Experimental analysis and predictive modeling of the tensile and flexural strength of FDM-printed PLA for clinical devices

Imagine um mundo onde as ferramentas que os médicos usam para curar não são produzidas em massa em fábricas, mas sim confeccionadas uma a uma, moldadas perfeitamente ao formato único do corpo de um paciente. Esta é a promessa da manufatura aditiva, frequentemente chamada de impressão 3D. Ao contrário dos métodos tradicionais que esculpem o material a partir de um bloco sólido, esta tecnologia constrói objetos camada por camada, como empilhar fatias finas de massa até que um pão tome forma. Um dos materiais mais populares para este processo é um plástico derivado do amido de milho ou da cana-de-açúcar, conhecido como ácido polilático, ou PLA. Ele é favorecido por ser seguro para o corpo humano, decompor-se naturalmente com o tempo e ser relativamente fácil de imprimir. No entanto, para que estes objetos impressos sejam usados como dispositivos médicos, tais como guias cirúrgicos ou implantes personalizados, eles devem ser fortes o suficiente para suportar as forças do corpo humano sem quebrar ou dobrar. O desafio reside no fato de que a maneira como uma impressora 3D deposita este plástico cria pequenas fraquezas dentro do material, fazendo com que ele se comporte de forma diferente dependendo da direção em que você o puxa ou empurra.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Tunis El Manar e da Universidade de Monastir partiu para resolver este enigma tratando o processo de impressão 3D como uma receita precisa. Eles queriam entender exatamente como três configurações específicas — quão espessa é cada camada de plástico, quão rápido a impressora se move e quanto plástico extra é empurrado através do bocal — alteram a resistência do objeto final. Embora os cientistas saibam há muito tempo que a espessura da camada e a velocidade importam, a quantidade de plástico expelido, conhecida como razão de extrusão, era um mistério. Os pesquisadores suspeitavam que empurrar um pouco mais de plástico do que a configuração padrão da impressora poderia preencher as pequenas lacunas entre as camadas, criando uma peça mais densa e forte. Para testar isso, eles não confiaram em suposições. Em vez disso, imprimiram centenas de pequenas peças de teste, cada uma com uma combinação diferente destas três configurações, e depois as submeteram a testes físicos rigorosos. Eles puxaram as peças para medir sua resistência à tração, que é a força necessária para quebrá-las, e as dobraram para medir sua resistência à flexão, que é o quão bem elas resistem ao estalo sob pressão.

Os resultados revelaram uma verdade clara e surpreendente sobre como estas peças impressas se mantêm unidas. Os pesquisadores descobriram que a quantidade de plástico empurrada através do bocal era o fator individual mais importante para determinar a resistência. Quando aumentaram a razão de extrusão para 110 por cento, significando que empurraram dez por cento a mais de material do que a configuração padrão, as lacunas internas e os pequenos buracos dentro do plástico quase desapareceram completamente. Este ajuste simples transformou o material, tornando-o significamente mais robusto. Eles descobriram que as peças impressas eram naturalmente anisotrópicas, o que significa que eram mais fortes em algumas direções do que em outras. Quando testadas pela flexão, as peças podiam suportar entre 34 e 51 megapascais de força, mas quando puxadas diretamente, resistiam a apenas 12 a 24 megapascais. Esta diferença ocorre porque as camadas são fundidas umas às outras no exterior, mas podem separar-se mais facilmente quando puxadas diretamente.

Para encontrar o equilíbrio perfeito para criar os dispositivos médicos mais fortes possíveis, a equipe utilizou uma abordagem matemática para analisar todos os seus dados e prever as configurações ideais. Eles determinaram que a melhor combinação para maximizar tanto a resistência quanto a rigidez era usar uma espessura de camada de 0,20 milímetros, uma velocidade de impressão de 40 milímetros por segundo e aquela crucial razão de extrusão de 110 por cento. Quando testaram estas configurações específicas em novas amostras, os resultados do mundo real coincidiram com as suas previsões com uma precisão notável, com erros tão pequenos quanto 1,89 por cento e não superiores a 6,32 por cento. Este nível de precisão confirma que, ao controlar cuidadosamente a quantidade de material depositado, os engenheiros podem eliminar os pontos fracos que costumam assolar as peças impressas em 3D. O estudo conclui que este método otimizado fornece um roteiro confiável para a criação de componentes de PLA de alto desempenho, oferecendo um caminho à frente para a fabricação de ferramentas médicas personalizadas, implantes e outros dispositivos que devem ser simultaneamente leves e incrivelmente duráveis.