Comparando Produção de Metal por Impressão 3D: Fundição em Cera Perdida vs Sinterização Direta a Laser (DMLS)

O mundo da fabricação de protótipos em ligas metálicas e manufatura de pequenas séries avançou muito graças à tecnologia de impressão 3D. No entanto, existem algumas técnicas tradicionais que não desapareceram, mas evoluíram.

Este é o caso da fabricação por cera perdida, técnica milenar que evoluiu de ter que fazer uma cera original de forma mais ou menos artesanal, para fazer moldes de cera leve e poder fabricar séries curtas, até finalmente poder fabricar peças em impressoras 3D de resina, como Form 2 e resina Castable, ou impressoras FDM com materiais especializados para cera perdida (MoldLay) que revolucionaram o mercado como o PolyCast, graças à sua alta precisão e excelente acabamento superficial.

Vídeo 1: Fabricação de peças por cera perdida usando PolyCast. Fonte: Polymaker

Voltando aos primórdios da impressão 3D, encontramos o PLA, material barato usado por quase todas as impressoras 3D, incluindo domésticas, capaz de fabricar a peça original que depois é inserida em uma massa de areia e aglutinante para formar um molde quando aquecido no forno.

Há alguns anos (2015), quando esta técnica ainda não era de uso comum, a ennomotive, plataforma de inovação com comunidade global de engenheiros, pediu-lhes, a pedido de um cliente, que propusessem uma solução inovadora, mais rápida e barata, para fazer seus protótipos em ligas de titânio para o mundo da aviação, e se possível, também fabricar séries curtas, totalmente funcionais, sem o custo econômico e tempo que envolve o processo tradicional de fabricação de moldes metálicos para injeção ou fundição de peças.

Naquele momento, um dos engenheiros da comunidade, da Faixa de Gaza, que havia desenvolvido seus estudos de engenharia nos EUA e cujo projeto final foi sobre esta técnica de impressão 3D em PLA e fabricação pelo método da cera perdida, propôs como solução. Ele conhecia bem suas virtudes.

O cliente, incrédulo diante de uma solução que lhe poupava meses e muitos milhares de euros, e que não era usada ou proposta por nenhum dos milhares de engenheiros que a empresa tinha, comentou: "A peça assim fabricada atende aos rigorosos padrões da regulação aérea?" A resposta foi devastadora: "Sim, e há também quem esteja começando a usá-la, e podemos colocá-lo em contato com quem pode fazê-la, levará 3 dias a mais de transporte".

Naquela época, impressoras 3D que podiam fazer peças metálicas ainda o faziam com apenas algumas ligas, não conseguiam os acabamentos necessários, nem as mesmas especificações técnicas de uma peça feita por moldagem (e centrifugação, ou vácuo se necessário), além de serem lentas e caras.

Mas a tecnologia continua sua evolução, e as propriedades técnicas das peças fabricadas melhoraram, assim como seu custo e o número de ligas disponíveis. No entanto, a tecnologia da cera perdida continua plenamente vigente e evoluindo baseada na impressão 3D FDM, então, embora a tecnologia DMLS tenha avançado muito, qual seria agora a recomendação dos engenheiros da comunidade se voltassem a perguntar na ennomotive.com?

Bem, a resposta é que varia, e muito, conforme a peça, requisitos técnicos, dimensionais, materiais, etc., e poderia acontecer que a evolução dos métodos de fabricação levasse alguns engenheiros a recomendar: "Modifique o desenho" ou "Mude materiais", como fizeram da primeira vez, perguntando por que esta peça foi feita em liga de titânio e não em algum tipo de resina que pudesse atender às especificações técnicas demandadas.

Por isso, existem uma série de recomendações ao escolher tecnologia de fabricação, mas é o olho especialista do engenheiro projetista, que conhece bem estas técnicas (e olho porque melhoram a cada dia) o que pode conseguir a melhor combinação qualidade/custo.

• Neste momento, as duas técnicas conseguem acabamentos superficiais muito semelhantes, destacando uma ou outra dependendo da qualidade do processo e do material. Por exemplo, existem impressoras DMLS que oferecem grande qualidade superficial, mas também existem filamentos para impressão 3D FDM (PolyCast) que conseguem acabamento completamente liso.
• Quanto à precisão geométrica, o debate é bastante equilibrado, sendo verdade que com a tecnologia DMLS se conseguem peças finais com precisão maior de 0,1 mm ± 0,3%.
• Quanto a tamanhos, peças grandes podem ser impressas na cera perdida, de 2 m por exemplo, enquanto com DMLS costumam ser menores, embora possam ser unidas depois, atingindo o tamanho necessário.
• Onde a cera perdida leva vantagem, é possível escolher o material desejado sem limites, enquanto o catálogo de materiais para DMLS, embora esteja aumentando, é limitado.
• Em contrapartida, a tecnologia DMLS permite formas geométricas mais complexas (por exemplo, estruturas internas) e paredes mais finas, o que não é permitido pela tecnologia de cera perdida, que permite geometrias complexas mas com limite.
• O DMLS permite imprimir diferentes componentes ao mesmo tempo, integrados na mesma peça (embora isto não fosse o caso).
• Mas se você prioriza velocidade e custo, que é fundamental para a indústria, no momento é favorável à cera perdida, por isso ainda é amplamente usada na indústria aeronáutica; embora o rápido progresso da tecnologia DMLS a torne cada vez mais próxima e a cada dia mais usada na indústria.

Então, na peça mencionada acima, como sua geometria não era muito complicada e o material era uma liga especial, para produção de séries curtas, provavelmente optaria novamente pela cera perdida, especialmente agora que existem materiais para impressão 3D FDM como o PolyCast, filamento desenvolvido exclusivamente para fabricação por cera perdida. Embora, no momento em que você ler este artigo, as tabelas possam ter mudado. Voltaremos a perguntar à comunidade de engenharia? Ou estaremos atentos às últimas novidades em impressão 3D?

O desenvolvimento de materiais e tecnologias é tão rápido que fazem uma solução aceita como válida hoje, ficar obsoleta em menos de 5 anos. O ritmo frenético de avanços na manufatura aditiva é imparável.

Artigo em colaboração com ennomotive.