Manufatura Aditiva Ultrassônica: Impressão 3D de Metal em Baixa Temperatura Explicada

A Manufatura Aditiva Ultrassônica (UAM), também conhecida como Consolidação Ultrassônica (UC), é uma tecnologia de manufatura aditiva (AM) ou impressão 3D de metal. A UAM pertence à família de processos AM de "laminação de folhas", junto com a Manufatura de Objetos Laminados (LOM).

Comparada a outras técnicas AM, a UAM usa temperaturas relativamente baixas — bem abaixo das temperaturas de fusão dos materiais usados — e é usada para produzir peças metálicas em vez de plástico ou náilon.

Breve História da UAM

O processo UAM foi desenvolvido por Dawn White, que comercializou a invenção em 1999 fundando a Solidica Inc. para vender equipamentos UAM comerciais.

Em 2007, a Solidica colaborou com o Edison Welding Institute para redesenhar o processo de ferramentas para melhorar a qualidade da ligação e expandir o número de metais que podiam ser usados. A colaboração resultou em um novo processo UAM, conhecido como "manufatura aditiva ultrassônica de altíssima potência".

A parceria fundou uma nova empresa — Fabrisonic LLC — em 2011 para comercializar o novo processo UAM de alta potência e vender uma nova linha de equipamentos UAM.

Manufatura Aditiva Ultrassônica Explicada

Como a maioria dos processos AM, máquinas UAM criam peças baseadas em um modelo de Desenho Assistido por Computador (CAD). Uma vez que um modelo foi feito, o arquivo é "fatiado" em seções transversais 2-dimensionais usadas para construir a peça camada por camada — mais sobre isso em um momento.

No entanto, além do aspecto de modelagem 3D, a UAM difere significativamente de outras técnicas AM. Onde a maioria das técnicas AM — como SLS — produzem peças a partir de material em pó, a UAM usa folhas de lâmina metálica. Além disso, ao contrário de outras técnicas AM, a UAM não usa calor. Em vez disso, usa uma ferramenta chamada sonotrodo para criar vibrações ultrassônicas que — em combinação com pressão — forçam duas camadas de metal a se ligarem.

(Fonte: The Effect of Ultrasonic Additive Manufacturing on Integrated Printed Electronic Conductors, Electronic Material Letters 14, 413-425, 2018)

O processo de manufatura é assim:

• Uma placa base metálica sólida é fixada no lugar na plataforma de construção
• Lâmina metálica é colocada sobre a placa base, e toda a plataforma de construção é movida sob o sonotrodo, ligando a lâmina à placa base. Neste ponto, a peça não tem forma alguma
• Este processo é repetido até que as camadas ligadas atinjam uma profundidade predeterminada
• Uma máquina CNC — semelhante às usadas na usinagem CNC subtrativa tradicional — apara a peça em forma removendo o excesso de lâmina
• Este ciclo é repetido até que a peça atinja uma altura especificada
• Uma ferramenta de fresamento menor molda ainda mais a peça e completa qualquer fresamento interno necessário para a peça finalizada
• O ciclo completo UAM é repetido até que a peça esteja finalizada
• A peça é removida da plataforma de construção, e a placa base é destacada

Como você pode ver, a UAM é na verdade um processo híbrido aditivo e subtrativo, que combina a abordagem em camadas das técnicas AM com fresamento CNC subtrativo.

Máquinas de Manufatura Ultrassônica

O processo UAM usa uma linha de máquinas de impressão 3D ultrassônica desenvolvidas pela Fabrisonic, LLC. As máquinas podem criar ligações extremamente fortes mesmo entre metais diferentes. E, como o processo não envolve calor alto, o processo de ligação não causa mudanças na estrutura molecular das camadas, evitando as características quebradiças inerentes a alguns outros processos AM de metal.

Outro benefício das máquinas Fabrisonic é que elas podem ligar metais que não podem ser usados com outras técnicas, incluindo cobre e alumínio.

Claro que, embora as máquinas sejam indubitavelmente impressionantes, elas não são adequadas para uso doméstico. Com até a menor máquina focada em P&D custando pouco menos de US$ 200.000, máquinas UAM Fabrisonic são apenas para fins industriais e de pesquisa.

Pré-Processamento de Modelos para Manufatura Ultrassônica

Antes de produzir uma peça usando UAM, você deve primeiro passar pela fase de pré-processamento. Durante esta fase, o modelo CAD 3D da peça a ser produzida é analisado usando software de modelagem especializado.

A preparação de dados para UAM segue um processo semelhante à preparação de dados para SLS. Embora a UAM não tenha as mesmas limitações do SLS quando se trata de paredes finas e bordas afiadas, ainda requer um grau de pré-processamento:

• Peças que incorporam geometrias complexas devem ser simplificadas usando uma ferramenta de simplificação de geometria
• Designers devem usar ferramentas e técnicas de modelagem de simulação para garantir que a peça seja adequada para impressão UAM e aguente uso no mundo real

Uma vez que a peça foi processada, software de "fatiamento" é usado para converter o modelo 3D em camadas 2-dimensionais conhecidas como seções transversais. Embora aplicações gratuitas possam completar este processo de preparação de dados, designers profissionais são mais bem servidos usando um pacote de software reconhecido.

Se sua organização desenvolve aplicações que lidam com pré-processamento para UAM, a Spatial está aqui para ajudar.

Com mais de três décadas de experiência em modelagem 3D, a Spatial fornece capacidades abrangentes de pré-processamento e bibliotecas pré-construídas que você pode incorporar em suas aplicações de software. Expanda a funcionalidade de suas aplicações ou produtos de hardware e diferencie suas ofertas dos concorrentes — sem investir anos de P&D para desenvolver essas capacidades internamente.

Para saber mais sobre como a Spatial pode ajudar, confira nossos Toolkits de Desenvolvimento de Software de Modelagem 3D comprovados pela indústria.

Vantagens e Limitações da Manufatura Aditiva Ultrassônica

A UAM oferece três vantagens significativas que a maioria dos outros processos AM não pode entregar.

1. Pode produzir peças metálicas com canais internos "impossíveis".

Muitas peças requerem canais internos, frequentemente para fins de resfriamento. No entanto, com outros processos AM como FDM e SLS — e certamente com técnicas tradicionais de manufatura subtrativa — produzir peças com caminhos de fluxo 3D conformais complexos é praticamente impossível. Com o uso de "UAM de altíssima potência", máquinas modernas Fabrisonic podem fazer peças de alumínio e cobre, que ajudam a liberar calor enquanto também diminuem o peso.

2. Pode ligar múltiplos metais.

Como a UAM não envolve calor alto, não muda a microestrutura dos metais usados. Como resultado, a UAM pode ligar metais diferentes sem criar os desajustes e estruturas quebradiças inerentes a outras tecnologias de processos AM de metal. Uma ampla gama de combinações de materiais é possível.

3. Pode embutir sensores e circuitos.

O mais incrível, peças UAM podem até ser impressas com sensores e circuitos internos — uma capacidade única em AM. Isso não é possível na manufatura tradicional, pois as tensões e temperaturas envolvidas danificariam esses componentes sensíveis. Com UAM, sensores podem ser embutidos em qualquer lugar em uma estrutura metálica, dando-lhe muitas aplicações valiosas em saúde, controle de processo e até Internet das Coisas (IoT).

Finalmente, como a UAM requer menos escavação do que técnicas como SLS, também desperdiça menos material.

No entanto, tudo isso vem com um preço — literalmente. Como notamos anteriormente, a menor máquina vendida pela Fabrisonic custa quase US$ 200.000. A empresa não lista preços para suas máquinas maiores, mas organizações podem esperar pagar uma quantia substancialmente maior por elas.

Quando Você Precisa Usar UAM?

Dada sua capacidade de ligar uma ampla variedade de metais diferentes, a UAM tem aplicações claras nas indústrias aeroespacial e automotiva. Sua capacidade de produzir peças com canais de resfriamento complexos é extremamente valiosa nestas indústrias e outras como manufatura industrial, dispositivos médicos e equipamentos de alta tecnologia.

Além disso, a facilidade da UAM de produzir peças com sensores e circuitos embutidos a torna altamente desejável para produzir dispositivos inteligentes estilo IoT em uma ampla gama de indústrias. Muitas indústrias tradicionais agora usam uma ampla gama de sensores e dispositivos de rastreamento para gerenciar operações autonomamente, e a UAM é frequentemente usada para produzir peças para esses dispositivos.

Claro, por mais valiosa que a UAM seja, ela depende fortemente da capacidade do fabricante de produzir modelos 3D precisos e otimizados. E, dada a complexidade de muitas peças UAM, software poderoso é necessário para produzir esses modelos.

Pronto para construir funcionalidade UAM poderosa e bibliotecas completas pré-construídas em suas soluções de software e hardware? Entre em contato com os especialistas da Spatial hoje.