Desin orientado para a manufatura aditiva de articulações de figuras de ação

Abstract

Este estudo investiga a intersecção entre a impressão tridimensional (3D) por extrusão de materiais e o design de articulações de action figures, considerando as propriedades do polímero PETG. Analisa-se a influência da anisotropia – variação das propriedades físicas do material em diferentes direções – que é gerada pela orientação das camadas de impressão. Essas características afetam a resistência e a funcionalidade das peças. Nesse sentido, a pesquisa aborda como o design e a orientação da impressão 3D influenciam no desempenho mecânico das articulações. A prototipagem é tratada como parte essencial do processo, indo além da simples visualização de formas. O protótipo torna-se um objeto funcional, projetado para sustentar movimentos, suportar esforços e valorizar a experiência do ato de brincar, além do caráter expositivo associado às figuras colecionáveis. O objetivo é desenvolver articulações para personagens produzidas por impressão 3D por extrusão, visando adequar a resistência mecânica e a funcionalidade dos produtos, considerando as propriedades do material, a orientação das peças e os parâmetros de processo. A metodologia adotada é a Design Science Research, para guiar o projeto desde a concepção e modelagem até a prototipagem e ensaios mecânicos. A análise prioriza a resistência mecânica nas articulações de personagem na escala 1:8, com aproximadamente 24 cm de altura, com até cinco pontos articulares – pescoço, ombro, cotovelo, quadril e joelho. Foram produzidos modelos digitais e físicos, testados em diferentes configurações para verificar proporções, tipos de encaixes e características do material. Os resultados inicialmente mostraram limitações, especialmente relacionadas ao posicionamento das peças na mesa de impressão, o que exigiu ajustes de design e de parâmetros técnicos. Na fase final da pesquisa foi possível chegar a um protótipo funcional e realizar ensaios de tração nas articulações. Os resultados indicam que a orientação a 0° apresenta resistência superior às de 45° e 90°, evidenciando a anisotropia do material no processo MEX e a relação entre acabamento superficial e resistência, influenciada pela altura de camada e pelo uso de suportes. O estudo contribui para o desenvolvimento de articulações mais robustas, como as de 15 mm de diâmetro ensaiadas em tração, indicando que paredes mais espessas reduzem a necessidade de altos preenchimentos. Embora aplicado a personagens impressos, o conjunto de conclusões estende-se a qualquer produto com sistemas articulados, fornecendo diretrizes a projetistas e à comunidade maker, considerando a variabilidade do processo, como o próprio design, temperatura e umidade.

This study investigates the intersection between material extrusion 3D printing and the design of action figure joints, considering the properties of PETG polymer. It analyzes the influence of anisotropy, the variation of a material's physical properties in different directions, caused by the orientation of printing layers. These characteristics affect the strength and functionality of the parts. In this context, the research addresses how 3D printing design and orientation influence the mechanical performance of joints. Prototyping is treated as an essential part of the process, going beyond simple shape visualization. The prototype becomes a functional object, designed to support movement, withstand mechanical stress, and enhance the play experience, in addition to the display value associated with collectible figures. The objective is to develop joints for 3D-printed characters, aiming to optimize mechanical strength and functionality while considering material properties, part orientation, and processing parameters. The adopted methodology is Design Science Research, guiding the project from conception and modeling to prototyping and mechanical testing. The analysis prioritizes the mechanical strength of character joints at a 1:8 scale, approximately 24 cm in height, with up to five articulation points - neck, shoulder, elbow, hip, and knee. Digital and physical models were produced and tested in different configurations to verify proportions, joint types, and material characteristics. The results initially revealed limitations, particularly related to part positioning on the build plate, which required adjustments to the design and technical parameters. In the final phase of the research, a functional prototype was achieved and tensile tests were performed on the joints. The results indicate that the 0° orientation exhibits higher strength than the 45° and 90° orientations, evidencing material anisotropy in the MEX process and the relationship between surface finish and strength, influenced by layer height and the use of supports. The study contributes to the development of more robust joints, such as the 15 mm diameter joints tested in tension, indicating that thicker walls reduce the need for high infill densities. Although applied to printed characters, these conclusions extend to any product with articulated systems, providing useful guidelines for designers and the maker community, while accounting for process variability such as design, temperature, and humidity.