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Que pó de impressão 3D de metal você pode usar em 2020? [Guia]


Para qualquer empresa que deseja mergulhar na impressão 3D de metal, é crucial saber quais metais podem ser usados ​​com essa tecnologia hoje. Do projeto à fabricação, a escolha dos materiais certos garante o mais alto padrão possível para o produto acabado.

Para ajudá-lo a se familiarizar com o atual ecossistema de metais para AM, exploramos ligas disponíveis comercialmente para Powder Bed Fusion, os principais requisitos de materiais para uma impressão bem-sucedida e como o uso de metais irá evoluir no futuro . Mas vamos primeiro explorar o que é Powder Bed Fusion.

Uma breve visão geral das tecnologias de fusão de cama de pó de metal





Metal Powder Bed Fusion (PBF) é a tecnologia de manufatura aditiva de metal (AM) mais estabelecida hoje.

Com PBF, camadas de metal em pó são uniformemente distribuídas na plataforma de construção de uma máquina e seletivamente fundidas por uma fonte de energia - um laser ou um feixe de elétrons.

Dois processos-chave de impressão 3D de metal se enquadram na categoria de fusão de cama de pó:



No SLM, um poderoso laser ajustado é aplicado seletivamente a uma camada de pó metálico. Desta forma, as partículas de metal são fundidas para criar uma peça.

Um requisito importante para SLM é uma câmara de construção fechada cheia de gás inerte, como argônio. Isso evita a contaminação do pó metálico com oxigênio e ajuda a manter a temperatura correta durante o processo de impressão.

EBM opera de forma semelhante ao SLM em que os pós de metal também são derretidos para criar uma peça de metal totalmente densa. Para evitar a contaminação e oxidação do pó, o processo EBM ocorre em um ambiente de vácuo.

A principal diferença entre as tecnologias SLM / DMLS e EBM é a fonte de energia:em vez de um laser, os sistemas EBM usam um feixe de elétrons de alta potência como fonte de calor para derreter camadas de pó metálico.

Uma vez que um feixe de elétrons é normalmente mais poderoso do que um laser, EBM é frequentemente usado com superligas de metal de alta temperatura para criar peças para aplicações altamente exigentes, como motores a jato e turbinas a gás. Além disso, como a tecnologia depende de cargas elétricas, o EBM só pode ser usado com metais condutores, como titânio e ligas de cromo-cobalto.

Requisitos de pó para impressão 3D de metal


Para garantir uma produção de metal AM precisa e repetível, os pós de metal devem apresentar características consistentes. Devido aos diferentes métodos de produção de pó, as características do pó diferem por processo e liga. Algumas das características mais importantes incluem:











Que metais podem ser impressos em 3D no Powder Bed Fusion?



Aço



Ligas disponíveis para AM :316L, H13 Tool Steel, Maraging Steel, Case Hardening Steel, Aço Inoxidável 15-5 PH, Aço Inoxidável 17-4 PH, Aço Inoxidável Série 300, Aço Inoxidável Série 400, Aços de Baixa Liga



O aço é o material metálico mais utilizado e mais reciclado na Terra. Dos aços inoxidáveis ​​e de alta temperatura, o aço em suas várias formas e ligas oferece diferentes propriedades para atender a uma ampla gama de aplicações.

No metal PBF, existem apenas cerca de dez ligas de aço primárias amplamente impressas hoje. Embora um conjunto de aços impressos seja bem pequeno hoje, em comparação com as tecnologias tradicionais de usinagem de metal, empresas como Carpenter, Sandvik, Hoganas, GKN e Oerlikon estão desenvolvendo ativamente novos aços para a AM entrar em novos mercados.

Por exemplo, a GKN Additive Materials foi recentemente pioneira em novos pós de aço de baixa liga para AM. Devido à sua tenacidade e resistência à corrosão, os pós de aço de baixa liga criam novas oportunidades para AM em setores como a indústria automotiva, onde a escalabilidade e o custo são os principais impulsionadores.

Hoje, o uso de aço para fins a produção de peças AM está crescendo, principalmente nos novos mercados de impressão 3D, como marítimo e automotivo. Isso torna o aço uma das chaves para promover a adoção da tecnologia de metal AM além das indústrias médicas e aeroespaciais tradicionais. Esses avanços indicam que é muito provável que os aços se tornem os materiais metálicos AM mais usados ​​nos próximos anos.

Alumínio



Ligas disponíveis para AM :Al-Si10Mg, AlSi12, AlSi7Mg, AlSi9Cu3, Al4047, Al-Si-Mg (F357), Scalmalloy (Al-Mg-Sc), Al-Cu-Ti-B2 (A205 / A20X)

O alumínio é um metal forte e leve que combina excelentes propriedades mecânicas e térmicas. Por essas razões, as ligas de alumínio são amplamente utilizadas nas indústrias aeroespacial, automotiva e biomédica.




A empresa de pesquisa AM, SmarTech, estima que a impressão 3D de alumínio representou cerca de 10 por cento de toda a impressão de metal em 2018. Desde então, houve um aumento significativo no desenvolvimento e comercialização de ligas de alumínio para AM, impulsionado pelo demanda nas indústrias aeroespacial e automotiva.

Por exemplo, a APWORKS, em colaboração com a Airbus, desenvolveu o Scalmalloy para aplicações aeroespaciais. O material oferece a menor taxa de compra para voar, um benefício particular para a indústria aeroespacial.

Embora o material tenha sido desenvolvido com a indústria aeroespacial em mente, suas propriedades também são atrativas para o setor de automobilismo - é por isso que Scalmalloy foi recentemente adicionado à lista de materiais AM aprovados para a Fórmula 1.

No entanto, muitas ligas de alumínio para AM permanecem muito caras e não atendem aos requisitos das indústrias-alvo. Por exemplo, a indústria automotiva exige que as peças de alumínio impressas em 3D passem nos testes de colisão para serem consideradas para seu uso em veículos produzidos em massa.

O grupo de engenharia EDAG desenvolveu uma nova liga de alumínio, conhecida como CustAlloy, como parte do projeto de pesquisa 'CustoMat_3D', focado na adaptação de AM para a produção em série automotiva.

O material recém-desenvolvido foi projetado para superar esses desafios, fornecendo maior resistência e maiores alongamentos na quebra - propriedades essenciais que permitirão que peças automotivas impressas em 3D usem a nova liga para um bom desempenho em testes de colisão.

Titânio



Notas :Ti-6Al-4V (Grau 5), Ti-6Al-4V (Grau 23), Cp-Ti (Grau 1), Cp-Ti (Grau 2), Ti-Al, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo , Ti5553, Ti6242

O titânio tem excelentes propriedades materiais, mas seu alto custo historicamente limitou seu uso a aplicações de alto valor na indústria aeroespacial.

Agora que a impressão 3D em metal está se tornando cada vez mais reconhecida como um método de fabricação viável, a tecnologia está tornando o titânio mais disponível para indústrias como a médica, automotiva e automobilística.

Há muito potencial para impressão 3D de titânio, particularmente na área de implantes ortopédicos, graças à não toxicidade do titânio, alta resistência e resistência à corrosão.

Quando usado com impressão 3D, os fabricantes de dispositivos médicos podem criar implantes de titânio com estruturas complexas e porosas. Notavelmente, essas estruturas imitam a estrutura dos ossos humanos, de modo que as células ósseas as reconhecem como uma estrutura para crescer.



A crescente demanda por pó de titânio levou alguns produtores de pó de metal a começar a construir novas fábricas de titânio e outros a aumentar sua produção de pó de titânio.

Por exemplo, a Sandvik abriu uma fábrica de pó, para suas superligas à base de titânio e níquel sob a marca Osprey®, no final de 2019. Nesse mesmo ano, a PyroGenesis, fabricante canadense de metal atomizado a plasma pó, aumentou sua taxa de produção de pó de titânio, o que também permitiu à empresa reduzir o custo de uma produção de pó de titânio historicamente muito cara.

Cobre e metais preciosos



Ligas disponíveis para AM :CuNi3Si, CuNi2SiCr, CuCrZr, CuAl10Fe5Ni5, Cu Alto oxigênio

Nem todos os metais se prestam bem à impressão 3D. Por exemplo, o cobre é particularmente difícil de imprimir, com a grande maioria do cobre impresso em 3D atualmente baseado em ligas de cobre, não no metal puro.

O cobre puro tem uma taxa de refletância a laser de mais de 90 por centavos, e é difícil para o laser derreter contínua e regularmente o pó de cobre puro.

Um caminho a seguir é desenvolver novos sistemas capazes de imprimir esses metais em 3D.

No Formnext 2018, a TRUMPF demonstrou sua tecnologia laser verde, que pode imprimir cobre puro, assim como outros metais preciosos.

A empresa acredita que a impressão 3D de cobre puro pode se tornar uma forma alternativa de criar indutores condutores e trocadores de calor, que são particularmente úteis para as aplicações eletrônicas, automotivas e espaciais.

Em termos de metais preciosos, como ouro, prata e platina, a vantagem da impressão 3D estes materiais residem na possibilidade de alcançar um design intrincado, ideal para joalharia, acessórios e objetos de decoração.

No entanto, a impressão 3D de metais preciosos é geralmente indireta e envolve a produção de um molde de cera, que é então usado em uma técnica de fundição em cera.

A impressão 3D direta com metais preciosos, utilizando PBF, também é possível, embora o número de máquinas de impressão 3D compatíveis com metais preciosos seja limitado.

Superligas



Superligas, uma família de misturas de metais à base de níquel, cobalto ou ferro, são resistentes à deformação, corrosão e oxidação em alta temperatura, principalmente quando operam a uma temperatura elevada próxima ao seu ponto de fusão.

Desenvolvidas inicialmente para componentes de turbinas a gás em motores turbojato, as superligas são agora amplamente utilizadas para aplicações de alta temperatura nas indústrias aeroespacial e de geração de energia.

Níquel



Ligas disponíveis para AM :Inconel 625, Inconel 718, Inconel 738, Inconel 939, Ni-Ti, Waspaloy, Hastelloy, ABD900AM, Haynes 282

As ligas de níquel se tornaram comercialmente disponíveis para uso em processos de metal PBF já em 2007.

A demanda atual por ligas de níquel é dominada por superligas da família Inconel - particularmente ligas IN625 e IN718 - graças às suas capacidades significativas em aplicações que requerem grande dureza, resistência à tração e, talvez o mais importante, produtos químicos e temperatura resistência.

Além dessas duas ligas, há muito mais superligas de níquel-cromo oferecidas pelas principais empresas de metais. Várias superligas de Haynes, superligas de Hastelloy e várias formas de Inconel estão agora se tornando mais estabelecidas.

Embora a indústria aeroespacial esteja atualmente conduzindo a maior parte da demanda por manufatura aditiva à base de níquel, há um enorme potencial para impressão 3D de superligas de níquel nos segmentos de petróleo e gás, energia e indústria em geral, como processamento químico.

Cobalto



Ligas disponíveis para AM: MP1, CP2, Co-Cr, Co-Cr-MoC, 188 Liga de Cobalto, Liga de Cobalto 509, CoCr-0404, CO502, CO90, CO212, Co49Fe2V




O lançamento das primeiras superligas de cobalto comercialmente disponíveis para impressão 3D remonta a 2006. Desde então, o uso do material vem crescendo, impulsionado pela demanda das indústrias médica e aeroespacial. As superligas de cobalto possuem ótimas propriedades mecânicas, ao lado da resistência à corrosão e altas temperaturas. A liga de cromo-cobalto é particularmente adequada para aplicações médicas (implantes ortopédicos) e dentais, pois tem excelente biocompatibilidade.

Ferro



Ligas disponíveis para AM :Invar 36, Fe-Si, Fe-Ni

Alguns fabricantes de sistemas de metal PBF oferecem a possibilidade de imprimir Invar 36, uma liga de níquel-ferro, notável por sua expansão térmica extremamente baixa. O Invar 36 é usado em componentes que requerem alta estabilidade dimensional em uma ampla gama de temperaturas, como em dispositivos de rádio e eletrônicos, controles de aeronaves, sistemas ópticos e laser.

A Höganäs, um dos principais fabricantes de pós metálicos, também oferece uma gama de pós à base de ferro, resistentes à abrasão, ao desgaste e à corrosão, sob a marca AMPERPRINT.

Metais refratários






Os metais refratários têm propriedades extraordinárias, mas, ao mesmo tempo, são extremamente difíceis de trabalhar.

O uso mais comum de metais refratários no AM hoje é na liga com materiais de aços, níquel e cobalto para criar muitas superligas populares. Atualmente, apenas algumas empresas estão oferecendo pós de metal refratário para AM.

H.C. Starck Tantalum and Niobium GmbH, que foi recentemente rebatizada como TANIOBIS GmbH, é uma dessas empresas, fornecendo uma gama de pós atomizados de tântalo e nióbio (Ta / Nb) e suas ligas, projetados para AM sob a marca AMtrinsic.

Tântalo e nióbio, acredita TANIOBIS, abrirão novas oportunidades em AM, citando seus altos pontos de fusão, alta resistência à corrosão e alta condutividade térmica e elétrica. Propriedades como essas permitiriam às empresas aplicar AM no processamento químico, no setor de energia e em uma variedade de ambientes de alta temperatura.

A gama cada vez maior de pós metálicos para impressão 3D






No metal PBF, o desenvolvimento de materiais é um trabalho em andamento. O número de metais disponíveis para impressão 3D permanece limitado quando comparado à manufatura tradicional, como fundição ou usinagem.

Uma razão para isso é o tempo e os recursos necessários para desenvolver novos pós metálicos para AM - em alguns casos, o processo de desenvolvimento pode levar alguns anos.

Outra razão reside nas limitações do hardware, como no caso do pó de cobre, que requer um comprimento de onda do laser diferente, em comparação com outros metais, para ser impresso com sucesso. Felizmente, os desafios do hardware estão sendo superados para expandir ainda mais o escopo dos metais imprimíveis. Apesar dos desafios, o futuro do metal PBF parece brilhante, à medida que sua adoção na produção cresce e mais indústrias começam a adotar a tecnologia. Isso significa um foco maior em novas químicas de materiais que ajudarão a desbloquear novas aplicações e levar a impressão 3D de metal para o próximo nível.


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