Principais Pós Metálicos para Impressão 3D em 2020: O Guia Definitivo

Para qualquer empresa que queira dar os primeiros passos na impressão 3D em metal, é crucial saber quais metais podem ser usados com esta tecnologia hoje. Do design à manufatura, escolher os materiais certos garante o mais alto padrão possível para o produto final.
 
Para ajudar você a se atualizar com o ecossistema atual de metais para FA, exploramos ligas comercialmente disponíveis para Fusão de Leito de Pó, requisitos-chave de material para impressão bem-sucedida e como o uso de metais evoluirá no futuro. Mas primeiro, vamos explorar o que é Fusão de Leito de Pó.
 

Visão geral das tecnologias de Fusão de Leito de Pó em metal

 

 
A Fusão de Leito de Pó (PBF) em metal é a tecnologia de manufatura aditiva em metal mais estabelecida hoje.
 
Com PBF, camadas de pó metálico são distribuídas uniformemente na plataforma de construção da máquina e fundidas seletivamente por uma fonte de energia — seja um laser ou um feixe de elétrons.
 
Dois processos-chave de impressão 3D em metal se enquadram na categoria Fusão de Leito de Pó:
 

• Fusão Seletiva a Laser (SLM) / Sinterização Direta a Laser de Metal (DMLS)

 

• Fusão por Feixe de Elétrons (EBM)

 
Na SLM, um laser potente e bem ajustado é aplicado seletivamente a uma camada de pó metálico. Dessa forma, partículas metálicas são fundidas para criar uma peça.
 
Um requisito importante para SLM é uma câmara de construção fechada preenchida com gás inerte, como argônio. Isso previne contaminação por oxigênio do pó metálico e ajuda a manter a temperatura correta durante o processo de impressão.
 
A EBM opera de forma similar à SLM no sentido de que os pós metálicos também são fundidos para criar uma peça metálica totalmente densa. Para prevenir contaminação e oxidação do pó, o processo EBM ocorre em ambiente de vácuo.
 
A diferença chave entre tecnologias SLM/DMLS e EBM é a fonte de energia: em vez de laser, sistemas EBM usam um feixe de elétrons de alta potência como fonte de calor para fundir camadas de pó metálico.
 
Como um feixe de elétrons é tipicamente mais potente que um laser, a EBM é frequentemente usada com superligas metálicas 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, a EBM só pode ser usada com metais condutores, como titânio e ligas de cromo-cobalto.
 

Requisitos de pós metálicos para impressão 3D

 
Para garantir produção de FA em metal precisa e repetível, pós metálicos devem exibir 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:
 

• Distribuição de Tamanho de Partícula (PSD): Partículas menores permitem resolução mais fina de dimensões da peça e acabamento superficial. Dentro de PBF, sistemas EBM tradicionalmente usam PSD de 45–105 µm, enquanto a maioria dos sistemas a laser desejam PSD de 15–45 µm.

 

• Morfologia: Partículas de pó metálico lisas e de formato regular são preferíveis. Isso permite que sejam bem compactadas, resultando em produto denso com boas propriedades mecânicas desejadas.

 

• Fluidez: A fluidez do pó desempenha papel importante na formação de uma camada de pó homogênea, pois o pó é espalhado pelo recoater.

 

• Densidade: Densidade de compactação ótima do pó durante fluxo e processamento impacta positivamente a integridade e acabamento superficial de peças impressas em 3D. Partículas elipsoidais teriam compactação natural ou aleatória melhor e mais consistente.

 

• Composição química/fase: Isso explica por que nem todas as ligas estão disponíveis como pós. PBF geralmente favorece metais soldáveis.

 

Quais metais podem ser impressos em 3D na Fusão de Leito de Pó?

 

Aço

 
Ligas disponíveis para FA: 316L, Aço Ferramenta H13, Aço Maraging, Aço de Cementação, 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 amplamente usado e mais reciclado na Terra. Do aço inoxidável e aços de alta temperatura, o aço em suas várias formas e ligas oferece diferentes propriedades para atender a uma ampla gama de aplicações.
 
Na PBF em metal, existem apenas cerca de dez ligas primárias de aço amplamente impressas hoje. Embora o conjunto de aços impressos seja bastante pequeno hoje, comparado a tecnologias de metalurgia tradicionais, empresas como Carpenter, Sandvik, Hoganas, GKN e Oerlikon estão todas desenvolvendo ativamente novos aços para FA para acessar novos mercados.
 
Por exemplo, a GKN Additive Materials pioneirou recentemente novos pós de aço de baixa liga para FA. Devido à sua tenacidade e resistência à corrosão, pós de aço de baixa liga criam novas oportunidades para FA em setores como a indústria automotiva, onde escalabilidade e custo são fatores-chave.
 
Hoje, o uso de aço para produção de peças finais em FA está crescendo, particularmente em mercados mais novos para impressão 3D, como marítimo e automotivo. Isso torna o aço uma das chaves para promover a adoção da tecnologia de AM em metal além das indústrias médicas e aeroespaciais tradicionais.
 
Esses avanços indicam que os aços são muito prováveis de se tornarem os materiais de AM em metal mais amplamente usados nos próximos anos.
 

Alumínio

 
Ligas disponíveis para FA: 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 propriedades mecânicas e térmicas excepcionais. Por essas razões, ligas de alumínio são amplamente usadas nas indústrias aeroespacial, automotiva e biomédica.
 

 
A empresa de pesquisa de AM, SmarTech, estima que a impressão 3D de alumínio representou cerca de 10 por cento de toda a impressão em metal em 2018. Desde então, houve um aumento significativo no desenvolvimento e comercialização de ligas de alumínio para FA, impulsionado pela demanda nas indústrias aeroespacial e automotiva.
 
Por exemplo, a APWORKS, em colaboração com a Airbus, desenvolveu Scalmalloy para aplicações aeroespaciais. O material oferece a menor taxa buy-to-fly, um benefício particular para a indústria aeroespacial.
 
Embora o material tenha sido desenvolvido com aeroespacial em mente, suas propriedades também são atraentes para o setor de automobilismo — por isso Scalmalloy foi recentemente adicionado à lista de materiais de FA aprovados para Fórmula 1.
 
No entanto, muitas ligas de alumínio para FA permanecem muito caras e não atendem aos requisitos das indústrias-alvo. Por exemplo, a indústria automotiva requer peças de alumínio impressas em 3D para passar em testes de colisão para serem consideradas para 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 em adaptar FA para produção em série automotiva.
 
O material recém-desenvolvido é projetado para superar esses desafios fornecendo tanto maior resistência quanto maiores alongamentos na ruptura — propriedades essenciais que permitirão que peças automotivas impressas em 3D usem a nova liga para performar bem em testes de colisão.
 

Titânio

 
Graus: 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 de material, mas seu alto custo historicamente limitou seu uso a aplicações de alto valor na aeroespacial.
 
Agora que a impressão 3D em metal é cada vez mais reconhecida como um método de manufatura viável, a tecnologia está tornando o titânio mais disponível para indústrias como médica, automotiva e automobilismo.
 
Há grande potencial para impressão 3D de titânio, particularmente na área de implantes ortopédicos, graças à não-toxicidade, alta resistência e resistência à corrosão do titânio.
 
Quando usado com impressão 3D, fabricantes de dispositivos médicos podem criar implantes de titânio com estruturas complexas e porosas. Notavelmente, essas estruturas imitam a estrutura dos ossos humanos, então as células ósseas a reconhecem como um andaime através do qual crescer.
 

 
A crescente demanda por pó de titânio levou alguns produtores de pós metálicos a começar a construir novas plantas de produção de titânio e outros a aumentar sua produção de pós de titânio.
 
Por exemplo, a Sandvik abriu uma planta de pó para suas ligas de titânio e superligas à base de níquel sob a marca Osprey®, no final de 2019. No mesmo ano, a PyroGenesis, fabricante canadense de pó metálico atomizado a plasma, aumentou sua taxa de produção de pó de titânio, o que também permitiu à empresa reduzir o custo de uma produção historicamente muito cara de pó de titânio.
 

Cobre e Metais Preciosos

 
Ligas disponíveis para FA: CuNi3Si, CuNi2SiCr, CuCrZr, CuAl10Fe5Ni5, Cu Alto Oxigênio
 
Nem todos os metais se prestam bem à impressão 3D. Por exemplo, o cobre é particularmente desafiador para imprimir, com a grande maioria do cobre impresso em 3D atualmente baseado em ligas de cobre, não no metal puro.
 
O cobre puro tem taxa de reflexão a laser de mais de 90 por cento, e é difícil para o laser fundir continuamente e regularmente o pó de cobre puro.
 
Um caminho adiante é desenvolver novos sistemas capazes de imprimir tais metais.
 
Na Formnext 2018, a TRUMPF demonstrou sua tecnologia de laser verde, que pode imprimir cobre puro, bem 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, particularmente úteis para aplicações de eletrônica, automotiva e espacial.
 
Em termos de metais preciosos, como ouro, prata e platina, a vantagem da impressão 3D desses materiais reside na possibilidade de alcançar design intrincado, ideal para joias, acessórios e objetos decorativos.
 
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 perdida.
 
A impressão 3D direta com metais preciosos, usando PBF, também é possível, embora o número de máquinas de impressão 3D compatíveis com metais preciosos seja limitado.
 

Superligas

 
Superligas, uma família de misturas metálicas baseadas em níquel, cobalto ou ferro, são resistentes a deformação em alta temperatura, corrosão e oxidação, particularmente quando operam a uma temperatura elevada próxima ao seu ponto de fusão.
 
Desenvolvidas inicialmente para componentes de turbinas a gás em motores turbojet, superligas são agora amplamente usadas para aplicações de alta temperatura nas indústrias aeroespacial e de geração de energia.
 

Níquel

 
Ligas disponíveis para FA: Inconel 625, Inconel 718, Inconel 738, Inconel 939, Ni-Ti, Waspaloy, Hastelloy, ABD900AM, Haynes 282
 
Ligas de níquel tornaram-se comercialmente disponíveis para uso em processos de PBF em metal já em 2007.
 
A demanda atual por ligas de níquel é dominada por superligas da família Inconel — particularmente ligas IN625 e IN718 — graças a suas capacidades significativas em aplicações que requerem grande dureza, resistência à tração e, talvez o mais importante, resistência química e à temperatura.
 
Além dessas duas ligas, há muitas mais superligas de níquel-cromo oferecidas por empresas líderes de metais. Várias superligas Haynes, superligas Hastelloy e várias formas de Inconel estão se tornando mais estabelecidas.
 
Embora a indústria aeroespacial esteja atualmente impulsionando a maior parte da demanda por manufatura aditiva baseada em níquel, há enorme potencial para impressão 3D de superligas de níquel em segmentos de petróleo e gás, energia e indústria geral, como processamento químico.
 

Cobalto

 
Ligas disponíveis para FA: MP1, CP2, Co-Cr, Co-Cr-MoC, 188 Liga de Cobalto, 509 Liga de Cobalto, 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 tem crescido, impulsionado pela demanda nas indústrias médica e aeroespacial.
 
Superligas de cobalto possuem excelentes propriedades mecânicas, além de resistência à corrosão e altas temperaturas. A liga cobalto-cromo é particularmente adequada para aplicações médicas (implantes ortopédicos) e odontológicas, pois tem excelente biocompatibilidade.
 

Ferro

 
Ligas disponíveis para FA: Invar 36, Fe-Si, Fe-Ni
 
Alguns fabricantes de sistemas PBF em metal oferecem a possibilidade de imprimir Invar 36, uma liga de níquel-ferro, notável por sua expansão térmica extremamente baixa. 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 a laser.
 
A Höganäs, um dos principais fabricantes de pós metálicos, também fornece uma gama de pós à base de ferro, resistentes a abrasão, desgaste e corrosão, sob sua marca AMPERPRINT.
 

Metais refratários

 

 
Metais refratários têm propriedades extraordinárias, mas ao mesmo tempo são extremamente desafiadores para trabalhar.
 
O uso mais comum de metais refratários em FA hoje é em liga com aços, níquel e materiais de cobalto para criar muitas superligas populares.
 
Atualmente, apenas algumas empresas oferecem pós de metais refratários para FA.
 
A H.C. Starck Tantalum and Niobium GmbH, que foi recentemente renomeada como TANIOBIS GmbH, é uma dessas empresas, fornecendo uma gama de pós atomizados de tântalo e nióbio (Ta/Nb) e suas ligas, projetados para FA sob o nome da marca AMtrinsic.
 
Tântalo e nióbio, a TANIOBIS acredita, abrirão novas oportunidades em FA, citando seus altos pontos de fusão, alta resistência à corrosão e alta condutividade térmica e elétrica.
 
Propriedades como essas permitiriam que empresas aplicassem FA em processamento químico, setor de energia e uma gama de ambientes de alta temperatura.
 

A gama sempre crescente de pós para impressão 3D em metal

 

 
Na PBF em metal, 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 recursos que leva para desenvolver novos pós metálicos para FA — em alguns casos, o processo de desenvolvimento pode levar alguns anos.
 
Outra razão reside nas limitações de hardware, como foi o caso com o pó de cobre, que requer um comprimento de onda de laser diferente, comparado a outros metais, para ser impresso com sucesso. Felizmente, desafios de hardware estão sendo superados para expandir ainda mais o escopo de metais imprimíveis.
 
Apesar dos desafios, o futuro da PBF em metal parece brilhante, pois sua adoção em produção cresce e mais indústrias começam a abraçar a tecnologia. Isso significa um foco aumentado em novas químicas de materiais que ajudarão a desbloquear novas aplicações e levar a impressão 3D em metal ao próximo nível.