Como escolher o filamento para braços robóticos
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A impressão 3D FDM tornou-se um dos métodos de fabricação mais práticos para projetos de robótica amadora e de pequena escala. Ela permite prototipagem rápida, ciclos curtos de projeto, baixo custo de produção e a fabricação de peças complexas sem ferramental especializado. Um projeto pode ser modificado, reimpresso e testado em poucas horas, o que acelera bastante o desenvolvimento de mecanismos robóticos em relação aos métodos tradicionais. Também torna viáveis peças de reposição e pequenas séries sem equipamentos caros ou moldes.
Apesar dessas vantagens, a impressão FDM traz vários desafios de engenharia. As peças impressas geralmente são menos rígidas e menos resistentes do que as usinadas ou moldadas, suas propriedades mecânicas dependem muito da orientação de impressão por causa da anisotropia entre camadas, e muitos materiais comuns perdem rigidez ou se deformam em temperaturas relativamente moderadas. O desempenho final depende não só do material, mas também dos parâmetros de impressão, da geometria da peça e do pós-processamento.
Em braços robóticos, essas limitações afetam diretamente o comportamento real. As peças estruturais precisam suportar cargas repetidas sem flexão excessiva, manter a precisão dimensional, resistir à deformação de longo prazo e continuar funcionando de forma confiável em ambientes aquecidos. Elas também podem sofrer cargas súbitas em colisões, movimentos bruscos, contato com batentes mecânicos, quedas acidentais ou manuseio durante a montagem. Um material que se comporta bem sob carga lenta ou contínua ainda pode trincar ou falhar sob impacto.
Este artigo compara vários filamentos reforçados com fibra de carbono disponíveis no mercado, junto com PLA e PETG comuns como materiais de referência. O objetivo é avaliar sua adequação prática a componentes estruturais robóticos em condições realistas de impressão. Em vez de confiar apenas nas fichas técnicas dos fabricantes, a comparação se baseia em medições repetíveis de rigidez à flexão, resistência térmica, deformação de longo prazo e comportamento ao impacto.
Filamentos reforçados com fibra de carbono
Os filamentos reforçados com fibra de carbono (CF) são materiais compósitos em que fibras curtas de carbono são misturadas a um termoplástico convencional como PLA, PETG ou PET. As fibras atuam como carga de reforço que altera o comportamento mecânico da peça impressa, preservando a facilidade da impressão FDM.
Em comparação com os equivalentes sem reforço, os filamentos CF costumam gerar peças mais rígidas, com melhor estabilidade dimensional e menor dilatação térmica. Também apresentam um acabamento fosco característico, que disfarça as linhas de camada e dá às peças um aspecto mais profissional. O ganho real depende do polímero-base e do teor de fibra, de modo que PET-CF, PETG-CF e PLA-CF devem ser considerados famílias de materiais distintas, e não variações do mesmo material.
Neste estudo, comparamos filamentos reforçados com fibra de carbono com PLA e PETG comuns de referência para avaliar quanto ganho prático eles oferecem em componentes estruturais de braço robótico.
Recozimento
O recozimento é um tratamento térmico controlado realizado abaixo da temperatura de fusão do polímero. Dependendo do material, esse processo pode aliviar tensões internas e aumentar a cristalinidade, melhorando rigidez, resistência térmica e estabilidade dimensional sob carga. Muitos fabricantes de filamentos reforçados com fibra de carbono recomendam o recozimento em aplicações de engenharia para atingir o melhor desempenho mecânico.
O efeito do recozimento depende muito do polímero-base. PET-CF, PETG-CF e PLA-CF podem responder de formas diferentes, e a melhoria pode variar de desprezível a significativa conforme a formulação do material e as condições de processo. O recozimento também pode causar alterações dimensionais, como contração ou empenamento, indesejáveis em conjuntos mecânicos de precisão.
Para avaliar seus benefícios práticos, cada filamento reforçado com fibra de carbono deste estudo foi ensaiado recém-impresso e após o recozimento seguindo o procedimento recomendado pelo fabricante. Assim é possível ponderar os efeitos do recozimento frente ao tempo adicional de processo e às possíveis mudanças dimensionais.
Visão geral do programa de ensaios
Nenhuma propriedade isolada determina se um filamento é adequado a componentes estruturais robóticos. Um material pode ser muito rígido e se deformar em temperaturas elevadas, ou resistir bem ao calor enquanto flexiona aos poucos sob carga contínua. Por isso, os materiais foram avaliados com quatro ensaios complementares, cada um voltado a um aspecto diferente do desempenho prático de um braço robótico.
- Ensaio de flexão em três pontos — mede a rigidez à flexão registrando a deflexão do corpo de prova sob quatro níveis de carga controlados. Os dados permitem calcular o módulo de flexão e comparar a rigidez dos materiais independentemente de pequenas variações dimensionais entre corpos de prova.
- Ensaio de resistência térmica — avalia o quanto um corpo de prova carregado mantém a forma a 65–70 °C. Essa faixa foi escolhida porque servomotores dentro das juntas robóticas alcançam temperaturas semelhantes em operação contínua. Se as peças estruturais amolecem ou se deformam pelo calor dos motores, a precisão de posicionamento e a confiabilidade mecânica pioram mesmo sem cargas externas excessivas.
- Ensaio de deformação de longo prazo — avalia a resistência do material à fluência sob carga contínua. Em robótica, os componentes estruturais costumam ficar sob os mesmos esforços por longos períodos enquanto sustentam o peso do braço ou da carga útil.
- Ensaios de impacto por pêndulo — comparam a capacidade dos corpos de prova de absorver energia em uma carga súbita, nas configurações Izod e Charpy. As duas configurações aplicam condições de apoio e carregamento diferentes e, portanto, revelam aspectos distintos do comportamento à fratura.
Limitações do estudo
O objetivo deste estudo é comparar o comportamento de diferentes filamentos em condições de impressão e ensaio controladas e repetíveis. Para minimizar a influência da geometria, todos os corpos de prova foram impressos maciços (100% de preenchimento) com ajustes idênticos. Isso torna os resultados diretamente comparáveis entre materiais, mas não representa totalmente a construção de peças reais de um braço robótico.
Na prática, a maioria das peças estruturais em FDM é impressa com 30–40% de preenchimento, vários perímetros e geometrias otimizadas para manufatura aditiva. Recursos como nervuras, cartelas, seções em caixa e paredes mais espessas melhoram bastante rigidez e resistência mantendo baixos o peso e o tempo de impressão. Portanto, a deflexão absoluta medida aqui não deve ser interpretada como o comportamento esperado de uma peça acabada.
Os ensaios de impacto foram feitos em um pequeno banco de pêndulo não certificado, destinado à avaliação comparativa de materiais e não à medição normalizada de resistência ao impacto. Os resultados são expressos como índice relativo de energia absorvida e não devem ser interpretados como resistência ao impacto em joules ou quilojoules por metro quadrado, nem comparados diretamente com fichas técnicas de fabricantes ou valores normalizados Izod e Charpy.
Materiais ensaiados
Polymaker Fiberon PET-CF17 foi selecionado como um dos principais candidatos para peças estruturais de braço robótico. O PET-CF é um filamento à base de PET reforçado com fibra de carbono, pensado para unir a estabilidade dimensional e a durabilidade do PET à maior rigidez proporcionada pelo reforço. Para este projeto, ele é interessante porque pode oferecer bom equilíbrio entre rigidez, imprimibilidade e resistência prática sem recorrer a polímeros de engenharia de alta temperatura mais exigentes.
Bambu Lab PETG-CF é um filamento de PETG reforçado com fibra de carbono. Segundo a Bambu Lab, o material foi projetado para melhorar tanto o desempenho mecânico quanto o aspecto superficial em relação ao PETG comum, mantendo vantagens típicas do PETG, como resistência a água, óleos, graxas, radiação UV e impactos. Também é relevante para o nosso projeto por ser posicionado como material para peças funcionais em impressoras de consumo, com acabamento mais limpo e menor flexibilidade que o PETG comum.
CC3D PETG-CF foi incluído como outra opção de compósito com fibra de carbono à base de PETG. Ele oferece uma comparação útil com o Bambu Lab PETG-CF, já que ambos partem de um conceito PETG-CF semelhante, mas vêm de fabricantes diferentes. Assim é possível verificar se o comportamento observado decorre principalmente do tipo de material ou se a formulação de cada fabricante influencia perceptivelmente rigidez, acabamento e qualidade de impressão.
Creality Hyper PLA-CF foi incluído como material reforçado com fibra de carbono à base de PLA. O PLA costuma ser fácil de imprimir e oferece boa rigidez, enquanto o reforço com fibra de carbono pode aumentá-la ainda mais e reduzir a textura visível das camadas. A Creality descreve seu Hyper PLA-CF com alta resistência, boa adesão entre camadas, acabamento fosco, textura mínima de camada e velocidades de impressão de até 300 mm/s. Para peças de braço robótico, o material é interessante por combinar alta rigidez e boa qualidade de superfície com impressão relativamente simples.
Creality PETG foi ensaiado como PETG de referência sem reforço. O PETG é bastante usado em peças funcionais impressas em 3D por ser mais tenaz e menos frágil que o PLA comum, mantendo-se imprimível em impressoras FDM de mesa típicas. Neste estudo, ele serve de base para avaliar quanto o reforço com fibra de carbono melhora a rigidez e o comportamento em flexão em relação ao PETG comum.
Soleyin Ultra PLA foi ensaiado como PLA comum de referência. O PLA é amplamente usado, fácil de imprimir, dimensionalmente estável e costuma render peças de aparência limpa. Contudo, pode ser mais frágil que os materiais à base de PETG e menos adequado a peças expostas a temperaturas mais altas ou cargas de impacto. Nesta comparação, ele fornece uma base útil para entender como o PLA comum se sai frente às opções reforçadas com fibra de carbono.
Banco de ensaios e metodologia
Ensaio de flexão em três pontos
O objetivo deste ensaio é medir a deformação elástica do material sob cargas controladas. Em componentes estruturais robóticos, a rigidez é característica importante porque a deflexão excessiva reduz a precisão de posicionamento e a repetibilidade mesmo com cargas bem abaixo do limite de ruptura.
Para a comparação experimental, usamos o projeto de banco de flexão em três pontos publicado por Stefan Hermann (CNC Kitchen), com pequenas modificações para se adequar ao diâmetro de pino disponível em nossa montagem. As dimensões dos corpos de prova foram mantidas idênticas ao projeto original para preservar uma geometria de ensaio consistente e comparável.
O banco é formado por dois pinos de apoio inferiores e um pino de carga superior. Durante o ensaio, o corpo de prova é apoiado nas duas extremidades enquanto uma carga vertical é aplicada no centro do vão. A deflexão central resultante é medida com relógio comparador digital em níveis de carga predefinidos. Essas medições são então usadas para calcular o módulo de flexão de cada corpo de prova e comparar a rigidez dos materiais em condições idênticas.
Medição do módulo de flexão
O principal valor comparado neste ensaio é o módulo de flexão, que descreve a rigidez do corpo de prova sob flexão dentro da região elástica.
Na prática, o módulo de flexão indica quanto um corpo de prova impresso resiste à flexão sob uma carga conhecida. Um material com módulo mais alto flete menos sob a mesma força; um com módulo mais baixo se curva mais.
Para a nossa aplicação de braço robótico, isso é especialmente importante, pois queremos minimizar a deflexão da estrutura quando o braço está totalmente estendido e sustentando uma carga padrão.
Durante o ensaio de flexão em três pontos, medimos quatro pontos de carga de referência para cada corpo de prova:
(F₁, δ₁), (F₂, δ₂), (F₃, δ₃), (F₄, δ₄)
onde F é a força aplicada e δ é a deflexão central medida.
A partir desses pontos, calculamos a inclinação da curva força-deflexão:
k = ΔF / Δδ
onde k é a rigidez à flexão do corpo de prova. Ela pode ser estimada usando o primeiro e o último ponto medidos:
k = (F₄ − F₁) / (δ₄ − δ₁)
ou ajustando uma reta pelos quatro pontos medidos.
Para um corpo de prova retangular em flexão em três pontos, o módulo de flexão é calculado como:
E = (kL³) / (4bh³)
onde L é a distância entre os pinos de apoio inferiores, b é a largura do corpo de prova e h é sua espessura na direção da flexão.
Condições reais de ensaio
Os corpos de prova foram ensaiados em flexão em três pontos com condições de impressão e medição idênticas para todos os materiais. Foram preparados ao menos dois corpos de prova por condição de ensaio. Nos filamentos reforçados com fibra de carbono, avaliaram-se as condições normal (recém-impressa) e recozida, com pelo menos dois corpos de prova cada, enquanto os materiais de referência PLA e PETG foram ensaiados apenas no estado recém-impresso. Cada corpo de prova foi impresso maciço, com 4 perímetros, altura de camada de 0,2 mm e bico de 0,4 mm. As dimensões nominais foram 120 × 12 × 4 mm; as dimensões reais de cada corpo de prova foram medidas individualmente e usadas no cálculo do módulo. A distância entre os dois pinos de apoio inferiores foi de 102,5 mm.
| Parâmetro | Valor |
|---|---|
| Tempo de secagem do filamento | 6 h |
| Perímetros | 4 |
| Preenchimento | 100% |
| Diâmetro do bico | 0,4 mm |
| Altura de camada | 0,2 mm |
| Tamanho nominal do corpo de prova | 120 × 12 × 4 mm |
| Vão entre apoios L | 102,5 mm |
| Massa de referência por etapa | 0,350 kg |
| Força por etapa de carga | 3,43 N |
Tabela 1. Condições de impressão e medição do ensaio de flexão em três pontos.
A carga foi aplicada em quatro etapas com pesos de referência repetíveis. A massa de referência foi de aproximadamente 0,35 kg, correspondendo a 3,43 N por etapa sob gravidade padrão; os quatro níveis de força foram de cerca de 3,43 N, 6,86 N, 10,30 N e 13,73 N. A deflexão central foi medida com relógio comparador digital em cada etapa. Os corpos de prova normais foram ensaiados logo após a impressão; Fiberon PET-CF17, Bambu Lab PETG-CF, Creality PLA-CF e CC3D PETG-CF também foram ensaiados como corpos de prova recozidos separados.
| Filamento | Temp. de impressão (°C) | Temp. de recozimento (°C) | Tempo de recozimento |
|---|---|---|---|
| Fiberon PET-CF17 | 300 | 110 | 6 h |
| Bambu Lab PETG-CF | 255 | 65–70 | 6 h |
| Creality PLA-CF | 220 | 60 | 6 h |
| CC3D PETG-CF | 255 | 65–70 | 6 h |
Tabela 2. Ciclos de recozimento usados nos corpos de prova reforçados com fibra de carbono.
Condições adicionais de ensaio
O ensaio de resistência térmica usou a mesma geometria de corpo de prova do ensaio de flexão em três pontos. Cada corpo de prova foi apoiado sobre um vão de 100 mm e carregado com uma massa suspensa de 110 g (cerca de 1,08 N) no centro. Os corpos de prova foram colocados em estufa de laboratório a 65–70 °C por 1 hora, após o que a deflexão permanente foi medida e comparada com a condição inicial.
O ensaio de deformação de longo prazo foi realizado com o mesmo arranjo de apoio em três pontos e carga central de 1 kg (cerca de 9,81 N). A deflexão inicial foi medida imediatamente após a aplicação da carga, seguida de uma segunda medição após 30 minutos para quantificar a deformação dependente do tempo (fluência). A carga foi então removida e o corpo de prova teve 2 minutos de recuperação antes do registro da deflexão residual final. Esse procedimento permite distinguir deformação elástica, fluência sob carga contínua e deformação permanente após o descarregamento.
Ensaio de impacto por pêndulo
O objetivo do ensaio de impacto foi comparar quanta energia os corpos de prova dos diferentes filamentos conseguem absorver em uma carga súbita. Ele complementa o ensaio de flexão, que avalia a deformação sob força aplicada gradualmente. Um material pode ser muito rígido em operação normal e ainda assim fraturar abruptamente ao ser golpeado, enquanto um material mais dúctil se curva mais e absorve mais energia antes de falhar. O ensaio de impacto é, portanto, útil para componentes robóticos sujeitos a colisões, contato com batentes mecânicos, quedas acidentais ou outras cargas de curta duração.
O banco foi construído a partir do projeto de código aberto Izod Impact Test publicado no Printables como projeto de referência. Ele usa um pêndulo liberado de uma posição inicial repetível e uma escala mecânica que indica até onde o pêndulo continua após atingir o corpo de prova. Quanto maior a redução do curso restante do pêndulo, mais energia foi absorvida pelo corpo de prova durante a deformação e a fratura. O mesmo banco foi configurado para ensaios do tipo Izod e do tipo Charpy, permitindo comparar os materiais em dois arranjos distintos de apoio e carregamento.
Ensaio de impacto por pêndulo em funcionamento.
Na configuração Izod, o corpo de prova ficou na vertical, engastado em uma extremidade, com a parte superior livre. O pêndulo atingiu a parte exposta, produzindo flexão dinâmica em balanço. Essa configuração concentra tensões perto da região engastada e oferece uma boa comparação da resistência a carga localizada súbita. Posição do corpo de prova, profundidade de engaste, posição de liberação do pêndulo e direção do impacto em relação às camadas impressas foram mantidas constantes entre os ensaios.
Na configuração Charpy, o corpo de prova foi posicionado horizontalmente sobre dois apoios e atingido pelo pêndulo entre eles. Isso produz uma carga de flexão dinâmica com arranjo geral semelhante ao da flexão em três pontos, porém aplicada em velocidade de impacto. O corpo de prova pode se deformar ao longo do vão apoiado antes de romper, de modo que o resultado reflete tanto a resistência à fratura quanto a capacidade do material de absorver energia por flexão. Os resultados Izod e Charpy foram avaliados separadamente, pois as configurações criam distribuições de tensões diferentes e não devem ser tratadas como medidas intercambiáveis.
A escala do pêndulo foi usada como medida relativa, não como leitura calibrada de energia. O índice relativo de energia absorvida foi calculado como 100 menos a leitura do pêndulo após o impacto, de modo que um valor mais alto indica maior absorção de energia dentro desta montagem. Os resultados devem, portanto, ser interpretados como comparações entre corpos de prova ensaiados no mesmo banco e nas mesmas condições, e não como valores normalizados de resistência ao impacto em joules ou quilojoules por metro quadrado.
Nos corpos de prova de impacto foram mantidos os mesmos tipos de filamento e condições de impressão dos demais experimentos. PLA e PETG comuns foram ensaiados no estado recém-impresso, enquanto cada filamento reforçado com fibra de carbono foi ensaiado tanto impresso quanto após o recozimento. Os corpos de prova recozidos foram preparados com as temperaturas e durações específicas de cada material indicadas anteriormente na tabela 2.
Resultados de rigidez à flexão em três pontos
Entre os corpos de prova recém-impressos, Creality PLA-CF e Fiberon PET-CF17 apresentaram a maior rigidez, com módulos de flexão calculados de 2898 MPa e 2891 MPa, respectivamente. Ambos exibiram a menor deflexão sob carga, sendo os melhores na condição recém-impressa. CC3D PETG-CF ficou em terceiro com 2319 MPa, superando tanto o PETG quanto o PLA comuns.
Os materiais de referência mostram que o reforço com fibra de carbono não garante, por si só, melhor desempenho. Creality PETG (2029 MPa) e Soleyin PLA (1862 MPa) foram nitidamente mais rígidos que o Bambu Lab PETG-CF (1595 MPa), embora não contenham fibra de carbono. Isso evidencia a importância do polímero-base e da formulação como um todo, e não apenas do teor de fibra.
| # | Filamento | Módulo de flexão E (MPa) | Deflexão máx. (mm) |
|---|---|---|---|
| 1 | Creality PLA-CF normal | 2898.32 | 1.58 |
| 2 | Fiberon PET-CF17 normal | 2891.47 | 1.50 |
| 3 | Soleyin PLA | 1862.16 | 2.40 |
| 4 | Bambu Lab PETG-CF normal | 1594.96 | 2.80 |
| 5 | Creality PETG | 2029.01 | 2.40 |
| 6 | CC3D PETG-CF normal | 2319.00 | 2.00 |
| 7 | Fiberon PET-CF17 recozido | 3480.37 | 1.20 |
| 8 | Bambu Lab PETG-CF recozido | 1831.19 | 2.50 |
| 9 | Creality PLA-CF recozido | 2948.27 | 1.50 |
| 10 | CC3D PETG-CF recozido | 2495.82 | 1.90 |
Tabela 3. Rigidez à flexão em três pontos e deflexão máxima.
As curvas força-deflexão mostram visualmente as mesmas tendências. O Fiberon PET-CF17 (recozido) exibiu de forma consistente a menor deflexão em toda a faixa de carga, seguido pelo Creality PLA-CF. O Bambu Lab PETG-CF permaneceu o material mais flexível antes e depois do recozimento, com os demais em posições intermediárias.
Efeito do recozimento na rigidez à flexão
O recozimento aumentou a rigidez à flexão de todos os filamentos reforçados com fibra de carbono ensaiados, embora a magnitude do ganho dependesse fortemente do material. Como mostram os gráficos, a resposta variou de praticamente imperceptível a um aumento expressivo de rigidez.
Quem mais se beneficiou do recozimento foi o Fiberon PET-CF17: o módulo de flexão subiu de 2891 MPa para 3480 MPa, ganho de 20%. Assim ele passou de praticamente empatado com o Creality PLA-CF na condição recém-impressa para o material mais rígido de toda a comparação.
O Bambu Lab PETG-CF também melhorou de forma significativa, 15%, de 1595 MPa para 1831 MPa. Ainda que tenha permanecido o menos rígido dos compósitos de fibra de carbono ensaiados, o ganho mostra que o recozimento pode elevar perceptivelmente a rigidez de materiais PETG-CF.
O CC3D PETG-CF respondeu de forma mais moderada, com aumento de 8% no módulo de flexão (de 2319 MPa para 2496 MPa).
O Creality PLA-CF mudou apenas 2% (de 2898 MPa para 2948 MPa), indicando que o procedimento de recozimento recomendado acrescenta pouca rigidez a esse material.
Esses resultados mostram que o benefício do recozimento não pode ser generalizado a todos os filamentos reforçados com fibra de carbono. Embora todos tenham ficado mais rígidos, o ganho variou de desprezível a substancial conforme o polímero-base e a formulação. Onde a rigidez máxima é o objetivo principal, o Fiberon PET-CF17 obteve o maior benefício prático do recozimento nas condições ensaiadas.
Resistência térmica
Servomotores podem atingir 65–70 °C em operação contínua, sobretudo sob carga contínua ou dentro de juntas robóticas fechadas. Peças estruturais próximas aos motores precisam, portanto, manter a forma em temperaturas elevadas para evitar perda de precisão de posicionamento ou interferência mecânica. Este ensaio avalia a capacidade prática de cada material de preservar a geometria sustentando carga constante em temperaturas representativas da operação real.
Os corpos de prova foram ensaiados a 65–70 °C por 1 hora com a mesma geometria nominal dos ensaios de flexão em três pontos. Cada corpo de prova foi apoiado sobre um vão de 100 mm e carregado com um peso central de 110 g (cerca de 1,08 N). A deflexão central medida após o ensaio foi usada como indicador de resistência térmica sob carga.
| Filamento | Normal (mm) | Recozido (mm) | Melhoria |
|---|---|---|---|
| Fiberon PET-CF17 | 3.4 | 0.3 | 11.3× |
| Bambu Lab PETG-CF | 5.9 | 2.5 | 2.4× |
| CC3D PETG-CF | 6.0 | 2.3 | 2.6× |
Tabela 4. Deflexão térmica a 65–70 °C após 1 hora sob carga de 1,08 N.
Creality PLA-CF, Soleyin PLA e o Creality PETG sem carga se deformaram de modo tão acentuado nessas condições que não foi possível obter medições comparáveis significativas.
Os resultados mostram que o recozimento influencia muito mais o desempenho térmico do que a rigidez em temperatura ambiente. O Fiberon PET-CF17 teve a maior melhoria, com a deflexão caindo de 3,4 mm para 0,3 mm, ou seja, retenção de forma 11 vezes melhor. Ambos os materiais PETG-CF também se beneficiaram bastante do recozimento, reduzindo a deflexão em mais da metade, embora tenham permanecido nitidamente menos estáveis que o Fiberon PET-CF17 recozido.
Os demais materiais não conseguiram manter a forma nas condições do ensaio. Isso não significa que sejam inadequados para toda aplicação, mas indica que não devem ser escolhidos para componentes estruturais próximos a servomotores em operação contínua, a menos que a temperatura de trabalho possa ficar bem abaixo da faixa ensaiada.
Deformação de longo prazo
Componentes de braço robótico ficam com frequência sob carga contínua enquanto sustentam o peso do braço ou da carga útil. Mesmo que o material seja suficientemente rígido, ele pode se deformar aos poucos com o tempo e não retornar completamente após a remoção da carga. Este ensaio avalia a resistência do material à deformação dependente do tempo (fluência) e sua capacidade de voltar à forma original após carregamento prolongado.
Cada corpo de prova foi carregado com um peso central de 1 kg por 30 minutos no mesmo arranjo de apoio em três pontos descrito antes. A deflexão inicial foi registrada imediatamente após a aplicação da carga, seguida de uma segunda medição após 30 minutos para quantificar a fluência. Removida a carga, o corpo de prova teve 2 minutos de recuperação e a deflexão residual restante foi medida.
| Filamento | Deflexão inicial (mm) | Após 30 min (mm) | Deflexão residual (mm) |
|---|---|---|---|
| Fiberon PET-CF17 N | 1.08 | 1.18 | 0.10 |
| Fiberon PET-CF17 R | 0.82 | 0.92 | 0.02 |
| Bambu Lab PETG-CF N | 1.88 | 2.12 | 0.20 |
| Bambu Lab PETG-CF R | 1.80 | 2.00 | 0.15 |
| CC3D PETG-CF N | 1.60 | 1.64 | 0.14 |
| CC3D PETG-CF R | 1.57 | 1.63 | 0.20 |
| Creality PLA-CF N | 1.15 | 1.37 | 0.29 |
| Creality PLA-CF R | 1.00 | 1.13 | 0.40 |
| Soleyin PLA N | 1.60 | 2.05 | 0.30 |
| Creality PETG N | 1.70 | 1.83 | 0.10 |
Tabela 5. Deformação de longo prazo sob carga de 1 kg e deflexão residual após 2 minutos de recuperação.
Entre todos os materiais ensaiados, o Fiberon PET-CF17 apresentou a melhor estabilidade dimensional de longo prazo. O recozimento reduziu sua deflexão inicial de 1,08 mm para 0,82 mm, enquanto a fluência durante os 30 minutos sob carga permaneceu baixa (0,10 mm) nas duas condições. Mais importante: a deflexão residual caiu de 0,10 mm para apenas 0,02 mm, indicando recuperação quase completa após o descarregamento.
O Bambu Lab PETG-CF também se beneficiou do recozimento, reduzindo a deflexão residual de 0,20 mm para 0,15 mm. Em contrapartida, o CC3D PETG-CF pouco ganhou neste ensaio: a deflexão residual até aumentou levemente, de 0,14 mm para 0,20 mm após o recozimento. O Creality PLA-CF exibiu a maior deformação residual entre os compósitos de fibra de carbono, subindo de 0,29 mm para 0,40 mm após o recozimento.
Esses resultados destacam uma diferença importante entre rigidez e estabilidade dimensional de longo prazo. Embora o recozimento tenha aumentado o módulo de flexão de todos os filamentos com fibra de carbono ensaiados, ele não melhorou universalmente a recuperação após carga contínua. Para componentes de braço robótico que devem sustentar cargas por períodos prolongados, o Fiberon PET-CF17 foi o único material com melhoria clara em rigidez, resistência térmica e estabilidade dimensional de longo prazo.
Resultados dos ensaios de impacto
Os ensaios de impacto por pêndulo foram usados para comparar como os materiais respondem a uma carga súbita em duas configurações. Na configuração Izod, cada corpo de prova foi carregado como uma viga em balanço engastada na vertical; na configuração Charpy, foi apoiado horizontalmente nas duas extremidades e atingido entre os apoios. Como as duas configurações criam distribuições de tensões distintas e permitem graus diferentes de deformação, seus resultados são apresentados separadamente.
Os valores registrados são expressos como índice relativo de energia absorvida, calculado a partir da escala do pêndulo. Um valor mais alto indica que mais energia foi retirada do pêndulo durante o impacto. Esses valores destinam-se apenas à comparação entre corpos de prova ensaiados no mesmo banco e não devem ser interpretados como valores normalizados de resistência ao impacto.
| Filamento | Condição | Izod | Charpy |
|---|---|---|---|
| Creality PLA-CF | normal | 20 | 12 |
| Fiberon PET-CF17 | normal | 15 | 5 |
| Soleyin PLA | normal | 17 | 15 |
| Bambu Lab PETG-CF | normal | 29 | 65 |
| Creality PETG | normal | 24 | 60 |
| CC3D PETG-CF | normal | 20 | 8 |
| Fiberon PET-CF17 | recozido | 8 | 10 |
| Bambu Lab PETG-CF | recozido | 25 | 22 |
| Creality PLA-CF | recozido | 18 | 12 |
| CC3D PETG-CF | recozido | 21 | 13 |
Tabela 6. Índice relativo de energia absorvida nos ensaios Izod e Charpy. Valores mais altos indicam maior absorção de energia.
O resultado mais evidente foi a absorção de energia Charpy substancialmente maior do Bambu Lab PETG-CF e do Creality PETG comum na condição normal, com índices relativos de 65 e 60. Todos os demais corpos de prova normais ficaram em 15 ou abaixo na mesma configuração. Os resultados Izod ficaram mais agrupados, com o Bambu Lab PETG-CF novamente registrando o maior valor, seguido pelo PETG comum.
O recozimento produziu várias mudanças expressivas, com destaque para a queda do resultado Charpy do Bambu Lab PETG-CF de 65 para 22 e a queda do resultado Izod do Fiberon PET-CF17 de 15 para 8. Em contrapartida, diferenças pequenas, de cerca de 5%, entre corpos de prova normais e recozidos estão dentro das limitações práticas desta montagem e não devem ser interpretadas como melhoria ou piora confirmada.
Discussão dos resultados
Rigidez versus resistência ao impacto
Os resultados demonstram que rigidez e resistência ao impacto são propriedades distintas do material e não devem ser tratadas como intercambiáveis. O ensaio de flexão em três pontos mede o quanto o corpo de prova resiste à deformação elástica sob carga aplicada gradualmente, enquanto o ensaio de pêndulo avalia quanta energia ele absorve em um impacto súbito. Um material pode, portanto, ser muito rígido na operação normal e ainda assim falhar abruptamente ao ser golpeado.
Essa distinção fica especialmente clara ao comparar o Fiberon PET-CF17 com os materiais à base de PETG. O Fiberon foi um dos corpos de prova mais rígidos e tornou-se o mais rígido após o recozimento, mas seus resultados de impacto foram relativamente baixos. Já o Bambu Lab PETG-CF foi o material CF menos rígido na flexão, porém registrou os maiores índices de impacto entre os corpos de prova normais. O Creality PETG comum seguiu o mesmo padrão geral, combinando rigidez moderada com absorção de energia Charpy muito alta.
Esses resultados mostram que a seleção do material deve depender das condições de carga esperadas para o componente. Elos rígidos, suportes de servos e estruturas que precisam preservar a precisão de posicionamento se beneficiam sobretudo de alta rigidez e baixa fluência. Tampas, proteções, componentes de garra e peças expostas a colisões podem se beneficiar mais de um material dúctil à base de PETG, capaz de absorver energia de impacto. Quando ambas as propriedades importam, a geometria da peça, a espessura de parede, reforços locais e elementos de proteção substituíveis costumam ser mais eficazes do que escolher o material por um único resultado de ensaio.
Filamentos com fibra de carbono versus comuns
Os resultados confirmam que o reforço com fibra de carbono pode melhorar significativamente o desempenho de componentes estruturais impressos, mas a melhoria não é garantida apenas pela adição de fibra. O polímero-base e a formulação geral parecem influir mais do que a simples presença de fibras de carbono.
Entre os corpos de prova recém-impressos, Fiberon PET-CF17 e Creality PLA-CF foram substancialmente mais rígidos que os materiais de referência PLA e PETG. O CC3D PETG-CF também superou o PETG comum na flexão em três pontos. O Bambu Lab PETG-CF, porém, foi menos rígido que ambas as referências, demonstrando que um filamento reforçado com fibra de carbono não é automaticamente mais rígido que um polímero sem carga.
Os resultados de impacto revelam outra diferença importante. O Creality PETG comum alcançou um dos maiores índices Charpy de energia absorvida do estudo, apenas ligeiramente abaixo do Bambu Lab PETG-CF e muito acima dos demais compósitos CF. Isso indica que o reforço com fibra de carbono não necessariamente melhora a resistência ao impacto e pode reduzir a capacidade do material de se deformar e absorver energia antes da fratura. O efeito varia bastante conforme a formulação: o Bambu Lab PETG-CF mostrou a maior absorção de energia entre os corpos de prova normais, enquanto CC3D PETG-CF e Fiberon PET-CF17 produziram resultados Charpy bem mais baixos.
O reforço com fibra de carbono também produziu acabamento superficial perceptivelmente melhor. Todos os materiais CF ensaiados apresentaram aparência fosca uniforme, com linhas de camada menos visíveis, de modo que as peças exigiram pouco ou nenhum pós-processamento estético. No geral, os filamentos CF devem ser considerados materiais de engenharia próprios, com combinações específicas de rigidez, estabilidade térmica, resistência à fluência e comportamento ao impacto, e não simples melhorias de seus equivalentes sem reforço.
O recozimento na prática
O recozimento melhorou a rigidez e a resistência térmica de todos os materiais reforçados com fibra de carbono ensaiados, mas a magnitude e a utilidade geral da mudança dependeram fortemente do filamento. O maior benefício foi observado no Fiberon PET-CF17, que melhorou rigidez à flexão, resistência térmica e estabilidade dimensional de longo prazo. Bambu Lab PETG-CF e CC3D PETG-CF também ficaram mais rígidos e mantiveram melhor a forma em temperaturas elevadas, ainda que com ganhos menos abrangentes.
Os ensaios de deformação de longo prazo e de impacto mostram que o recozimento não deve ser visto como melhoria universal. Maior rigidez nem sempre resultou em melhor recuperação após carga contínua, e a resistência ao impacto podia melhorar ou piorar conforme o material e a configuração de ensaio. O resultado negativo mais significativo foi o do Bambu Lab PETG-CF, cujo índice Charpy caiu de 65 para 22 após o recozimento. O Fiberon PET-CF17 também apresentou queda substancial no resultado Izod.
O recozimento deve, portanto, ser escolhido conforme o requisito dominante da peça acabada. Ele é muito benéfico quando estabilidade térmica, rigidez e resistência à deformação gradual são os objetivos principais, especialmente no Fiberon PET-CF17. Já para peças que devem absorver colisões ou cargas súbitas, o recozimento pode reduzir a ductilidade útil e precisa ser avaliado com cuidado. Sua eficácia depende do polímero-base, do teor de fibra, da formulação do fabricante e do equilíbrio de propriedades exigido por cada componente robótico.
Conclusões
Este estudo comparou vários filamentos reforçados com fibra de carbono disponíveis comercialmente por meio de quatro ensaios complementares: rigidez à flexão em três pontos, resistência térmica sob carga, deformação de longo prazo e impacto por pêndulo nas configurações Izod e Charpy. Os resultados mostram que nenhuma propriedade isolada basta para identificar o melhor filamento para todo componente de braço robótico. Rigidez, estabilidade térmica, resistência à fluência e tolerância ao impacto devem ser consideradas separadamente.
Para peças estruturais rígidas próximas a servomotores ou sujeitas a cargas contínuas, o Fiberon PET-CF17 apresentou o melhor desempenho geral. Ele uniu rigidez muito alta a excelente estabilidade térmica e à menor deformação residual após carregamento prolongado. O recozimento trouxe um benefício adicional substancial, tornando-o o material mais adequado deste estudo para elos, suportes de servos e outros componentes estruturais críticos em precisão. Seus resultados de impacto comparativamente baixos, porém, o tornam menos indicado quando a resistência a colisões é o requisito dominante.
O CC3D PETG-CF é uma segunda opção prática quando se valorizam rigidez moderada, melhor resistência térmica após o recozimento, a imprimibilidade do PETG e boa qualidade de superfície. Ele não igualou o Fiberon em rigidez, resistência ao calor ou estabilidade dimensional de longo prazo, e seu desempenho ao impacto permaneceu limitado, mas ainda assim oferece um compromisso útil para peças estruturais gerais.
Para componentes expostos a flexão súbita, colisões ou impactos acidentais, Bambu Lab PETG-CF e o Creality PETG comum apresentaram os melhores resultados Charpy na condição normal. A menor rigidez e o desempenho térmico mais fraco limitam seu uso em peças estruturais de precisão perto de motores aquecidos, mas eles podem ser mais adequados a tampas, proteções, elementos de garra, para-choques e outras peças destinadas a absorver energia em vez de permanecer muito rígidas.
O Creality PLA-CF ofereceu excelente rigidez na condição recém-impressa, mas mostrou baixa resistência a temperaturas elevadas e absorção de energia de impacto apenas moderada. Ele é, portanto, mais indicado para estruturas passivas ou pouco carregadas que operem bem abaixo da faixa de amolecimento do PLA, em que alta rigidez e facilidade de processamento importam mais que desempenho térmico ou ao impacto.
O recozimento não deve ser tratado como melhoria universal. Ele aumentou significativamente a rigidez e a estabilidade térmica de vários materiais, especialmente do Fiberon PET-CF17, mas não melhorou de forma consistente a recuperação de longo prazo e podia reduzir a absorção de energia de impacto. O tratamento térmico deve, portanto, ser escolhido conforme o requisito dominante da peça final, e não aplicado automaticamente.
No geral, o melhor material depende do modo de falha esperado. O Fiberon PET-CF17 é a escolha preferencial para estruturas rígidas e termicamente solicitadas, o CC3D PETG-CF é uma segunda opção estrutural prática, e o Bambu Lab PETG-CF ou o PETG comum podem ser preferíveis em peças nas quais a tolerância ao impacto importa mais que a rigidez máxima. A seleção do material deve ser feita componente a componente, conforme temperatura de operação, carga contínua, precisão de posicionamento exigida e exposição a impactos súbitos.
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