INFILTRAÇÃO DE PEÇAS FABRICADAS POR
TECNOLOGIA FDM COM RESINAS POLIMÉRICAS
David Kretschek, José A. Foggiatto*, Neri Volpato
Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR, Campus de Curitiba-PR – [email protected]
As tecnologias de prototipagem rápida vêm sendo cada vez mais empregadas na fabricação de ferramentas para o
processamento de polímeros, porém alguns processos ainda apresentam uma série de restrições a esta aplicação. Em
especial, no processo denominado Fused Deposition Modelling (FDM), a ocorrência de vazios na estrutura das peças e
a qualidade superficial gerada, são os principais fatores a restringirem a fabricação de ferramental. Neste trabalho foi
avaliada a infiltração de resina epóxi, poliuretano e cianoacrilato em corpos de prova fabricados em ABS pelo processo
FDM com o objetivo de realizar o preenchimento dos vazios e permitir a obtenção de um melhor acabamento
superficial. Os resultados demonstram uma maior eficiência da resina epóxi no preenchimento da estrutura, facilitando
o lixamento e ampliando o potencial de aplicação do processo FDM para a fabricação de ferramental de baixa tiragem.
Palavras-chave: Prototipagem Rápida, FDM, Epóxi.
Infiltration of FDM parts with polymeric resins
The use of rapid prototyping technologies in the tooling manufacturing sector, for polymer processing, has increased
considerably. However some technologies still present some drawbacks for this application. In particular, for the Fused
Deposition Modelling (FDM) process, the presence of internal voids and the rough surface finishing are the main points
that prevent its application in tooling. In this work, some resins (epoxy, polyurethane and cyanoacrylate) have been
analyzed for infiltration of FDM specimens fabricated in ABS. The main objective was to improve the surface finishing
of the parts and to eliminate their internal voids. The results show that the epoxy resin has the best performance during
the infiltration, facilitating also the sanding process. This result can contribute to improve the FDM potential in the area
of prototype tooling, i.e. tooling for short run.
Keywords: Rapid Prototyping, FDM, Epoxy
Introdução
A Prototipagem Rápida (Rapid Prototyping - RP) é um processo de fabricação tipicamente aplicado
na confecção de modelos físicos para visualização de concepções e análise de produtos em
desenvolvimento. A aplicação destas tecnologias na fabricação de componentes definitivos,
conhecida como Manufatura Rápida [1], e a produção de ferramental, processo conhecido como
Ferramental Rápido (Rapid Tooling - RT) [2], vem ganhando espaço no mercado e dedicação por
parte dos pesquisadores. Isto se deve principalmente à sua agilidade e baixo custo na fabricação em
pequena escala e à facilidade de fabricação de formas complexas, incluindo geometrias inviáveis ou
dificilmente obtidas pelos processos convencionais [3]. Há, no entanto, alguns fatores que impõem
uma série de restrições quanto a estas aplicações [3], alguns deles são: a baixa variedade de
materiais disponíveis, o que restringe as propriedades obtidas; a redução das propriedades
mecânicas dos modelos, em comparação com modelos de mesmos materiais fabricados, por
exemplo, por injeção, devendo-se este fato à presença de vazios na estrutura das peças fabricadas
por RP e; a baixa qualidade superficial, resultante da natureza construtiva das tecnologias
disponíveis [2, 4, 5]. Este trabalho procurou avaliar o efeito da infiltração de resinas poliméricas em
peças fabricadas pelo processo Fused Deposition Modelling (FDM) a fim de preencher os vazios de
sua estrutura permitindo a obtenção de melhores acabamentos superficiais e a aplicação mais
eficiente deste processo para a produção de ferramental rápido.
Processo FDM
O processo FDM se baseia no princípio da adição de filamentos fundidos, normalmente
poliméricos, para fabricação dos modelos. Esta forma de fabricação torna os fatores anteriormente
descritos especialmente relevantes, pois o processo restringe a gama de materiais aplicáveis àqueles
que podem ser fundidos pelo equipamento, sendo comercialmente aplicados o ABS, PC, PPSU,
entre outros [3]. O seu funcionamento é ilustrado na Figura 1.
Figura 1 – Esquema de Funcionamento do Processo FDM, Adaptado de [6]
Caracterização da Estrutura de Peças Fabricadas pelo Processo FDM
A estrutura das peças fabricadas pelo processo FDM é formada por camadas de filamentos elípticos,
podendo apresentar orientações distintas entre camadas e variar em largura, altura e distância entre
si, formando estruturas laminadas multidirecionais, semelhantes aos reforços de fibras longas
utilizados na fabricação de compósitos estruturais. Rodriguez et al. [6] avaliou a relação de alguns
parâmetros de processo sobre a estrutura formada pelos filamentos depositados e demonstrou que é
possível controlá-la em função da altura das camadas (h), largura dos filamentos (w), distância entre
filamentos adjacentes, comumente chamada de gap (g) e o ângulo da trajetória de deposição dos
filamentos (Ar). Seus resultados indicam forte relação da densidade de vazios na estrutura com a
distância entre os filamentos, variando de aproximadamente 3% com gap -0,051 mm até um
máximo de 16% com gap 0,152 mm. A largura dos filamentos mostrou ter pouca relevância na
porosidade dos corpos avaliados. Os parâmetros de maior relevância para este estudo definidos no
planejamento do processo FDM são ilustrados na Figura 2.
Anais do 10o Congresso Brasileiro de Polímeros – Foz do Iguaçu, PR – Outubro/2009
Figura 2 – Principais Parâmetros Influenciando a Estrutura dos Corpos FDM
O depósito de filamentos forma peças com propriedades anisotrópicas e vazios em suas estruturas
[6, 7], comprometendo suas propriedades mecânicas [8, 9, 10, 11]. A Figura 3 mostra a seção
transversal de uma peça fabricada por FDM com filamentos alinhados, onde é possível observar a
forma elíptica destes e os vazios formados.
Vazios
Figura 3 – Estrutura de uma Peça Fabricada pelo Processo FDM [6].
Outro fator acentuado pela natureza construtiva da tecnologia FDM é a qualidade superficial das
peças. Isto é causado pela rugosidade elevada devido aos sulcos formados entre os filamentos [12] e
à presença do efeito escada em faces inclinadas das peças, natural de todos os processos de RP
devido à fabricação ser feita por camadas. A Figura 4 ilustra a rugosidade (detalhe A) e o efeito
escada (detalhe B) nas peças produzidas por FDM.
Figura 4 - Rugosidade dos Corpos FDM (a) e Efeito Escada (b).
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Propriedades Mecânicas das Peças Fabricadas por FDM
Posteriormente, Rodriguez et al. [8] avaliou o impacto destes parâmetros sobre o comportamento
mecânico de corpos de prova de ABS fabricados por FDM. Seus resultados mostraram que a
resistência é menor quanto maior for a porosidade da estrutura, sendo possível obter através da
correta definição dos parâmetros de fabricação e planejamento do processo, corpos com tensão de
escoamento de 24,4 MPa e módulo de elasticidade 1.972 MPa. Neste caso foram utilizados os
parâmetros: h = 0,254 mm; w = 0,508; g = -0,025; Ar = 0° (i.e., alinhado com a direção de
aplicação da força).
As peças produzidas por FDM apresentam, devido à forma elíptica de seus filamentos, rugosidade
elevada. Ippolito et al. [4] avaliou a rugosidade nas paredes laterais, paralelas à direção de
empilhamento das camadas, dos modelos fabricados com altura de camada de 0,254 mm, obtendo
Ra de 11 µm perpendicularmente aos sulcos. Pandey et al. [12] variou a inclinação da parede,
gerando o efeito escada como é visto no detalhe b da Figura 4. Suas medições demonstraram forte
aumento da rugosidade em função da inclinação, variando de Ra 18 µm em paredes defasadas 10°
em relação à vertical até 25,5 µm em paredes a 45°. Posteriormente, Foggiatto [13] avaliou a
rugosidade na face superior, ou horizontal, dos modelos. Suas medições, feitas perpendicularmente
aos sulcos, demonstraram que a rugosidade destas faces é significativamente menor às paredes
laterais chegando à Ra 6,309 µm com parâmetros h = 0,178 mm, w = 0,305 mm e g = -0,025 mm.
Utilização do Processo FDM na Fabricação de Ferramental Rápido
Todos estes fatores são especialmente relevantes quando o processo FDM é empregado na
fabricação de ferramental para o processamento de termoplásticos. Foggiatto [13] avaliou a
aplicação do ferramental produzido por FDM para a injeção de diversos materiais poliméricos,
verificando a necessidade de atentar para fatores como a compatibilidade química entre o material
do molde e o polímero injetado e a rugosidade superficial das cavidades. Silva et al. [14] avaliou a
aplicação de moldes com gaveta fabricados por FDM para a moldagem por injeção de PP,
demonstrando a importância da correta definição dos parâmetros e orientação segundo a qual é
fabricado o molde. Os fatores levantados nos trabalhos de Foggiatto [13] e Silva et al. [14] como
sendo os principais responsáveis pela redução da vida útil dos moldes, levaram à investigação de
formas de aprimorar a qualidade superficial de peças fabricadas por FDM.
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Experimental
Estudos anteriores avaliaram a redução da rugosidade em peças fabricadas por FDM através de
lixamento. Seus resultados demonstraram que, apesar da facilidade de lixamento dos corpos, o
controle deste processo é difícil, pois, para eliminar os sulcos da superfície, é preciso remover meia
altura de camada nas faces normais a direção de empilhamento ou meia largura de filamento nas
demais faces do modelo. Considerando a estreita região de ligação existente entre filamentos
adjacentes dentro da mesma camada, como pode ser observado na Figura 3, o processo pode se
tornar bastante trabalhoso e as vezes ineficiente.
Este trabalho foi desenvolvido em duas etapas. Na primeira foram feitas as infiltrações de três
resinas poliméricas e ainda do solvente metil etil cetona (MEK), em corpos de prova (CDP)
fabricados em ABS pelo processo FDM, a fim de avaliar o preenchimento de sua estrutura. Com
base nestes resultados, partiu-se para a segunda etapa, na qual foram infiltrados CDP com diversos
parâmetros construtivos, seguidos de lixamento e medição da rugosidade. Estas etapas serão
descritas a seguir.
Avaliação das Resinas para Infiltração
Na primeira etapa foram feitas as infiltrações das resinas epóxi PR-031 (Ariston Polímeros), resina
de poliuretano RenCast 6470 (Huntsman), cianoacrilato (Super-Krafft) e ainda a infiltração do
solvente metil etil cetona (MEK) (Labsynth). As resinas epóxi e cianoacrilato foram avaliadas pelo
seu emprego em outros trabalhos relacionados à tecnologia FDM [14, 15]. O MEK foi testado por
ser comumente empregado para fazer a união de peças FDM [16]. A resina de poliuretano foi
utilizada devido sua disponibilidade.
A fim de avaliar o preenchimento dos vazios da estrutura, foram fabricados corpos de prova cúbicos
de ABS com 10 mm de lado, fabricados em um equipamento FDM 2000 (Stratasys Inc.) segundo os
parâmetros relacionados na Tabela 1.
Tabela 1 – Parâmetros de Fabricação dos Corpos de Prova para Infiltração.
Corpo
I1
I2
I3
I4
I5
I6
I7
I8
Altura de
Camada (h)
[mm]
Largura do
Filamento (w)
[mm]
0,305
0,254
0,508
Gap (g)
[mm]
Ar
[°]
0,025
0,051
0,127
0,508
0,025
0,051
0,127
0,508
0 / 90
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Onde, Ar é o ângulo formado entre o filamento e o eixo x (Figura 2), sendo o segundo valor a
variação deste ângulo entre uma camada e sua sucessora, ou seja, neste caso as camadas foram
preenchidas por filamentos orientados a 0° e 90° sucessivamente.
Em seguida foi feita a infiltração dos materiais, sendo que as resinas epóxi, poliuretano e
cianoacrilato foram infiltradas por vazamento do material em recipientes contendo os CDP,
permitindo a sua imersão durante toda a cura da resina. A infiltração do MEK foi feita pela imersão
dos CDP no solvente por 15 segundos, conforme recomendado pela Stratasys Inc. [16].
A avaliação dos resultados foi feita através da observação das imagens obtidas em um microscópio
(Olympus BX51M) com ampliação de 50x da seção transversal dos corpos, preparados utilizandose lixas de granulometria 400, 800 e 1200.
Avaliação da Rugosidade nos Corpos de Prova
Com base nos resultados da primeira etapa, foram fabricados corpos de prova para avaliação da
rugosidade obtida com a infiltração e posterior lixamento dos corpos. Os CDP foram fabricados
conforme os parâmetros construtivos relacionados na Tabela 2, variando em altura da camada,
largura do filamento, gap e inclinação da peça. Este último foi variado entre 0° (sem efeito escada)
e 5° (com efeito escada) em relação ao eixo y da figura 5.
Figura 5 – Corpo-de-Prova para Avaliação da Qualidade Superficial.
Tabela 2 – Parâmetros de Fabricação dos Corpos-de-Prova de Rugosidade
Corpo
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
R8
Altura de
Camada (h)
[mm]
Largura do
Filamento (w)
[mm]
0,305
0,254
0,505
0,305
0,254
0,505
Gap (g)
[mm]
0,051
0,127
0,051
0,127
0,051
0,127
0,051
0,127
A [°]
Ar [°]
0
0 / 90
5
0 / 90
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Após a fabricação dos CDP, estes foram infiltrados com as resinas epóxi e poliuretano, excluindo o
cianoacrilato e o MEK desta etapa em decorrência dos resultados obtidos na primeira. A cura da
resina epóxi foi feita à temperatura ambiente, enquanto que os corpos de prova impregnados com a
resina poliuretano foram submetidos à temperatura de 75 °C por 16 horas para cura completa.
O lixamento foi aplicado na face superior dos CDP com o intuito de reduzir a sua rugosidade,
proveniente, principalmente, dos sulcos formados pelo formato elíptico dos filamentos, nos corpos
horizontais, e do efeito escada, gerado nos corpos com inclinação de 5°. O lixamento foi feito com
lixas de granulometria 600, 800 e 1200 sequencialmente, variando sua orientação em 90° a cada
passagem para evitar a orientação das ranhuras em uma só direção. Com o preenchimento da
estrutura dos CDP pelas resinas, o controle do processo foi feito visualmente, atentando apenas para
as características da superfície lixada, sem haver a preocupação de atingir a região de ligação lateral
entre os filamentos.
Foram feitas cinco medições de rugosidade para cada corpo de prova na direção e sentido
mostrados na Figura 5, utilizando um rugosímetro (Instrutherm RP200) aplicando cinco cutoff de
0,08 mm, para rugosidades abaixo de 2 µm, ou 2,5 mm, para rugosidades acima de 2 µm.
Resultados e Discussão
Avaliação das Resinas para Infiltração
A infiltração dos CDP com o cianoacrilato não se mostrou adequada na forma como foi feita neste
estudo. A resina causou completa deformação dos corpos, indicando a necessidade se avaliar outras
formas de impregnação deste material. Os resultados obtidos com o MEK foram semelhantes aos
com o cianoacrilato. Os corpos apresentaram grande deformação, provavelmente devido à
exposição demasiada dos filamentos à ação do solvente.
As resinas epóxi e poliuretano, no entanto, permitiram a infiltração adequada dos corpos sem causar
deformação, mostrando-se mais adequadas ao preenchimento dos vazios na estrutura. Os corpos de
prova impregnados com resina poliuretano apresentaram infiltração menos eficiente se comparados
com a resina epóxi. Alguns corpos apresentaram regiões não preenchidas pela resina, decorrentes
do aprisionamento de ar na estrutura e à formação de bolhas durante a cura da resina. Não foi
verificado nenhum padrão para a presença ou não de regiões não preenchidas. Devido à falta de
contraste entre a coloração da resina com os filamentos de ABS, não foi possível a obtenção de
imagens claras da seção dos corpos infiltrados com este material. Os corpos de prova impregnados
com resina epóxi apresentaram os melhores resultados, pois permitiram a infiltração eficiente de
todos os corpos, exceto o I4 e I7, de maior porosidade, que apresentaram regiões não preenchidas
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em decorrência do aprisionamento de ar em seu interior. A Figura 6 mostra as seções transversais
dos CDP infiltrados com resina epóxi.
(a) - Corpo I2 (w = 0,305mm; gap = 0,051mm)
(c) - Corpo I6 (w = 0,505mm; gap = 0,051mm)
(b) - Corpo I3 (w = 0,305mm; gap = 0,127mm)
(d) Corpo I7 (w = 0,505mm; gap = 0,127mm)
Figura 6 – Seções dos Corpos Infiltrados com Resina Epóxi.
Avaliação da Rugosidade nos Corpos de Prova
Os resultados da rugosidade obtidos através da infiltração de resina poliuretano e posterior
lixamento dos corpos de prova mostraram a relação dos parâmetros construtivos sobre a presença de
bolhas no interior dos corpos. A grande variabilidade das medidas de rugosidade, relacionada na
Tabela 3, indica a presença de bolhas na estrutura dos corpos, comprometendo a sua qualidade
superficial. Estes resultados se devem ao fato dos vazios maiores permitir a formação de bolhas
também maiores. A observação da Figura 7 mostra que os corpos infiltrados com resina de
poliuretano fabricados com gap 0,051 mm sempre apresentaram rugosidade menor do que os
fabricados com gap 0,127 mm, sendo esta diferença acentuada nos corpos de prova inclinados a 5°.
A avaliação da rugosidade dos corpos de prova infiltrados com resina epóxi comprovou a eficiência
deste material no preenchimento dos vazios da estrutura dos corpos. Os resultado relacionados na
Tabela 4 mostram a alta qualidade superficial obtida e a baixa variabilidade das medições,
indicando a ausência de bolhas na sua estrutura. Os resultados não variaram consideravelmente
quanto aos parâmetros utilizados na fabricação dos corpos nem quanto à presença de efeito escada
nos corpos inclinados a 5°. A Figura 7 trás uma comparação dos resultados obtidos com as resinas.
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Tabela 3 – Resultados da Rugosidade dos Corpos de Prova Para a Resina Poliuretano.
Resina Poliuretano
CDP
Altura de
Camada
(h) [mm]
Largura do
Filamento
(w) [mm]
R1
Ra
Gap
(g)
[mm]
A
[°]
0,051
0
0,127
0
Ar [°]
Média
[µm]
Desvio
Padrão
0,513
0,438
0,950
0,737
Rz
Varia
bilidade
0,305
R2
0,254
0 / 90
R3
0,051
0
0,667
0,710
R4
0,127
0
3,245
0,928
R5
0,051
5
1,398
1,340
0,127
5
5,638
2,372
0,505
0,254
0 / 90
R7
0,051
5
0,490
0,693
0,127
5
2,565
1,637
0,505
R8
Desvio
Padrão
Muito
Alta
Muito
Alta
Muito
Alta
4,663
4,700
7,562
5,703
6,702
6,988
Alta
29,58
6,564
11,35
7,590
49,48
15,047
3,557
4,866
27,42
15,655
Muito
Alta
Muito
Alta
Muito
Alta
Muito
Alta
0,305
R6
Média
[µm]
Variabi
lidade
Muito
Alta
Muito
Alta
Muito
Alta
Alta
Muito
Alta
Muito
Alta
Muito
Alta
Muito
Alta
Tabela 4 – Resultados da Rugosidade dos Corpos de Prova Para a Resina Epoxi.
Resina Epoxi
CDP
Altura de
Camada
(h) [mm]
Largura do
Filamento
(w) [mm]
R1
0,305
R2
0,254
R3
0,505
R4
R5
0,305
R6
0,254
R7
0,505
A
[°]
0,051
0
0,127
0
Ra [µm]
Ar [°]
Rz [µm]
Média
Desvio
Padrão
Varia
bilidade
Média
Desvio
Padrão
Variabi
lidade
0,159
0,012
Baixa
1,284
0,080
Baixa
0,203
0,020
Baixa
1,587
0,144
0,277
0,063
Alta
1,934
0,642
0,051
0
0,127
0
0,178
0,018
Baixa
1,493
0,211
Baixa
Muito
Alta
Média
0,051
5
0,223
0,021
Baixa
1,670
0,175
Média
0,127
5
0,283
0,066
Alta
2,107
0,615
Alta
0,051
5
0,200
0,014
Baixa
1,725
0,262
Média
0,127
5
0,218
0,027
Média
1,763
0,250
Média
0 / 90
0 / 90
6,000
6,000
5,000
5,000
4,000
4,000
Ra [µm]
Ra [µm]
R8
Gap
(g)
[mm]
3,000
2,000
1,000
3,000
2,000
1,000
0,000
0,000
1
2
3
4
1
Corpos de Prova
Resina Poliuretano
Resina Epóxi
2
3
Corpos de Prova
Resina Poliuretano
Figura 7 – Gráfico Comparativo dos Resultados de Rugosidade.
Anais do 10o Congresso Brasileiro de Polímeros – Foz do Iguaçu, PR – Outubro/2009
Resina Epóxi
4
Conclusões
Foi confirmada, através dos resultados obtidos, a eficiência da infiltração de resinas epóxi e
poliuretano no preenchimento dos vazios presentes na estrutura de peças fabricadas pelo processo
FDM, permitindo a obtenção de melhores acabamentos superficiais através do lixamento dos
corpos. A facilidade de aplicação desta técnica demonstra o potencial de melhoria do ferramental
rápido produzido por FDM, havendo, no entanto, a necessidade de observar uma série de fatores
que irão definir a eficiência do processo, como a definição correta dos parâmetros de fabricação,
gerando uma estrutura suficientemente porosa, e a escolha correta da forma e material de
infiltração.
Os resultados obtidos com a infiltração de resina de poliuretano demonstraram a necessidade da
utilização de uma estufa a vácuo para a cura da resina e remoção das bolhas formadas durante o
processo, permitindo a obtenção de melhor qualidade superficial com este material. A utilização da
resina epóxi se mostrou mais eficiente, tanto pela baixa rugosidade conseguida, quanto pela sua
independência dos parâmetros construtivos empregados, o que permite a utilização de parâmetros
menos refinados na construção das peças, reduzindo o tempo e custo de fabricação sem impactar
significativamente na qualidade superficial, mesmo em peças que apresentam efeito escada.
Pretende-se, na continuidade deste trabalho, produzir ferramentas protótipo, para injeção de
termoplásticos, aplicando as técnicas descritas e avaliar os resultados obtidos sobre a vida útil das
ferramentas e qualidade das peças produzidas.
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