Manufatura Aditiva com Classificação Funcional (FGAM)

Você já imaginou/desejou a fabricação de uma determinada peça/componente composta com diferentes materiais, em diferentes locais da peça e/ou com diferentes densidades?

    A literatura define como Materiais com Classificação Funcional (Functionally Graded Material), quando os materiais “podem ser caracterizados pela variação na composição e estrutura gradualmente ao longo do volume, resultando em mudanças correspondentes nas propriedades dos materiais” (Wikipedia).

    Com o avanço das tecnologias de Manufatura Aditiva (MA) e a identificação do potencial que o FGM pode ter associado à MA surgiu o termo FGAM (Functionally Graded Additive Manufacturing), o qual pode ser descrito como uma técnica de fabricação camada por camada que varia gradativamente a organização do material dentro de um componente, para alcançar uma função pretendida.

    A FGAM pode produzir estruturas projetadas com mais eficiência com recursos internos personalizáveis e funcionalidades integradas que seriam impossíveis usando métodos de produção tradicionais.

 

Por que a Functionally Graded na Manufatura Aditiva

    A Manufatura Aditiva é um processo de manufatura que permite colocar material com precisão em posições definidas dentro de um domínio de design (controlar densidade e direcionalidade da deposição do material, assim como combinar vários materiais, alterando a densidade e orientação de deposição).

    Devido a estas características, este processo de manufatura se “encaixa” de uma forma quase perfeita, para permitir o controle e ajustes de densidade e aplicação de diferentes materiais em locais que se deseja nas peças. Ou seja, uma variação gradativa da organização do material na peça que irá ser construída.

    Este processo é uma mudança radical, pois muda a concepção da construção da peça: a modelagem e desenvolvimento da peça não será pensando apenas no contorno (design), mas também pensado no desempenho que se deseja em cada parte da peça, ao ter funcionalidade orientada ao desempenho. Através do controle estratégico da densidade e combinação de materiais para produzir a estrutura que se deseja.

 

Aprofundando sobre a FGAM (Functionally Graded Additive Manufacturing)

    O processo para fabricação das peças usando FGAM segue o fluxo de trabalho padrão da MA (geração de modelos usando software CAD, fatiamento, determinação orientação, geração suporte etc). Adicionalmente, é necessária uma descrição e atribuição das propriedades do material e comportamento de cada voxel dentro do componente projetado.

O fluxo do processo de projeto de manufatura para FGAM (Fonte: An Overview of Functionally Graded Additive Manufacturing).
O fluxo do processo de projeto de manufatura para FGAM (Fonte: An Overview of Functionally Graded Additive Manufacturing).

    Para isso, é necessário que softwares permitam esta descrição e definição. Dos diversos formatos existentes para salvar arquivos para manufatura aditiva, temos: AMF, FAV, SVX, 3MF, entre outros. Ao pensar no FGAM, estes formatos de arquivos precisarão armazenar informações de cores, materiais, treliças etc. Em especial para os materiais, deverá ser gravado a especificação dos materiais, mistura e graduação entre eles, entre outros.

Diagrama com arranjo de voxels para FAGM (Fonte
Diagrama com arranjo de voxels para FAGM (Fonte: An Overview of Functionally Graded Additive Manufacturing).

    Atualmente, um dos softwares que permite estas configurações é o GrabCAD Voxel Print da Stratasys (confira vídeo desta aplicação clicando aqui). Ajuste de estruturas e comportamento do modelo, através de ajuste de cor, gradiente de rigidez e textura são algumas das suas possibilidades.

O modelo de osso esponjoso demonstra a capacidade de replicar estruturas anatômicas complexas usando GrabCAD Voxel Print
O modelo de osso esponjoso demonstra a capacidade de replicar estruturas anatômicas complexas usando GrabCAD Voxel Print (Fonte: https://www.javelin-tech.com/3d/grabcad-voxel-print/).

Tecnologias MA para FGAM

    Das tecnologias atuais de MA, algumas delas já começam a produzir peças com FGAM. São elas: Extrusão de Material (ME), Fusão em Leito de Pó (PBF), Sheet Lamination e Deposição de Energia Direta (DED).

    Por exemplo, na Extrusão de Material é possível ter múltiplos extrusores, cada um com um tipo de material. Estes materiais são misturados para criar uma pasta homogênea. A direção de deposição e distância entre filamentos (camadas) são os principais parâmetros de fabricação para controlar propriedades mecânicas.

Mistura materiais extrusão FDM (Fonte
Mistura materiais extrusão FDM (Fonte: An Overview of Functionally Graded Additive Manufacturing).

    Para a tecnologia Fusão em Leito de Pó existem alguns exemplos na área da saúde, como a fabricação de implantes e scaffolds com porosidade graduada de ligas de Ti-6Al-4V, aproximando de estruturas ósseas humanas. Na figura abaixo é apresentada estrutura de nano compósito polimérico funcionalmente graduado de compósitos Nylon-11 com várias frações de volume de nanopartículas de sílica pirogênica de 15 nm (0-30%).

Garra de Nylon com variação % (Fonte
Garra de Nylon com variação % (Fonte: An Overview of Functionally Graded Additive Manufacturing).

 

Desafios Tecnológicos para Aplicação da FGAM

    Para a produção de peças FGAM com estruturas internas complexas e distribuição precisa das fases em um nível de microestrutura, é necessária uma velocidade de entrega, precisão e eficácia da formação das camadas de materiais.

    Para isso, é necessário ainda evoluir as atuais tecnologias de MA, principalmente em 3 pontos:

  • Softwares: devido as limitações de informações de dados (principalmente os relacionados aos materiais, que são fundamentais para FGAM);
  • Materiais: definições de distribuições ótimas, previsão de propriedades dos materiais, definição de tolerâncias etc;
  • Impressoras 3D: “printabilidade”, diretrizes de design, velocidade e precisão e custo de produção.
Desafios Atuais para FGAM (Fonte
Desafios Atuais para FGAM (Fonte: The Golden Eagle Additively Innovative Virtual Lecture Series)

    Por fim, devemos ficar atentos ao FAGM, visto que apresenta enorme potencial para projetistas e engenheiros fabricar estruturas com propriedades variáveis, controlando a densidade e mistura de materiais.

 

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Luan Saldanha

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