Projeto exploratório de estratégias de impressão para deposição de ligas metálicas de baixo ponto de fusão

Abstract

O presente projeto visa a exploração de estratégias de impressão de peças metálicas de Baixo Ponto de Fusão (BPF) utilizando uma impressora Tridimensional (3D) com a tecnologia de Fused Filament Fabrication (FFF). A tecnologia de impressão 3D por FFF é vastamente utilizada, aplicando-se inclusive ao nível do consumo doméstico, principalmente dado o seu baixo custo e velocidade relativamente elevada de processamento. No entanto, esta tecnologia apresenta desvantagens, por exemplo, no que diz respeito ao tipo de materiais utilizados, tratando-se por norma de polímeros. Estes materiais apresentam baixa resistência mecânica e completa ausência de condutividade elétrica, assim como elevada resistência térmica, o que limita a aplicação destes em alguns setores industriais. O grande diferencial deste projeto em relação às impressoras 3D já existentes no mercado centra-se na associação das vantagens inerentes ao processo de FFF com a utilização de outros materiais que não os polímeros, recorrendo, nomeadamente, a metais detentores de uma maior resistência mecânica e maiores condutividades elétrica e térmica. Desta ideia resulta o conceito de FFF metálico, cujas aplicações se estendem desde a produção de componentes metálicos à impressão de circuitos elétricos tridimensionais. A tecnologia FFF apresenta, contudo, algumas limitações: a cabeça de extrusão não é compatível com filamentos metálicos, o que pode colocar em causa a integridade de alguns componentes da impressora. Outra das limitações prende-se com o controlo da deposição do metal por parte do bico de extrusão, assim como com as características de fluidez e molhabilidade dos metais capazes de interferir com a qualidade do objeto impresso. O projeto realizado incluiu o estudo dos vários componentes da impressora, dos materiais utilizados, bem como a realização de operações de reparação e upgrade de uma impressora de FFF comum, com modelação da cabeça extrusora, bem como o seu projeto térmico. O objetivo final compreende a realização de testes de forma a otimizar os parâmetros de impressão recorrendo a um protótipo de cabeça de extrusão adaptado a uma impressora 3D comum. Os resultados obtidos comprovam que o projeto desenvolvido é capaz de imprimir primeiras camadas com geometrias simples de precisão semelhante a impressoras de FFF comuns, capazes de serem aplicadas na impressão de circuitos elétricos.

This project aims to explore low melting point metal parts printing strategies using a three-dimensional (3D) printer with Fused Filament Fabrication (FFF) technology. FFF 3D printing technology is widely used, even being applied to domestic consumption, mainly given its low cost and relatively high processing speed. However, this technology has disadvantages, for example, regarding the type of materials used, which are normally polymers. These materials have low mechanical strength and complete absence of electrical conductivity, as well as high thermal resistance, which limits their application in some industrial sectors. The great differential of this project in relation to 3D printers already on the market is centered on the association of the inherent advantages of the FFF process with the use of materials other than polymers, using, in particular, metals with greater mechanical and higher electrical and thermal conductivity. This idea resulted in the concept of metallic FFF, whose applications range from the production of metal components to printing three-dimensional electrical circuits. However, FFF technology has some limitations: the extrusion head is not compatible with metallic filaments, which can jeopardize the integrity of some printer components. Another limitation is related to the control of metal deposition by the extruder nozzle, as well as the flow and wettability characteristics of the metals capable of interfering with the quality of the printed object. The project carried out included the study of various components of the printer, the materials used, as well as carrying out repair and improvement operations on a common FFF printer, with modeling of the extruder head, as well as its thermal design. The ultimate goal is to carry out tests to optimize print parameters using an adapted extrusion head prototype for a regular 3D printer. The results obtained prove that the developed project is capable of printing first layers with simple geometries with precision similar to common FFF printers, capable of being applied in the printing of electrical circuits.