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Fabricação de aditivos de metal:O que você precisa saber




A manufatura aditiva transformou a indústria de manufatura desde seu início comercial no final do século XX. À medida que os processos aditivos continuam a dominar a indústria, a Metal AM e várias aplicações do processo estão se movendo para a vanguarda da manufatura para produção.

Estimuladas pelo lançamento de novas máquinas Metal AM com plataformas de material aberto e velocidades de impressão mais rápidas, as vendas de sistemas Metal AM estão crescendo com o segmento esperado para criar uma oportunidade de receita de quase 4 bilhões até 2024. Conforme os avanços na manufatura aditiva de metal continuam, é importante estar ciente dos benefícios do Metal AM e como as inúmeras aplicações do processo estão mudando a cara da manufatura.

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História da fabricação de aditivos de metal


O processo de manufatura aditiva pode ter suas raízes em meados da década de 1980, à medida que métodos de desenvolvimento mais rápido de produtos estavam sendo introduzidos. Originalmente chamado de prototipagem rápida, esse processo era capaz de produzir modelos dimensionais para criar protótipos mais rápidos para testar o ajuste e a função do modelo.

Em 1987, uma nova técnica de processamento de plástico conhecida como Estereolitografia (SLA) foi comercializada, tornando-se a primeira patente na fabricação de aditivos. Com o SLA, os fabricantes poderiam solidificar polímeros líquidos sensíveis à luz ultravioleta com um laser, produzindo modelos 3-D mais rápido do que nunca. Esse marco nos processos aditivos ofereceu aos fabricantes, engenheiros e designers novas oportunidades para criar produtos com mais eficiência do que antes.

No início da década de 1990, outros processos de fabricação de aditivos à base de polímeros tornaram-se disponíveis comercialmente. Em 1992, a Sinterização Seletiva a Laser (SLS), que funde materiais em pó em um sólido usando um laser, tornou-se disponível. Pouco depois, a fabricação de aditivos de metal foi patenteada e disponibilizada ao mercado. Como outros processos de manufatura aditiva, essa tecnologia permitiu a produção rápida de protótipos de metal, produtos e ferramentas. Embora a introdução de processos de fabricação de aditivos de metal tenha permitido a fabricação de peças de metal por sinterização do pó de metal de escolha, o resultado final foram materiais mais comparáveis ​​aos compósitos do que ligas, uma vez que materiais com baixo ponto de fusão agora podem ser combinados com metais de alta resistência, como como aço inoxidável.

Fabricação de aditivos de metal e processos de impressão 3D


O processo de manufatura aditiva cria objetos adicionando material camada por camada, seja metal, plástico ou cerâmica. A manufatura aditiva pode aumentar e, em alguns casos, substituir os métodos tradicionais de criação de objetos por meio de usinagem, corte, torneamento, modelagem, fresamento e outros processos de manufatura “subtrativos”.

Para fazer um objeto usando manufatura aditiva, um projeto é criado usando o software CAD (Computer-Aided Design) ou fazendo uma digitalização do objeto que será impresso. O software pode traduzir a digitalização em uma estrutura precisa para a máquina de impressão 3D seguir camada por camada.

A manufatura aditiva de metal, também conhecida como impressão 3D de metal, pega o processo de manufatura aditiva e o aplica exclusivamente a metais. Por camadas de pós metálicos, seja com uma fonte de energia ou um agente de ligação, objetos precisos podem ser projetados e construídos. Devido aos avanços nas máquinas de manufatura aditiva, objetos que nunca poderiam ter sido criados até alguns anos atrás agora podem ser fabricados com nova resistência e padrões usando uma variedade de materiais.

A ampla gama de pós metálicos disponíveis para técnicas de manufatura aditiva está em constante expansão. Alguns dos materiais metálicos mais comuns incluem classes de aço inoxidável, níquel, cromo-cobalto, ligas de titânio e alumínio. Esta gama cada vez maior de materiais de construção permite que o fabricante escolha o material certo para as especificações e expectativas exatas do objeto.


Técnicas de fabricação de aditivos de metal


Os métodos de fabricação de aditivos de metal podem ser classificados em qual processo é usado para unir o metal, o que inclui um aglutinante, bico aquecido ou lasers. Abaixo estão algumas das técnicas de fabricação de aditivos de metal mais comuns. Dependendo da técnica empregada, a parte impressa resultante pode ser em forma de rede ou quase em forma de rede.

Aditivo para leito de pó baseado em laser


Os métodos de fusão em leito de pó (PBF) empregam o uso de um laser ou feixe de elétrons para derreter e fundir o pó metálico em um sólido. Esta técnica inclui os seguintes métodos de fabricação de aditivos de metal:fusão por feixe de elétrons (EBM), sinterização direta a laser de metal (DMLS), sinterização por calor seletiva (SHS) e fusão seletiva a laser (SLM). A sinterização seletiva a laser (SLS) é uma técnica adicional que usa um laser como fonte de energia para sinterizar materiais em pó, embora polímeros, em vez de metais, sejam comumente usados ​​em SLS.

Independentemente do método, todas as técnicas de leito de pó baseadas em laser requerem o espalhamento do pó metálico sobre as camadas anteriores, seja por meio de um rolo ou lâmina. Os metais mais comumente empregados neste processo de aditivo são aço inoxidável, titânio, alumínio, aço e cromo-cobalto e cobre.

Jateamento de ligantes metálicos


Este método de fabricação de aditivo de metal é semelhante ao de uma impressora a jato de tinta bidimensional. Pós de metal são injetados em uma plataforma de construção para imprimir objetos usando uma abordagem contínua ou drop on demand (DOD). Um aglutinante líquido é aplicado para combinar o pó camada por camada, construindo o objeto desejado. As peças recém-impressas são inicialmente frágeis e requerem sinterização e infiltração pós-processamento para serem reforçadas. O resultado final pode passar por um processo de acabamento opcional onde a peça é polida ou banhada a níquel ou ouro.

Um dos benefícios exclusivos do jato de aglutinante é a eliminação de qualquer fusão de pós de metal, o que pode levar ao acúmulo de tensões residuais. É também uma das técnicas de fabricação de aditivos de metal mais baratas.

Laminação de Folha


Este método une folhas de material camada por camada por meio de colagem, soldagem ultrassônica ou brasagem para construir um objeto. Os métodos de laminação de folhas são processos de baixa temperatura e podem unir diferentes materiais. Normalmente, os métodos de laminação de folha são para modelos visuais e estéticos, em vez de para uso estrutural.

Deposição de energia direcionada


Um processo de impressão 3D mais complexo, este método opera como o próprio nome sugere - uma fonte de energia focalizada, como um laser ou feixe de elétrons, é direcionada ao material de construção para derretê-lo enquanto é depositado camada por camada. Esta técnica é comumente usada para reparar ou adicionar material adicional às estruturas existentes. Deposição de energia dirigida (DED) usa um bico aquecido para depositar o material derretido - normalmente titânio ou cromo-cobalto - na superfície especificada onde se solidifica.


Vantagens da tecnologia Metal AM


Nas últimas décadas de sua existência, as tecnologias de manufatura aditiva tiveram um impacto revolucionário no setor manufatureiro como um todo. Essa capacidade de aglutinar conjuntos - imprimir uma peça como uma única unidade em vez de várias peças que devem ser unidas ou fixadas - reduz o desperdício de material e, normalmente, melhora a qualidade geral e o desempenho do produto. Além desta vantagem de economia de resíduos, os métodos de metal AM oferecem benefícios exclusivos que incluem:

A complexidade é “grátis”


Ao usar os processos de manufatura subtrativos tradicionais, o aumento da complexidade no projeto de uma peça resulta em um custo cada vez mais alto, pois cada vez mais operações de fresamento, contorno e acabamento subtrativas são necessárias. Ao usar o aditivo, a complexidade de um projeto adiciona pouco custo e muitas vezes reduz o custo da peça. Por exemplo, se a peça for uma peça prismática - um bloco retangular sólido - o fresamento de tarugos com formato quase final é simples e requer poucas passadas na fresa e, portanto, baixo custo. O bloco de impressão usando aditivo exigiria muitas passagens na máquina para depositar a quantidade necessária de material para construir a forma, resultando em um custo muito mais alto. No entanto, se a peça tiver uma forma orgânica - pense em uma braçadeira que se parece com uma estrutura de raiz de árvore - o fresamento provavelmente exigirá acessórios de fixação personalizados e muitas passagens de máquina, muitas vezes com várias trocas de ferramentas e extensa codificação do caminho da ferramenta, tudo levando a um alto custo . Para imprimir a forma orgânica com Aditivo, o caminho da ferramenta é criado automaticamente usando um software e o número de passadas e a quantidade de material depositado são bastante reduzidos resultando em um custo menor para esta peça.

Eliminando custos extras


Os processos de aditivos de metal reduzem o desperdício de material em comparação com os métodos tradicionais. Uma vez que a matéria-prima é construída com precisão camada por camada, há pouca necessidade de subtrair ou raspar pedaços do objeto sólido. Apenas o material necessário é usado e colocado exatamente onde é necessário, tornando as tecnologias de metal AM eficientes em termos de recursos.

Além disso, a manufatura aditiva de metal reduz o desperdício, eliminando a necessidade de ferramentas caras, economizando tempo e dinheiro para sua empresa. Ao escolher o processo certo de manufatura aditiva de metal, você pode acessar uma ampla variedade de materiais para atender às suas necessidades específicas de produção.

Uma ampla gama de materiais


As propriedades e o desempenho geral de um material são determinados por sua composição química, estado cristalino e microarquitetura subjacente. Essas características forçam os engenheiros a aceitar certas compensações ao escolher um material para uma aplicação específica. No entanto, essa concessão pode em breve ser uma coisa do passado devido aos avanços na tecnologia de impressão 3D.

Enquanto antes os fabricantes se limitavam aos materiais usados ​​no metal AM, há uma variedade cada vez maior de pós de metal que podem ser usados. Alguns dos materiais de metal mais comuns disponíveis incluem:

À medida que avanços na fabricação de aditivos são feitos, a lista de pós de metal que podem ser usados ​​continuará a se expandir.

Melhores habilidades de design e otimização da topologia


Com a manufatura aditiva de metal, podem ser criadas estruturas exclusivas e complexas que, de outra forma, teriam consumido tempo e peças adicionais. Ao aglutinar conjuntos, os objetos agora podem ser produzidos como uma única unidade para maior resistência e eficiência, em vez de várias peças que devem ser unidas ou fixadas na pós-produção.

Além disso, os avanços recentes em projetos automatizados permitiram a produção de produtos para uma grande variedade de aplicações. O software de Otimização de Topologia permite que os projetistas especifiquem os parâmetros de uma peça e permite que o software defina sua arquitetura com base nas propriedades estruturais, funcionais, térmicas ou outras propriedades desejadas. Os resultados finais são designs que podem ser tornados mais fortes, leves, resistentes e resistentes às forças naturais e às condições externas.

Redução no tempo de produção


Uma das vantagens bem conhecidas da manufatura aditiva de metal é a redução do tempo que leva para os produtos fazerem a transição do estágio de projeto para a produção final em comparação com a usinagem tradicional. Uma vez que há pouca necessidade de usinagem e ferramentas específicas para processar o objeto depois de ser impresso em 3D, o metal AM pode criar peças em alguns dias, em vez de semanas.

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A manufatura aditiva de metal soa como uma tecnologia que poderia ser aproveitada por sua empresa de manufatura? Como qualquer nova tecnologia, sempre há uma pequena curva de aprendizado. É por isso que em nosso guia Tipos de processos de fabricação de aditivos de metal, investigamos o funcionamento interno de todos os processos mencionados acima, os materiais usados ​​e os prós e contras de cada um.

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