5 problemas comuns enfrentados com a impressão 3D de metal - e como você pode corrigi-los

A impressão 3D em metal fez avanços impressionantes nos últimos anos, com empresas investindo cada vez mais em tecnologia para aplicações industriais altamente complexas. No entanto, ao lado das vantagens de produzir componentes de metal leves e sofisticados, também há uma série de desafios que precisam ser superados durante o processo de impressão 3D de metal. O tutorial de hoje explorará os principais problemas enfrentados ao imprimir metais em 3D e como você pode resolvê-los.

Impressão 3D de metal - Visão geral

Quando se trata de impressão 3D de metal, há uma variedade de processos de impressão. Eles podem ser amplamente divididos em três grupos:

• Processos de fusão em leito de pó (SLM, EBM)
• Deposição de energia direta (DED)
• Jateamento de aglutinante de metal

Fusão de cama de pó é o método mais comum para a produção de peças de metal usando AM e envolve o uso de um feixe de laser (SLM) ou feixe de elétrons (EBM) para derreter seletivamente uma camada de material em pó, uniformemente distribuída na plataforma de construção.

Deposição de energia direta cobre uma gama de tecnologias e normalmente envolve um processo pelo qual o material é derretido por um laser ou feixe de elétrons antes de ser depositado em uma plataforma de construção. O objeto é então formado camada por camada. Enquanto polímeros e cerâmicas podem ser usados ​​com este processo, DED é normalmente usado com metais em pó ou na forma de fio.

Jateamento de aglutinante de metal usa uma cabeça de impressão para aplicar um agente de ligação líquido em camadas de pó, que funde as partículas de pó camada por camada. O pó ligado pode então ser opcionalmente infiltrado com outro metal (geralmente bronze) para atingir uma densidade mais alta.

Cada um dos processos tem seus pontos fortes e limitações, mas existem problemas comuns que ocorrem em geral ao imprimir metais em 3D - e esses desafios devem ser para atingir as melhores características mecânicas possíveis para suas peças de metal impressas em 3D.

5 problemas comuns a serem observados

1. Porosidade

As peças de metal impressas em 3D costumam apresentar alta porosidade, o que ocorre durante o processo de impressão à medida que pequenos orifícios e cavidades são formados dentro da peça. Esses poros minúsculos, geralmente microscópicos, podem causar baixa densidade - quanto mais poros houver, menor será a densidade da sua peça. Eles também podem afetar diretamente as propriedades mecânicas de uma peça, tornando-a propensa a rachaduras ou outros danos, principalmente quando exposta a cargas elevadas.

Normalmente existem duas razões principais para peças de metal impressas em 3D altamente porosas:ou é devido a um problema com a técnica de produção de pó ou devido ao próprio processo de impressão 3D. Por exemplo, o uso de atomização de gás pode às vezes causar a formação de poros no material em pó. No entanto, a fonte mais comum de tais furos minúsculos é o processo de impressão, quando a energia do é insuficiente e, portanto, não pode derreter o metal adequadamente. O oposto também pode se aplicar:a energia excessiva do laser pode fazer com que as gotículas do material derretido espirrem, resultando em poros.



Como reduzir a porosidade de suas peças de metal

Felizmente, existem várias maneiras de eliminar a porosidade em suas peças de metal impressas em 3D e obter peças mais resistentes e duráveis:

• Visto que a qualidade do material às vezes pode ser a fonte de alta porosidade, certifique-se de comprar a matéria-prima de um fornecedor confiável.
• A porosidade causada durante o processo de impressão pode ser eliminada ajustando os parâmetros de sua impressora.

• A densidade correta pode ser alcançada com métodos de pós-processamento, como prensagem isostática a quente. Isso elimina quaisquer cavidades possíveis ao mesmo tempo em que melhora as propriedades mecânicas de uma peça de metal impressa em 3D.
• Para peças de fusão de leito de pó, a infiltração é outra opção de pós-processamento. Este método é usado para preencher os vazios restantes na peça de metal.

2. Densidade

As aplicações industriais de peças metálicas impressas em 3D freqüentemente requerem altas propriedades mecânicas, razão pela qual a densidade de uma peça é extremamente importante. Quando uma peça opera sob condições de tensão cíclica, sua densidade determinará se a peça falhará ou não sob carga. Em outras palavras, quanto mais baixa for a densidade de uma peça, maior será a probabilidade de ela quebrar sob pressão. As tecnologias de leito de pó (SLM, EBM) podem produzir peças com densidades de 98% e superiores, que são cruciais para aplicações estressantes.



Melhorando a densidade de suas peças

Para garantir que uma peça tenha qualidade e densidade consistentes, é necessário otimizar os parâmetros específicos do material, como tamanho da partícula, forma, distribuição e fluidez. Partículas com formato esférico podem levar a uma densidade maior, por exemplo, pois podem atingir a densidade relativa máxima em comparação com outras formas.

No entanto, como há uma gama de variáveis ​​que podem afetar a densidade de uma peça, a regra geral é primeiro considerar a qualidade do pó de metal e ajustar os parâmetros do processo de acordo.

3. Estresse residual

O aquecimento e o resfriamento subsequente são as características comuns dos processos de AM de metal. No entanto, quando uma peça está sujeita a tais mudanças térmicas extremas, isso pode levar a tensões residuais. A tensão residual tem um impacto desfavorável na integridade de uma peça fabricada, resultando em diferentes formas de deformação. A maior concentração de tensão residual é encontrada na área de contato entre a parte inferior de uma peça impressa e a base de impressão.

Reduzindo a tensão residual

Como a tensão residual pode fazer a diferença entre uma impressão de metal bem-sucedida e uma falha estrutural, esse problema deve ser tratado de forma adequada e há uma série de maneiras de fazer isso:

• A modelagem preditiva pode ser usada para estimar os parâmetros apropriados, como aporte de calor e espessura da camada, a fim de construir componentes com baixa tensão residual.
• Implementar estruturas de suporte e otimizar a orientação da peça também pode minimizar a ocorrência de tensão residual.
• O pré-aquecimento da base de impressão e o material de construção antes do início da impressão reduzem os gradientes de temperatura, que geralmente são a causa do estresse residual. No entanto, como EBM opera a uma temperatura mais baixa, esta técnica tem mais sucesso com EBM do que com SLM ou DED.
• Em processos de fusão em leito de pó, a estratégia de escaneamento da “ilha” pode ajudar a mitigar o acúmulo de tensões residuais. Essa estratégia funciona dividindo a área de exposição em seções menores, denominadas “ilhas”, e mantém o comprimento dos vetores de varredura mais curtos.

4. Rachadura e empenamento

A tensão residual pode ser altamente destrutiva, resultando em uma série de problemas estruturais em uma peça, com rachaduras e empenamentos sendo os mais frequentes entre eles. Esses problemas ocorrem normalmente quando o metal derretido esfria após a impressão. O resfriamento causa contração, o que faz com que as bordas de uma peça se curvem e deformem. Em casos extremos, a tensão pode exceder a resistência da peça, levando à rachadura da peça (rachaduras também podem ocorrer se o material em pó não foi devidamente derretido).

Prevenção de rachaduras e empenamento

Existem duas maneiras principais de evitar rachaduras e empenamentos em sua peça de metal. Uma opção é pré-aquecer a base de impressão, enquanto outra é melhorar a aderência de uma peça à base de impressão e colocar a quantidade necessária de estruturas de suporte. O pós-processamento térmico também pode ajudar a reparar pequenas rachaduras, enquanto o estabelecimento do número correto de estruturas de suporte em sua peça é essencialmente para evitar empenamento.

5. Pós-processamento e rugosidade da superfície

Normalmente, as peças de metal não estão prontas para suas aplicações finais quando são impressas pela primeira vez e precisarão passar por alguma forma de pós-processamento, como remoção de pó e suportes, tratamento térmico e acabamento superficial. Mas, muitas vezes, você encontrará alguns desafios durante as etapas de pós-processamento.

Por exemplo, você pode enfrentar desafios ao remover as estruturas de suporte de suas peças. Isso pode ocorrer, por exemplo, se sua peça de metal tiver apoios em pequenos orifícios e tubos. Eles podem ser difíceis de remover sem danificar a peça e a usinagem subsequente será necessária.

A rugosidade da superfície é outro problema. Componentes fabricados aditivamente para aplicações de ponta requerem uma aspereza superficial média - mas as peças impressas em 3D são freqüentemente produzidas com superfícies ásperas e requerem pós-processamento adicional, como usinagem, esmerilhamento ou polimento para obter um melhor acabamento. Como a rugosidade da superfície está diretamente relacionada à espessura da camada, ela pode ser atenuada imprimindo com camadas mais finas. No entanto, a produção de uma peça usando camadas mais finas pode aumentar significativamente o tempo de construção.

Superfícies ásperas também podem resultar de fusão inadequada do pó. Isso ocorre quando não foi aplicada energia suficiente para derreter o metal completamente. Nesse caso, a rugosidade da superfície pode ser reduzida aumentando a potência do laser.

Resumindo

Embora haja uma série de desafios potenciais ao usar AM para produzir peças de metal, entender esses desafios é a primeira etapa na produção de componentes confiáveis ​​e de alta qualidade. E com o crescimento contínuo da impressão 3D de metal, certamente veremos um aumento no uso de componentes de metal manufaturados aditivamente usados ​​em aplicações industriais.