Efeito do tempo e condições de estocagem em amostras produzidas por manufatura aditiva em areia sílica com resina furânicaRESUMO
A tecnologia de manufatura aditiva utilizada na fabricação de moldes e machos de areia para produzir peças fundidas em ligas metálicas está em fase inicial de implantação no Brasil. Entre suas vantagens estão a flexibilidade e as capacidades de design complexo, além da ampla gama de combinações de areia e ligantes já disponíveis comercialmente. Essa tecnologia pode ser aplicada em áreas específicas do molde, enquanto outras áreas, mais externas, podem ser fabricadas com processos convencionais de moldagem. Este estudo apresenta o efeito das condições de ambiente controlado (AC) e não controlado (ANC) de temperatura e umidade na estocagem de amostras produzidas por manufatura aditiva com areia e resina furânica, nas propriedades de tração, flexão e permeabilidade. As amostras foram produzidas por manufatura aditiva em camadas de 280 μm de espessura, utilizando areia sílica recoberta com ativador ácido p-toluenossulfônico (máx. 5,0% H2SO4) e resina furânica FB001 da marca ExOne, aplicada na forma de jato nas regiões determinadas pelo projeto que define a forma geométrica das amostras. Os resultados mostraram que a resistência à tração e à flexão aumentaram ao longo do tempo de estocagem, indicando que a resina continua seu processo de polimerização. Na condição de estocagem AC, apresentou melhor resistência à tração e à flexão em comparação à condição ANC, indicando que a umidade interferiu negativamente nos resultados de tração e flexão. Por outro lado, a permeabilidade não apresentou variação significativa entre as duas condições de estocagem das amostras. Observou-se também anisotropia de resistência à tração nas direções XY em relação à direção Z.
Palavras-chave
Manufatura aditiva; Areia; Resina; Umidade; Temperatura; Estocagem
ABSTRACT
Additive manufacturing technology for the production of sand molds and cores used in casting metallic alloy components is in the early stages of implementation in Brazil. Among its advantages are design flexibility, the ability to produce complex geometries, and a wide range of commercially available sand and binder combinations. This technology can be ap-plied to specific areas of the mold, while other, more external regions may be manufactured using conventional molding processes. This study investigates the effect of controlled (AC) and uncontrolled (ANC) environmental conditions specifically temperature and humidity on the storage of samples produced by additive manufacturing using silica sand and furan resin, focusing on tensile strength, flexural strength, and permeability properties. The sam-ples were produced via additive manufacturing in 280 μm-thick layers, using silica sand coated with p-toluenesulfonic acid activator (max. 5.0% H2SO4) and ExOne FB001 furan resin, applied by jetting in regions defined by the geometric design of the samples. The re-sults showed that tensile and flexural strength increased over the storage period, indicating that the resin continues its polymerization process over time. Samples stored under AC conditions exhibited higher tensile and flexural strength compared to those stored under ANC conditions, suggesting that humidity negatively affected the mechanical properties. On the other hand, permeability did not show significant variation between the two storage conditions. Anisotropy in tensile strength was also observed between the XY and Z directions.
Keywords
Additive manufacturing; Sand; Resin; Humidity; Temperature; Storage
1. INTRODUÇÃO
A fundição em areia é o processo de fabricação de peças metálicas mais antigo e econômico, que consiste em derramar metal líquido na cavidade do molde feita de areia, formando a peça metálica. Nos processos convencionais, envolve a fabricação de modelos e caixas de machos para produzir os moldes e machos em areia.
No processo de manufatura aditiva (MA) em areia, também conhecido como binder jet (jato de ligante), o molde e o macho são impressos diretamente a partir do projeto [1], por meio da aplicação de um jato de resina (ligante) sobre um leito de areia previamente misturada com ativador. A resina polimeriza (cura) e une as partículas de areia camada por camada [2, 3], dando forma ao molde ou o macho.
O processo MA em areia apresenta vantagens como: – Permite maior flexibilidade na fabricação de moldes e machos com geometria complexa. – Viabiliza a integração de múltiplos componentes, superando limitações dos processos convencionais. – Otimiza o posicionamento dos sistemas de alimentação (canais e massalotes), reduzindo a ocorrência de defeitos. – Possibilita o uso de canais de enchimento com geometrias específicas (cônicos e espirais), minimizando a turbulência do metal líquido, evitando rechupes localizados e reduzindo a entrada de inclusões como areia, óxidos e ar [4, 5]. – Diminui o tempo entre o desenvolvimento do projeto e a produção da peça. – Elimina a necessidade de fabricação, armazenamento e manutenção de modelos e caixas de machos, resultando em economia de energia [6, 7] e redução de defeitos na peça fundida [8].
Os principais parâmetros do processo MA em areia são as características da areia, tipo e concentração de ativador e resina, velocidade de impressão, espessura da camada impressa, tempo e temperatura de cura [7].
Os parâmetros da granulometria da areia e a velocidade de impressão determinam a espessura da camada, do acabamento superficial da peça fundida e da permeabilidade dos gases proveniente da queima da resina e aditivos durante o preenchimento e solidificação do metal no molde e macho [2, 7]. A faixa de granulometria da areia comumente usada na impressão 3D é de 70 mesh (0,212 mm) a 140 mesh (0,106 mm), sendo que, quanto mais fino for o grão da areia, mais densa é a camada de areia e menos o ligante é difundido [9].
Normalmente, para maximizar a umectação das partículas de areia pela resina e obter excelente resistência é definido uma espessura da camada de areia impressa, de modo a que seja o dobro do tamanho médio da areia [10], entretanto, com o aumento da espessura da camada de areia impressa o molde e macho apresentam diminuição da resistência à flexão [11].
As propriedades da areia de fundição, como densidade aparente, compactação, microestrutura, distribuição granulométrica, formato e textura dos grãos [12,13,14,15], fluidez [16,17,18,19], composição química [20], afetam as características de acabamento superficial, precisão dimensional, resistência [21], permeabilidade [12, 21] e transferência de calor que determinam as taxas de solidificação e os gradientes térmicos [22, 23] do molde e do macho, rugosidade superficial e porosidade no fundido [14, 24, 25].
De acordo com QIANG et al. [26], a velocidade de 45 mm/s com espessura da camada de areia impressa de 1,5 mm e adição de 2,0% de resina furânica, apresentou melhores resistências à tração (1,29 MPa) e à compressão (4,36 MPa). Segundo BRYANT et al. [27] o aumento da velocidade de impressão reduz o tempo para que a lâmina oscilante compacte os grãos de areia, além de diminuir a quantidade de resina distribuída sobre a região da areia, reduzindo a densidade do molde e do macho.
A quantidade de ativador na mistura de areia influencia no tempo de cura e na resistência do molde ou macho, que varia dependendo da temperatura e umidade do ambiente, qualidade do ativador e da resina, temperatura e teor de umidade da areia. O aumento da quantidade de ativador aumenta a resistência à flexão [11] e de modo geral, 30 a 40% de ativador (sobre o peso da resina furânica), tem resistência à flexão acima de 3,0 MPa após 3 h de cura da mistura [28], satisfazendo o requisito de produção, que é no mínimo 1,5 MPa de resistência à flexão [21].
O processo de polimerização da resina furânica é catiônico, sendo catalisado por um ácido forte que fornece íons hidrogênio e, durante a reação, libera água [29]. A resina furânica, ao entrar em contato com a água, proveniente da própria reação de polimerização, da umidade aderida à superfície dos grãos de areia base (devendo ser inferior a 0,25%) ou absorvida do ambiente de estocagem, reage promovendo a abertura do anel furânico, formando succinato. Esse processo compromete a estabilidade da ligação química, a taxa de cura da resina e afeta a resistência [9, 28, 30].
A queda da resistência mecânica com o aumento do tempo e da temperatura de estocagem está relacionada à quebra da cadeia polimérica à medida que o álcool evapora [31], principalmente em temperaturas acima de 400 oC, faixa correspondente à reação de abertura do anel do furano [32].
No processo de polimeirazação da resina furânica, forma-se uma estrutura tridimensional devido à policondensação por desidratação de –OH e à reação de adição de C=C. Esse processo endurece as pontes de resina entre os grãos de areia, proporcionando maior resistência mecânica do molde e macho.
O aumento gradual da resistência em temperaturas mais baixas (25°C e 100°C) pode estar relacionado à evaporação do solvente, que provoca o encurtamento e o endurecimento das pontes de resina. Esse processo resulta em um incremento progressivo da resistência mecânica e na contração do molde. Por outro lado, as amostras armazenadas em temperaturas mais elevadas (200 °C) apresentam resistência significativamente menor devido à degradação gradual da rede da cadeia polimérica à medida que o álcool evapora [31].
A resina furânica, comumente utilizada na produção de moldes e machos apresenta excelente resistência, permeabilidade e alta taxa de reutilização de areia recuperada mecanicamente [33]. Quanto maior for a saturação de resina na camada impressa [34], maior será a resistência da camada, porém isso ocorre acompanhado de uma redução na qualidade e na uniformidade da superfície. Esse comportamento também é percebido ao utilizar a mesma saturação de resina em camadas impressas com menor espessura [35].
No que diz respeito à viscosidade, ao tamanho e à distribuição das gotas de resina aplicadas sobre o leito de areia (fatores influenciados pela temperatura), estes determinam a densidade e a permeabilidade do molde e do macho [7].
O tempo de cura após as amostras serem impressas com resina furânica, apresenta um rápido aumento e estabilização a partir de 2 h até 1.296 h (54 dias) com resistência à flexão acima de 2,0MPa [21, 28, 31, 36] e segundo BOBROWSKI et al. [37], mostraram que ocorre aumento significativo na resistência à tração das amostras impressa até o tempo de 24h e mantendo-se constante até 120 h (5 dias).
Em condições normais, a desmoldagem dos moldes e machos pode ocorrer entre 15 minutos e 1 hora após o início do processo de mistura (areia revestida com catalisador e resina). A resina furânica desenvolve entre 70% e 90% de suas propriedades finais dentro de 3 horas e deve ser mantida entre 21 °C e 32 °C, sendo que a taxa de cura dobra a cada aumento de 10 °C [38].
De acordo com FORTINI et al. [39], a umidade no ambiente de estocagem na fundição promove o aumento da friabilidade e a perda de resistência dos machos e reduz a qualidade das peças fundidas. Isso ocorre porque a umidade do ambiente é absorvida pelo macho, rompendo as pontes de resina entre os grãos de areia. Entretanto, um período de 14 dias no ambiente de fundição (18ºC e 32% de umidade relativa), não foi suficiente para prejudicar a funcionalidade dos machos.
Este estudo tem como objetivo investigar a estocagem em ambiente controlado (AC) e ambiente não controlado (ANC) de amostras produzidas por manufatura aditiva (MA), utilizando areia ligada com resina furânica. Foram analisadas as propriedades de resistência à tração, resistência à flexão e permeabilidade das amostras, a fim de determinar qual condição AC ou ANC é mais adequada para armazenar os moldes e machos que serão utilizados na produção de peças fundidas isentas de defeitos.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
Neste estudo, as amostras foram impressas nos eixos X, Y e Z, conforme o arranjo na caixa de trabalho (Fig. 1a), com dimensões de 1.800 × 1.000 × 700 mm3, utilizando a impressora ExOne S-Print Furan S-Max Pro (Fig. 1b).
(a) Tipo e distribuição das amostras na caixa de trabalho, usada para imprimir as amostras. (b) Impressora ExOne S-Print S Max Pro. (c) Sistema de sucção a vácuo. Fonte: Lab. MA Instituto SENAI-Joinville/SC.
A areia empregada foi sílica, cuja distribuição granulométrica foi determinada segundo a norma CEMP 081 [40], por meio do peneirador da marca Tecnofund, composto por 11 peneiras e um prato. A morfologia das partículas de areia foi analisada com o microscópio Carl Zeiss Microscopy e o software ExioVision SE64, com ampliação de 50 vezes. Para essa análise, foram medidas a área (A) e o perímetro (P) de 250 partículas selecionadas aleatoriamente, e o grau de esferoidicidade (GE) foi calculado conforme a equação 1 [25, 41], sendo obtida a média e o respectivo desvio padrão.
Inicialmente, foram misturados 0,17% (em peso sobre a areia) do ativador FA001 (ácido p-tolueno-sulfônico com até 5% de H₂SO₄) em 8,0 kg de areia, na câmara de mistura acoplada à impressora. Camadas da mistura de areia com o ativador foram sucessivamente espalhadas sobre a plataforma de construção (plano X–Y), com nivelamento e compactação a cada camada de aproximadamente 280 µm de espessura, realizadas pelo dispositivo recobridor (recoater) a uma velocidade de 150 mm/s.
Em seguida, o cabeçote de impressão (injetor gotejador) aplicou a resina furânica líquida FB001 (composta por álcool furfurílico ≥ 75%, bisfenol A 15–25% e resorcinol 1–5%) da marca ExOne sobre as camadas de areia, a uma velocidade de 1.000 mm/s, promovendo a ligação entre os grãos e dando forma às amostras (Fig. 2). Esse processo foi repetido até a impressão da última camada, enquanto a areia ao redor permaneceu não ligada.
Forma e dimensões das amostras para determinar as propriedades. (a) Tração, (b) flexão, (c) permeabilidade.
A extração das amostras da caixa de trabalho foi realizada com os devidos cuidados, utilizando um sistema de sucção a vácuo (Fig. 1c) para retirar a areia solta (não ligada) ao redor das amostras e pincel de feltro macio para remover a areia solta presente sobre as amostras.
As medidas das propriedades de tração e permeabilidade foram realizadas nas amostras produzidas nos eixos X, Y e Z.
A resistência à flexão em 3 pontos (F3P) foi medida nas amostras produzidas nos eixos X e Y, devido ao fato de as paredes dos moldes tenderem a falhar perpendicularmente às direções X e Y por estarem sob tração, enquanto no eixo Z permanece sob compressão [10]. Além disso, ao se imprimir as amostras para o ensaio de flexão no eixo Z, ocorre um elevado descarte de areia, uma vez que, essas amostras são impressas juntamente com outras de menor altura no eixo Z. Por outro lado, amostras para o ensaio de perda ao fogo foram retiradas do ensaio de flexão após serem rompidas.
A Figura 2 ilustra os tipos de amostras de acordo com a norma CEMP E10 [42] utilizadas para o ensaio de tração (Fig. 2a), para o ensaio de flexão 3 pontos (Fig. 2b) e para o ensaio de permeabilidade (Fig. 2c), realizados segundo as normas CEMP 164 [43], CEMP 128 [44] e CEMP 181 [45], respectivamente.
As amostras (Fig. 3) permaneceram estocadas nos tempos de 12h, 24h, 72h, 168h e 336h após a impressão nas condições AC e ANC, com o controle do tempo, temperatura e umidade. O monitoramento foi realizado por meio de sensores do tipo End Device – Edoxx – Dasnfer Sensor, estrategicamente posicionados nos AC e ANC de estocagem das amostras.
Amostras impressas e usadas para determinação das propriedades. (a) Tração, (b) permeabilidade, (c) flexão.
O controle de temperatura no AC foi realizado por um sistema de ar-condicionado de marca Carrier do Brasil, modelo 42BQA048510KC. O controle da umidade foi realizado por um desumidificador Desidrat Tetus 240. No ANC as amostras foram estocadas em um galpão com as laterais abertas para a circulação de ar no período de 14 dias do mês de junho de 2025.
Os ensaios de tração e flexão foram realizados em uma máquina de ensaio universal acionada por motor elétrico, de marca Tecnofund, modelo MRUD-E-NET número 5049 com medição de até 361 N/cm² (3,61MPa) para o ensaio de flexão e resolução de 0,01 N/cm² (0,0001MPa). O ensaio de permeabilidade, foi realizado em um permeâmetro, da marca Tecnofund, modelo PER-E, Série C, número 5445. As amostras foram retiradas das condições AC e ANC e submetidas diretamente aos ensaios, ou seja, não passaram por um processo de ambientação prévia antes da realização dos ensaios.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Neste item, são apresentados e discutidos os resultados da distribuição granulométrica e do grau de esferoidicidade medidos na areia nova. Em seguida, são apresentados os resultados dos ensaios de resistência à tração, resistência à flexão e permeabilidade.
3.1. Distribuição granulométrica (DG) e grau de esferoidicidade (GE)
A Figura 4 mostra o perfil da distribuição granulométrica de três amostragem obtidas da areia nova antes de ser misturada com o ativador e a resina furânica. A areia apresentou distribuição granulométrica concentrada em 3 peneiras com 56,02 ± 1,58% na peneira P140 (abertura da malha de 0,149 mm), com 27,10 ± 2,7% na P100 (abertura de malha de 0,074 mm) e 8,7 ± 2,0% na P200 (abertura de malha de 0,105 mm), semelhando-se ao estudo de VAN TONDER at al. [46].
Distribuição granulométrica das partículas da areia nova, antes de adicionar o ativador e a resina.
O módulo de finura medido na areia nova utilizada neste estudo foi de 94,3 ± 3,4 AFS (American Foundry Society) e está em conformidade com o estudo de PERRONY [47], mostrando que, para uma concentração granulométrica de 85%, o módulo de finura varia entre 44 e 90 AFS.
A soma das porcentagens de areia retida nas duas últimas peneiras (malhas 200 e 270) e no prato é considerada como a concentração de finos na areia. Neste estudo, a concentração obtida foi de 10,6 ± 2,6% de finos. LOPES [48], recomenda teor de finos menor que 0,2% para evitar redução significativa da resistência mecânica dos machos e moldes.
DOBOSZ et al. [49] demonstraram que concentrações superiores a 5,0% de finos reduzem significativamente a resistência à flexão da areia ligada com resina furfural. Conforme SILVA et al. [50], quanto maior a porcentagem de finos, maior será a área superficial dos grãos no volume de areia, sendo necessário aumentar a quantidade de resina para garantir uma resistência adequada dos moldes e machos utilizados na fundição.
A Figura 5 apresenta a morfologia dos grãos da areia nova utilizada neste estudo. De acordo com a classificação estabelecida pela norma ASTM D2488 [51], os grãos analisados exibem formas arredondadas e majoritariamente subangulares.
A esfericidade média, obtida a partir da análise de 250 partículas individuais, foi de 0,74 ± 0,06. Esse valor encontra-se dentro do intervalo de 0,3 a 0,9, conforme proposto por CHO et al. [52], sendo que a esfericidade igual a 1 representa uma geometria perfeitamente esférica.
3.2. Condições de temperatura e umidade no ambiente de estocagem das amostras
A Tabela 1 apresenta os valores médios de temperatura e umidade medidos ao longo de 336 horas (14 dias) nos ambientes de estocagem controlado (AC) e não controlado (ANC), onde foram armazenadas as amostras impressas destinadas aos ensaios de tração, flexão e permeabilidade.
Os valores das temperaturas nas condições AC e ANC (Tabela 1) não apresentam variações significativas que possam influenciar as propriedades dos machos e moldes impressos, por isso não será discutido neste estudo o efeito da temperatura.
A umidade na condição de estocagem controlada (AC) foi 77,8% menor em relação à condição não controlada (ANC). A maior concentração de umidade do ar na condição ANC, durante o período de estocagem das amostras, pode influenciar negativamente as propriedades dos machos e moldes. A água presente no ambiente ANC é absorvida pelos machos e moldes [53, 54], promovendo a quebra das pontes de ligação da resina entre os grãos de areia [39], o que reduz a resistência mecânica dessas estruturas.
3.3. Efeito do tempo e umidade no ambiente de estocagem na resistência à tração
Os valores apresentados na Figura 6 correspondem à média da resistência à tração obtida das amostras impressas nas direções X, Y e Z da caixa de trabalho (job box) da impressora (Fig. 1a). Nesse caso, como a diferença de resistência à tração entre as direções X e Y foi insignificante, calculou-se a média dessas duas direções, denominada XY, conforme descrito por WOODS [55].
Resistência à tração em função das condições de estocagem. (a) AC, (b) ANC, (c) Diferença entre valores XY – AC/ANC e (d) Diferença na direção Z – AC/ANC.
As Figuras 6a e 6b apresentam os valores da resistência à tração das amostras em relação às condições AC e ANC, respectivamente, correlacionando a média das direções XY com a direção Z ao longo do tempo de estocagem. As Figuras 6c e 6d exibem a diferença na resistência à tração da média das direções XY e da direção Z entre as condições AC e ANC.
A Figura 6 mostra que, no início do período de estocagem, ocorre um aumento na resistência à tração. Esse efeito está associado à liberação de água durante a policondensação, o que promove a polimerização reticulada (cura), endurecendo as pontes de resina entre os grãos de areia. Esse processo continua proporcionando maior resistência mecânica em decorrência da reação contínua de polimerização da resina durante a estocagem das amostras nas condições AC (Fig. 6a) e ANC (Fig. 6b), conforme também observado por MITRA et al. [31]. Nesse estudo, o tempo para observar (medir) a redução da resistência à tração, foi insuficiente. O tempo máximo para a estocagem dos machos e moldes é importante para a indústria de fundição.
Na condição de estocagem AC (Fig. 6a) a resistência à tração das amostras impressas na direção XY apresentou um aumento de 34,6% a 46,2% em relação às amostras impressas na direção Z. Esse comportamento foi ainda mais acentuado na condição de estocagem ANC (Fig. 6b), com variações de 56,3% a 64,8%.
A anisotropia entre as direções XY e Z também foi observada por HACKNEY e WOOLDRIDGE [33] e WOODS [55]. Segundo SIVARUPAN et al. [10], o teor de umidade (água) gerado na polimerização da resina e da vaporização da água durante o processo de impressão, devido ao tempo decorrido até a aplicação da próxima camada, reduz a resistência. Outro fator relevante é que, ao adicionar a resina à camada de areia contendo o ativador, inicia a reação de polimerização, formando uma película semissólida que restringe a permeação da resina entre as camadas, contribuindo na menor resistência à tração na direção Z [56].
Na Figura 6c, observa-se um incremento significativo na resistência à tração na direção XY, variando de 24,5% a 38,3%, nas amostras armazenadas sob a condição AC, quando comparadas as armazenadas na condição ANC. E na Figura 6d, o incremento na resistência à tração na direção Z é muito mais significativo nas amostras armazenadas na condição AC em relação à condição ANC, com a variação de 89,4% a 182,0%.
O aumento no valor da resistência à tração das amostras armazenadas na condição AC está ligada a menor umidade do ambiente AC. De acordo com FORTINI et al. [39] a reidratação dos silicatos, pela umidade do ambiente, induz à quebra das pontes de resina que ligam os grãos de areia, reduzindo a resistência dos machos e moldes.
Tendo como referência a resistência à tração de 1,29 MPa [26], apenas as amostras tracionadas na direção XY, na condição AC, apresentaram valores superiores após 24 horas de estocagem.
As amostras tracionadas na direção Z e na condição AC, bem como aquelas tracionadas nas direções XY e Z na condição ANC, permaneceram abaixo do valor de referência. A baixa resistência à tração pode estar relacionada à elevada quantidade de finos (10,6 ± 2,6%) presente na areia base, sendo recomendado um teor inferior a 0,2% [48]. Isso ocorre porque, quanto maior a quantidade de finos, maior é a necessidade de resina para garantir a resistência adequada do molde e do macho [49].
3.4. Efeito do tempo e umidade no ambiente de estocagem na resistência à flexão
A Figura 7 mostra os valores que correspondem à média da resistência à flexão obtida das amostras impressas nas direções X e Y na caixa de trabalho (job box) da impressora (Fig. 1a).
Resistência à flexão em função das condições de estocagem. (a) AC, (b) ANC e (c) Diferença entre valores XY-AC e XY-ANC.
Nas condições de estocagem AC (Fig. 7a) e ANC (Fig. 7b), nas direções de impressão X e Y, não foram observadas variações significativas na resistência à flexão — resultado também reportado por SIVARUPAN et al. [10] e WANG et al. [56]. Entretanto, verifica-se uma tendência crescente na resistência à flexão à medida que aumenta o tempo de estocagem das amostras, sendo mais acentuado na condição de estocagem AC. Esse contínuo aumento na resistência à flexão indica que o processo de polimerização (cura) da resina ainda não finalizou.
A Figura 7c mostra a média dos valores da resistência à flexão nas direções X e Y, formando a média XY, para as duas condições de estocagem AC e ANC, onde se observa aumento significativo na resistência à flexão, variando de 29,8% a 38,4%, nas amostras estocadas sob a condição AC, quando comparadas às estocadas na condição ANC. Esse, incremento na resistência à flexão das amostras estocadas na condição AC, está ligada a menor umidade na condição AC [39].
Observou-se que a resistência à flexão nas direções X e Y, na condição AC, apresentou valores superiores ao mínimo de referência de 1,5 MPa [21]. Verificou-se, ainda, que o aumento do tempo de estocagem contribuiu para o incremento da resistência à flexão. Em contrapartida, nas direções x e Y, na condição ANC, os valores de resistência à flexão permaneceram inferiores ao limite de referência. Essa redução pode estar associada à elevada concentração de finos na areia base, conforme discutido previamente no item 3.3.
De uma forma geral, pode-se afirmar que a cura da resina ocorre progressivamente ao longo do tempo de estocagem das amostras. No presente estudo, o período de 336 horas não foi suficiente para determinar o tempo final de cura, ou seja, o momento em que se inicia a redução da resistência à flexão. Por outro lado, o ANC apresentou valores de resistência significativamente menores quando comparado ao AC. Neste caso, o fator que mais influenciou na redução da resistência foi a umidade do ar, já que a temperatura não teve variação significativa para interferir nos resultados.
3.5. Efeito do tempo e da umidade no ambiente de estocagem na permeabilidade
A Figura 8 apresenta os valores de permeabilidade obtidos para as amostras impressas nas direções X e Y, a partir dos quais foi calculada a média aritmética XY. Também são exibidos os valores correspondentes às amostras impressas na direção Z e à diferença percentual entre a permeabilidade média XY e os valores obtidos na direção Z, nas condições de estocagem AC e ANC.
Permeabilidade em função das condições de estocagem. (a) AC, (b) ANC, (c) Diferença na média XY entre AC/ANC e (d) Diferença na direção Z entre AC/ANC.
Nas Figuras 8a e 8b observa-se uma constância da permeabilidade nas direções de impressão XY e Z nas condições de estocagem AC e ANC, à medida que aumenta o tempo de estocagem das amostras. A média da permeabilidade das amostras na direção XY apresenta valores superiores em relação à direção Z, variando de 4,13% a 6,89% na condição AC e de 3,31% a 8,07% na condição ANC.
Para verificar a existência de diferença estatisticamente significativa na permeabilidade das amostras impressas nas direções X, Y (média XY) e Z, nas condições de estocagem AC e ANC, foi aplicado o teste t – Student, sendo os resultados apresentados na Tabela 2.
Resultado estatístico da permeabilidade das amostras das direções XY e Z, estocadas AC e ANC.
De acordo com os dados apresentados na Tabela 1, não foi identificada diferença estatisticamente significativa nos valores de permeabilidade entre os grupos amostrais AC-XY versus AC-Z. Essa conclusão baseia-se no valor calculado do teste t – Student (t = −1,69), que é inferior ao valor crítico (P = 2,0003), indicando que a diferença de direção de impressão não influenciou a permeabilidade nas amostras estocadas na condição AC.
De acordo com a Tabela 1, no grupo amostral ANC-XY versus ANC-Z, observou-se diferença estatisticamente significativa nos valores de permeabilidade, uma vez que o valor absoluto calculado no teste t – Student (t = −2,60) é superior ao valor crítico (P = 1,9867) obtido na tabela t – Student. Esse resultado evidencia que a direção de impressão influenciou a permeabilidade das amostras armazenadas na condição ANC.
A diferença da permeabilidade relacionando os grupos amostrais ANC-XY versus ANC-Z pode estar associada a alguns fatores que necessitam de estudo mais detalhados, não estudados neste artigo, como: – grau de compactação e acomodação das partículas de areia; – presença de maior quantidade de resina na superfície da camada de areia, gerando pontes de ligações mais grossas entre camadas, reduzindo a permeabilidade; – Região entre as camadas de areia com maior quantidade de resina, possibilitando maior quantidade de álcool e água remanescentes da polimerização da resina, dificultando o fluxo de ar que atravessa os poros e nas regiões entre as camadas de areia [10, 16, 21, 57].
A Figura 8c mostra a variação da permeabilidade média nas direções XY, enquanto a Figura 8d apresenta a variação da permeabilidade na direção Z, para as amostras estocadas sob as condições AC e ANC. Os resultados indicam diferenças pouco significativas entre as duas condições de estocagem ao longo do tempo, sugerindo que a umidade não influenciou significativamente nessa propriedade.
Para verificar a existência de diferença estatisticamente significativa na permeabilidade das amostras AC da média XY (AC-XY) versus ANC da média XY (ANC-XY) e AC da direção Z (AC-Z) versus ANC da direção Z (ANC-Z) foi aplicado o teste t – Student, sendo os resultados apresentados na Tabela 3.
Resultado estatístico da permeabilidade das condições AC-XY versus ANC-XY e AC-Z versus ANC-Z.
De acordo com os dados apresentados na Tabela 3, não foi identificada diferença estatisticamente significativa nos valores de permeabilidade entre os grupos amostrais AC-XY versus ANC-XY e dos grupos AC-Z versus ANC-Z. Essa conclusão baseia-se no valor calculado do teste t – Student (t = 0,42 para AC-XY versus ANC-XY e t = −0,74 para AC-Z versus ANC-Z), que são inferiores ao valor crítico (P = 2,0003), indicando que a diferença das condições ambientais (AC e ANC) não influenciaram a permeabilidade.
A Tabela 4 mostra os resultados do estudo estatístico t-Student dos valores de permeabilidade obtidos nas condições de estocagem AC com ANC nas direções XY e Z.
De acordo com os dados apresentados na Tabela 4, não foi observada diferença estatisticamente significativa nos valores de permeabilidade entre os grupos amostrais AC e ANC. Essa conclusão baseia-se no valor do teste t – Student (t = 0,80), que se mostrou inferior ao valor crítico (tabela t – Student = 1,9732). Esse resultado indica que não há efeito significativo na permeabilidade das amostras em função das variações nas direções de impressão, no tempo de estocagem e na umidade, nas condições AC e ANC.
4. CONCLUSÕES
Os resultados obtidos neste estudo permitem concluir que os parâmetros morfológicos da areia utilizada foram adequados para a produção das amostras por meio do processo de manufatura aditiva. No entanto, o elevado teor de finos presente pode ter contribuído negativamente para o desempenho das propriedades. As temperaturas nas condições AC e ANC não apresentaram variações significativas capazes de influenciar os resultados obtidos. Por outro lado, o tempo de estocagem contribuiu para o aumento da resistência à tração e à flexão, indicando que o processo de cura da resina ocorre de forma progressiva ao longo do tempo. No entanto, a maior quantidade de umidade na condição ANC influenciou negativamente as propriedades, em comparação à condição AC.
Os valores obtidos na direção XY foram superiores aos valores mínimos de referência para resistência à tração e à flexão, evidenciando comportamento anisotrópico nas direções XY e Z no ensaio de tração. A permeabilidade não apresentou variação estatisticamente significativa entre as direções de impressão na condição AC, nem entre as condições de estocagem AC e ANC. Entretanto, foi observada diferença estatisticamente significativa entre as direções XY e Z na condição ANC.
5. AGRADECIMENTOS
Os autores expressam agradecimentos à coordenação do projeto FUNDEP (Fundação de Desenvolvimento da Pesquisa), pelo apoio financeiro fundamental a este trabalho. Agradecemos também ao Instituto SENAI de Inovação em Sistemas de Manufatura e Laser pelo valioso apoio técnico-científico.
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