Impressão 3D de estruturas híbridas

Abstract

Nos dias de hoje, é indiscutível o impacto e a forma como a impressão 3D está presente no nosso dia-a-dia. Munida de uma infinita liberdade de design, com capacidade de produzir objetos usando diversos materiais, despoletou um enorme interesse em diversas áreas industriais. Com o seu surgimento, tornou-se possível manipular e imitar estruturas multi-escala, multimateriais e multifuncionais encontradas na natureza – biomimetismo. Pelo facto de o biomimetismo ser uma tecnologia centrada na ideia de que não existe melhor modelo do que a natureza para desenvolver algo novo, conjugando-a com a utilização de ferramentas de manufatura aditiva poderá abrir caminho para a produção de materiais bioinspirados, que superem os materiais sintéticos dos dias de hoje. A impressão 3D de filamento fundido (FFF), apresenta um grande potencial em replicar estruturas bioinspiradas, tendo levado diversos investigadores a desenvolver estruturas compósitas multimaterial fruto da forte procura por novos paradigmas de design e desenvolvimento de materiais estruturais avançados de alto desempenho. Neste contexto, a presente dissertação, teve como objetivo avaliar o potencial do processo FFF multi-material, para a produção de estruturas técnicas híbridas, que poderão ou não ser incorporadas em laminados compósitos. O primeiro passo foi dado através de uma pesquisa bibliográfica sobre o processo de impressão 3D FFF multi-material, e a possibilidade de utilizar materiais compósitos na impressão de estruturas híbridas. Posteriormente, recorrendo ao uso do processo de soldadura topo-a-topo, foram pré-selecionados três pares híbridos a serem replicados pelo processo de impressão 3D dando posteriormente origem a uma estrutura híbrida. Após a seleção do melhor par híbrido, Nylon-Ninjaflex, foram desenhados e impressos cinco provetes híbridos e cinco provetes contendo unicamente uma componente rígida, por forma a permitir obter um termo de comparação e possíveis conclusões acerca do desempenho mecânico destas estruturas. Realizadas as impressões, com sucesso, os provetes foram submetidos a ensaios de flexão e impacto, demonstrando uma excelente adesão e coesão entre camadas. Face aos resultados obtidos, foi possível comprovar a eficácia do método adotado na seleção de pares de materiais e no estudo de resolução do equipamento.

In the present day, the impact of 3D printing and the way in which it is present in everyday life is indisputable. Provided with an infinite freedom of design, with the capacity of producing objects using diverse materials, it has garnered an enormous amount of interest from various areas of industry. With such a rise, it has become possible to manipulate and imitate the multi-scale, multi-material and multi-functional structures of nature – biomimicry. Due to biomimicry being a technology centred on the concept that there exists no better model than nature for developing a new product, combining it with the use of additive manufacturing tools will pave the way towards the production of bioinspired materials which improve upon the synthetic materials of today. Fused filament fabrication 3D printing (FFF) presents great potential for replicating bioinspired structures, having brought various researchers to developing multimaterial composite structures, the product of the tireless search for new paradigms of design and the development of high-performance advanced structural materials. In this context, the present dissertation has as its main objective to evaluate the potential of the multimaterial FFF process for the production of hybrid technical structures, which may or may not be incorporated into laminate composites. The first step was a bibliographic investigation into the process of multimaterial FFF 3D printing, and the possibility of utilizing composite materials in the printing of hybrid structures. Subsequently, implementing the use of hot plate welding, three hybrid pairs were preselected to be replicated by the 3D printing process, subsequently giving rise to a hybrid structure. After selecting the best hybrid pair, Nylon-Ninjaflex, five hybrid test pieces and five test pieces containing solely a rigid component were designed and printed, to provide a basis for comparison and possible conclusions about the mechanical performance of these structures. After printing, the specimens were successfully subjected to bending and impact tests, demonstrating excellent adhesion and cohesion between layers. Given the results obtained, it was possible to prove the effectiveness of the adopted method in the selection of pairs of material and in the study of equipment resolution.