Alcançando Peças Totalmente Metálicas de Alta Qualidade com Impressão 3D FDM

Imagem 1: Modelo feito de aço alto carbono Filamet™ e sinterizado. Fonte: The Virtual Foundry

The Virtual Foundry é uma empresa americana, sediada no Wisconsin, formada por grandes especialistas no setor de metal fundido, que têm trabalhado constantemente desde 2014 para melhorar e expandir a sua gama de filamentos e acessórios para impressão 3D FDM de metal. No início, conseguiram fabricar filamentos com altas percentagens de latão, cobre ou bronze, mas a sua estrutura após sinterização não continha as propriedades dos metais. Através de uma campanha Kickstarter, The Virtual Foundry obteve apoio suficiente para evoluir os seus filamentos para alcançar as mesmas propriedades do metal puro e expandiu a sua gama de materiais (aço inoxidável 316L, ferro de alto carbono, alumínio 6061 e tungsténio). Todos os tipos de Filamet™ consistem num metal base e num polímero biodegradável e ecológico (PLA). Este material é livre de partículas de metal expostas e solventes voláteis que podem ser libertados durante a impressão. Estes materiais são extremamente simples de imprimir, pois as suas propriedades de impressão são semelhantes às do PLA, o que permite a qualquer utilizador de uma impressora 3D FDM criar peças com estes filamentos, sem necessidade de comprar impressoras 3D FDM de metal industriais caras. Uma das principais vantagens dos materiais Filamet™ é que alcançam propriedades semelhantes às possíveis com tecnologia DMLS, mas com certas limitações. Devido à necessidade de sinterizar as peças impressas com este filamento, onde o PLA é removido, as peças têm porosidade, perda de volume e não-isotropia. As impressoras 3D DMLS conseguem imprimir peças completamente sólidas (semelhantes a fundição), com grande detalhe, alturas de camada de 0,02 mm e sem necessidade de pós-processamento, a única desvantagem em comparação com a impressão 3D FDM Filamet™ é o custo de material, fabrico e das próprias impressoras.

Imagem 2: Cones feitos de bronze Filamet™ não sinterizado e sinterizado. Fonte: The Virtual Foundry

Para que a peça impressa seja completamente metálica, deve ser sinterizada num forno. A sinterização é um processo de fabrico de peças sólidas baseado num objeto formado por pó metálico compactado, ao qual se aplica um tratamento térmico a uma temperatura inferior à de fusão, mas suficientemente alta para ligar as partículas de metal de forma resistente, resultando num bloco totalmente sólido. Após impressão com Filamet™, as peças precisam de ser sinterizadas para remover o PLA que faz parte do filamento. A sinterização pode ser feita num forno com ambiente aberto ou vácuo ou inerte.

Sinterização em ambiente aberto

Para sinterização em ambiente aberto é necessário carvão de casca de coco para sinterização, um recipiente refratário (cadinho) e pó refratário de Al₂O₃. O processo começa por lixar as arestas rugosas da peça para melhores resultados.

Primeiro, o cadinho deve ser enchido com pó refratário, deixando um espaço livre na superfície do cadinho. Depois, a peça deve ser imersa no pó refratário, certificando-se de deixar uma folga de pelo menos 15 mm entre a superfície da peça e as paredes e partes superior e inferior do cadinho. O pó refratário não deve ser compactado.

Neste ponto, dependendo do material a sinterizar, o espaço livre na superfície do cadinho deve ser enchido com carvão sinterizado ou o cadinho deve ser colocado no forno.

Imagem 3: Processo de sinterização. Fonte: The Virtual Foundry

Sinterização em vácuo ou ambiente inerte

Para sinterização em vácuo ou ambiente inerte, são necessários um cadinho (recipiente de cozedura) e pó refratário. A peça é preparada para sinterização colocando-a dentro do cadinho e cobrindo-a com pó refratário, tendo em conta que deve haver pelo menos 10 mm de pó entre as superfícies da peça e o cadinho. O cadinho é então colocado no forno.

The Virtual Foundry fornece a seguinte tabela de temperaturas recomendadas, tanto para sinterização em ambiente aberto como em vácuo ou inerte:

Material	Temperatura máxima de sinterização
Bronze	871 ºC
Cobre	1074 ºC
316L	1260 ºC
Inconel	1260 ºC

Tabela 1: Materiais e temperaturas máximas de sinterização.

O utilizador deve ter em conta que estes tempos e temperaturas são orientativos e que podem variar dependendo de muitos aspetos, como o modelo de forno que usam, por exemplo. Filamentos da gama Filamet não incluídos na tabela são considerados experimentais, pelo que o fabricante não tem dados para sinterização.

Se não tiver um forno que cumpra os requisitos para sinterizar peças impressas em 3D com filamentos Filamet™, pode contactar-nos e informaremos sobre a viabilidade e condições de sinterização nas nossas instalações.

Após a sinterização (em ambiente aberto ou em vácuo ou inerte) de qualquer filamento da gama Filamet™, obtêm-se peças totalmente metálicas, com as propriedades reais do metal como condutividade elétrica, pós-processadas por lixamento e polimento ou até unidas por soldadura; mas com uma certa porosidade e redução de volume devido à perda de PLA. O utilizador deve também ter em conta que as propriedades mecânicas do produto final estão diretamente relacionadas com o tempo que a peça impressa é mantida à temperatura de sinterização. Se o produto final é pulverulento e frágil, o tempo de sinterização não foi suficiente. Se a impressão mostra uma superfície semelhante a pele enrugada, está sobre-sinterizada.

Filamet cobre Filamet bronze Filamet aço inox 316L Filamet alumínio 6061

Pós-processamento: Lixamento e polimento

Uma vez sinterizada, a peça pode ser lixada e polida da mesma forma que um metal, mas seguindo uma série de indicações. Com lixa de água é possível eliminar as linhas de impressão e outras pequenas deformações porque as partículas soltas durante o lixamento aderem aos espaços devido ao calor do atrito. No caso de usar lixa ou disco radial 3M, recomenda-se começar a lixar com grão 120 (80 para disco radial 3M), tendo cuidado para não deformar as áreas mais delicadas, como cantos. Uma vez que toda a superfície foi lixada, deve usar-se uma lixa do grão seguinte e assim por diante até aumentar 6 ou 7 (4 vezes para o disco radial 3M). Antes de passar ao polimento final, recomenda-se usar uma lixa de grão 3000, com a qual se alcança certo brilho. Finalmente, e uma vez a peça limpa com um pano de flanela, a peça pode ser polida. TVF recomenda usar uma ferramenta rotativa com disco de polir e cera de polir para tornar o polimento mais rápido e eficiente. Basta aplicar um pouco de cera de polir no disco de polir e polir com movimentos constantes por toda a peça para não gerar excesso de calor, que pode deformar a peça. Além de lixar e polir peças fabricadas com Filamet™, estas podem ser esculpidas, fundidas, soldadas e alisadas com aplicação de calor.

Imagem 4: Balde de cobre polido. Fonte: The Virtual Foundry

Visto como obter peças totalmente metálicas com impressão 3D FDM, podemos concluir dizendo que esta tecnologia de impressão, com a ajuda dos filamentos metálicos da The Virtual Foundry, conseguiu alcançar os poucos setores que lhe faltava conquistar, especialmente alguns do ramo industrial.