Impressão 3D: Materiais Compósitos

Para finalizar esta sequência de artigos sobre o tema materiais para impressão 3D, vou escrever sobre os materiais compósitos (material com uma matriz de polímero reforçado com fibras (carbono, vidro, etc) contínuas ou descontínuas).

Devido as suas características e importantes benefícios que os materiais compósitos possibilitam (redução de peso, alta resistência etc), eles já eram destaques em outros processos de manufatura e não está sendo diferente com a impressão 3D.

No setor aeroespacial, por exemplo, está sendo possível a criação de peças (suportes, fixadores) com redução de peso através de materiais compósitos fabricados por impressão 3D, o que é bastante importante para este setor.

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Componente de veículo aéreo não tripulado impresso em 3D com compósitos. Fonte: Hexcel.

Em geral, algumas aplicações de materiais compósitos são de produtos personalizados e que não são produzidos em massa (áreas esportivas, médica etc) o que ajuda na integração destes materiais com a fabricação por impressão 3D.

Mercado Global

De acordo com a SmarTech Analysis, o mercado global de impressão 3D de compósitos (material, impressoras etc) vai ultrapassar US$ 9 bilhões em 2028, com foco principalmente nos setores aeroespacialmédicoenergiamarítimo e de bens de consumo.

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Fonte: SmartTech Analysis

O relatório apresenta algumas informações interessantes:

  • Principais players para impressão 3D em compósito: Stratasys, Markforged, Hexcel, Thermwood, 3D Systems, BASF, entre outros;
  • Dos US$ 9 bilhões, cerca de US$ 4 bilhões são originados de receitas em vendas de hardware;
  • Espera-se que a fusão em leito de pó seja o principal tipo de sistema de produção de compósitos em impressão 3D;
  • Os principais processos de impressão 3D que estão sendo usadas para materiais compósitos são: extrusão de material (ME) e fusão em leito de pó (PBF);
  • Principal material utilizado é fibra de carbono.
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Suporte de assento de aeronave, fabricado com compósito em impressão 3D. Fonte: Anisoprint.

Processos e Materiais

Como comentado acima, os principais processos de impressão 3D para protótipo são através da extrusão de material (ME) e fusão em leito de pó (PBF).

As impressoras de extrusão de material para compósitos, em geral, apresentam um ou dois bicos para saída do material. Dependendo da fabricante, a integração da matriz polimérica com a fibra contínua pode ser realizada em diferentes momentos do processo.

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Fonte: Simpósio virtual – TU Munich.
Uma destas formas é a co-extrusão de fibras compostas, a qual é utilizada pela fabricante Anisoprint. O material polimérico e a fibra são unidos (aquecidos e misturados no cabeçote) durante o momento na impressão. Com isto, é possível variar a proporção de fibra a ser utilizada (inclusive em locais específicos da peça), alterando assim as propriedades daquela peça a ser produzida.
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Fonte: Anisoprint.

É possível a utilização de diferentes polímeros como matriz polimérica: PETG, ABS, nylon, PC, entre outros. Esta diversidade é importante pois há uma ampla gama de combinações que podem ser realizadas, para obtenção de diferentes propriedades (resistência ao impacto, fadiga, resistência térmica etc) de acordo com a aplicação.

Em relação às fibras, algumas das utilizadas são: carbono e vidro

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Peça de fibra de carbono (Markforged). Fonte: CompositesWorld.

Formato dos materiais

Para os metais, cerâmicas e compósitos, temos alguns princípios de adesão destes materiais, durante o processo de impressão 3D: ligação térmica ou por reação química.

E, para cada processo, existem relações: tipo de distribuição do material, princípio básico da impressão 3D aplicado, categoria do processo, conforme apresentado na figura abaixo, do livro Additive Manufacturing Technologies.

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Fonte: Additive Manufacturing Technologies (GIBSON, I. et al., 2021).

Preços e características gerais

Devido a possibilidades de combinações e proporção da matriz polimérica com a fibra, para formação do material compósito, existe uma grande variedade de materiais a serem vendidos pelas fabricantes.

Por exemplo, para o processo de impressão 3D que vai usar filamento, você pode encontrar o filamento de fibra de carbono com diferentes polímeros (PLA, PETF, entre outros) e quantidades (%) de fios de fibra de carbono variado. Em geral, o comum é ter 20% de fibra de carbono nestes filamentos.

Em relação ao preço destes filamentos, pode variar de US$ 50/kg a US$ 250/kg.

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Filamento de nylon com fibra de carbono. Fonte: Dynamism e Matterhackers.

Se estiver usando o processo PFB, o material será um pó polimérico com fibra de carbono (o qual depende como as fibras são misturadas com o pó polimérico, o que pode permitir uma uniformidade maior (ou não) nas direções X, Y ou Z).

Em relação ao preço destes materiais, podem começar com valores a partir de US$ 1.000 por 6 kg (Sinterit).

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Pó de nylon com fibra de carbono. Fonte: Sinterit.

Principais Fornecedores

As impressoras 3D para compósitos podem ter um custo mais acessível (US$ 5.000) até custos mais elevados, pensando em produção industrial (US$ 250.000).

O site All3DP fez um levantamento das principais impressoras 3D de fibra de carbono em 2022. Algumas destas impressoras são:

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Ultimaker S5.

Confira a lista completa em: https://all3dp.com/1/best-carbon-fiber-3d-printer-price/

nível industrial, são apresentadas as seguintes impressoras:

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Roboze Argo 500.

Confira a lista completa em: https://all3dp.com/1/carbon-fiber-3d-printing-a-guide-for-decision-makers/

Tendência próximos anos

O próprio uso de materiais compósitos no processo de impressão 3D já é uma tendência e uma forma de confirmar a aplicação deste material em processos de manufatura para as mais diversas industrias. O ganho de escala deve ser o próximo desafio para as indústrias, com o objetivo de definir este processo como uma das rotas de manufatura dos seus produtos.

Uma outra tendência é buscar alternativas para reciclagem das peças de material compósito fabricados por impressão 3D, com o objetivo de facilitar o processo de reciclagem, pensando na sustentabilidade.

E você, já teve experiência com alguma peça impressa em 3D em material compósito?

Grande abraço!

Luan Saldanha.

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Marcus Figueiredo

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