Controle e otimização de vazios mesoestruturais em manufatura aditiva pela tecnologia de fabricação por filamento fundido (FFF) - Santos, Mônica Laiolti dos [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2025)
Processos de manufatura aditiva têm ganhado bastante relevância inovativa e tecnológica nas mais diversas áreas do conhecimento. Um grande diferencial da manufatura aditiva, mais conhecida por meio do termo impressão 3D, é a possibilidade de desenvolvimento de peças de geometria e montagem complexas de maneira simples, sendo uma ferramenta de valor para os campos de engenharia e design de produtos. A manufatura aditiva se popularizou para uso doméstico por impressoras de tecnologia de fabricação por filamento fundido, chamada de FFF. No entanto, a impressão 3D FFF produz componentes de baixa resistência mecânica devido à geração de vazios mesoestruturais (da ordem de milímetros) nos modelos impressos, de forma intrínseca ao seu tipo de fabricação. Sabe-se da literatura que, quanto maior a quantidade de vazios, estes, representando concentradores de tensão, diminuem a resistência mecânica de componentes estruturais. Muitas são as formas de se inserir vazios mesoestruturais através dos parâmetros de impressão, portanto, é possível controlá-los em seu tamanho, forma e distribuição ao longo de peças impressas. Muito ainda não se sabe sobre como estes vazios se distribuem na estrutura e como esta distribuição pode ou não ser afetada pelos chamados parâmetros de impressão. Esta pesquisa contribuiu para a evolução do conhecimento no campo de manufatura aditiva e contribuiu com insights sobre otimização de impressão 3D FFF para aumentar a resistência mecânica. Utilizando a metodologia de planejamento de experimentos (DOE), impressão de corpos de prova em PLA, ensaio de tração e estudo da área da seção transversal por análise e processamento de imagens, esta pesquisa se propôs a investigar a geometria, fração e tamanho de vazios mesoestruturais com o intuito de obter controle das características mecânicas das amostras, otimizando-as para o seu máximo valor, considerando também o menor tempo possível de impressão. Dentre as descobertas desta pesquisa, concluiu-se que o achatamento do filete extrudado resultante é um indicativo da deficiência difusiva na região entre filetes e que se pode aumentá-lo ou diminuí-lo de acordo com a manipulação dos parâmetros de impressão de altura da camada, largura de extrusão, velocidade de impressão e diâmetro do bico extrusor.

Additive manufacturing processes have gained great innovative and technological relevance in diverse areas of knowledge. The major singularity in additive manufacturing, most commonly known by the term 3D printing, is the possibility of the simple development of parts with complex geometries and assemblies, which is of great value in the fields of engineering and product design. Additive manufacturing has grown in popularity for domestic use through fused filament fabrication printers, known as FFF printers. However, FFF 3D printing produces low mechanical resistance components due to the generation of mesostructural voids (at the millimetric scale) in the printed models, which is intrinsic to this type of fabrication. It is known in the literature that the greater the amount of voids, which act as stress concentrators, the lower the mechanical resistance of structural components. There are plenty of ways of adding mesostructural voids through printing parameters; therefore, it is possible to control their size, shape, and distribution along the printed parts. Much remains unknown about how these voids are distributed along the structure and how this distribution can or cannot be affected by the so-called printing parameters. This research contributes to the growing knowledge in additive manufacturing and provides insights into optimizing FFF 3D printing for improved mechanical performance. Using the methodology of design of experiments (DOE), printing samples with PLA filament, tensile testing, and analysis and image processing techniques of the cross-sectional area, this research proposes the investigation of geometry, fraction and size of mesostructural voids, aiming to obtain control over the mechanical characteristics of the samples, optimizing them to their maximum values, considering also the lowest possible printing time. Among the findings of this research, it is concluded that extruded bead narrowing is an indicator of diffusive deficiency in the region between beads and that it is possible to increase or decrease it through manipulation of the printing parameters of layer height, line width, printing speed and nozzle diameter
Mesostructural void control and optimization in additive manufacturing using fused filament fabrication (FFF)
Keywords: Manufatura aditiva; Impressão tridimensional; Otimização; Planejamento experimental; Planejamento experimental