Manufatura aditiva por fotopolimerização de materiais de alto desempenho mecânico: desenvolvimento de matérias-primas e processos

• Ano de defesa: 2023
• Autor(a) principal: Lovo, João Fiore Parreira
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: 3D printing; AM; carbon nanotubes; composites; compósitos; fotopolimerização; grafeno; graphene; nanotubos de carbono; photopolymerization
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18163/tde-05022024-172439/

A manufatura aditiva, (também referida por AM, impressão 3D, dentre outros), vem sendo desenvolvida nas últimas quatro décadas, e hoje, é possível a fabricação por AM de produtos em polímero, metal, cerâmica e compósitos, diretamente para o uso. A contínua evolução, tanto das matérias-primas quanto dos equipamentos associados à AM, é a responsável pela crescente difusão e aplicabilidade da impressão 3D em diversos setores da indústria e serviços. Nesse sentido, o presente trabalho objetiva o desenvolvimento de matérias-primas, aparatos e processos de manufatura aditiva por fotopolimerização em cuba, visando o alto desempenho mecânico dos materiais impressos. Para tanto, foram caracterizados materiais impressos com cinco resinas de mercado, em uma impressora 3D comercial. Em seguida, foram desenvolvidos aparatos, como uma impressora 3D protótipo, moldes de silicone e sistemas de alinhamento de materiais de reforço em resinas. Formulações acrílicas, com dois tipos de monômeros, foram experimentadas. Fibras de carbono, nanotubos de carbono e grafeno foram usados como reforços nos fotopolímeros, com e sem funcionalização de suas superfícies (silanização), para promover maior aderência dos reforços à resina; também, testes foram realizados visando o alinhamento de reforços, por meio de campo elétrico e ondas mecânicas. Formulações híbridas foram feitas combinando resinas acrílicas e epoxídicas; e compósitos foram desenvolvidos utilizando uma resina híbrida como matriz, com reforços de fibras de carbono, nanotubos de carbono e grafeno silanizados. Os resultados iniciais com resinas comerciais mostraram a viabilidade da AM para polímeros de alto desempenho mecânico. A impressora 3D protótipo foi eficaz na fabricação de objetos com detalhes precisos, e o uso de moldes de silicone permitiu uma proximidade satisfatória de resistência mecânica entre corpos de prova impressos e moldados. A formulação acrílica, de melhor desempenho mecânico, ficou no mesmo patamar de resistência à flexão das resinas comerciais de referência. Os experimentos de alinhamento das fibras e nanotubos, pelos métodos propostos, não forneceram valores proeminentes devido a não obtenção de alinhamento uniforme e contínuo dos reforços, e foram interrompidos. Já a funcionalizações superficiais por silanização, (das fibras, nanotubos e grafeno), foram confirmadas por meio de espectros no infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR), e a silanização foi aplicada no desenvolvimento dos compósitos, sem o alinhamento dos reforços. A formulação híbrida de melhor desempenho mecânico, (90% acrílica e 10% de epóxi), apresentou resistência superior às resinas comerciais testadas inicialmente. E utilizando tal resina híbrida como matriz, o compósito com 0,2% v/v de grafeno silanizado obteve tensões máximas de 121 MPa em flexão, 60 MPa em tração e 122 MPa em compressão; em comparação com as resinas comerciais mais resistentes testadas inicialmente, esse compósito apresentou uma resistência mecânica superior, cerca de 53% em flexão, 22% em tração e 45% no escoamento em compressão. A combinação de resinas fotopolimerizáveis com agentes de reforço funcionalizados demonstrou um potencial inovador, viabilizando alta resistência dos fotopolímeros na impressão 3D, alcançando o objetivo principal do trabalho e representando avanços significativos nessa área, além de inspirar futuras pesquisas com compósitos de reforços nanométricos para a manufatura aditiva por fotopolimerização.