Impressoras 3D Powder Bed Fusion:tipos, benefícios, limites e como funcionam

Quando os fabricantes desejam fabricar peças impressas em 3D com geometrias complexas, muitas vezes recorrem a máquinas de fusão em leito de pó (PBF). Essas peças são notoriamente difíceis de fabricar (às vezes impossíveis) com métodos de fabricação tradicionais. Vamos aprender mais sobre isso.

O que são máquinas de fusão em leito de pó (PBF)?

As máquinas PBF são impressoras 3D que podem criar peças complexas, intrincadas e de alta qualidade para diversas aplicações em diversos setores. Eles funcionam derretendo e fundindo camadas de pós metálicos ou plásticos usando um laser ou feixe de elétrons para construir a peça, camada por camada, a partir de um leito de pó. Pode fabricar peças customizadas com propriedades específicas, como resistência ou resistência ao calor, que atendem às necessidades específicas dos clientes. Você pode ver a aparência de uma dessas máquinas na imagem abaixo.

A grande vantagem do PBF é que ele geralmente reduz ao mínimo o desperdício, pois o excesso de pó é coletado e reciclado após a conclusão da peça. Há também iteração rápida nos projetos, permitindo que os engenheiros atualizem projetos CAD e reimprimam peças defeituosas. Quando se trata de peças complexas com geometrias internas complexas, o PBF é o método de impressão 3D preferido. Uma peça completa pode ser projetada, fabricada, testada, redesenhada e impressa novamente com muito mais rapidez do que com outros métodos, como fundição de metal ou MIM. As máquinas PBF podem produzir múltiplas peças simultaneamente, o que melhora a produtividade e reduz o tempo necessário para fabricar peças.

O PBF pode trabalhar com uma ampla variedade de plásticos e metais, e as peças fabricadas requerem estruturas mínimas de suporte durante a impressão; o pó não utilizado atua como suporte. Por exemplo, ao fazer canais de resfriamento dentro das pás da turbina, o excesso de pó pode simplesmente ser despejado. Dito isto, o PBF é um processo relativamente lento com um longo tempo de impressão devido à necessidade de pré-aquecimento do pó, geração de vácuo e períodos de resfriamento. Além disso, como são feitas uma camada de cada vez, as propriedades estruturais das peças de PBF normalmente não são tão fortes quanto aquelas feitas por meio de outros processos. A qualidade da superfície também dependerá do tamanho do grão do pó e pode assemelhar-se a processos de fabricação como fundição em areia e fundição sob pressão. 

Você também terá que tomar cuidado com a distorção térmica que pode causar encolhimento e empenamento das peças fabricadas, principalmente se forem feitas de polímero. Outra desvantagem para alguns pode ser o alto custo; tanto o equipamento quanto os materiais são caros. Embora seja possível encontrar sistemas de ponta a ponta abaixo de US$ 100.000, os preços normalmente começam na faixa de US$ 150.000 a US$ 200.000, com modelos de última geração às vezes custando mais de US$ 1.000.000. É também um processo que consome muita energia. O pó não utilizado que permanece após a impressão e é removido no pós-processamento deve ser reciclado de forma eficiente, embora o pré-aquecimento ainda possa afetar parte do material não utilizado. 

Como funcionam as máquinas de fusão em leito de pó (PBF)?

As etapas do processo de impressão 3D PBF são as seguintes:

1. Um modelo CAD deve ser criado e dividido em camadas. A impressora 3D é programada com a sequência de construção antes do início da impressão.
2. Uma camada fina e uniforme de pó (normalmente 0,1 mm) é espalhada pela plataforma de construção.
3. O leito de pó é aquecido a uma temperatura ligeiramente abaixo do ponto de fusão do material para reduzir o estresse térmico.
4. Um laser de alta potência ou feixe de elétrons derrete seletivamente a camada de pó com base no modelo digital. O material solidifica à medida que esfria.
5. A plataforma de construção desce uma espessura de camada e o processo se repete até que a peça esteja totalmente formada.
6. Uma vez concluída a impressão, a peça é removida do leito de pó e quaisquer etapas de pós-processamento podem ser iniciadas. 

Quais são os tipos de máquinas de fusão em leito de pó (PBF)?

Existem diferentes tipos de máquinas PBF que podem ser usadas para imprimir peças. Existem dois tipos principais de técnicas de fabricação aditiva por fusão em leito de pó (PBF):feixe de laser (PBF-LB) e feixe de elétrons (PBF-EB). Cada um desses tipos possui tecnologias de marca registrada associadas a eles. Estes são sinterização direta a laser de metal (DMLS), sinterização seletiva a laser (SLS), fusão seletiva a laser (SLM) e fusão por feixe de elétrons (EBM). Os processos se diferenciam pelos materiais de impressão 3D utilizados e pela fonte térmica utilizada para fundir os pós. Os métodos PBF usam lasers ou feixes de elétrons para fundir as partículas em pó. Cada um desses métodos é discutido separadamente nas seções a seguir:

1. Sinterização direta a laser de metal (DMLS)

DMLS é uma técnica de fabricação aditiva de PBF que utiliza um laser de alta potência para fundir seletivamente pós metálicos. O processo é semelhante ao SLS, mas usa pós metálicos em vez de plásticos. O feixe de laser derrete e funde as partículas metálicas para formar uma peça sólida, camada por camada. DMLS é comumente usado nas indústrias aeroespacial e médica para a produção de peças metálicas complexas com alta precisão e propriedades mecânicas desejáveis.

2. Sinterização Seletiva a Laser (SLS)

SLS é uma técnica de impressão 3D que usa um laser de alta potência para fundir seletivamente materiais poliméricos em pó, normalmente plásticos ou náilon, em objetos sólidos. Ele constrói peças camada por camada, com cada camada sendo fundida pelo laser. O material em pó não fundido sustenta a peça durante o processo de construção, eliminando a necessidade de estruturas de suporte. O SLS é amplamente utilizado em prototipagem, design de produtos e produção de pequenos lotes.

3. Fusão seletiva a laser (SLM)

SLM e SLS compartilham semelhanças no sentido de que ambos os processos utilizam um laser de alta potência para fornecer calor, enquadrando-se na categoria de PBF-LB. No entanto, o SLM difere porque o laser derrete totalmente o pó em vez de apenas sinterizá-lo. Isso resulta em uma peça final mais densa e resistente. O processo é comumente usado com pós metálicos, como titânio e suas ligas, ligas de alumínio e aço inoxidável. Metais mais incomuns, como o tungstênio, podem ser processados, mas sua aplicação tende a ser mais especializada. Uma atmosfera inerte, geralmente argônio, é empregada na câmara de construção para evitar oxidação ou nitretação do material consolidado. SLM é comumente usado nas indústrias aeroespacial, médica e automotiva para produzir peças com propriedades mecânicas de alta qualidade e geometrias complexas.

4. Fusão por feixe de elétrons (EBM)

EBM é outro processo de fusão em leito de pó usado para criar peças metálicas. Ele usa um feixe em vez de um laser para derreter e fundir pós metálicos. Ao contrário das técnicas baseadas em laser, uma impressora EBM opera como um acelerador de partículas de pequena escala, disparando elétrons no leito de pó sob vácuo para derreter o material metálico. Os elétrons carregados podem causar a dispersão das partículas de pó, razão pela qual cada camada de material é normalmente pré-sinterizada antes do início do processo de impressão 3D. Além disso, toda a base de impressão é mantida quente durante toda a construção. Durante o processo de impressão 3D, as peças são construídas dentro da torta de pó semi-sinterizada, o que fornece suporte e muitas vezes elimina a necessidade de estruturas de suporte adicionais. Vale ressaltar que existe uma variação do EBM que permite a sinterização de peças dentro do pó solto.

O EBM é normalmente usado para produzir peças metálicas grandes e complexas para aplicações aeroespaciais e médicas. A EBM oferece velocidades de construção mais altas e menos tensão residual nas peças do que outras técnicas de PBF, mas o equipamento é normalmente mais caro do que outras máquinas.

Quais são os benefícios do uso de máquinas de fusão em leito de pó (PBF) para impressão 3D?

• Flexível
• Tempos de fabricação aprimorados para peças com designs complexos
• Redução de resíduos e, por sua vez, redução de custos e impacto ambiental
• Funciona com uma variedade de materiais
• Precisa de estruturas mínimas de suporte durante a impressão

Quais são as limitações do uso de máquinas de fusão em leito de pó (PBF) para impressão 3D?

• Longo tempo de impressão e processo lento
• Propriedades estruturais fracas
• A textura da superfície depende do tamanho do grão do pó
• Maquinaria e pólvora caros
• Distorção térmica
• Consome muita energia

Qual é o processo de fabricação da fusão em leito de pó (PBF)?

O processo de fabricação do PBF envolve as seguintes etapas:

1. Projete um arquivo CAD e vincule-o à impressora 3D. O desenho é cortado numericamente em camadas e a sequência de impressão é predeterminada antes do início da impressão propriamente dita. 
2. Espalhe o pó em uma plataforma de construção. Uma fina camada de pó é distribuída uniformemente pela área de construção.
3. Aqueça toda a área de construção a uma temperatura ligeiramente abaixo do ponto de fusão das partículas de pó.
4. Use um laser de alta potência ou feixe de elétrons para derreter seletivamente o pó em áreas específicas, de acordo com um padrão pré-programado. O pó derretido solidifica à medida que esfria e forma uma camada sólida.
5. A plataforma de construção é abaixada em uma camada de espessura e o processo se repete até que a peça esteja completa.
6. Uma vez finalizada a impressão, as peças são retiradas do leito de pó. Eles passam por diversas etapas de pós-processamento, como remoção de estruturas de suporte, tratamento térmico, usinagem ou polimento.

Como é o processo pós-fabricação do PBF?

O pós-processamento de peças impressas em PBF será diferente para diferentes materiais utilizados e para os diferentes métodos utilizados para imprimir a peça. 

As peças metálicas de PBF necessitam de tratamento térmico devido às tensões internas causadas pelo processo. Após o tratamento térmico, as estruturas de suporte são removidas e o pós-processamento adicional pode prosseguir. Dependendo dos requisitos do cliente, existem diversas opções de pós-processamento disponíveis, incluindo usinagem CNC e polimento.

As peças metálicas EBM flutuam livremente no substrato e são suportadas por pó semi-sinterizado durante a construção. Suportes sacrificiais podem ser adicionados para controle de calor ou pós-processamento. As peças EBM exigem a quebra da torta de pó, mas não exigem necessariamente uma etapa de tratamento térmico devido às temperaturas elevadas dentro da impressora.

As peças plásticas, por outro lado, são removidas do leito de pó não fundido e o excesso de material é removido com um jato de esferas, resultando em um acabamento superficial consistente. As peças SLS são deixadas como estão quando o jateamento do cordão é concluído, mas são boas candidatas para tingimento adicional se a cor for desejada.

Como as máquinas PBF diferem de outros tipos de impressoras 3D?

As máquinas PBF diferem de outros tipos de impressoras 3D de várias maneiras. A diferença mais significativa é como eles constroem as peças camada por camada usando materiais em pó. As máquinas PBF usam um laser de alta potência ou feixe de elétrons para fundir seletivamente pós metálicos ou plásticos, enquanto outras impressoras 3D podem usar métodos de extrusão ou fotopolimerização. As máquinas PBF também são capazes de produzir peças altamente complexas e intricadas com alto grau de precisão e exatidão. Além disso, as máquinas PBF são capazes de produzir peças plásticas funcionais com propriedades mecânicas excepcionais, superando aquelas alcançadas por qualquer outra tecnologia de impressão 3D. No entanto, muitas vezes requerem pós-processamento para atingir o acabamento superficial desejado e podem ter limitações em termos de tamanho e geometria das peças que podem produzir. Além do mais, as máquinas PBF tendem a ser mais caras e requerem conhecimento e treinamento mais especializados para operar.

Quais materiais podem ser usados com máquinas PBF?

As impressoras 3D PBF suportam uma ampla variedade de materiais, listados abaixo:

Plásticos

• Nylon (incluindo vidro e enchimento mineral)
• Polipropileno
• Polieteretercetona (PEEK)
• Polietercetonacetona (PEKK)
• TPU

Metais

• Alumínio e ligas leves
• Ligas de cromo-cobalto
• Metais preciosos (ouro, prata)
• Cobre e ligas (bronze, latão)
• Inconel®
• Aço (carbono, liga e aço inoxidável 316 L e 17-4PH)
• Titânio e ligas
• Níquel e ligas

Quais são as aplicações comuns das máquinas PBF em diferentes indústrias?

• Aeroespacial (pás de turbina, bicos de combustível, palhetas guia)
• Médico (peças ortopédicas personalizadas, implantes cranianos/acetabulares em liga de titânio, articulações artificiais do quadril)
• Automotivo (prototipagem, pastilhas de freio com dutos de refrigeração para automobilismo)
• Componentes de aeronaves militares

Como o desenvolvimento de máquinas PBF impactou a indústria manufatureira?

O desenvolvimento de máquinas de fusão em leito de pó (PBF) revolucionou a indústria manufatureira de várias maneiras. Um dos impactos mais significativos é a maior liberdade de design que proporciona. As máquinas PBF permitem a criação de geometrias complexas e intrincadas que seriam difíceis ou impossíveis de produzir utilizando métodos de fabricação tradicionais. 

Outro impacto importante das máquinas PBF é a prototipagem mais rápida, que reduziu significativamente o tempo e o custo necessários para desenvolver novos produtos. Com a prototipagem rápida, os fabricantes podem testar rapidamente os seus conceitos de design e fazer melhorias antes de finalizar o design de produção. 

As máquinas PBF também contribuíram para reduzir o desperdício na fabricação. Ao utilizar apenas o material necessário para criar uma peça, as máquinas PBF reduzem o desperdício e diminuem o custo dos materiais. Isto não beneficia apenas o meio ambiente, mas também os resultados financeiros dos fabricantes. Em termos de eficiência, as máquinas PBF podem produzir múltiplas peças simultaneamente, o que melhora a produtividade e reduz o tempo necessário para a fabricação das peças. Por fim, as máquinas PBF permitem a produção de peças customizadas com propriedades específicas, como resistência, durabilidade e resistência ao calor. Isto levou ao desenvolvimento de novos produtos com características únicas que atendem às necessidades específicas dos clientes. 

Quanto custam as máquinas PBF em comparação com o DED?

O custo das máquinas PBF e máquinas DED (deposição de energia dirigida) pode variar dependendo de vários fatores, como fabricante, modelo, tamanho e características. Contudo, em geral, as máquinas PBF tendem a ser mais caras que as máquinas DED. As máquinas PBF utilizam tecnologia mais avançada e são capazes de produzir peças com maior precisão e melhor acabamento superficial.

Quais medidas de segurança devem ser seguidas na operação de máquinas PBF?

Manter-se seguro ao fabricar peças com PBF, assim como acontece com a maioria dos processos de fabricação, deve ser uma prioridade. Aqui estão algumas coisas a serem consideradas em relação à segurança. 

1. As máquinas PBF emitem fumaça e poeira fina. Certifique-se de trabalhar em uma área adequadamente ventilada para minimizar os riscos de inalação.
2. Use EPI, incluindo luvas, óculos de segurança e respiradores, ao manusear pós e operar a máquina.
3. Evite tocar em componentes aquecidos ou peças impressas até que esfriem e tenha cuidado com bordas afiadas, especialmente com impressões metálicas.
4. Altas temperaturas e faíscas representam risco de incêndio, portanto, mantenha um extintor de incêndio por perto e remova materiais inflamáveis da área.
5. Os pós metálicos podem ser perigosos. Manuseie-os com cuidado e use equipamento de proteção para evitar inalação ou contato com a pele.
6. Inspeções e manutenção regulares ajudarão a evitar mau funcionamento e garantir uma operação segura.

Pós-processamento para PBF

Os métodos de pós-processamento para peças impressas em PBF variam de acordo com o material e o processo de fabricação utilizado. Peças metálicas PBF feitas via DMLS ou SLM normalmente precisam de tratamento térmico para aliviar tensões internas causadas pelo processo de impressão. Após o tratamento térmico, as estruturas de suporte são removidas, seguidas de pós-processamento adicional, como usinagem CNC, polimento ou tratamentos de superfície. 

As peças metálicas feitas com EBM, ao contrário dos métodos PBF metálicos baseados em laser, são suportadas por uma torta de pó semi-sinterizada em vez de um substrato sólido. Eles devem ser extraídos do leito de pó, mas geralmente não necessitam de tratamento térmico, pois as altas temperaturas de construção mantêm a tensão residual ao mínimo. Suportes sacrificiais podem ser adicionados para controle de calor ou pós-processamento. As peças plásticas de SLS são removidas do leito de pó e limpas para remover o excesso de material, geralmente usando jateamento para obter um acabamento uniforme. Eles podem ser deixados como estão ou tingidos para personalização de cores.

Como o PBF contribui para a Manufatura Aditiva?

O PBF contribui para a fabricação aditiva de diversas maneiras. Primeiro, permite a produção de geometrias complexas que seriam difíceis ou impossíveis de criar utilizando métodos de produção tradicionais. Em segundo lugar, permite a criação de peças personalizadas com propriedades específicas, como resistência ou resistência ao calor. Terceiro, pode produzir peças mais rapidamente e com menos desperdício do que os métodos tradicionais de fabricação. Finalmente, tem o potencial de reduzir o custo de produção, especialmente para produtos de baixo volume e alto valor.

As máquinas PBF são caras?

Sim, as máquinas PBF são bastante caras. Embora seja possível encontrar sistemas ponta a ponta abaixo de US$ 100.000, os preços normalmente começam na faixa de US$ 150.000 a US$ 200.000. Máquinas PBF de última geração podem custar mais de US$ 1.000.000. O custo desses sistemas depende do tamanho, capacidades e recursos da máquina. O custo das máquinas PBF diminui, no entanto, ao longo do tempo, à medida que a tecnologia se torna mais difundida e novos fabricantes entram no mercado. Além disso, as potenciais poupanças de custos e eficiências obtidas com a utilização de máquinas PBF para determinadas aplicações podem justificar o investimento para algumas empresas.

As máquinas PBF produzem soluções de maior qualidade do que as máquinas DED (Directed Energy Deposition)?

As máquinas PBF e as máquinas DED (deposição de energia dirigida) têm diferentes pontos fortes e fracos, por isso é difícil fazer uma declaração geral sobre quais produzem soluções de maior qualidade. As máquinas PBF são geralmente mais adequadas para produzir peças de alta precisão com detalhes finos, melhores acabamentos superficiais e excelentes propriedades mecânicas. O processo de fusão em leito de pó permite geometrias complexas e controle preciso sobre a distribuição do material, resultando em peças com excelente precisão dimensional e acabamento superficial, embora às vezes seja necessário pós-processamento. As máquinas PBF também podem produzir peças em uma ampla variedade de materiais, incluindo metais, cerâmicas e plásticos.

Por outro lado, as máquinas DED são mais adequadas para a produção de peças grandes com geometrias complexas, como componentes aeroespaciais ou moldes industriais. As máquinas DED são normalmente mais rápidas que as máquinas PBF e podem lidar com peças de tamanhos maiores, mas podem não ter o mesmo nível de precisão ou acabamento superficial.

Perguntas frequentes sobre máquinas de fusão em leito de pó

Qual é a diferença entre máquinas PBF e DED?

As máquinas PBF e as máquinas DED (deposição de energia dirigida) têm diferentes pontos fortes e fracos, por isso é difícil fazer uma declaração geral sobre quais produzem soluções de maior qualidade. As máquinas PBF são geralmente mais adequadas para produzir peças de alta precisão com detalhes finos, melhores acabamentos superficiais e excelentes propriedades mecânicas. O processo de fusão em leito de pó permite geometrias complexas e controle preciso sobre a distribuição do material, resultando em peças com excelente precisão dimensional e acabamento superficial, embora às vezes seja necessário pós-processamento. As máquinas PBF também podem produzir peças em uma ampla variedade de materiais, incluindo metais, cerâmicas e plásticos.

Por outro lado, as máquinas DED são mais adequadas para a produção de peças grandes com geometrias complexas, como componentes aeroespaciais ou moldes industriais. As máquinas DED são normalmente mais rápidas que as máquinas PBF e podem lidar com peças de tamanhos maiores, mas podem não ter o mesmo nível de precisão ou acabamento superficial. O custo das máquinas PBF e DED pode variar dependendo de diversos fatores, como fabricante, modelo, tamanho e características. Contudo, em geral, as máquinas PBF tendem a ser mais caras que as máquinas DED. As máquinas PBF utilizam tecnologia mais avançada e são capazes de produzir peças com maior precisão e melhor acabamento superficial.

Como as máquinas PBF diferem de outros tipos de impressoras 3D?

As máquinas PBF diferem de outros tipos de impressoras 3D de várias maneiras, sendo a principal delas a forma como constroem peças camada por camada usando materiais em pó em vez de filamento ou resina. Enquanto as máquinas PBF usam um laser de alta potência ou feixe de elétrons para fundir seletivamente o material, outras impressoras 3D podem usar métodos de extrusão ou fotopolimerização. As máquinas PBF são mais precisas e podem fabricar peças plásticas funcionais com excelentes propriedades mecânicas – melhores do que qualquer outra tecnologia de impressão 3D. No entanto, muitas vezes requerem pós-processamento para atingir o acabamento superficial desejado e podem ter limitações em termos de tamanho e geometria. As máquinas PBF também tendem a ser mais caras e requerem conhecimento e treinamento mais especializados para operar.

Qual é o melhor material para usar com máquinas PBF?

Isso vai depender do que você precisa fazer e de outros fatores, como seu orçamento. Cada material tem propriedades, pontos fortes e fracos exclusivos que podem afetar o processo de impressão. Os metais precisam de altas temperaturas e energia para derreter e solidificar o material, o que pode aumentar o tempo e o custo de impressão. Os polímeros requerem temperaturas mais baixas e menos energia que os metais, o que pode significar tempos de impressão mais rápidos e custos mais baixos. Mas é importante notar que os polímeros podem ter propriedades mecânicas de qualidade inferior às dos metais e podem ser mais suscetíveis a empenamentos e deformações. Novamente, o melhor material para o seu projeto será baseado nas propriedades que você precisa e em quanto você tem para gastar.

Por que o PBF é bom para prototipagem?

As máquinas PBF permitem uma prototipagem mais rápida, reduzindo significativamente o tempo e o custo necessários para desenvolver novos produtos. Com a prototipagem rápida, os fabricantes podem testar rapidamente os seus conceitos de design e fazer melhorias antes de finalizar o design de produção.



Kat de Naoum

Kat de Naoum é escritora, autora, editora e especialista em conteúdo do Reino Unido com mais de 20 anos de experiência em redação. Kat tem experiência em escrever para diversas organizações técnicas e de manufatura e adora o mundo da engenharia. Além de escrever, Kat foi paralegal por quase 10 anos, sete dos quais em finanças de navios. Ela escreveu para muitas publicações, tanto impressas quanto online. Kat é bacharel em literatura e filosofia inglesa e mestre em redação criativa pela Kingston University.

Leia mais artigos de Kat de Naoum