Como selecionar os materiais compostos de nível industrial certos para seus projetos 3D

Se suas peças impressas em 3D precisam ser mais resistentes ou duráveis ​​do que os plásticos comuns, é hora de considerar compósitos de nível industrial. O uso desses materiais avançados permite criar peças funcionais, resistentes, leves e feitas para durar. Para quem trabalha com engenharia ou design de produto, escolher o compósito certo é uma etapa crucial. O material escolhido afeta o desempenho da peça, sua durabilidade e seu custo. Este guia oferece um processo simples para ajudá-lo a escolher o material ideal. melhor material para as necessidades específicas do seu projeto.

O que são compósitos de impressão 3D industrial?

Os compósitos industriais para impressão 3D são compostos por duas partes principais: um plástico base e uma fibra de reforço. Entender a função de cada parte é fundamental para escolher a correta.

Polímero de base e fibra de reforço

O polímero base, ou matriz, é o principal plástico que confere à peça sua forma básica e propriedades como resistência química ou térmica. As escolhas comuns incluem plásticos de engenharia de uso diário, como o Nylon (PA) ou PETG, bem como polímeros de alto desempenho como o PEEK, que podem suportar temperaturas extremas e produtos químicos agressivos.

A fibra de reforço é o que confere ao compósito sua alta resistência. Essas fibras são misturadas ao polímero base para melhorar drasticamente as propriedades mecânicas, como rigidez e resistência ao impacto. As três fibras mais comuns são fibra de carbono, fibra de vidro e Kevlar®.

Fibras picadas vs. fibras contínuas

A maneira como a fibra é adicionada ao plástico faz uma grande diferença no desempenho da peça final.

Fibras cortadas são pequenos fios de fibra misturados ao filamento plástico antes da impressão. À medida que a peça é impressa, essas fibras acabam se espalhando por todo o material, tornando-a mais resistente e rígida do que o plástico base sozinho. Muitos padrões Impressoras 3D pode usar esses filamentos, desde que tenham um bico endurecido que não se desgaste pelo material abrasivo.

Fibras contínuas, por outro lado, são fios únicos e ininterruptos que são depositados dentro da peça durante o processo de impressão por uma impressora especializada com um segundo bico. Esse processo permite aplicar a resistência exatamente onde ela é necessária, criando peças que podem ser tão resistentes quanto o alumínio usinado, porém muito mais leves. É isso que torna possível a substituição de peças metálicas por compósitos impressos em 3D.

Como selecionar um material para seus projetos 3D

O material certo nem sempre é o mais resistente — é aquele que atende às necessidades do seu projeto de forma prática e econômica. Seguir um processo claro ajuda a evitar a escolha de um material com engenharia exagerada e desnecessariamente caro.

Etapa 1: Definir Requisitos

Primeiro, defina o que a peça precisa fazer e as condições que ela enfrentará. Isso envolve avaliar seus requisitos mecânicos, térmicos e químicos.

• Necessidades Mecânicas: Este é frequentemente o principal motivo para usar um compósito. Considere as forças que a peça deve suportar. Ela precisa de alta resistência e rigidez para resistir à flexão, como um suporte de apoio ou um dispositivo de fabricação? Ou precisa de tenacidade e resistência ao impacto para sobreviver a quedas ou impactos, o que é comum em garras robóticas? Para peças móveis, a resistência à fadiga e ao desgaste são cruciais.
• Necessidades Térmicas: A temperatura de operação é um fator crítico. A Temperatura de Deflexão Térmica (TDT) de um material indica quando ele começará a amolecer sob carga. Isso é vital para peças usadas perto de motores, em veículos ou em ambientes industriais quentes.
• Necessidades Químicas e Ambientais: Considere o ambiente da peça.Será exposto a óleos, líquidos de arrefecimento ou outros produtos químicos? Peças externas precisam de estabilidade UV para evitar que se tornem quebradiças. Ferramentas de precisão precisam de baixa absorção de umidade para manter a precisão dimensional em condições úmidas.

Etapa 2: Priorize suas necessidades

Depois de ter uma lista de requisitos, decida quais são "indispensáveis" e quais são "desejáveis". Isso é importante porque você quase sempre terá que equilibrar as compensações. Por exemplo, a fibra de carbono oferece alta rigidez, mas é mais frágil que o Kevlar®. Plásticos resistentes a altas temperaturas, como o PEEK, têm bom desempenho, mas custam significativamente mais que o nylon. Classificar suas necessidades ajuda você a se concentrar no que é mais importante e a encontrar uma solução equilibrada e acessível.

Uma comparação de fibras de reforço

Com os requisitos da sua aplicação claramente definidos e priorizados, agora você pode avaliar qual fibra de reforço é a mais adequada. Cada uma oferece um conjunto diferente de benefícios.

Fibra de carbono

A fibra de carbono é o melhor material para materiais que precisam ser fortes e rígidos, além de leves. Por isso, é perfeita para tornar peças aeroespaciais e robóticas mais leves ou para fabricar ferramentas industriais que podem substituir peças mais pesadas feitas de alumínio. Mas, por ser muito rígida, também é muito frágil, por isso não é indicada para situações em que possa ser atingida com força. É a mais cara e a forma mais cara de reforço.

Fibra de vidro

A fibra de vidro é um material resistente e duradouro que pode ser usado para muitas coisas. Além disso, é muito barata. Como não conduz eletricidade, é frequentemente usada em protótipos funcionais, gabinetes eletrônicos e dispositivos e dispositivos de uso geral que precisam ser mais resistentes do que o plástico sozinho. Fibra de carbono é mais forte, mas é mais leve e mais rígido que a fibra de carbono.

Kevlar® (fibra de aramida)

O Kevlar®, feito de fibras de aramida, é o melhor material para maior durabilidade, pois é muito resistente e não se desgasta facilmente. É ideal para peças que precisam durar muito tempo e não sofrer danos, como mordentes macios para segurar peças delicadas ou peças de montagem que sofrem uso intenso. Pode ser difícil de lixar ou moldar, e sua resistência à compressão não é tão alta quanto a da fibra de vidro ou da fibra de carbono.

Além da seleção de materiais: fatores práticos para o sucesso

Escolhendo o material certo é apenas uma parte da equação. Os recursos da sua impressora, o design das suas peças e o seu orçamento são igualmente importantes para o sucesso.

Requisitos da impressora 3D

Nem todas as impressoras 3D podem lidar com esses materiais. Como mencionado anteriormente, as fibras cortadas são abrasivas e requerem um bico de aço temperado para evitar danos. Plásticos de alta temperatura, como o PEEK, precisam de uma impressora com câmara de construção aquecida para imprimir com sucesso. E se você deseja a resistência superior das fibras contínuas que discutimos, precisa usar uma impressora equipada especificamente com essa tecnologia.

Design para Manufatura Aditiva (DfAM)

Para aproveitar ao máximo um material compósito, é necessário projetar a peça especificamente para ele. Não se pode simplesmente imprimir um projeto feito para metal e esperar que funcione bem. Para atender aos requisitos de resistência que você identificou anteriormente, o projeto deve ser otimizado. Com fibras contínuas, isso significa orientar as fibras ao longo dos caminhos onde a tensão é maior. Você também pode usar um software de otimização de topologia para criar projetos que utilizem o material apenas onde ele é necessário, maximizando a relação resistência-peso.

Orçamento e Volume de Produção

Por fim, considere o custo total. Isso inclui não apenas o preço do carretel de material, mas também o tempo de impressão e qualquer desgaste da impressora.Sempre avalie se um composto mais barato pode atender a todos os seus requisitos "indispensáveis" antes de decidir por uma opção mais cara e de melhor desempenho.

Siga em frente com seus projetos 3D e um plano claro!

O caminho para uma excelente peça composta é um processo de etapas deliberadas. Começa com uma compreensão clara das necessidades do seu projeto. Ao definir suas necessidades primeiro, você pode comparar efetivamente os benefícios distintos de materiais como fibra de carbono, fibra de vidro e Kevlar®. Ao considerar também sua impressora, estratégia de design e orçamento, você transforma um palpite em uma decisão de engenharia acertada. Essa abordagem prática garante que a peça criada seja confiável, eficaz e faça sentido para o seu projeto.