Experimental Investigation of Strength–Ductility Trade-Offs and Failure Mechanisms in SLS-Fabricated Nylon 12 and Glass-Fibre-Reinforced Nylon

Resumo Técnico: Investigação Experimental de Compensações entre Resistência e Ductilidade e Mecanismos de Falha em Nylon 12 e Nylon Reforçado com Fibra de Vidro Fabricados via SLS

Definição do Problema
A rápida adoção da Sinterização Seletiva a Laser (SLS) na manufatura aditiva (AM) criou uma demanda por polímeros compostos de alto desempenho e leves, particularmente para aplicações automotivas e aeroespaciais. Embora o Nylon 12 seja um material padrão para SLS devido ao seu equilíbrio entre resistência e processabilidade, há uma necessidade crítica de compreender como o reforço com fibras de vidro afeta seu comportamento mecânico sob condições de processamento idênticas. A literatura existente carece frequentemente de comparações sistemáticas e paralelas entre o Nylon 12 puro e o Nylon reforçado com fibra de vidro fabricados via SLS. Além disso, inconsistências nas propriedades mecânicas relatadas surgem de variações nos parâmetros de processamento e nas metodologias de teste. Existe uma lacuna significativa na compreensão das compensações específicas entre resistência, ductilidade e dureza em compostos fabricados por SLS, bem como nos mecanismos de falha — como o descolamento interfacial e a porosidade — que podem anular os benefícios teóricos do reforço por fibras.

Metodologia
Este estudo empregou uma abordagem experimental sistemática para comparar o Nylon 12 puro e um composto de Nylon 12/fibra de vidro na proporção de 70:30 (em peso). Ambos os materiais foram fabricados utilizando Sinterização Seletiva a Laser sob parâmetros de processo idênticos e otimizados para garantir uma comparação válida. Os principais parâmetros de SLS incluíram potência do laser de 20–30 W, velocidades de varredura de 2500–3500 mm/s, espessuras de camada de 0,10–0,12 mm e uma orientação de construção horizontal consistente.

Espécimes padronizados foram preparados de acordo com as diretrizes ASTM (D638 para tração, D790 para flexão, D256 para impacto e D785 para dureza) para minimizar a variabilidade experimental. A caracterização mecânica incluiu:

• Testes de Tração e Flexão: Para determinar a resistência última, o limite de escoamento e a rigidez.
• Resistência ao Impacto: Avaliada pelo método Izod para avaliar a absorção de energia.
• Teste de Dureza: Realizado utilizando as escalas Rockwell (HRL) e Shore D.
• Análise Microestrutural: A Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) foi utilizada para examinar superfícies de fratura, distribuição de fibras e adesão interfacial.
• Análise de Incerteza: Uma análise abrangente de propagação de erro foi realizada, estimando incertezas dentro de ±2–3% para medições de resistência e ±1–2% para impacto e dureza.

Resultos Principais
Os dados experimentais revelaram uma distinção clara entre a compensação entre ductilidade e dureza superficial, com reduções inesperadas na resistência volumétrica do composto:

• Resistência à Tração e Escoamento: Contrariamente à expectativa geral de que o reforço aumenta a resistência, o composto de fibra de vidro exibiu um desempenho significativamente inferior ao Nylon puro. O Nylon puro alcançou uma resistência à tração média de 36,58 MPa e limite de escoamento de 35,02 MPa, enquanto o composto caiu para 23,84 MPa (tração) e 22,47 MPa (escoamento). Isso representa uma redução de aproximadamente 34,8% na resistência à tração e 35,8% no limite de escoamento.
• Ductilidade (Alongamento): O Nylon puro demonstrou ductilidade superior com um alongamento na ruptura de 30,74%. O composto mostrou uma redução acentuada para 16,30%, indicando uma transição para um comportamento semibruto.
• Resistência à Flexão: Semelhante aos resultados de tração, o composto apresentou menor resistência à flexão (31,03 MPa) em comparação ao Nylon puro (34,76 MPa).
• Dureza e Impacto: O composto superou o Nylon puro em resistência superficial e absorção de energia. A dureza Shore D aumentou de 65,3 (Nylon) para 69,5 (Composto). A resistência ao impacto também melhorou, subindo de 0,63 J para o Nylon para 0,85 J para o composto, embora ambos tenham permanecido inferiores à fibra de vidro isolada (1,42 J).
• Achados Microestruturais: A análise por MEV identificou as causas raízes da redução de resistência. O composto exibiu distribuição não uniforme de fibras, aglomeração de fibras e descolamento interfacial significativo (extração de fibra/pull-out). Adicionalmente, a presença de fibras interrompeu o processo de sinterização, levando ao aumento da porosidade e microvazios que atuaram como concentradores de tensão.

Significância e Contribuições
A principal contribuição deste estudo é a comparação direta e de múltiplas propriedades entre o Nylon 12 puro e seu correspondente reforçado com fibra de vidro, ambos fabricados por SLS sob condições controladas. O artigo desafia a suposição de que o reforço por fibras aumenta invariavelmente a resistência mecânica nos processos de SLS. Em vez disso, demonstra que, sem a otimização da adesão interfacial e da dispersão das fibras, o reforço pode levar a uma degradação das propriedades de tração e flexão.

O estudo fornece uma estrutura para distinguir entre vantagens de reforço "notoriais" e o desempenho "real" alcançado através do processamento por SLS. Ele destaca que, embora o reforço com fibra de vidro melhore a dureza superficial e a resistência ao impacto, ele compromete a ductilidade e a resistência volumétrica do material devido a defeitos induzidos pelo processamento. Esses achados oferecem insights valiosos para a seleção de materiais, sugerindo que o Nylon puro é preferível para aplicações que exigem alta deformação e tenacidade, enquanto o composto é mais adequado para aplicações que priorizam durabilidade de superfície e rigidez moderada. Os autores concluem que as melhorias futuras no desempenho de compostos por SLS dependem fortemente do aprimoramento da interação fibra-matriz e do controle dos parâmetros de processamento para mitigar a porosidade e garantir a distribuição uniforme das fibras.