Desenvolvimento de padrões para impressão 3D:Onde estamos hoje? (Atualização de 2020)

O caminho para a padronização para indústrias e tecnologias emergentes pode ser longo e árduo. Mas para uma indústria desenvolver um mercado forte, a necessidade de processos padronizados torna-se cada vez mais importante.

A impressão 3D atingiu este momento divisor de águas:46% das empresas pesquisadas pela EY esperam aplicar a tecnologia para a produção de peças finais até 2022. Claramente, como a tecnologia continua a mudar para a produção, a necessidade de a padronização está mais aguda do que nunca.

Os benefícios da padronização para impressão 3D

A padronização se refere às melhores práticas, regulamentações e benchmarks que norteiam as indústrias e organizações. Para uma tecnologia emergente e disruptiva como a impressão 3D, os padrões podem fornecer uma base muito necessária para facilitar a adoção mais ampla da tecnologia, especialmente à medida que o mercado continua a crescer. Os benefícios para melhor garantia de qualidade e consistência do processo são claros.

No entanto, a jornada em direção a uma maior padronização para a manufatura aditiva não é simples. As origens digitais da manufatura aditiva significam que há fatores adicionais a serem considerados além da manufatura tradicional, desde o uso de formatos de dados até diretrizes para processos de projeto e produção.

Vemos dois benefícios principais da padronização para 3D impressão:

1. Garantindo consistência

A produção consistente de peças de alta qualidade e a garantia de um processo repetível a cada vez continuam sendo um dos desafios atuais da manufatura aditiva. A produção de aditivos consiste em uma complexa rede de variáveis, desde as matérias-primas até a otimização do projeto e processos de fabricação, que por sua vez requerem interação entre uma infraestrutura de software e hardware. Cada uma dessas etapas deve ser monitorada, avaliada e controlada para garantir a repetibilidade e confiabilidade das peças impressas em 3D, evitando, ao mesmo tempo, uma abordagem dispendiosa de tentativa e erro. A padronização pode ajudar a definir os parâmetros de cada etapa da produção de AM, ajudando a criar um processo consistente em todas as etapas. Dessa forma, uma empresa pode comparar a qualidade de seus processos de AM em relação a um conjunto de critérios preliminares. Isso garante que o resultado de qualidade desejado seja alcançado.

2. Atendendo aos padrões regulatórios

Em setores altamente regulamentados, como médico, automotivo, aeroespacial e de defesa, problemas com a certificação de produtos também podem atrasar a adoção mais ampla de AM. As peças produzidas com tecnologias aditivas têm propriedades que podem ser bastante diferentes daquelas obtidas com a manufatura subtrativa, dificultando a garantia de qualidade e a certificação.

Os padrões de qualificação e certificação abrem um caminho viável para a certificação do produto, fornecendo as diretrizes pelas quais as peças são avaliadas e qualificadas.

Desafios para padronização

Embora atualmente existam alguns padrões para impressão 3D, muitos dos padrões críticos ainda estão em desenvolvimento. Descrevemos algumas áreas onde a padronização para impressão 3D é necessária.

1. Materiais

Um dos desafios atuais gira em torno de materiais específicos de AM, para muitos dos quais não existem padrões. Os materiais para manufatura aditiva de metal, em particular, são uma área chave de foco, particularmente porque são usados ​​por indústrias altamente exigentes, como a aeroespacial e médica.

A falta de padronização para materiais específicos de AM significa, por exemplo, que os fabricantes são incapazes de obter valores de tensão. Os dados de design e controle de processo também são muito limitados devido à falta de especificações de material de impressão 3D, o que pode afetar a forma como uma peça é criada.

Uma forma de lidar parcialmente com este problema é adotar padrões existentes, desenvolvidos para materiais convencionais, diretamente para materiais AM. No entanto, até que ponto essas normas podem ser aplicadas ainda está para ser determinado, uma vez que o comportamento mecânico das peças AM pode diferir significativamente de suas contrapartes convencionais.

2. Controle de processo

A natureza proprietária das variáveis ​​de processo de AM apresenta outro desafio para a padronização. Muitos fabricantes de impressoras 3D podem não querer compartilhar dados sobre a otimização de variáveis ​​de processo, o que afeta as propriedades de uma peça impressa, como histórico térmico, microestrutura e formação de defeitos. Aqui, a colaboração e as estratégias de plataforma aberta serão a chave para enfrentar esse desafio.

3. Certificação Finalmente, o desenvolvimento de abordagens de certificação robustas é uma área de foco na padronização de impressão 3D. O método atual de garantia e verificação de qualidade é testar as peças finais, o que requer tempo e recursos adicionais. Para superar esse problema, a indústria precisa desenvolver processos abrangentes de certificação de peças que permitirão um melhor controle de qualidade em tempo real.

Para tornar a tarefa mais difícil está o fato de que os processos de certificação diferem de acordo com a indústria e aplicação. Como e quando o teste é feito para certificação é uma área que precisará ser especificada por qualquer processo de padronização.

Desenvolvimento de uma estrutura padronizada para impressão 3D

Até agora, não foi alcançado um consenso global sobre padrões para processos e produtos de fabricação de aditivos. No entanto, o progresso está tomando forma, com esforços colaborativos sendo feitos por organizações de desenvolvimento de padrões (SDO) e outros órgãos para construir um conjunto abrangente de padrões para manufatura aditiva.

Organizações de Desenvolvimento de Padrões

ISO e ASTM International são dois SDOs principais que formaram comitês dedicados para apoiar a adoção da manufatura aditiva em todos os setores. Baseados principalmente em esforços voluntários, tanto a ISO quanto a ASTM International estão trabalhando para cobrir todos os aspectos da manufatura aditiva.

Em 2016, eles criaram grupos de trabalho conjuntos para atualizar e aprovar uma estrutura organizacional comum para os padrões AM, com o objetivo de harmonizar seu desenvolvimento dentro da indústria de AM.

Como parte desta colaboração, ambos os SDOs anunciaram uma estrutura para padrões de impressão 3D - a Estrutura de Padrões de Fabricação de Aditivos . A estrutura descreve as várias categorias que requerem padronização, que abrangem amplamente:

• Materiais
• Processos e equipamentos
• O tratamento de peças acabadas
  

Desde então, a colaboração tem sido frutífera. Em maio de 2020:

• O Comitê ASTM F42 sobre tecnologias de fabricação de aditivos aprovou 22 padrões
• O Comitê Técnico ISO 261 sobre Fabricação de Aditivos (ISO / TC 261) publicou 15 padrões, com 30 padrões adicionais em vários estágios de desenvolvimento.

ASTM também lançou várias rodadas de financiamento para ajudar a apoiar o desenvolvimento de padrões para a indústria de AM. Em 2019, uma nova rodada de financiamento foi lançada, beneficiando as mesmas instituições e suas pesquisas, com a adição do National Additive Manufacturing Innovation Cluster (NAMIC).

Padrões de impressão 3D para pó metálico fusão de cama

Em 2018, o Comitê ASTM F42 emitiu um padrão para aumentar o uso de processos de metal Powder Bed Fusion (PBF).

O padrão, conhecido como F3303, é voltado para o metal manufatura aditiva para os setores médico, aeroespacial e outros. Descreve etapas para qualificar máquinas e processos com base nas tecnologias SLM, EBM e DMLS. Garantir que as etapas AM sejam fixas e repetíveis pode ajudar a superar muitos dos desafios associados à aplicação e aprovação de peças de metal impressas em 3D.

No momento, o foco principal da ASTM é desenvolver um padrão para SLM tecnologia, atualmente o método de impressão 3D de metal mais popular.

Além da ASTM, a Metal Powder Industries Federation (MPIF) emitiu recentemente nove métodos de teste padrão MPIF para caracterizar pós metálicos AM.

Destinado a designers, fabricantes e usuários de peças de metal AM, esta coleção é mais um sinal de que as indústrias estão reconhecendo o papel crescente da impressão 3D em metal no mundo da manufatura.

Padronizando a impressão 3D para a indústria aeroespacial Para lidar com a padronização do metal AM para a indústria aeroespacial, a associação global de padrões de engenharia SAE International publicou recentemente quatro novos padrões PBF.

O novo conjunto de padrões para Especificações de Materiais Aeroespaciais (AMS) apóia a certificação de peças críticas de aeronaves e espaçonaves, e cobre especificações de materiais para ligas de níquel e requisitos de processo para impressão 3D com pós de metal.

No entanto, a SAE não parou apenas nisso. Mais recentemente, a organização também emitiu as primeiras especificações de polímero AM para a indústria aeroespacial no ano passado. Por exemplo, a especificação AMS7100 estabelece os controles e requisitos críticos para produzir peças aeroespaciais confiáveis, reproduzíveis e reproduzíveis por Fused Deposition Modeling (FDM®) ou outra produção de extrusão de material.

O comitê F42 da ASTM International também está desenvolvendo 4 padrões adicionais que ajudarão os fabricantes de peças de aeronaves a atender aos requisitos de segurança e desempenho. Os padrões cobrem os materiais da matéria-prima, as propriedades das peças acabadas, o desempenho e a confiabilidade do sistema e os princípios de qualificação.

O Colaborativa para Padronização de Fabricação Aditiva (AMSC)

O desenvolvimento de padrões apropriados é um fator chave para a adoção predominante da manufatura aditiva. No entanto, uma abordagem consistente para este desenvolvimento é necessária para facilitar o crescimento mais rápido da indústria.

À luz dessa necessidade, a America Makes, o Instituto de Inovação de Fabricação de Aditivos dos EUA e o Instituto Nacional de Padrões Americanos (ANSI) têm uniu forças para estabelecer o Additive Manufacturing Standardization Collaborative (AMSC).

Desde 2016, a AMSC publicou duas versões de seu Roteiro de Padronização para Fabricação de Aditivos. O roteiro é projetado para identificar padrões (aprovados e em desenvolvimento), avaliar lacunas e determinar áreas prioritárias para P&D e padronização adicionais. Mais de 300 indivíduos de 175 organizações diferentes dos setores público e privado apoiaram o desenvolvimento da segunda versão do Roadmap, publicado em julho de 2018.

O roadmap da AMSC fornece um instantâneo do cenário atual de padrões para aditivos industriais fabricação. Curiosamente, ele identifica 93 lacunas - 18 das quais são consideradas de alta prioridade para o desenvolvimento de mais padrões. As lacunas incluem a necessidade de estabelecer uma diretriz para destacar os trade-offs entre as tecnologias aditivas e subtrativas, bem como as diretrizes de projeto específicas do processo.

No final de 2019, America Makes e ANSI também lançaram um portal online para rastrear atividades de padronização em AM

Embora seja desafiador, rastrear e finalmente preencher lacunas de padronização é fundamental para AM interessados ​​que buscam desbloquear o potencial das tecnologias aditivas para a produção.

A importância da colaboração

A colaboração e as parcerias da indústria têm sido mecanismos poderosos na manufatura aditiva, e o desenvolvimento de padrões não é exceção. Promover a colaboração oferece uma excelente oportunidade para alavancar a experiência industrial em AM, que pode ajudar a expandir o alcance dos padrões de impressão 3D para a indústria.

• Por exemplo, o SLM Solutions Group fez parceria com o Instituto Alemão de Padronização (DIN) para apoiar o recém-fundado Comitê de Direção de Fabricação de Aditivos deste último. Por meio de sua experiência tecnológica, a SLM Solutions visa acelerar a viabilidade comercial da impressão 3D em metal.

• A colaboração entre a Oerlikon e a Boeing também está definida para desenvolver padrões para impressão 3D em metal. Visando o uso de AM na indústria aeroespacial e de defesa, a parceria se concentra na padronização de materiais e processos para impressão 3D de metal à base de pó de componentes estruturais de titânio.

• No mês passado, a ASTM International investiu US $ 300.000 em projetos de pesquisa dentro do Additive Manufacturing Center of Excellence, que visa quatro áreas principais, incluindo matéria-prima, qualificação de processo, pós-processamento e teste.

• O lançamento do Centro de Excelência em Fabricação de Aditivos neste verão também é outro marco para a indústria. A nova instalação, fundada pela ASTM International em colaboração com a Auburn University, NASA, EWI e o Centro de Tecnologia de Manufatura (MTC) com sede no Reino Unido, está focada em unir P&D e padronização para preencher lacunas importantes da indústria.

Enquanto a MTC desenvolverá padrões para avaliar a qualidade e reciclabilidade de pós de metal, os pesquisadores da NASA se concentrarão nas especificações para máquinas e processos baseados em laser. O EWI estudará o pós-processamento para ajudar a padronizar a qualidade da superfície e as métricas de medição. Finalmente, a Auburn University será responsável por pesquisar questões de testes mecânicos em metal AM para ajudar a criar diretrizes sobre o projeto de espécimes para testar peças impressas em 3D.

Com uma série de partes interessadas chave da indústria reunidas sob o mesmo teto, esta colaboração pode mudar o jogo para a indústria.

Padronização:moldando o futuro da impressão 3D

‘Seria incrivelmente benéfico para todas as partes interessadas e constituintes se a indústria tivesse melhores padrões gerais, padrões que são universalmente compreendidos e aceitos. Com os padrões, as empresas podem comparar maçãs com maçãs e tomar decisões inteligentes que podem ser implementadas em um ecossistema abrangente de fornecedores, fabricantes e usuários. ’

Avi Reichental, fundador da XponentialWorks

Enquanto a impressão 3D continua sua incursão na manufatura industrial, a adoção convencional da tecnologia é dificultada por desafios relacionados à qualidade, consistência e certificação das peças. A padronização pode ajudar a resolver alguns dos desafios mais urgentes.

Para garantir que a manufatura aditiva continue rumo à adoção convencional, padrões e diretrizes deverão ser estabelecidos. Ao mesmo tempo, entretanto, tais desenvolvimentos levarão tempo, potencialmente até vários anos.

Mas os benefícios são óbvios:padrões claros impulsionarão o uso da impressão 3D para a produção, promovendo uma terminologia comum, testes eficientes e materiais e processos consistentes.