Impressão 3D: Materiais Poliméricos

No primeiro artigo que escrevi este ano (Impressão 3D: Expectativas para 2023), um dos pontos abordados sobre o avanço da impressão 3D foi o desenvolvimento constante de novos materiais.

Com a expansão da impressão 3D para diferentes setores, que necessitam de determinadas propriedades e qualidade de peças, o desenvolvimento de novos materiais é uma alternativa para atender estas necessidades.

Por exemplo: para o setor aeronáutico e algumas indústrias específicas, a necessidade de um material antichama é imprescindível.

Desta forma, vou escrever neste (e nos próximos 2 artigos aqui da "Impressão 3D - Newsletter") sobre o tema materiais para impressão 3D, começando com polímeros, depois metais e por fim cerâmicos e compósitos!

Material para Impressão 3D

As primeiras tecnologias de impressão 3D focavam na fabricação de peças com materiais poliméricos. Com o avanço das tecnologias, diversos outros materiais foram sendo utilizados neste processo de manufatura: polímero, metal, cerâmico, compósitos, concreto, alimentos, materiais biocompatíveis etc.

Com a rápida evolução (criação) destes materiais e para o uso adequados deles no processo de manufatura, é importante o conhecimento da forma do material, propriedades mecânicas, composição química, entre outros. Estas são informações críticas no processo de impressão, influenciando nas características finais da peça e na sua qualidade. Para configurar a impressora 3D, é fundamental o conhecimento destas informações (não basta só apertar o "Play")!

Processos e Materiais

Mais de 16 diferentes processos de impressão 3D de polímeros são conhecidos atualmente, segundo a AMPower. E novos processos e materiais surgem a cada momento!

É possível separarmos estes materiais nos 3 principais grupos de polímeros: termofixos, elastômeros e termoplásticos.

A figura a seguir, da AMPower, apresenta um Mapa de Tecnologia de Impressão 3D para Polímeros. Os processos foram subdivididos com base na ISO/ASTM 52900 (Additive manufacturing - General principles - Terminology).

Devido as diferentes abordagens dos fornecedores em relação às suas tecnologias e materiais, esta divisão pode ainda apresentar diferenças entre elas. Por exemplo, a tecnologia da HP para polímeros (a Multi Jet Fusion) possui um processo térmico, mas também um aglutinante, sendo inserida neste mapa da AMPower em Thermal Powder Bed Fusion.

Em relação aos materiais poliméricos mais conhecidos e que são utilizados para impressão 3D, podemos citar: Poliamida (PA 6, PA 11, PA12), poliestireno, TPU, TPE, Polipropileno (PP), ABS, Policarbonato, poliéster, PLA, entre outros.

Estado dos Materiais

A matéria prima, quando inserida na impressora, pode ser: líquido, pó ou sólido. Para cada um destes, um princípio de impressão 3D pode ser utilizado (polimerização, Binder, atomização, fusão e/ou união). Consequentemente, estes princípios “direcionam” para os 7 processos de impressão 3D conhecidos.

A imagem abaixo, do livro Additive Manufacturing Technologies, apresenta estas relações.

No caso específico dos materiais poliméricos, o livro Additive Manufacturing Technologies também apresenta uma visão geral do princípio de processamento dos materiais poliméricos, mostrando desde o tipo de material até a categoria do processo de impressão 3D.

Preços e características gerais

A variação de preço dos materiais poliméricos para impressão 3D é bastante elevada, pois depende desde a tecnologia de impressão a ser usada até as propriedades que o material possui.

Por exemplo, para impressoras FDM, 1kg do material PLA pode varia de R$ 100,00 a R$ 300,00 (ou mais, caso tenha características específicas para uma aplicação).

Já o material PA12, usado em uma impressora SLS, o kg pode iniciar com um valor de R$ 1.000,00. Como esta tecnologia tem uma utilização mais a nível industrial, a matéria prima, em geral, é fornecida pelo próprio fabricante da impressora 3D.

Para ter uma noção de outros valores (em dólar), o artigo “3D Printer Material Cost: An Overview” da All3DP apresenta valores (de 2021) para alguns materiais.

A figura abaixo também apresenta algumas informações das características gerais de polímeros na impressão 3D.

Mercado Global

De acordo com a Markets and Markets, o mercado global de matéria-prima para impressão 3D tem tendência de crescimento, saindo de US$ 2,5 bilhões em 2022 e alcançando US$ 7,9 bilhões em 2027.

Neste mesmo relatório, também são apresentadas algumas informações interessantes:

• Principais fornecedores de material para impressão 3D: 3D Systems, Arkema, Stratasys, General Electric, EOS, Materialise, Sandvik, Evonik, BASF, Solvay, Henkel, entre outras;
• América do Norte é o maior mercado para materiais de impressão 3D;
• Materiais poliméricos detêm a maior participação no mercado, devido ao baixo custo e facilidade de fabricação.

Algumas tendências

• "Impressão 4D": fabricação de peças com materiais que mudam de forma (memória de forma), através da aplicação de estímulos externos àquela peça (por exemplo, calor, água, luz, campo magnético etc). Uma indicação de artigo que fala sobre este tema: "Additive manufacturing with shape changing/memory materials: A review on 4D printing technology".

• Multimaterial rotacional: desenvolvimento de impressão 3D com multimaterial rotacional (RM 3DP). Sua aplicação? Compósitos estruturais e robótica (músculos artificiais). Reportagem que aborda esse tema: "Harvard’s Lewis Lab develops new method for helical printing".

E você, o que gostaria de saber mais sobre materiais poliméricos para Impressão 3D?

Grande abraço!

Luan Saldanha.

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