Uma suposição de longa data entre os engenheiros de materiais na área do design para fabrico aditivo (DfAM) é a de que os termoplásticos produzidos por fabrico aditivo são inerentemente inferiores aos seus equivalentes moldados por injeção. No fabrico com filamento fundido (FFF) convencional, as peças sofrem frequentemente de propriedades mecânicas anisotrópicas, em que o eixo vertical (ZX) apresenta apenas uma fração da resistência obtida no plano de construção horizontal (XY).

A Orion AM desenvolve soluções para estas limitações através do avanço no processamento térmico, demonstrando que esta fragilidade não é uma limitação intrínseca de polímeros como a poliéter-éter-cetona (PEEK) e os seus congéneres de ultra-alta temperatura. É antes uma consequência de um historial térmico não otimizado durante a deposição.

Ao implementarem um controlo preciso do historial térmico do PEEK, os sistemas de fabrico aditivo podem alcançar a resistência da moldagem por injeção em peças impressas em 3D, obtendo uma elevada densidade relativa e um desempenho mecânico quase isotrópico logo à saída da plataforma de construção.

Controlo do historial térmico & física dos polímeros

O PEEK é um termoplástico semicristalino com um ponto de fusão de 343°C e uma temperatura de transição vítrea de 143°C. O seu desempenho mecânico, incluindo elevada resistência à tração, rigidez e resistência química, depende fortemente da formação e do alinhamento das suas estruturas cristalinas.

No processamento de polímeros semicristalinos em sistemas de impressão convencionais, o historial térmico de cada cordão depositado é fragmentado:

1. Extrusão e arrefecimento rápido: O polímero fundido sai do bico a temperaturas superiores a 380° C e encontra imediatamente ar ambiente mais frio.
2. Diferenças de temperatura entre camadas: Se a temperatura superficial da camada subjacente descer abaixo do ponto de transição vítrea antes de o cordão seguinte ser aplicado, a difusão das cadeias poliméricas através da fronteira é interrompida.
3. Formação de microvazios: O entrelaçamento molecular incompleto cria espaços entre camadas e porosidade interna nas mesmas, resultando em densidades relativas entre 87% e 95% e em descolamento severo no eixo Z sob carga.

Alcançar a paridade estrutural com a moldagem por injeção exige gerir o historial térmico do polímero, de modo que a interface se mantenha no estado termodinâmico ótimo para a interdifusão molecular e para uma cristalização uniforme.

Cristalização in situ: eliminar o recozimento pós-processo

Nos fluxos de processamento tradicionais, os componentes impressos em PEEK são frequentemente submetidos a pós-processamento secundário, como o recozimento em forno, numa tentativa de induzir a cristalização e aliviar as tensões internas. No entanto, embora o tratamento térmico após a impressão possa aumentar a cristalinidade global, a investigação mostra que não consegue eliminar as bolsas de vazios internas nem reparar a microporosidade já fixada na estrutura durante a deposição. E, mais importante ainda, o recozimento não consegue melhorar a ligação entre camadas que não foram devidamente fundidas durante a impressão. 

Para estabelecer uma resistência ótima entre camadas, a cristalização in situ na impressão 3D de PEEK tem de ocorrer de forma dinâmica durante a construção. O processo proprietário Thermal Radiation Heating (TRH) da Orion AM consegue-o através de uma arquitetura térmica desacoplada e multizona:

• Controlo de alta temperatura: Uma câmara de construção fechada que funciona até 315° C (com controlo da mesa aquecida até 320° C) mantém o equilíbrio ambiental, evitando a contração térmica prematura.
• Aquecimento focalizado: Cada camada impressa é aquecida até à sua temperatura ideal de fusão, melhorando a ligação com a camada seguinte.

Ao combinar radiação térmica não focalizada, para a estabilidade geométrica global, com aquecimento focalizado de precisão, as cadeias poliméricas mantêm energia térmica suficiente para cristalizar através das fronteiras entre camadas durante a deposição. Isto permite uma semicristalização in situ entre e dentro das camadas durante a impressão, eliminando a necessidade de etapas de recozimento após a impressão

Estudo de caso empírico: desempenho mecânico do Solvay KetaSpire® PEEK 

Para avaliar o resultado mecânico deste historial térmico controlado, foram realizados ensaios independentes por terceiros em PEEK comercial KetaSpire® da Syensqo (anteriormente Solvay), processado com o sistema TRH da Orion AM.

1. Densidade e porosidade

A tomografia micro-CT e as medições de densidade pelo método de Arquimedes confirmam que os componentes em PEEK impressos com TRH atingem uma densidade relativa de até 99,95%. A eliminação quase total dos vazios internos produz uma estrutura interna homogénea, comparável à do material sólido moldado por injeção.

2. Resistência à tração e isotropia

A avaliação à tração nas orientações normalizadas demonstra que o aquecimento radiativo permite que a resistência de ligação no eixo vertical Z iguale ou supere os valores de referência da moldagem por injeção:

Dados: ensaios independentes do Solvay KetaSpire® PEEK através do processo TRH da Orion AM.

O PEEK KetaSpire® da Syensqo (Solvay) impresso na orientação vertical (ZX) atingiu uma resistência à tração máxima de 95,4 MPa, superando o valor de referência de 91,0 MPa da moldagem por injeção convencional. Como a resistência de ligação entre camadas se aproxima da resistência intrínseca do fio de polímero extrudido, o desempenho mecânico torna-se praticamente independente da orientação de impressão ou do ângulo de enchimento

Conclusão

A suposição de que os polímeros impressos em 3D são inerentemente mais fracos do que os componentes moldados reflete as limitações termodinâmicas do aquecimento ambiente tradicional, e não os limites do material do PEEK e dos seus congéneres. Ao gerir o historial térmico do polímero com aquecimento direcionado por radiação térmica (Thermal Radiation Heating), os sistemas aditivos podem atingir até 99,95% de densidade relativa, semicristalização in situ e propriedades de tração verticais que igualam ou superam os valores de referência da moldagem por injeção.