Dual extrusion FDM printing with functional materials

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia de MateriaisAs técnicas de additive manufacturing (AM) permitem criar protótipos de uma forma mais simples e rápida quando comparadas com processos convencionais de prototipagem. Uma destas técnicas é a modelação por deposição de filamento, mais conhecida como Fused Deposition Modeling (FDM). Esta técnica consiste na deposição de filamentos em várias camadas, recriando as peças 3D previamente desenhas em CAD. As empresas que recorrem à técnica FDM para imprimir os seis protótipos usam máquinas profissionais que, na generalidade dos casos foram otimizadas para utilizar ABS ou PLA. Como o objetivo principal deste tipo de utilização não é a produção de produtos finais, não existem muitos estudos com outros materiais ou para otimização do processo de impressão, utilizando mais do que um material funcional. O objetivo principal desta dissertação passa por avaliar o potencial de impressão, por FDM, de objetos tridimensionais, utilizando a técnica de impressão multimaterial com materiais funcionais. Para esse fim, alterou-se uma impressora monomaterial para bimaterial, através da instalação de uma segunda cabeça de extrusão. Posteriormente, determinaram-se as condições de impressão mais adequadas para cada um dos materiais funcionais disponíveis, através da impressão de quatro estruturas diferentes. Foram também caraterizados os materiais utilizados para compreender melhor as suas potencialidades, através da realização de ensaios de tração, flexão, condutividade elétrica e luminosidade. De seguida, foram impressos provetes com pares de materiais, com o intuito de estudar a sua compatibilidade. Os provetes válidos foram caraterizados em ensaios de tração, onde se verificou que nos provetes constituídos por pares de materiais que apresentam a mesma matriz polimérica, a fratura ocorreu no seio de um dos materiais. Pelo contrário, nos provetes constituídos por pares de materiais de diferente composição química, a fratura ocorreu na sua interface. Verificou-se também que os provetes bimaterial apresentam uma tensão máxima mais baixa que a dos correspondentes provetes monomaterial. Por fim, e tendo em os resultados dos testes realizados aos provetes bimaterial, foram selecionados alguns pares de materiais e impressos três demonstradores finais.The additive manufacturing (AM) techniques enable the fabrication of prototypes in a simpler and faster way compared to conventional prototyping processes. One of these techniques is the Fused Deposition Modeling (FDM), which consists in the deposition of filaments in several layers, recreating 3D pieces previously drawn in CAD. The companies that resort to this technique for printing their prototypes, use professional machines that, in general, were optimized work with ABS or PLA. Since the objective of this type of use is not the production of final products, there are not many studies involving other materials or intending for the optimization of the printing process using more than one functional material. The main goal of this master’s thesis is to evaluate the potential of printing three-dimensional objects, using the multimaterial FDM technique with functional materials. In order to achieve the proposed goal, an existing monomaterial printer was adapted by installing a second extrusion head. After this, the most suitable printing conditions were determined for each one of the functional materials available, by printing four different types of structures. These materials were also characterized in order to better understand their potential, through tensile, flexural, electrical conductivity and luminosity tests. Then, some pairs of functional materials were used to print samples in order to study their compatibility. Tensile tests were performed to the valid samples, which enable the verification that, for the samples printed with pairs of materials with similar matrix, failure occurred within one of the materials. On the contrary, for the materials with different chemical composition, the failure site occurred at the interface between materials. It was also conclude that bimaterial samples present a lower maximum strength than that of the corresponding monomaterial samples. Lastly, and taking into account the results obtained with the bimaterial samples, three final demonstrators were printed