PPS3

O PPS3 contempla o estudo e desenvolvimento de vários tipos materiais poliméricos, equipamentos e processos relacionados com as tecnologias de fabrico aditivo polimérico, com o intuito de produzir vários elementos demonstradores que apresentem a relevância da investigação realizada e avanços técnicos e científicos atingidos e que permitam a valorização e capacitação das indústrias nacionais. Mais especificamente, os objetivos do PPS3 incluem:

– Preparação de compostos de base polimérica termoplástica e sua produção para FA (quer em base de filamento, quer em base de pellets (grânulos) quer em base de pós ou micronizados);

– Instalação de capacidade de produção de materiais poliméricos reforçados (e.g. fibras de carbono e Kevlar®, ou fibras contínuas) ou com inclusão de subprodutos em fim de vida como, por exemplo, pneu;

– Desenvolvimento e preparação para produção de matéria–prima para FA (e.g. pneu, triturado, micronizado, com ligante termoplástico ou termoendurecível, ou foto polimerizável), por extrusão, ou em cama de pós, ou granulado para fabrico de grandes dimensões (e.g. mobiliário urbano);

– Desenvolvimento, implementação e validação de processo de fabrico (baseado em trabalhos laboratoriais em desenvolvimento) orientado para produção de objetos de grandes dimensões (mais de 1x1x1m) por FA;

– Desenvolvimento, implementação e teste de classe de micro-extrusoras para processamento de compósitos de base polimérica termoplástica de elevado desempenho (e.g. PEEK, TEM) e deposição de fibras contínuas de Kevlar® e carbono;

O PPS3 está relacionado com materiais poliméricos aplicáveis ao fabrico aditivo e integra os parceiros que operam nestas áreas. No decorrer deste PPS estão previstos a implementação de sistemas (equipamento/matérias-primas/processos) que representarão produtos de base polimérica para os tomadores e desenvolvimento de aplicações e novos modelos de negócio para utilizadores. O PPS está dividido em três atividades principais que incluem diversas tarefas. A primeira atividade será totalmente focada na pesquisa e estudos de matérias-primas poliméricas. Uma pesquisa geral da situação atual do fabrico aditivo e dos materiais utilizados servirá como ponto de partida para o desenvolvimento de um plano para a criação de processos e de possíveis novos materiais inexistentes no mercado atual. Na segunda atividade serão estudados e testados os vários processos selecionados a partir das pesquisas anteriormente elaboradas. Serão elaborados vários testes preliminares para eventuais otimizações do processo em causa e/ou dos materiais  utilizados. A partir dos resultados obtidos, será elaborada uma estratégia para seguir na atividade três, com a elaboração de sistemas e novos métodos de produção de materiais. Durante a terceira tarefa serão produzidos os vários casos demonstradores, relacionados com filamentos poliméricos reforçados e peças de grandes dimensões (e.g. mobiliário urbano). Será demonstrado o conjunto de sistemas de extrusão para polímeros técnicos com altas temperaturas de processamento, e produção de peças/componentes por FA para inserir em moldes de injeção polimérica (processo de hibridização). Também serão demonstrados vários produtos com sistemas ciberfísicos embebidos e materiais hierárquicos adaptativos.

O PPS3, liderado pelo Copromotor GLN Plast S.A., é constituído pelas empresas GLN Molds S.A., AMCUBED LDA, PLASTIMAGO-TRANSFORMADORA DE PLÁSTICOS LDA, GENAN S.A., PERIPLAST EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS LDA, e pelas ENESIIs Universidade do Minho, Universidade de Coimbra, Instituto Politécnico de Leiria e CENTIMFE – Centro Tecnológico da Indústria de Moldes, ferramentas especiais e plásticos

Atividade 1 I Matéria-Prima: Termoplásticos, Termoendurecíveis, Elastómeros e Reforços

Numa fase inicial foi realizada a pesquisa e levantamento de informação relacionada com o fabrico aditivo (FA) em geral e, em particular, fabrico aditivo polimérico, sendo este focado nas tecnologias a explorar e desenvolver no decorrer do projeto, nomeadamente, FDM® (Fused Deposition Modeling) e FFF (Fused Filament Fabrication), SLS ( Selective Laser Sintering) e SL (Stereolithography). A análise do estado da arte envolveu vários tópicos, tais como, uma introdução ao processo de fabrico e sua sequência, parâmetros do processo e suas influências na qualidade da peça, tipo e tipologias de materiais, vantagens e limitações, e aplicações. No estado da arte da tecnologia de FDM® e FFF, foi também realizada uma análise às variantes dos equipamentos. Foram apresentados vários exemplos de equipamentos low-cost disponíveis comercialmente, bem como, alguns desenvolvimentos e atualizações de equipamentos. Alguns exemplos incluiram equipamento para o FA com maior área útil, com recurso a braços robóticos, com capacidade de processamento de materiais de elevado desempenho, materiais reforçados com fibra contínua, entre outros. Foi também realizado um enquadramento normativo relativo ao FA. Este enquadramento reúne uma série de normas que permitem uma melhor compreensão das definições, da terminologia, considerações, processos, métodos de teste, entre outros aspetos relacionados com as tecnologias de FA.

Realizou-se um estudo do mercado do FA polimérico, de forma a compreender quais as áreas de interesse, e que estão em crescimento, e onde há potencial para inovação. Verificou-se que o mercado do FA polimérico está em crescimento e a previsão indica um crescimento exponencial até 2025. Também foi visível que a tecnologia FDM® e FFF são as que apresentam uma maior aplicação no mercado, o que está relacionado com as potencialidades destes processos e a ampla variedade de materiais disponíveis com propriedades de tal forma variadas, que permitem fabricar protótipos e produtos finais. Verificou-se também que o mercado em relação aos materiais poliméricos para FA está a crescer, e a previsão indica um contínuo crescimento ao longo do tempo, existindo, portanto, espaço para a inovação em termos de novos materiais de alto desempenho, materiais com funcionalidade acrescida por impregnação de fibras técnicas (e.g. carbono) e fibras contínuas, materiais com hierarquia estrutural, e, materiais com recurso a produtos reciclados (cargas naturais e não naturais), potenciando assim a reutilização de recursos e a sustentabilidade dos processos e produtos. Foi realizado também um levantamento das entidades nacionais e internacionais que poderão atuar como fornecedores de equipamentos e de matéria-prima no âmbito do fabrico aditivo polimérico, tomadores, desenvolvedores e utilizadores de tecnologias/sistemas, fabricantes de moldes e distribuidores de software.

Ainda no âmbito desta atividade, foi feita uma seleção de matrizes poliméricas e cargas adequadas a distintas tecnologias de FA. Foram realizados alguns testes preliminares de caracterização de diversos materiais poliméricos (e.g. resinas fotopolimerizáveis, filamentos termoplásticos, pós termoplásticos). Estes testes preliminares permitiram avaliar propriedades mecânicas, térmicas, físicas, estabilidade dimensional, entre outras, o que permitiu aferir características que as matérias-primas apresentam e que as adequam aos respetivos processos de fabrico aditivo.

A viabilidade dos materiais poliméricos com cargas naturais  e não naturais e reciclados foi analisada para as técnicas FFF, SL e SLS. Para estes processos, foram estudadas e avaliados vários compósitos poliméricos com cortiça, madeira e pneu variando as matrizes poliméricas, rácios de mistura, entre outros aspetos. Os compósitos produzidos foram caracterizados para aferir as propriedades dos mesmos e definir os melhores processos e rácios de mistura entre carga e matriz polimérica.

Legenda:  Processo de extrusão de compostos de pneu com PP e PE recorrendo a uma extrusora de duplo fuso.

Legenda: Equipamento de extrusão utilizado no processamento de materiais naturais: PP e HDPE com cortiça e HDPE com madeira.

Legenda: Exemplos de  amostras de resina fotosenssível simples e com incorporação de diferentes percentagens de pneu micronizado: (a) 100% Photocentric UV hard resin; (b) 90% Photocentric UV hard resin + 10% granulado de Pneu; (c) 100% Anycubic UV resin; (d) 90% Anycubic + 10% granulado de Pneu.

Foram caracterizados materiais poliméricos comerciais para o fabrico aditivo de peças com características hierárquicas e adaptativas para o processo de FFF.  A caracterização envolveu testes térmicos, mecânicos, dimensionais, topografia superficial e molhabilidade. Relativamente aos materiais para sistemas ciberfísicos, foi investigada a combinação entre um material polimérico elástico e isolante com uma tinta condutora que possa ser depositada através de um sistema de FA. Foi estudada uma tinta extensível desenvolvida e patenteada que apresenta o potencial para ser depositada sobre uma grande variedade de substratos poliméricos e cuja viscosidade pode ser modificada ampliando o potencial de deposição através de métodos distintos. Uma das características inovadoras desta tinta extensível consiste na cura independente de estímulo térmico ou radiação, aspeto que simplifica significativamente o processo. Foram comparadas distintas configurações de elétrodos em termos de elasticidade e capacidade de adquirir sinais eletromiográficos de superfície (EMGs) e eletrocardiográficos (ECG) com qualidade.

Legenda: Materiais sobre os quais foram realizados testes de deposição da tinta condutora desenvolvida e patenteada.

Legenda: Impressora 3D desenvolvida para impressão direta da tinta condutora sobre múltiplos substratos

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Atividade 2 I Processos FA: FDM, SLA, Polyjet entre outras

Numa fase inicial, relacionada com estudos de otimização do processo, estabeleceram-se alguns protocolos experimentais para resinas polimerizáveis por radiação UV (ultravioleta), IV (infravermelho) e visível que refletem aspetos críticos do processo para cada tipo de radiação incluindo a distância da lâmpada, a intensidade de luz e o tempo para distintos materiais fotosensíveis.

Um dos focos desta atividade centrava-se na caracterização mecânica de compósitos poliméricos com carga natural (cortiça e madeira) e não natural (pneu) tendo sido avaliados aspetos críticos como, por exemplo, o módulo de elasticidade, a tensão de de rutura, a deformação na rutura, a tensão máxima e a deformação final, de forma comparativa, entre os materiais estudados. Foram estudados vários provetes de teste produzidos através de distintos compósitos com cargas naturais e não naturais que variavam a matriz polimérica e a percentagem em massa da carga, sendo estes adequados para as tecnologias FFF e SLS.

Legenda: (Esquerda) Máquina de tração Instron 4505 e (Direita) ensaio de tração em curso.

Em relação aos provetes de teste produzidos por SLS, com os materiais compósitos com cargas não naturais, verificou-se uma redução significativa da resistência à tração e da deformação máxima na mistura, face ao polímero puro, refletindo uma fraca adesão entre as fases e a concentração de tensões ao redor das partículas de pneu. Face aos resultados, para a produção do demonstrador peça, através da tecnologia SLS, será aplicado uma mistura compósita com um baixo valor de percentagem em massa de carga não natural (pneu) de forma a garantir que a peça apresenta um desempenho adequado à aplicação.

No caso dos compósitos com cargas naturais, adequados para FFF, a resistência à tração e a deformação máxima foram significativamente reduzidas com a integração das cargas, em comparação com a matriz polimérica pura. Um aumento da percentagem em massa da carga natural refletiu-se num maior decréscimo das propriedades mecânicas. A diminuição da resistência à tração pode ser, parcialmente, devida à incompatibilidade entre as partículas de cortiça e a matriz polimérica o que limita a carga aplicada, resultando numa diminuição da resistência à tração.

Por sua vez, a produção de pellets para a impressão dos casos de estudo via FFF foi operacionalizada num equipamento que integra uma extrusora corrotativa mostrando-se de seguida as diversas fases deste processo contínuo.

Legenda: Produção de pellets de compósito com pneu como carga não natural numa extrusora corrotativa.

Um dos objetivos desta atividade consiste em desenvolver um sistema de fabrico aditivo por processos como, por exemplo, SL, SLS ou FFF, para produtos de grande dimensão, com a utilização de materiais como granulado de pneu, pó da cortiça e madeira como desperdício de atividade industrial ou como material que não sendo possível reciclar, poderá ser dada uma segunda vida ao ser utilizado com esta tecnologia. Para tal, a execução deste objetivo focou-se no princípio de funcionamento dos sistemas e componentes adequados a cada tecnologia; nas possibilidades de alteração dos sistemas com o intuito de exponenciação de funcionalidades; nos tipos de materiais aplicados a cada processo, forma física dos mesmos e propriedades; numa análise de vantagens e desvantagens; nos mais recentes desenvolvimentos em termos de sistemas e materiais; e nas aplicações possíveis para os produtos resultantes.

Com base nos conhecimentos adquiridos através da revisão do estado da arte, foram desenvolvidas abordagens e equipamentos alternativos para a produção de produtos de grande dimensão. Para o processo FFF em grande escala ou de grandes dimensões definiram-se soluções com recurso a um braço robótico com uma cabeça de extrusão acoplada. Esta solução recorre a sistemas de movimentação xyz ou mais eixos, quer cartesianos quer antropomórficos. Foram também criadas soluções para adicionar a este sistema de produção de peças de grandes dimensões. Uma das soluções envolve o recurso a tapetes rolantes para a extrusão infinita enquanto que outra solução está relacionada com a extrusão por revolução .

Legenda: Fabrico Aditoivo por extrusão infinita com recurso a tapete rolante.

Legenda: Fabrico Aditivo por extrusão por revolução de peças de grandes dimensões.

Em relação a soluções exploradas para SL, estas envolvem deposição por pulverização de aglomerante sobre uma camada de pó/granulado através de um foco de projeção que permite o controlo da quantidade de material e área coberta pelo pulverizador. Este controlo está dependente quer do material, quer da geometria da peça a produzir.

Legenda: Sistema FA por pulverização sobre granulado de pneu com detalhe do esquema de funcionamento.

A técnica SL foi avaliada através de vários testes com diferentes concentrações de carga natural (cortiça e madeira) e não natural (pneu), e duas resinas fotopolimerizáveis. O processo de fotopolimerização também foi investigado, tendo em conta, em particular, o tempo de exposição à fonte de UV. Verificou-se que, com a adição das diferentes cargas, é possível verificar que a distribuição das partículas não é uniforme nas amostras produzidas e esse comportamento é visível nas duas resinas estudadas. Posteriormente, estes compostos foram analisados através da técnica FTIR, com o objetivo de confirmar os tempos de exposição mais adequados para a cura da resina. Nesta tarefa, houve especial atenção a todo o processo para obtenção dos compostos e peças desenvolvidas, uma vez que mimetizando o método utilizado para a produção de peças de grandes dimensões, há que considerar o tempo de produção, carga utilizada e qualidade das peças.

Verificou-se que um aumento do tempo de exposição melhorava a qualidade das peças produzidas e que a carga de pneu gerava amostras com maior consistência.

Legenda: Amostras produzidas com cargas naturais e não-naturais variando a resina fotosenssível, a carga e respetiva percentagem em massa da carga e o tempo de exposição a luz UV.

Para a tecnologia SLS foram realizados testes iniciais com o mesmo tipo de granulado de cortiça, madeira e pneu aplicado às amostras produzidas por SL. Estes testes permitiram selecionar os parâmetros de produção mais adequados para os granulados em estudo e avaliar o seu comportamento durante o processo de produção pela técnica SLS. Numa primeira análise verificou-se que os pós como são irregulares na sua forma e não apresentam boa compactação com a matriz polimérica dado que durante o processo de produção não se ligam adequadamente e tendem a isolar-se. As amostras produzidas foram avaliadas para se aferir as propriedades térmicas e estabilidade térmica. Os resultados indicam que as características térmicas dos compósitos com cortiça e madeira encontram-se próximas dos valores da matriz polimérica pura. No que diz respeito à degradação térmica das amostras, verifica-se uma menor estabilidade térmica com a adição de madeira e cortiça na matriz polimérica. No entanto, as elevadas temperaturas a que estes materiais iniciam a decomposição, permitem a sua utilização às temperaturas consideradas no processamento, sem interferir nas suas características térmicas.

A viabilidade da técnica de FFF usando granulado de cortiça, foi avaliada através de ensaios experimentais num sistema de braço robótico com uma extrusora acoplada. O granulado foi misturado com a matriz polimérico tendo-se aplicado também agentes compatibilizantes. Vários rácios entre carga, polímero e agente de acoplamento foram estudados. As propriedades térmicas foram avaliadas para os distintos compósitos. No caso dos compósitos com diferentes composições de polímero, cortiça e agente compatibilizante, verificou-se que os picos típicos das curvas de DSC das misturas, revelam que as características térmicas dos compósitos com cortiça encontram-se próximas dos valores do polímero puro, confirmando que as condições utilizadas para a obtenção das misturas não alteram as propriedades térmicas dos materiais em estudo. Em relação à estabilidade térmica, os compósitos apresentam picos de temperatura de degradação mais elevados do que o polímero puro, ou seja, a matriz polimérica tem tendência a decompor a temperaturas mais baixas do que os componentes da cortiça. A cortiça confere uma barreira térmica à matriz termoplástica a temperaturas elevadas devido à presença de lenhina, a qual fornece uma maior resistência térmica. Assim, a adição de cortiça  aumentou a estabilidade térmica da matriz polimérica. Foi produzida uma peça com um equipamento de braço robótico com uma cabeça de extrusão acoplada tendo-se verificado alguma resistência no escoamento.

Legenda: Peça produzida por FFF com compósito de polímero/cortiça/agente compatibilizante.

No seguimento dos trabalhos, foram também efetuados ensaios para testar as condições de processamento no novo equipamento de extrusão com variadas matrizes poliméricas com carga de pneu, de forma a produzir uma peça com inclinação para averiguação da sustentação desta durante o processo de fabrico. O processo produtivo apresenta algumas limitações em termos de escoamento relacionadas com as cargas de pneu, no entanto, através de vários estudos de otimização do processo variando materiais e parâmetros de processamento foi possível selecionar a matriz polimérica mais adequada, bem como, a quantidade de carga a integrar.

Legenda: (Esquerda) Geometria definida para o teste com inclinação de forma a verificar a sustentação da peça e (Direita) impressão com a mistura polímero/pneu micronizado.

Relativamente ao objetivo relacionado com equipamentos e subsistemas para processamento de polímeros de elevada temperatura, numa fase inicial, foram identificados alguns requisitos que as extrusoras devem apresentar de forma a permitirem o processamento de polímeros de elevada temperatura. Neste sentido, foi projetado um modelo CAD 3D de uma micro-extrusora com os componentes e princípio de funcionamento devidamente detalhados. Este projeto foi, no entanto, reformulado tendo sido decidido proceder ao desenvolvimento de um adaptador de pequena dimensão para um sistema LSAM (Large Scale Aditive Manufacturing), com adição de fibra em contínuo, para extrudir peças de alta precisão e com fibras. O adaptador de pequena dimensão permite aquecer a fibra e o revestimento polimérico desta sendo, de seguida, arrefecido por uma ventoinha tornando o filamento mais rígido e mais fácil de imprimir.

Legenda: (Esquerda) Projeto CAD e (Direita) Versão inicial do adaptador para a LSAM (Large Scale Aditive Manufacture), com adição de fibra em contínuo que irá permitir extrudir peças de alta precisão e com fibras.

Na sequência de diversos testes efetuados a este dispositivo, foram feitos alguns ajustes no adaptador para LSAM e montado o equipamento de controlo de uma forma mais agradável sendo de destacar a inclusão de novos elementos que melhoram a refrigeração das partes quentes e a inclusão de tomadas de ligação ao sistema de controlo. Os trabalhos de otimização deste adaptador continuam em curso.

Legenda: Novos elementos desenvolvidos para o adaptador destinados à refrigeração das partes quentes e inclusão de tomadas de ligação ao sistema de controlo.

Em relação aos materiais hierárquicos adaptativos, numa fase inicial foram adquiridos vários materiais comerciais aplicados ao fabrico aditivo por FFF. Foi realizada uma caracterização termomecânicas e físico químicas destes materiais para averiguar as suas propriedades e, deste modo, obter um maior conhecimento das necessidades dos materiais para este tipo de tecnologia e para o demonstrador. Para a produção do demonstrador de fabrico de materiais hierárquicos foram desenvolvidas e caracterizadas, estruturas poliméricas com superfícies hierárquicas através da tecnologia FFF, de maneira direta e indireta, para diferentes aplicações, nomeadamente sistema de separação de emulsões (sistemas de água-óleo) e sorção/desorção de moléculas (corantes e/ou fármacos). No método direto foram impressas superfícies com rugosidade hierárquica com distintas formas geométricas e qualidades de impressão aplicando polímeros com diferentes molhabilidades e porosidade.

Legenda: Aspeto físico das amostras impressas em tecnologia 3D com formas geométricas diferentes e alturas de camada, padrão e percentagem de preenchimento variados.

No método indireto, foram impressos moldes com diferentes geometrias e rugosidades sobre os quais se reticulou hidrogéis de quitosano.

Legenda: Perspetiva superior e longitudinal dos moldes impressos e dos hidrogéis de quitosano após a etapa de gelificação (coluna da direita).

Vários testes de caracterização específicos, tais como, grau de intumescimento, capacidade de sorção, capacidade de libertação, ângulos de contacto, slippery test e scanning electron microscopy (SEM) foram realizados às peças impressas de forma a compreender a influência da geometria, processo e parâmetros de processamentos, e materiais aplicados no desempenho e adequação das amostras ao propósito aplicacional.

Em relação ao método direto de produção de superfícies com rugosidade hierárquica, de uma maneira geral, os resultados observados permitiram aferir que a natureza química de cada estrutura, combinado com a geometria estudada influenciam na separação de emulsões de água-óleo e também na remoção de iões de meios aquosos. No método indireto, os resultados demostraram que perfis modulares de sorção e libertação de moléculas podem ser obtidos consoante a geometria e a rugosidade superficial dos hidrogéis desenvolvidos.

Focando nos materiais adaptativos, foram realizados estudos preliminares focados na impressão 4D recorrendo a materiais de base natural com reforços também de base natural previamente dissolvidos num solvente específico. Foi analisada a influência do tipo de agente compatibilizador na matriz polimérica com e sem o reforço de base natural e avaliada a compatibilidade dos componentes utilizados através de análise de infravermelho (FTIR). Além disso, avaliou-se também  a influência do reforço e do agente compatibilizador nas propriedades de superfície (e.g. ângulo de contacto), grau de intumescimento e estabilidade térmicas dos compósitos desenvolvidos. Verificou-se possível a produção de compósitos poliméricos de base natural com reforço de base natural homogéneos com base na metodologia aplicada. Verificou-se que diferentes tipos de agente compatibilizador com a mesma base afetam o ângulo de contacto e molhabilidade mas que com a integração do reforço essa influência é menos notória. Em termos de estabilidade térmica, verificou-se que o agente compatibilizador e o reforço de base natural não afetaram a estabilidade da matriz polimérica de base natural.

Legenda: Ilustração da homogeneização das amostras preparadas por meio de mistura física.[CS1] 

Relativamente aos sistemas ciberfísicos, foi aplicada uma tinta extensível com propriedades elásticas cuja formulação foi patenteada e que apresenta uma excelente adesão em diversos polímeros elásticos, assim como plásticos e tecidos. A combinação de um material elástico isolador e uma tinta condutora que possa ser integrada e que possa ser depositada por uma cabeça de impressão foi também investigada. Neste contexto foi realizada uma caracterização eletromecânica das tintas (testes de extensão), testes cíclicos para avaliar a condutividade da tinta ao longo de repetições de ciclos de extensão e para estudar as alterações das suas características durante um ano, quando exposta às condições ambientais), assim como otimizar a formulação da tinta para a estabilidade a longo prazo. Os resultados indicaram que a tinta apresenta excelentes propriedades eletromecânicas, quando comparada a tintas comerciais semelhantes, trazendo vantagens competitivas importantes. Em paralelo, foram testados métodos automatizados de deposição e criação de padrões (padronização), incluindo deposição por pulverização, extrusão e ablação a laser. Após o projeto e otimização da tinta, o próximo passo foi a impressão digital de circuitos extensíveis. A formulação da tinta foi otimizada para este fim, e uma impressora comercial foi usada primeiramente para experimentar a possibilidade de impressão digital. Após uma otimização rigorosa do parâmetro de tinta e impressão, foi possível imprimir circuitos elásticos de forma confiável e repetida.

Legenda: Exemplos de filmes finos, esticáveis e impressos, circuitos multicamadas, produzidos com a tinta de patente pendente e uma impressão de extrusão simples.

Foi desenvolvido um cabeçote de impressora de extrusão específico e uma impressora 3D customizada, que inclui um aplicador de filme fino e cabeçotes de impressão intercambiáveis tendo sido produzidos vários circuitos impressos demonstrativos da capacidade do sistema de impressão desenvolvido aplicando a tinta condutora e extensível.

Legenda: Cabeça de impressora desenvolvia e exemplos de circuitos impressos.

Atividade 3 I Demonstradores Piloto Industriais: FA baseado em polimérico

A atividade 3 centrou-se na conceção e desenvolvimento dos elementos demonstradores em termos de materiais, produtos e sistemas que refletem o sucesso de todos os desenvolvimentos científicos e tecnológicos do projeto Add.Additive.

Como demonstrador material para fabrico aditivo foram produzidos vários filamentos poliméricos reforçados com cargas naturais, nomeadamente madeira e/ou cortiça, e cargas não-naturais (e.g.  pneu).  Estes filamentos terão como finalidade a aplicação nos vários sistemas de fabricação aditiva por extrusão de filamento atualmente existentes no mercado. Numa fase inicial, foram realizados estudos de incorporação de cargas e micronização. Foi criada uma linha de produção de filamento polimérico reforçado com carga natural. Foram também efetuados, nesta mesma linha, testes preliminares com algumas misturas poliméricas reforçadas com pneu micronizado. Os testes realizados revelaram a necessidade de desenvolver um anel de calibração a incluir na linha já montada adequando a linha de produção para a produção de filamento reforçado com distintos tipos de cargas.

Legenda: Linha de produção de filamento reforçado em funcionamento.

Como demonstrador peça de aplicação dos filamentos compósitos desenvolvidos, reforçados com cargas não naturais desenvolveu-se um produto para mobiliário urbano produzido por fabrico aditivo através da extrusão de filamento. Foram idealizadas algumas propostas de produtos para mobiliário urbano atendendo da melhor forma possível às necessidades do maior número de utilizadores do espaço público em questão. Foram definidas várias propostas de mobiliário urbano para as tecnologias FFF e SLS. Como demonstradores peça para a tecnologia FFF definiu-se por um lado, uma paragem de autocarro modular sendo que o objetivo seria produzir um dos módulos da paragem que inclui um banco e uma cobertura. Um segundo demonstrador também para a tecnologia FFF consiste num banco de menores dimensões. Os demonstradores foram projetados e simulados em termos estruturais e de processo para averiguação da adequação dos modelos à tecnologia produtiva e ao desempenho em contexto de uso.

Legenda: (Esquerda) Módulo primário de banco e cobertura da paragem de autocarro. (Direita) Representação CAD do Banco “Woof”.

Para a produção destes demonstradores foi desenvolvida uma extrusora de grandes dimensões para robô. O sistema, completamente operacional foi testado com os filamentos reforçados desenvolvidos para a otimização de parâmetros de impressão.

Legenda: Extrusora Large Scale Additive Manufacturing (LSAM) em funcionamento.

Este sistema produtivo desenvolvido pela equipa é adequado para a produção do banco “Woof”, no entanto, para a produção do módulo de paragem de autocarro, que requere uma maior quantidade de material e, por consequência, caudal de extrusão, procedeu-se ao desenvolvimento de uma nova extrusora para robô com um caudal superior ao da extrusora atual.

Como demonstrador peça para a tecnologia SLS, definiu-se o banco “Clip” composto por várias peças pequenas iguais, formando um plano que servirá de assento. A montagem dos elementos é realizada com aplicação de O-rings e permite ao utilizador fazer a sua configuração customizada. Os elementos a montar numa estrutura de suporte metálico foram produzidos com sucesso recorrendo a uma matriz polimérica adequada ao processo de SLS e pneu micronizado como material de construção.

Legenda: Modelo 3D do caso de estudo projetado para SLS.

Legenda: Peças impressas via SLS em compósito de polímero com pneu micronizado montadas com distintas configurações.

Foi desenvolvido um demonstrador sistema que consiste numa cabeça extrusora de elevada temperatura. Numa fase inicial procedeu-se ao projeto de modelação de uma extrusora de pequena dimensão cujo conceito evoluiu para um adaptador de pequena dimensão para acoplar na extrusora LSAM que permite a adição de fibra em contínuo, para extrudir peças de alta precisão e com reforçadas com fibras. Em simultâneo foi desenvolvido um mecanismo de sincronismo entre a extrusora e um robô da KUKA AG. O módulo de adição de fibras desenvolvido foi testado e reconfigurado com novos elementos que permitiram exponenciar o seu desempenho.

Legenda: Módulo desenrolador de fibra contínua desenvolvido para acoplar ao sistema LSAM.

No projeto decorreram também trabalhos relacionados com a hibridização, ou seja, obtenção de componentes injetados com inclusão de componentes produzidos por fabrico aditivo com o intuito de obter funcionalidades que não poderiam ser implementadas de outra forma. O objetivo centrava-se na produção de peças inserto por fabrico aditivo que são posteriormente introduzidos num molde de injeção polimérica onde decorre uma etapa de sobreinjeção dando assim origem ao produto híbrido.

Os estudos de hibridização realizados no decorrer do projeto incluíram uma fase inicial de análise de aderência entre diferentes materiais de fabrico aditivo e de moldação por injeção. Com base neste estudo foi possível perceber que existem fatores importantes a considerar durante a hibridização, tais como, a compatibilidade dos materiais, a folga para a peça inserto, produzida por fabrico aditivo, encaixar no molde sem que ocorram defeitos, a temperatura da peça inserto e a geometria da junta que permite a união entre os materiais das diferentes tecnologias.

Entretanto a equipa definiu um caso de estudo para ser explorado como potencial demonstrador da hibridização consistindo numa chávena de café já existente.

Legenda: Chávena de café existente a aplicar como caso de estudo para o produto demonstrador da hibridização.

Numa fase inicial definiram-se potenciais materiais de fabrico aditivo e de moldação por injeção potencialmente adequados ao caso de estudo e procedeu-se a um estudo de aderência. Após uma maior compreensão sobre os materiais selecionados, foi realizada uma sessão de brainstorming com todos os elementos da equipa na qual se definiram vários conceitos de design para explorar no caso de estudo. Os conceitos gerados foram inicialmente analisados e os conceitos considerados válidos foram testados através de etapas de hibridização tendo sido alterados em determinados aspetos críticos de design de forma a que o produto híbrido tivesse o melhor desempenho possível. Vários estudos de hibridização decorreram com etapas que incluem a reformulação dos conceitos por alteração de aspetos críticos de design, a simulação do processo de sobreinjeção, a produção de peças inserto e a sobreinjeção das peças inserto dando forma às chávenas híbridas.

Legenda: (Esquerda) Encaixe da peça inserto no molde e (Direita) Chávena Híbrida após sobreinjeção da peça inserto.

Em estudos de hibridização mais avançados, os produtos híbridos foram avaliados através de ensaios de simulação do processo com software comercial e estudos de tomografia para avaliação do produto ao longo das etapas produtivas. Com base nos estudos foram produzidos várias chávenas híbridas customizadas que são demonstradores dos estudos e desenvolvimentos realizados. Por fim, foi elaborado um estudo, projeto e implementação de unidade piloto híbrido para a produção de soluções híbridas.

Legenda: Chávenas híbridas customizadas produzidas combinando fabrico aditivo com moldação por injeção.

Em relação aos materiais hierárquicos e adaptativos, o objetivo centrou-se no desenvolvimento e fabrico de um produto demonstrador de materiais hierárquicos adaptativos, em particular, produtos com rugosidade hierárquica superficial que garanta diferentes graus de hidrofobicidade adequadas para aplicações como captação de vapor de água e sistemas de separação de emulsões e também na sorção de partículas em meios aquosos. Para tal, foram desenvolvidas diversas superfícies que apresentam rugosidade hierárquicas através da tecnologia de fabrico aditivo designada como FFF e recorrendo a dois materiais poliméricos que apresentam ângulos de contacto variáveis e grau de porosidade.

A caracterização das amostras englobou a análise da composição química por meio da análise físico-química de infravermelho (FTIR-ATR) antes e após lavagem em água bidestilada para efeitos comparativos. O caráter hidrófilo/hidrofóbico das amostras impressas foi analisado por meio de ensaios de intumescimento em água bidestilada à temperatura ambiente. De uma maneira geral, foi possível verificar que a natureza química das amostras impressas afeta significativamente a capacidade de sorção de água. As propriedades térmicas dos materiais utilizados foram avaliadas através de ensaios de análise termogravimétrica (TGA) e calorímetria diferencial de varrimento (DSC) demonstrando que a natureza química de cada filamento no processo de impressão 3D das estruturas influenciou a estabilidade térmica dos materiais estudados. A influência da rugosidade hierárquica (controlada pela qualidade de impressão), da geometria (piramidal e semiesférica) e da natureza química dos distintos materiais de impressão foram avaliados através de análises de ângulos de contacto (CA) nas quais se verificou uma influência não significativa da rugosidade hierárquica nas propriedades de superfície estudadas. Portanto, somente o efeito da geometria e da natureza química dos materiais foi considerado no teste de “slippery drop”. Este ensaio permite analisar, sob efeito da gravidade, a molhabilidade e a capacidade de adesão das amostras impressas consoante o tipo de meio líquido utilizado (água e óleo). É possível verificar, de uma maneira geral, que a natureza química e o tipo de geometria influenciaram a capacidade de adesão analisada pelos testes de rolagem de gota. Por fim, avaliou-se a capacidade de separação de emulsões com as amostras previamente hidratadas com o objetivo de promover uma separação preferencial de óleo das emulsões estudadas. Foi possível verificar que, de uma maneira geral, o tipo de meio líquido a ser separado foi dependente da natureza química de cada peça impressa. As amostras impressas com material polimérico de caráter hidrofóbico apresentaram uma capacidade de separação seletiva de água das emulsões água/óleo, enquanto que, o material amostras impressas com material polimérico menor ângulo de contacto apresentaram um comportamento inverso separando de forma preferencial o óleo das emulsões de água/óleo.

Legenda: Efeito da natureza química e da geometria (piramidal ¢) e semiesférica (¢)) das peças impressas na eficiência de separação de emulsões água/óleo [75/25] à temperatura ambiente (~ 22°C). (A) Eficiência de separação por área de superfície de cada peça impressa; (B) Imagem do volume de água/óleo coletado (setas vermelhas indicam o limiar entre as fases líquidas de água ou óleo).

Durante a execução do trabalho de separação de emulsões água /óleo, foi observado que, durante a lavagem das amostras impressas para reutilização, estas alteravam a cor dando a ideia que teriam efetuado a sorção de iões metálicos.

Legenda: Diferença de cor entre as amostras impressas em material polimérico com menor ângulo de contacto novas (brancas) e usadas (rosadas) após terem sido lavadas em água corrente.

No âmbito dos sistemas ciberfísicos, era objetivo a criação de una unidade de fabrico aditivo capaz de fabricar várias camadas de eletrónica extensível potenciando assim o fabrico de uma pele eletrónica com uma malha de elétrodos totalmente fabricados com materiais elásticos. Nexte contexto, foi desenvolvida uma tinta condutora elétrica que permitirá gerar a eletrónica extensível. Em relação à impressão da tinta, foi projetada e implementada uma unidade de impressão personalizada. Para tal, a equipa procedeu ao projeto e implementação do sistema, adaptação de componentes existentes e projeto de novos componentes, incluindo um aplicador de filme fino personalizado e unidade de extrusão de materiais.

Legenda: Impressora de eletrónica desenvolvida.

Através do sistema de fabrico produzido e, aplicando a tinta desenvolvida, foi produzida uma luva extensível que permite o mapeamento de pressão como demonstrativo de aplicação de sistemas ciberfísicos. A luva é composta por tecido sobre o qual foram depositados circuitos elásticos de tinta condutora que funcionam como sensores de pressão e que foram distribuídos na zona da palma da mão e em três dedos. O material de espuma também foi produzido e otimizado tendo sido integrado na luva em pontos estratégicos. Os sinais adquiridos são alimentados através de divisores de tensão para um microcontrolador. Após calibrar cada sensor de pressão, diferentes objetos foram apreendidos pelo utilizador de forma a aferir o funcionamento da luva e obter assim um mapa da pressão da luva.

A luva extensível com sensores de pressão e tensão que reflete a cinemática dos dedos em todos os momentos pode ser facilmente personalizada ao tamanho de cada pessoa.

Legenda: A – Luva sensorizada com sensores de pressão com 18 nós sensores compostos de espuma piezoresistiva e detalhe. B – Utilizador a apreender vários objetos:  i) uma jarra, (ii) um pincel, (iii) uma caneca, (iv) uma garrafa de água, (v) um bastão impresso em 3D, (vi) uma seringa. Nas pegadas de pressão à direita, a cor mais escura está relacionada a pressões aplicadas mais altas, enquanto a cor mais clara significa que pouca ou nenhuma pressão foi detectada em determinada zona.

Um segundo demonstrador foi desenvolvido consistindo numa fita de interface com o cérebro para a monitorização de sinais biológicos (ECG) através da aquisição de sinais da testa do utilizador. Este produto demonstrador foi testado num sujeito permitindo a monitorização da atividade EEG nas várias fases do sono de uma pessoa.  Este produto demonstrador potenciou uma melhoria importante em comparação com os dispositivos atuais, em termos de conforto do utilizador visto que as configurações atuais exigem a instalação de vários elétrodos e cabos individuais.

Legenda: Pele de interface com o cérebro para a monitorização de sinais biológicos (ECG