Extrusão da FDM
Fonte: Adaptado de Ahn et al. (2002).
Os materiais termoplásticos disponíveis comercialmente para serem
empregados nos equipamentos fabricados pela Stratasys são quatro variações de
ABS, incluindo um ABS transparente, um antiestática e um biocompatível; duas
variações de PC, sendo um biocompatível; uma blenda PC-ABS; PPSF; e PEI, sob o
nome comercial de Ultem (STRATASYS, 2011).
O processo FDM é objeto frequente de pesquisas, que incluem a otimização do
planejamento de processo, a avaliação das propriedades mecânicas dos modelos, a
compreensão dos fatores envolvidos com as propriedades dos modelos e a sua
adaptação para aplicação de novos materiais (AHN et al., 2002; ANITHA et al. 2001;
BELLINI, 2002; KULKARNI, MARSAN e DUTTA, 2000).
27
2.4.1 Parâmetros de Processamento e Propriedades das Peças
Fabricadas por FDM
A estrutura das peças fabricadas por FDM é formada pelos filamentos
depositados e vazios formados devido à forma elíptica e à distância entre os
filamentos, chamada de vazio ou gap(KULKARNI, MARSAN e DUTTA, 2000). A
Figura 2.3 ilustra alguns parâmetros de preenchimento das camadas.
Figura 2.3 - Parâmetros de Preenchimentos das Camadas.
A Figura 2.4, mostra a seção transversal uma peça fabricada por FDM
empregando uma estratégia de preenchimento típica: filamentos dispostos
unidirecionalmente dentro de uma camada e alternados em 90° de uma camada
para a próxima. A distância entre dois filamentos adjacentes, neste caso, é positiva,
afastando os filamentos o suficiente para que não haja contato entre eles.
Segundo Kulkarni, Marsan e Dutta (2000), a rigidez e resistência da peça estão
relacionadas à extensão das regiões de ligação entre filamentos dentro da mesma
camada e com a camada abaixo e acima dela. A difusão entre os filamentos está
associada principalmente, às temperaturas de extrusão e da câmara de trabalho.
28
Figura 2.4 - Estrutura Típica de Peça Fabricada por FDM
Fonte: Bellini e Güçeri(2003).
Vários estudos foram desenvolvidos procurando caracterizar mecanicamente
as peças fabricadas por FDM. Rodriguez, Thomas e Renaud (2000) caracterizaram
a estrutura das peças segundo a densidade de vazios no seu interior. Os autores
concluíram que a densidade de vazios é menor quanto menor for a distância entre
filamentos adjacentes, ou gap, e quanto maior a largura dos filamentos. A menor
densidade de vazios é mostradana Figura 2.5(a) e foi obtida com filamentos
interferentes. Nesta amostra, a densidade de vazios foi de 6,8% da área da secção.
Comparativamente, a Figura 2.5(b) mostra a estrutura de um peça fabricada
seminterferência. No trabalho em questão, a estratégia de preenchimento adotada
foi de filamentos unidirecionais, tanto internamente às camadas quanto entre elas.
(a) (b)
Figura 2.5 - Estruturas com Gap Negativo (a) e Nulo (b)
Fonte: Rodriguez, Thomas e Renaud(2000).
29
Posteriormente, Rodriguez, Thomas e Renaud (2001) avaliaram a resistência
mecânica de corpos de prova fabricados em ABS segundo diferentes estratégias de
preenchimento e compararam os resultados com as propriedades do filamento não
processado, isto é, como é fornecido pelo fabricante.
Os resultados evidenciaram a natureza anisotrópica das propriedades
mecânicas de peças fabricadas por FDM. Os corpos de prova fabricados de forma
que a solicitação ocorreu longitudinalmente aos filamentos apresentaram maior limite
de resistência à tração e módulo de elasticidade do que os corpos solicitados
transversalmente à direção dos filamentos. Comparativamente ao filamento não
processado, os corpos apresentaram uma perda de resistência, atribuída pelos
autores à existência dos vazios na estrutura e à perda de orientação molecular com
a extrusão. A Figura 2.6mostra as curvas tensão-deformação dos ensaios de tração
realizados em corpos de prova fabricados em um equipamento FDM, com os
filamentos alinhados longitudinalmente e transversalmente à aplicação da carga.
Figura 2.6 - Curvas Tensão-Deformação dos Corpos de ABS
Fonte: Adaptado de Rodriguez, Thomas e Renaud(2001).
Guimarães (2010), realizou um estudo experimental e computacional do
comportamento mecânico de peças fabricadas com os filamentos orientados
bidirecionalmente entre as camadas. Neste estudo o autor conclui ser necessário
conhecer e controlar melhor a formação dos vazios e a interface entre os filamentos,
30
para assim ser possível prever computacionalmente o comportamento das peças
fabricadas pelo processo FDM.
Segundo Bellini, Shor e Güçeri (2005) a difusão promovida entre os filamentos
quando expostos prolongadamente à alta temperatura, é o principal fator influindo
nas propriedades mecânicas das peças fabricadas por FDM. Quando avaliado um
filamento isoladamente Bellini e Güçeri (2003) verificam que a extrusão no processo
FDM não influi significativamente no limite de resistência à tração e no módulo de
elasticidade do material, mas há uma redução de 60% na deformação máxima
suportada. Os autores realizaram ensaios com o filamento de alimentação da
máquina e aquele gerado pela extrusão através do bico. A diferença entre os
resultados foi atribuída ao estiramento das cadeias do polímero quando este é
extrudado.
2.5 PROCESSOS DE BAIXO CUSTO BASEADOS EM FD
Alternativamente aos equipamentos FDMcomerciais, existem alguns
equipamentos de baixo custo disponíveis no mercado para compra ou projetos
abertos, hardware livre, gratuitos para serem fabricados pessoalmente. Enquanto o
equipamento mais barato fabricado pela Stratasys, o recém anunciado Mojo, custa
US$9.900 (STRATASYS, 2012), é possível encontrar máquinas comerciais de baixo
custo por US$1.300 (BITSFORBYTES, 2011 e MAKERBOT, 2011a) ou ainda
máquinas de hardware livre, cujo conjunto de peças pode ser comprado por US$600
para serem montadas ou o projeto pode ser adquirido sem custo e ser fabricado
pessoalmente (REPRAP, 2011).
Estes equipamentos empregam um princípio bastante semelhante ao FDM,
com alimentação do material polimérico em forma de filamentos. A principal
diferença é a simplicidade mecânica e a área de fabricação ser aberta e sem
controle de temperatura.
31
Estes equipamentos fazem parte do esforço de popularização da manufatura
aditiva (BITSFORBYTES, 2011; MAKERBOT, 2011a e REPRAP, 2011). Menores
preços devem, segundo os desenvolvedores e entusiastas, permitir que a AM seja
popularizada, atraindo maior interesse de pesquisadores e levando ao seu
amadurecimento até que estas tecnologias possam ser utilizadas tão popularmente
quanto impressoras comuns.A Figura 2.7 mostra alguns destes equipamentos.
(a) (b) (c)
Figura 2.7 - Equipamento Bits for Bytes (a), MakerBot (b) e RepRap (c)
Fonte: Bitsforbytes(2011); Makerbot(2011) e Reprap (2011).
Os materiais disponíveis para aplicação nestes equipamentos são, em geral, o
ABS e o polilactato (PLA), um polímero biodegradável feito de milho com baixo fator
de contração e transparente (MAKERBOT, 2011b). Outros materiais, como
polipropileno e polietileno, já foram testados pela comunidade dedicada à aplicação
e desenvolvimento destes equipamentos, sendo até comercializados para aplicação
na Bits for Bytes. A sua aplicação, no entanto, é pouco popular devido ao seu alto
coeficiente de contração e menor qualidade da peça fabricada, como ilustra a Figura
2.8.Segundo Kecman (2009), a contração demasiada do PP
acarreta,frequentemente,o empenamento da peça sendo fabricada, mas este é
contornável pela correta definição dos parâmetros e do substrato.
32
Figura 2.8 –Peça de PP (esq.) e ABS (dir.) Fabricadas pela Bits for Bytes
Fonte: Kecman (2009).
2.6 PROCESSOS EXPERIMENTAIS BASEADOS EM FD
O processo FDM devido, provavelmente, à sua versatilidade e à relativa
simplicidade do seu princípio, serve de base para o desenvolvimento de uma série
de outros processos experimentais.Muitos, são resultados da adaptação para o
processamento de novos materiais.
2.6.1 FD com Alimentação em Filamentos
No Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer (CTI), em Campinas, foi
desenvolvido um cabeçote de extrusão baseado em FDM para fazer o
processamento dos biopolímeros PLA e Policaprolactona (PCL), alimentados em
forma de filamento.Empregando este dispositivo foi feita a análise da degradação do
PLA em função do seu histórico de processamento. A análise foi feita simulando dois
momentos, após a transformação dos grânulos em filamento, para a preparação da
matéria-prima, e após o reprocessamento e extrusão pelo dispositivo Fab@CTI.
Ficou claro, segundo Fermín et al.(2012), a ocorrência de degradação, identificada
33
por uma mudança da massa molecular viscométrica, com o reprocessamento do
PLA no dispositivo.
2.6.2 FD com extrusão por Rosca
Uma solução comum a uma série de pesquisadores para a necessidade
reportada por Bellini (2002) de se ter um sistema de deposição não limitado pela
alimentação do material em forma de filamento é o emprego de uma rosca para
fazer o processamento do material e gerar a pressão para extrudá-lo (BELLINI;
SHOR; GÜÇERI, 2005; DOMINGOS et al., 2009; NIXON; TAN, 2007; BRAAKER et
al., 2010).
Bellini (2002) avaliou a viabilidade de empregar um equipamento FDM
modificado para fabricar modelos cerâmicos, processo denominado Fusão e
Deposição de Cerâmicos (FDC – Fused Deposition of Ceramics), a partir de um
filamento de material termoplástico com cargas de pó cerâmico. Neste trabalho, a
autora aponta o uso da matéria-prima em forma de filamento como o principal
problema da adoção deste processo. Ainda, segundo a autora, a contrapressão
gerada pela geometria do canal de extrusão pode acarretar problemas como a
flambagem do filamento na entrada do sistema de aquecimento. A Figura 2.9 ilustra
a ocorrência da flambagem no processo FDM. Na FDC este fenômeno limita a
proporção de carga cerâmica misturada ao filamento termoplástico, pois, esta torna
o filamento menos resistente à flambagem (ibid.).
Como solução para estes problemas a autora desenvolveu e testou
preliminarmente uma miniextrusora que faz o processamento de material granulado
empregando uma rosca de extrusão. Este processo foi denominado Mini Extruder
Deposition (MED). Concluindo o trabalho, Bellini (2002) aponta a necessidade de
desenvolver sistemas de deposição que reduzam os problemas associados à
alimentação em forma de filamento, pois, segundo Venkataraman (2000 apud
BELLINI; SHOR; GÜÇERI, 2005), a principal limitação para a aplicação de novos
34
materiais no processo FDM é a forma como estes são alimentados no equipamento
(i.e. em forma de filamento).
Figura 2.9 - Flambagem do Filamento
Fonte: Adaptado de Bellini (2002).
Bellini, Shor e Güçeri (2005) publicaram um estudo analisando a influência de
certos parâmetros sobre a qualidade mesoestrutural dos modelos cerâmicos
fabricados empregando a miniextrusora por rosca concebida anteriormente. A Figura
2.10mostra o equipamento supracitado.
Figura 2.10 - Equipamento MED (a) e Detalhe da Rosca de Extrusão (b)
Fonte: Bellini(2002).
(a) (b)
35
Neste estudo, os autores analisam a influência do tamanho dos grânulos,
temperatura de entrada e saída do material, diâmetro do canal do bico extrusor,
temperatura do ambiente e velocidade de deslocamento do cabeçote sobre o
comportamento do material processado e extrudado. Com os experimentos
realizados, os autores mostram que o tamanho do grão processado pela rosca tem
influência sobre a continuidade do material extrudado. Segundo hipótese levantada
pelos autores, devido à alta razão entre área / volume, o calor na entrada da rosca é
suficiente para fundir os grãos pequenos, causando aglutinação e impedindo a
alimentação de novos grãos. Grãos grandes, por outro lado, podem ficar presos na
rosca, limitando a vazão de material fundido e, eventualmente estancando o seu
fluxo.
Nixon e Tan (2007) desenvolveram um cabeçote de extrusão para ser acoplado
ao equipamento Fab@Home, para processar o copolímero etileno–acetato de vinila
(EVA - ethylene vinyl acetate). A Figura 2.11 mostra o cabeçote montado no
equipamento.
Figura 2.11 - Cabeçote Extrusor Desenvolvido para Fab@Home
Fonte: Nixon e Tan(2007).
36
Neste equipamento, o material é fundido em uma câmara aquecida a
aproximadamente 123°C. O material fundido é conduzido por gravidade para o fundo
da câmara onde uma rosca é empregada para transportar o material fundido e gerar
a pressão necessária para extrudá-lo através de um bico de diâmetro de 1mm.
Devido ao fato da rosca ser apenas o mecanismo de geração de pressão, não
fazendo o processamento do material, a geometria da mesma é bastante
simplificada. Exceto pela potência e temperatura gerada pela resistência empregada
(parâmetros calculados), os parâmetros de processamento foram obtidos
experimentalmente. Os autores não fazem menção a problemas de processamento
do equipamento desenvolvido, tendo o filamento gerado sido analisado apenas
qualitativamente. Como conclusão do trabalho, o equipamento é considerado viável
para o processamento de EVA, mas uma investigação quantitativa da qualidade do
filamento e das peças fabricadas se faz necessária. A Figura 2.12 mostra peças
fabricadas pelo cabeçote desenvolvido por Nixon e Tan (2007).
Figura 2.12 - Peças Fabricadas em EVA
Fonte: Nixon e Tan(2007).
Braaker et al.(2010), motivados pelo potencial aumento de resíduos de
plásticos gerados pela popularização da AM, desenvolveram um cabeçote de
extrusão por rosca para processar plástico reciclado. Os pesquisadores focaram no
reaproveitamento de garrafas de leite feitas de polietileno de alta densidade (HDPE -
High-density Polyethylene). A Figura 2.13 (a) mostra um esquema do cabeçote para
ser acoplado a uma equipamento do projeto RepRap.
37
Neste trabalho, foram analisados os possíveis princípios de processamento
empregados para extrudar materiais. O emprego de um êmbolo para gerar a
pressão de extrusão foi considerada, mas descartada devido à não continuidade da
alimentação do material, exigindo a parada do processo para realimentação, e à
ineficiência, segundo os autores, do processamento. Este problema provavelmente
incorreria no aprisionamento de bolhas e, por consequência, descontinuidade do
filamento extrudado.
O princípio adotado para o desenvolvimento do trabalho foi a extrusão por
rosca, pois neste, o material é continuamente processado e a rosca faz também a
mistura e homogeneização do material. A principal desvantagem desta escolha,
segundo os autores, é a complexidade do projeto e fabricação de uma rosca capaz
de processar satisfatoriamente o material. Para tal, os autores aplicaram uma
abordagem prática experimental para o desenvolvimento do equipamento. Nesta,
uma concepção de equipamento foi desenvolvida, um protótipo foi fabricado e, a
partir dos resultados experimentais com o equipamento, intervenções foram sendo
conduzidas. No total, cinco intervenções foram realizadas no projeto da rosca até
que o equipamento conseguiu processar e extrudar o material. As Figura 2.13 (b) e
(c) mostram a primeira rosca fabricada para teste e o equipamento montado,
respectivamente.
Como resultados do trabalho os autores descrevem o filamento gerado pela
quinta geometria de rosca testada. Este apresentou variação no diâmetro que,
segundo hipótese dos autores, ocorreu devido à inconstância da pressão no colchão
de material fundido formado após a rosca. Este fenômeno gerou também variação
na vazão de extrusão. O filamento apresentou ainda alteração da sua coloração,
possivelmente devido à queima do material em função do excesso de calor
transferido para ele, pelas resistências ou pela fricção do material com as paredes
do sistema. Ocorreu ainda contaminação do filamento com material metálico, devido
provavelmente ao desgaste dos componentes. Segundo os autores, o sistema como
um todo, mostrou-se lento até o início da extrusão, pois o volume de material
necessário para preencher todo o sistema é muito grande.
Como conclusão do trabalho, Braaker et al. (2010) questionam a adoção da
rosca como mecanismo de processamento do material, devido principalmente à
38
baixa resistência mecânica da mesma, como consequência das dimensões
reduzidas, e à dificuldade de obter um sistema que possa ser acoplado ao
equipamento RepRap.
Figura 2.13 - Esquema do Equipamento (a), 1ª Rosca Fabricada (b) e Equipamento Montado (c)
Fonte: Adaptado de Braaker et al.(2010).
2.6.3 FD com Extrusão por Êmbolo
Segundo Gibson, Rosen e Stuker (2010) a área médica é uma das principais
promotoras de inovação na manufatura aditiva. Este segmento se beneficia da
possibilidade de gerar soluções personalizadas para problemas médicos baseadas
em dados específicos do paciente. Em especial a engenharia de tecidos (TE- Tissue
Engineering) é uma das mais promissoras aplicações da AM. Ainda em caráter
experimental, tecidos e, potencialmente, órgãos podem ser fabricados pela
deposição de células vivas, proteínas ou outros materiais que permitam a fabricação
de estruturas para o crescimento de células (ibid.).
(a)
(c)
(b)
39
Segundo Bártolo et al. (2009), processos baseados em FD têm sido
empregados com sucesso na fabricação dessas estruturas de uma série de
materiais, como biocerâmicos e biopolímeros. O processo FDM convencional, no
entanto, apresenta a limitação da alimentação do material em forma de filamento, o
que levou ao desenvolvimento de algumas alternativas para o seu processamento
(ibid.; WOODFIELD et al., 2004).
Woodfield et al. (2004) desenvolveram um dispositivo para extrudar um
copolímero que consiste de uma seringa de aço inoxidável aquecida com
resistências até a temperatura de 350°C. O material, depositado no interior da
seringa em forma de grãos, é fundido e extrudado através de uma agulha acoplada
ao bico. A pressão para extrudar o material fundido é gerada por um motor de passo
e controlada usando uma célula de carga. A Figura 2.14 mostra um esquema de
funcionamento do equipamento desenvolvido por Woodfield et al(2004). Neste
trabalho, não são fornecidas informações sobre o processo de definição dos
parâmetros de processamento ou da relação destes parâmetros com a qualidade do
filamento produzido. Os autores apresentam resultados visuais da qualidade do
filamento e concluem que o equipamento desenvolvido é capaz de produzir peças
satisfatórias pela correta definição do parâmetros. A Figura 2.15 mostra estruturas
fabricadas no trabalho.
Figura 2.14 - Equipamento Desenvolvido
Fonte:Adaptado de Woodfield et al. ( 2004).
40
Figura 2.15 - Estruturas Fabricadas pelo Equipamento
Fonte: Woodfield et al. (2004).
O Instituto Politécnico de Leiria em Portugal (DOMINGOS et al., 2009)
desenvolveu um equipamento denominado BioExtruder para fazer o processamento
e extrusão de Policaprolactona, um polímero biocompatível e biodegradável, a 70°C.
O equipamento possui dois sistemas de deposição. Um deles é um dispositivo
rotativo, Figura 2.16 (a), com quatro reservatórios que podem ser alternados para
extrudar diferentes materiais no qual a extrusão do material é feita pela atuação de
um êmbolo pneumático. O outro sistema consiste de uma rosca de extrusão, Figura
2.16 (b), que faz o processamento do material e gera a pressão de extrusão.
Foram encontradas poucas informações sobre estes equipamentos ou sobre a
qualidade dos filamentos fabricados. As pesquisas publicadas são geralmente
focadas em questões biológicas do processo, fazendo pouca menção à detalhes do
equipamento, do processamento ou à qualidade mecânica do filamento. Numa
análise visual, as peças produzidas pelos equipamentos apresentam boa qualidade
e continuidade do filamento. Os autores também não fazem menção a problemas de
processamento. As Figura 2.17 (a) e (b) mostram peças fabricadas pelo
equipamento com rosca e a Figura 2.17 (c) detalhes dos filamentos de 0,3mm de
diâmetro.
41
Figura 2.16 - Sistema Rotativo Pneumático (a) e com Rosca (b)
Fonte: Domingos et al.(2009).
Figura 2.17 - Peças Feitas pela Bioextruder (a) e (b) e Detalhe dos Filamentos (c)
Fonte: Domingos et al. (2009).
Lu et al. (2009) desenvolveram um equipamento para fazer a extrusão de uma
mistura de pó cerâmico com um ligante termoplástico e solvente. Esta mistura
formou uma pasta extrudável à temperatura ambiente. O equipamento supracitado
possui um cabeçote extrusor que consiste em seringas de aço inoxidável cujo
êmbolo é acionado por motores de passo e o bico é adaptado de um equipamento
de corte por jato d‟água. A pressão de extrusão é medida empregando uma célula
de carga acoplada à haste do êmbolo. Figura 2.18 mostra este equipamento.
(a) (b)
(a) (b) (c)
42
Figura 2.18 - Equipamento Desenvolvido por Lu et al.
Fonte: adaptado de Lu et al. (2009).
Os autores analisaram os efeitos da velocidade de deslocamento do êmbolo
sobre a pressão de extrusão e mostram que a mesma diminui a medida que o
volume de material contido na seringa diminui. Isto, no entanto, não constituiu um
problema na qualidade do filamento extrudado uma vez que uma velocidade de
extrusão ótima foi definida. Como uma das conclusões, Lu et al. (2009) apontam a
necessidade de fazer um sistema de deposição capaz de extrudar intermitentemente
e com isto construir geometrias de maior complexidade. Os autores sugerem o
emprego de um bico valvulado para fazer este controle.
No Brasil alguns trabalhos também foram feitos. Motivado pela necessidade de
tornar os equipamentos de AM baseados em FD ainda mais acessíveis, Lira (2008)
desenvolveu pela Escola Politécnica da USP um cabeçote de extrusão a
temperatura ambiente para processar um compósito de complexo de carboidrato. O
trabalho de pesquisa se dedicou principalmente a avaliar a manutenção da forma da
peça fabricada, pois, após a extrusão, o material leva 24 horas para se tornar rígido
e permitir o manuseio.
43
2.7 POLÍMEROS COMO MATERIAIS PARA PROCESSOS
BASEADOS EM FD
Conforme visto no levantamento do estado da arte, há um forte apelo dos
processos baseados em FD para a variedade dos materiais processáveis. Na
maioria dos equipamentos são empregados polímeros convencionais, como ABS,
mas em caráter experimental são empregados também biopolímeros e pastas
cerâmicas. Este trabalho foi desenvolvido prevendo o emprego de polímeros
convencionais.
Segundo Canevarolo (2002), polímeros são macromoléculas de alto peso
molecular cujas cadeias são formadas pela associação de unidades de repetição,
denominadas meros. Várias propriedades físico-químicas dos polímeros são
influenciadas pelo peso molecular (PM), como mostra a Figura 2.19. As ligações
intermoleculares têm energia de ligação muito maior que as ligações
intramoleculares, entre segmentos de cadeias adjacentes, e são,portanto, mais
difíceis de serem deslocadas ou quebradas. Quanto maiores as moléculas, maior a
participação das ligações intermoleculares na manutenção da estrutura molecular do
polímero.
Figura 2.19 - Relação da Massa Molecular com Algumas Propriedades dos Polímeros: a = módulo elástico, b = resistência à tração e c = dureza
Fonte: Adaptado de Manrich (2005).
44
2.7.1 Reologia do Polímero Fundido
Os polímeros fundidos são totalmente amorfos, pois, as macromoléculas não
apresentam qualquer organização. Estas tendem a adotar com o tempo uma
conformação aleatória de menor energia, semelhante a um novelo, respeitando as
restrições impostas pelos elementos que constituem sua cadeia. A Figura 2.20
ilustra o estado de conformação aleatória ou em novelo e as restrições de ângulo de
ligação, ângulo de rotação e distância de ligação de uma cadeia carbônica.
Figura 2.20 - Conformação Aleatória e Restrições da Estrutura de uma Cadeia Carbônica
Fonte: Adaptado de Canevarolo(2002).
Segundo Bretas e d‟Ávila (2005), quando a massa polimérica fundida é
submetida a um fluxo de pressão através de um tubo, como o que acontece em um
reômetro capilar, e há variação da seção transversal, surgem gradientes
elongacionais. A redução da seção do tubo para o capilar gera aumento na
velocidade do fluído, fazendo com que uma parcela posterior de material, que está
numa seção menor, se desloque mais rapidamente que uma porção anterior, numa
seção maior. Em macromoléculas de alto peso molecular o efeito deste gradiente de
velocidade é a elongação ou estiramento da cadeia, orientando-a na direção do
fluxo. A Figura 2.21 ilustra a ocorrência do estiramento na entrada de um capilar.
45
Figura 2.21 - Estiramento das Macromoléculas na Entrada do Capilar
Fonte: Adaptado de Bretas e d'Ávila (2005).
2.7.2 Processamento
O método convencional de processamento de polímeros é através de rosca.
Este elemento, ilustrado na Figura 2.22, faz o transporte, processamento, mistura,
homogeneização e,às vezes, em processos contínuos, gera a pressão para extrudar
o material fundido(MANRICH, 2005).
Figura 2.22 - Rosca de Processamento de Polímeros
As roscas são necessárias em processos que exigem alta eficiência do
processamento e/ou continuidade. Estes justificam o alto empenho de recursos para
o seu projeto e fabricação.Em processos discretos, como a injeção, a rosca não gera
a pressão para injetar o material, mas atua como êmbolo, empurrando o material
processado numa etapa anterior.
46
Em equipamentos como o reômetro capilar, o material é extrudado pela
atuação de um êmbolo.Ao invés, é simplesmente colocado em um recipiente
aquecido onde se funde. Não há nestes equipamentos um elemento dedicado à
mistura e homogeneização da massa fundida (BRETAS e D‟ÁVILA, 2005). A Figura
2.23 mostra o esquema de funcionamento de um reômetro capilar.
Figura 2.23 - Esquema de Funcionamento de Reômetro Capilar
Fonte: Adaptado de Bretas e d'Ávila(2005).
2.7.3 Fenômenos Observados na Extrusão
Segundo Bretas e d‟Ávila (2005) quando os polímeros são extrudados, em uma
extrusora ou em reômetro capilar, através de um canal estreito, ocorrem alguns
fenômenos no material. O inchamento do extrudado é caracterizado pelo aumento
da área da seção transversal do material em relação à área do canal que o extrudou.
Quando cessa a atuação das tensões cisalhantes que mantém as macromoléculas
estiradas no interior do canal, a cadeia polimérica tende a retornar ao seu estado de
conformação aleatória de equilíbrio. Isto gera encolhimento longitudinal e
47
inchamento transversal. A Figura 2.24 ilustra a ocorrência do inchamento do
extrudado.
Figura 2.24 - Inchamento do Extrudado
Fonte: Adaptado de Bretas e d'Ávila(2005).
O inchamento do extrudado é definido como a razão entre o diâmetro do
extrudado após o reemaranhamento e o diâmetro do canal. Uma série de relações
descreve o comportamento do material extrudado e o seu inchamento. Esteaumenta
com o aumento da taxa de cisalhamento. Isto ocorre até certo limite, denominado
taxa de cisalhamento crítica, após este o inchamento diminui. A uma taxa fixa, o
aumento da temperatura diminui Be, mas o seu valor máximo aumenta, como é
mostrado na Figura 2.25.
Figura 2.25 - Inchamento do Extrudado em Função da Taxa de Cisalhamento a Diferentes Temperaturas
Fonte: Adaptado de Bretas e d'Ávila (2005).
48
De acordo com Bretas e d‟Ávila (2005) a uma taxa de cisalhamento fixa, o
inchamento decresce com o comprimento do canal e o tempo de permanência neste,
mas aumenta com o aumento da razão entre diâmetro do cilindro, onde é contida a
massa fundida, e do canal por onde é extrudado.
Outro fenômeno ocorrido com o extrudado é a fratura do fundido, caracterizada
pela formação de um extrudado geometricamente irregular, mas não
necessariamente implicando na sua ruptura ou descontinuidade. A Figura 2.26
ilustra dois tipos de fratura.
Figura 2.26 - Fratura do Fundido
Fonte: Adaptado de Bretas e d'Ávila (2005).
A fratura do fundido ocorre quando é superada a taxa de cisalhamento crítica
do material, que aumenta com a temperatura e com o aumento da razão entre
comprimento e diâmetro do canal de extrusão. A origem deste fenômeno é atribuída
à interação do polímero fundido com a parede do capilar, que, sob certas condições,
gera turbulência no extrudado. Nesta interação há influência do material da parede
do canal e da adesão parede-polímero e do peso molecular. Supõe-se que a
macromolécula se adere à parede do canal e é tensionada devido ao
emaranhamento com outras moléculas, segurando-as e gerando arraste e
possivelmente turbulência. A força de arraste seria dependente do número de
pontos de contato da macromolécula com a parede, ou seja, do seu peso molecular.
(BRETAS; D‟ÁVILA, 2005)
Um defeito denominado de “pele de cação” se caracteriza pela formação de
irregularidades na superfície do extrudado perpendiculares à direção do fluxo. É um
49
defeito menos severo que a fratura do fundido, pois, não afeta a integridade do
material, apenas sua qualidade superficial. A pele de cação ocorre a taxas de
cisalhamento menores e depende da temperatura de extrusão, diminuindo com o
decréscimo desta. O aumento do peso molecular reduz a incidência e severidade
deste fenômeno.
2.7.4 Degradação
Segundo Bretas e d‟Ávila (2005), a degradação é um conjunto de reações que
envolvem a quebra de ligações primárias da cadeia principal ou de grupos laterais.
Desta quebra resultam espécies reativas, geralmente radicais livres, que propagarão
o processo de degradação formando outros tipos de ligações. Como consequência
há mudança da estrutura química e do peso molecular. Estas alterações,
geralmente, implicam na mudança das propriedades físico-químicas do polímero. A
iniciação do processo de degradação, i.e. a quebra das ligações, envolve o
fornecimento de energia à molécula, o que pode ser feito por meio de calor, luz,
tensão mecânica, ataque químico ou biológico, entre outras formas. No
processamento de polímeros por extrusãoalguns dos agentes de degradação são
térmicos, mecânicos e químicos.
Mecanismos de Degradação
Segundo Coaquira (2004) e Di Paoli (2008) a degradação mecânica se refere à
cisão da cadeia ocasionada pela atuação de algum agente mecânico e pode ocorrer
no estado sólido ou fundido do material. O tempo pelo qual o polímero é sujeito à
solicitação determina a probabilidade de ocorrer degradação. O aumento da
temperatura reduz a degradação mecânica, pois, reduz a viscosidade e com isso as
tensões para que ocorra deformação.
50
A estrutura físico-química do polímero influi sobre a degradação mecânica. As
ligações inter e intramoleculares, que restringem a movimentação das cadeias,
aumentam a rigidez da estrutura polimérica e a probabilidade de ocorrer a cisão.
Sem estas restrições as cadeias poderiam se estirar livremente, permitindo grandes
alongamentos e deformações, evitando a quebra das ligações primárias e ruptura da
cadeia principal(DI PAOLI, 2008).
A degradação térmica é acentuada quando os grupos lateraisdas moléculas se
separam da cadeia principal e são formados radicais livres que aceleram o processo
de degradação. Isto ocorre em pequena intensidade à temperatura ambiente, mas
torna-se muito importante durante o processamento.
A oxidação é um tipo de degradação muito comum nos polímeros e se inicia,
geralmente, por processos térmicos, intensificados durante o processamento. Nestes
se formam radicais livres que são atacados por oxigênio, alterando a estrutura do
polímero e podendo desencadear o rompimento da cadeia (ibid).
Métodos de Avaliação da Degradação
Coaquira (2004), fez a avaliação da degradação de polipropileno e poliestireno
empregandoquatro técnicas de caracterização. Através da medida do índice de
fluidez em um plastômero e da sua redução ou incremento, o autor avaliou se o
processo degradativo dominante foi de cisão da cadeia ou formaçãode ramificações
e ligações cruzadas. Através de reometria capilar foi definido o comportamento
viscométrico do polímero e este foi associado à distribuição da massa molecular,
propriedade alterada com a degradação. A espectroscopia no infravermelho foi
empregada para obter-se o espectro de absorção do material. Com este foi
mensurado o índice de carbonilas de cada amostra, um parâmetro de avaliação da
degradação do polipropileno. Através de cromatografia de exclusão por tamanhos
foram obtidas as distribuições da massa molecular de cada amostra. Estas foram
comparadas à uma referência não degradada e as diferenças serviram como
parâmetro de avaliação da degradação.
A técnica de análise via espectroscopia no infravermelho com aplicação da
transformada de Fourier é um método qualitativo para conhecer a composição dos
51
materiais. Através da análise das bandas de absorção do espectro e associação
com seu respectivo grupo funcional, é possível determinar a estrutura do material.
Nos processos de degradação ocorre a quebra de ligações entre átomos e a
formação de novos compostos, percebidos pelo surgimento de uma novo pico no
espectro (COAQUIRA, 2004).
2.7.5 Polipropileno
O polipropileno (PP) é um dos polímeros mais empregados na indústria de
processamento de plásticos, atrás somente do polietileno. Juntos representam mais
da metade do polímero produzido no mundo(FRIED, 2003; CANEVAROLO, 2002). A
popularidade deste polímero se deve à proximidade, com aditivação, de suas
propriedades com os plásticos de engenharia associado ao seu baixo custo
(MANRICH, 2005).
A Figura 2.27 mostra a unidade de repetição, ou mero, do polipropileno
homopolímero.
Figura 2.27 - Fórmula do Polipropileno
Fonte: Fried (2003).
O PP apresenta cadeia carbônica com grupos laterais metila (FRIED, 2003). O
tipo mais comum apresenta no estado sólido alta cristalinidade e a cadeia adota a
conformação espiral graças à presença dos grupos laterais dispostos de forma
isotática. A Figura 2.28 ilustra a conformação em espiral adotada pelas cadeias de
polipropileno isotático na fase cristalina.
52
Figura 2.28 - Conformação em Espiral da Fase Cristalina do Polipropileno Isotático Homopolímero
Fonte: Adaptado de Canevarolo(2002).
A Tabela 2.1 mostra algumas propriedades do polipropileno homopolímero
isotático H301 produzido pela Braskem e utilizado neste trabalho em todos os
experimentos.
Tabela 2.1 - Propriedades do Polipropileno H301 da Braskem
Fonte: Braskem (2010).
Segundo o banco de dados de materiais Matweb (2012) o coeficiente de
contração do PP, genericamente, é 1,49.
53
2.8 CONSIDERAÇÕES SOBRE A LITERATURA
Como visto no levantamento do estado da arte, as máquinas comerciais
baseadas em FD empregam alimentação em forma de filamento. Os trabalhos de
pesquisa e desenvolvimento sobre processos baseados em FD com alimentação
granulada se dedicam, principalmente, à aplicação de materiais cerâmicos e
biopolímeros. Àqueles dedicados à aplicação de polímeros convencionais
granulados, tais como PP ou ABS, se restringem aos trabalhos de entusiastas da
AM, desenvolvidos sem o rigor necessário à garantia do resultado e conclusões.
Quanto à aplicação de PP, apenas um caso de aplicação foi encontrado, mas este
se restringe à um relato por meio de fotos e comentários breves, permanecendo a
necessidade de uma comprovação mais rigorosa. Faz-se necessário então um
estudo mais rigoroso para o conhecimento dos fatores envolvidos com a aplicação
de matéria-prima granulada para AM.
54
3 DESENVOLVIMENTO DO CABEÇOTE DE EXTRUSÃO
Este capítulo aborda a etapa de desenvolvimento de um cabeçote extrusor
para fazer o processamento de polipropileno granulado empregando êmbolo. São
descritos os requisitos das três concepções básicas de cilindro de extrusão usadas
ao longo do trabalho e, apresentada em detalhes, a concepção definitiva. São
apresentados o cabeçote de extrusão seus elementos e mecanismos.
3.1 REQUISITOS PARA AM
Com base na identificação do problema, justificativa e objetivos descritos no
Capítulo 1 e o levantamento do estado da arte foram elencados os requisitos
básicos para balizar o projeto do cabeçote de extrusão. Os itens listados na Tabela
3.1 são requisitos básicos para a viabilidade da aplicação do cabeçote para AM.
Este trabalho se focou nos itens 1 a 4.
Tabela 3.1 – Requisitos Básicos de Projeto para Cabeçote de Extrusão
55
3.2 CONCEPÇÃO 1 - TESTES PRELIMINARES
A primeira etapa do desenvolvimento deste trabalho consistiu na escolha de
um princípio de funcionamento para ser aplicado ao equipamento protótipo a ser
desenvolvido. O levantamento do estado da arte realizado, mostrou duas
alternativas de princípios aplicáveis ao processamento de polímero granulado, por
rosca e por êmbolo.
Equipamentos, como injetoras e extrusoras tradicionais, empregam roscas de
dimensões incompatíveis para o propósito deste trabalho. A miniaturização é
possível até certos limites, principalmente de resistência mecânica e compatibilidade
da rosca com o tamanho do granulado. Outros equipamentos que empregam roscas
de menor porte, como extrusoras de laboratório e extrusoras manuais para
soldagem de plásticos, foram pesquisados, mas nenhuma destas alternativas foi
considerada viável, devido ao custo. Nos processos experimentais de manufatura
aditiva descritos no Capítulo 2, o emprego de rosca para processar o material é
justificado pelos autores pela necessidade de continuidade na geração do filamento.
Estes trabalhos não deram grande atenção para a eficiência de processamento do
material, o que se reflete no projeto pouco rigoroso destes elementos.
Diante da perspectiva de realizar o processamento do material da maneira
mais simples, foi decidido dedicar este trabalho ao desenvolvimento de um
equipamento empregando extrusão por êmbolo com alimentação granulada e sem
nenhum elemento dedicado à homogeneização e mistura da massa fundida. Este
princípio é aplicado à reômetros capilares. Além da simplicidade mecânica, o
controle do processo é mais fácil.
Para verificar o requisito essencial dos processos baseados em FD, fundir o
material e transformá-lo em um filamento, foram realizados testes aplicando o
princípio de extrusão por êmbolo. Estes testes tiveram como objetivo verificar a
viabilidade do princípio de processamento na geração de um filamento contínuo,
pois, havia a preocupação de ocorrer interrupção no fluxo de material devido ao
aprisionamento do ar alimentado junto com os grão de plástico.
56
Para a realização deste teste foi fabricado o dispositivo ilustrado na Figura 3.1.
O teste consistiu em fundir polipropileno homopolímero granulado no interior de um
cilindro de alumínio aquecido por uma resistência elétrica de 70 W e o extrudar
através de um furo pela atuação de uma massa de aproximadamente 5 kg. Um bico
de extrusão de 0,4 mm do equipamento FDM 2000 foi adaptado para gerar o
filamento. A Figura 3.2 mostra os componentes do dispositivo referido e ilustrado na
Figura 3.1, considerado a primeira concepção de cilindro de extrusão empregada
neste trabalho.
Figura 3.1 - Dispositivo de Teste de Extrusão
Figura 3.2 - Componentes do Dispositivo de Testes
57
Para a constatação da existência ou não de defeitos de extrusão foram
gerados, em queda livre, sete filamentos de aproximadamente 30 cm, o primeiro
imediatamente após a alimentação e os demais com intervalos de 10 minutos. Um
filamento ininterrupto por aproximadamente 12 minutos também foi gerado para
verificação da continuidade. A avaliação destes filamentos foi feita de forma
qualitativa utilizando um microscópio Olympus BX51M, com ampliação de 50x. Foi
avaliada a ocorrência de defeitos, como descontinuidades ou heterogeneidades no
filamento. A temperatura de processamento foi de 200°C.
As amostras de 300 mm geradas com intervalo de 10 minutos e o filamento
contínuo por 12 minutos de extrusão não apresentou descontinuidades. Não foram
observadas bolhas no interior dos filamentos ou interrupções da extrusão devido ao
aprisionamento de ar no interior da massa fundida ou entupimento do bico.
Os resultados deste teste verificaram os requisitos 1 e 2 da Tabela 3.1, isto é, a
fusão dos grãos e a formação contínua do filamento o princípio de extrusão
porêmbolo com alimentação granulada foi considerado plausível para aplicação em
manufatura aditiva.
3.3 CONCEPÇÃO 2 - DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA DE
EXTRUSÃO
Uma das principais preocupações no projeto do cilindro foi o tempo de
permanência do material acima da temperatura de fusão (Tm). A fim de minimizar a
degradação do polímero durante o processamento, o cilindro foi projetado para gerar
um gradiente térmico planejado. Mantendo a temperatura do material na
extremidade inferior do cilindro acima da temperatura de fusão, enquanto na parte
superior deveria permanecer abaixo de Tm e a menor possível. Algumas alternativas
de soluções para estes requisitos foram estudadas, incluindo tipos e potências de
resistências elétricas, geometrias do cilindro e formas de dissipação de calor. A
58
Figura 3.3 ilustra esquematicamente o funcionamento pretendido do sistema
extrusor.
Figura 3.3 - Ilustração do funcionamento pretendido do sistema extrusor.
3.3.1 Avaliação de Concepções por Simulação Térmica
Com base no conhecimento de condução e dissipação de calor, descrito por
Incropera et al. (2008), foram concebidas duas versões básicas de cilindro
empregando diferentes formas de alcançar o gradiente térmico pretendido. Uma
atuando sobre a dissipação de calor, empregando aletas, e a outra sobre a
condução, com paredes finas. Foram feitas simulações térmicas utilizando o
programa Pro Engineer 4.0 para avaliar a eficiência de cada concepção
considerando como material de fabricação do cilindro o alumínio. A Figura 3.4 ilustra
as duas concepções avaliadas e a Tabela 3.2 mostra os parâmetros das simulações.
59
(a) (b)
Figura 3.4 - Concepções Avaliadas por Simulação: (a) com Aletas e (b) com Parede Fina.
Tabela 3.2 - Parâmetros das Simulações Térmicas
Parâmetro Valor Unidade
Temperatura ambiente 20 °C
Temperatura da fonte de calor 180 °C
Potência da fonte de calor 35 W
Coeficiente de convecção 60 W/(m² K)
A Figura 3.5 os resultados da simulação com ambas as concepções avaliadas.
60
(a) (b)
Figura 3.5–Resultados da Simulação no Cilindro com Aletas (a) e de Parede Fina(b).
As concepções aletadas se mostraram pouco eficientes em comparação à de
parede fina. Enquanto as aletas implicaram numa diferença de 46° C entre as
extremidades, a concepção de parede fina apresentou uma diferença de 112°C.O
cilindro da concepção de paredes finas gerou maior gradiente de temperatura, sendo
então escolhida para emprego no projeto do cabeçote.
3.3.2 Cálculo da Eficiência Térmica da Concepção 2 Variando a
Espessura da Parede
A eficiência térmica teórica da concepção 2 foi comparada com a de um cilindro
com paredes grossas de diâmetro externo de 40 mm, empregado nas etapas
experimentais como cilindro de comparação (ver seção 3.3). Ambos possuem o
mesmo raio interno, porém, diferem quanto ao raio externo e, consequentemente, ao
comportamento térmico. Considerou-se a comparação da concepção desenvolvida
(Figura 3.6) com a de um cilindro de parede grossa, pois, por ser mais simples esta
seria provavelmente a forma empregada se não houvesse a preocupação com a
61
degradação do material. O diâmetro de 40 mm foi definido com base na resistência
disponível para fazer o seu aquecimento.
Considerou-se para simplificação, que o problema trata de um cilindro oco com
fluxo de fluidos a diferentes temperaturas em suas superfícies externas e internas.
Também se tem como hipótese o problema estar em regime estacionário, a direção
de calor ser unidimensional na direção radial, resistência térmica da parede do tubo
desprezível e troca térmica por radiação desconsiderada. Com base na teoria de
transferência de calor em elementos cilíndricos, descrita por Incropera et. al. (2008),
chegou-se às seguintes equação para a taxa de transferência de calor por condução
para as duas concepções de cilindro sendo comparadas.
Equação 1
Equação 2
onde qf„ e qg„ se referem à taxa de transferência de calor por condução em [W]
do cilindro fino (concepção 2) e grosso (concepção 3), respectivamente. L é o
comprimento do cilindro em [m], k é o coeficiente de condutividade térmica, Ti é a
temperatura na parede interna do cilindro, Te é a temperatura na parede externa do
cilindro, ri é o raio interno do cilindro, reg é o raio externo do cilindro de parde grossa
ref é o raio externo do cilindro de parede fina.O único elemento que se altera entre as
duas equações é o raio externo (i.e. ref, para o cilindro de parede fina e rem, para o de
paredes grossa). Relacionado as duas equações:
Equação 3
62
Substituindo os valores dos raios de cada cilindro na Eq. 3 foram obtidas para a
eficiência de condução a razão:
= 14,545
Outro componente do estudo de eficiência térmica do cilindro proposto é a
eficiência de convecção. No caso estudado, a convecção é natural (i.e. não forçada)
e considera-se o mesmo coeficiente h para ambos os cilindros, já que ele depende
do escoamento do fluido (ar) e da geometria da peça, que para o caso dos cilindros,
a diferença entre eles seria de muito pouca influência sobre este parâmetro. A única
variável, na prática, diferente entre o cilindro proposto fino e um maciço é a área de
contato com ar. Dessa forma relaciona-se as duas concepções de transferência de
calor por convecção e tem-se:
Equação 4
onde qf„„ e qg„„ se referem à taxa de transferência de calor por convecção em
[W] do cilindro fino (concepção 2) e grosso (concepção 3), respectivamente.hct é o
coeficiente de transferência de calor por convecção, Tc é a temperatura da superfície
do cilindro e Tar é atemperatura da superfície do fluido. Para a eficiência de
convecção, aplicando os valores conhecidos na Eq. 4 e efetuando as operações.
= 3,6
63
A partir destes resultados concluiu-se que o cilindro proposto, de parede fina, é,
conduz 14,5 vezes menos calor do que um cilindro maciço. Na convecção o cilindro
fino transfere 3,6 vezes menos calor para o meio. Esses valores confirmam a melhor
resposta do cilindro proposto em relação ao requisitos do projeto.
As paredes com espessura reduzida fazem com que haja pouca condução de
calor e permitem, mesmo com baixa convecção, o seu resfriamento de forma mais
eficiente.
3.3.3 Fabricação
A Figura 3.6 traz o desenho detalhado do cilindro com a geometria definitiva
empregada nos testes de extrusão, denominada Concepção 2.
Figura 3.6 - Desenho Detalhado da Concepção 2.
O cilindro da concepção 2, foi fabricado por torneamento convencional em
alumínio. Em especial o furo de diâmetro 10 mm foi acabado com alargador, uma
folga de 0,1 mm entre o furo e o êmbolo foi mantidae o furo de 0,4 mm foi usinado
64
com uma broca instalada em um mandril de fechamento em zero e a peça instalada
no torno.
Este valor de diâmetro do furo foi definido com base nos bicos aplicados aos
equipamentos comerciais fabricadas pela empresa Stratasys, sendo que o bico com
0,4 mm é o maior entre os disponíveis.
Nos testes, descritos na Seção 3.1, foi visto que o ar quente em torno da
resistência poderia afetar negativamente o material polimérico extrudado. A aleta na
extremidade inferior tem a função de conter a irradiação de calor da resistência.
3.4 CONCEPÇÃO 3 – CILINDRO DE COMPARAÇÃO
Para se ter uma referencia comparativa, foi produzida uma terceira concepção,
com a parede grossa. Este cilindro teve como objetivo servir de referência para os
estudos de degradação,descritos na Seção 4.4, e foi concebido de forma a fundir
toda a matéria-prima alimentada. A Figura 3.7 mostra o desenho detalhado do
cilindro de concepção 3 com parede grossa.
Figura 3.7–Desenho Detalhado da Concepção 3
65
3.5 CABEÇOTE DE EXTRUSÃO
Para dar continuidade à verificação dos requisitos de projeto descritos na
Tabela 3.1, e permitir o controle e automação do processo de extrusão foi
desenvolvidoo dispositivo ilustrado na Figura 3.8.
Figura 3.8 - Cabeçote Extrusor
3.5.1 Sistema Motor
O sistema motor consiste nos componentes responsáveis por fazer a
movimentação do êmbolo e, assim, gerar a pressão necessária para extrudar o
material fundido.
A principal limitação para o projeto do sistema motor foi a baixa velocidade de
deslocamento do êmbolo (Ve) necessária para gerar a vazão de extrusão planejada.
O processo de projeto do sistema motor teve início com a definição da velocidade de
deslocamento do cabeçote (Vd). A princípio alimentados com uma fonte de 12V, os
motores responsáveis por movimentar o cabeçote segundo os eixos x e y permitiram
66
o emprego de uma velocidade de em torno de 3 mm/s. Para haver manutenção da
área da seção transversal do filamento, ou seja, este não esticar ou alargar, a
velocidade de extrusão do filamento (Vf) foi definida como igual à Vd.
Para fazer o projeto do sistema motor as relações entre a velocidade de
extrusão, a velocidade do êmbolo e a frequência de acionamento do motor de passo
tiveram que ser deduzidas. Isto foi feito partindo da relação entre a Vf e Ve.
Aplicando o princípio da conservação da massa ao caso e considerando a massa no
interior do cilindro incompressível, tem-se a Equação 5.
Equação 5
onde, Ve refere à velocidade de deslocamento do êmbolo em [mm/s]; Af à área
do furo de saída em mm²; Vf à velocidade de extrusão em [mm/s]; e Ae à área da
seção transversal do êmbolo em [mm²]. A consideração da massa no interior do
cilindro como sendo um fluido incompressível foi feita para efeito de simplificação do
projeto.
Aplicando os valores conhecidos do sistema extrusor na Eq. 6 foi obtido o valor
de 0,005 [mm/s] para a Ve. Este valor foi a principal especificação de projeto do
sistema motor e com base nele as concepções de sistemas motores foram
avaliadas.
Algumas alternativas avaliadas incluem combinações do emprego de motores
de passo, micromotores, engrenagens, polias sincronizadoras, redutores planetários,
fusos e cremalheiras. Para todas as alternativas foram definidas as relações que
associam a velocidade do êmbolo com a forma de acionamento, mas neste
documento será descrita apenas a concepção empregada definitivamente, isto é,
fuso acionado por motor de passo e redutor planetário, como ilustrado na Figura 3.8.
As demais foram descartadas por não serem capazes de satisfazer à especificação
meta de velocidade do êmbolo.
67
Com base na observação do sistema motor ilustrado na Figura 3.8, composto
por um motor Akiyama AK57H-3G20-1.8 com redutor de 1:20 e fuso com passo de
2mm, e seus parâmetros de controle foi deduzida a Equação 6.
Equação 6
onde, f refere à frequência de acionamento do motor de passo em hertz [Hz];
ppr à resolução do motor de passo em pulsos por revolução [ppr]; i à taxa de
redução do redutor; r à resolução do driver de micro passos; e pf ao passo do fuso
em milímetros por revolução [mm/rev].
Substituindo a Eq. 5 na Eq. 6 e aplicando os valores das constantes com base
nos componentes encontrados no mercado tem-se como resultado a relação
Equação 7
Com o sistema motor empregado, a frequência de pulsos do motor de passo
para gerar a velocidade de 3 mm/s foi de aproximadamente 400 pulsos por segundo
[Hz]. Esta frequência foi considerada como sendo razoável para aplicação.
3.5.2 Sistema de Controle do Cabeçote
O cabeçote apresenta dois elementos controlados eletronicamente. No sistema
de extrusão o aquecimento da resistência é controlado por um controlador PID de
temperatura, modelo N1040 da Novus. A leitura da temperatura é feita por um
termopar tipo K, modelo MTK-01 da Minipa. A Tabela 3 expõe os parâmetros PID
configurados no controlador e a Figura 3.9 ilustra o posicionamento dos
componentes do sistema de controle.
68
Tabela 3.3- Parâmetros PID do Controlador
Parâmetro Valor
Proporcional 11.9
Integral 1.01
Derivativo 9.9
Figura 3.9 – Sistema de Controle da Temperatura
Uma placa Arduíno Duemilanove faz o controle de pulsos enviados ao driver de
controle do motor, modelo AKDMP5-3.5A da Akiyama. Neste, o arduíno recebe um
sinal do programa EMC2 através de pinos pré-estabelecidos quando um comando
de ligar, em sentido horário ou anti-horário, ou desligar é lido do código G de
controle. Quando o sinal é recebido o arduíno envia para o driver do motor de passo
pulsos numa frequência definida no programa, permitindo o controle da velocidade
de rotação do motor. A frequência dos pulsos enviados ao driver é definida pelo
período entre cada pulso, valor definido pelo usuário no programa em [μs]. A
Equação 8 relaciona estes parâmetros.
Equação 8
onde, f refere à frequência dos pulsos em [Hz]; e T ao período dos pulsos em
[μs].
69
O driver de controle do motor de passo foi configurado para decompor o passo
do motor em 40 micro passos, aumentando a resolução do conjunto de 200 [ppr]
para 8000 micro passos por revolução [μppr]. Ao receber os pulsos da placa arduíno
o driver os emite ao motor, acionando-o.
3.6 BANCADA CNC
Para permitir a verificação dos requisitos de projeto que envolvem a execução
de trajetórias, como a verificação da uniformidade de extrusão, adesão entre
filamentos e manutenção da forma do filamento, o cabeçote extrusor foi acoplado à
uma bancada CNC. Esta bancada é um equipamento disponível no laboratório
NUFER, para realização deste tipo de trabalho,foram feitas apenas algumas
adaptações de controle para o seu funcionamento, como a inclusão de uma placa
Arduino. A Figura 3.10 mostra o equipamento citado.
Figura 3.10 - Bancada CNC
70
Os sistemas de deslocamento dos eixos x e y são compostos, basicamente,
por um motor de passo ao qual se acopla um fuso de esferas com 14 mm de
diâmetro e passo 5 mm. O curso de deslocamento segundo x e y é 400 mm e 400
mm, respectivamente. No eixo z o deslocamento é feito pelo acionamento de um
motor de passo acoplado à uma dupla de engrenagens de redução, que transmitem
a rotação a um fuso trapezoidal de diâmetro 4 mm e passo 2mm. O curso em z é de
30 mm.
Exceto pelo sistema de movimentação em z o conjunto é bastante robusto. A
bancada é montada em uma estrutura de aço com uma placa de granito como base.
Os componentes de apoio e fixação, como mancais, são fabricados em chapas de
alumínio de meia polegada.
O controle da bancada, isto é, do deslocamento nos três eixos é feito usando o
programa EMC2, um programa livrede controle CNC para a plataforma Linux. Com
este programa é possível controlar a bancada manualmente ou automatizada
através de código G.
A Figura 3.11 ilustra o sistema de controle de movimentação da bancada CNC,
de extrusão e de temperatura.
Figura 3.11 - Sistema de Controle do Equipamento Protótipo
71
A Figura 3.12mostra o equipamento protótipo e todos os periféricos associados
a ele.
Figura 3.12 - Equipamento Protótipo com Periféricos
3.6.1 Implementação do Código G no Planejamento do Processo
Uma das etapas do processo de manufatura aditiva é a de planejamento de
processo. Para fazer a transferência das informações definidas nesta etapa para o
programa de controle da máquina foi decidido empregar o código G, uma linguagem
tradicional para comunicar informações à máquinas controladas por computador.
Para fazer a implementação foi organizado um fluxograma de etapas e ações
desenvolvidas pela máquina cujas definições vêm do planejamento de processo.
Organizado o fluxograma, foi estruturada a escrita do arquivo de comunicação com o
programa de controle EMC2. Alguns códigos, cujas funções já são preestabelecidas
72
e se aplicaram às funções da máquina protótipo, foram aplicados à escrita de um
arquivo de comunicação. As funções da máquina não preestabelecidas no código G
não foram implementadas.Para isto, é preciso programar o EMC2 para interpretar as
funções personalizadas do arquivo de comunicação. A estrutura de escrita do
arquivo em código G de comunicação com o programa de controle foi implementada
utilizando o programa RP3 para fazer o planejamento de processo, mas não foi
empregado no trabalho.
3.7 PARÂMETROS DE EXTRUSÃO
Nesta seção, serão descritos os parâmetros de extrusão envolvidos na geração
do filamento. A Figura 3.13 ilustra alguns dos parâmetros Temperatura de
Processamento (Tp), Velocidade de Extrusão do Filamento (Vf), Velocidade do
Êmbolo (Ve), Velocidade de Deslocamento do Cabeçote (Vd) e Altura da Camada
(h), descritos nesta seção.
Figura 3.13 - Ilustração dos Parâmetros de Extrusão
73
3.7.1 Temperatura de Processamento
A temperatura de processamento (Tp) se refere ao valor configurado no
controlador de temperatura. Uma resistência microtubular de 35 W envolvendo o
cilindro foi empregada para fazer o aquecimento. Devido à posição do termopar
(Figura 3.9), é natural que houvesse uma diferença entre a temperatura de
processamento e a temperatura do material no interior do cilindro. Para conhecer
esta diferença, verificar a eficiência do controle de temperatura e da dissipação de
calor do cilindro foram conduzidos alguns ensaios, descritos na Seção 4.1.
3.7.2 Velocidade de Extrusão do filamento
A velocidade de extrusão (Vf) é a velocidade com que o material é extrudado
através do furo na extremidade inferior do cilindro. Para que o filamento mantenha a
área de seção transversal, sem esticar ou alargar,Vf deve ter o mesmo valor que a
velocidade de deslocamento do cabeçote. Considerando o equipamento protótipo
utilizado e suas limitações físicas, para efeito de projeto, a velocidade de extrusão foi
definida como 3 mm/s para se ter um ponto de partida. Nos experimentos, no
entanto, foi constatado que o princípio da conservação da massa não se aplica ao
sistema empregado, pois, tem-se uma massa bifásica, com uma parcela de polímero
fundido e outra ainda em grânulos sólidos. Sem esta consideração não foi possível
relacionar Vf com a velocidade do êmbolo e, assim, usar os valores pretendidos de
Vf para reger todos os demais parâmetros do sistema motor, como foi feito no
projeto descrito na seção 3.5.1. A velocidade de extrusão é função da velocidade do
êmbolo e dos fenômenos de compressão da massa polimérica bifásica.
74
3.7.3 Velocidade do Êmbolo
A velocidade do êmbolo (Ve) se refere à velocidade de subida e descida do
êmbolo. Para efeito de projeto Ve foi definida, como descrito na seção 3.5.1. com
base na velocidade de extrusão. Nos experimentos, no entanto, este foi o parâmetro
regente da extrusão e configurado em função da frequência de atuação do motor de
passo pela Eq. 6.
3.7.4 Velocidade de Deslocamento do Cabeçote
A velocidade de deslocamento (Vd) se refere à velocidade com que o cabeçote
de extrusão se movimenta ao longo do eixo x e a mesa da bancada CNC ao longo
do eixo y. A translação nestes eixos descreve a trajetória de deslocamento do
cabeçote, percorrida para fabricar as camadas, enquanto a velocidade está
associada à geometria do filamento extrudado. Quanto maior o valor de Vd em
relação a Vf, mais fino deve se tornar o filamento e, no caso contrário, quando Vf for
maior que Vd, mais largo. A Figura 3.14 ilustra como é realizada a movimentação
dos eixos X e Y.
w
Figura 3.14 - Movimentação Segundo X e Y
75
A velocidade de deslocamento é configurada no arquivo de código G pelo
comando “F”. O valor que o segue se refere à Vd em mm/min.
3.7.5 Altura da Camada
Em planejamento de processo a altura da camada (h) se refere à distância
entre os planos de corte que definem o perfil de cada camada. Neste trabalho, a
altura de camada se refere à distância entre o bico e a superfície onde o filamento
extrudado será depositado e é definida na máquina avançando o bico até tocar o
substrato e retornando a distância desejada.
3.7.6 Tempo de Permanência
Uma das principais preocupações na aplicação do princípio de processamento
proposto neste trabalho, isto é, a fusão e deposição com alimentação granulada e
extrusão pela atuação de um êmbolo, é a degradação do material. Para avaliar o
seu efeito foi adotado o parâmetro tempo de permanência que refere ao tempo que
o material permanece no cilindro até ser extrudado.
76
4 ESTUDO EXPERIMENTAL DO PROCESSO
Conforme relatado no Capítulo 3, um teste preliminar demonstrou a
possibilidade de empregar o princípio de extrusão por êmbolo para gerar um
filamento contínuo. Neste capítulo foram conduzidos uma série de experimentos
para verificar alguns dos requisitos descritos na Seção 3.1. Estes se focaram no
comportamento dimensional do filamento ao longo da extrusão e na avaliação da
eficiência do cilindro concebido para evitar a degradação do material.
Todos os experimentos foram realizadas empregando polipropileno H301 da
Braskem como matéria-prima para gerar o filamento. Este material foi escolhido,
pois, é de fácil e barata obtenção e não foram encontrados na literatura outros
trabalhos descrevendo o seu emprego em AM.
Um fluxograma das etapas realizadas é apresentado na Figura 4.1 e resultados
estão apresentados no Capítulo 5.
Figura 4.1 - Fluxograma das Etapas Experimentais
4.1 ANÁLISE DA FUSÃO DO PP AO LONGO DO CILINDRO
Com o equipamento protótipo montado e funcionando, foram conduzidos
ensaios para traçar o perfil de temperatura ao longo do cilindro de parede fina
77
(concepção 2). Estes ensaios foram realizados para avaliar a eficiência de
dissipação de calor do cilindro e conhecer o volume de material fundido no interior
do cilindro.
Um experimento de três variáveis foi conduzido: i/ temperatura de
processamento (Tp), em três níveis; ii/ altura do cilindro (hc), em quatro níveis; e iii/
tempo. Cada ensaio, com três repetições cada, teve duração de 1 hora. A Tabela 4
mostra o planejamento do experimento e os níveis de cada variável para cada
ensaio.
Para aquisição dos dados de temperatura foi empregado um sistema de
aquisição de dados da National Instruments composto por um chassis SCXI-1000 e
um módulo de aquisição SCXI-1121. Um programa de leitura, exposição e registro
dos dados foi produzido usando o programa LabView. Para captação da temperatura
foram empregados quatro termopares tipo K posicionados e isolados na parede
externa do cilindro com massa epóxi conforme a Figura 4.2, fazendo a captação
simultânea das quatro posições.
Tabela 4.1 - Planejamento da Análise de Fusão do Cilindro
Variável
Ensaio Tp [°C] hc [mm] t [horas]
1 180
8
1
20
32
56
2 200
8
20
32
56
3 220
8
20
32
56
78
Figura 4.2 - Posição dos Termopares ao Longo do Cilindro
4.1.1 Perfil de Temperatura ao Longo do Cilindro
Os ensaios foram conduzidos com o equipamento protótipo inteiramente
montado e alocado em uma sala de laboratório fechada com temperatura controlada
por ar condicionado em 25°C, seguindo as etapas listadas.
Tabela 4.2 - Etapas de Aquisição do Perfil de Temperatura ao Longo do Cilindro
Etapa Tempo aprox.
[min] Procedimento
1 0 Aquisição de dados iniciada
2 1 Ligar a resistência
3 10 Alimentação do material no cilindro
4 20 Início da rotina de extrusão
5 50 Fim da rotina de extrusão
6 55 Desligar a resistência
7 60 Fim da aquisição de dados
A etapa de alimentação do material granulado inclui o deslocamento do êmbolo
até a posição onde o material fundido começa a ser extrudado, o que ocorre com o
êmbolo aproximadamente 5 mm para dentro do cilindro.
79
A rotina de extrusão executada durante o ensaio é a mesma empregada nos
ensaios descritos na Seção 4.3.1 e teve como objetivo reproduzir o comportamento
térmico do cilindro em processo.
4.1.2 Avaliação da Massa Fundida
Com base na análise dos resultados dos perfis de temperatura ao longo do
cilindro foi realizada a preparação de amostras do volume de material fundido para
cada Tp empregada. O procedimento empregado é descrito na Tabela 4.3.
O experimento consistiu em alimentar o cilindro com o volume máximo de
material granulado, fundir e avançar com o êmbolo e, então, extrair a amostra de
material fundido.
Tabela 4.3- Etapas de Preparação das Amostras de Massa Fundida
Etapa Tempo aprox.
[min] Procedimento
1 0 Alimentação do material no cilindro
2 1 Ligar a resistência
3 10 Compressão do material até início da extrusão
4 11 Desligada a resistência
5 30 Esvaziado o cilindro
6 31 Extraída a amostra
4.2 TESTES DE SUBSTRATO
A primeira etapa dos testes de extrusão foi a definição de um material para ser
aplicado como substrato, i.e. o material sobre o qual o filamento é depositado
imediatamente após ser extrudado.
80
Não estava no escopo deste trabalho um estudo detalhado do substrato, desta
forma um teste preliminar com diferentes materiais foi feito para encontrar um
satisfatório. Três requisitos foram observados visualmente e com miscroscópio,
qualidade da superfície de interface filamento-substrato, adesão do filamento e
empenamento do substrato.
O acabamento da interface é um requisito específico deste trabalho, pois, pode
repercutir na análise dimensional dos filamentos, mas não compromete a aplicação
em AM. A adesão entre o filamento e o substrato é um requisito da AM, pois, a
primeira camada depositada serve de âncora para toda fabricação da peça e o
empenamento do substrato não pode ocorrer para que haja manutenção da forma
da peça e da altura da camada. Foi visto durante testes preliminares que alguns
materiais de substrato, quando expostos à irradiação de calor vinda do cilindro
aquecido empenam.
A temp de 180 foi escolhida, pois, se ocorrerem os problemas supracitados a
esta temperatura, nas demais ocorrerão também. A Tabela 4.4 lista os tipos de
substratos avaliados.
.
Tabela 4.4 - Tipos de Substratos
Tp [°C]
Ve [mm/s]
Vd [mm/min]
h [mm]
Tipo Substrato
180 0,008 135 0,6
Folha
Acetato
Papel
Lixa 200
Placa
Poliuretano
Alumínio
Vidro
Madeira de pinus
Polipropileno
Para avaliação do substrato foi executada a rotina de movimentação dos testes
de extrusão de 1450 mm, descrita em detalhes na Seção 0.
81
4.3 ESTUDO DE EXTRUSÃO – DEFINIÇÃO DA JANELA DE
PROCESSAMENTO
Para avaliar a qualidade do filamento produzido pelo equipamento protótipo
empregando o cilindro de parede fina da concepção 2, foram conduzidos três séries
de experimentos visando estudar o comportamento dimensional e geométrico do
filamento extrudado. O objetivo inicial foi encontrar uma configuração de parâmetros
capaz de gerar um filamento geometricamente adequado à aplicação em AM, isto é,
estável em suas dimensões, contínuo e sem a presença de defeitos. Inicialmente,
sem conhecimento do comportamento dimensional do filamento extrudado, o estudo
foi planejado para ser executado em um experimento, com uma trajetória curta de
250 mm. Com este experimento foram definidas as relações de alguns parâmetros
de extrusão com a qualidade do filamento gerado, para aquele comprimento de
trajetória, mas identificada uma nova necessidade. Com os seus resultados, foi
verificada a necessidade de investigar a execução de trajetórias mais
longas.Assim,foram executados experimentos com trajetórias de 1450 mm e 4000
mm. A altura de camada configurada para todos os experimentos foi de 0,5 mm
empregando como substrato a chapa de polipropileno (seguindo resultados da
seção 4.2).
4.3.1 Análise do Filamento de 250 mm
Este experimento teve como objetivo definir a relação entre os parâmetros de
extrusão e a qualidade do filamento. Para isso foi conduzido um planejamento
experimental 3³ (i.e. três variáveis em três níveis) com três repetições de cada
ensaio. Foram relacionados a temperatura de processamento (Tp), a velocidade de
extrusão (Vf) e a velocidade de deslocamento (Vd). A altura da camada (h) foi
mantida constante em 0,5 mm. O material, polipropileno granulado, não foi seco em
estufa, mantendo assim a umidade do seu armazenamento.
82
A preparação das amostras foi executada segundo as seguintes etapas. Com o
cilindro aquecido à temperatura de processamento e na posição inicial da trajetória o
PP granulado foi alimentado no cilindro até o limite da capacidade. O êmbolo foi
avançado até a posição em que o material fundido começa a ser extrudado pelo bico
e, então, iniciada a execução do código G. A Figura 4.4 ilustra a trajetória
empregada.
A presença de defeitos de extrusão, como bolhas ou deformação, foi analisada
de forma qualitativa, pela análise dos filamentos em microscópio. A Tabela
4.5mostra os níveis de cada variável e o planejamento experimental dos ensaios.
Para a avaliação das amostras foram feitas medições da largura dos filamentos
e analisada a presença de defeitos de extrusão. As medições foram feitas em um
microscópio Olympus BX51M com ampliação de 50x em cinco pontos da trajetória,
sempre no meio de cada trecho horizontal. Como critérios para avaliação
dimensional do filamento foi analisado o desvio padrão dos resultados, pois, quanto
menor o seu valor, mais estável deve ser o filamento gerado por aquele conjunto de
parâmetros. A trajetória de extrusão usada neste experimento prevê 50mm no início
para que haja a devida ancoragem do filamento.
Figura 4.3 - Trajetória para Análise dos Filamentos de 250 mm
A escolha dos parâmetros foi feita com base na capacidade de movimentação
da bancada CNC e a velocidade do êmbolo necessária para gerar uma velocidade
de extrusão equivalente, seguindo as relações descritas no Capítulo 3.
83
Tabela 4.5 - Planejamento Experimental 3³ da Extrusão em 250 mm
Parâmetros
Tp [°C] Ve [mm/s] Vd [mm/min]
En
sa
io
1
180
0,008
135
2 360
3 720
4
0,019
135
5 360
6 720
7
0,043
135
8 360
9 720
10
200
0,008
135
11 360
12 720
13
0,019
135
14 360
15 720
16
0,043
135
17 360
18 720
19
220
0,008
135
20 360
21 720
22
0,019
135
23 360
24 720
25
0,043
135
26 360
27 720
4.3.2 Análise do Filamento de 1450 mm
Com os resultados da análise do filamento de 250mm foi constatada a
consequência da não estabilização da largura do filamento que, com o decorrer da
84
extrusão, se torna gradativamente mais largo. Para conhecer melhor o
comportamento do filamento ao longo da extrusão foram conduzidos experimentos
com trajetórias maiores. Uma trajetória em ziguezague com comprimento de 1450
mm foi usada para avaliar o comportamento de largura do filamento. A Figura 4.4
ilustra a trajetória empregada.
Figura 4.4 - Trajetória para a Análise dos Filamentos de 1450 mm
Com base nos resultados do estudo do filamento de 250 mm, a janela de
parâmetros avaliados foi reduzida. Neste estudo a temperatura foi mantida constante
em 180°C, pois, com esta foram obtidos bom resultados de extrusão e uma
temperatura menor deve gerar menor degradação térmica. A velocidade de
deslocamento foi mantida em 135 mm/min, pois, foi o valor com o qual os melhores
resultados foram obtidos. O único parâmetro a sofrer variação neste experimento foi
a velocidade do êmbolo, que foi avaliada nos três níveis originais, iguais ao estudo
de extrusão em 250 mm (i.e. 0,008; 0,019; e 0,043 mm/s). Assim as combinações de
parâmetros avaliadas neste experimento foram os equivalentes aos parâmetros 1, 4
e 7 da Tabela 4.5. Três repetições de cada ensaio foram realizadas.
As medições de largura foram realizadas em microscópio com ampliação de
50x. Foram conduzidas cinco medições equidistantes ao longo de cada trecho
horizontal da trajetória, descontando 25 mm de cada extremidade, como ilustra a
Figura 4.5.
85
Figura 4.5 - Pontos de Medições das Amostras de 1450 mm
4.3.3 Análise do Filamento de 4000 mm
Com os resultados da análise dos filamentos de 1450 mm não foi identificado
um ponto de estabilização da largura do filamento, gerando gráficos crescentes até o
fim do comprimento avaliado. Para tentar identificar um comprimento a partir do qual
a largura do filamento se estabiliza foi realizado o experimento de extrusão segundo
trajetórias de 4000 mm. Para este experimento foi programada uma trajetória em
ziguezague semelhante à da Figura 4.4, mas mais longa. As amostras foram
preparadas tendo como substrato a chapa de polipropileno e altura de camada
configurada para 0,5 mm.
Para agilizar a execução do experimento a janela de parâmetros foi reduzida
ainda mais em relação às combinações avaliadas com a trajetória de 1450 mm. A
princípio foram executadas duas amostras, uma com Ve de 0,008 mm/s e outra com
0,019 mm/s, equivalentes aos parâmetros 1 e 4 da Tabela 4.5. Estas duas amostras
foram avaliadas segundo o procedimento descrito no próximo parágrafo. O resultado
destas medições levou à decisão de executar o experimento com três repetições
apenas da combinação dos parâmetros T 180°C, Vd 135 mm/min e Ve 0,008 mm/s,
equivalente ao ensaio 1 da Tabela 4.5. Esta combinação foi escolhida devido à
tendência de estabilização da largura do filamento. A avaliação das amostras foi
feita pela medição das larguras dos filamentos em microscópio no meio de cada
trecho horizontal da trajetória, como mostra a Figura 4.6.
86
Figura 4.6 - Pontos de Medições das Amostras de 4000 mm
Nas amostras definitivas, preparadas em três repetições, além das medições
de largura, foram também feitas medições da altura do filamentopara se ter uma
avaliação mais precisa do comportamento do filamento. As medições foram
realizadas utilizando um micrômetro digital, nos mesmos pontos indicados na Figura
4.6. Com as informações de altura e largura do filamento naquele ponto foi
executado o cálculo da área da seção transversal do filamento, considerando-o
elíptico, como constatado no estudo da geometria do filamento descrito na
Seção5.3. A Equação 10 mostra a fórmula da área de uma elipse usada para obter
uma aproximação da área do filamento.
Equação 10
onde, A é a área da seção transversal do filamento no ponto que se está
avaliando; a é o comprimento do semieixo maior da elipse (i.e. metade da largura); e
b o comprimento do semieixo menor (i.e. metade da altura).
4.3.4 Verificação da Adesão Lateral entre Filamentos
Este experimento teve como objetivo investigar a relação dos parâmetros de
extrusão e planejamento de processo com a qualidade da adesão entre os
87
filamentos depositados adjacentemente. No entanto, com os resultados da
preparação das primeiras amostras foi identificada a necessidade mais imediata de
continuar com o estudo da extrusão e controle dos filamentos em trajetórias longas.
Este foi considerado então como um estudo preliminar.
Com a identificação de um conjunto de parâmetros de extrusão capazes de
gerar um filamento sem defeitos, foi feita a verificação da adesão entre os filamentos
depositados adjacentemente. Aplicando os mesmos parâmetros do ensaio 4 na
Tabela 4.5, foi executada a extrusão segundo uma trajetória em ziguezague com
distância entre os trechos longos de 0,8 mm e altura de camada (h) de 0,5 mm,
como ilustrado na Figura 4.7. A distância entre os trechos da trajetória foi definida
com base nos resultados da análise dos filamentos, que mostra que para esta
combinação de parâmetros a distância de 0,8mm deve gerar a partir de certo ponto
da trajetória uma interferência entre os filamentos.
Figura 4.7 - Trajetória de Verificação da Adesão
Foram preparação três amostras, nas mesmas condições dos ensaios de
extrusão anteriores. em madeira de pinus O comprimento total da trajetória é de
aproximadamente 2800 mm.
Os resultados descritos na Seção 5.3.4 foram constatados visualmente e para
sua demonstração a superfície de uma das amostras foi escaneada usando um
88
aparelho escaner de contato MDX-40, da Roland. O escaneamento foi feito usando
passo de 0,04 mm ao longo de X e 0,5 mm de passo em Y.
4.4 ESTUDO DA DEGRADAÇÃO
A degradação do material contido no cilindro é uma das principais
preocupações em relação à aplicação do princípio de extrusão por êmbolo para a
manufatura aditiva. Para avaliar o efeito do tempo de permanência sobre a
integridade estrutural do filamento extrudado foram conduzidos dois experimentos. A
espectroscopia no infravermelho, procurando verificar a ocorrência da degradação e
alterações na estrutura química do polímero e ensaios de tração, para avaliar o
impacto destas alterações na sua resistência mecânica.
4.4.1 Espectroscopia no Infravermelho
Para a verificação da degradação e as mudanças na estrutura química do
polímero foi aplicada a técnica de espectroscopia vibracional de absorção no
infravermelho (FTIR – Fourier Transform Infrared Spectroscopy).
Como amostras para o ensaio, foram preparadas chapas finas de 30 mm x 20
mm com altura de camada (h) de 0,5 mm aplicando os parâmetros de processo
descritos na Tabela 4.6. O tempo de permanência (t) do PP no interior do cilindro foi
contado a partir do momento da alimentação dos grãos até o início da execução da
rotina de preparação da amostra. Foram preparadas três amostras para cada
combinação de parâmetros e as aquisições de espectros obtidas em duplicata para
cada amostra.
Para efeito comparativo foram realizados ensaios tanto do cilindro de parede
fina (concepção 2) quanto com o cilindro de parede grossa (concepção 3), descrito
na Seção 3.4. O objetivo foi verificar a influência da concepção de cilindro no efeito
da degradação.
89
Para a preparação das amostras foi feita a purga e realimentação do material
no cilindro a cada ciclo completo dos tempos de permanência. Os parâmetros de
extrusão empregados foram os equivalente aos ensaios 4, 13 e 22 da Tabela 4.5
(i.e. Ve 0,019 mm/s; Vd 135 mm/min e Tp 180 °C, 200 °C e 220 °C,
respectivamente). As amostras foram fabricadas empregando como substrato a
chapa de polipropileno numa área ainda não usada e para evitar contaminação.
A aquisição dos espectros foi realizada utilizando o equipamento de
espectroscopia Varian 640 FTIR, do Departamento de Química e Biologia da
UTFPR, empregando a técnica de transmissão na faixa de 600 a 4000cm-1. Antes de
cada seção de aquisição de dados foi feita uma leitura do ambiente para ser
subtraída do espectro da amostra.
Tabela 4.6- Planejamento Experimental de Espectroscopia no Infravermelho
Variável
Ensaio Ve Vd Cilindro Tp
[°C] t
[min]
1
0,
00
8 [
mm
/s]
13
5 [m
m/m
in]
Con
ce
pçã
o 2
180
10
2 30
3 50
4
200
10
5 30
6 50
7
220
10
8 30
9 50
10
Con
ce
pçã
o 3
180
10
11 30
12 50
13
200
10
14 30
15 50
16
220
10
17 30
18 50
90
4.4.2 Ensaios de Tração
Para avaliar o efeito do tempo de permanência do material sobre a sua
resistência mecânica foram realizados ensaios de tração em filamentos extrudados
usando o cilindro de parede finada concepção 2 e o cilindro de parede grossa da
concepção 3. As amostras, filamentos retos de 200 mm, foram preparadas segundo
a mesma combinação de parâmetros do planejamento experimental da
espectroscopia, descrito na 4.4.1. A extrusão foi realizada a 50 mm dosubstrato,
para gerar filamentos em queda livre e portanto amostras cilíndricas, e deslocando o
cabeçote em quatro trechos ao longo de X como ilustra a Figura 4.8.
Figura 4.8- Trajetória de Preparação das Amostras do Ensaio de Tração
Os ensaios de tração foram realizados em uma máquina universal de ensaios
DL10000 da Emic com uma célula de carga de 500N e precisão de 0,1N. Garras
auto travantes por efeito de alavanca foram usadas para prender as amostras. Lixas
de granulometria 200 foram usadas para aliviar a força aplicada pelos mordentes
sobre a amostra. A velocidade de ensaios usada foi de 10 mm/min. Este ensaio não
seguiu uma norma, mas foi executado somente para efeito comparativo entre as
amostras.
91
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Neste capítulo, serão apresentados os resultados e discussões dos
experimentos descritos no Capítulo 4.
5.1 ANÁLISE DA FUSÃO DO PP AO LONGO DO CILINDRO
Os gráficos das curvas de comportamento térmico do cilindro são apresentados
nas Figura 5.1 à Figura 5.3 correspondendo às temperaturas de processamento de
180, 200 e 220°C, respectivamente.O termopar instalado na altura de 32 mm,
indicado pela cor verde, apresentou algum problema no sinal, o que se refletiu na
instabilidade do seu gráfico. No entanto, a sua temperatura registrada está dentro de
uma faixa esperada.
Figura 5.1 - Gráfico Temperatura x Tempo Conforme Altura do Cilindro para Tp=180°C
92
Figura 5.2 - Gráfico Temperatura x Tempo Conforme Altura do Cilindro para Tp=200°C
Figura 5.3 - Gráfico Temperatura x Tempo Conforme Altura do Cilindro para Tp=220°C
93
É possível observar nos gráficos o comportamento térmico do cilindro durante o
processo. Nota-se, em todas as curvas, uma resposta rápida ao aquecimento da
temperatura ambiente à temperatura de processamento. Avaliando o ponto mais
próximo da resistência (i.e. a 8 mm), o cilindro apresenta uma taxa de aquecimento
de 30 a 40 °C por minuto, levando em torno de 4 a 6 minutos para aquecer e
estabilizar em Tp. Não é observado efeito de inércia térmica até a estabilização em
torno de Tp, exceto quando aquecendo para 220°C. Neste caso, existe um pequeno
efeito de inércia.
Observa-se uma ligeira queda da temperatura com a alimentação do material,
necessitando no máximo 2 minutos para a reestabilização. A estabilização após a
alimentação para as temperaturas de 180 e 200°C, ocorreu em uma temperatura
superior ao observado sem a carga de polímero, sendo esta mais pronunciada na
200°C, com um aumento de 10°C. Tal efeito não é perceptível na temperatura de
220°C.
Com o início da extrusão é observado um aumento significativo da temperatura
nas temperaturas de processamento de 180°C (Figura 5.1) e 200 °C (Figura 5.2).
Para Tp 180°C, a temperatura aumentou para 200°C e, para a Tp 200°C, a
temperatura do cilindro aumentou para 220°C. Este fenômeno ocorre provavelmente
devido à compressão do material fundido e consequente maior condução de calor do
polímero ao cilindro. Uma hipótese para explicar este fato é que o material ao ser
alimentado se funde e sua viscosidade mais baixa faz com que se assente no fundo
do cilindro. A massa fundida ocupa os espaços vazios formando uma massa
homogênea que conduz já inicialmente mais calor para a porção superior do cilindro.
Após o início da extrusão, a temperatura se estabiliza e se mantém constante
até o final da extrusão. À temperatura de processamento 220°C não ocorreu a
elevação da temperatura, esta se mantendo constante ao longo de todo o processo.
A Figura 5.4 ilustra a hipótese sugerida. A amostra apresentada foi gerada pelo
procedimento descrito na Tabela 4.3, mas sem fazer a compressão dos grânulos,
apenas com a etapa de alimentação a 200°C.
94
Figura 5.4 - Amostra de Material Alimentado a 200°C, mas não Comprimido
A Figura 5.5 mostra o perfil da temperatura ao longo do cilindro.
Figura 5.5 - Perfil da Temperatura ao Longo do Cilindro
Segundo os perfis, a temperatura (i.e. 153°C) para as Tp 180°C, 200°C e
220°C é superada na altura de 21,6 mm, 23,8 mm e 25,5 mm, respectivamente.
Acima desta altura o material depositado no interior do cilindro deve manter a
95
integridade dos grânulos e abaixo desta inicia a fusão. A Figura 5.6apresenta as
amostras de material fundido.
(a) (b)
(c) (d)
Figura 5.6 - Amostras do Material Fundido a Tp 180°C (a), 200°C (b), 220°C (c) e todas as amostras juntas (d)
As amostras apresentam 15 mm, 19,5 mm e 27 mm, de PP fundido
respectivamente às Tp 180°C, 200°C e 220°C.
96
5.2 RESULTADOS DOS TESTES DE SUBSTRATO
Os materiais de substrato foram testados pela execução de uma rotina de
extrusão e verificação do comportamento do filamento gerado e do substrato. Os
critérios avaliados foram a qualidade de acabamento superficial do filamento,
adesão do filamento ao substrato e não empenamento do substrato. A Tabela 5.1
mostra os resultados dos testes realizados.
Tabela 5.1 - Resultados dos Testes de Substrato
Tp Ve Vd h Tipo Substrato Acabamento Adesão Empenam. Substrato
18
0 °
C
0,0
08
mm
/s
13
5 m
m/m
in
0,5
mm
Folha
Acetato ok ok Nok
Papel ok ok Nok
Lixa 200 ok ok Nok
Placa
Espuma de Poliuretano
Nok ok ok
Alumínio ok Nok ok
Vidro ok Nok ok
Madeira de pinus ok ok Nok
Polipropileno ok ok ok
Conforme visto na literatura, condutibilidade térmica do material do substrato
deve permitir que o polímero fundido extrudado pelo bico seja depositado e tenha
tempo para aliviar a contração. Quando isto não acontece o filamento é resfriado
muito rapidamente sem aliviar as tensões, quando ocorre o reemaranhamento das
macromoléculas o filamento empena, descolando do substrato. A manutenção da
forma a altas temperaturas deve ser atendida para permitir o uso em rotinas longas,
evitando que o substrato empene ao ser exposto à irradiação de calor vinda do bico.
A espuma de poliuretano foi empregada com sucesso, atendendo bem a
ambos estes requisitos, mas não foi utilizada como material de substrato definitivo
devido à necessidade de gerar um filamento de perfil liso. A Figura 5.7 mostra a
superfície de contato entre o filamento e a espuma.
97
Figura 5.7 - Aspecto do Contato Filamento-Poliuretano
A exigência de um melhor acabamento na interface do filamento com o
substrato se deve à necessidade de realizar a avaliação dimensional do filamento e
com isso uma superfície irregular para medição se torna indesejada. Este requisito
existe apenas para o trabalho de estudo do filamento. Para a aplicação na
manufatura aditiva este é menos relevante, pois ocorreria apenas na primeira
camada inferior da peça.
Com os testes de outros materiais em folhas e chapas, foi observada a
ocorrência de falta de adesão entre o filamento extrudado e o substrato, implicando
no descolamento e perda do trabalho.
Concluiu-se dos testes com substratos que o emprego da chapa de
polipropileno apresentou comportamento satisfatório para todos os requisitos
avaliados. O único problema percebido com este substrato é a ocorrência de
desgaste com as extrusões. A substituição frequente deste material pode se tornar
onerosa. Os demais materiais avaliados sempre incorreram em algum dos
problemas descritos. Uma alternativa empregada em projetos de máquinas de baixo
custo, como a RepRap, e que poderia ser testada em trabalhos futuros é o
aquecimento do substrato, permitindo empregar materiais rígidos de alta
condutibilidade como alumínio.
98
5.3 ESTUDO DE EXTRUSÃO
Esta seção apresenta os resultados dos testes de extrusão.
5.3.1 Análise do Filamento de 250 mm
A Figura 5.8 expõe em forma de gráfico os resultados da Tabela 5.2. As cores
indicam temperaturas diferentes.
Figura 5.8 - Gráfico dos Resultado do Filamento de 250 mm
A Tabela 5.2 mostra um resumo dos resultados das medições dos filamentos
de 250 mm. Os campos em branco indicam que a combinação de parâmetros não
gerou um filamento satisfatório, incorrendo em algum dos problemas descritos mais
a frente.
0
500
1000
1500
2000
2500
1 2 3 4 5
Larg
ura
do
fila
me
nto
[μ
m]
Trecho
Largura ao longo do filamento
1
4
7
10
13
16
17
19
22
25
26
25
16
7
4
17
22
26
13
1 10
19
99
Tabela 5.2 - Resultados Resumidos dos Filamentos de 250mm
Parâmetros Resultados
Tp Ve Vd Média desvio
[°C] [mm/s] [mm/min] [μm] padrão E
nsa
io
1
180
0,008 (726)
135 610 52
2 360 -
3 720 -
4 0,019 (300)
135 1075 57
5 360 -
6 720 -
7 0,043 (125)
135 2046 272
8 360 -
9 720 -
10
200
0,008 (726)
135 593 32
11 360 -
12 720 -
13 0,019 (300)
135 935 117
14 360 -
15 720 -
16 0,043 (125)
135 1968 240
17 360 863 66
18 720 -
19
220
0,008 (726)
135 569 34
20 360 -
21 720 -
22 0,019 (300)
135 982 92
23 360 -
24 720 -
25 0,043 (125)
135 2073 256
26 360 910 59
27 720 -
A Figura 5.9mostra de forma gráfica a dispersão dos desvios padrão dos
resultados obtidos.
100
Figura 5.9 - Gráfico de Dispersão do Desvio Padrão
Os resultados qualitativos do experimento, baseados na observação dos
filamentos, e a análise das medições de largura demonstram o relacionamento dos
parâmetros de extrusão com a qualidade do filamento.Observando os resultados na
forma gráfica da Figura 5.8 se tem uma noção do comportamento da largura do
filamento ao longo da extrusão. Nota-se que os filamentos com Ve de 0,008 e 0,019
mm/s apresentam baixa variação ao longo dos 250 mm de comprimento, enquanto
que a Ve 0,043 mm/s (i.e. ensaios 7, 16 e 25) apresenta uma tendência de
crescimento da largura. Uma hipótese que pode explicar este fenômeno é o
aumento gradativo da pressão do material no interior do cilindro. Isto pode ocorrer se
o dispositivo for fisicamente incapaz de extrudar o material fundido com a vazão
necessária para manter a pressão constante, isto é, o volume de material deslocado
pelo êmbolo é maior do que o volume sendo extrudado através do furo no cilindro.
Tomando esta suposição como verdadeira se tem uma indicação do limite de
velocidade de extrusão aplicável ao dispositivo, entre 0,019 e 0,043 mm/s.
Os desvios padrão das medições, apresentados na Figura 5.9, também
apresentam uma relação aparentemente direta e linear com a velocidade de
extrusão e, por consequência, com a largura. Sendo assim, os filamentos mais finos
são também mais uniformes.
101
A Figura 5.10 mostra de forma gráfica os efeitos dos parâmetros sobre a
largura do filamento para a velocidade de deslocamento de 2 mm/s. Os valores no
interior dos círculos são as larguras do filamento em μm para a dada combinação de
parâmetros. Os valores nas ligações entre os círculos indicam o efeito na largura da
mudança de uma combinação para outra.
Figura 5.10 - Gráfico dos Efeitos dos Parâmetros na Largura do Filamento para Vm de 2mm/s
Como é observado no gráfico de temperatura tem pouco efeito sobre a largura
do filamento, mas foi observado também que a temperatura pode permitir a extrusão
com velocidades de deslocamento maiores. Apesar de ainda não formar filamentos
viáveis, os resultados das velocidades de deslocamento maiores foram melhores
com o aumento da temperatura. A velocidade de deslocamento no plano xy mostrou,
para as combinações de parâmetros avaliadas, ser um fator determinante na
formação ou não de um filamento. A Vd de 135 mm/min gerou bons filamentos, as
demais, exceto pelos ensaios 17 e 26, não. A velocidade do êmbolo foi o fator com
maior efeito sobre a largura.
As Figura 5.11 e Figura 5.12 mostram fotos em microscópio da vista superior
dos filamentos. As Figura 5.11 (a), (b) e (c) mostram respectivamente os filamentos
gerados nos ensaios 10, 13 e 16 (i.e. temperatura = 200°C, Vd = 135 mm/min e Ve =
102
0,008; 0,019 e 0,043 mm/s). As Figura 5.12(a), (b) e (c) mostram os três tipos de
defeitos ocorridos nos experimentos. A Figura (a) mostra a ocorrência de uma
estricção longa. A Figura(b) mostra a ocorrência de fratura do extrudado e a
Figura(c) mostra a ocorrência de uma inclusão de material degradado no filamento.
Em todas as fotos é possível observar um discreto efeito pele de cação.
(a)
(b)
(c)
Figura 5.11 - Micrografias dos Filamentos Extrudados a 180 °C, Vd 135 mm/min e Ve (a) 0,008,
(b) 0,019 e (c) 0,043 mm/s.
103
(a)
(b)
(c)
Figura 5.12–Micrografia dos Defeitos nas Amostras de Filamentos Extrudados (a) Estricção, (b) Fratura e (c) Inclusão
104
Defeitos foram observados durante a execução dos ensaios. Quando a
velocidade do êmbolo gera uma vazão de extrusão menor do que a necessária para
acompanhar o deslocamento do cabeçote o deslocamento da mesa faz com que o
filamento se estique, criando uma estricção até o próximo ponto de adesão. Este é
um defeito periódico e a sua frequência se mantém ao longo do filamento e está
associada à combinação dos parâmetros de Ve e Vd. Frequências menores ocorrem
para velocidades de extrusão mais baixas e aumenta conforme se aumenta Ve ou
diminui Vd. A Figura 5.12 (a) mostra um ponto de acúmulo de material e a estricção
que a antecedeu. A situação oposta também gera defeitos de extrusão. A fratura do
extrudado ocorre quando a Ve é muito grande, gerando cisalhamento da massa
fundida no interior do cilindro além da taxa de cisalhamento crítica. Nestes casos o
filamento extrudado apresenta uma ondulação, como na Figura (b). O defeito de
extrusão aparentemente não associado aos parâmetros de extrusão observado no
experimento foi o aparecimento de inclusões no interior filamento, como mostrado na
Figura (c). Estas ocorrem de forma aleatória em algumas amostras. As inclusões
podem ter várias origens, algumas hipóteses são de sujeira alimentada junto com os
grãos, material queimado ou oxidado entorno de aprisionamentos de água,
proveniente da humidade ambiente. Uma avaliação quantitativa dos filamentos, num
estudo futuro, poderia indicar se há comprometimento significativo da sua resistência
mecânica.
5.3.2 Análise do Filamento de 1450 mm
Os resultados das medições de largura das amostras de 1450 mm aparecem de
forma resumida na Tabela 5.3.
105
Tabela 5.3 - Resultados Resumidos de Extrusão em 1450 mm
A Figura 5.13 apresenta de forma gráfica as médias das três amostras geradas
com os parâmetros 1, 4 e 7.
Figura 5.13 - Gráfico das Larguras Médias dos Ensaios com Filamentos de 1450 mm
0
500
1000
1500
2000
2500
25
85
18
0
24
0
33
5
43
0
49
0
58
5
64
5
74
0
83
5
89
5
99
0
10
50
11
45
12
40
13
00
13
95
14
55
Larg
ura
[μ
m]
Comprimento [mm]
1
4
7
Ensaios:
106
Para melhor interpretação dos resultados os ensaios 1 e 4 são apresentados
separadamente, com escala mais adequada, na Figura 5.14.
Figura 5.14 – Gráfico das Larguras Médias dos Ensaios 1 e 4 com Filamentos de 1450mm
Foi observado com os resultados das medições que, dentro do comprimento
avaliado (i.e. 1450mm), os filamentos apresentam largura crescente tendendo à
estabilização. No entanto, é visível que ainda não a atinginde. Com base nesta
observação foi realizado o experimento com filamentos de trajetória de 4000 mm.
5.3.3 Análise do Filamento 4000 mm
Os resultados das áreas calculadas a partir dasmedições de largura e
espessura das amostras de 4000 mm aparecem de forma resumida na Tabela 5.4.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
25
85
18
0
24
0
33
5
43
0
49
0
58
5
64
5
74
0
83
5
89
5
99
0
10
50
11
45
12
40
13
00
13
95
14
55
Larg
ura
[μ
m]
Comprimento [mm]
1
4
Ensaios:
107
Tabela 5.4- Tabela dos Resultados Resumidos de Área dos Filamentos de 4000 mm
A Figura 5.15 mostra de forma gráfica os resultados das medições de largura.
Figura 5.15 - Gráfico das Medições de Largura do Filamento de 4000 mm
Confirma-se no gráfico a tendência de estabilização do filamento com o avanço
da trajetória para além dos 1250 mm analisados anteriormente. A largura apresentou
um comportamento crescente até em torno de 1550 mm de extrusão a partir de onde
estabilizou-se, mesmo que com variação significativa para mais ou para menos.
Deste ponto até o final da trajetória apresentou uma largura média de 0,88 mm com
desvio padrão de 0,04.
0
200
400
600
800
1000
1200
50
35
5
65
9
96
4
12
68
15
73
18
77
21
82
24
86
27
91
30
95
34
00
37
04
40
09
Larg
ura
[μ
m]
Comprimento [mm]
Larguras
1-1
1-2
1-3
108
Figura 5.16- Gráfico das Áreas do Filamento de 4000 mm
Observa-se no gráfico uma atenuação da variação do filamento quando
comparados a área da seção transversal. A área ainda varia crescentemente até em
torno de 1550 mm, mas esta variação se torna menor.
5.3.4 Verificação da Adesão
Com a execução das amostras de verificação da adesão ficou evidente,
segundo uma análise qualitativa, a capacidade do processo em produzir uma
camada coesa a partir da deposição de filamentos adjacentemente.
A amostra preparada para verificação da adesão foi escaneada e dela foi
gerada uma nuvem de pontos, com coordenadas em x, y e z. Esta foi normalizada
em 0 mm e reorganizada numa matriz utilizando o Excel e plotada num gráfico de
cores empregando o programa Origin V8.6 versão de avaliação. A Figura 5.17
mostra o gráfico de cores gerado em função da altura em z para a faixa da amostra
onde se tem o efeito mais acentuado de formação de cristas. O gradiente de cores
0,000
0,100
0,200
0,300
0,400
0,500
0,600
0,700
0,800
50
35
4,5
65
9
96
3,5
12
68
15
72
,5
18
77
21
81
,5
24
86
27
90
,5
30
95
33
99
,5
37
04
40
08
,5
Áre
a [m
m²]
Comprimento [mm]
Áreas
1-1
1-2
1-3
109
aplicado foi de azul, em 0 mm, até vermelho, em 1,46 mm, com incremento de 0,16
mm por camada.
Figura 5.17 - Gráfico de Cores em Função da Altura em Z
Observa-se no gráfico a existência de uma tendência de aumento da altura da
cristas da direita para esquerda. Contornos estreitos e altos indicam uma crista de
menor ou maior intensidade e regiões vermelhas mais pontuais ou concentradas
indicam picos, ambos formados em função da interferência dos filamentos. As cristas
e picos são formados quando há interferência dos filamentos.
Este resultado confirma o aumento da vazão ao longo da extrusão. Como foi
aplicada uma distância constante entre trajetórias, a variação do gap ocorre devido à
variação da largura do filamento. Este efeito é indesejado pois não se tem coesão
uniforme em toda a peça fabricada.
As Figura 5.19 e Figura 5.20 mostram o perfil de altura da amostra ao longo da
linha de 7,5 mm no eixo Y, indicada na Figura 5.18. A Figura 5.19 mostra a região à
extrema direita da amostra, no início da extrusão, enquanto que a Figura 5.20
mostra a região à esquerda, ao final da extrusão.
110
Figura 5.18–Amostra para Verificação do Perfil de Altura e Indicação do Plano de Corte
Figura 5.19 - Perfil de Altura do Início da Amostra
É possível observar a mudança do perfil dos filamentos, deixando de ser
abaulados e passando a adotar uma forma mais achatada ao longo da extrusão.
Este comportamente é devido ao que já foi comentado à variação da vazão.
Figura 5.20 - Perfil de Altura do Fim da Amostra
Com o progresso da extrusão e aumento da largura a interferência entre os
filamentos faz formar cristas de material ao longo da camada.
111
5.4 ESTUDO DA DEGRADAÇÃO
Os resultados dos estudos de degradação por espectroscopia no infravermelho
e do seu reflexo na resistência à tração são apresentados a seguir.
5.4.1 Espectroscopia no Infravermelho
Os resultados das amostras para a avaliação da degradação por
espectroscopia nas temperaturas de 180, 200 e 220 °C, com tempos de
permanência de 10, 30 e 50 minutos empregando o cilindro de concepção 2 e
concepção 3 podem ser vistos na Figura 5.21.
Nota-se dos espectros das amostras preparadas pelo cilindro de paredes finas
a mudança na banda de absorção referente aos grupos carbonílicos, indicação da
ocorrência de degradação. Na temperatura de 180°C, há pouca indicação de
degradação nos tempos de 10 e 30 minutos, sendo que já se torna visível no tempo
de 50 minutos. Em 200°C, a ocorrência de degradação é perceptível desde 10
minutos, com intensidade levemente maior que a 180°C. Esta se mantem sem
aparente mudança até 50 minutos.
O mesmo comportamento em relação ao tempo se repete a 220 °C, ou seja, o
aumento da temperatura parece fazer efeito sobre a intensidade da degradação,
mas esta parece ser independente do tempo.
Na banda em torno de 2300 cm-1, atribuída à presença de gás carbônico, se
nota a formação de um pico que se intensifica com o aumento da temperatura e
tempo. Isto indica que o processo induz a formação de CO², devido ao aquecimento
do polímero em contato com oxigênio.
A Figura 5.21 mostra os espectros das amostras preparadas com o cilindro 2,
de paredes finas. Os espectros foram defasados entre si pra permitir a visualização
e comparação.
112
Figura 5.21 - Espectros no Infreavermelho das Amostras Preparadas com o Cilindro de Concepção 2.
Figura 5.22 - Es spectros no Infreavermelho das Amostras Preparadas com o Cilindro de Concepção 3.
113
Os espectros referentes às amostras preparadas com o cilindro de concepção
3, com paredes grossas, apresentam amplitudes maiores na banda referente aos
grupos cabonílicos, indicando maior efeito de degradação.Nas temperaturas de 180
e 200°C, não há aparente variação conforme varia o tempo. Para 220°C o tempo de
residência do material passa a afetar a intensidade desta banda de absorção,
aumentando significativamente de 10 a 50 minutos.
Os resultados mostram que com o emprego do cilindro de parede fina
(Concepção 2) a degradação não aumenta com a permanencia do material no
interior do cilindro. Isto ocorre, pois, esta concepção não funde o material no seu
interior.
5.4.2 Ensaios de Tração
A Tabela 5.5 apresenta de forma resumida os resultados quantitativos dos
ensaios de tração.
Os gráficos dos ensaios de tração (tensão x deformação) das amostras,
variando-se o tempo de residência entre 10, 30 e 50 minutos, empregando a
concepção 2 de parede fina, são apresentados nas Figura 5.23 (a) para Tp 180°C,
(b) 200°C e (c) 220°C.
114
Tabela 5.5- Resultados dos Ensaios de Tração
(a)
(b)
115
(c)
Figura 5.23 - Gráficos de Tensão x Deformação da Concepção 2 com Tp (a) 180°C, (b) 200°C e (c) 220°C
Os gráficos das amostras preparadas empregando a concepção 3, de parede
grossa, são apresentados nas Figura 5.24 (a) para Tp 180°C, (b) 200°C e (c) 220°C.
(a)
(b)
116
(c)
Figura 5.24 - Gráficos de Tensão x Deformação Empregando a Concepção 3 com Tp (a) 180°C, (b) 200°C e (c) 220°C
Observando os gráficos de tensão x deformação é possível notar a diferença
entre o comportamento de resistência mecânica à tração entre as amostras
preparadas pelas duas concepções de cilindro. O cilindro fino, gera filamentos com
comportamento dúctil mais constantes, isto é, com baixa variação entre as amostras.
O desvio padrão dos resultados está geralmente abaixo de 10%, o que é razoável. A
concepção de cilindro se mostra flexível para trabalhar com o polipropileno dentro da
gama de temperaturas estudadas e eficiente termicamente, evitando a degradação
do material, mesmo com tempo de permanência longo. As propriedades não
apresentaram grande variação mesmo para as condições mais severas de
processamento.
As propriedades mecânicas mensuradas com os ensaios se mostram
condizentes com a literatura. Os filamentos gerados pelo cilindro fino apresentaram
tensão máxima em torno de 30 MPa, comparativamente aos 32 MPa apontados para
o mesmo material não processado, segundo o fabricante. O valor médio máximo
entre todas as combinações de parâmetros foi 31,3 MPa e o mínimo 28,7 MPa. O
módulo de elasticidade em torno de 1,2 GPa, está próximo ao 1,3 GPa sugerido pelo
banco de dados de materiais MatWeb (MATWEB, 2012) para a graduação genérica
de polipropileno para extrusão. Há apenas uma incidência de valor abaixo de 1 GPa.
A deformação até o escoamento foi em torno de 10%, comparado aos 14%
117
sugeridos pelo fabricante e maior variação de resultados, com valores de desvio
padrão mais altos.
As amostras geradas pelo cilindro com paredes grossas apresentaram
resultados muito mais instáveis, com grande variação tanto interna a cada condição
quanto entre as várias condições de temperatura e tempo avaliadas. Os filamentos
apresentaram comportamento mais frágil, com deformação até a ruptura mais baixa.
Os valores das propriedades mecânicas também apresentaram queda em relação
aos valores do cilindro fino. A tensão variou entre as combinações de parâmetros de
16,1 MPa até 31,9 MPa e dentro de cada combinação o desvio padrão geralmente
acima dos 10%. O mesmo acontece com o módulo de elasticidade, com valores de
0,4 GPa a 1 GPa e desvio padrão de até 36%, e para a deformação no escoamento,
variando de 6 a 11% e desvio padrão de até 43%.
118
6 CONCLUSÕES
6.1 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Ao longo do desenvolvimento deste trabalho foi atentada impreterivelmente a
simplicidade das soluções dos requisitos. Seguindo esta premissa certas soluções
foram adotadas sem ponderação a outros critérios, talvez, melhores.
No desenvolvimento do cabeçote extrusor e concepção do cilindro de extrusão
preferiu-se manter o conjunto sem qualquer tipo de confinamento ou proteção. Com
a concepção 2 do cilindro com parede fina a falta de proteção contra a irradiação de
calor da resistência tornou-se um problema para a definição de um substrato viável.
Foi verificado que a maior parte dos materiais avaliados foi reprovado no requisito de
não empenamento. Sendo este principalmente devido a irradiação. Maior atenção
poderia ter sido dada para o isolamento da resistência, protegendo o substrato e
ampliando a gama de materiais aplicáveis.
Para a execução do trabalho foi montado um sistema mecânico e eletrônico de
caráter experimental. Isto implicou em uma série de limitações, em geral fora do
escopo do trabalho, mas que melhorariam a operação da máquina. Uma das
principais é o controle e automação do processo. O controle automatizado de todo o
processo, desde a aplicação do programa de planejamento do processo RP3 para
gerar os códigos de controle da máquina, até a fabricação dos modelos, com seu
devido sensoriamento, agilizaria e facilitaria a sua operação. Isto permitiria maior
eficiência na execução do planejamento experimental.
O estudo de extrusão teve como objetivo conhecer o comportamento do
filamento gerado pelo princípio de extrusão estudado.A abordagem experimental
adotada neste trabalho permitiu o conhecimento do comportamento para a condição
específica do trabalho. No entanto, as condições devem mudar de arranjo para
arranjo. Uma avaliação baseada não na resposta final de uma condição (e.g. largura
do filamento), mas do ponto máximo onde ainda pode-se mensurar e controlar(e.g.
119
pressão do polímero fundido na extremidade do bico) geraria uma informação mais
consistente e flexível para aplicação em outras condições.
O método de obtenção das amostras para a avaliação da degradação por
espectroscopia no infravermelho e comparação dos índices de carbonila e CO2,
permitiu somente uma avaliação qualitativa da ocorrência da degradação. As
amostras preparadas pela deposição de filamentos adjacentes não apresentaram
superfície regular, como constatado na verificação da adesão lateral dos filamentos
e ilustrado na Figura 5.19, o que dificulta a análise. Um processo de moldagem
poderia ser empregado, como descrito por Coaquira (2004), para regular a
espessura e superfície das amostras. Outros métodos, descritos na Seção 2.7.4.
poderiam ser empregados para avaliar a degradação do polímero.
6.2 CONCLUSÕES
O processo de fusão e deposição por êmbolo com alimentação granulada se
mostrou viável para aplicação em manufatura aditiva, atingindo satisfatoriamente os
requisitos descritos na Tabela 3.1.
O cabeçote extrusor desenvolvido no trabalho é capaz de processar
polipropileno granulado e o transformar em um filamento contínuo, e sem defeitos.
Uma janela de processo foi definida e o comportamento do filamento descrito.
Empregando o cilindro desenvolvido e sem fazer variação de parâmetros de
processo a vazão de extrusão não é constante, mas varia crescentemente até um
certo nível, onde se estabiliza. São necessários aproximadamente 1200 mm de
extrusão para atingir a estabilização do filamento. O controle dimensional do
filamento no início do processo é então não eficiente o que implica na necessidade
de continuidade dos estudos.
Dentro das condições avaliadas neste trabalho, isto é, na produção de um
filamento isolado e na associação para formar uma camada coesa (boa adesão
120
lateral), o polipropileno mostrou-se adequado à aplicação em AM. No entanto, outros
aspectos em relação a este material precisam ser avaliados.
O cilindro de extrusão projetado é eficiente em restringir a fusão dos grãos
alimentados à região próxima da resistência e com isto reduzir o volume de material
fundido no seu interior e o tempo de exposição deste à alta temperatura.
A restrição do volume de material fundido se mostrou eficiente no controle dos
efeitos negativos da degradação.Foi observada a ocorrência de mudança da
estrutura química do polímero pelo aumento da banda indicativa dos grupos
carbonílicos, mas esta não pôde ser mensurada. A única configuração livre de
degradação foi empregando o cilindro de concepção 2, projetado no trabalho, com
temperatura 180°C e tempo de exposição 10 minutos. No entanto, os resultados dos
ensaios de tração mostraram que não há alteração significativa do ou do módulo de
elasticidade como tempo de permanência do material no cilindro de extrusão
desenvolvido. Estas conclusões indicam que ocorre a degradação do material, mas
esta não repercute negativamente na resistência mecânica do filamento gerado sob
estas condições. Sem a preocupação de restrição do volume de material fundido,
ilustrada pela concepção 3, a degradação é observada de forma mais intensa e
repercute sobre as propriedades mecânicas dos filamentos.
6.3 RECOMENDAÇÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Este trabalho,enquanto primeira avaliação de um princípio de funcionamento
pouco explorado e cujas demandas de competências são plenamente tangíveis para
o NUFER, abre precedentes para uma série de trabalhos de pesquisa e
desenvolvimento. Como resultados diretos das considerações e conclusões deste
trabalho podem ser dadas algumas sugestões:
Aperfeiçoamento mecânico do cabeçote e bancada CNC: o dispositivo
desenvolvido foi montado em caráter experimental para permitir a execução do
trabalho e é portanto passível de várias melhorias, como: Reforma para eliminação
121
de folgas e fontes potenciais de erros; Reprojeto do sistema de deslocamento em Z;
Instalação de sistemas de posicionamento, como encoder; Ampliação do curso em
Z; entre outros.
Automação e controle:Um trabalho intenso é necessário na parte de controle e
automação para facilitar a execução de testes, como: Implementação de funções
específicas deste sistema no código G de controle; Implementação de
sensoriamento dos parâmetros relevantes para o controle do processo, como
pressão da massa fundida, torque do motor, velocidade do êmbolo, entre outros;
Pesquisa de métodos de controle ou contorno para extrusão: como foi visto nos
resultados do trabalho, o princípio de extrusão por êmbolo com alimentação
granulada, implica em um problema de variação da vazão de extrusão. O controle ou
contorno deste fenômeno é fundamental para o emprego do processo para AM.
Avanço na avaliação dos requisitos de viabilidade: Neste trabalho foram
verificados alguns requisitos para a viabilidade do princípio de extrusão para AM,
mas não foi possível fazer a avaliação de todos. Faz-se necessário investigar a
adesão entre camadas e o resultado da formação de um volume maior de material.
Otimização e aperfeiçoamento do princípio de extrusão por êmbolo com
alimentação granulada: complementarmente à sugestão anterior de controle e
automação, pode ser realizado um trabalho de aperfeiçoamento do sistema com:
Instalação de um sistema de dosagem e realimentação automática de grãos;
Instalação de um sistema de corte de extrusão para melhorar a tomada e cessão da
extrusão; Pesquisar alternativas para fabricação de suporte.
122
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