Avaliação do efeito dos padrões de preenchimento nas propriedades mecânicas, nos custos e na exposição à água e radiação UV de estruturas abertas fabricadas em poli(ácido lático) via processo FDM

Abstract

Cada vez mais a preocupação com o meio ambiente tem estimulado o uso de polímeros biodegradáveis em substituição aos convencionais, esses de difícil degradação em meios naturais. Destaca-se entre os biodegradáveis o Poli(ácido lático) (PLA), um polímero obtido de fontes renováveis (milho, trigo, cana de açúcar) e comercializado mundialmente em larga escala. O PLA possui as mais diversas aplicações como embalagens, utensílios domésticos, peças biomédicas e atualmente é um dos polímeros mais utilizados em filamentos de impressoras 3D, devido às boas propriedades mecânicas e boa processabilidade decorrente da baixa temperatura de transição vítrea (em torno de 50-80°C). A impressão 3D é um processo dentro da classe de manufatura aditiva em que a peça, a partir de um modelo computadorizado, é fabricada camada a camada possibilitando a produção de peças de configurações que não seriam possíveis dentro dos processos convencionais de fabricação. Nesse cenário, torna-se factível a fabricação de estruturas não densas, que possibilitam significativa economia de matéria prima, nas quais a escolha de parâmetros de preenchimento (padrões geométricos e densidade) possibilita a produção de peças com diferentes propriedades mecânicas. Contudo, a determinação da combinação ideal de padrão geométrico de preenchimento e densidade para obtenção de resistência mecânica necessária é complexa, devido aos diferentes estados de tensões nos padrões tridimensionais impressos. Além disso, estruturas abertas aumentam significativamente a relação superfície/volume de contato do polímero com o meio externo, o que pode acelerar processos de degradação que poderiam reduzir a resistência mecânica das peças impressas, atenuando as vantagens anteriormente mencionadas. Assim, esse trabalho se propõe a elucidar de maneira preliminar tais questões, utilizando a técnica de impressão de Fabricação de Filamento Fundido (FDM) com o objetivo de avaliar os aspectos técnico-econômicos de diferentes padrões de preenchimento e densidades com as propriedades mecânicas obtidas. Complementarmente, de modo a permitir a avaliação de eventuais reduções críticas dessas propriedades devido à potencial degradação antecipada das estruturas abertas, também foram executados ensaios de exposição em meio aquoso e radiação UV por até 6 dias. Os resultados mostraram que o padrão geométrico de preenchimento tem maior influência na resistência a tração e no alongamento dos corpos de prova do que a densidade de preenchimento. Os padrões Giróide e HoneyComb apresentam comportamento mecânico mais vantajoso frente aos custos analisados, sendo que a melhor combinação entre resistência e preenchimento, foi vista no padrão Giróide atingindo resistência a tração mais alta pelo modo que ele distribui as tensões dentro da sua geometria ondulada. No ensaio de exposição à água o alongamento na ruptura foi mais sensível à hidrólise no tempo estudado, as estruturas com 40% de preenchimento apresentaram maior efeito. As amostras submetidas à radiação UV sofreram poucas e inconstantes alterações durante o período de exposição aqui estudado.

The concern with the environment has increasingly stimulated the use of biodegradable polymers to replace conventional ones, which are difficult to degrade in natural environments. Outstanding among the biodegradable polymers is Poly(lactic acid) (PLA), a material obtained from renewable sources (corn, wheat, sugar cane) and marketed worldwide on a large scale. PLA has the most diverse applications such as packaging, household utensils, biomedical parts, and is currently one of the most used polymers in 3D printer filaments, due to good mechanical properties and good processability resulting from the low glass transition temperature (around 50-80°C). 3D printing is a process within the additive manufacturing class in which the part, from a computer model, is manufactured layer by layer, enabling the production of parts with configurations that would not be possible within conventional manufacturing processes. In this scenario, it becomes feasible to manufacture non-dense structures, which allow significant raw material savings, in which the choice of filling parameters (geometric patterns and density) enables the production of parts with different mechanical properties. However, determining the optimal combination of geometric pattern filler and density to obtain the required mechanical strength is complex, due to the different stress states in the printed three-dimensional patterns. Moreover, open structures significantly increase the surface-to-volume contact ratio of the polymer with the external environment, which may potential accelerate degradation processes that could reduce the mechanical strength of the printed parts, mitigating the previously mentioned advantages. Thus, this work proposes to elucidate such issues in a preliminary way, using the Fused Method Deposition (FDM) printing technique with the objective of evaluating the technical-economic aspects of different filling patterns and densities with the mechanical properties obtained. Complementarily, in order to allow the evaluation of possible critical reductions of these properties due to early degradation of the open structures, short-term exposure tests in an aqueous medium and UV light for up to 6 days were also performed.The results showed that the geometric pattern of filling has a greater influence on the tensile strength and elongation of the specimens than the filling density. The Gyroid and HoneyComb patterns presented more advantages in relation to the analyzed costs, and the best combination between strength and filler was seen in the Gyroid pattern, reaching higher tensile strengths from the way it distributes stresses within its wavy geometry. In the water exposure test the elongation at break was most sensitive to hydrolysis at the time studied, the structures with 40 % filler showed the greatest effect. The samples submitted to exposure to uv radiation suffered few and inconstant changes during the investigated exposure time.