REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.11628308
Fernanda Vasconcelos de Souza1,
Orientadora: Siomara Dias da Rocha2
RESUMO
O objetivo desse trabalho e apresentar a utilização do polietileno tereftalato em processos de manufatura aditiva, com foco na tecnologia de filamento fundido. O PET é um polímero amplamente utilizado na indústria de embalagens devido às suas propriedades mecânicas, térmicas e químicas. No entanto, seu potencial como material para impressão 3D tem sido explorado. Neste estudo foram investigadas as propriedades do PET como filamento de impressão 3D, incluindo sua maleabilidade, resistência e compatibilidade com processos de fabricação para manufatura aditiva. Além disso, discutiu-se os métodos de processamento de fabricação de filamentos de PET para impressão 3D e destacou-se suas vantagens e desafios.
Palavras-chave: Impressão 3D, filamento e Polietileno tereftalato (PET).
1 INTRODUÇÃO
A impressão 3D, também conhecida como manufatura aditiva, tem se destacado como uma tecnologia inovadora que permite a fabricação de objetos tridimensionais de forma rápida, personalizada e acessível. Um dos desafios enfrentados é a busca por materiais sustentáveis e eco-friendly para uso como filamento de impressão. Neste contexto, o Polietileno Tereftalato (PET) surge como uma opção promissora devido às suas propriedades mecânicas e à abundância de resíduos PET no meio ambiente. Este artigo explora a viabilidade e o potencial do PET como filamento para impressão 3D, com foco na tecnologia de Filamento Fundido por Fusão (FFF), e sua aplicação (SESI/SENAI, 2022).
1.1 Contextualização da Manufatura Aditiva
A manufatura aditiva (MA) é umas das tecnologias utilizada para obter protótipo, é umas das maneiras de auxiliar no processo de desenvolvimento de produto, esse processo de fabricação é formado a partir de deposição de camadas (Layeres), que são sobrepostas uma sobre as outras. Com base no padrão ISO/ASTM 592000:2021 as técnicas (MA) são definidas por sete processo que são:
1. jato de ligantes (binder jetting);
2. deposição direta de energia (directed energy deposition);
3. extrusão de material (material extrusion);
4. jato de material (material jetting);
5. fusão em leito de pó (powder ped fusion);
6. laminação de folhas (sheet lamination);
7. cuba de fotopolimerização (vat photopolymerization).
Dentre os diversos processos apresentados na norma, destacamos a extrusão de materiais, que a norma apresenta sob o nome de Material Extrusion.Dentro da categoria MA relacionada a materiais extrudados, duas definições importantes são comumente encontradas. A primeira definição é Fused Deposition Modeling (FDM). Este é um termo patenteado pela Stratasys, o inventor desta tecnologia foi Steven Scott Crump ele desenvolveu a primeira impressora FDM, vendida por sua empresa Stratasys em Minnesota.
O segundo termo é Fused Filament Fabrication (FFF), um termo adotado por outros adotantes dessa tecnologia. Ambos os termos são usados para definir as técnicas acima. Neste trabalho, usaremos o termo FFF. MA FFF é definido como um processo de fabricação em que um objeto é produzido a partir de uma impressora equipada com um sistema de extrusão, geralmente o material fundido é um filamento, embora existam modelos em que o material processado possa estar no formato diferente (VOLPATO, 2021).
Sobre os polímeros mais utilizados no processo FDM® são o acrilonitrila-butadieno estireno (ABS); poli (ácido láctico) (PLA); policarbonato (PC); polifenilsulfona (PPS); misturas de PC-ABS; PC-ISO (PC de grau médico), poliamidas (PA) e entre outros.
A manufatura aditiva desempenha um papel importante na redução de tempo de fabricação de peças. Ao eliminar a necessidade de ferramentas e moldes complexos, que são caros e demora com a produção de peças, para tecnologia de impressão 3D isto permite uma produção mais rápida e econômica. Isto significa que os setores de onde a produção de peças personalizadas ou de baixo volume, é comum como na indústria aeroespacial e na área médica.
Essa tecnologia abre porta para criações de materiais compostos e personalizados, com combinações diferentes de materiais como vidro, arame e resinas específicas assim podendo criar um insumo específico para cada aplicação. Sendo assim uma das características chave da manufatura aditiva é a capacidade de personalização, consequentemente está sendo explorado a capacidade para atender as demandas de setores que exigem materiais de alto desempenho.
Desta maneira a produção de peças mais leves e resistentes é fundamental em setores como automotivo e o aeroespacial nos quais a redução de peso é crucial para melhorar a eficiência energética e o desempenho. Com a utilização de peças 3D podemos aumentar a eficiência energética dos produtos, como também contribui para a redução do descarte de resíduos plásticos, que umas das preocupações globais.
1.2 Contextualização do Desenvolvimento Polietileno Tereftalato (PET)
O Polietileno Tereftalato PET, é um polímero bastante usado na fabricação de diversos produtos, desde garrafas de refrigerante até tecidos e embalagens alimentícias. O seu desenvolvimento tem uma história fascinante que remonta ao século XIX.
Em 1941, dois químicos britânicos descobriram o PET de forma independente, John Rex Whinfield e James Tennant Dickson. Em uma pesquisa para criar polímeros condensados, perceberam que a reação entre o ácido tereftálico e o etilenoglicol resultou em um polímero com propriedades extraordinárias como mostra na figura 1.
Figura 1. Composição química do polímero (PET). FONTE: MUNDO EDUCAÇÃO, 2024.
A patente deste polímero foi registrada pela empresa Calico Printers’ Association em 1941, apesar de ter sido subutilizado durante a Segunda Guerra Mundial devido à escassez de matéria-prima. Após a Segunda Guerra Mundial, o interesse pelo PET aumentou, especialmente na indústria têxtil. A DuPont foi a primeira companhia a comercializar o PET sob o nome “Dacron” para uso em fibras têxteis em 1950. A sua resistência, durabilidade e capacidade de retenção de forma o tornaram uma escolha popular em uma grande variedade de aplicações, desde roupas até cordas.
Nos anos 1970, o PET encontrou um novo e relevante mercado como material de embalagem, especialmente para bebidas carbonatadas. Sua leveza, transparência, resistência ao impacto e capacidade de ser moldado de forma complexa o tornaram uma ótima escolha para substituir vidros e outros plásticos mais pesados. A moldagem por injeção permitiu a produção em larga escala de garrafas PET, o que revolucionou a indústria de bebidas.
O PET é um material abundante, presente em diversos produtos de consumo e industriais. O seu progresso contínuo permitiu a descoberta de métodos mais eficientes de reciclagem, o que o tornou não apenas versátil, mas também sustentável. Contudo, os desafios permanecem, especialmente em relação à poluição plástica e à necessidade de desenvolver soluções mais sustentáveis para o ciclo de vida do PET.
1.3 A Importância do Polietileno Tereftalato em Processo de Manufatura
O Polietileno Tereftalato (PET) tem um papel importante no processo de manufatura aditiva, também conhecido como impressão 3D. Esta técnica revolucionária permite criar objetos tridimensionais, camada a camada, com base em um modelo digital. A relevância do PET na manufatura aditiva está nas suas propriedades únicas que o tornam um material versátil e ideal para diversas aplicações. Alguns dos motivos pelos quais o PET é tão importante neste contexto:
Facilidade de Processamento: O PET pode ser processado de forma relativamente simplificada em filamentos ou pellets que sejam compatíveis com impressoras 3D. A maleabilidade permite uma extrusão precisa durante o processo de impressão.
O PET é conhecido pela sua resistência mecânica, o que o torna adequado para a impressão de peças que exigem durabilidade e estabilidade estrutural. Isto é particularmente útil na criação de peças funcionais e protótipos. O PET é transparente, o que significa que pode ser utilizado para criar peças com características visuais específicas. Isto pode ser útil em aplicações em que a transparência é uma característica necessária, como protetores de tela ou peças de exposição.
O PET apresenta uma elevada absorção de umidade em comparação com outros materiais plásticos, o que contribui para manter a estabilidade dimensional das peças impressas ao longo do tempo.
Reciclabilidade: O PET é altamente reciclável, o que se alinha com as crescentes preocupações sobre a sustentabilidade na manufatura aditiva. A utilização de PET reciclado como matéria-prima pode minimizar o impacto ambiental da impressão de peças impressas em 3D.
O PET é utilizado em uma ampla variedade de aplicações, desde protótipos industriais até produtos de consumo final. Sua versatilidade permite que seja utilizado em diversos setores, como saúde, automotivo, eletrônicos e moda.
Em suma, o PET desempenha um papel fundamental na manufatura aditiva, fornecendo uma combinação única de propriedades que o tornam ideal para a produção de uma grande variedade de peças e produtos impressos em 3D. Sua facilidade de processamento, resistência mecânica e outros atributos o tornam uma escolha popular entre os fabricantes que buscam soluções sustentáveis, inovadoras e eficientes. No presente trabalho será explicado o processo de transformação e valorização do polietileno tereftalato por uma técnica de manufatura aditiva.
2 METODOLOGIA
2.1 Produção do filamento
Os filamentos são produzidos com filete de garrafa PET, com o auxílio de um bico extrusor, de uma impressora, de diâmetro 1,7 mm são puxados em uma velocidade constante. Sobre os filetes com as garrafas de Coca-Cola obtivemos resultado de 9mm espessura, já com as garrafas de mais finas de guaraná antártica o melhor resultados com filetes de 8mm espessura, as medidas do filete é tudo ela que vai influenciar a medida final do filamento, evita um filamento com defeito e oco. Para imprimir usamos a 230 ºC.
- Materiais: Impressora 3D; Repetier-Host (fatiador); Garrafa PET; Notebook.
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO
O processo de conversão de garrafas PET em filamentos de alta qualidade é cuidadosamente planejado e inclui componentes importantes. A matriz de aquecimento, o bico de extração e o sistema de distribuição, baseados em pesquisas acadêmicas e nos padrões da comunidade de impressão 3D, garantem que o filamento fabricado seja compatível com uma ampla gama de dispositivos. Uma seleção criteriosa de componentes e materiais elétricos torna os mais acessíveis, econômicos e repetíveis em diferentes situações.
Essa abordagem sustentável não apenas reduz o desperdício de garrafas PET, mas também tem um impacto positivo no meio ambiente ao promover a difusão de tecnologias de fabricação 3D acessíveis e ecologicamente corretas em todo o Brasil. Esta pesquisa demonstrou o potencial técnico para superar desafios relacionados às diferenças de densidade dos materiais e produzir filamentos PET reciclados para impressão 3D. Os resultados mostram que é possível fabricar filamentos de alta qualidade a partir de garrafas PET, conforme a Figura 2.
Figura 2. Filamento de PET. Fonte: FERREIRA, 2020.
A utilização do Polietileno Tereftalato (PET) como filamento para impressão 3D tem despertado um crescente interesse na comunidade acadêmica e na indústria, devido às suas características únicas e versatilidade. A análise bibliográfica desta área de estudo revela uma série de estudos que analisam diferentes aspectos relacionados ao uso do PET na impressão 3D.
O presente estudo sobre a utilização do Polietileno Tereftalato (PET) como filamento para impressão 3D, revela uma área de pesquisa dinâmica e multifacetada, com estudos que abrangem desde as propriedades do material até as aplicações práticas, desafios e oportunidades para a inovação e sustentabilidade.
Depois de analisar o sistema de formação de filamentos em um estudo publicado, eles seguiram o mesmo princípio de aquecer o material até o estado pastoso e transformá-lo em fio. O trabalho de Ferreira et al. (2020) descreve o sistema utilizado para fabricação de monofilamentos da seguinte forma. Os filamentos foram produzidos em uma extrusora mono rosca da marca Filmaq3D específica para a fabricação de filamentos de impressão 3D. O equipamento está localizado no Centro Design Empresa (CDE) da Escola de Design da Universidade Estadual de Minas Gerais (CDE-UEMG). O material foi extrudado em diferentes temperaturas, sendo elas 220ºC, 240ºC e 260ºC. Foi utilizado para todas as amostras produzidas a velocidade de rosca de 30rpm e um cooler operando a 5200rpm, esse posicionado na saída do bico extrusor.
É notável que a busca pela impressão de termoplástico já e bastante requisitada na injeção de moldes, para redução de custo por conta de sua alta resistência mecânica segundo o estudo de caso apresentado por FERIOTTI et al. (2021). Para a produção de pequenas séries para a validação de projetos ou nos órgãos reguladores, a impressão de moldes em plástico é uma alternativa que traz como benefícios a redução de custos e do tempo de fabricação comparados aos métodos convencionais.
De Paoli, Spinacé e Romão (2009) analisaram as propriedades físicas, mecânicas e térmicas do PET como filamento para impressão 3D, mostrando resistência, dureza e estabilidade dimensional como propriedades principais. O estudo também identificou os melhores parâmetros de impressão, como temperatura do bico e velocidade de impressão, para garantir a melhor qualidade das peças impressas em PET.
Além disso, já foi investigado a viabilidade da aplicação de PET à impressão 3D em uma variedade de indústrias, incluindo prototipagem rápida, fabricação de peças funcionais e fabricação de dispositivos médicos. Este estudo demonstrou o potencial do PET e sua capacidade de atender às necessidades de diversas aplicações (2024).
Contudo, desafios também foram identificados na literatura. Um estudo realizado por Joseph et al. (2024) analisou os problemas de adesão entre camadas, encolhimento e delaminação relacionados ao uso do PET na impressão 3D. Os autores discutiram técnicas para minimizar esses desafios, como o uso de aditivos e a otimização dos parâmetros de impressão. Além disso, emergiu como uma preocupação relevante a utilização do PET na impressão 3D. Um estudo de FERREIRA (2020) analisou o potencial do PET reciclado como filamento para impressão 3D, bem como os benefícios ambientais dessa abordagem. Foi dado ênfase a importância da economia circular na impressão 3D e apresentaram diretrizes para incentivar uma produção mais sustentável que também e mostrada no presente trabalho.
4 CONCLUSÃO
A utilização do Polietileno Tereftalato (PET) como filamento para impressão 3D oferece diversos benefícios e oportunidades para a indústria e a comunidade acadêmica. A análise das propriedades físicas, mecânicas e térmicas do PET, aliada à investigação dos parâmetros ideais de impressão, revelou que o PET tem um grande potencial para uma grande variedade de aplicações na impressão 3D.
A sua resistência à tração, transparência, facilidade de processamento e reciclabilidade o tornam adequado para uma grande variedade de aplicações, desde prototipagem rápida até a fabricação de peças funcionais e dispositivos médicos. Além disso, o uso de PET reciclado como filamento para impressão 3D evidencia o potencial de uma produção mais sustentável e ecologicamente correta.
Apesar dos desafios, como a adesão entre camadas, o encolhimento e a delaminação, a pesquisa continua buscando soluções para otimizar o uso do PET na impressão 3D, aumentando sua qualidade e desempenho.
A utilização do Polietileno Tereftalato (PET) como filamento para impressão 3D oferece grandes vantagens em termos de versatilidade, sustentabilidade e eficiência na produção de peças e produtos. O PET continuará a desempenhar um papel relevante na evolução da impressão 3D e na transformação da indústria manufatureira como um todo.
REFERÊNCIAS
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VOLPATO, Neri. Manufatura aditiva: tecnologias e aplicações da impressão 3D. Editora Blucher, 2021. 400 pg.
1Discente do Curso Superior de Engenharia Mecânica – Fundação Centro de Pesquisa e Inovação Tecnológica – FUCAPI, Manaus – AM. e-mail: fernandav954@gmail.com
2Docente do Curso Superior de Engenharia Mecânica – Fundação Centro de Pesquisa e Inovação Tecnológica – FUCAPI, Manaus – AM. Doutora em Química (PPGQ/UFAM). e-mail: siomararocha.quimica@gmail.com