Avaliação de uma impressora 3D baseada em projeto de código aberto na fabricação de peças em PLA

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2015 A recente expansão na manufatura aditiva ou tecnologia de impressão 3D de baixo custo é decorrente, em partes, da expiração das patentes iniciais baseadas na tecnologia FDM e do crescimento dos chamados movimentos open source, disseminados através da internet. Diferentemente dos modelos comerciais, os modelos de baixo custo permitem maior flexibilidade e adaptações para pesquisas, já que, muitas vezes, permitem acesso aos protocolos de controle e funcionamento da tecnologia utilizada. Estas impressoras 3D, como são conhecidas, estão ganhando popularidade principalmente para uso em prototipagem rápida ou manufatura em pequena escala. Apesar disto, pouco se sabe sobre a qualidade das peças fabricadas por nestes equipamentos, e as limitações de seu desempenho. O objetivo deste trabalho foi avaliar uma impressora 3D de código aberto a partir da construção de peças em Poli Ácido Lático (PLA). A pesquisa foi dividida em três etapas. Inicialmente foram realizados estudos para caracterização dos filamentos de PLA por meio de calorimetria diferencial de varredura (DSC), análise termogravimétrica (TGA), espectroscopia por infravermelho (FTIR) e medição da densidade. Em seguida, foram conduzidos dois estudos de caso para avaliar a máquina na fabricação de peças com variação de parâmetros de processo e de materiais. As peças produzidas foram avaliadas através de microscopia óptica, medição da massa e ensaio mecânico de flexão. A terceira etapa da pesquisa caracterizou-se pela avaliação da confiabilidade do cabeçote extrusor do equipamento, através de um estudo de extrusão livre, onde foi monitorada a alimentação de filamento ao sistema. Verificou-se que o equipamento não possui repetibilidade na construção de peças fabricadas com os mesmos parâmetros de processo, o que fez com que as variáveis analisadas não fossem significativas sobre as respostas. Por fim, o estudo do módulo extrusor indicou como uma das principais causas para as variações na qualidade das peças o comportamento heterogêneo do cabeçote extrusor na função de fornecimento de material para a deposição. A ação foi influenciada por efeitos como o escorregamento do filamento sobre a polia ranhurada do módulo de tracionamento do sistema de deposição e por efeitos de perda de comando de acionamento proporcionais ao aumento da velocidade de extrusão. Abstract : Additive manufacturing, or 3D printing, is currently expanding due to the patent´s expiration of many FDM technologies and to the growth of open source communities widespread on Internet. Unlike commercial models, low cost ones allow more flexibility and adaptations for research, as, many times, allow access to the control protocols. These printers are becoming popular specially for rapid prototyping or small scale manufacturing use. Nevertheless, very little is known about the quality of the parts built with these equipments and about its performance limitations. This research goal was to evaluate an open source 3D printer by its capacity of building Poly-Lactic Acid (PLA) parts. The research was divided in three stages. First were made studies to characterize the PLA filaments using Differential Scanning Calorimetry (DSC), Thermogravimetric Analysis (TGA), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) and density measurement. Next, two case studies were conducted to analyze the machine capability of building samples made with different building parameters and materials. The parts produced were evaluated using optical microscopy, mass measurement and bending test. The third stage consisted on the reliability evaluation of the extruder head through a free extrusion study, where the system´s feed stock was monitored. It was observed that the equipment does not have repeatability when building samples with the same parameters, which made the variables analyzed unsignificant for the answers. Finally, the extrusion module study showed that the extrusion head heterogeneous behavior while supplying material for deposition was one of the main causes for part´s quality variation. This action was influenced by thes filament´s slippage over the hobbed pulley of the traction module and effects caused by the lost of the driving command, proportional to the extrusion speed increasing.