Estudo revela como a altura da camada do filamento afeta a cor do PLA impresso em 3D

Imagine usar a mesma impressora 3D com o mesmo material PLA, mas produzir peças com características de desempenho drasticamente diferentes simplesmente alterando a altura da camada ou trocando as cores do filamento. Esse fenômeno intrigante não é incomum em aplicações de Modelagem por Deposição Fundida (FDM). Este artigo examina como esses fatores aparentemente menores — altura da camada e cor do filamento — podem influenciar significativamente as propriedades mecânicas e a precisão dimensional das impressões de ácido polilático (PLA), fornecendo informações para otimizar os parâmetros de impressão 3D.

A Manufatura Aditiva (AM), comumente conhecida como impressão 3D, está transformando rapidamente a produção industrial. Apresentada como uma tecnologia de fronteira da "Quarta Revolução Industrial", seu princípio central envolve a construção de objetos tridimensionais por meio da deposição sucessiva de material. Em comparação com os métodos de fabricação convencionais, como usinagem ou fundição, a impressão 3D oferece vantagens distintas:

• Eficiência de custo e tempo: Eliminar a necessidade de ferramentas permite a produção direta de peças a partir de modelos CAD, reduzindo significativamente os custos e os prazos de entrega.
• Complexidade geométrica: Facilita a fabricação de designs intrincados, inatingíveis por meio de métodos tradicionais.
• Protótipos rápidos para produção: Transições perfeitas da validação do conceito para a fabricação do produto final.
• Conservação de material: Constrói componentes camada por camada, minimizando o desperdício de material.

Esses benefícios impulsionaram a adoção generalizada em setores industriais, educacionais, médicos e de consumo, com projeções de mercado indicando crescimento sustentado.

Entre as várias técnicas de impressão 3D, a FDM se destaca por sua acessibilidade e simplicidade operacional. O processo alimenta o filamento termoplástico através de um bico aquecido, depositando material fundido em camadas precisas para formar objetos tridimensionais. O PLA continua sendo o material FDM mais prevalente devido ao seu baixo ponto de fusão, facilidade de impressão, toxicidade mínima e origens renováveis. Disponível em várias cores, o PLA atende a diversas aplicações.

À medida que a impressão 3D transita da prototipagem para a fabricação, a otimização de parâmetros se torna crítica. A qualidade final do produto — abrangendo precisão dimensional, deformação, desvio de massa, porosidade e textura da superfície — depende de inúmeras variáveis ​​de processo inter-relacionadas. Ao contrário da fabricação convencional, a resistência da peça FDM é determinada pela estrutura interna, em vez das propriedades do material a granel.

Pesquisadores investigaram vários parâmetros, incluindo temperatura de impressão, temperatura da placa de construção, espessura da camada, velocidade de impressão, orientação, ângulo de rasterização, padrão/densidade de preenchimento, condições de armazenamento, pós-processamento e envelhecimento. No entanto, as especificações do material (cor, diâmetro, fabricante) e as variáveis ​​do equipamento (ambiente de construção aberto/fechado) geralmente recebem atenção inadequada nos estudos.

A altura da camada — normalmente limitada à metade do diâmetro do bico — representa um dos parâmetros FDM mais estudados. Embora o aumento da altura da camada reduza o tempo de impressão, ela compromete a resolução da peça. Essa troca entre eficiência de produção e reprodução de detalhes requer consideração cuidadosa.

O consenso acadêmico em relação à influência da altura da camada nas propriedades mecânicas permanece dividido. Alguns estudos relatam efeito mínimo na resistência da peça PLA, enquanto outros identificam a altura da camada como o fator predominante que afeta a resistência à tração final (UTS). Existem achados contraditórios em relação às tendências — a maioria dos pesquisadores observa o aumento da UTS com a redução da altura da camada, embora alguns relatem relações inversas ou faixas intermediárias ideais.

Essas discrepâncias provavelmente decorrem de variações nas combinações de parâmetros, criando condições térmicas distintas, agravadas por amplas faixas de altura de camada (0,06 mm a 0,6 mm) em todos os estudos.

A pesquisa que examina a influência da cor nas propriedades mecânicas do PLA em diferentes alturas de camada permanece escassa. Muitos estudos omitem a cor da amostra por completo, refletindo suposições convencionais sobre sua insignificância. Os fabricantes normalmente fornecem dados de material idênticos para todas as cores de PLA, mas os aditivos de pigmento podem alterar o comportamento térmico — afetando a adesão entre camadas e, por fim, o desempenho mecânico.

Evidências emergentes sugerem variações de UTS de até 31% entre amostras de PLA coloridas impressas de forma idêntica. No entanto, nenhum estudo existente analisa de forma abrangente as interações de cor e altura da camada na UTS.

Pesquisas extensivas confirmam o impacto substancial da altura da camada na precisão da peça PLA. Na faixa de 0,05 mm a 0,5 mm, a maioria dos estudos demonstra precisão dimensional superior com alturas de camada reduzidas, embora os desvios variem nos eixos X, Y e Z, dependendo da orientação da construção.

Uma investigação notável correlacionou a velocidade de impressão (50-70 mm/s) e a altura da camada (0,10-0,20 mm) com a precisão dimensional para peças de teste em destaque. As descobertas enfatizaram a interdependência parâmetro-geometria, embora a faixa estreita de altura da camada (0,10-0,20 mm) represente as referências típicas de precisão do PLA.

Apenas dois estudos identificam explicitamente a cor do PLA como afetando a precisão dimensional, nenhum deles examinando as interações cor-altura da camada. Um estabeleceu combinações ótimas de cor-orientação (branco/cinza/preto) para precisão, enquanto outro (usando amostras rosa/cinza/verde/transparentes em camadas de 0,5 mm) estudou os efeitos do pigmento em temperaturas variadas. A maioria dos estudos não possui especificações completas do material quando a cor não é uma variável controlada.

Este estudo avalia como a cor do PLA influencia a relação entre a altura da camada e a resistência mecânica/precisão dimensional na impressão FDM. Ao isolar a cor (natural, preto, vermelho, cinza) e a altura da camada (0,05 mm, 0,10 mm, 0,15 mm, 0,20 mm) como as únicas variáveis, mantendo parâmetros de impressão consistentes, a pesquisa visa esclarecer essas interações críticas.