As fibras de carbono raramente são usadas sozinhas. Geralmente, são combinadas com outros materiais para formar os chamados materiais compostos, neste caso específico denominados materiais reforçados com fibra de carbono. A impressão 3D em fibra de carbono alcança a combinação perfeita de leveza e alta resistência ao compor fibra de carbono com uma matriz, conseguindo conferir a peças plásticas resistência metálica, além de propriedades de resistência térmica, química e à corrosão. Cada vez mais empresas de impressão 3D começam a oferecer materiais reforçados com fibra de carbono ou tecnologias que utilizam esse compósito para indústrias como aeroespacial, automotiva e engenharia civil. Este artigo apresentará a definição e os tipos de impressão 3D em fibra de carbono.

Fonte: https://www.nitprocomposites.com/products

Princípios técnicos e tipos de materiais

Na impressão 3D FDM, as fibras de carbono geralmente são incorporadas aos filamentos termoplásticos sob a forma de fibras picadas ou moídas. Essas fibras atuam como um “esqueleto” de reforço, aumentando a rigidez, a estabilidade dimensional e a resistência térmica. Ao contrário dos materiais de fibra de carbono contínua (como a tecnologia proprietária da Markforged), a fibra de carbono FDM depende de fibras curtas dispersas em uma matriz polimérica.

Conforme a morfologia da fibra e o método de processamento, divide-se principalmente em três tipos:

Materiais com fibra de carbono moída

Mistura de pó de carbono micronizado com plástico; embora proporcione acabamento fosco, reduz significativamente a resistência do material. Esse tipo de material é barato (por exemplo, composto ABS por US$ 30) e serve apenas para protótipos visuais ou peças não estruturais.

Compósitos de fibra de carbono picada

Materiais industriais reforçados com fibras picadas de 0,5–1 mm, classificados conforme a aplicação:

Uso geral: combinado com plásticos de engenharia como nylon para melhorar a resistência ao impacto

Grau aeronáutico: associado a polímeros de alto desempenho como PEEK e PEI para atender exigências de alta temperatura

Esse tipo de material permite fabricar protótipos funcionais, dispositivos de produção e peças finais em ambientes severos, mantendo 85 % das propriedades do material base e aumentando consideravelmente a estabilidade dimensional.

Tecnologia de fibra de carbono contínua

O processo de fibra contínua, representado pela Markforged, obtém propriedades mecânicas próximas às do metal por meio da deposição em camadas de feixes contínuos de fibra de carbono. Sua resistência pode alcançar 30 vezes a dos plásticos comuns, a relação resistência/peso é 3 vezes superior à do alumínio e a densidade é apenas 1/7 da do aço. Embora exija equipamento especial e custo mais alto, apresenta vantagens significativas na substituição de peças estruturais sob carga.

Fonte: https://3dprintingindustry.com/

Processamento de materiais e controle de processo

Fibra de carbono picada

A impressão 3D em fibra de carbono utiliza termoplásticos reforçados com fibras curtas. Essas fibras, geralmente menores que 1 mm, são misturadas uniformemente ao material base (PLA, PETG, ABS) para aumentar resistência e rigidez. Embora os compostos com fibras de carbono melhorem significativamente as propriedades mecânicas das peças, sua alta dureza e abrasividade desgastam rapidamente o bico, sendo recomendado usar bicos de aço inoxidável, aço temperado ou carbeto de tungstênio. Além disso, teores excessivos de fibra de carbono podem prejudicar o acabamento superficial; portanto, deve-se escolher a proporção adequada conforme a necessidade.

Quanto aos parâmetros de impressão, a temperatura dos materiais reforçados costuma ser semelhante à do material base. Por exemplo, CF-PLA pode usar os mesmos valores do PLA comum; porém, a presença de fibras pode afetar a fluidez do fundido, sendo aconselhável reduzir a velocidade (30–50 mm/s) para melhorar a adesão entre camadas. Após a impressão, partículas de fibra de carbono podem permanecer no bico; recomenda-se limpar com 15–20 cm de filamento puro de PLA para evitar entupimento. A alta abrasividade acelera o desgaste, portanto, verificar regularmente o bico e substituí-lo por um resistente ajuda a manter qualidade e vida útil do equipamento.

Fibra de carbono contínua

Ao contrário dos filamentos com fibras curtas, as fibras contínuas são aplicadas por um processo adicional de reforço com fibra contínua (CFR). O CFR permite ao usuário inserir fibras contínuas de forma flexível, controlando melhor a quantidade e orientando-as conforme as exigências de carga, otimizando peças e reduzindo tempo e custo de fabricação. A Markforged (https://markforged.com/) afirma que, ao considerar fibras contínuas, ajustam-se dois fatores: 1) decidir se haverá fibra contínua em cada camada; 2) escolher a estratégia de reforço para cada camada. Exemplos comuns de tecnologias com fibra contínua incluem:

Painéis sanduíche

Semelhante aos laminados convencionais, adicionam-se fibras contínuas apenas na parte superior e inferior da peça. Sob a maioria das cargas de flexão, a tensão máxima ocorre na superfície; os painéis sanduíche resistem a forças no eixo Z.

Cascas (Shells)

Semelhantes aos painéis sanduíche, mas usam laços fechados de fibra contínua nas paredes de cada camada. Para reforço em casca, a fibra é posicionada ao redor do perímetro de cada camada, resistindo a forças no plano XY.

Fitas (Strips)

As fitas seguem o estilo dos painéis sanduíche, mas acrescentam “tiras” de fibra contínua em áreas críticas. Podem ser usadas em painéis sanduíche altos para distribuir a carga, reduzindo o risco de flambagem do preenchimento.