Deposição Direta de Energia (DED):Processo, Benefícios e Limitações

A deposição de energia direta (DED), também conhecida como deposição de energia direcionada, é uma abordagem particular para a fabricação aditiva (impressão 3D). Ele direciona uma fonte de energia para um ponto do material de origem para produzir uma pequena quantidade de fundido e, em seguida, adiciona material de alimentação a esse fundido para depositar novo material no componente. Detalhes sobre as fontes de energia DED disponíveis, diferentes sistemas de alimentação e vantagens e desvantagens serão explicados abaixo.

O que é deposição direta de energia (DED)?

A deposição de energia direta (ou direcionada) (DED) é um método de fabricação aditiva (impressão 3D). Uma fonte de energia é direcionada para um ponto e o material de alimentação é introduzido no mesmo ponto para que possa ser depositado na peça de trabalho. Tem algumas semelhanças com a soldagem robótica, na qual um fio metálico é derretido (depositado) no componente principal. Os dispositivos DED podem usar feixes de elétrons, lasers ou arcos elétricos para formar a poça de fusão. O novo material pode vir na forma de filamento de arame ou pó.

Como funciona a deposição direta de energia (DED)?

A deposição direta de energia funciona aquecendo uma área específica do componente fabricado até a temperatura de fusão e depois adicionando material de alimentação. A cabeça de impressão se move ao longo do caminho de construção e o fundido solidifica com o material de alimentação depositado no corpo principal. 

A fonte de energia direcionada (laser, feixe de elétrons ou arco elétrico) fica no centro da cabeça de impressão, com o material de alimentação adjacente a ela. O material de alimentação pode ser fornecido na forma de filamento de arame ou pó. O filamento é alimentado em um ângulo que derrete no ponto focal da fonte de energia. O pó, por outro lado, é transportado por um gás inerte através de bicos dispostos concentricamente em torno da fonte de energia e direcionados ao ponto de fusão.

A cabeça de impressão possui vários planos de movimento. Ele pode ser montado em um cabeçote CNC multieixo ou em um braço robótico articulado. Para obter mais informações, consulte nosso guia sobre Tipos de Manufatura Aditiva.

Quais são as vantagens de usar a tecnologia DED?

Há uma série de vantagens em usar a tecnologia DED:

1. Volumes de compilação relativamente grandes: Como o cabeçote de impressão de uma máquina DED geralmente é montado em um cabeçote CNC multieixo ou em um braço articulado, ele pode cobrir uma área bastante grande em comparação com outros métodos de impressão 3D (particularmente aqueles que trabalham com metal). As impressões podem exceder um metro cúbico. 
2. Vários materiais: Muitos materiais de alimentação são compatíveis com a fabricação de DED. Eles podem ser introduzidos através de uma mistura de pó ou de múltiplas alimentações de filamentos. Na verdade, a composição do material pode ser alterada durante a construção.
3. Menos desperdício de materiais: Em comparação com a fusão em leito de pó, é necessário aplicar menos material em excesso para completar a impressão.
4. Controle da estrutura do grão: DED permite algum controle da estrutura de grãos do material depositado. Ao ajustar a velocidade da cabeça de impressão, você pode controlar o tempo de resfriamento.
5. Pode ser usado para reparar: O DED não se limita à criação de novas peças do zero, como a maioria dos processos de impressão 3D. As máquinas também podem depositar material diretamente em uma peça existente. Isso significa que o DED pode ser usado para reparar componentes danificados ou desgastados.

Quais são as desvantagens de usar a tecnologia DED?

O DED não é a solução ideal para todos os casos, pois a tecnologia apresenta algumas desvantagens:

1. Baixa resolução: Geralmente, a tecnologia DED só é capaz de criar recursos com baixa resolução de detalhes. Isto é uma função da espessura do fio de alimentação e do tamanho da poça de fusão. A resolução também depende da velocidade de impressão. Uma impressão mais rápida resultará em uma resolução mais baixa.
2. Alto custo de capital: Dispositivos DED são caros. A maioria precisa de sistemas complexos, como uma câmara de impressão hermeticamente selada, sistema de vácuo ou gás inerte, sala de pó para sistemas com alimentação de pó, etc. Eles são uma tecnologia relativamente nova, por isso ainda não receberam muitos refinamentos de redução de custos. 
3. Pós-processamento: As peças fabricadas com tecnologia DED geralmente requerem pós-processamento para obter bons acabamentos superficiais. Isso geralmente ocorre na forma de usinagem e polimento leves para remover o excesso de deposição e criar uma superfície lisa e consistente.

Quais materiais podem ser usados com DED?

DED é capaz de imprimir com materiais variados. A maioria dos materiais usados ​​com tecnologias DED são metais como:titânio e ligas de titânio, Inconel®, tântalo, tungstênio e algumas variedades de aço inoxidável.

Certos não-metais também funcionam em máquinas DED – um tipo de fibra de carbono pode ser impresso no qual um filamento de carbono é colocado em um polímero termoplástico. As cerâmicas de alumina e zircônia também funcionam bem com DED.

Quais são exemplos de aplicações do DED?

A fabricação aditiva com metais e outros materiais dá ao DED a capacidade de se adequar a muitas aplicações, algumas das quais não são opções para outros métodos de impressão 3D: 

1. Reparando peças existentes: O objetivo principal da tecnologia DED é o reparo de peças metálicas. O método pode depositar novo material em superfícies complexas. Com ajustes na velocidade e na fonte de energia, também é possível controlar a estrutura granular do material depositado para corresponder à da peça original. O DED é, portanto, usado para reparar componentes caros, como pás de turbinas.
2. Forma próxima à rede: A DED pode fabricar peças muito próximas das dimensões planejadas. Isto é muito valioso ao fabricar materiais exóticos e caros ou materiais que são muito difíceis de cortar e usinar.
3. Peças compostas ou híbridas: DED oferece a capacidade de imprimir com diferentes materiais ao mesmo tempo. Uma mistura de materiais compatíveis pode entrar no item impresso, e sua composição pode até variar ao longo da impressão.

Quais fatores afetam a qualidade das peças DED?

A qualidade de impressão do DED é crucial para a utilidade dos produtos acabados. Os seguintes fatores influenciam a qualidade:

1. Porosidade: A porosidade no material depositado resulta em pontos fracos – os poros são essencialmente defeitos internos. A porosidade deve ser minimizada secando o pó para evitar a entrada de umidade e pelo uso adequado de gás de proteção.
2. Velocidade de verificação: A velocidade com que o cabeçote se move ao longo do caminho de construção afeta o tamanho da poça de fusão, a taxa de resfriamento e, portanto, a estrutura do grão. Juntos, tudo isso impacta a qualidade da peça. A velocidade ideal dependerá do material utilizado e da estrutura de grão desejada.
3. Poder: A potência fornecida pela fonte de energia tem efeito direto no fundido e está relacionada à velocidade de varredura. A transferência de energia para o componente deve ser suficiente para derreter adequadamente o material hospedeiro, mesmo que a cabeça de impressão DED se mova ao longo do caminho de construção. Se não fornecer energia suficiente, a qualidade de impressão não será boa. 

Quais são alguns desafios comuns na implementação da tecnologia DED?

A tecnologia DED é complexa e desafiadora de implementar. 

1. Elevados custos de capital: Uma das principais barreiras à implementação da tecnologia DED é o grande investimento inicial necessário para a sua implementação. 
2. Falta de técnicos qualificados: Operadores qualificados e experientes são necessários para operar o sistema DED com eficiência e precisão. Como este é um campo em crescimento, é difícil encontrar técnicos qualificados. Você pode optar por treinar seu pessoal internamente em vez de contratar novas pessoas, mas isso ainda não é rápido nem barato. 
3. Nova abordagem de design: Ao projetar componentes a serem construídos com tecnologia DED, você deve sempre considerar como o cabeçote de impressão se move. Se não forem projetadas para isso desde o início, muitas peças precisarão de algum redesenho antes de serem fabricadas com DED. Esse processo sempre acrescenta esforço e horas de trabalho.
4. Ausência de padrões: A manufatura aditiva, em geral, ainda é uma tecnologia relativamente nova e novas abordagens tecnológicas são desenvolvidas a cada ano. Há pouca padronização no gerenciamento de informações digitais, no projeto ou nos processos de fabricação desses sistemas.

O que você deve considerar ao escolher o equipamento DED?

A decisão de qual dispositivo DED comprar requer muita pesquisa e consideração. Há uma série de aspectos importantes a serem investigados ao escolher o equipamento DED:

1. Compatibilidade de materiais: A parte mais importante da decisão é quais materiais você espera que seu equipamento imprima. Uma máquina que pode imprimir cerâmica será significativamente diferente daquela destinada apenas a metais. 
2. Aumentar volume: Outra consideração importante é o maior componente que você espera fabricar. Isso ditará o volume geral de construção do seu equipamento DED. 
3. Precisão: Dependendo do tipo de componentes e do pós-processamento que você está planejando, pode ser necessário escolher o equipamento com base na sua precisão. Você pode ser forçado a avaliar as vantagens e desvantagens entre uma máquina maior e mais rápida e outra com melhor precisão. 

Como o DED se compara aos métodos tradicionais de fabricação?

O DED é capaz de construir um componente muito mais próximo de seu formato final (próximo ao formato final) do que a maioria das opções de fabricação padrão. Assim, utiliza muito menos material para obter o item acabado. Os métodos tradicionais de fabricação exigem um bloco de material de origem que é então esculpido usando métodos de fabricação subtrativos. Eles retiram material para chegar à peça final. Essa remoção de material gera muitos resíduos de material como cortes e aparas. Portanto, o DED é mais eficiente que os métodos tradicionais em termos de utilização de materiais.

Os processos DED também podem gerar peças mais complexas graças ao movimento multieixo da cabeça de impressão e à natureza da construção progressiva de um componente, uma camada por vez. Os itens fabricados tradicionalmente são mais limitados em termos de geometria. Normalmente, peças complexas devem ser construídas como uma série de peças menores a serem montadas após o fato. 

Quais são as preocupações ambientais sobre a tecnologia DED?

Os impactos ambientais da fabricação aditiva como um todo ainda estão sob investigação. A preocupação ambiental mais comum com as tecnologias de fabricação aditiva, incluindo o DED, é a sua alta demanda energética. A escolha do processo de fabricação mais eficiente (entre métodos subtrativos típicos e processos aditivos mais recentes) depende da complexidade e do volume das peças a serem fabricadas.

Quais são os tipos de DED?

Existem atualmente três variações diferentes da tecnologia DED. Eles são categorizados de acordo com a fonte de energia usada para derreter o material de alimentação:

1. DED baseado em plasma ou arco elétrico

Um arco elétrico é criado entre a cabeça de impressão e a peça de trabalho. A fabricação aditiva de arco de arame (WAAM) é um dos principais métodos baseados em arco. 

2. DED baseado em laser

Um laser óptico é usado como fonte de energia nesta variação, também conhecida como modelagem de rede de engenharia a laser (LENS). A fabricação em formato líquido significa que a peça original fabricada está muito próxima das dimensões acabadas (líquidas). Com o LENS, a deposição do material precisa ocorrer em um ambiente inerte para evitar a oxidação, o que significa que a câmara de fabricação deve ser totalmente purgada com gás inerte ou uma alimentação de gás de proteção deve fluir constantemente como uma cobertura ao redor do ponto de deposição.

3. DED baseado em feixe de elétrons

Um feixe de elétrons é usado para fornecer energia para derreter a alimentação na abordagem conhecida como fabricação aditiva por feixe de elétrons (EBAM). Este processo DED deve ocorrer no vácuo para evitar que os elétrons interajam com as moléculas de ar.

Quais são os tipos de feed DED?

Cada dispositivo DED fornece material à superfície da peça usando um dos dois métodos de alimentação: 

1. DED à base de pó

Com uma alimentação de pó, o bocal que fornece a fonte de energia também contém bocais de alimentação de material dispostos concentricamente em torno dele que direcionam o pó para o ponto de deposição. O fluxo de gás inerte é usado para distribuir o pó, e o gás inerte atua ainda para inibir a oxidação ou outras reações químicas entre os materiais fundidos e o ambiente. 

2. DED baseado em fio

O DED baseado em arame é semelhante à soldagem, pois o material de alimentação é fornecido como um filamento de arame. Este fio é alimentado num ângulo ao lado da fonte de energia e a uma taxa constante ditada pela taxa de deposição.