Carolina Perim Pereira AVALIAÇÃO DE PROPRIEDADES ÓPTICAS ...

Carolina Perim Pereira

AVALIAÇÃO DE PROPRIEDADES ÓPTICAS DE PLACAS EM POLIÉSTER (PETG) FABRICADAS EM IMPRESSORA 3D DE

CÓDIGO ABERTO Dissertação submetida ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecâ-nica da Universidade Federal de Santa Catarina para a obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica. Orientador: Prof. Carlos Henrique Ahrens, Dr. Eng. Coorientador: Prof. Tiago Loureiro Fígaro da Costa Pinto, Dr. Eng.

Florianópolis 2018

Ficha de identificação da obra elaborada pelo autor,

através do Programa de Geração Automática da Biblioteca Universitária da UFSC.

Carolina Perim Pereira

AVALIAÇÃO DE PROPRIEDADES ÓPTICAS DE PLACAS EM POLIÉSTER (PETG) FABRICADAS EM IMPRESSORA 3D DE

CÓDIGO ABERTO

Esta Dissertação foi julgada adequada para obtenção do Título de “Mestre em Engenharia Mecânica”, e aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica.

Florianópolis, 04 de Dezembro de 2018.

__________________________________________ Prof. Jonny Carlos da Silva, Dr. Eng.

Coordenador do Curso

__________________________________________ Prof. Carlos Henrique Ahrens, Dr. Eng. – Orientador

Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC

__________________________________________

Prof. Tiago Loureiro Fígaro da Costa Pinto, Dr. Eng. – Coorientador Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC

Banca Examinadora:

__________________________________________ Prof. Carlos Henrique Ahrens, Dr. Eng. – Orientador

Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC

_________________________________________ Prof. Aurélio da Costa Sabino Netto, Dr.Eng.

Instituto Federal de Santa Catarina – IFSC

_________________________________________ Prof. Guilherme M. de Oliveira Barra, Dr. Eng. Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC

Dedico ao meu bom Deus e a minha

querida e amiga avó Irdes.

AGRADECIMENTOS

Agradecer primeiramente a Deus por me dar saúde, sabedoria, coragem e força para iniciar, desenvolver e finalizar esta fase da minha vida. Agradeço especialmente ao professor e orientador Carlos Henrique Ah-rens pela compreensão, entusiasmo, confiança e disposição por me dar razões para prosseguir firme nesta pesquisa. Ao professor Aurélio do IFSC pela atenção, paciência e colaboração no desenvolvimento da pesquisa e durante os imprevistos na fabricação das peças. Ao professor Tiago e colega Henrique do LABMETRO no desenvolvi-mento de uma das técnicas da pesquisa e no auxílio dos resultados obti-dos. A professora Luciana e professor Marcio Fredel do CERMAT pela cola-boração, paciência e auxílio nas medições realizadas no espectrofotôme-tro. A minha família por me dar força e por me lembrar sempre que tudo nesta vida tem um significado e importância, e que algum dia esse conheci-mento pode ser utilizado seja para vida profissional, pessoal ou até mesmo para ajudar alguém. Ao João Victor por me incentivar no desenvolvimento da pesquisa no momento em que mais pensava em desistir, por me dar forças para ter-miná-la, e, também, por me ajudar a enxergar minhas competências de uma forma mais otimista. E a todos os amigos e colegas do NIMMA, CERMAT, LABMAT, POLI-COM, IFSC, UFSC e a CAPES que de alguma forma auxiliaram, aconse-lharam e colaboraram para que esta pesquisa fosse concretizada com êxito.

“ Espera no Senhor, anima-te, e ele forta-

lecerá o teu coração; espera, pois, no Senhor”.

Salmo de Davi 27:8

RESUMO

Os métodos de manufatura aditiva (MA), também designada de impressão 3D, tornam-se cada vez mais proeminentes e mais utilizados na fabrica-ção de protótipos e componentes para as mais diversas áreas. Uma das áreas de grande interesse é a da fabricação de componentes com proprie-dades ópticas controladas, em termos de translucidez e transparência. Das sete técnicas gerais existentes de MA, a fabricação por filamentos fundi-dos (FFF), baseada no princípio de extrusão de material polimérico, tem sido apontada como uma alternativa promissora a ser investigada. Esta pesquisa teve como finalidade avaliar as propriedades ópticas de placas em PETG fabricadas por FFF através de uma impressora em código aberto. A pesquisa foi composta por três etapas, onde a primeira consistiu na caracterização do material. Posteriormente, um estudo exploratório foi realizado para a seleção dos parâmetros a serem investigados e na última etapa foi feita a análise da espessura das placas e avaliação das suas pro-priedades ópticas por meio do índice de qualidade de imagem (IUQI) e pela medição de transmitância pela espectrofotometria UV-visível. Os pa-râmetros avaliados foram a espessura de camada (E) e largura de extrusão (Le), para a análise da espessura; bem como a posição das placas, dife-renciadas (a) pelo posicionamento horizontal ou vertical dos filamentos e (b) pelo posicionamento das superfícies, de topo ou de base das placas para a realização dos ensaios de avaliação das propriedades ópticas. Atra-vés dos resultados obtidos, verificou-se que os parâmetros mais influentes nos valores das propriedades ópticas foram a largura de extrusão (Le) e a superfície de base das placas (B). E as placas que apresentaram os melho-res resultados foram as fabricadas com E=0,100 mm e Le=150%, na po-sição horizontal (H) dos filamentos e com a superfície de base (B) das placas. Por fim, concluiu-se que apesar das limitações do processo, é pos-sível fabricar placas em PETG por FFF com 90% de transmitância total em comparação a transmitância observada em uma placa de moldagem convencional fabricada desse mesmo material. Devido as características intrínsecas da técnica FFF, mesmo utilizando um filamento de material transparente, as placas fabricadas pela técnica tiveram um comporta-mento característico de peças translúcidas. Palavras-chave: Componentes ópticos; Impressão 3D; Manufatura adi-tiva; Polímeros; Propriedades ópticas.

ABSTRACT

Additive manufacturing (MA) methods, also referred to as 3D printing, become increasingly prominent and more widely used in the manufacture of prototypes and components for a wide variety of areas. One of the areas of great interest is the manufacture of components with controlled optical properties in terms of translucency and transparency. Of the seven exist-ing general MA techniques, the fused filament fabrication (FFF), based on the principle of extrusion of polymeric material, has been pointed out as a promising alternative to be investigated. This research was aimed at evaluating the optical properties of PETG plates manufactured by FFF through an open source printer. The research consisted of three stages. The first stage was due to the characterization of the material. Subse-quently, exploratory study was carried out to select the parameters to be investigated. In the last step, the thickness of the plates was analyzed and their optical properties were evaluated by means of the image quality in-dex (IUQI) and the transmittance measurement by UV-visible spectro-photometry. The parameters evaluated were layer thickness (E) and ex-trusion width (Le), for thickness analysis, as well as the position of the plates, it was differentiated by (a) horizontal or vertical positioning of fi-laments and (b) by the top or bottom position of the plate´s surfaces to be evaluated the optical properties performance.Through the results ob-tained, the most influent parameters of the optical properties values were found to be extrusion width (Le) and the bottom surface of the plates (B). The plates which presented the best results were manufactured with E = 0,100 mm and Le = 150%, with the filaments in the horizontal position (H) and with the bottom surface of the plate (B). Finally, it was concluded that despite the process limitations, it is possible to fabricate PETG plates by FFF with 90% total transmittance compared to the transmittance ob-served on a conventional molding plate manufactured with the same ma-terial. Due to the intrinsic characteristics of the FFF process, even using a filament of transparent material, the plates fabricated by this technique had a characteristic behavior of translucent pieces. Keywords: Optics components, Additive Manufaturing, 3D printing, Polymer, Optical properties .

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Etapas gerais do processo da Manufatura Aditiva ................. 4 Figura 2 – Processo de extrusão de material ........................................... 7 Figura 3 – Mesoestrutura de peças fabricadas por FFF ........................... 9 Figura 4 – Parâmetros do Processo: a) orientações de construção; b) tipos de ângulos de varredura; c) parâmetros de trajetória da ferramenta ...... 10 Figura 5 – Estrutura química do PETG ................................................. 12 Figura 6 – Dispositivo com a película condutora conectado com fios elétricos ................................................................................................. 18 Figura 7 – Análise de transparência mediante a visualização a olho nú de um dispositivo microfluídico ................................................................ 18 Figura 8 – Análise de transparência de dispositivos microfluídicos pelas técnicas a) FFF, b) MJM e c) SLA. ....................................................... 19 Figura 9 – Variação do air gap na impressão das peças ....................... 21 Figura 10 – Influência do aumento da temperatura na mesoestrutura das peças ...................................................................................................... 22 Figura 11 – Influência da infiltração de resina na mesoestrutura das peças ............................................................................................................... 22 Figura 12 – Dispositivo microfluídico semitransparente: a) visualização através do dispositivo; b) esquema representativo do modelo do dispositivo; c) dispositivo microfluídico. .............................................. 23 Figura 13 – Análise de transmitância com a variação da velocidade de impressão e espessura de camada .......................................................... 24 Figura 14 – Comparação de transmitância das amostras com relação a uma placa de PLA injetada .................................................................... 25 Figura 15 – Análise de transparência de um dispositivo microfluídico; a) superfície superior; b) superfície inferior .............................................. 26 Figura 16 – Perda de transmitância de amostras 3D com três espessuras de camadas em três velocidades de impressão ...................................... 30 Figura 17 – Imagem dos microcanais fabricados com diferentes orientações de impressão ....................................................................... 31 Figura 18 – Transmissão de luz de peças fabricadas pelos processos de: a) manufatura aditiva por FFF e b) manufatura convencional. ............. 33 Figura 19 – Orientações de construção na fabricação de componentes ópticos: a) objeto projetado no CAD; b) objeto fabricado .................... 34

Figura 20 – Influência da largura de extrusão na taxa de deposição do material ................................................................................................. 39 Figura 21 – Influência da adesão dos filamentos na precisão geométrica de peças em FFF ................................................................................... 40 Figura 22 – Comportamento de um feixe de luz sobre uma superfície: a) oblonga; b) esférica ............................................................................... 41 Figura 23 – Sistema hemisférico óptico do espectrofotômetro ............. 47 Figura 24 – Esquema para determinação do IUQI ................................ 50 Figura 25 – Organização das etapas da pesquisa .................................. 54 Figura 26 – Impressora 3D de código aberto robusta ........................... 56 Figura 27 – Plataforma de construção aquecida.................................... 57 Figura 28 – Estratégia de preenchimento das amostras ........................ 60 Figura 29 – Posição da amostra na plataforma de impressão da impressora 3D: a) perspectiva b) vista superior ...................................................... 60 Figura 30 – Número de loops na peça ................................................... 62 Figura 31 – Estratégia de medição da espessura das placas .................. 62 Figura 32 – Estratégia de análise das posições das amostras ................ 64 Figura 33 – Aparato de captura das imagens para a medição pelo IUQI .............................................................................................................. 66 Figura 34 – Padrão geométrico utilizado para a captura das imagens e medição pelo IUQI ................................................................................ 66 Figura 35 – FTIR do PETG da placa padrão ......................................... 69 Figura 36 – FTIR do PETG filamento .................................................. 70 Figura 37 – FTIR de diferentes concentrações de CHDM no PET ....... 70 Figura 38 – DSC de composições CHDM no PET: a) taxa de resfriamento, b) taxa de aquecimento ......................................................................... 71 Figura 39 – DSC do filamento em PETG: a) taxa resfriamento, b) tava de aquecimento .......................................................................................... 72 Figura 40 – Temperatura de degradação do PETG filamento ............... 73 Figura 41 – Representação da média e do desvio padrão da espessura das placas por condição ............................................................................... 74 Figura 42 – Representação da média da correlação XY e os desvios padrão das placas e a comparação entre as suas posições ..................... 76 Figura 43 – Comparação dos resultados da correlação XY das placas das condições E1Le2 e E2Le2 com base nas posições de visualização ...... 77

Figura 44 – Representação da luminância média e os desvios padrão das placas por condição e a comparação entre as suas posições de visualização ............................................................................................................... 79 Figura 45 – Comparação dos resultados da luminância das placas das condições E1Le2 e E2Le2 com base nas suas posições ........................ 80 Figura 46 – Representação da média do contraste e os desvios padrão das placas por condição e a comparação entre as suas posições .................. 81 Figura 47 – Comparação dos resultados do contraste das condições E1Le2 e E2Le2 com base nas posições de visualização ................................... 82 Figura 48 – Representação da média e os desvios padrão do IUQI das placas por condição e comparação entre as posições de visualização ... 84 Figura 49 – Comparação dos resultados do IUQI das condições E1Le2 e E2Le2 com base nas posições de visualização ..................................... 85 Figura 50 – Representação da média e desvio padrão da transmitância total das placas por condição na faixa de comprimento de onda de luz ultravioleta (360 - 400 nm) .................................................................... 88 Figura 51 – Representação da média e desvio padrão da transmitância total das placas de cada condição para a faixa de comprimento de onda de luz visível (400-740 nm) ....................................................................... 89 Figura 52 – Comparação da transmitância total da placa padrão e das das placas das condições E1Le2 e E2Le2 na faixa de comprimento de onda ultravioleta (360 - 400 nm) .................................................................... 90 Figura 53 – Comparação da transmitância total da placa padrão e das placas das condições E1Le2 e E2Le2 na faixa de comprimento de onda de luz visível (400 - 740 nm) ................................................................ 90 Figura 54 – Representação da média e desvio padrão da transmitância difusa média das placas das condições para a faixa de comprimento de onda ultravioleta (360 - 400 nm) ........................................................... 92 Figura 55 – Representação da média e desvio padrão das placas das condições para a faixa de comprimento de onda luz visível (400 -740 nm) ............................................................................................................... 92 Figura 56 – Representação do haze das placas das condições para a faixa de comprimento de onda ultravioleta (360-400 nm) ............................. 94 Figura 57 – Representação do haze das placas das condições para a faixa de comprimento de onda a luz visível (400-740 nm) ............................ 94

Figura 58 – Defeito estrutural na peça com relação a temperatura do bocal Tb1 .......................................................................................................111 Figura 59 – Defeito estrutural na peça, na temperatura Tb2, devido ao desnível da altura entre o bocal e a plataforma (Hbp) ..........................111 Figura 60 – Defeito estrutural e de transparência com relação a temperatura do bocal Tb3 ....................................................................111 Figura 61 – Defeito de distribuição irregular da luz causado pelo desnível da altura do bocal e a plataforma (Hbp) ...............................................112 Figura 62 – Falha de transparência da placa fabricada com E= 0,05 mm .............................................................................................................113 Figura 63 – Placa com a configuração E1Vi1Hbp1 .............................114 Figura 64 – Placa com a configuração E2Vi2Hbp2 .............................115 Figura 65 – Placa com a configuração E3Vi2Hbp2 .............................115 Figura 66 – Falha de deposição durante a impressão de uma das peças da condição E1Vi1Hbp2 ...........................................................................115 Figura 67 – Plataforma da PixelLink ® para a captura da imagem pela câmera ..................................................................................................117 Figura 68 – Plataforma do Labview® para medição do IUQI e dos coeficientes de correlação, luminância e contraste ..............................118 Figura 69 – Imagem das placas da condição E1Le1 nas posições: a) HB; b) HT; c) VB; d) VT ............................................................................123 Figura 70 – Imagem das placas da condição E1Le2 nas posições: a) HB; b) HT; c) VB; d) VT ............................................................................124 Figura 71 – Imagem das placas da condição E2Le1 nas posições: a) HB; b) HT; c) VB; d) VT ............................................................................125 Figura 72 – Imagens das placas da condição E2Le2 nas posições: a) HB; b) HT; c) VB; d) VT ............................................................................126 Figura 73 – Comparação das imagens da placa padrão com as placas das condições E1LE2 e E2LE2 na posição HB ..........................................127 Figura 74 – Representação da absorbância das placas das condições na faixa de comprimento de onda ultravioleta (360-400 nm) ...................132 Figura 75 – Representação da absorbância das placas das condições na faixa de comprimento de onda de luz visível (400-740 nm) ................132 Figura 76 – Tabela de distribuição de t para o teste de hipóteses ........137

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Diferenças entre transmissão de luz através de um material. ............................................................................................................... 45

Tabela 2 – Parâmetros fixos do processo .............................................. 58

Tabela 3 – Parâmetros de análise .......................................................... 59

Tabela 4 – Especificação das amostras ................................................. 59

Tabela 5 – Estratégia de análise dos parâmetros e posição das placas .. 64

Tabela 6 – Especificação dos parâmetros da lente utilizados no aparato ............................................................................................................... 65

Tabela 7 – Parâmetros do OnColor para o ensaio de transmitância ...... 67

Tabela 8 – Resultado da espessura das placas ....................................... 73

Tabela 9 – Teste ANOVA referente a espessura das placas .................. 75

Tabela 10 – ANOVA da correlação XY ............................................... 78

Tabela 11 – ANOVA da luminância ..................................................... 80

Tabela 12 – ANOVA do contraste ........................................................ 83

Tabela 13 – ANOVA do IUQI .............................................................. 85

Tabela 14 – ANOVA Transmitância total ............................................. 91

Tabela 15 – ANOVA da transmitância difusa ....................................... 93

Tabela 16 – ANOVA do Haze .............................................................. 95

Tabela 17 – Níveis dos parâmetros de temperatura do bocal e temperatura da plataforma ....................................................................................... 110

Tabela 18 – Análise visual das amostras avaliando a influência de Tb e Tp na qualidade superficial e união dos filamentos ............................ 110

Tabela 19 – Níveis dos parâmetros: espessura de camada (E), velocidade de impressão (Vi) e altura entre o bocal e a plataforma (Hbp) ............ 113

Tabela 20 – Avaliação da influência da espessura de camada (E), velocidade de impressão (Vi) e altura entre o bocal e a plataforma (Hbp) nas amostras através da análise visual a olho nu ................................. 114

Tabela 21 – Resultado de medição das placas de cada condição para a correlação XY ..................................................................................... 119

Tabela 22 – Resultado de medição das placas de cada condição para a luminância ........................................................................................... 120

Tabela 23 – Resultado de medição das placas de cada condição para o contraste .............................................................................................. 121

Tabela 24 – Resultado de medição das placas de cada condição para o IUQI .....................................................................................................122

Tabela 25 – Resultado de medição das placas das condições pela transmitância total (400 -740 nm) ........................................................129

Tabela 26 – Resultado de medição das placas das condições pela transmitância difusa (400 - 740 nm) ....................................................130

Tabela 27 – Resultado de medição das placas das condições pelo haze (400-740 nm) .......................................................................................131

Tabela 28 – Teste de hipóteses para algumas condições do teste IUQI .............................................................................................................134

Tabela 29 – Teste de Hipótese para algumas condições do ensaio de espectrofotometria (400-740 nm) .........................................................135

LISTA DE QUADROS

Quadro 1 – Classificação dos processos da Manufatura Aditiva ---------- 5

Quadro 2 – Características gerais do PETG. -------------------------------- 12

Quadro 3 – Características da impressora 3D ------------------------------ 57

Quadro 4 – Definições das posições de análise das placas durante ----- 63

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

2PP Two-photon polimeriza-tion

Polimerização por dois fó-tons

3D Tridimensional

ABS Acrylonitrile Butadiene Styrene

Acrilonitrila Butadieno Es-tireno

ABIPLAST Associação Brasileira da Indústria do Plástico

AMF Additive Manufacturing File Format

Formato de arquivo para a Manufatura Aditiva

ANOVA Análise de variância

ASTM American Society for Tes-ting and Material

Sociedade Americana para Ensaios de Materiais

CAD Computed Aided Design Desenho assistido por com-putador

CERMAT Núcleo de Pesquisa em Materiais Cerâmicos e Vidro

CHDM Cyclohexanedimethanol Ciclohexanodimetanol

CIE Comission Internacionale de´l Éclairage

Comissão Internacional de Iluminação

CP Corpo de Prova

DIY Do It Yourself Faça-você-mesmo

DNA Deoxyribonucleic acid – Ácido desoxirriboncleico

DOE Design of Experiment Planejamento de Experi-mento

DP Desvio Padrão

DSC Differencial Scanning Colorimetry

Colorimetria Diferencial de Varredura

F Fator F para análise de variância

FDM Fused Deposition Mode-ling

Modelagem por Fusão e Deposição

FFF Fused Filament Fabrica-tion

Fabricação por Filamento Fundido

FTIR Fourier Transform Infra-red Spectroscopy

Espectroscopia no Infraver-melho por Transformada de Fourier

GL Graus de Liberdade

HDPE High Density Polyethylene

Polietileno de Alta Densi-dade

HIPS High Impact Polystyrene Poliestireno de Alto Im-pacto

HVS Human Visual System Sistema Visual Humano

IFSC Instituto Federal de Santa Catarina

IUQI Universal Image Quality Index

Índice Universal de Quali-dade de Imagem

ISO Internacional Organiza-tion for Standardization

Organização Internacional de Padronização

K Kelvin

LABMAT Laboratório de Materiais

LABMETRO Laboratório de Metrologia

MA Manufatura Aditiva

MAE Mean Absolute Error Erro Absoluto Médio

Máx. Máximo

MEV Microscopia Eletrônica de Varredura

mín. Mínimo

MJM Multijet Modeling Impressão por Jato de Tinta

MQ Mean Square Média Quadrática

MSE Mean Square Error Erro Médio Quadrático

P Valor P para análise de variância

PA Polyamide Poliamida

PC Polycarbonate Policarbonato

PET Polyethylene Terephta-late

Politereftalato de Etileno

PETG Polyethylene Terephta-late Glycol

Politereftalato de Etileno Glicol

PLA Poly Lactic Acid Poli Ácido Láctico

PMMA Poly (methyl 2-methyl-propenoate)

Polimetil-metacrilato

PP Polypropylene Polipropileno

PS Polystyreno Poliestireno

PSNR Peak Signal to Noise Ra-tio

Razão Sinal Ruído de Pico

RepRap Replicating Rapid Proto-typer

Prototipagem Rápida Re-plicável

SL Stereolithography Estereolitografia

SLA Stereolithography appa-ratus

Aparato de Estereolitogra-fia

SNR Signal to Noise Ratio Razão Sinal/Ruído

STL Standard Triangulariza-tion Language

Linguagem Triangular Pa-drão

SQ Sum of Square Soma dos Quadrados

UFSC Universidade Federal de Santa Catarina

UV Ultravioleta

TGA Thermogravimetric Analysis

Análise Termogravimétrica

LISTA DE SÍMBOLOS

Alfabeto Latino: B Superfície de base Dp [%] Densidade de preenchimento E [mm] Espessura de camada IUQI Índice de qualidade de imagem total H0 Hipótese nula H1 Hipótese alternativa H Posição horizontal dos filamentos Haze [%] Razão entre transmitância difusa e a trans-

mitância total Hbp [mm] Altura entre o bocal e a plataforma K Kelvin Le [%] Largura de extrusão Me Multiplicador de extrusão Q1 Correlação XY Q2 Luminância Q3 Contraste S Desvio padrão da amostra t t de Student para o teste de hipóteses T Superfície de topo T Valor de T do teste T T1

Taxa de transmissão emitida pelo equipa-mento

T2 Taxa de transmissão emitida pela peça T3

Taxa de transmissão de luz bidirecional emitida pelo equipamento

T4

Taxa de transmissão de luz emitida pela peça e pelo equipamento

Tb [°C] Temperatura do bocal Tc [°C] Temperatura de cristalização Td [%] Transmitância difusa Tdg [°C] Temperatura de degradação Tm [°C] Temperatura de fusão Tp [°C] Temperatura da plataforma Tp [°C] Temperatura de processamento Tg [°C] Temperatura de transição vítrea Tr [%] Transmitância regular Tt [%] Transmitância total V Posição vertical dos filamentos

Vi [mm/s] Velocidade de impressão X Valores em X Y Valores em Y N Número de pixels n Número de amostras Alfabeto Grego: α Fator de confiança µ Média da amostra µx Valor médio em X µy Valor médio em Y σx Variância em X σy Variância em Y σxy Covariância em XY ʋ Graus de liberdade do teste T ø [mm] Diâmetro do filamento

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO .......................................................................... 1

1.2.1 Objetivos específicos ................................................................... 2

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................. 3

2.2.1 Impressoras 3D open-source de baixo custo ............................. 8

2.2.2 Parâmetros do processo FFF ..................................................... 9

2.2.3 Materiais poliméricos utilizados em impressoras 3D em código aberto de baixo custo .............................................................. 11

2.4.1 Aplicação das peças .................................................................. 15

2.4.2 Polímeros utilizados na fabricação das peças ópticas............ 20

2.4.3 Parâmetros e estratégias de fabricação das peças por FFF .. 21

2.4.4 Técnicas de pós-processamento para aumentar a transparência das peças ópticas ......................................................... 32

2.4.5 Qualidade e características de peças ópticas fabricadas por FFF .....................................................................................................33

2.6.1 Transmitância total e difusa .................................................... 42

2.7.1 Espectrofotometria UV-Visível ............................................... 46

2.7.2 Índice universal de qualidade de imagem (IUQI) .................. 48

3 MATERIAIS E MÉTODOS .................................................... 53

3.2.1 Espectrofotometria no infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) .................................................................................... 55

3.2.2 Calorimetria diferencial por varredura (DSC) ...................... 55

3.2.3 Análise termogravimétrica (TGA) .......................................... 55

3.3.1 Geometria das amostras .......................................................... 56

3.3.2 O equipamento ......................................................................... 56

3.3.3 Fase 1: Avaliação preliminar dos parâmetros de fabricação por tentativa e erro ............................................................................. 58

3.3.4 Fase 2: Otimização dos parâmetros do processo de extrusão59

3.3.5 Procedimento de fabricação das placas .................................. 61

3.4.1 Medição da espessura das placas ............................................ 62

3.4.2 Avaliação óptica da posição das placas nos testes ................. 63

3.4.3 Medição pelo índice de qualidade de imagem (IUQI) ........... 65

3.4.4 Medição pela espectrofotometria UV-Visível ........................ 67

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ........................................... 69

4.1.1 FTIR .......................................................................................... 69

4.1.2 DSC ............................................................................................ 70

4.1.3 TGA ........................................................................................... 72

4.3.1 Correlação XY .......................................................................... 75

4.3.2 Luminância ............................................................................... 78

4.3.3 Contraste ................................................................................... 81

4.3.4 IUQI ........................................................................................... 83

4.3.5 Considerações gerais dos resultados pelo IUQI ..................... 86

4.4.1 Transmitância total .................................................................. 87

4.4.2 Transmitância difusa e haze .................................................... 91

4.4.3 Considerações gerais dos resultados pela espectrofotometria UV-Visível ............................................................................................ 95

5 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ........................................................................................... 99

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................101

APÊNDICE A – ESTUDO EXPLORÁTORIO DOS PARÂMETROS DO PROCESSO DE EXTRUSÃO ...................................................109

APÊNDICE B – SOFTWARES DO TESTE IUQI ..........................117

APÊNDICE C – RESULTADOS DO TESTE IUQI ...................... 119

APÊNDICE D – RESULTADOS DO TESTE DE ESPECTROFOTOMETRIA UV-VISÍVEL ................................... 129

APÊNDICE E – TESTE DE HIPÓTESE PARA A COMPARAÇÃO DE RESULTADOS ........................................................................... 133

ANEXO A – TABELA DE DISTRIBUIÇÃO T PARA O TESTE DE HIPÓTESE ........................................................................................ 137

1 INTRODUÇÃO

APRESENTAÇÃO DO PROBLEMA

A Manufatura Aditiva (MA), também conhecida como Impressão 3D, está sendo apontada como um importante e novo grupo de processos de fabricação não convencionais. Sua capacidade e flexibilidade em ma-nufaturar, camada sobre camada, peças geometricamente complexas a partir de arquivos CAD tem despertado o interesse de empresas que bus-cam a redução de tempos e custos de produção (MONZÓN et al., 2014; ANITHA et al., 2001; WENDT et al., 2015).

Das várias técnicas possíveis de manufatura por camadas, a que se baseia na extrusão de material é uma das mais utilizadas, correspondendo a quase metade de todos os equipamentos em uso atualmente (SONG & TELENKO, 2017; ANITHA et al., 2001).

Este elevado número se deve, em parte, a expiração da patente do processo de modelagem por fusão e deposição (FDM) desenvolvido pela empresa Stratasys®. Além disso, a crescente difusão do uso e desenvol-vimento de equipamentos de código aberto, contribuiu para o surgimento de um grande número de novas impressoras 3D de baixo custo, baseadas no princípio de extrusão de material.

A matéria-prima predominante nesta técnica são polímeros termo-plásticos na forma de filamentos, onde se destacam o PLA e o ABS. Po-rém novos materiais vem sendo inseridos no mercado, principalmente com a utilização de aditivos (TANIKELLA et al., 2017).

Com essa possibilidade, as impressoras 3D têm demonstrado seu uso potencial em uma ampla gama de aplicações, principalmente na cus-tomização de produtos e no desenvolvimento de protótipos para sistemas complexos e integrados (LANZOTTI et al., 2015; TYMRAK et al., 2014).

Mesmo com esse potencial, poucas pesquisas buscaram investigar às propriedades de peças fabricadas por meio dessas impressoras 3D, principalmente relacionadas às propriedades ópticas (TYMRAK et al., 2014; MELENKA et al., 2015; CHACÓN et al., 2017; LANZOTTI et al., 2015).

Neste caso, entre as propriedades ópticas, a transparência é uma das características fundamentais em peças que demandam a passagem de uma fonte de luz ou a visualização de um objeto através delas. A capaci-dade de um material em atender esses requisitos ou não, faz com que o mesmo possa ser utilizado em diversas aplicações tais como na fabricação

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de difusores de luz, telas de proteção e visualização, dispositivos para sensores ópticos ou desenvolvimento de fibras ópticas.

Com as novas e acessíveis tecnologias da impressão 3D, diversos materiais têm surgido para essas aplicações, dentre os materiais que aten-dem esses requisitos e que estão sendo inseridos no processo, destaca-se o PETG.

Esse material trata-se de um polímero com a composição modifi-cada da estrutura do PET com a adição de glicol. A inclusão deste, atribui ao PETG principalmente maior transparência se comparado com o PLA e o ABS, podendo ser utilizado em diversas aplicações que demandem essa propriedade (TAVARES, 2007; JIANG & SMITH, 2016).

No entanto, poucas pesquisas têm investigado as possibilidades e limitações da fabricação de peças ópticas ou o uso e a viabilidade do PETG na fabricação de peças pelo processo de extrusão de material com o objetivo de compreender seu comportamento óptico em função da vari-ação dos parâmetros desse processo (NIDAGUNDI et al., 2015; TORRADO & ROBERSON, 2016).

OBJETIVOS

O objetivo geral deste trabalho foi avaliar as propriedades ópticas de placas em PETG fabricadas por fabricação de filamento fundido (FFF) em uma impressora 3D de código aberto e de baixo custo.

1.2.1 Objetivos específicos

a) analisar as propriedades ópticas de placas em função de parâme-tros de processo utilizados na impressão 3D por FFF e do posicionamento das placas nos equipamentos de medição;

b) analisar as características ópticas das placas através do índice de qualidade de imagem e da espectrofotometria UV-visível;

c) comparar os resultados da transparência das placas fabricadas pela impressão 3D com uma placa padrão fabricada por processo conven-cional.

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

MANUFATURA ADITIVA: CONSIDERAÇÕES GERAIS

A norma (ISO/ASTM 52900), criada pelas instituições ISO (Inter-nacional Satandardization Organization) e ASTM (American Society Testing and Materials), descreve a manufatura aditiva (MA) como um processo de junção de materiais para fabricação de peças a partir de dados de modelos em 3D, geralmente camada sobre camada, sendo o oposto ao apresentado pelos processos de fabricação por subtração, remoção ou conformação (ISO/ASTM 52900, 2015).

Embora a norma estabelece o termo MA, a tecnologia é popular-mente conhecida como impressão 3D (LANZOTTI et al. 2015).

De acordo com a literatura, a tecnologia é apresentada também através de outras terminologias, tais como: fabricação aditiva, processo aditivo, técnicas aditivas, manufatura de camada aditiva, manufatura em camadas e fabricação de forma livre (BELLINI; GÜÇERI, 2003 ;MARTÍNEZ et al., 2012 ;MONZÓN et al., 2014;ISO/ASTM 52900, 2015).

Na tecnologia de manufatura de peças por adição de camadas, o procedimento de fabricação, (Figura 1) inicia a partir de um modelo 3D que é transformado predominantemente em formato de arquivo STL (Standard Triangulation Language) ou em formato de arquivo AMF (Ad-ditive Manufacturing File Format).

As informações referentes ao novo formato são utilizadas por outro software para realizar o fatiamento da peça camada por camada e para definir os parâmetros dos processos. Após este procedimento, a sequência de movimentos obtidas pelo software fatiador é enviada ao equipamento da técnica desejada onde a peça é finalmente fabricada (MONZÓN et al.., 2014;ISO/ASTM 52900, 2015).

Por fim, após estas etapas serem concluídas, dependendo do pro-cesso, a peça poderá ser submetida a um pós-processamento para garantir melhor acabamento, podendo ser necessária uma limpeza ou remoção de suportes, mas também para conferir melhores propriedades aos compo-nentes fabricados (SANTANA, 2015;MONZÓN et al.., 2014).

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Figura 1 – Etapas gerais do processo da Manufatura Aditiva

Fonte: Adaptado de PEKO, BAJIĆ e VEZA, (2015)

O processo de impressão 3D possui diferentes técnicas de fabrica-

ção de peças que compartilham dos mesmos procedimentos no planeja-mento de fabricação das peças e são diferenciadas pelo princípio de for-mação da camada, tipo de material e fonte de energia utilizados (MOHAMED; MASOOD; BHOWMIK, 2016; MONZÓN et al. 2014 ;SANTANA, 2015).

No Quadro 1 são apresentadas as descrições das técnicas da MA segundo o princípio de consolidação, os tipos de materiais e fontes de energias de cada método conforme descritas por GAO et al. (2015).

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Quadro 1 – Classificação dos processos da Manufatura Aditiva

Categoria Princípio de consolidação

e /ou deposição das camadas

Materiais Fonte de Energia

Jateamento de agluti-

nantes

Deposição seletiva de um agente líquido para junção

de materiais em pó

Pós de políme-ros/

cerâmica e me-tais

Energia térmica

Deposição direta de energia

Uso de uma energia térmica focalizada para fundir mate-riais por fusão a medida que

são depositados

Pó metálico fundido

Feixe a laser

Extrusão de material

Deposição de um material por meio de um bocal ou

orifício

Termoplásticos/ Pastas

cerâmicas/ Pastas

metálicas

Energia Térmica

Jateamento de material

Gotas de materiais são depositados seletivamente

Fotopolímero/ Cera

Energia térmica/

Foto curável

Fusão em leito em pó

Processo cuja energia tér-mica une seletivamente as

regiões de um pó

Pó de cerâmica/ de polímero/ de

metal

Feixe a la-ser de alta potência/ Feixe de elétrons

Adição de laminados

União de folhas de um ma-terial para formar uma peça

Filme plástico/

Folha metálica/

Fita cerâmica

Feixe a laser

Fotopoli-merização em Cuba

Cura seletiva por meio de uma luz de um material fo-tossensível no interior de

uma cuba

Fotopolímero/ Cerâmicas

Laser ultravioleta

Fonte: Adaptado de GAO et al. (2015)

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Os métodos da MA geralmente são mais utilizados quando há ne-cessidade de uma rápida transformação do projeto, por meio de um pro-tótipo, de uma determinada peça acabada, para a personalização de peças, para produção em pequena escala ou para formas extremamente inco-muns que não são viáveis de fabricar com o método tradicional.

Das várias técnicas presentes na manufatura por adição de cama-das, a extrusão de material, é a mais utilizada, pois conta com uma signi-ficativa porcentagem de máquinas em uso (SONG; TELENKO, 2017 ;ANITHA; ARUNACHALAM; RADHAKRISHNAN, 2001).

Como a grande maioria dos equipamentos existentes no mercado, são provenientes deste processo, este foi objeto de investigação nesta pes-quisa.

MANUFATURA POR EXTRUSÃO DE MATERIAL: FABRI-CAÇÃO POR FILAMENTO FUNDIDO (FFF)

O processo de extrusão de material segundo a norma ISO/ASTM 52900 (2015) é descrito como um processo aditivo que consiste na depo-sição seletiva, ou extrusão de um material, na forma de um filamento, por meio de um bocal ou orifício aquecido.

O primeiro equipamento que utilizou este princípio de fabricação, aplicado para materiais termoplásticos, surgiu em 1992, quando a em-presa Stratasys Ltd, desenvolveu o processo de Modelagem de Deposição Fundida (do inglês, FDM - Fused Deposition Modeling) designada por Volpato et al. (2007) como modelagem de fusão e deposição.

Com o advento da expiração da patente da Stratasys Ltd e pelo fato que o FDM representa o nome da marca registrada, os fabricantes de sis-temas de código aberto, que utilizam o mesmo princípio de fabricação, têm se referido a esse processo como "fabricação por filamentos fundi-dos" (do inglês, FFF – Fused Filament Fabrication). Com isso, apenas o termo FFF será considerado no desenvolvimento do trabalho (TURNER; GOLD, 2015; YUEN, 2016).

Usualmente, o processo físico de FFF (Figura 2), consiste em em-purrar o filamento do material polimérico para dentro de uma câmara aquecida através de duas polias tracionadoras onde o material torna-se fundido. Após a fusão, o filamento é extrudado por meio de um bocal com movimentos nas direções X-Y, onde a deposição do filamento ocorre con-forme as características geométricas da peça a ser fabricada.

Com a extrusão do material, o filamento é depositado em uma pla-taforma, resfria e se solidifica na medida em que vai seguindo uma traje-

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tória de deposição. Cada camada de filamentos da peça é gerada na plata-forma que suporta e fixa a peça fabricada, e então move-se verticalmente no plano Z para começar a deposição de uma outra camada acima da an-terior. Após um período de tempo, geralmente alguns minutos ou várias horas, o equipamento terá fabricado a representação física total da peça de acordo com o arquivo original do modelo CAD (NOVAKOVA-MARCINCINOVA;NOVAK-MARCINCIN, 2012;AHN et al.., 2002;BELLINI; GÜÇERI, 2003; DANI et al.., 2013 ;VOLPATO et al., 2007).

Figura 2 – Processo de extrusão de material

Fonte: Adaptado de CARNEIRO et al. (2015)

A maioria dos sistemas de extrusão de material utiliza materiais

poliméricos como principal fonte de matéria-prima para a fabricação de peças. No entanto, estudos têm sido feitos para inserir outros materiais ao processo tais como, cerâmicos e metálicos (GAO et al. 2015; STANSBURY e IDACAVAGE, 2016).

A tecnologia de filamento fundido é amplamente empregada na fa-bricação de protótipos, mas tem sido aplicada também na produção de peças funcionais, isto porque está possibilitando o controle das proprie-dades das peças durante a fabricação por meio da variação dos parâmetros do processo (TYMRAK; KREIGER; PEARCE, 2014 ;MARTÍNEZ et al. 2012).

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Após o período da expiração da patente, a técnica de extrusão de material desenvolvida pela Stratasys®, por meio da FDM, foi ampla-mente difundida através do movimento open-source, que possibilita refe-renciar o direito de cópia, redistribuição e alterações de hardware e sof-tware. A alternativa de desenvolvimento de impressoras por licenças abertas possibilitou a garantia de acesso não–exclusivo a propriedade in-telectual. Com isso, contribuiu para uma drástica redução de custos e de-senvolvimento de várias impressoras 3D de código aberto dedicadas a esse princípio, denominado FFF (SANTANA, 2015; LANZOTTI et al., 2015; MELENKA et al. 2015).

2.2.1 Impressoras 3D open-source de baixo custo

Os modelos das impressoras mais utilizadas para a fabricação de peças pelo processo de extrusão de material estão classificados em três tipos de categorias conforme Lanzotti et al., (2015): “DIY” (Do it your-self), ou faça-você-mesmo, as “open sources” (do inglês - código aberto) completamente montada e sistemas comerciais com softwares proprietá-rios.

Lanzotti et al. (2015) e Melenka et al. (2015) comentam que no momento, existem muitas impressoras 3D de baixo custo no mercado, além de que há vários modelos de impressoras em código aberto baseadas no princípio de funcionamento do método de extrusão de material, dos quais, incluem os modelos RepRap®, Fab@Home e MaKerBot.

Esse tipo de equipamento é designado principalmente como hobby para usuários domésticos em diversas aplicações como na fabricação de objetos de artes, brinquedos, ferramentas e utensílios domésticos, assim como também para pesquisas científicas (MELENKA et al. 2015; TYM-RAK et al., 2014; LANZOTTI et al.., 2015).

Para verificar o potencial dessas impressoras em fabricar peças funcionais, Tymrak et al. (2014) e Tanikella et al., (2017) investigaram o desempenho de alguns modelos de impressora 3D de baixo custo por meio da análise das propriedades mecânicas de peças fabricadas em PLA e ABS.

Por meio dos resultados, constataram que as RepRaps apresentam desempenho similar aos dos equipamentos comerciais, o que evidenciou o potencial dessas máquinas para serem utilizadas na fabricação desse tipo peça. Assim, investigar o comportamento e as propriedades de peças fabricadas por impressoras de código aberto, torna-se importante no campo da MA, para viabilizar o uso dessas máquinas na fabricação de peças funcionais.

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2.2.2 Parâmetros do processo FFF

No processo de extrusão de material as camadas produzidas através da adesão dos filamentos apresentam uma característica intrínseca, a anisotropia. Esse fenômeno ocorre devido a variação das características e propriedades das peças decorrentes das diferentes direções de deposição do material e ao modo de adesão dos filamentos intra e entre camadas que ocorrem na peça (Figura 3). A anisotropia é determinada a medida que a mesoestrutura da peça vai sendo formada por meio dessa adesão (BEL-LINI & GÜÇERI, 2003).

Figura 3 – Mesoestrutura de peças fabricadas por FFF

Fonte: Autora

(BELLINI & GÜÇERI, 2003). Para ter maior controle da variação das propriedades das peças de-

vido a característica anisotrópica, é importante estabelecer adequada-mente a configuração inicial dos parâmetros no processo.

A etapa de planejamento de fabricação da peça é governada pelos parâmetros do processo, que podem ser controlados direta e indiretamente pelo usuário, e influenciam nessas características e propriedades das pe-ças. Desta forma, determinar adequadamente a estratégia de construção das peças implicará em grandes efeitos sobre seu comportamento final (SANTANA, 2015; BELLINI & GÜÇERI, 2003).

Por ser um processo complexo devido ao grande número de parâ-metros que influenciam na qualidade e propriedades da peça, torna-se im-portante analisar e compreender a influência dos parâmetros sobre o seu desempenho (CHACÓN et al., 2017).

Segundo a extensa literatura, os principais parâmetros que contro-lam a fabricação de peças no processo de extrusão de material, exempli-ficados na Figura 4, são: espessura da camada, orientação de construção,

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ângulo de varredura, largura de filamento, largura do contorno, número de contornos, espaçamento entre filamentos, densidade de preenchi-mento, temperatura da plataforma e do bocal (bico) e velocidade de im-pressão (SANTANA, 2015; MOHAMED et al., 2015; CHACÓN et al., 2017).

Figura 4 – Parâmetros do Processo: a) orientações de construção; b) ti-pos de ângulos de varredura; c) parâmetros de trajetória da ferramenta

Fonte: Adaptado de SANTANA (2015); CHACÓN et al. (2017); LAN-

ZOTTI et al. (2015); VOLPATO et al. (2007)

Muitos estudos verificaram a influência desses parâmetros por meio de várias condições de respostas tais como: qualidade e precisão dimensional, acabamento superficial e caracterização principalmente me-cânica das peças por meio de índices técnicos – como a resistência a tra-ção, flexão, compressão e resistência a impacto (ANITHA et al., 2001; NIDAGUNDI et al., 2015; TYMRAK et al., 2014; MELENKA et al., 2015; LANZOTTI et al., 2015).

Outros estudos verificaram a influência de alguns parâmetros com relação ao tempo de construção, custo total e taxa de consumo de material (RAUT et al., 2014;.CHACÓN et al., 2017; MOHAMED et al., 2016).

Os resultados obtidos através das pesquisas de otimização dos pa-râmetros dos processos apresentaram uma certa variação, porém consta-taram que alguns parâmetros tiveram uma maior influência nas respostas, que são a orientação de construção, o ângulo de varredura, a espessura da

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camada, o espaçamento entre filamentos de varredura e o número de con-tornos.

Mesmo que a técnica seja usada para fabricação de protótipos em diversas aplicações, as variações das respostas por meio deste processo são ainda relativamente altas, justificando investigar a influência dos pa-râmetros de processamento para se obter melhorias tanto na qualidade di-mensional e superficial quanto nas propriedades requeridas nas peças fa-bricadas por este processo (MONZÓN et al., 2014; ANITHA et al., 2001; WENDT et al., 2015).

2.2.3 Materiais poliméricos utilizados em impressoras 3D em código aberto de baixo custo

Segundo Santana (2015) a matéria-prima dominante no processo de extrusão de material é caracterizada por polímeros, especialmente ter-moplásticos. Materiais compósitos de matriz termoplástica, como com-posições poliméricas reforçadas e nano compósitos, torna a FFF uma es-colha atraente para a fabricação de objetos para diferentes aplicações.

Os polímeros mais utilizados e facilmente encontrados no mercado são o PLA e o ABS por apresentarem baixa viscosidade e temperatura de processamento, pois são as principais características requeridas para as matérias primas para este processo. (LANZOTTI et al., 2015; TYMRAK et al., 2014).

O PLA é disponível por uma vasta maioria de vendedores e forne-cedores de filamentos, possuindo uma temperatura de fusão relativamente baixa (150 à 160º C), o que requer menos energia para imprimir do que outros materiais. É, portanto, uma alternativa considerada vantajosa, se comparada ao ABS, por ser um polímero bio-degradável e atóxico (TA-NIKELLA et al., 2017).

O ABS segundo material mais utilizado na impressão pela técnica de extrusão de material, é um material proveniente do petróleo, é durável, leve, com boa flexibilidade e é fácil de ser extrudado. Requer alta tempe-ratura de trabalho se comparado com o PLA, variando de (210º à 250º C). Devido a sua fonte de origem, não é bio-degradável e difícil de reciclar, porém apresenta boa rigidez e durabilidade, resistência ao impacto e a oxidação (JIANG & SMITH, 2016; ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DA INDÚSTRIA DO PLÁSTICO, 2014).

Além dos dois materiais amplamente utilizados, há outros materi-ais disponíveis no mercado, tais como a poliamida (PA), policarbonato (PC), polietileno de alta densidade (HDPE), poliestireno de alto impacto

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(HIPS) e mais recentemente o politereftalato de etileno glicol (PETG) (JIANG & SMITH, 2016; WU et al., 2012).

2.2.3.1 PETG: caracterização, propriedades e aplicações

O politereftalato de etileno glicol, é um copolímero aleatório e amorfo, um poliéster de composição modificada do polietileno tereftalato (PET), sendo tradicionalmente produzido a partir da reação entre o etileno glicol e o ácido tereftálico (TAVARES, 2007; DIONNAS, 2008).

O PETG, cuja a estrutura química é mostrada na Figura 5, é obtido a partir da policondensação do ácido tereftálico e do etileno glicol com adição do agente de copolimerização 1,4 –ciclohexanodimetanol, o mo-nômero CHDM. A composição mais comum desse material é formada por 31% mol de CHDM e 69% mol de PET (TAVARES, 2007; DION-NAS, 2008; DUPAIX & BOYCE, 2005).

Figura 5 – Estrutura química do PETG

Fonte: Adaptado de TAVARES (2007)

As características gerais tais como densidade, temperatura de tran-

sição vítrea e de processamento são mostradas no Quadro 2.

Quadro 2 – Características gerais do PETG. PETG

Densidade 1,27 g/ cm³ Temperatura de Transição Vítrea (Tg) 76 - 80 º C Temperatura de Processamento (Tp) 190 - 290 º C

Fonte: Adaptado de DUPAIX e BOYCE (2005) e TAVARES (2007) O PETG apresenta temperatura de transição vítrea, aparência e

comportamento de deformação similares ao PET. O que o difere do PET é a sua característica amorfa atribuída a adição do monômero CHDM, pois inibe a formação cristalina na sua estrutura polimérica mesmo quando submetido a deformações ou a aumento de temperatura em con-dições de processamento (DUPAIX & BOYCE, 2005; TAVARES, 2007).

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Além disso, o PETG apresenta elevada transparência, que pode atingir até 90%, e alto brilho, características essas, que se assemelham ao vidro ou PMMA. Dentre as principais propriedades mecânicas presentes neste copolímero estão a alta rigidez, flexibilidade, tenacidade, baixa per-meabilidade a gases, estabilidade dimensional, resistência a impacto -neste caso quando utilizados corpos de prova sem entalhe- assim como, leveza e durabilidade (TAVARES, 2007; GOMEZ-GOMEZ et al.., 2013; WATANABE, 2016).

Em estudos realizados por Dupaix e Boyce (2005), o PETG apre-sentou uma boa recuperação elástica nos testes de compressão em relação ao PET, quando submetidos a variações de temperaturas na faixa de tran-sição vítrea.

Algumas aplicações do PETG, estão relacionadas com seu uso como material potencial para fabricação de fibras óticas sem núcleo atra-vés do processo de extrusão de material (CANNING et al., 2016)

As propriedades de barreira, resistência a produtos químicos e au-sência de toxicidade presentes no PETG permite classificá-lo como um polímero food safe e pode ser empregado na fabricação de embalagens, garrafas de bebidas, películas de revestimento de alimentos e também como recipientes para envase de formas farmacêuticas líquidas de admi-nistração oral (WILTON, 2011; DÍAZ-MANDADO, 2015; ABIPLAST, 2014).

Desta forma, pode ser utilizado na fabricação de produtos que de-mandam boa resistência química, ao impacto, mas também com a aparên-cia de alta transparência. (WIEBECK & HARADA, 2005; TAVARES, 2007; WATANABE, 2016).

TERMINOLOGIA UTILIZADA NA CARACTERIZAÇÃO DE PEÇAS ÓPTICAS

A aparência de produtos e materiais, decorrentes de suas proprie-dades, como mencionado na seção anterior, é importante em muitas apli-cações, principalmente industriais e científicas. Sua relevância é tão sig-nificativa que termologias de aparência são usadas para avaliar e caracte-rizar peças para descrever uma ampla gama de padrões em normas da Sociedade Americana de Testes e Materiais (do inglês, American Society for Testing and Materials, ASTM), bem como em documentos com inte-resse em padronizações, testes e principalmente em especificações indus-triais.

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Neste contexto, a intenção desta seção é apresentar através da norma ASTM E284 (2017), os termos e definições com relação a aparên-cia de peças e materiais, referentes a suas propriedades ópticas.

Para iniciar, tem-se a claridade, que é um termo que representa uma das condições mais importantes em uma peça ou material dentro da in-dústria dos polímeros. É definida como a característica de uma peça trans-parente pela qual duas imagens ou objetos distintos em contraste e sepa-rados por uma distância dessa peça, são possíveis de serem observados através dela (ASTM E284, 2017).

O contraste, no entanto, segundo a norma, pode ser entendido de duas formas. Na primeira, de forma objetiva, está relacionado ao grau de diferença de luminância entre as duas amostras analisadas. Na segunda, uma descrição mais subjetiva, refere-se ao grau de dissimilaridade entre duas peças quando há a comparação visual entre elas, sendo analisadas simultaneamente ou sucessivamente.

Esse contraste é muitas vezes confundido na literatura como sendo uma deformidade que a peça cria de uma imagem quando essa imagem é observada através da peça. No entanto, essa deformidade é definida pela norma ASTM E284 (2017) como sendo uma distorção, pois representa o defeito que a peça tem causando uma imperfeição ao se observar a ima-gem através da peça, ou seja, não permitindo a observação da imagem idêntica do objeto observado.

Porém, a qualidade da imagem de um objeto observado durante a sua visualização através da peça, descreve sua nitidez mesmo se a obser-vação for analisada de uma área específica ou total da peça.

Tanto a nitidez como a claridade são termos utilizados para corpos transparentes, ou seja, peças que tem a capacidade de visualizar uma ima-gem idêntica a um objeto quando o mesmo é observado através dela.

Essa condição depende da capacidade do corpo em transmitir de forma regular a luz que é incidida sobre ele para a observação do objeto e é somente possível por meio do processo de transmissão.

Como na natureza nada é perfeito, ao ponto que nenhum material tem a capacidade de transmitir 100% da luz incidida sobre ele, a taxa de fluxo de luz transmitida pelo material ou peça é descrita como sendo o fator de transmitância ou simplesmente transmitância que é diretamente influenciado pelas características do material e da geometria da peça que está sendo analisada.

Dependendo de como a luz é transmitida pela peça, a rigor ela so-mente pode ser caracterizada como peça transparente se o feixe de luz

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incidido é transmitido através dela sem difusão, ou seja, sem alterar a dis-tribuição angular do feixe de luz emitido inicialmente (CALLISTER, 2008; ASTM E284, 2017).

Porém, se transmite a luz difusamente, e sem permitir uma visão clara ou nítida dos objetos a uma certa distância dela e não em contato com ela, a peça é definida como sendo uma peça translúcida, ou caracte-rizada pela propriedade de translucidez. Assim, quando não há transmis-são nenhuma de luz, a peça é definida como opaca (CALLISTER, 2008; ASTM E284, 2017).

De uma maneira geral, considera-se que uma peça é mais transpa-rente e menos translúcida tanto maior for sua transmitância e por conse-guinte, menor a sua translucidez.

FABRICAÇÃO DE PEÇAS COM CARACTERÍSTICAS ÓP-TICAS POR FFF

A existência das sete técnicas na manufatura aditiva possibilita que cada vez mais sejam utilizadas para o desenvolvimento de peças funcio-nais, considerando não somente a otimização na propriedades mecânicas, mas também em outras propriedades, tais como as propriedades elétricas, magnéticas e ópticas (AHN; LEE; FEONG, 2004)

Embora o uso da impressão 3D em fabricar peças para diversas aplicações tenha um potencial significativo, até o momento o processo FFF, mencionado na seção 2.2, tem sido amplamente explorado princi-palmente visando a obtenção de peças com boas propriedades mecânicas. Poucos são os estudos que objetivam a obtenção de produtos que requei-ram características ópticas. (TOTHILL et al., 2017)

Nesta seção serão apresentadas as principais abordagens encontra-das na literatura que procuraram evidenciar a funcionalidade do processo FFF em fabricar peças que demandam transparência como principal ca-racterística óptica. Destaque será dado às possíveis aplicações das peças, aos materiais poliméricos mais utilizados nos estudos, à influência dos parâmetros e das características intrínsecas do processo FFF sob a trans-parência das peças e as técnicas alternativas de pós-processamento utili-zadas para aumentar sua característica de transparência.

2.4.1 Aplicação das peças

O primeiro estudo que faz menção as propriedades ópticas de peças fabricadas por FFF foi o de Ahn, Lee e Feong (2004) que investigaram a

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influência de técnicas de pós-processamentos no desenvolvimento de pe-ças translúcidas fabricadas em ABS. A intenção dos autores era fabricar protótipos funcionais translúcidos por meio da modificação superficial das peças 3D (AHN et al, 2004).

Mais recentemente, Wang et al. (2013) verificaram a viabilidade de usar a FFF na fabricação de dispositivos ópticos em ABS através da análise das propriedades ópticas usando abordagens de refletância difusa e de fibra óptica para caracterizar imagens ópticas.

Morgan et al. (2016) foram os primeiros autores a investigar a in-fluência de parâmetros do processo no aumento da transparência de peças fabricadas em impressoras 3D por meio de materiais disponíveis no mer-cado.

No seu estudo, fabricaram dispositivos microfluídicos1 mostrando que as limitações apresentadas pela técnica relacionadas a transparência foram superadas, possibilitando a utilização dessas peças (MORGAN et al. 2016).

Na sequência, Waheed et al. (2016) procuraram evidenciar por meio de uma revisão do estado da arte as principais possibilidades, limi-tações e perspectivas das técnicas de fabricação por filamento fundido (FFF) comparando-a com a impressão por jato de tinta (MJM), estereoli-tografia (SLA), e polimerização por fótons (2PP) na impressão de dispo-sitivos microfluídicos para aplicações ópticas.

No estudo, os autores verificaram que as placas impressas por FFF podem ser usadas para monitorar a presença de microrganismos patogê-nicos e que um chip impresso em 3D é adequado para análises de cultivo bacteriano e outras análises biológicas (WAHEED et al. 2016).

Assim como Morgan e sua equipe, Bishop et al. (2016) em sua pesquisa produziram dispositivos microfluídicos de boa transparência de microfluídicos, mostrando que uma impressora 3D desktop pode ser uti-lizada para fabricar dispositivos translúcidos funcionais, contendo orifí-cios com dimensões menores do que 0,250 mm.

Constataram que as impressoras 3D, especificamente por meio do processo de extrusão de material, têm sido usadas para criar diversos dis-positivos em aplicações analíticas tais como: sensores eletrônicos, válvu-las de injeção e vários acessórios que ajudam a converter smartphones em

1 Microfluídicos são definidos como dispositivos de manuseio e análise de flui-dos em escala micrométrica. A aplicação desses dispositivos destina-se a prepa-ração, separação, detecção e manipulação de fluidos (HO et al., 2015).

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microscópio portáteis fluorescentes e instrumentos para performance e bi-oavaliações baseado em fluorescência, colorimetria e bioluminescência. (BISHOP et al.2016).

Para aplicações do tipo transdutores de sinal contendo janela de visualização transparente, reduzir o número de camadas impressas na fa-bricação de peças, pode contribuir para aplicação óptica (BISHOP et al., 2016).

Além disso, com relação aos dispositivos para análise eletroquí-mica, especificamente aplicação com eletrodos, o design do dispositivo fluídico, permite incluir diferentes tipos ou matrizes de eletrodos que po-dem ser incorporados nos orifícios dos dispositivos para diversas aplica-ções desse campo.

A visibilidade limitada dos eletrodos inseridos através das camadas nos dispositivos 3D impede a identificação dos sinais ópticos tais como em aplicações de eletroquimioluminescência. Contudo, mencionam que a técnica pode ser utilizada para construir dispositivos que possibilitam in-serir eletrodos para medições eletroquímicas (BISHOP et al., 2016).

Em outra pesquisa, Yuen (2016) desenvolveu um método para in-corporar objetos e outros materiais em dispositivos microfluídicos du-rante a fabricação de uma peça por FFF. O objetivo era adicionar novas funcionalidades a peça durante a impressão, uma vez que esta possibili-dade não havia sido ainda explorada.

Pisaruka e Dymond (2016) desenvolveram um dispositivo fabri-cado com ABS ou PLA, utilizado para a análise de incidência de um feixe de luz com comprimento de onda UV-visível, para análises espectrofoto-métricas.

Assim como Ahn e sua equipe, Falco et al. (2016) investigaram a influência de pós-processamentos na transparência das peças impressas por FFF. A finalidade foi comparar diferentes métodos utilizados na re-dução da rugosidade de peças fabricadas em 3D para melhorar sua trans-parência.

Além disso, os autores desenvolveram um novo método baseado em deposição por pulverização via spray, e ao comparar com os outros métodos provou ser o mais eficaz e o mais fácil de aplicar nas peças.

De acordo com Falco et al. (2016), o método é uma aplicação prá-tica em que um objeto plano impresso tem sido utilizado como substrato para a deposição por pulverização de nanomateriais condutores. Um exemplo dessa aplicação é o dispositivo condutor mostrado na Figura 6, que foi pulverizado com uma fina camada condutora conectada a fios elé-tricos.

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Figura 6 – Dispositivo com a película condutora conectado com fios elé-tricos

Fonte: Adaptado de FALCO et al. (2016)

Na pesquisa de Gaal et al. (2017), assim como nos estudos de

Morgan et al. (2016) e Bishop et al.(2016), pretendeu-se desenvolver dis-positivos fluídicos transparentes com microcanais.

Na impressão em 3D dos microcanais transparentes em PLA, foi relatada boa transparência e a impressão de orifícios no dispositivos sem colapso como ilustrado na Figura 7.

Contudo, cabe salientar que para atingir os resultados, os autores realizaram modificações na impressora 3D, modificando o código G ori-ginal do sistema, introduzindo um comando para interromper o processo de impressão em um determinado plano.

Para atingir esses resultados, tiveram que modificar o código G original do sistema e introduzir um comando para remover o processo de impressão em um determinado plano.

Figura 7 – Análise de transparência mediante a visualização a olho nú de

um dispositivo microfluídico

Fonte: Adaptado de GAAL et al. (2017)

19

Outra proposta desenvolvida sobre o tema foi na otimização de pa-râmetros do processo FFF na fabricação de fibras ópticas, tendo como foco principal da pesquisa o aumento da transparência (ZUBEL et al. 2016).

Para Tothill et al. (2017) foi de grande interesse investigar a otimi-zação da técnica na fabricação de peças ópticas para análise de cavidades internas, assim como no uso dos dispositivos microfluídicos transparentes em análises biológicas. Na pesquisa, os autores fabricaram dispositivos para análise de ensaios ópticos colorimétricos por meio da inserção do corante quinoneimina azul para quantificar a concentração de glicose na solução.

Em outra pesquisa foram avaliadas e comparadas a capacidade e limitações de fabricação por manufatura aditiva comparando as técnicas de FFF com a SLA, e o Polyject (MJM), e identificou-se a tecnologia mais adequada para cada tipo de aplicação de dispositivos microfluídicos a ser fabricado (MACDONALD et al. 2017).

A avaliação foi realizada com a fabricação de um dispositivo em formato de junção Y, mostrado na Figura 8, para obter o melhor processo com relação ao desempenho óptico do dispositivo microfluídico (MA-CDONALD et al. 2017).

Figura 8 – Análise de transparência de dispositivos microfluídicos pelas

técnicas a) FFF, b) MJM e c) SLA.

Fonte: Adaptado de MACDONALD et al. (2017)

Considerando as características da técnica FFF, os autores conclu-

íram que a técnica pode ser simples e efetiva na fabricação e no desenvol-vimento de dispositivos misturadores. Alternativamente, seu uso deve ser

20

restrito, com aplicação apenas na mistura de fluídos que não tem impacto no resultado das análises (MACDONALD et al. 2017).

Em um recente estudo do tema, Li et al.(2017) investigaram o com-portamento de mistura de fluído usando dispositivos microfluídicos fabri-cados com impressora pelo processo FFF usando várias orientações de impressão do filamento em relação a direção de fluxo do fluído. O desem-penho desses microfluídicos foram comparados com dois dispositivos im-pressos em SLA e MJM.

Portanto, observa-se que a abordagem de aplicação do processo FFF na fabricação de dispositivos com características ópticas (sejam translúcidos ou transparentes) é muito diversificada, porém limitada prin-cipalmente a protótipos ópticos para análises biológicas, eletroquímicas e colorimétricas. Diante da diversidade de possiblidades de aplicações de peças que requeiram características ópticas, investigar o emprego da téc-nica FFF buscando compreender a correlação entre a qualidade das peças fabricadas e as propriedades ópticas resultantes ainda é um campo de pes-quisa pouco explorado.

2.4.2 Polímeros utilizados na fabricação das peças ópticas

Quanto a escolha do material para fabricar peças na MA, deve-se levar sempre em consideração a função e a aplicação da peça, o tipo da técnica e o equipamento utilizados pois determinam diretamente as suas propriedades requeridas (HO et al., 2015).

A maioria das pesquisas, usaram como material principal, o polí-mero termoplástico ABS, na busca por melhor transparência através das operações de pós-processamento de objetos impressos em 3D por Ahn et al. (2004) e Falco et al. (2016); assim como, na fabricação e caracteriza-ção de dispositivos fotônicos por Wang et al. (2013); e microfluídicos por Li et al. (2017), Macdonald et al. (2017) e na fabricação de dispositivos para otimização da transparência em aplicações de análise biológicas no estudo de Pisakura e Dymond (2016).

O segundo material mais utilizado foi o PLA, principalmente por sua biocompatibilidade, embora a transparência dos dispositivos seja li-mitada (MACDONALD et al. 2017; TOTHILL et al. 2017).

Estudos realizados por Gaal et al. (2017) constataram que a tecno-logia FFF para fabricar microcanais usando PLA, tornou o processo mais econômico e flexível para tornar mais rápido o processo de desenvolvi-mentos personalizados de dispositivos microfluídicos, o que justifica seu uso recorrente nas pesquisas.

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Em outras pesquisas, Bishop, et al. (2016), Morgan et al. (2016) e Yuen (2016) utilizaram o PLA e o PET como materiais alternativos para investigar a influência dos parâmetros do processo FFF, no entanto so-mente avaliaram o PLA, em termos de transparência das peças e sugeri-ram estratégias de otimização para a fabricação dos objetos.

Além do ABS, PLA e PET, foi investigada também a qualidade da transparência do polimetil-metacrilato (PMMA), ou acrílico, na fabrica-ção de fibras ópticas (ZUBEL et al. 2016).

O uso de vários materiais com diferentes propriedades físico-quí-micas em impressões por FFF fornecem uma nova maneira de integrar funcionalidades nos dispositivos e oferece oportunidades de desenvolver sistemas integrados complexos (LI et al. 2017).

Portanto, apesar dos resultados obtidos com ABS, PLA, PET e PMMA indicarem limitações em relação ao desempenho óptico das peças decorrentes do próprio processo de fabricação e dos materiais, investigar os parâmetros, as estratégias e os materiais alternativos que resultem em melhorias das propriedades ópticas, é um assunto de grande interesse para o avanço do tema.

2.4.3 Parâmetros e estratégias de fabricação das peças por FFF

Muitos parâmetros podem influenciar a qualidade de um objeto fa-bricado por uma impressora 3D. A busca pela qualidade da peça pode demandar várias tentativas de impressão e alterações nos parâmetros do processo até conseguir as propriedades desejadas.

Ahn et al. (2004) investigaram a influência do espaçamento entre os filamentos (do inglês, air gap) como uma alternativa para melhorar a propriedade óptica de transmissão das peças durante a aplicação de três técnicas de pós–processamento, sendo a primeira por aquecimento da peça e as outras duas por infiltração de resinas. As peças foram fabricadas com air gap positivo, nulo e negativo conforme a estratégia apresentada na Figura 9.

Figura 9 – Variação do air gap na impressão das peças

Fonte: Adaptado de AHN et al. (2004)

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Por meio do estudo evidenciou que para a técnica de aquecimento as peças fabricadas com air gap nulo ou negativo apresentaram melhores resultados por proporcionar maior adesão dos filamentos e redução do encolhimento da peça após o aquecimento, conforme pode ser observado na Figura 10.

Figura 10 – Influência do aumento da temperatura na mesoestrutura das

peças


Por inserção das resinas, os melhores resultados de transmissão das

peças foram obtidos em peças fabricadas com air gap nulo ou positivo conforme Figura 11. Os autores justificaram que os vazios presentes nes-sas peças foram preenchidos com o fluido da resina, tornando o material mais homogêneo, ou seja, não houve distinção entre os filamentos e a resina resultando em uma melhor transmissão de luz pela peça (AHN et al., 2004)

Figura 11 – Influência da infiltração de resina na mesoestrutura das pe-

ças


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Desta forma, dependendo do tipo de pós-processamento a ser uti-lizado na peça, o air gap pode consideravelmente melhorar os resultados.

Nos estudos realizados por Wang et al. (2013) foi constatado que nos dispositivos ópticos, os principais fatores que influenciaram nos re-sultados foram a espessura da peça e o tamanho dos vazios na sua me-soestrutura, pois causaram a diminuição da intensidade dos sinais ópticos a medida que a espessura da peça aumentava.

Além disso, a presença de irregularidades na peça, causadas pela difusão dos filamentos camada sobre camada na peça também afetou a intensidade do sinal óptico (WANG et al., 2013).

Na fabricação dos dispositivos microfluídicos, Morgan et al. (2016) buscaram otimizar os parâmetros de impressão a fim de melhorar a transparência das peças. As peças fabricadas foram quantificadas pela transmissão de luz visível através de um espectrofotômetro e comparadas com o polímero padrão. Segundo Morgan et al. (2016) a análise e otimi-zação realizados, permitiram fabricar um dispositivo com superfície com transparência suficiente para visualizar facilmente um texto impresso através do mesmo conforme ilustrado na Figura 12.

Figura 12 – Dispositivo microfluídico semitransparente: a) visualização através do dispositivo; b) esquema representativo do modelo do disposi-

tivo; c) dispositivo microfluídico.

Fonte: Adaptado de MORGAN et al. (2016)

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Os autores procuraram investigar a variação da espessura de ca-mada nas faixas 0,025, 0,050 e 0,100 mm e velocidades de impressão nas faixas 600, 1200, 1800, 2400 e 3000 mm/min e seus efeitos na proprie-dade óptica de transmitância das peças, cujos resultados podem ser obser-vados na Figura 13.

Figura 13 – Análise de transmitância com a variação da velocidade de

impressão e espessura de camada


Como pode-se observar, tanto a altura da camada como a veloci-

dade de impressão tiveram impacto significativo na transparência, porém constatou-se que com velocidades mais lentas e camadas mais finas a transmissão de luz através das amostras é aumentada.

Os dispositivos com menor espessura de camadas (25 µm), apre-sentaram uma transmitância maior do que os dispositivos com camadas maiores que 50 µm, apesar dos autores indicarem que estes tiveram duas vezes mais camadas e interfaces de impressão.

Embora as camadas de 25 µm parecem oferecer um aumento na transparência, a melhor precisão dimensional foi obtida nas peças com camadas de 50 µm, que provavelmente é mais indicado para emprego des-tes dispositivos onde o controle dimensional é um requisito importante a ser atendido pela fabricação.

Além disso, ao se comparar as velocidades de impressão, as mais lentas indicaram melhorar a propriedade óptica.

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Contudo, os autores evidenciaram existir um limite máximo de transmitância, pois a medida que a velocidade decresce demais, as amos-tras não apresentaram melhores resultados na transmissão. Este limite al-cançável pelas amostras é sempre inferior ao valor alcançado para uma placa em PLA de mesma espessura moldada por injeção, uma vez que, são as propriedades de transmissão do material do filamento PLA que de-finem o seu limite máximo da transparência possível (MORGAN et al., 2016).

Os autores mencionam também que o principal fator que restringe alcançar elevada transparência em dispositivos impressos em 3D por FFF é a presença de vazios entre as camadas. Estes são responsáveis pela dis-persão da luz ao atravessar a peça e consequentemente reduzem sua trans-missão, justificando os resultados mostrados no gráfico apresentado na Figura 14.

Figura 14 – Comparação de transmitância das amostras com relação a

uma placa de PLA injetada


Segundo os autores evitar ou reduzir a formação de vazios, mini-

mizando essa dispersão da luz, deve ser o foco de investigação na fabri-cação de amostras por FFF (MORGAN et al. 2016).

Embora a transmitância tenha sido limitada em aproximadamente 63% no PLA, a observação óptica através dos dispositivos impressos em 3D é facilmente alcançável.

Além disso pode-se evidenciar que assim como nas propriedades mecânicas, a espessura de camada e velocidade de impressão têm grande influência sobre as propriedades ópticas (MORGAN et al., 2016)

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No trabalho desenvolvido por Bishop et al. (2016), dispositivos 3D em PET com canais de 1 mm foram fabricados e preenchidos com azul de metileno em solução salina através de orifícios de 3 mm de diâmetro na parte superior do dispositivo para verificar a influência da estratégia de fabricação na transparência das peças (Figura 15).

Os canais de secções transversais possuíam geometrias quadradas com os lados medindo 0,8mm, foram projetados e impressos de modo que os limites inferior e superior de cada canal fossem de 0,200, 0,400, 0,600 e 0,800 mm respectivamente, que podem ser observados da esquerda para a direita na superfície de topo do dispositivo (Figura 15a) e da direita para a esquerda na superfície de base (Figura 15b) (BISHOP et al. 2016).

Figura 15 – Análise de transparência de um dispositivo microfluídico; a)

superfície superior; b) superfície inferior

Fonte: Adaptado de BISHOP et al. (2016)

Conforme pode-se observar na imagem, a superfície inferior do

dispositivo é mais transparente do que a superior, pois a camada inferior do dispositivo impressa sobre a superfície plana e aquecida da plataforma de construção, minimiza a rugosidade da superfície e melhora a visuali-zação da solução do corante nos canais.

Quanto a análise dimensional das peças, verificou-se que as largu-ras dos canais impressos foram aproximadamente 32% menores do que as larguras de projeto, e as alturas impressas foram aproximadamente as mesmas que as alturas de design (BISHOP et al. 2016).

Como os dispositivos são formados com espessura de camadas de aproximadamente 0,200 mm de espessura, os objetos impressos pela FFF não são completamente transparentes; no entanto, a solução de corante pode ser observada nos canais impressos através de pelo menos quatro camadas (0,800 mm) do filamento impresso. Porém os autores destacam

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que a visualização do corante é completamente limitada quando obser-vada através da 14ª camada ou camadas superiores próximas aos orifícios do dispositivo (BISHOP. et al. 2016)

Com isso, constatou-se que apenas dispositivos fluídicos translú-cidos podem ser produzidos por FFF, no entanto permitem a visualização de soluções dentro de canais tão pequenos quanto 0,250 mm, e pode ser melhorada ainda ao diminuir o número de camadas no projeto e imprimir a camada inferior do dispositivo em uma plataforma plana, aquecida e sem defeitos o que conduz a fabricação de uma superfície lisa através da qual as soluções dentro dos canais podem ser melhor observadas (BISHOP et al. 2016).

Por meio da fabricação por FFF, Falco et al. (2016) observaram que o processo precisa de um ajuste baseado na modificação de quatro parâmetros principais para melhorar a transparência: a distância entre o bico e a plataforma, a temperatura de construção, a pressão e o fluxo do material. A alteração desses parâmetros conduz a diferentes tamanhos de filamentos, espessura da camada e a diferentes fluxos de deposição que influenciam nessa propriedade.

No estudo de Yuen (2016) e Gaal et al. (2017), empregando o PLA, verificou-se que o fator de encolhimento do material durante a impressão 3D, a dimensão da camada e diâmetro do bocal da impressora 3D tem um enorme impacto na transparência dos dispositivos. Na fabricação destes dispositivos, o uso de diâmetros de bocal menores ajudaria a melhorar a transparência dos mesmos (YUEN, 2016).

Zubel et al. (2016) buscaram maximizar a transparência do ma-terial PMMA na fabricação de fibra óptica, por meio da otimização dos parâmetros: temperatura de construção, velocidade de impressão e preen-chimento (taxa de deposição).

As faixas de valores dos parâmetros adotados na pesquisa para a temperatura de construção variaram entre 250ºC e 300ºC. Para a veloci-dade de impressão foram avaliados valores iguais e inferiores a 40 mm/s, e taxa de preenchimento foi classificada como máxima e mínima, pois o software fatiador não apresentava uma configuração de valores para este parâmetro.

A melhor transparência do PMMA, foi obtida com uma tempera-tura de construção de 290ºC, a velocidade de impressão de 5mm/s e taxa de deposição intermediária. A espessura da camada e temperatura da pla-taforma foram mantidos a valores constantes de 0,150mm e 105ºC.

Os autores constataram, assim como Morgan et al. (2016), que quanto menor a velocidade, melhor a transparência. No entanto, as restri-

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ções práticas de fabricação são o único fator limitante que mantém a ve-locidade alta, pois a redução da velocidade de impressão aumenta o tempo total de fabricação.

Segundo os autores, a melhoria da transparência com baixa velo-cidade de impressão deve estar ligada à transferência de calor do bico para a amostra. Se a velocidade de impressão for baixa, as áreas adjacentes ao filamento que está sendo depositado têm mais tempo para aquecer, isso faz com que os filamentos adjacentes se fundam melhor, minimizando a formação de vazios na peça (ZUBEL et al., 2016).

Na otimização do preenchimento (ou taxa de alimentação do fila-mento) identificaram que tantos valores muito altos e muito baixos resul-tavam na redução de transparência. Quando a taxa de preenchimento era muito baixa, não havia material suficiente depositado pelo bocal para pre-encher todo o volume de impressão exigido.

No caso contrário, o preenchimento causava do excesso de mate-rial nas paredes do objeto, prejudicando a precisão dimensional e dificul-tando a operação da impressora. Os autores relataram também que em peças com espessuras inferiores a 20 mm a influência da temperatura da plataforma aquecida é maior e resultaram em uma melhor adesão das ca-madas (ZUBEL et al., 2016).

Bhattacharjee et al. (2016) asseguram que a incorporação de uma plataforma de vidro aquecida durante a fabricação das peças é indispen-sável para melhorar a adesão e a integridade estrutural entre as camadas e os filamentos adjacentes, porém não elimina os defeitos intrínsecos dessa técnica durante fabricação, no caso, os vazios.

Outros estudos realizados por Waheed et al. (2016) e Gaal et al. (2017) evidenciam também que a plataforma de vidro aquecida em tem-peratura constante, além de assegurar a adesão das camadas que possibi-lita a formação de uma superfície de impressão plana, lisa e otimiza a transparência da primeira camada.

Para obter melhor transparência de suas peças, Gall et al. (2017) optou por adotar uma estratégia, em que a parte superior da peça é im-pressa primeiramente sob a plataforma aquecida, para assegurar menor rugosidade da superfície, com isso, foram necessários ajustes na impres-sora e nas configurações do software utilizado para realizar a impressão.

Gaal et al. (2017), assim como Falco et al. (2016) também ressal-taram que a distância entre o bico e a superfície da plataforma é um parâ-metro crucial para a técnica FFF, pois se muito alta, o filamento fundido não adere à plataforma quente, e se muito baixa, a extrusão pode ser im-pedida.

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Com essa observação, um ajuste manual da distância entre o bocal e a plataforma foi realizado para uma impressão usual, adotando-se um deslocamento negativo de 0,100 mm, ou seja, na distância que comprime a camada, criando assim uma sobreposição entre as camadas impressas, assegurando uma boa proteção do dispositivo. Esse ajuste aumentou a transparência da primeira camada depositada, gerando assim uma super-fície que possibilitou uma melhor observação do fluxo dentro do canal da peça fabricada (GAAL et al., 2017).

Para Tothill et al. (2017) a investigação dos parâmetros do pro-cesso sobre a transparência das peças também foi direcionada para avaliar a influência da espessura da camada, nas faixas de (40, 60, 100, 150, 200 e 250 µm) e na velocidade de impressão de (5, 7 e 10 mm/s).

Assim como Morgan et al. (2016) e Bishop et al. (2016), Tothill et al. (2017) contestaram que o aumento na espessura da camada reduz a intensidade da luz transmitida. No entanto, a variação entre as medições de transmitância das amostras não foi significativamente diferente para as espessuras de camada de 40 e 60 µm.

O resultado obtido pelos autores mostrou apenas que o ar preso entre as camadas da peça à medida que os filamentos são depositados, forma os vazios e reduz sua homogeneidade. Tais vazios resultantes da fusão desses filamentos são considerados responsáveis pelo contraste e distorção observados nas amostras impressas causando a redução da sua transmissão óptica.

Poderia esperar que o aumento da espessura da camada aumentasse a transparência óptica, uma vez que existem menos camadas e, portanto, menor potencial para existência de vazios, no entanto, os autores presu-miram que, à medida que a espessura da camada aumenta a natureza cir-cular do filamento extrudado faz com que vazios fiquem maior, dimi-nuindo ainda mais a transparência (TOTHILL et al., 2017).

Quanto a faixa de velocidades analisada, para a altura de camada de 0,060 mm, as velocidades de 7 e 10 mm/s parecem melhorar a trans-parência. Já as alturas das camadas de 0,150 mm e 0,250 mm mostraram uma pequena porcentagem na redução da transmitância. Em todos os ca-sos, a alteração é pequena e inferior a 10% da perda geral da transmitância conforme pode-se observar na Figura 16.

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Figura 16 – Perda de transmitância de amostras 3D com três espessuras de camadas em três velocidades de impressão

Fonte: Adaptado de TOTHILL et al. (2017)

Foi observado que a transmitância foi melhorada ao reduzir a ca-

mada de base para uma única camada de 0,100 mm. Os autores investigaram uma ampla faixa de velocidades, mas isso

aumentou a taxa de falha das impressões, pois em altas velocidades de impressão, ocorre um aumento na chance de falha na impressão.

As seguintes situações são as possíveis causas de falha de fabrica-ção durante o aumento da velocidade na impressão: a) deslocamento ou desalinhamento dos filamentos nas camadas da peça e b) a interrupção da alimentação do material pelo bocal. Essas condições resultam em peças de baixa qualidade ou impressões interrompidas (TOTHILL et al., 2017).

Segundo estudos realizados por Li et al. (2017) há uma influência da orientação de deposição das camadas ao se visualizar um fluído pas-sando por um orifício de um dispositivo microfluídico. O estudo foi ava-liado na faixa de orientação dos filamentos de 0, 30, 60 e 90° conforme ilustra a Figura 17.

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Figura 17 – Imagem dos microcanais fabricados com diferentes orienta-ções de impressão

Fonte: Adaptado de LI et al. (2017)

Através dos resultados, os autores observaram que as peças fabri-

cadas na orientação de 60° o dispositivo mostrou a melhor visualização do fluído se comparada as outras orientações, pois apresentava uma rá-pida mistura ao visualizá-lo, possibilitando o uso desses dispositivos (LI et al., 2017).

Com essa característica essa estratégia pode ser utilizada em apli-cações como em eletroforese ou extração difusa de DNA (LI et al., 2017).

Portanto, a orientação de deposição do filamento durante a fabri-cação por extrusão é um parâmetro importante na determinação da sua característica quando precisa-se analisar o fluxo de um fluído através de um dispositivo 3D.

Logo, as propriedades ópticas de peças em 3D são influenciadas principalmente pela a espessura de camada, orientação de construção, lar-gura de extrusão, temperatura de construção, temperatura da plataforma, velocidade de impressão e o diâmetro do bocal. Além destes, as alternati-vas e estratégias utilizadas para o acabamento superficial das peças foram apontadas como meios para otimizar essas propriedades.

Com base no exposto, verifica-se que a obtenção de peças translú-cidas ou transparentes pela técnica depende fortemente dos parâmetros do processo, bem como de estratégias empregadas durante a fabricação das peças e de etapas de pós-processamentos que serão mencionadas na se-quência.

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2.4.4 Técnicas de pós-processamento para aumentar a transpa-rência das peças ópticas

Segundo Heinrich et al. (2016) diferentes alternativas de operações de pós-processamento, tais como a aplicação de revestimentos após a fa-bricação das peças 3D podem ser utilizados para aumentar a transparência de componentes fabricados pela tecnologia FFF.

Entre as pesquisas que procuraram retratar a influência de pós-pro-cessamentos na otimização da transparência de peças por FFF foi a de Ahn et al. (2004) para obter peças translúcidas em ABS por um equipa-mento FDM. Os pós-processamentos consistiram em três técnicas, o pri-meiro sendo um reaquecimento das peças entre temperatura ambiente a 250ºC, e as demais seriam a infiltração de dois tipos de resinas, uma sendo a cianoacrilato e a outra de acrílico.

Nos pós-processamentos, verificou-se, que as peças sem trata-mento tiveram apenas 0,2% de transmitância, enquanto que as expostas ao aquecimento tiveram um aumento de 8,4%. Os tratamentos com as re-sinas de cianoacrilato e acrílica, as placas apresentaram uma transmitân-cia de 5% e 22,4% respectivamente. (AHN et al., 2004; HEINRICH et al., 2016).

Assim como Ahn et al. (2004), Falco et al. (2016) buscaram oti-mizar a rugosidade e transparência de objetos fabricado em FFF através da comparação de quatro técnicas de pós-processamento.

No estudo foi feita uma avaliação entre três técnicas de pós-pro-cessamento já utilizadas, que são representadas por três categorias princi-pais de modificação de superfície: a) física sem contato (plasma); b) ter-momecânica e c) química.

Segundo os autores, as técnicas termomecânicas e a química são as que produziram a maior transmitância nas peças, de aproximadamente 20 a 40% de transmissão, e a primeira foi inferior a 10%.

O aumento da transmitância nas peças pelas técnicas (b) e (c) ocor-reu, pois, houve à formação de uma superfície menos rugosa que contri-buiu na redução do espalhamento e da absorção da luz pelas peças au-mentando a sua transparência.

Além de comparar essas técnicas, Falco et al. (2016) desenvolve-ram uma técnica de pós-processamento baseada em deposição de um flu-ido por pulverização via spray para ser utilizada em regiões específicas de peças 3D que requeressem maior transparência. Na comparação com as outras técnicas, a deposição por pulverização via spray, reduziu ainda mais a rugosidade da peça proporcionando maior transparência das peças do que as outras técnicas.

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Com isso, a utilização de pós-processamentos em objetos impres-sos 3D, contribui para o desenvolvimento dispositivos semitransparentes úteis para diversas aplicações. Porém, para aumentar a transparência deve-se considerar principalmente a geometria da peça (AHN.et al., 2004; FALCO et al., 2016).

Ao usar algum material para recobrir uma peça 3D, como por exemplo uma resina, deve-se observar o índice de refração da resina em relação ao do material, pois se o índice da resina for similar ao do material da peça, aumenta a sua transmitância (AHN et al., 2004).

Desta forma, os pós-processamentos são requeridos principal-mente em situações que se quer alcançar características específicas esta-belecidas no projeto. Contudo, a aplicação dessas técnicas após a fabrica-ção das peças 3D depende dos tipos de materiais e de revestimentos utili-zados, assim como da geometria das peças fabricadas (HEINRICH et al., 2016, 2017; TOTHILL et al., 2017)

2.4.5 Qualidade e características de peças ópticas fabricadas por FFF

Como já mencionado anteriormente, a presença de vazios na me-soestrutura da peça, em função da natureza circular dos filamentos no pro-cesso FFF reduz a transparência da peça. A Figura 18 evidencia a disper-são e espalhamento da luz quando uma luz é incidida sobre a peça, mesmo com a utilização de um filamento transparente. (ZUBEL et al., 2016).

Figura 18 – Transmissão de luz de peças fabricadas pelos processos de:

a) manufatura aditiva por FFF e b) manufatura convencional.

Fonte: Autora

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Com isso, a característica em camadas do objeto, formam interfa-ces não homogêneas, resultando em propriedades ópticas inferiores se comparadas com as peças fabricadas por um processo convencional. As-sim, as propriedades ópticas em estruturas fabricadas pelo processo FFF dependem da qualidade de adesão dos filamentos para que se obtenha uma interface que minimize a formação desses vazios (HEINRICH et al., 2016; HEINRICH et al., 2017 ;GAAL et al., 2017; TOTHILL et al., 2017).

Além disso, a orientação e a estratégia de deposição das camadas a ser utilizadas na fabricação das peças resultam em diferentes rugosida-des influenciando também em suas propriedades conforme verifica-se na Figura 19, que apresenta as superfícies de duas peças fabricadas em duas posições diferentes de construção (HEINRICH et al., 2017).

Figura 19 – Orientações de construção na fabricação de componentes

ópticos: a) objeto projetado no CAD; b) objeto fabricado

Fonte: Adaptado de HEINRICH et al. (2017)

Logo, as peças apresentam aspecto mais translúcido, no caso em

que a transparência for altamente desejável em uma aplicação, etapas de pós-processamento podem melhorar essa propriedade conforme já visto na seção 2.4.4.(BISHOP et al., 2016; YUEN, 2016).

Os resultados obtidos de descrições na literatura revelaram tam-bém a existência de outras desvantagens da técnica FFF na fabricação das peças, dentre elas, a presença de alta rugosidade e baixa precisão dimen-sional que são características evidentes em peças fabricadas por esse pro-cesso.

Com relação a dimensão, a precisão da peça é limitada pela geo-metria do filamento depositado e pelas características da impressora 3D (YAZDI et al. 2016).

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O diâmetro do bocal e a própria impressora 3D também são fatores que influenciam nas dimensões finais dos dispositivos impressos, além das características e comportamento do material durante a impressão.

Segundo Bishop et al. (2016) e Waheed et al. (2016) a espessura da camada e dimensões finais das peças são influenciadas pelo diâmetro do bocal que geralmente varia de 0,2 a 0,8 mm, o que induz a produção de objetos com resolução menor que 0,250 mm e rugosidade em torno dede 0,008 a 0,010 mm. Por esse motivo, desenvolver peças com carac-terísticas micrométricas tem sido um desafio por essa técnica.

Durante a seleção da impressora para a impressão da peça, uma análise cuidadosa que considere a função e aplicação da peça a ser fabri-cada, além da sua resolução ou precisão dimensional, velocidade e do ta-manho da área de construção é recomendada (YUEN, 2016; MACDONALD et al. 2017).

Apesar dessas limitações, Macdonald et al. (2017) e Ho et al. (2015), mencionaram que o processo FFF é um dos mais baratos tanto na compra como na fabricação das peças, e mesmo com o uso de impressoras de baixo custo é possível fabricar peças de boa qualidade.

Ainda, a capacidade das impressoras de possuir múltiplos bicos, em que a integração de diversas geometrias com o uso de diferentes ma-teriais permite a criação de diversos componentes funcionais complexos (BISHOP et al., 2016; MORGAN et al., 2016; TOTHILL et al., 2017; LI et al., 2017).

Além disso, a impressão por FFF permite inserir objetos durante a produção da peça, ou seja, possibilita colocar dentro da estrutura semi-impressa um corpo antes de finalizar sua fabricação, sendo uma aborda-gem única do processo e que é difícil de conseguir com a mesma facili-dade usando outros métodos ou até mesmo os tradicionais (YUEN, 2016; WAHEED et al., 2016; GAAL et al., 2017; ZUBEL et al., 2016; BHAT-TACHARJEE et al.., 2016; LI et al.., 2017).

Ainda assim possibilita a preparação de peças translúcidas que po-dem ser utilizados em aplicações que requerem algum tipo de detecção óptica tais como sensores ou para alguma aplicação óptica específica.

RECOMENDAÇÕES PARA MELHORAR A QUALIDADE DA IMPRESSÃO 3D POR FFF

Em função da variedade de equipamentos existentes para a tecno-logia FFF, alguns pesquisadores apresentaram recomendações para me-lhorar a qualidade das peças durante a impressão 3D nestes equipamentos com o objetivo de facilitar a difusão e expansão da técnica.

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Santana et al. (2017) desenvolveram uma pesquisa que teve como ponto de partida entender as relações entre as variáveis de construção e as dimensões das peças fabricadas conforme as do desenho original. O es-tudo foi proposto para entender melhor a configuração de “parâmetros de entrada”, já que na cadeia de software aberto há muitos disponíveis para configuração.

O estudo foi realizado em duas fases, na primeira procurou avaliar os parâmetros: preenchimento densidade (Id) nas faixas de (20 a 100%, velocidade de preenchimento (15 e 30 mm/s) e perímetros (Si e Sp) em (20 e 60 mm/s), e software de fatiamento (Ss). Todos fatores foram sig-nificativos para as variações nas dimensões do eixo X das peças.

Segundo os autores, o percentual de preenchimento foi o fator com maior contribuição para a variação dimensional quando comparada com as outras variáveis investigadas.

No estágio seguinte, avaliando as variáveis espessura de camada (0,250 e 0,300 mm), temperatura de extrusão (190, 210 e 220 ºC), e mul-tiplicador de extrusão entre (0,5, 0,9 e 1,0), constataram que o fator que mais influenciou nos resultados foi o multiplicador de extrusão (Me) e os melhores resultados foram obtidos com Me=0,9. As peças criadas com o Me= 0,5 apresentaram fraca ou ausência de adesão dos filamentos, resul-tando no descolamento das estruturas ao longo das camadas. Os autores atribuíram a ocorrência desse problema devido ao baixo fluxo de deposi-ção do material.

Outra observação relevante feita pelos autores foi verificar durante a comparação dos corpos de prova fabricados com multiplicador de 0,9 e 1, que nesse último houve um aumento significativo de deposição do ma-terial na amostra, apresentando uma aparência “enrugada” na superfície da peça característico do excesso de material depositado.

Os autores constataram que usando o valor 1 como multiplicador, o software calcula quantidade de material a ser alimentado maior que o necessário para construir uma amostra com as dimensões projetadas. Im-pondo um volume maior de material a ser extrudado houve aumento na dimensão das amostras e instabilidade no fluxo de material, causando efeito “sobre extrusão” na superfície das peças.

Logo evidenciou, para as condições estudadas, que o valor 0,9 do multiplicador consistiu em um ponto de equilíbrio entre os valores anali-sados, considerando a menor variação dimensional, volumétrica e super-ficial das amostras avaliadas. A combinação da alta densidade de preen-chimento e do fluxo de material reduziu a precisão dimensional, condu-zindo a valores geométricos maiores nas peças do que o projetado (SANTANA; LINO; SABINO, 2017).

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Desta forma os autores constataram que o multiplicador de extru-são neste estudo surgiu como um parâmetro que atuou na matemática do software de fatiamento, permitindo o controle da quantidade de material para construção das amostras e melhorar a precisão dimensional das pe-ças.

O aumento no volume do material extrudado e sua influência na integridade dos filamentos depositados, foi evidenciada. Com isso, San-tana et al. (2017) acreditam que é de extrema importância ajustar e veri-ficar os códigos do software fatiador e o fluxo de material antes de cons-truir os objetos.

Outros autores que salientaram a importância da configuração ini-cial de parâmetros do processo no fluxo de deposição do material sob a precisão dimensional e rugosidade de superfície. Turner e Gold (2015) procuraram avaliar o impacto dos parâmetros do processo sobre a quali-dade da peça, e variaram a largura de extrusão, a espessura da camada e o air gap.

Segundo os autores, a precisão e rugosidade das peças são fatores de qualidade importantes na fabricação por métodos da MA. Uma das principais fontes de erro dimensional em peças feitas em FFF é a defor-mação térmica e o encolhimento do material.

Geralmente, a espessura da primeira camada afeta a superfície e melhora sua rugosidade, no entanto ajustar os parâmetros do sistema afim de minimizar a rugosidade da superfície, pode dispor de um tempo de construção significativamente mais longo.

A orientação de deposição dos filamentos da superfície da peça também desempenha um papel fundamental. Em geral, as superfícies ho-rizontais, paralelas ao plano de construção são menos rugosas que as su-perfícies verticais. Para superfícies curvas ou inclinadas, a rugosidade tende a aumentar em peças que possuem vértices ou cantos (TURNER; GOLD, 2015).

Com relação a densidade de preenchimento, se inferior a 100%, grandes vazios são gerados no interior da peça, no entanto possibilitam a redução do tempo de construção e se superior a 100% geralmente é utili-zado para agregar melhores propriedades mecânicas.

Logo, a precisão e a rugosidade estão diretamente relacionadas as especificações da peça. Sendo que os parâmetros mais importantes são os parâmetros do percurso durante a fabricação da peça. Além desses, os pa-râmetros que também influenciam na qualidade de uma peça acabada são: a temperatura de construção, a temperatura ambiente, a taxa de resfria-mento do processo (TURNER; GOLD, 2015).

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Segundo os autores, a largura de extrusão é outro fator que exerce influência nessas características, porém é limitada pelo diâmetro do bocal como já visto na seção 2.4.5.

A precisão dimensional também é maior com ajuste do air gap nulo ou positivo, do contrário, observou-se que o ajuste ligeiramente ne-gativo produziu uma força de tensão maior apresentando distorções nas peças impressas (TURNER; GOLD, 2015).

No ajuste negativo do air gap, o material fundido é empurrado para os espaços vazios entre as camadas, reduzindo a densidade de vazios, au-mentando a área de contato e aumentando assim, a força de ligação entre os filamentos e as camadas. E a distorção das camadas subsequentes, o acúmulo excessivo de material na peça ou até mesmo no entupimento do bocal de extrusão durante a impressão podem ser resultados desse ajuste. Assim, há a necessidade de se verificar a relação do airgap no projeto com as propriedades mecânicas e precisão dimensional antes da fabrica-ção da peça (TURNER; GOLD, 2015).

Outro estudo que aborda a importância da configuração inicial dos parâmetros do processo para o fluxo de deposição do material é o de Gonzalez-Gutierrez et al. (2018). Neste estudo, a composição, a fabrica-ção de filamentos e o processamento de um filamento contendo 55 vol. % de pó de aço inoxidável 17-4PH com um sistema de aglutinante com mul-ticomponentes são apresentados.

Para o processo FFF, as faixas de processamento dos parâmetros mais significativos, como da temperatura de construção (210 a 260 ° C), largura de extrusão em (150 a 200%) e multiplicadores de velocidade de impressão (60 a 100%) foram determinados.

Segundo os resultados, em quase todas as peças impressas, as ca-madas em contato com a plataforma de impressão tinham uma superfície lisa e contínua. Pelos autores, as piores peças foram influenciadas pela baixa temperatura e baixa taxa de deposição, pois o material não fluiu corretamente para coalescer os filamentos impressos. Em geral, quanto maior a temperatura de extrusão, mais suave parece a superfície (GONZALEZ-GUTIEREZ et al., 2018).

No entanto, com o aumento da largura de extrusão dos filamentos, a coalescência entre os fios de impressão melhora, porém existe a possi-bilidade de fornecer material em excesso. Como consequência disso, ocorre o excesso de material durante a deposição na forma de gotas. E podem ser minimizados com o aumento da velocidade de impressão (GONZALEZ-GUTIEREZ et al., 2018).

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Assim diminuir a temperatura de construção, mantendo a largura constante, geralmente reduz a qualidade das peças impressas. A combi-nação que pareceu produzir a melhor qualidade foi usar uma temperatura de extrusão alta, com uma taxa de preenchimento alta, a uma velocidade constante mantendo apenas um perímetro na peça.

Segundo Carneiro, Silva e Gomes (2015) existe um modelo de con-trole que combina todos os parâmetros de deposição, especificamente re-lacionados a taxa de alimentação do filamento sendo: a largura da extru-são (Le), a velocidade de impressão (Vi) e espessura da camada (E).

Esses parâmetros estão relacionados à medida que a velocidade do bocal estabelecida no sistema FFF depende da velocidade de impressão linear e da taxa de alimentação estabelecidas, sendo a última também de-pendente da taxa na qual a câmara aquecida permite fundir o material e depositá-lo através do bocal.

Esta relação pode ser melhor entendida através da Figura 20, em termo de qualidade de impressão a medida que aumenta a taxa de alimen-tação ou reduz a velocidade de impressão ocorre uma influência do au-mento da largura de extrusão sob a espessura da camada, e consequente-mente na estrutura inteira da peça.

Figura 20 – Influência da largura de extrusão na taxa de deposição do

material

Fonte: Adaptado de CARNEIRO, SILVA e GOMES (2015) De acordo com o princípio de deposição da técnica FFF, a adesão

dos filamentos adjacentes é compreendido pelos seguintes cenários (Fi-gura 21): (i) caminhos adjacentes muito próximos um do outro, resultando em uma sobreposição e excesso filamento depositados ; e (ii) caminhos

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adjacentes distantes uns dos outros, resultando em vazios e adesão mí-nima ou inexistente entre eles, o que enfraquece a integridade estrutural da peça (CARNEIRO; SILVA; GOMES, 2015).

Assim, torna-se necessário investigar a influência da largura de ex-trusão, pois fabricar peças com filamentos mais largos conduz a uma me-lhor adesão entre os filamentos e melhor desempenho das peças, no então a possibilidade de agregar excesso de material pode interferir na precisão dimensional da peça (CARNEIRO; SILVA; GOMES, 2015).

Como os parâmetros de deposição influenciam na estrutura da peça, estes devem ser investigados e otimizados na fabricação de peças com propriedades ópticas.

Figura 21 – Influência da adesão dos filamentos na precisão geométrica

de peças em FFF

Fonte: Adaptado de CARNEIRO, SILVA e GOMES (2015)

PROPRIEDADES ÓPTICAS DE PEÇAS POLIMÉRICAS TRANSPARENTES

Em aplicações tais como filmes e placas finas transparentes utili-zadas como telas de proteção e difusores de luz exigem cada uma, propri-edades ópticas especiais, que em algumas situações pouca interferência óptica pode ser tolerada.

Um exemplo é de embalagens, que para a maioria dos propósitos devem ser as mais claras possível, enquanto que filmes ou placas polimé-ricas podem ser usados em difusores de luz e devem fornecer máxima transmissão difusa e mínima transparência para serem úteis (WEBBER, 1957).

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Para descrever essas características de peças transparentes, as se-guintes considerações quanto as propriedades de transparência ou trans-lucidez devem ser atendidas.

Bhattacharjee et al. (2016) comentam que as características de transparência ou translucidez de uma peça são principalmente influenci-adas pela: (i) capacidade do material de transmitir a luz em um determi-nado comprimento de onda; e (ii) peça devido a sua geometria, rugosidade ou irregularidades na sua superfície e estrutura que podem causar a difu-são da luz.

Segundo o fabricante e fornecedor de filamentos transparentes Taulman3D (2018), o comportamento da radiação luminosa quando inci-dida em uma peça fabricada em FFF com interfaces formadas por super-fícies oblongas (ovais), esféricas segue a orientação mostrada na Figura 22. Esse mesmo comportamento é similar ao descrito na física óptica por Halliday, Resnick e Walker (2008) através da refração da luz em interfa-ces esféricas, considerando que o índice de refração do meio de incidência do feixe é diferente e inferior ao índice de refração do material da inter-face, o feixe de luz atravessa o material uniformemente e sai de forma difusa.

Figura 22 – Comportamento de um feixe de luz sobre uma superfície: a)

oblonga; b) esférica

Fonte: Adaptado de TAULMAN3D (2018)

De acordo com Webber (1957) existem vários termos que têm sido

usados para descrever as propriedades ópticas de uma peça, tais como: a

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transparência, translucidez, opacidade, turbidez, nitidez, contraste, distor-ção, claridade conforme já mencionadas na seção 2.3. Contudo, cada um desses termos está relacionado com a distribuição angular da luz do qual a peça transmite, de modo que as propriedades ópticas das peças podem ser obtidas por meio dos índices de refletância, absorbância ou transmi-tância (CALLISTER & WILLIAM, 2008; ASTM E284, 2017).

Para quantificar a taxa de luz transmitida total, regular e difusa e caracterizar a aparência de peças poliméricas transparentes, são apresen-tadas na sequência as definições e equações específicas por meio das nor-mas ASTM E284 (2017) e ASTM D1003 (2013) que descrevem o método padrão para a determinação da transmitância luminosa total e difusa.

2.6.1 Transmitância total e difusa

A principal propriedade óptica que permite caracterizar a transpa-rência de um corpo é a transmissão, sendo o processo em que uma energia luminosa atravessa um material ou objeto. A medida utilizada para deter-minar e classificar um corpo transparente ou translúcido por meio deste processo é a transmitância, que representa a taxa de um fluxo de luz inci-dido pela peça sobre o fluxo incidente do equipamento de medição em condições espectrais e geométricas já pré-estabelecidas. (OLIVEIRA, 2008; CALLISTER & WILLIAM, 2008; ASTM E284, 2017).

A determinação quantitativa dessa taxa é feita através do fator de transmitância ou transmissão total (Tt) definida como a razão do fluxo total de luz incidente pela peça (T2), transmitida em todos os ângulos em relação a transmissão de luz inicial incidida pelo instrumento (T1) (ASTM E284, 2017; ASTM D1003, 2013). A Tt pode ser calculada a partir da Equação 1 conforme apresenta a norma ASTM D1003 (2013):

�� = �� 100%(1) A transmissão total, no entanto, não reflete a qualidade da luz

transmitida, pois mesmo com uma elevada transmissão o material pode apresentar distorção e contraste da imagem analisada através dele.

A qualidade da imagem que aparece através do material, pode ser observada segundo a sua nitidez e está diretamente relacionada com as propriedades de transmissão da luz regular e difusa do mesmo (OLI-VEIRA, 2008; ASTM D1003, 2013; ASTM E284, 2017).

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Assim a transparência em uma peça é definida como o grau de transmissão regular que ela apresenta, ou seja, a propriedade do material pelo qual os objetos podem ser vistos claramente através dele.

Definição similar é descrita pela norma ASTM D1746 (2009) que apresenta o método padrão para determinar a transparência regular (Tr) de placas e filmes plásticos. Nesta, a capacidade da peça de transmitir luz possibilitando a formação e definição de uma imagem através dela pode ser calculada por meio da razão entre a taxa de fluxo transmitido pela peça (T2) em relação ao mesmo fluxo sem a peça transmitido pelo instrumento (T1), porém para uma distribuição angular inferior a 1º do feixe incidente (OLIVEIRA, 2008). A Tr é representada pela Equação (2):

� = �� 100%(2) Segundo a norma ASTM E284 (2017), em alguns casos, a Tr é

praticamente igual a Tt, porém pode se distinguir consideravelmente. Já a transmissão difusa (Td), representa a transmissão em que

ocorre a difusão, independentemente, sobre escala microscópica e das leis da refração, ela é calculada através da diferença entre a Tt e a Tr. A Td pode ser calculada através de duas condições.

A primeira, se o feixe de luz do equipamento de medição (T3) apre-senta espalhamento nulo, ou a incidência unidirecional (T3=0), então a Equação 3 deve ser adotada, sendo (T4) a intensidade de luz resultante espalhada pelo equipamento e pela peça:

�� = �� 100%(3) Se o equipamento apresenta feixe de luz com a incidência bidire-

cional (T3 ≠0); então calcula-se pela Equação 4:

�� = �� − �� 100%(4) A transmitância difusa, portanto, representa a distribuição da luz

que passa da peça com ângulos superiores a 2,5º do feixe incidente, en-quanto que o “haze” caracteriza a peça pelo grau dessa distribuição pro-vocada pelo espalhamento da luz na peça que é responsável por diminuir a sua transparência (BELOFSKY, 1995).

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Segundo a norma ASTM D1003, (2013), o haze é definido como "a porcentagem de luz transmitida que, ao passar pela amostra, se desvia do feixe incidente por espalhamento direto com uma angulação superior a 2,5 ° em média."

E é determinado pela razão entre a transmitância difusa (Td) e a transmitância total (Tt), conforme mostra na equação 5.

�� = � �! �100%(5) Um valor de haze próximo a 15% atribui uma aparência nebulosa

ou túrbida na peça, enquanto que um haze >30% compromete a visibili-dade e distinção de cores de uma imagem observada através de uma certa distância da peça. A dispersão de luz ocorrida diminui o contraste e au-menta distorção da imagem analisada, sendo essas características de ma-teriais ou peças translúcidas (OLIVEIRA, 2008; ASTM D1003,2013).

Os resultados obtidos para a determinação dessas propriedades são influenciados pelos parâmetros de projeto das peças e também pelos ins-trumentos de medição utilizados; por exemplo, a resolução da peça é de-terminada pela largura angular da abertura do receptor, que é uma limita-ção do próprio equipamento. Portanto, deve-se ter cautela ao comparar resultados obtidos de diferentes instrumentos, especialmente para amos-tras com baixa transmissão regular.

Desta forma, a transparência de um polímero está correlacionada com a propriedade de transmissão de luz regular que possibilita mostrar uma imagem, em que o grau de distorção ou contraste do objeto obser-vado através do material ocorre pela presença da transmissão difusa. As-sim, quanto maior a transmissão de luz regular, menor a distorção da ima-gem e melhor é a transparência e visualização do objeto (OLIVEIRA, 2008; COLTRO & BORGHETTI, 2007).

Portanto, a transmitância predominante pelo polímero determina sua aparência transparente ou translúcida conforme Tabela 1.

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Tabela 1 – Diferenças entre transmissão de luz através de um material.

Determinação Distribuição

geométrica da luz

Elementos Estruturais

Aparência resultante

Transmitância regular

Continuação do feixe de

luz incidente

Meio homogêneo claro, com faces

planas e paralelas Transparência

Transmitância difusa

Feixe distri-buído em to-das as dire-

ções

Amostras não opa-cas que

espalham a luz; superfície rugosa

Translucidez

Fonte: Adaptada de OLIVEIRA (2008) Nesta seção foram descritas as formas de transmitâncias medidas

em uma peça e como matematicamente elas podem ser ou não calculadas através dos instrumentos de medições de propriedades ópticas. Porém é importante ressaltar alguns pontos relevantes ao quantificar e caracterizar uma peça por meio da transmitância.

Geralmente, os plásticos que apresentam estrutura predominante-mente amorfa são caracterizados como materiais transparentes, por apre-sentarem baixíssimo grau de cristalinidade. Já que os plásticos, semicris-talinos, quando possuem alto grau de cristalinidade, a luz incidida nas fronteiras entre as regiões cristalinas e amorfas acaba atravessando o ma-terial de forma difusa, interferindo na transmissão da luz e causando a diminuição ou anulando a sua incidência através do material, caracteri-zando o material como translúcido ou opaco (BELOFSKY, 1995; CAL-LISTER & WILLIAM, 2008).

Além da estrutura cristalina do material, a transparência também pode ser afetada pela presença de descontinuidades ou irregularidades na superfície de uma peça decorrentes das suas condições de fabricação.

Logo, as principais propriedades ópticas presentes em um material plástico não estão relacionadas diretamente com a estrutura química, mas são influenciadas pela morfologia do material e pelas propriedades super-ficiais da peça, obtidas por meio do tipo e da qualidade do processo de fabricação (OLIVEIRA, 2008).

Além das características superficiais, as dimensionais também in-fluenciam na transparência principalmente a espessura. Segundo Alves et al. (2008), a espessura tem uma grande influência na transparência das

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peças, pois quanto maior a espessura, menor é a porcentagem de trans-missão de luz que atravessa no material, o que está relacionado o fenô-meno de absorção de luz por um material através da lei de Beer-Lambert.

A técnica destinada a avaliar a transmitância de placas e filmes plásticos finos é a espectrofotometria, que determina as medidas relacio-nadas as propriedades de transmissão em função do comprimento de onda, e é calculada por meio da porcentagem de transmitância apresen-tada nas equações anteriores. A norma dedicada a mensuração dessa transmitância em materiais poliméricos transparentes é a ASTM D1003 (2013). A norma específica que o ensaio deve ser realizado através de um espectrofotômetro ou hazômetro.

TÉCNICAS DE AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES ÓPTI-CAS DE TRANSMISSÃO

2.7.1 Espectrofotometria UV-Visível

A espectrofotometria é uma técnica utilizada para medir e compa-rar a quantidade de luz (radiação eletromagnética) absorvida, transmitida ou refletida por uma determinada peça ou material, seja em solução, só-lido transparente ou sólido opaco.

O equipamento de medição utilizado nessa técnica é o espectrofo-tômetro, que pode ser de feixe simples ou de duplo feixe. Estes equipa-mentos são constituídos, essencialmente, por cinco componentes princi-pais: as fontes de radiação, o monocromador, suporte para posicionar a peça, os detectores e o indicador de sinal (WEBSTER, 1999).

O resultado da espectrofotometria é fornecido através de um grá-fico que é conhecido como espectro e fornece informações de intensidade de determinada propriedade óptica por comprimento de onda da fonte de luz.

A faixa de comprimentos de onda desejados pode ser selecionada antes da realização das medidas, o que torna a medição mais específica e eficaz já que não será necessário um número excessivo de dados para ob-ter o resultado esperado.

Os espectrofotômetros mais comuns possuem a faixa de compri-mentos de onda da radiação eletromagnética entre 350 a 800 nm aproxi-madamente, ou seja, parte do espectro ultravioleta (UV) e parte no espec-tro de luz visível. Para que os resultados obtidos sejam precisos é neces-sário sempre fazer a calibração do instrumento utilizando padrões conhe-cidos.

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Uma vez que a determinação das medidas de propriedades ópticas são claramente uma função do espalhamento de luz da fonte de radiação luminosa, medidas da luz transmitida total, difusa e do haze devem ser calculadas usando um instrumento com um feixe estreito e alta resolução angular (WEBSTER, 1999).

O procedimento de medição com o espectrofotômetro consiste na incidência de um feixe de luz, com respectiva faixa de comprimento de onda, através de uma amostra, seja em estado líquido ou sólido. Como resposta, a intensidade e espalhamento da luz obtida pelo equipamento representa a porcentagem de transmissão ou reflexão que aquela peça apresenta (OLIVEIRA, 2008).

Para caracterizar peças poliméricas transparentes através deste equipamento, deve-se respeitar as condições exposta pela norma ASTM D1003 (2013) que especifica o método padrão para testar a transmitância luminosa e o haze de plásticos transparentes. A norma especifica, que an-tes do ensaio, as amostras devem ser armazenadas em no mínimo 40h em um ambiente a 23 ºC aproximadamente e umidade relativa de 50 %, para que estejam adequadas para se realizar os ensaios.

Além disso, o equipamento de medição deve utilizar um sistema hemisférico óptico, com uma esfera de integração, na qual a amostra pode ser colocada rente à porta da esfera conforme ilustrado na Figura 23.

Figura 23 – Sistema hemisférico óptico do espectrofotômetro

Fonte: Adaptado de ASTM D1003 (2013)

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O feixe de luz para análise deve ser capaz de computar os dados espectrais do diagrama de cromaticidade respectivos da Comissão Inter-nacional Francesa de Iluminação, (do francês, Commission Internacio-nale de l´Éclairage, CIE) especificamente, ao CIE 1931, que representa um observador padrão, em que as coordenadas são plotadas com x sendo as abcissas e y as ordenadas (ASTM D1003, 2013).

Os iluminantes a serem utilizados nesse método de medição são do padrão tipo C, que representa a luz do dia com a temperatura de cor cor-relacionada a 6774 K, ou alternativamente, do padrão tipo A, represen-tando um radiador completo em 2855.6 K, ambos em termos de uma dis-tribuição de energia espectral relativa (ASTM E284, 2017).

Ainda, segundo a norma ASTM D1003 (2013) somente duas con-dições de iluminação podem ser usadas neste teste, a primeira com a ilu-minação unidirecional e visualização difusa ou com a iluminação difusa com visualização unidirecional.

Assim além dessa técnica de medição, outro método que parece ser possível utilizar para caracterizar peças planas transparentes é o desig-nado pelo método do índice universal de qualidade de imagem que será descrito a seguir.

2.7.2 Índice universal de qualidade de imagem (IUQI)

As imagens digitais estão sujeitas a uma ampla variedade de dis-torções durante etapas de aquisição ou captura, processamento, compres-são, armazenamento, transmissão e reprodução destas imagens. Qualquer uma delas pode ser responsável por resultar em uma degradação da qua-lidade visual.

Para avaliação dessas distorções existem basicamente duas formas utilizadas para mensurar a qualidade de uma imagem, a primeira é a qua-lidade objetiva que são medidas definidas matematicamente, amplamente utilizada, tal como o erro quadrático médio (MSE), a relação sinal-ruído máxima (PSNR), erro absoluto médio (MAE) e relação sinal-ruído (SNR).

E a segunda métrica, a qualidade subjetiva, foi desenvolvida e uti-lizada para avaliar a qualidade de distorção das imagens, nesse caso, po-dendo ser classificadas de acordo com a disponibilidade de uma imagem original (sem distorção), em comparação com uma imagem distorcida (WANG et al., 2004).

Um grande esforço foi dedicado ao desenvolvimento de métodos de avaliação de qualidade subjetiva por distorção de imagens que apro-veitam as características conhecidas do sistema visual humano HVS (do

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inglês, Human Visual System). A maioria dos modelos desse tipo de ava-liação de qualidade perceptual propostos seguem uma estratégia de mo-dificar a medida do MSE de modo que os erros sejam minimizados de acordo com a visibilidade (WANG; BOVIK, 2002).

Embora acredita-se que as condições de visualização desempe-nhem papéis importantes na percepção humana com relação a qualidade de uma imagem, elas, na maioria dos casos, não são fixas e os dados es-pecíficos geralmente não estão disponíveis para o sistema de análise de imagens.

Se existirem N condições de visualização diferentes, o método de-pendente da condição de visualização irá gerar N resultados de medição diferentes que são inconvenientes de usar (WANG; BOVIK, 2002).

Além disso, torna-se responsabilidade do usuário medir as condi-ções de visualização, calcular e inserir os parâmetros de condição nos sis-temas de medição. Por outro lado, uma medida de visualização indepen-dente dessa condição fornece um único valor de qualidade que dá uma ideia geral de como a imagem é boa (WANG; BOVIK, 2002).

Com base nisso, Wang e Bovik (2002) desenvolveram uma forma de medição que considera as características do (HVS) na tentativa de in-corporar medidas perceptivas de qualidade de uma imagem através da análise por visualização denominado índice universal de qualidade de imagem (IUQI) (do inglês - Universal Image Quality Index) (WANG; BOVIK, 2002).

Esse método foi desenvolvido com o intuito de avaliar a distorção entre imagens originais e distorcidas com uma combinação de três fatores: perda de correlação (Q1), distorção de luminância (Q2) e distorção de contraste (Q3). (WANG; BOVIK, 2002; BYUN; HAN; CHAE, 2015).

O primeiro componente (Q1) refere-se ao coeficiente de correlação entre as imagens original e distorcida relacionada a respectiva área de vi-sualização entre os eixos XY, representando a medida da correlação linear entre as imagens. Seu alcance estende de -1 a 1, e o melhor valor é obtido quando a imagem distorcida é igual à imagem original, ou seja, igual a 1 (BYUN; HAN; CHAE, 2015).

O segundo componente (Q2) mede a luminância média entre as duas imagens e seu alcance é entre 0 e 1. Este componente tem o valor máximo quando o valor de luminância das duas imagens comparadas for o mesmo.

De acordo com Wang et al. (2004) esse coeficiente está relacio-nado a luminosidade da superfície do objeto que está sendo observado, representa o produto da iluminação ambiente e da refletância da peça, a

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variação do resultado pode ser entendida como uma estimativa do con-traste de luminosidade.

E o terceiro componente (Q3) mede qual é o grau de contraste entre essas duas imagens, em outras palavras, qual a dissimilaridade que há en-tre eles, ou seja, a distorção que ocorre. Seu intervalo de valores é de 0 a 1 e o melhor valor é obtido quando não há variações ou obtido mediante a comparação entre duas imagens semelhantes.

Wang et al. (2004) constataram que a luminância e o contraste po-dem variar em uma área específica da imagem em relação a área total.

Assim, o índice IUQI é aplicado usando uma janela de movimen-tação e visualização local de tamanho N × N, que representa o número de pixels. Essa janela move-se sobre toda a imagem, pixel a pixel, ao longo das direções horizontal e vertical conforme a Figura 24.

Figura 24 – Esquema para determinação do IUQI

Fonte: Adaptado de BYUN e HAN (2015)

Desta forma, aplica-se o método de qualidade de imagem nas regi-

ões locais da imagem usando a janela de pixels. A medição começa pelo canto superior esquerdo da imagem, em que a janela deslizante se move horizontalmente e verticalmente por todas as linhas e colunas da imagem até que o canto inferior direito seja alcançado.

O valor de IUQI em uma posição genérica (x, y) de bandas indivi-duais da imagem é calculado pela Equação 6:

#$%# = %1 ∗ %2 ∗ %3(6) Pode ser representada especificamente através da Equação 7:

51

#$%#(�, )) = *+,*+*, ∗ 2-+-,(-+)� + /-,0� ∗2*+*,*+� + *,� (7)

Onde µ� e µ) denotam os valores médios obtidos das imagens dis-

torcidas com relação a original e é calculado conforme a Equação 8. Os σ�2 e σ)2 são os valores de variância das imagens originais e distorcidas obtidas por meio da Equação 9, respectivamente, e σ�) é a covariância entre duas imagens, apresentada na Equação 10, todos calculados com base na mesma janela de visualização.

-+ =123�4 ,546�

-, = 123)4546�

(8)

*8� = 12 − 13(�4 − -+)�546�

, *,� = 12 − 13()4 − -,)�546�

(9)

*+, = 12 − 13(�4 − -+)/)4 − -,0546�

(10) De acordo com a propriedade dos três fatores, o índice IUQI apre-

senta valores maiores em áreas não distorcidas e valores menores em áreas distorcidas, obedecendo o intervalo de −1 a 1.

O índice universal de qualidade imagem total IUQI pode ser cal-culado com relação a uma área específica, no entanto, o total do índice, dado por M passos, pode ser calculado e é dado pela Equação 11 (WANG; BOVIK, 2002; BYUN; HAN; CHAE, 2015).

#$%# = 1:3#$%#4;46�

(11) Portanto, o IUQI, permite realizar a medida de distorção espectral

baseada em janelas durante a comparação entre as imagens. E a distorção na imagem ocorre principalmente devido a alguma inconsistência espa-cial que forma na discordância entre duas imagens de diferentes pontos de vista geométricos.

52

Essa discordância entre as imagens é identificada pois o IUQI con-sidera as características das regiões locais das imagens, ao invés de usar medidas baseadas em diferença de pixel somente, que geralmente é reali-zado pelas métricas de qualidade objetiva (BYUN; HAN; CHAE, 2015; WANG et al., 2004).

Assim, o índice tem uma vantagem ao considerar as propriedades espaciais locais, isto é, informação de luminância, contraste e correlação, enquanto que as medidas tradicionais de semelhança baseadas em pixels se concentram apenas na assinatura espectral de cada pixel (BYUN;HAN;CHAE,2015;PRASHANTHA;SHASHIDHARA;BALASUBRAMANYA MURTHY, 2009)

Além disso, o índice IUQI possui uma característica robusta contra vários tipos de ruído de imagem, pois, as medidas de detecção de mudan-ças baseadas em pixels e orientadas por estatística, como (MSE) e (SNR), são sensíveis ao ruído da imagem, e se concentram principalmente no va-lor espectral e ignoram o contexto espacial. (WANG; BOVIK, 2002; BYUN; HAN; CHAE, 2015).

No entanto, Wang et al. (2004) observaram que o método apre-senta resultados instáveis quando ocorre a soma dos quadrados das mé-dias e das variâncias nos eixos x e y.

Por não apresentarem constantes, ou por estas constantes serem consideradas nulas em (Q2) e (Q3), em regiões de análise quase planas estes coeficientes ficam muito próximo de zero, tornando o algoritmo ins-tável.

Ao inserir constantes com pequenos valores na equação, sem ten-der a zero, evita-se o problema e o intervalo de dispersão demonstra que o índice fornece uma previsão notavelmente boa com relação a uma clas-sificação subjetiva (WANG et al., 2004).

Partindo desta premissa e das vantagens em utilizar esse método na comparação de imagens como um meio de classificação subjetiva das peças fabricadas nesse trabalho, pretendeu -se então verificar a adequação da técnica na avaliação e classificação das placas fabricadas pelo processo FFF na impressora 3D de baixo custo.

A partir da próxima seção constam as descrições e especificações utilizadas para fabricar as amostras, comparar as técnicas e avaliar os pa-râmetros que influenciam na transparência através desse processo de fa-bricação.

3 MATERIAIS E MÉTODOS

PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS

Visando atender ao objetivo proposto, o trabalho foi dividido em três etapas, representadas na Figura 25. Na primeira etapa foi realizado um estudo de caracterização do PETG, disponibilizado na forma de fila-mento com diâmetro de 1,75 mm da marca 3DFILA®, e de aparência transparente.

A segunda etapa, a de fabricação das peças, foi constituída de duas fases em que na primeira fase foi realizado um estudo exploratório para encontrar um conjunto de parâmetros capazes de fabricar peças livres de defeitos visíveis a olho nú, estabelecendo assim os parâmetros do pro-cesso a serem investigados na segunda fase desta etapa. Os aspectos qua-litativos selecionados para análise inicial das peças foram a integridade na união dos filamentos depositados e a qualidade superficial das peças. Na segunda fase desta etapa, amostras foram fabricadas com base em um planejamento experimental.

Na terceira etapa, as amostras foram analisadas em termos de sua espessura e de suas propriedades ópticas pelas técnicas IUQI e espectro-fotometria UV-visível. Concomitantemente os resultados foram compa-rados com os provenientes da literatura e os obtidos em relação a uma placa padrão.

54

Figura 25 – Organização das etapas da pesquisa

ETAPA 1:Caracterização do PETG

ETAPA 2:Fabricação das peças

ETAPA 3: Avaliação das

propriedades ópticas de transmissão e da espessura

das placas*

Estudo exploratório dos

parâmetros

Otimização dos parâmetros do

processo de extrusão

União dos filamentos

Planejamento experimental

DSC FTIR TGA

FASE 1 FASE 2

Procedimento de fabricação

das peças

Qualidade superficial das peças

Medição pelo índice de

qualidade de imagem (IUQI)*

Medição da espessura das

placas*

Medição pela Espectrofotometri

a UV-Vísivel*

Procedimento Metodológico

* Comparação dos resultados das placas com

uma placa padrão de mesmo material fabricada por um

processo convencional

55

ETAPA 1: CARACTERIZAÇÃO DO PETG

3.2.1 Espectrofotometria no infravermelho por transformada de Fourier (FTIR)

O filamento de PETG foi analisado em um espectrômetro de infra-vermelho Bruker, modelo TENSOR 27, pertencente ao Laboratório de Materiais (LabMat) da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). Teve por objetivo determinar a composição química do material por meio da análise dos espectros em número de onda. Foram obtidos os dados em uma faixa de número de onda de (500 a 4000) cm-¹ com relação a porcen-tagem de transmitância do espectro.

3.2.2 Calorimetria diferencial por varredura (DSC)

O filamento de PETG, foi submetida à análise de DSC, para se obter a temperatura de transição vítrea (Tg), temperatura de cristalização (Tc) e temperatura de fusão (Tm). No experimento foi utilizado uma amostra de 4.510 mg e, o equipamento utilizado foi o Perking Elmer 6000, disponibilizado pelo LabMat da UFSC. As condições de medição foram realizadas na faixa de temperatura de (30 a 300 °C) a uma taxa de aque-cimento e resfriamento de 10 °C/min.

As análises foram conduzidas segundo a norma ISO 11357-1:2016, com a utilização de fluxo 19ml/min de nitrogênio ultrapuro. O método de aquisição dos dados constitui de cinco fases: (i) espera-se a isoterma em 30°C por 3 minutos; (ii) aquecimento até 300 °C com uma taxa de 10 °C/min; (iii) espera-se a isoterma de 300 °C por 3 minutos; (iv) resfria-mento até 30°C com uma taxa de 10°C/min; (v) aguarda-se a isoterma de 30°C por 3 minutos.

3.2.3 Análise termogravimétrica (TGA)

Este ensaio foi realizado no LabMat da UFSC por meio do equipa-mento da marca NETZSCH do modelo STA 449 F3 Júpiter com cadinho de alumina e submetido a atmosfera de nitrogênio em uma faixa de tem-peratura entre 30 a 700ºC e a uma taxa de aquecimento de 10ºC/min, para se obter a respectiva temperatura de degradação (Tdg) do PETG.

56

ETAPA 2: FABRICAÇÃO DAS PEÇAS

3.3.1 Geometria das amostras

Tendo como base sugestões apresentadas por Ahn et al.. (2004), Morgan et al..(2016), Chen, Lu, Feng (2018) e pelas orientações das nor-mas ASTM D1003 (2013) e ASTM D1746, (2009).

A geometria utilizada nesta pesquisa foi uma placa fina de altura e comprimento de 50x50mm² e espessura de 0,5 mm. Foi adotada essa es-pessura, por ser uma dimensão comum em placas e embalagens em PETG comerciais e similar ao da placa padrão utilizada para a comparação nos resultados. A placa foi modelada no software CAD SolidWorks® conver-tida em arquivo.STL e posteriormente importada para o software de fati-amento SIMPLIFY3D® para o processamento.

3.3.2 O equipamento

O equipamento utilizado para fabricação das amostras foi desen-volvido pelo Instituto Federal de Santa Catarina (IFSC) e utiliza como referência o modelo de máquina RepRap MendelMax conforme mostra a Figura 26. A impressora possui uma estrutura feita totalmente de alumí-nio, para garantir maior rigidez da impressora e reduzir a probabilidade de vibrações durante a fabricação das peças.

Figura 26 – Impressora 3D de código aberto robusta

Fonte: Autora

57

O eixo vertical, representado pela direção Z da máquina, que influ-encia na espessura da camada, utiliza um sistema de transmissão de mo-vimento baseado em fusos de esfera, garantindo melhor precisão (SANTANA, 2015)

Além disso para auxiliar na fabricação de superfícies lisas das pe-ças e na sua fixação, a plataforma de construção do equipamento, Figura 27, pode ser aquecida e é constituída basicamente de uma estrutura de alumínio, com um isolante térmico, uma resistência elétrica modelo MK2B PCB 12V/24V e uma placa de vidro lisa e limpa.

Figura 27 – Plataforma de construção aquecida

Fonte: Adaptado de SANTANA (2015)

As especificações quanto as limitações e faixas de funcionamento

da impressora estão descritas no Quadro 3. Quadro 3 – Características da impressora 3D

Impressora 3D

Precisão dimensional (X/Y/Z) 0,03/0,03/0,02 mm

Temperatura de construção Até 250ºC

Temperatura da plataforma 50 à 110ºC

Velocidade de impressão Até 80 mm/s

Diâmetro do bico extrusor 0,3 – 0,4 – 0,5 mm

Área de Impressão 200 x 200 mm ²

Fonte: Adaptado de SANTANA (2015)

58

3.3.3 Fase 1: Avaliação preliminar dos parâmetros de fabricação por tentativa e erro

Em função de não haver indicação inicial de quais são os valores dos parâmetros de processamento mais apropriados para fabricar as pla-cas livre de defeitos com o PETG, foram realizados experimentos de fa-bricação por meio de um estudo exploratório, descrito no Apêndice A.

As placas foram analisadas por meio de uma análise visual a olho nu utilizando os seguintes critérios sugeridos por Fendrich (2016) e Guaricela (2017):

i) possuir aspecto visual homogêneo; ii) ter rigidez suficientes para permitir manuseio e realização dos

ensaios; iii) não possuir defeitos visíveis na estrutura iv) apresentar aparência translúcida ou transparente. Através da análise dos resultados dos testes foram estabelecidos os

parâmetros fixos do processo (Tabela 2) capazes de fabricar peças que atendam os critérios mencionados anteriormente.

Tabela 2 – Parâmetros fixos do processo

Parâmetros fixos Valor Diâmetro do bocal (mm) 0,4 Temperatura do bocal (ºC) 220 Temperatura da plataforma (ºC) 90 Velocidade de impressão (mm/s) 10 Densidade de preenchimento (%) 100 Multiplicador de extrusão 0,90

Além destes parâmetros fixos, para a segunda fase da etapa de fa-

bricação da pesquisa foi selecionado ainda como parâmetros de entrada a espessura de camada (E) e largura de extrusão (Le).

Estes parâmetros foram selecionados pois observou-se nos testes preliminares que as amostras fabricadas com 100% de largura de extrusão ainda apresentaram diminutos vazios entre os filamentos, evidenciando um aspecto translúcido das amostras comprometendo sua propriedade óp-tica. Segundo a análise visual verificou se que seria necessário investigar este fator e sua influência sobre a transparência das amostras.

Além disso, não foi possível evidenciar diferenças visíveis a olho nú, em termos de transparência, de algumas das placas avaliadas.

59

3.3.4 Fase 2: Otimização dos parâmetros do processo de extrusão

Portanto, nesta fase foi investigada a influência da espessura de camada (E) e largura de extrusão (Le) na precisão dimensional e na apa-rência das peças, comparando-as com uma placa padrão obtida comerci-almente.

Como a espessura da placa padrão é de 0,50 mm, foi adotada a faixa de espessura de camadas múltiplas deste valor.

Após os resultados obtidos com os testes preliminares apresenta-dos na seção anterior, as amostras foram construídas a partir de um DOE (do inglês, Design of Experiment) com um planejamento de experimentos fatorial multinível dos dois parâmetros – espessura de camada e largura de extrusão (Tabela 3), – com dois níveis para cada fator e foram avalia-dos através do teste de análise de variância (ANOVA) com fator de con-fiança de (α =0,05).

Tabela 3 – Parâmetros de análise

Parâmetros Níveis

1 2 Espessura de camada (E) (mm) 0,100 0,250 Largura de extrusão (Le) (%) 100 150

Com base no número de fatores e níveis selecionados, foi possível

estabelecer quatro combinações de amostras, Tabela 4, com a condição de três repetições por interação resultando em um total de 12 amostras.

Tabela 4 – Especificação das amostras

Condição Espessura de camada (mm)

Largura de extrusão (%)

E1Le1 0,100 100 E1Le2 0,100 150 E2Le1 0,250 100 E2Le2 0,250 150

As amostras foram construídas no centro da plataforma, na sequên-

cia mostrada na Tabela 4, e apenas uma peça por vez foi fabricada para evitar alterações nas amostras devido a distribuição de temperatura na mesa aquecida. Tal estratégia se baseia nas orientações obtidas e sugeri-das em Santana (2015) por constatar não haver uniformidade de fabrica-ção de amostras em diferentes pontos da plataforma aquecida.

60

Na fabricação das amostras, além da especificação do equipamento que foi utilizado para a fabricação das peças, o local de fabricação foi mantido em 60 ± 3 % de umidade e a uma temperatura ambiente de 23 ± 2 ºC. As amostras foram construídas com orientação de preenchimento retilíneo (Figura 28) e ângulo de varredura de 0º em relação ao eixo X da impressora conforme mostra a Figura 29.

Figura 28 – Estratégia de preenchimento das amostras

Fonte: Autora

Figura 29 – Posição da amostra na plataforma de impressão da impres-sora 3D: a) perspectiva b) vista superior

Fonte: Autora

61

Como o material analisado é hidrofílico – que altera suas proprie-dades com a presença de umidade – a bobina com o material de origem foi armazenada em um forno a 40 ºC com presença de sílica – material desumidificante – para absorção da umidade do material e as amostras armazenadas em envelopes plásticos com sílica e embrulhadas em um en-velope que não permite a absorção da luz.

3.3.5 Procedimento de fabricação das placas

Antes de iniciar a fabricação das peças adotou-se um procedimento de calibração do equipamento, que consistiu nos seguintes passos:

a) verificar o alinhamento dos dois eixos de movimentação que co-nectam o sistema extrusor da impressora 3D e o nivelamento da plata-forma, ambos procedimentos realizados por meio de uma régua de nive-lamento Stabila® PoketPRO Magnetic com erro de (±0,1º)/ (0,057º/1mm/m), verificando a concentricidade da bolha de ar contida na régua.

b) calibrar a altura do eixo Z em relação ao eixo X da plataforma conforme o ponto zero da máquina, a distância entre o bico e a mesa ado-tada foi Hbp<0,05 mm com auxílio de um calibrador de folga metálico, nesta condição, pode-se dizer que o bico ficou bem próximo a mesa, im-possibilitando até mesmo a passagem do calibrador de folga.

c) verificar se há material da mesa e limpar a plataforma d) aquecer as temperaturas do bocal e da plataforma até atingirem

o valor desejado para a fabricação das amostras. e) verificar se o filamento está sendo extrudado normalmente pelo

bocal, por meio da disposição livre de 10 mm do filamento com comando de controle de extrusão do software.

Além dessas etapas, para garantir a uniformidade das placas fabri-cadas e a extrusão do material, outra variável foi utilizada denominada número de loops, essa consiste na extrusão do filamento no contorno da peça, a uma certa distância. Pois, um atraso de deposição do material na plataforma foi observado e essa limitação da impressora causou defeitos na primeira camada das placas devido a falha de deposição que foi obser-vada.

Com isso, optou-se por utilizar o número de loops igual a quatro, Figura 30, pois foi o ponto de equilíbrio testado, eliminando o problema de deposição do material na mesa, sem aumentar significativamente o tempo de fabricação.

62

Figura 30 – Número de loops na peça

Fonte: Autora

ETAPA 3: AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES ÓPTICAS DE TRANSMISSÃO E ESPESSURA DAS PLACAS

3.4.1 Medição da espessura das placas

No processo de medição da espessura das placas utilizou-se um micrômetro digital da marca INSIZE IPC4 faixa de medição (0-25) mm e erro de 0,001 mm. O procedimento para mensurar as amostras consistiu na seguinte estratégia: realizar uma medição em cada lateral da peça e uma central apresentando um total de cinco pontos, conforme mostra a representação da Figura 31.

Figura 31 – Estratégia de medição da espessura das placas

Fonte: Autora

63

3.4.2 Avaliação óptica da posição das placas nos testes

Além dos parâmetros do processo mostrados na seção 3.3.4, para avaliar a transparência das placas foram analisadas as influências da ori-entação dos filamentos na placa e da qualidade das suas superfícies em função da posição utilizada durante a realização dos testes de análise das propriedades ópticas. Segundo Gaal et al., (2017) e Bishop et al., (2016) esses fatores apresenta bastante influência sobre as propriedades ópticas. Portanto (Quadro 4) foram adotadas as seguintes posições das placas nos ensaios com suas respectivas simbologias.

A posição horizontal dos filamentos nas peças representa a orien-tação de 0º em relação ao eixo X de fabricação na impressora (Figura 32), e a vertical representa a posição dos filamentos a 90º com base neste mesmo eixo.

Como as amostras foram construídas sobre a influência de uma plataforma lisa e aquecida, então também se avaliou a influência da su-perfície de base da peça, que representa a superfície depositada sobre a plataforma – primeira camada, e a de topo que representa a última camada de construção da peça, influenciada apenas pelo formato e dimensão dos filamentos.

Quadro 4 – Definições das posições de análise das placas durante

captura das imagens para análise óptica Posição/

Superfície Descrição

HB Base da placa com os filamentos na horizontal HT Topo da placa com os filamentos na horizontal VB Base da placa com os filamentos na vertical VT Topo da placa com os filamentos na vertical

As posições horizontal e vertical dos filamentos estão relacionadas

ao eixo X que foram construídas as amostras. Na Figura 32, pode-se ob-servar um modelo das placas segundo as posições dos filamentos e das superfícies descritos no Quadro 4, as sequências das medições segundo a orientação dos filamentos e da superfície analisada.

64

Figura 32 – Estratégia de análise das posições das amostras

Fonte: Autora

Desta forma foi estabelecido a ampliação do DOE considerando os

parâmetros mencionados na seção 3.3.4 e as posições desta seção, for-mando 4 fatores para 2 níveis cada um, resultando em 16 combinações com 3 amostras cada uma, totalizando 48 medições, conforme mostra a Tabela 5.

Tabela 5 – Estratégia de análise dos parâmetros e posição das placas

Condição Espessura de camada

(mm)

Largura de extrusão

(%)

Posição dos fila-mentos

Superfície da placa

E1Le1HB 0,100 100 Horizontal Base E1Le2HB 0,100 150 Horizontal Base E2Le1HB 0,250 100 Horizontal Base E2Le2HB 0,250 150 Horizontal Base E1Le1VB 0,100 100 Vertical Base E1Le2VB 0,100 150 Vertical Base E2Le1VB 0,250 100 Vertical Base E2Le2VB 0,250 150 Vertical Base E1Le1HT 0,100 100 Horizontal Topo E1Le2HT 0,100 150 Horizontal Topo E2Le1HT 0,250 100 Horizontal Topo E2Le2HT 0,250 150 Horizontal Topo E1Le1VT 0,100 100 Vertical Topo E1Le2VT 0,100 150 Vertical Topo E2Le1VT 0,250 100 Vertical Topo E2Le2VT 0,250 150 Vertical Topo

65

O teste ANOVA dos resultados obtidos pelos ensaios foram com-putados a partir do uso do software Statgraphics® através do módulo DOE com uma análise multifatorial 2�, representado os 4 fatores com 2 níveis cada um, adotando um nível de confiança de 95%, conforme sugere (ALBERTAZZI; SOUSA, 2008).

3.4.3 Medição pelo índice de qualidade de imagem (IUQI)

Para realizar esse ensaio teve-se o auxílio da uma equipe do Labo-ratório de Metrologia (LABMETRO) da UFSC, para a montagem do apa-rato e desenvolvimento do software de análise das imagens pelo IUQI que mesmo foi desenvolvido na plataforma do Labview®.

Na composição do aparato, utilizou-se uma câmera modelo PL-B777g da marca PixelLink, resolução 2594x1944 pixels, com uma lente de 25 mm modelo Pentax CCTV F/1.4 2/3 MIC. A câmera foi fixada em uma haste metálica presa a uma plataforma metálica fixa em uma mesa de mármore, sendo a distância entre a lente e a amostra de aproximada-mente 21 cm, possibilitando capturar uma área de 50x37 mm, que permi-tiu capturar cerca de 90% da área da placa sem perder a nitidez e o foco da imagem.

A captura das imagens foi realizada com o software da própria câ-mera PixelLink® (Figura 67 do Apêndice B) e depois processadas pelo software IUQI desenvolvido no Labview® (Figura 68 do Apêndice B).

Antes de realizar as medições, fez-se sempre uma calibração e ajuste de parâmetros. Neste caso, para essa lente, foram estabelecidos os seguintes parâmetros de calibração, conforme mostra a Tabela 6.

Tabela 6 – Especificação dos parâmetros da lente utilizados no aparato

Lente 25 mm Pentax Altura da lente em relação a amostra (mm) 210 Área de captura da amostra (mm) 50 x 37 Foco 0.25 Diafragma 4.0 Tempo de exposição 80

Para assegurar as mesmas condições de medição para todas as

amostras, a posição do aparato na mesa foi mantido fixa, conforme ob-serva-se na Figura 33. Para a captura das imagens, as amostras foram po-sicionadas sobre um padrão geométrico na forma de cubos (Figura 34) e iluminadas apenas pela presença de luzes incandescentes do próprio la-boratório, em local sem interferência de luz externa ao ambiente.

66

Figura 33 – Aparato de captura das imagens para a medição pelo IUQI

Fonte: Autora

Figura 34 – Padrão geométrico utilizado para a captura das imagens e

medição pelo IUQI

Fonte: Autora

A imagem das amostras sobre a geometria padrão era capturada

pela câmera -salva em arquivo .bpm - e arquivada conforme posição e condição apresentadas na seção 3.4.2. Quanto a medição dos coeficientes da técnica IUQI, desenvolvidos no Labview®, para se obter os resultados

67

teve-se que inserir a imagem da placa padrão e a da amostra para realizar a comparação.

Para todos os resultados foi adotada uma janela de visualização N=9 pixels e foram avaliados todos os coeficientes utilizados no cálculo do IUQI, mencionados na seção 2.7.2.

3.4.4 Medição pela espectrofotometria UV-Visível

No ensaio de transmitância total, difusa e haze, foi utilizado o es-pectrofotômetro modelo CM -3600A da marca KONICA MINOLTA, do núcleo de pesquisa em materiais cerâmicos e vidros (CERMAT) da UFSC.

O instrumento utiliza um sistema hemisférico ótico de esfera inte-grada e é utilizado para medir transmitância e refletância de materiais lí-quidos e sólidos transparentes, translúcidos e opacos. O software utilizado para auxiliar na seleção dos dados do ensaio e resultados foi o OnColor da CYBERCHROME®.

No espectrofotômetro CM-3600A emprega-se a geometria de ilu-minação, conforme mencionado na seção 2.7.1, difusa com a visualização unidirecional, pois é a configuração que se mantém após a calibração do ensaio de transmitância no equipamento.

Segundo a norma ASTM D1003 (2013) e o manual do equipa-mento, alguns parâmetros devem ser mantidos fixos no ensaio e foram selecionados no software OnColor, conforme mostra na Tabela 7.

Tabela 7 – Parâmetros do OnColor para o ensaio de transmitância

Configuração do ensaio de transmitância Modo de Calibração Transmitância Componente especular SCI Faixa de comprimento de onda (nm) 360 - 740

Geometria Iluminação difusa e visão unidirecional (di:0º/de:0º)

Iluminante (CIE 1931) C Energia UV 100% Área de visão da lente LAV (ø 25,4 mm) Área de iluminação e medição da amostra

Grande (ø 17/ ø 25,4 mm)

Número de flashes por medida 1 Ângulo observador 2º

68

Para obter os resultados de transmissão luminosa total, transmissão difusa e haze das placas em PETG, um procedimento foi estabelecido.

Primeiramente, certificou-se que os dados da Tabela 7, já foram selecionados no software e realiza-se a calibração do ensaio utilizando os próprios padrões branco e preto do equipamento.

Na sequência, para cada uma das posições de análise apresentadas na seção 3.4.2, o padrão e as três amostras de cada condição foram posi-cionados no centro da janela de iluminação do equipamento dentro da câ-mara de transmitância e medida uma vez cada, o resultado da transmitân-cia luminosa total, difusa e haze para o padrão e para cada condição foi determinada pelo equipamento a partir da média das três amostras.

O ambiente foi mantido em 23ºC aproximadamente e as amostras foram armazenadas em uma embalagem com sílica para evitar que o ma-terial absorvesse a umidade. Pelo equipamento foi possível obter os re-sultados das medições de de haze das amostras somente para a faixa de comprimento de luz visível (400-740 nm), a faixa UV (360-400nm) foi calculada conforme Equação 5 da seção 2.6.1.

Os resultados do ensaio foram armazenados em arquivo .txt e pos-teriormente convertidos em tabelas e gráficos no Excel®.

Os resultados de transmitância total, difusa e haze foram avaliados isoladamente por testes ANOVA conforme mencionado na seção 3.4.2.

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES

CARACTERIZAÇÃO DO PETG

4.1.1 FTIR

Ao comparar os resultados do ensaio de FTIR das amostras padrão e do filamento (Figura 35 e Figura 36), com os resultados dos estudos realizados por Chen et al. (2015) (Figura 37) foi observado que a linha base do espectro do número de onda de 1712 a 1719 <=>� representam os grupos C=O dos ésteres, as bandas de absorção 2924 e 2852 <=>� referem-se a ligação C – H alinfática assimétrica e simétricas devido a existência dos grupos metileno.

Os número de ondas 1242-1249/1261, 1452/1450 e 974/958 <=>� são derivados das bandas de absorção C (= O) – O, CH2 e da banda de absorção C-H e do C-O, respectivas da composição de vários monômeros CHDM nos copolímeros PETG.

Segundo Chen; Zhang e Zhang (2015) no caso dos PETG, é possí-vel observar que a banda de absorção de CH2 é de 1451 <=>� e a de C-H do anel de ciclohexileno é de 958 <=>� ocorre somente devido ao componente CHDM (CHEN; ZHANG; ZHANG, 2015).

Como a composição das amostras da placa padrão e do filamento analisadas através do ensaio encontram-se similares a apresentada na li-teratura, conclui-se que o material da placa padrão e do filamento repre-sentam um copolímero PETG.

Figura 35 – FTIR do PETG da placa padrão

Fonte: Autora

70

Figura 36 – FTIR do PETG filamento

Fonte: Autora

Figura 37 – FTIR de diferentes concentrações de CHDM no PET

Fonte: Adaptado de CHEN et al. (2015)

4.1.2 DSC

Os resultados do ensaio de DSC obtidos de diferentes concentrações de PETG na literatura (Figura 38) indicaram que a introdução de 1,3 / 1,4-CHDM no homopolímero de PET afeta significativamente a Tg dos copoliésteres, e que a incorporação de diferentes concentrações do CHDM tem efeitos diferentes na morfologia do PET. No entanto, a variação das amostras de PETG podem ter a variação da Tg entre 76 e 78 °C (TSAI et al., 2006, 2008; CHEN; ZHANG; ZHANG, 2015).

71

Figura 38 – DSC de composições CHDM no PET: a) taxa de resfria-

mento, b) taxa de aquecimento

Fonte: Adaptado de CHEN et al. (2015)

Por meio dos resultados obtidos do teste de DSC (Figura 39) do

filamento PETG foi constatado uma Tg de aproximadamente 77°C tanto para taxa de resfriamento (Figura 39a) quanto para a taxa de aquecimento (Figura 39b).

Além disso foi observado nos gráficos que não há a presença da Tc e da Tm indicando uma composição de PETG (70/30), que de acordo com Chen et al. (2015), essa composição de PETG geralmente não apresenta o pico de cristalização sob nenhuma das taxas de resfriamento ou aquecimento no ensaio, caracterizando-o como amorfo.

Portanto, o valor de Tg e a ausência da Tc e da Tm no resultado dos gráficos do ensaio indicou que o PETG é amorfo podendo estar na faixa de composição de PETG70/30, apresentando os resultados similares ao apresentado na literatura.

72

Figura 39 – DSC do filamento em PETG: a) taxa resfriamento, b) tava de aquecimento

Fonte: Autora

4.1.3 TGA

Segundo os resultados obtidos da literatura, a faixa da temperatura de degradação do PETG nas concentrações de CHDM de 15, 30, 50 e 70 mol% está entre 430 e 450 °C (TSAI et al., 2006, 2008; CHEN et al. 2015).

Assim como a literatura, por meio do resultado do ensaio foi ob-servado que o material apresentou o valor da Tdg=432ºC dentro da faixa (Figura 40), caracterizando como PETG.

73

Figura 40 – Temperatura de degradação do PETG filamento

Fonte: Autora

A partir desses resultados ficou evidente que o material do fila-

mento representa uma composição de PETG originada da combinação en-tre o copolímero CHDM com o PET.

Além disso, através do teste de DSC, verificou-se que o material é amorfo por não apresentar temperatura de cristalização e nem de fusão. Por ser amorfo, o material tem como característica óptica de sua aparência uma tendência em ser transparente.

AVALIAÇÃO DA ESPESSURA DAS PLACAS

Nesta etapa foi avaliada a influência de cada parâmetro do pro-cesso na espessura das placas. A Tabela 8 apresenta os resultados obtidos da medição da espessura das amostras para cada condição avaliada.

Tabela 8 – Resultado da espessura das placas

Condição CP1 CP2 CP3 Média DP Máx. mín. E1Le1 0,512 0,512 0,480 0,501 0,018 0,512 0,480 E1Le2 0,521 0,502 0,485 0,503 0,018 0,521 0,485 E2Le1 0,490 0,496 0,493 0,493 0,003 0,496 0,490 E2Le2 0,620 0,620 0,630 0,623 0,006 0,630 0,620

Fonte: Autora

74

Com relação a média das amostras (Tabela 8), observou-se que apenas as placas das condições E1Le1 e E1Le2 atenderam os requisitos de espessura definidos pelo software de 0,5 mm.

Os resultados demonstraram que a variação da espessura entre os corpos de prova (CP) se caracterizaram como um efeito aleatório no sis-tema influenciado diretamente pela variação da altura entre o bocal e a plataforma (Hbp), conforme já mencionado por FALCO et al., (2016). Isso alterou significativamente a espessura do CP3, em relação a CP1 e CP2, com uma variação de 6% aproximadamente, representando uma di-ferença de espessura de 0,03mm entre elas.

Uma vez que os desvios padrão (DP) das amostras foram signifi-cativos, uma aleatoriedade foi constatada, principalmente nas amostras fabricadas com as mesmas configurações de parâmetros, portanto, através dos resultados foi verificado que as amostras tiveram diferentes espessu-ras entre si, situação já observada e mencionada por Santana, Lino e Sabino (2017), devido a essa aleatoriedade.

Por meio da Figura 41 pode ser observado os valores das médias das espessuras das amostras e seus respectivos desvios padrão das placas de cada condição.

Figura 41 – Representação da média e do desvio padrão da espessura

das placas por condição

Fonte: Autora

Através da Figura 41 foi verificado que as placas da condição

E2Le2 não atingiu a espessura requerida no software, e apresentou um aumento da espessura de aproximadamente 25% em relação as demais.

75

Conforme a Tabela 9, através da análise de variância pode-se afir-mar que tanto a espessura de camada (E), quanto a largura de extrusão (Le) e a sua combinação influenciaram diretamente na espessura das pla-cas.

Tabela 9 – Teste ANOVA referente a espessura das placas

Parâmetro SQ GL MQ F Valor P A= Espessura da camada

0,01

1 0,01

53,35 0,83e-4

B= Largura de extrusão

0,01 1 0,01 73,54 0,26e-4

AB 0,01 1 0,01 70,74 0,30e-4 Total 0,03 11

Fonte: Autora

Portanto, a espessura das placas teve influência tanto da espessura da camada como da largura de extrusão. E quando utilizadas no nível má-ximo adotado no experimento, no caso da condição E2Le2, influenciaram na sobre extrusão entre as camadas aumentando a espessura das amostras em 25%.

De acordo com Turner e Gold (2015) a variação dimensional cau-sada pela sobre extrusão nas placas pode ter sido produzida por uma ten-são entre os filamentos que acarretou nessa distorção. Assim como, pode pelo excesso de deposição do material causado pelo sistema de tração da extrusora responsável pela taxa de alimentação do material durante a im-pressão, conforme observado por (SANTANA; LINO; SABINO, 2017).

AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES ÓPTICAS PELO IN-DICE UNIVERSAL DE QUALIDADE DE IMAGEM (IUQI)

Neste teste foi verificada a influência dos parâmetros do processo e das posições das placas, sobre os coeficientes de correlação XY, lumi-nância, contraste e no valor de IUQI.

4.3.1 Correlação XY

Na Figura 42 consta a representação da média da correlação XY das e os seus desvios padrão referentes aos resultados obtidos das placas de cada condição (Tabela 21 - Apêndice C), assim como a comparação entre as placas de cada condição com diferentes posições.

76

Figura 42 – Representação da média da correlação XY e os desvios pa-drão das placas e a comparação entre as suas posições

Fonte: Autora

Por meio dos resultados (Figura 42), fica evidente que a posição de

visualização HB apresentou os maiores resultados entre as amostras, in-dependente da configuração dos parâmetros do processo.

Ao avaliar as amostras da condição E1Le2, observou-se que a po-sição HB das placas apresentou a maior correlação XY. Mesmo compa-rando com as posições das placas em HT, VB através do teste de hipótese (Apêndice E), não foi possível afirmar se houve semelhança de resultado entre elas, portanto HB constatou ser o melhor resultado para esta condi-ção.

Para E1Le1 não foi possível afirmar qual das posições de visuali-zação foi a melhor, no entanto para as condições E2Le1 e E2Le2 as placas com a orientação horizontal (H) dos filamentos foram melhores que as verticais (V) independente da superfície das placas.

Portanto, pôde-se observar (Figura 42) que a maior correlação XY obtida na comparação entre a placa padrão e as placas analisadas (ver o Apêndice C) foi apresentada pelas condições E1Le2 e E2Le2.

Por meio da Figura 43, uma comparação dos resultados das placas das condições E1Le2 e E2Le2 também foi realizada para avaliar as seme-lhanças ou diferenças entre elas.

77

Figura 43 – Comparação dos resultados da correlação XY das placas das condições E1Le2 e E2Le2 com base nas posições de visualização

Fonte: Autora

Ao comparar as posições de visualização das placas das condições

E1Le2 e E2Le2 (Figura 43), foi verificado, assim como pelo teste de hi-póteses (ver o Apêndice E), que não houve diferença estatísticas relevan-tes entre as condições mesmo com a variação da espessura de camada.

Desta forma, evidenciou que as amostras com largura de extrusão Le2=150% e com a posição horizontal dos filamentos, apresentam as mai-ores correlações, independentemente da espessura de camada e das super-fícies das placas analisadas.

Ao analisar a variância dos resultados (Tabela 10), no entanto, foi observado que todos os fatores influenciaram significativamente na cor-relação linear entre as placas analisadas e a placa padrão. E na interação entre os fatores, as combinações entre a largura de extrusão e a orientação dos filamentos (BC) e da orientação com a superfície das placas (CD) também influenciaram nos resultados.

78

Tabela 10 – ANOVA da correlação XY Parâmetro SQ GL MQ F Valor P A= Espessura de camada

30,00e-4 1 30,00e-4 20,68 61,00e-4


0,10 1 0,10 722,12 0,10e-4

C= Orientação do filamento

0,09 1 0,09 621,86 0,10e-4

D= Superfícies da placa

0,02 1 0,02 115,36 1,00e-4

AB 0,11e-4 1 0,11e-4 0,08 0,79 AC 1,86e-4 1 1,86e-4 1,28 0,30 AD 6,67e-4 1 6,6e-4 4,59 0,08 BC 19,21e-4 1 19,21e-4 13,22 0,01 BD 0,81e-4 1 0,81e-4 0,56 0,49 CD 15,21e-4 1 15,21e-4 10,46 0,02 Total 0,220 15

4.3.2 Luminância

Esse coeficiente representa o produto da iluminação ambiente e da refletância da peça, a variação do resultado pode ser vista como uma es-timativa do contraste de luminosidade entre a placa padrão e a placa ava-liada.

Neste contexto, por meio da representação da luminância média e dos respectivos desvios padrão, observada na Figura 44 - referente aos resultados de cada condição (Tabela 22 do Apêndice C) - as amostras construídas segundo a configuração de parâmetros E1Le2 e E2Le2 apre-sentaram os maiores valores de luminância e a menor dispersão dos valo-res.

A Figura 44 mostra que as condições E1Le1 e E2Le1 tiveram os valores de luminância superior a 80%, porém as condições E1Le2 e E2Le2 apresentaram valores superiores a 90% se comparadas com a placa padrão.

79

Figura 44 – Representação da luminância média e os desvios padrão das placas por condição e a comparação entre as suas posições de visualiza-

ção

Fonte: Autora

Logo, evidenciou que as placas fabricadas com largura de extrusão

Le2=150% apresentaram também os maiores resultados para este coefi-ciente.

Na Figura 45, por meio da comparação dos resultados de luminân-cia das condições E1Le2 e E2Le2 com base nas posições das placas, foi observado que os maiores valores foram obtidos com a superfície da base (B) das placas para cima, no entanto a diferença entre os valores de lumi-nância obtidos das superfícies de topo (T) e de base (B) das placas é de aproximadamente 6%.

Além disso, não foi possível afirmar, mesmo pelo teste de hipóte-ses (ver o Apêndice E), se a orientação vertical ou horizontal dos filamen-tos, e qual das condições E1Le2 e E2Le2 apresentaram melhor desempe-nho.

Com isso, foi verificado que as placas fabricadas com a largura de extrusão Le2=150% e analisadas com a superfície de base (B) para cima são as que apresentam os maiores valores de luminância, independente-mente da variação da espessura de camada e da orientação dos filamentos.

80

Figura 45 – Comparação dos resultados da luminância das placas das condições E1Le2 e E2Le2 com base nas suas posições

Fonte: Autora

No teste ANOVA apresentado na Tabela 11, mostra que os princi-

pais parâmetros que influenciaram significativamente na luminância entre a placa padrão e as placas avaliadas foram a largura de extrusão e as su-perfícies de base e topo. Além disso, a orientação dos filamentos também influenciou estatisticamente, porém a variação da espessura da camada não afetou nos resultados do teste.

Nas interações entre os fatores (Tabela 11), as combinações (AB), (BC) e (BD) também influenciaram nos resultados da luminância das pla-cas.

Tabela 11 – ANOVA da luminância

Parâmetro SQ GL MQ F Valor P A=Espessura de camada

0,40e-4 1 0,40e-4 4,74 0,08

B=Largura de ex-trusão

0,03 1 0,03 2913,05 0,10e-4

C=Orientação do filamento

2,5e-4 1 2,5e-4 28,12 32,00e-4

D=Superfícies da placa

0,01

1 0,01 729,17 0,10e-4

81

AB 21,02e-4 1 21,02e-4 23,58 46,00e-4 AC 0,20e-4 1 0,20e-4 2,25 0,19 AD 0,04e-4 1 0,04-e4 0,45 0,53 BC 1,56e-4 1 1,56e-4 17,52 86,00e-4 BD 9,00e-4 1 9,00e-4 100,93 2,00e-4 CD 0,02e-4 1 0,02e-4 0,31 0,60 Total 0,03 15

4.3.3 Contraste

Segundo Wang e Bovik (2002) esse coeficiente mede qual é o grau de distorção, ou seja, a diferença que ocorre entre as placas quando feita a comparação das duas imagens. Neste caso, comparou-se este contraste entre a placa padrão e as das placas com as respectivas condições.

Por meio da representação dos resultados da média e dos desvios padrão das amostras (Figura 46), referente aos valores obtidos de cada condição (Tabela 23 do Apêndice C) observou-se que os resultados asso-ciados ao contraste para as placas nas condições E1Le2 e E2Le2 são apro-ximadamente 90% semelhantes a placa padrão.

Figura 46 – Representação da média do contraste e os desvios padrão

das placas por condição e a comparação entre as suas posições

Fonte: Autora

82

Além disso, evidenciou que independente da superfície analisada, a posição horizontal dos filamentos influenciou no contraste das placas em relação a placa padrão. A diferença do contraste entre as superfícies da base e de topo foi de aproximadamente 4%.

Na comparação entre as placas das duas condições E1Le2 e E2Le2 (Figura 47), não foi observado diferenças significativas entre as superfí-cies na posição vertical, porém ficou evidente que entre as posições, a horizontal apresentou maiores valores.

No caso das placas da condição E1Le2, mesmo através do teste de hipótese (ver o Apêndice E), não foi possível afirmar se a posição a HB foi melhor que a HT, ao contrário do resultado apresentado pelas placas da condição E2Le2.

Além disso, os resultados da posição HB das placas das duas con-dições também não foi possível definir qual das condições apresentou maior semelhança com a padrão, porém tiveram desempenho similares.

Figura 47 – Comparação dos resultados do contraste das condições

E1Le2 e E2Le2 com base nas posições de visualização

Fonte: Autora

Através da análise de variância exibida na Tabela 12, evidenciou

que todos os parâmetros influenciaram significativamente na dispersão dos resultados, exceto a variação da espessura de camada.

83

Na combinação entre os fatores, foi observado que apenas a inte-ração entre a largura de extrusão e a orientação dos filamentos (BC) in-fluenciou nos resultados do contraste entre as placas.

Tabela 12 – ANOVA do contraste Parâmetro SQ GL MQ F Valor P A= Espessura de camada

0,40e-4 1 0,40e-4 2,51 0,17

B=Largura de extrusão

0,07 1 0,07 410,33 0,10e-4

C=Orientação dos filamentos

0,09 1 0,09 557,34 0,10e-4


0,01 1 0,01 61,66 5,00e-4

AB 1,50e-4 1 1,50e-4 0,89 0,39 AC 1,08e-4 1 1,08e-4 0,64 0,46 AD 1,98e-4 1 1,98e-4 1,18 0,33 BC 45,00e-4 1 45,00e-4 26,71 36,00e-4 BD 10,18e-4 1 10,18e-4 6,05 0,06 CD 0,45e-4 1 0,45e-4 0,27 0,62 Total 0,18 15

4.3.4 IUQI

Por meio da representação dos resultados das médias do IUQI e os respectivos desvios padrão das placas de cada condição (Tabela 24 do Apêndice C) ficou evidente, conforme pode ser observado na Figura 48, que as placas das condições E1Le2 e E2Le2 na posição HB apresentaram maior similaridade com a placa padrão, porém os valores obtidos para as placas nessas condições foram inferiores a 55% em comparação com a placa padrão.

84

Figura 48 – Representação da média e os desvios padrão do IUQI das placas por condição e comparação entre as posições de visualização

Fonte: Autora

Por meio do gráfico constatou-se aleatoriedade nos resultados pois

foi observado que os desvios padrão foram significativos entorno do valor médio para todas as configurações dos parâmetros, principalmente para as condições E1Le1 e E2Le1.

Com base nos resultados apresentados na Figura 49, fica evidente que apenas a posição horizontal dos filamentos proporcionou os maiores resultados, chegando a 52% em relação a placa padrão para a configura-ção de parâmetros da condição E1Le2.

No entanto, ao comparar as placas das condições E1Le2 e E2Le2, (Figura 49) especificamente para a posição HB, não é possível concluir qual delas teve melhor desempenho, mesmo ao analisa-las através do teste de hipótese, (ver o Apêndice E).

Com isso, concluiu-se que as placas fabricadas com largura de ex-trusão Le2= 150% e analisadas com a orientação horizontal dos filamen-tos por meio da superfície de base fabricada sob a plataforma aquecida apresentaram os maiores resultados do experimento quando comparada com as características ópticas da placa padrão.

85

Figura 49 – Comparação dos resultados do IUQI das condições E1Le2 e E2Le2 com base nas posições de visualização

Fonte: Autora

Na Tabela 13 ao analisar a variância dos resultados do teste IUQI,

foi evidenciado que todos os parâmetros influenciaram significativamente nos resultados do teste. Entre as combinações, apenas a interação entre a orientação dos filamentos e a superfície das placas (CD) afetou os resul-tados.

Tabela 13 – ANOVA do IUQI

Parâmetro SQ GL MQ F Valor P A= Espessura de camada

20,00e-4 1 20,00e-4 27,43 30,00e-4


0,10 1 0,10 1161,41 0,1e-4

C=Orientação dos filamentos

0,08 1 0,08 919,20 0,10e-4


0,02 1 0,02 208,22 0,10e-4

AB 0,26e-4 1 0,26e-4 0,30 0,61 AC 0,10e-4 1 0,10e-4 0,11 0,75 AD 5,52e-4 1 5,52e-4 6,14 0,06 BC 0,02e-4 1 0,02e-4 0,02 0,89

86

BD 0,05e-4 1 0,05e-4 0,06 0,81 CD 20,85e-4 1 20,85e-4 23,19 48,00e-4 Total 0,21 15

4.3.5 Considerações gerais dos resultados pelo IUQI

Após avaliar as placas de todas as condições em diferentes posi-ções, observou-se que a largura de extrusão (Le) foi o parâmetro de pro-cesso que mais influenciou nas propriedades ópticas das placas e não a espessura de camada como mencionado por Morgan et al., (2016) e Tothill et al., (2017).

Esse parâmetro contribuiu para a formação de uma geometria oblonga nos filamentos depositados na plataforma, como mostrado por Taulman3D (2018) na seção 2.6 e mencionado por Gaal et al,. (2017), que conduziu aos maiores resultados dos testes e proporcionando maior trans-parência entre as amostras.

De acordo com Carneiro, Silva e Gomes (2015) essa geometria for-mada pela Le=150% contribuiu para maior adesão dos filamentos entre as camadas reduzindo a distribuição irregular da passagem de luz sobre as amostras, e fez com que aumentasse a similaridade das placas com a placa padrão.

Ao analisar a orientação dos filamentos nas placas, verificou-se que as placas analisadas com os filamentos na posição horizontal (H) fo-ram as que apresentaram o maior resultado entre as amostras. No entanto, o resultado pode ter sido influenciado pela escolha da geometria padrão utilizada na captura das imagens, assim como pela não homogeneidade das camadas das placas, que segundo Morgan et al. (2016) é causada pela falta de adesão dos filamentos ou pelos vazios contidos nas peças.

Por meio dos resultados das superfícies das placas constatou-se que as superfícies fabricadas sob a plataforma lisa e aquecida, ou seja, as de base, apresentaram melhores resultados, pois formou uma camada mais uniforme e homogênea nas placas, que contribui para melhor visualização da imagem, assim como evidenciado por (BHATTACHARJEE et al., 2016; BISHOP et al., 2016; GAAL et al., 2017; WAHEED et al., 2016).

E ao comparar os resultados obtidos das superfícies de base (B) com as de topo (T) das placas, foi verificado uma diferença a 20% no IUQI quando as placas estavam com a orientação horizontal dos filamen-tos e de 35% com a orientação vertical. Assim observou-se que a orienta-ção horizontal dos filamentos contribui para a formação de uma superfície mais lisa, possibilitando melhor a visualização das imagens, e corrobora com os resultados previsto por Turner e Gold (2015).

87

Após avaliar todos parâmetros, foi constatado que as placas das condições E1Le2 e E2Le2 foram as que apresentaram maiores resultados no teste IUQI (Figura 70 e 72 do Apêndice C) e evidenciam maior simi-laridade com a placa padrão.

Por meio dos resultados também foi observado que os vazios re-sultantes da fusão dos filamentos presentes nas placas das condições E1Le1 e E2Le1 foram a causa do maior contraste e distorção das imagens das placas quando comparadas com a placa padrão (Figuras 69 e 71 do Apêndice C).

Com isso, através do teste IUQI conclui-se que as condições E1Le2HB e E2Le2HB (Figura 73 do Apêndice C) foram os parâmetros de avaliação que permitiram a fabricação de placas em PETG por FFF com características ópticas similares a de uma placa de mesma dimensão fabricada por um método convencional.

AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES ÓPTICAS PELA ESPECTROFOTOMETRIA UV-VISÍVEL

4.4.1 Transmitância total

Por meio dos resultados obtidos pela espectrofotometria UV-visí-vel buscou-se compreender também a influência dos parâmetros do pro-cesso FFF nas características ópticas das peças através da avaliação da propriedade de transmissão de luz, ou transmitância.

Na avaliação da transmitância total, uma representação da média e dos desvios padrão referente a faixa de comprimento de onda ultravioleta (360 - 400 nm) das placas de cada condição pode ser observada na Figura 50.

Ao observar o gráfico (Figura 50) foi constatado que o valor má-ximo da transmissão total obtido na placa padrão foi de 85% aproxima-damente em todas as posições. Através dos resultados observou-se tam-bém, que as placas fabricadas por FFF nas condições E1Le2 e E2Le2 atin-giram aproximadamente 90% da transmissão total apresentada pela placa padrão também em todas as posições de visualização.

88

Figura 50 – Representação da média e desvio padrão da transmitância total das placas por condição na faixa de comprimento de onda de luz

ultravioleta (360 - 400 nm)

Fonte: Autora

No gráfico da Figura 51, ao representar a média da transmissão

total na faixa de comprimento de onda de luz visível (400-740 nm) das condições (Tabela 25 do Apêndice D), foi observado que a placa padrão apresenta uma transmissão total de aproximadamente 90%. E ao compa-rar o resultado com as placas fabricadas por FFF, verificou-se que as pla-cas das condições E1Le2 e E2Le2 apresentaram o mesmo desempenho de 90% de transmissão total obtido na faixa de comprimento de onda ultra-violeta.

As placas das condições E1Le1 e E2Le1 apresentaram bastante va-riação principalmente quando as superfícies das placas foram analisadas no ensaio. Para essas condições, a superfície de topo (T), apresentou va-lores inferiores do que as de base (B).

Por meio dos resultados as amostras com a superfícies T apresen-taram maior absorção da luz, e quando expostas ao ensaio foi observado o valor de absorbância maior que 15% (Figura 74 e Figura 75 do Apêndice D).

89

Figura 51 – Representação da média e desvio padrão da transmi-tância total das placas de cada condição para a faixa de comprimento de

onda de luz visível (400-740 nm)

Fonte: Autora

O gráfico da Figura 52 representa uma comparação das condições

E1Le2 e E2Le2 com a placa padrão. Ao observar os resultados dessas condições foi verificado, mesmo analisando pelo teste de hipóteses, (ver o Apêndice E), que não houve diferença entre as condições e entre as po-sições de visualização das placas para transmissão total na faixa de com-primento de onda ultravioleta,

No entanto, na comparação das duas condições para a faixa do comprimento de onda de luz visível no gráfico da Figura 53, as placas da condição E1Le2 indicaram pelo teste de hipóteses que a posição VB apre-sentou o maior valor de transmitância entre as posições e na condição E2Le2 todas as posições tiveram o mesmo desempenho.

Os resultados podem ter sofrido a influência do ângulo de incidên-cia do feixe de luz emitido pelo equipamento e pela própria propagação do feixe sobre as placas.

90

Figura 52 – Comparação da transmitância total da placa padrão e das das placas das condições E1Le2 e E2Le2 na faixa de comprimento de onda

ultravioleta (360 - 400 nm)

Fonte: Autora

Figura 53 – Comparação da transmitância total da placa padrão e das

placas das condições E1Le2 e E2Le2 na faixa de comprimento de onda de luz visível (400 - 740 nm)

Fonte: Autora

91

Em virtude da variação nos valores da transmitância total obser-vada, verifica-se através da análise de variância, Tabela 14, que entre os parâmetros de processo estudados, a Le, a superfície das placas e a inte-ração entre esses dois fatores (BD) influenciaram significativamente na transmissão de luz total. A variação da espessura de camada e da orienta-ção dos filamentos não afetaram os resultados.

Tabela 14 – ANOVA Transmitância total

Parâmetro SQ GL MQ F Valor P A=Espessura de camada

5,80 1 5,80 1,32 0,30

B=Largura de extrusão

504,30 1 504,30 115,08 1,00e-4

C=Orientação do filamento

12,94 1 12,94 2,95 0,1463


210,62 1 210,62 48,06 10,00e-4

AB 18,03 1 18,03 4,11 0,10 AC 2,47 1 2,47 0,56 0,49 AD 5,56 1 5,56 1,27 0,31 BC 0,38 1 0,38 0,09 0,77 BD 120,49 1 120,49 27,50 33,00e-4 CD 2,68 1 2,68 0,61 0,47 Total 905,21 15

4.4.2 Transmitância difusa e haze

Por meio dos resultados da média e dos desvios padrão da transmi-tância difusa obtida das placas de cada condição (Tabela 26 do Apêndice D) para as duas faixas de comprimento de onda, ultravioleta e a visível, (Figura 54 e Figura 55), foi verificado que todas as amostras apresentaram a transmitância difusa superior a 30%, exceto a placa padrão.

92

Figura 54 – Representação da média e desvio padrão da transmitância difusa média das placas das condições para a faixa de comprimento de

onda ultravioleta (360 - 400 nm)

Fonte: Autora

Figura 55 – Representação da média e desvio padrão das placas das con-dições para a faixa de comprimento de onda luz visível (400 -740 nm)

Fonte: Autora

93

Ao observar os resultados das placas das quatro condições, em to-das as posições, constatou-se que apenas as placas da condição E2Le2 apresentou uma transmissão difusa superior a 50%.

Segundo a norma ASTM D1003 (2013), essa transmissão de luz é influenciada pela espessura das placas e os resultados indicaram que o aumento de 25% da espessura observado na seção 4.2 foi a causa do au-mento da transmissão difusa em aproximadamente 10% com relação as placas das demais condições avaliadas.

Os valores da transmitância difusa nas condições E1Le1 e E2Le1, sofreram variação, possivelmente pela presença de vazios nas placas e na condição E2Le2 devido ao aumento na espessura das amostras.

Na Tabela 15, a análise da variância obtida para transmitância di-fusa mostra que os quatro fatores influenciaram diretamente nos resulta-dos, principalmente a variação da espessura de camada (E) e as superfí-cies de base (B) e topo (T) das placas. Entre as combinações dos parâme-tros, somente a (AB) e (BD) afetaram os resultados.

Tabela 15 – ANOVA da transmitância difusa

Parâmetro SQ GL MQ F Valor P A= Espessura de camada

374,87 1 347,87 113,28 1,00e-4


40,45 1 40,45 13,17 151,00 e-4

C= Orientação dos filamentos

29,37 1 29,37 9,56 0,03


240,83 1 240,83 78,42 3,00e-4

AB 77,78 1 77,78 25,33 40,00e-4 AC 1,81 1 1,81 0,59 0,48 AD 2,75 1 2,75 0,90 0,39 BC 4,57 1 4,57 1,49 0,28 BD 130,83 1 130,83 42,60 13,00e-4 CD 1,21 1 1,21 0,39 0,56 Total 892,82 15

No entanto, ao avaliar o resultado do haze que representa a porcen-

tagem da transmissão difusa em relação a transmissão total nas placas (Tabela 27 do Apêndice D), foi visível observar (Figura 56 e Figura 57) que todas as placas fabricadas por FFF apresentam o haze acima de 50%,

94

o que indica que todas as placas são difusas e portanto, consideradas trans-lúcidas. Desta forma, ao observar algum objeto ou imagem através das placas a uma certa distância, a visualização desse objeto ou imagem já ocorre de forma distorcida e com indistinção das cores segundo a norma (ASTM E284, 2017).

Figura 56 – Representação do haze das placas das condições para a faixa

de comprimento de onda ultravioleta (360-400 nm)

Fonte: Autora

Figura 57 – Representação do haze das placas das condições para a faixa

de comprimento de onda a luz visível (400-740 nm)

Fonte: Autora

95

De maneira geral foi observado que a menor ou maior quantidade de vazios nas placas fabricadas é o responsável pela variação da transmi-tância difusa e haze nas placas, tanto ao avaliar as placas com a mesma configuração de parâmetros quanto ao comparar com as placas das outras condições analisadas.

Segundo o teste ANOVA (Tabela 16), os todos os parâmetros do processo quanto as posições das placas influenciaram diretamente nos re-sultados. Entre as combinações apenas (AB) contribuiu para a variação dos resultados.

Tabela 16 – ANOVA do Haze

Parâmetro SQ GL MQ F Valor P A= Espessura de ca-mada

617,78 1 617,78 293,69 0,10e-4

B= Largura de ex-trusão

757,02 1 757,02 359,88 0,10e-4

C= Orientação dos filamentos

17,06 1 17,06 8,11 0,03


27,89 1 27,89 13,26 0,01

AB 50,24 1 50,24 23,89 45,00e-4 AC 3,92 1 3,92 1,86 0,23 AD 2,84 1 2,84 1,35 0,29 BC 6,33 1 6,33 3,01 0,14 BD 4,02 1 4,02 1,91 0,22 CD 1,44 1 1,44 0,69 0,44 Total 1499,08 15

4.4.3 Considerações gerais dos resultados pela espectrofotometria UV-Visível

Por meio dos resultados da transmitância total, difusa e haze foi constatado ao comparar as placas das condições E1Le2 e E2Le2 que a espessura de camada influenciou significativamente na transparência das placas, principalmente na transmitância difusa e no haze. Pois foi obser-vado que ao fabricar as amostras com espessuras de camadas menores, mesmo aumentando o número de camadas na placa, aumentou sua trans-missão de luz e isso corrobora com a observação feita por (MORGAN et al. 2016).

96

Conforme previsto na literatura, foi verificado também, por meio dos resultados de transmitância difusa das placas das condições E1Le1 e E2Le1, que espessura da camada maior não aumenta a transparência das peças. Segundo Tothill et al. (2017), o aumento da natureza circular do filamento extrudado fez com que aumentasse os vazios e a sobre extrusão nas placas, diminuindo a sua transparência.

Ao analisar a largura de extrusão (Le), observou-se que as placas fabricadas com a largura de extrusão superior a 100% apresentaram me-nor translucidez e consequentemente maior transparência.

De acordo com Zubel et al. (2016) esse resultado pode estar rela-cionado a maior transferência de calor do bocal para o filamento e de me-nor resfriamento do material por meio da maior taxa de deposição, isso permitiu que as áreas adjacentes do filamento depositado ficassem mais tempo aquecidas o que permitiu maior adesão entre os filamentos, mini-mizando a formação de vazios.

Assim, o aumento a largura de extrusão através taxa de alimenta-ção, ao fabricar as placas com uma velocidade de impressão lenta, possi-bilitou a formação de filamentos mais largos que conduziram a uma maior adesão entre os filamentos e, portanto, melhor desempenho óptico das pe-ças.

No entanto, verificou-se que o aumento da espessura de camada e da largura de extrusão ao fabricar as placas por FFF, aumentou em 25% a espessura das placas na condição E2Le2 que influenciou diretamente no aumento deaproximadamente 35% da transmissão difusa, se comparar com as placas das condição E1Le2 que apresentaram o menor percentual de transmitância difusa entre as placas das condições analisadas.

Quanto as superfícies de base (B) e de topo (T) das placas, ficou evidente que as diferentes rugosidades superficiais influenciaram também nas propriedades ópticas das placas assim como mencionado por (HEINRICH et al., 2017).

Através da análise das superfícies pode-se observar que a superfí-cie de base foi mais transparente do que a de topo, pois a camada inferior impressa sobre a superfície plana e aquecida da plataforma, minimizou a rugosidade da superfície e diminuindo a translucidez das placas assim como observado por (BISHOP et al. 2016).

Além disso a orientação de deposição dos filamentos na peça tam-bém desempenhou um papel fundamental na caracterização óptica das placas. Em geral, as superfícies horizontais nos testes de transmitância apresentaram resultados inferiores aos das superfícies verticais, o que di-verge da outra técnica e do que havia sido mencionado por (TURNER; GOLD, 2015).

97

Como os testes de transmitância pela espectrofotometria dependem do ângulo de incidência do feixe e da direção de propagação da luz nas superfícies das amostras, conforme menciona Halliday, Resnick e Walker (2008), possivelmente foram os fatores específicos do equipamento utili-zado que contribuíram para os resultados do teste.

A variação da transmitância apresentadas pelas placas das condi-ções E1Le1 e E2Le1 nos testes, foi afetada pela irregularidade presente nas placas e pela formação de vazios que aumentou a translucidez.

Segundo Morgan et al. (2016), a formação dos vazios causada pela sub extrusão dos filamentos entre as camadas da peça, contribui para a dispersão da luz na peça e consequentemente foi o que aumentou a trans-lucidez das placas.

Por meio dos resultados de transmitância difusa e haze as placas de todas as condições fabricadas por FFF atingiram um haze superior a 50%.

No entanto, não foi trivial evidenciar quais foram os motivos que induziram aos 50 % na dispersão de luz nas placas, com isso a norma ASTM D1003 (2013) sugere verificar por meio de um procedimento de medição goniométrica de dispersão óptica descrito da norma ASTM E2387 para descobrir quais são os motivos e a contribuição dos parâme-tros de processamento sobre essa proporção de haze apresentada em peças fabricadas por FFF.

Com isso, baseando-se nos resultados obtidos da transmitância to-tal, difusa e haze pelo ensaio de espectrofotometria UV-visível, foi cons-tatado ao analisar todas condições e compará-las com a placa padrão, que as placas menos translúcidas foram as fabricadas na condição E1Le2 com a E = 0,100 mm e Le =150%, independendo da posição de visualização para a faixa do comprimento de onda ultravioleta e na posição VB para a faixa UV-visível.

Assim, pode-se concluir por meio deste teste que as propriedades ópticas em peças fabricadas pelo processo FFF dependem da uniformi-dade da superfície e da qualidade de adesão dos filamentos para se obter uma interface com mínima formação de vazios e otimizar a propriedade óptica de transmissão das placas.).

COMPARAÇÃO ENTRE AS TÉCNICAS

Ao comparar as propriedades ópticas das placas entre as duas téc-nicas, foi observado que a variação dos parâmetros realmente influenciou nas suas propriedades, nas características ópticas das placas e possibilitou classifica-las em similares ou não à placa padrão.

98

Ao considerar a avaliação das placas das condições E1Le2 e E2Le2 que tiveram o melhor desempenho entre as condições avaliadas, não foi possível classifica-las com base na variação da espessura das placas, pois esse índice não sofreu influência.

Contudo o que possibilitou classificar as placas pelas condições, foram os dados obtidos na medição da transmitância difusa e do haze, sendo as únicas respostas que possibilitaram identificar qual das condi-ções proporcionou menor translucidez entre as placas fabricadas por FFF.

Desta forma, ao comparar os resultados das técnicas, foi possível verificar que o índice de qualidade de imagem permite avaliar peças com superfícies planas e possibilita identificar a influência de parâmetros de processo nas propriedades ópticas das peças.

5 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

CONCLUSÃO

Neste trabalho ao avaliar as propriedades ópticas das placas em PETG fabricadas por FFF foi possível evidenciar que todos os parâmetros investigados apresentaram efeitos significativos sobre os resultados da es-pessura e transparência das placas.

No entanto, entre os parâmetros do processo e posicionamento das placas nos aparatos de medição óptica, foi observado que a largura de extrusão (Le), a posição horizontal dos filamentos (H) e a superfície de base das placas (B) foram os parâmetros de melhor desempenho óptico e maior influência em todos os resultados dos testes se comparados com as demais variáveis.

Uma contribuição deste trabalho foi evidenciar que a característica da técnica FFF em imprimir peças por meio da deposição de material em camadas causou dispersão e espalhamento da luz nas peças, o que resultou na redução da transparência das placas.

Foi possível constatar essa dispersão de luz nas placas por meio dos resultados da razão entre a transmissão difusa e a transmitância total, pois as placas fabricadas pela técnica de extrusão de material atingiram uma porcentagem de dispersão de luz “haze” superior a 50%.

Segundo a norma ASTM D1003(2013), peças que apresentam o haze superior a 30% são definidos como translúcidas, e isso corrobora o que já havia sido mencionado por Bhattacharjee et al. (2016).

Dessa forma, concluiu-se que as placas fabricadas por FFF inde-pendente da combinação dos parâmetros do processo e da posição anali-sada, apresentaram característica translúcida.

Além disso, os resultados obtidos pela espectrofotometria UV-vi-sível mostraram que as placas em PETG, fabricadas por FFF com uma impressora 3D de código aberto, atingiram aproximadamente 90% da transmitância total apresentada por uma placa padrão, fabricada por um método convencional.

Mesmo atingindo 90% da transmissão total, o limite da transmi-tância total das placas foi sempre inferior ao da placa padrão, pois a pro-priedade de transmissão dessa foi o que definiu o limite máximo da trans-mitância total, assim como observado por Morgan et al. (2016).

100

Entre os testes analisados, as únicas análises que possibilitaram or-denar as placas fabricadas por FFF segundo o grau de translucidez, con-siderando a configuração dos parâmetros, foram os obtidos pela transmi-tância difusa e pelo haze.

Portanto, em concordância com Gaal et al., 2017 e Tothill et al., 2017, foi observado que as placas em FFF apresentaram propriedades óp-ticas inferiores às da placa fabricada por um método convencional.

Enfim, constatou-se que a técnica de fabricação aplicada neste tra-balho supre a necessidade de fabricar protótipos translúcidos. Porém quando a exigência são propriedades ópticas controladas, a impressora 3D utilizada apresentou baixo desempenho de repetitividade em função de suas limitações. Apesar dessas, muitas possibilidades ainda podem ser exploradas para avaliar influência de outros fatores nas propriedades óp-ticas de peças em 3D fabricadas pelo processo FFF, como descrito nas sugestões para futuras pesquisas na área.

SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

a) avaliar a influência dos parâmetros do processo em outros ma-teriais poliméricos com características ópticas similares ao PETG;

b) verificar através de outros modelos de impressoras 3D em có-

digo aberto a viabilidade de fabricar peças transparentes; c) avaliar a influência dos vazios das placas nas propriedades ópti-

cas em função de uma análise estrutural obtida por meio de ensaios de rugosidade, MEV e densidade;

d) investigar a influência da estratégia de deposição e preenchi-

mento dos filamentos nas propriedades ópticas das placas.

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109

APÊNDICE A – ESTUDO EXPLORÁTORIO DOS PARÂMETROS DO PROCESSO DE EXTRUSÃO

Na primeira fase da etapa de fabricação das peças, foi realizada um estudo exploratório dos parâmetros por meio de uma análise visual a olho nú para seleção dos parâmetros a serem investigados na última etapa.

Nesse primeiro estudo foram avaliados os seguintes parâmetros: temperatura do bocal (Tb), temperatura da plataforma (Tp), espessura de camada (E), velocidade de impressão (Vi), altura entre o bocal e a plata-forma (Hbp) e largura de extrusão (Le). Estes foram escolhidos com base em resultados apresentados na seção 2.4.3. e 2.5, indicados como sendo os principais parâmetros que comprometem as características geométri-cas, estruturais, dimensionais e óptica das peças fabricadas pelo processo FFF.

As placas foram avaliadas por meio de uma análise visual a olho nu utilizando os critérios sugeridos por Fendrich (2016) e Guaricela (2017) descritos na seção 3.3.3.

Na primeira análise foram variadas as temperaturas Tb e Tp. Os parâmetros E =0,300 mm, a Vi= 20 mm/s, a Hbp =0,100 mm e o Le =100% foram mantidos constantes, assim como o multiplicador de extru-são (Me) e a densidade de preenchimento (Dp), em que os seguintes va-lores foram adotados Me= 0,90 e Dp= 100%, sendo estes parâmetros su-geridos por (SANTANA; LINO; SABINO, 2017).

A temperatura do bocal apresentada na seção 2.4 sugeriu uma faixa entre 210 a 230ºC para obter características translúcidas de peças fabricadas pelo processo em FFF. Desta forma, a fabricação de peças em PETG foi testada em temperaturas de 210, 220 e 230ºC.

A temperatura da plataforma foi mantida constante do início ao fim da fabricação das placas para evitar que as peças desprendessem da plataforma durante o processo de fabricação. Em uma análise preliminar, foi utilizada a plataforma em temperatura ambiente, e em uma faixa de temperatura de 50 a 100ºC, sendo esta última o limite máximo possível de aquecimento da plataforma.

Durante a impressão das amostras na impressora foi constatado que a primeira camada não aderia na plataforma em Tp inferiores a 80ºC, o que impossibilitou a fabricação das placas, com isso foram testadas tem-peraturas da plataforma em 80, 90 e 100ºC.

Após estabelecer as faixas de Tb e Tp os seguintes níveis dos parâmetros foram adotados (Tabela 17), e foram fabricadas três amostras por combinação.

110

Tabela 17 – Níveis dos parâmetros de temperatura do bocal e tempera-tura da plataforma

Parâmetros Nível

1 2 3 Temperatura do bocal (Tb) [°C]

210 220 230

Temperatura da plataforma (Tp) [°C]

80 90 100

Após a fabricação das amostras, foi feita a avaliação a olho nú

(Tabela 18) em que foi analisada a influência de Tb e Tp na qualidade superficial e união dos filamentos das placas.

Tabela 18 – Análise visual das amostras avaliando a influência de Tb e

Tp na qualidade superficial e união dos filamentos

Combinações Resultado

Tb1Tp1 Defeitos na estrutura ou falha durante a impressão




Tb2Tp2 Livre de defeitos





Após a análise visual, para Tp, foi observado que a temperatura

de plataforma em 90ºC e Tb =220ºC foram os valores de temperatura que apresentaram os melhores resultados nos testes durante e após a fabrica-ção das placas em PETG. Os valores de temperatura igual a 210ºC e su-periores a 230ºC ocasionaram falhas na impressão ou defeitos na estrutura das amostras, esses defeitos nas placas podem ser observados nas Figura 58, Figura 59 e Figura 60.

111

Figura 58 – Defeito estrutural na peça com relação a temperatura do bo-cal Tb1

Figura 59 – Defeito estrutural na peça, na temperatura Tb2, devido ao desnível da altura entre o bocal e a plataforma (Hbp)

Figura 60 – Defeito estrutural e de transparência com relação a tempera-tura do bocal Tb3

112

Na avaliação, também foi constatada a influência da variação da altura entre o bocal e a plataforma (Hbp). Nos testes preliminares foi ob-servado que a diferença da Hbp causou irregularidades nas camadas de algumas amostras (Figura 61) provocando a distribuição irregular da luz na superfície das placas.

Figura 61 – Defeito de distribuição irregular da luz causado pelo desní-

vel da altura do bocal e a plataforma (Hbp)

Uma vez determinadas as temperaturas do bocal e da plataforma

uma segunda análise foi feita, em que foi avaliado os parâmetros E, Vi e Hbp.

Inicialmente as placas fabricadas tinham espessura de 0,6 mm e foram selecionadas espessuras de camadas de 0,3; 0,2; 0,1; 0,050 e 0,025 mm.

Durante a fabricação das amostras foi constatado que a E= 0,025 mm era um valor próximo aos limites de precisão dimensional da impres-sora e inferior ao do software utilizado, impossibilitando seu uso na fa-bricação das placas.

A espessura de camada E=0,050 mm, (Figura 62), as placas apre-sentaram uma aparência esbranquiçada, portanto também não foi consi-derada na análise. Com isso as espessuras de camada de 0,300, 0,200 e 0,100 mm foram testadas na fabricação das amostras.

113

Figura 62 – Falha de transparência da placa fabricada com E= 0,05 mm

A velocidade de impressão - relacionada com o movimento do bo-cal durante a deposição do filamento na peça – foi avaliada entre 10 e 20 mm/s.

Para a altura entre o bocal e a plataforma, foram adotados os valo-res de Hbp= 0,100mm sugerido por Santana (2015) e Hbp< 0,050mm por Gaal et al. (2017).

Após especificar as faixas de E, Vi e Hbp foram estabelecido os níveis dos parâmetros (Tabela 19) para a fabricação das amostras.

Tabela 19 – Níveis dos parâmetros: espessura de camada (E), velocidade

de impressão (Vi) e altura entre o bocal e a plataforma (Hbp)

Parâmetros Nível

1 2 3 Espessura de camada (E) [mm] 0,300 0,200 0,100 Velocidade de impressão (Vi) [mm/s]

20 10 -

Altura entre o bocal e a plataforma (Hbp) [mm]

0,100 <0,050 -

O resultado da análise das placas (Tabela 20) mostrou que para

espessuras de camadas igual a 0,300mm, os parâmetros Vi= 20 mm/s e Hbp=0,100 mm proporcionaram o melhor resultado na fabricação das pla-cas e para as espessuras de camadas de 0,200 e 0,100mm, a velocidade de 10 mm/s e a altura Hbp<0,050mm foram as melhores.

Com essas combinações de parâmetros as placas ficaram livres de defeitos, com aparência translúcida e não houve falha durante impressão

114

ou defeitos nas peças, conforme pode ser observadas nas Figura 63, Fi-gura 64 e Figura 65.

A falha na impressão das peças (Figura 66) foi uma condição muito recorrente nesta segunda análise. Tabela 20 – Avaliação da influência da espessura de camada (E), veloci-dade de impressão (Vi) e altura entre o bocal e a plataforma (Hbp) nas

amostras através da análise visual a olho nu

Combinações Resultados

E1Vi1Hbp1 Livre de defeitos

E1Vi1Hbp2 Defeitos na estrutura ou falha durante a impressão











Figura 63 – Placa com a configuração E1Vi1Hbp1

115



Figura 66 – Falha de deposição durante a impressão de uma das peças da condição E1Vi1Hbp2

117

APÊNDICE B – SOFTWARES DO TESTE IUQI

Figura 67 – Plataforma da PixelLink ® para a captura da imagem pela câmera

118

Figura 68 – Plataforma do Labview® para medição do IUQI e dos coeficientes de correlação, luminância e contraste

119

APÊNDICE C – RESULTADOS DO TESTE IUQI

Tabela 21 – Resultado de medição das placas de cada condição para a correlação XY

Condição CP1 CP2 CP3 Média DP Máx. Mín. E1Le1HB 0,36 0,34 0,48 0,39 0,07 0,48 0,34 E1Le2HB 0,48 0,51 0,57 0,52 0,05 0,57 0,48 E2Le1HB 0,43 0,32 0,34 0,36 0,06 0,43 0,32 E2Le2HB 0,49 0,48 0,49 0,49 0,00 0,49 0,48 E1Le1VB 0,17 0,14 0,32 0,21 0,10 0,32 0,14 E1Le2VB 0,31 0,37 0,47 0,38 0,08 0,47 0,31 E2Le1VB 0,21 0,11 0,11 0,14 0,05 0,21 0,11 E2Le2VB 0,36 0,37 0,30 0,35 0,04 0,37 0,30 E1Le1HT 0,24 0,23 0,37 0,28 0,08 0,37 0,23 E1Le2HT 0,43 0,45 0,46 0,45 0,02 0,46 0,43 E2Le1HT 0,34 0,23 0,27 0,28 0,05 0,34 0,23 E2Le2HT 0,42 0,42 0,42 0,42 0,00 0,42 0,42 E1Le1VT 0,11 0,10 0,23 0,15 0,07 0,23 0,10 E1Le2VT 0,26 0,32 0,38 0,32 0,06 0,38 0,26 E2Le1VT 0,15 0,10 0,12 0,12 0,02 0,15 0,10 E2Le2VT 0,33 0,33 0,27 0,31 0,03 0,33 0,27

120

Tabela 22 – Resultado de medição das placas de cada condição para a luminância


121

Tabela 23 – Resultado de medição das placas de cada condição para o contraste


122

Tabela 24 – Resultado de medição das placas de cada condição para o IUQI


123

Figura 69 – Imagem das placas da condição E1Le1 nas posições: a) HB; b) HT; c) VB; d) VT

124


125


126

Figura 72 – Imagens das placas da condição E2Le2 nas posições: a) HB; b) HT; c) VB; d) VT

127

Figura 73 – Comparação das imagens da placa padrão com as placas das condições E1LE2 e E2LE2 na posição HB

129

APÊNDICE D – RESULTADOS DO TESTE DE ESPECTROFOTOMETRIA UV-VISÍVEL

Tabela 25 – Resultado de medição das placas das condições pela transmitância total (400 -740 nm)


130

Tabela 26 – Resultado de medição das placas das condições pela transmitância difusa (400 - 740 nm)


131

Tabela 27 – Resultado de medição das placas das condições pelo haze (400-740 nm)


132

Figura 74 – Representação da absorbância das placas das condições na faixa de comprimento de onda ultravioleta (360-400 nm)

Figura 75 – Representação da absorbância das placas das condições na

faixa de comprimento de onda de luz visível (400-740 nm)

133

APÊNDICE E – TESTE DE HIPÓTESE PARA A COMPARAÇÃO DE RESULTADOS

Ao analisar os resultados nos gráficos dos testes da seção 4, foi verificado que os resultados obtidos de determinadas condições eram di-ferentes de outras para a mesma posição de visualização, porém, em ou-tros casos não era evidente essa diferença.

Para constatar a diferença entre essas condições, foi adotado o teste de hipóteses como método de comparação para verificar se os resultados de duas condições seriam iguais ou diferentes entre si.

No método foram adotadas a hipótese nula como H0: µ1- µ2=0 e a alternativa H1: µ1 - µ2 ≠ 0.

Para os cálculos foram utilizados a média da amostra (µ) e o desvio padrão amostral (S) de cada uma das condições analisadas.

E as seguintes considerações foram feitas no teste: o desvio padrão (σ) não era conhecido, portanto, foi considerado como referência o valor de t do teste T da distribuição amostral de Student para a comparação.

O número de amostras de cada condição foi n= 3 e foi considerado um nível de confiança de 95%.

Desta forma teve-se: o grau de liberdade ʋ= n1 +n2 -2= 4, o fator de confiança de α=0,05, e portanto o valor de referência de t na tabela de T de Student (Figura 76, Anexo A) foi igual a t(GL; α/2) = t (4; 0,025) =2,78. O valor de T das condições para a comparação foi calculado a partir da Equação 12:

? = μ2 − μ1A(2� − 1)B�� + (2� − 1)B�� ∗

C2�2�(2� +2� − 2)2� + 2� (12) O requisito adotado para a comparação dos resultados entre as con-

dições foi: se -2,78< T <2,78 aceita-se a hipótese nula (H0) e não é pos-sível afirmar se os resultados das condições são diferentes. Caso contrário aceita a hipótese alternativa (H1) afirmando a diferença entre elas.

Com isso, em situações onde não ficaram evidentes a diferença dos resultados entre as condições observadas nos gráficos da seção 4, tanto para o teste IUQI quanto na da espectrofotometria UV-visível, foram fei-tas essas comparações que podem ser observadas nas Tabela 28 e Tabela 29.

134

Tabela 28 – Teste de hipóteses para algumas condições do teste IUQI

Avaliação Condições para comparação

Valor de T t Resultado

1 2

Correlação XY E1Le2HB E2Le2HB 1,13 2,78 Aceita H0

Correlação XY E1Le2HB E1Le2HT 2,62 2,78 Aceita H0

Correlação XY E1Le2HB E1Le2VB 4,46 2,78 Aceita H1

Luminância E1Le2HB E2Le2HB 1,15 2,78 Aceita H0

Luminância E1Le2HB E1Le2VB 0,36 2,78 Aceita H0

Luminância E1Le2HB E1Le2VT 2,59 2,78 Aceita H0

Luminância E2Le2HB E2Le2VB 1,47 2,78 Aceita H0

IUQI E1Le2HB E1Le2HT 6,23 2,78 Aceita H1

IUQI E1Le2HB E1Le2VB 2,51 2,78 Aceita H0

135

Tabela 29 – Teste de Hipótese para algumas condições do ensaio de espectrofotometria (400-740 nm)

Avaliação Condições para comparação

Valor de T t Resultado 1 2

Transmitância Total E1Le2HB E1Le2HT 2,03 2,78 Aceita H0

Transmitância Total E1Le2VB E1Le2HB 2,45 2,78 Aceita H0

Transmitância Total E1Le2VB E1Le2HT 3,17 2,78 Aceita H1

Transmitância Total E1Le1HB E1Le2HB 2,79 2,78 Aceita H1

Transmitância Total E1Le1VB E1Le2VB 2,86 2,78 Aceita H1

Transmitância Total E1Le1HT E1Le2HT 1,81 2,78 Aceita H0

Transmitância Total E2Le1HB E2Le2HB 2,79 2,78 Aceita H1

Transmitância Total E2Le1VB E2Le2VB 2,84 2,78 Aceita H1

Transmitância Difusa E2Le1HB E2Le1VB 2,21 2,78 Aceita H0

Transmitância Difusa E1Le1HB E1Le1VB 4,97 2,78 Aceita H1

Transmitância Difusa E2Le1HB E1Le1HB 4,45 2,78 Aceita H1

Transmitância Difusa E2Le1VB E1Le1VB 3,04 2,78 Aceita H1

Transmitância Difusa E1Le2 VT E2Le1VT 2,72 2,78 Aceita H0

137

ANEXO A – TABELA DE DISTRIBUIÇÃO T PARA O TESTE DE HIPÓTESE

Figura 76 – Tabela de distribuição de t para o teste de hipóteses

Fonte: Adaptado de MONTGOMERY; RUNGER (2003)

Carolina Perim Pereira AVALIAÇÃO DE PROPRIEDADES ÓPTICAS ...

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