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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

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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

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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.

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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.

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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.

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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.

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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)

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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

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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

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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

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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

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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).

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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.

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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.

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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.

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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).

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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

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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

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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.

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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).

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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.

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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).

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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,

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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.

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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.

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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

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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

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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)

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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).

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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.

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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

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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)

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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).

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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.

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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)

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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.

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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).

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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.

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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.

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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

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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).

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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

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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.

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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

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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.

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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.

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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.

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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

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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.

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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

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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

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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.

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(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.

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(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

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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

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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

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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

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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

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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

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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.

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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.

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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].

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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

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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

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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

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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

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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.

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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

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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.

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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

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(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

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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

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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.

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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.

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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

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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

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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.

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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

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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.

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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

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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

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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.

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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

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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.

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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.

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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.

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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

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

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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.

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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.

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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 =

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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.

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103

(a)

(b)

(c)

Figura 5.12–Micrografia dos Defeitos nas Amostras de Filamentos Extrudados (a) Estricção, (b) Fratura e (c) Inclusão

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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.

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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

m]

Comprimento [mm]

1

4

7

Ensaios:

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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

m]

Comprimento [mm]

1

4

Ensaios:

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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

m]

Comprimento [mm]

Larguras

1-1

1-2

1-3

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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

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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114

Tabela 5.5- Resultados dos Ensaios de Tração

(a)

(b)

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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)

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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%

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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%.

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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.

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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

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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

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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.

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