Limites da manufatura aditiva por estereolitografia na reprodução fiel de estruturas porosas

Abstract

O estudo das propriedades de transporte em meios porosos desempenha um papel es tratégico na modelagem de reservatórios e no escoamento de fluidos subterrâneos. A caracterização dessas estruturas complexas em escala de poro fundamenta-se tradicio nalmente em dados tridimensionais de microtomografia computadorizada de raios X, mas a validação desses modelos exige o confronto direto com réplicas físicas em ambiente laboratorial. Diante dessa necessidade, este trabalho teve como objetivo geral avaliar a fidelidade dimensional e os limites físicos de reprodutibilidade de estruturas porosas ar tificiais e matrizes de formas geométricas manufaturadas por impressão 3D baseada em fotopolimerização sob diferentes fatores de ampliação de escala. A metodologia desen volvida consistiu na fabricação de corpos de prova contendo geometrias elementares em formato de disco, quadrado e cruz, além de seções transversais baseadas em uma rocha digital real. Para viabilizar a análise visual, aplicou-se um protocolo físico de deposição de contraste superficial com massa de quartzo fina seguido pelo imageamento por microsco pia óptica estereoscópica. A quantificação analítica dos desvios morfológicos foi executada por meio de rotinas automatizadas de processamento digital de imagens com a aplicação do algoritmo de binarização. Os resultados experimentais indicaram que o fenômeno de cura por luz ultravioleta atua como o principal limitante tecnológico do processo por induzir o arredondamento de cantos vivos enquanto a resina ainda líquida passa pelo processo de cura. Essa dispersão da radiação provocou uma redução sistemática na porosidade superficial calculada e uma perda de fidelidade dimensional que se mostrou inversamente proporcional ao fator de ampliação. Apesar das restrições geométricas identificadas nas menores escalas, os ensaios confirmaram a excelente repetibilidade e o controle morfo lógico proporcionados pela tecnologia de projeção digital. Conclui-se que os modelos de incerteza gerados nesta investigação estabelecem uma ferramenta de apoio indispensá vel para parametrizar os erros de fabricação antes da condução de ensaios laboratoriais dinâmicos.

The study of transport properties in porous media plays a strategic role in reservoir model-ing and subsurface fluid flow. The characterization of these complex structures at the pore scale is traditionally based on three-dimensional X-ray micro-computed tomography (micro-CT) data; however, the validation of these models requires direct comparison with physical replicas under laboratory conditions. In this context, the main objective of this study was to evaluate the dimensional fidelity and the physical reproducibility limits of artificial porous structures and geometric-pattern matrices manufactured by vat photopolymerization-based 3D printing under different geometric upscaling factors. The proposed methodology con-sisted of fabricating specimens containing elementary geometries in the form of circular, square, and cross-shaped features, as well as cross-sectional models derived from a real digital rock. To enable visual analysis, a physical surface-contrast deposition protocol us-ing fine quartz powder was applied, followed by stereoscopic optical microscopy imaging. Morphological deviations were quantitatively assessed through automated digital image processing routines employing image binarization algorithms. The experimental results in-dicated that ultraviolet light overcuring is the primary technological limitation of the process, as it promotes the rounding of sharp edges while the resin remains in the liquid phase during photopolymerization. This light scattering effect led to a systematic reduction in the calcu-lated surface porosity and a loss of dimensional fidelity that was inversely proportional to the geometric upscaling factor. Despite the geometric limitations observed at smaller scales, the experiments demonstrated excellent repeatability and morphological control provided by the digital light projection technology. It is concluded that the uncertainty models devel-oped in this investigation provide an essential tool for quantifying manufacturing errors prior to conducting dynamic laboratory experiments.