A impressão 3D de metal evolui rapidamente – como aproveitar novas tecnologias com segurança

O que é impressão 3D em metal?

Primeiro, o básico:existem vários métodos de fabricação aditiva de metal, incluindo o DMLS (sinterização direta a laser de metal) mais difundido, bem como o método mais recentemente popular de jateamento de ligante de metal. No DMLS, o pó metálico é diretamente derretido (ou sinterizado) por um laser, camada por camada, para criar peças. No entanto, o jato de ligante metálico coloca camadas adesivas em uma bandeja de pó metálico, permitindo que as peças impressas sejam peneiradas da matéria-prima quando finalizadas, sem a necessidade de remover estruturas de suporte. A partir daqui as peças podem ser cozidas e sinterizadas ou infundidas com metal (como o bronze) para atingir sua forma final. Isso permite uma maior produção em massa de peças metálicas assim que a otimização inicial do projeto for concluída.

Como a fabricação de aditivos metálicos está evoluindo

As interrupções na cadeia de abastecimento ocorridas nos últimos dois anos aumentaram drasticamente a popularidade de um campo já em rápido crescimento, especialmente para empresas médicas e aeroespaciais. As previsões de 2018 e 2019 da Deloitte e da PwC previam que a popularidade da impressão 3D continuaria a crescer, em parte porque o metal e outros materiais não plásticos estavam se tornando disponíveis para uso na impressão 3D. A PwC previu especificamente o crescimento de toda uma cadeia de fornecimento de fabricação aditiva de metal, incluindo empresas que produzem as próprias impressoras e software, fornecedores de materiais de impressão e empresas de serviços. Isto concretizou-se em nichos de mercado à medida que é oferecida mais tecnologia para complementar a impressão 3D em metal, um sinal da maturidade do sector.

Embora a impressão 3D de metal tenha sido inicialmente limitada a enormes impressoras DMLS industriais, ela evoluiu para máquinas mais complexas e menores que permitem uma maior variedade de produção. Mais pequenas impressoras 3D de metal, incluindo modelos de jateamento de ligantes de metal, estão chegando ao mercado. Eles ocupam menos espaço no chão de fábrica e custam muito menos, quebrando a barreira de entrada para empresas que desejam iniciar a fabricação de aditivos metálicos. Ao mesmo tempo, os fabricantes de impressoras industriais de maior dimensão estão a criar bases de impressão maiores para permitir a criação de mais peças por impressão. Eles também adicionam continuamente mais e mais lasers a grandes impressoras DMLS, o que aumenta a velocidade e a consistência de uma impressão, facilitando a previsão.

Prever os resultados da fabricação aditiva de metal também está ficando mais fácil. Embora originalmente o usuário só pudesse ver o resultado da peça imprimindo-a, as impressoras mais recentes têm um software melhor para prever os resultados do projeto. Conceitos como gêmeos digitais, que simulam o resultado de uma peça impressa em 3D antes mesmo de a impressão começar, também ajudarão a evitar erros à medida que avançam. Algum dia, esses gêmeos também poderão trabalhar em vários programas e máquinas, à medida que uma peça passa por vários processos de fabricação.

O próprio material metálico está se tornando mais disponível para fabricação aditiva. Prevê-se que os custos dos filamentos metálicos e do pó cairão. Além disso, algumas impressoras chegaram ao mercado que usam material de moldagem por injeção de metal encapsulado em polímero, que é mais barato do que os metais tradicionais de impressão 3D. Ao mesmo tempo, as empresas já demonstram um interesse crescente em metais de alto desempenho, como metais refratários, como o tungstênio. No futuro, mais metais de alto desempenho estarão disponíveis para aplicações industriais, incluindo ligas de alta entropia. No entanto, os plásticos de fabricação aditiva continuam a evoluir e podem eventualmente substituir os metais em algumas propriedades como uma alternativa mais barata às ligas caras e raras.

Vantagens da impressão 3D em metal

Por que a manufatura aditiva de metal está ganhando tanto terreno? Como você verá na próxima seção, diferentes setores consideram valiosos diferentes aspectos dele. Em geral, porém, este novo método de produção permite:

• uso eficiente de energia e materiais
• criação sob demanda de uma peça no ponto de uso
• cadeias de abastecimento encurtadas
• mais liberdade no design
• menos configurações do que qualquer outro tipo de fabricação (isso inclui maior flexibilidade e menos despesas do que vários conjuntos de ferramentas).

Aplicações de fabricação de aditivos metálicos

A impressão 3D de metal tornou-se mais popular em mercados onde prazos curtos são importantes, bem como onde há muitos metais caros usados para fabricar peças pequenas. As empresas aeroespaciais e de defesa foram algumas das primeiras a adotar a impressão 3D em metal, seguidas de perto pelas indústrias médica e odontológica. Estas indústrias adotaram pela primeira vez a impressão 3D em metal porque aborda os fatores que fazem com que as peças padrão para estes setores custem mais do que em outros setores.

As peças aeroespaciais são historicamente caras por vários motivos, incluindo os raros materiais utilizados, a necessidade de prazos de entrega curtos e a precisão extra necessária para garantir que funcionem de acordo com as especificações. Eles também precisam ser o mais leves possível. A fabricação aditiva de metal aborda todos esses fatores de uma forma menos dispendiosa do que os processos de fabricação mais tradicionais. Uma peça metálica impressa em 3D pode pesar até 70% menos do que uma peça idêntica produzida por outros métodos. Como uma impressora utiliza apenas o material necessário, o desperdício de materiais caros, como titânio e ligas de níquel, é reduzido ao mínimo em comparação com os processos de fabricação subtrativos. Ao mesmo tempo, os prazos de entrega já apertados para produtos como turbinas de motores a jato são reduzidos e é possível obter precisão adicional com menos esforço (e, portanto, custo). Além disso, sistemas complexos no setor aeroespacial podem ser redesenhados, simplificados e testados mais facilmente por meio da impressão 3D, pois a impressão pode reduzir o número de componentes necessários e acelerar o tempo para criar um protótipo de sistema complexo.

Os fabricantes médicos e odontológicos também usam a impressão 3D por sua capacidade de criar peças leves e precisas com prazos de entrega curtos. No entanto, estes campos também precisam de atingir um elevado grau de personalização a um custo menor, o que é necessário para produtos como articulações artificiais da anca e implantes dentários.

Além disso, as empresas automotivas têm usado, de forma limitada, a fabricação de aditivos metálicos para peças de alta qualidade. Tal como na indústria aeroespacial e de defesa, a impressão em metal oferece às empresas automóveis um redesenho mais fácil dos sistemas para aumentar o desempenho. Também permite a redução do peso dos componentes metálicos para melhorar a eficiência do combustível e a criação de peças especializadas no mercado de reposição. No entanto, a maioria das peças automotivas são mais baratas do que as peças aeroespaciais ou médicas, e a fabricação aditiva ainda não alcançou a velocidade de outros processos, portanto a impressão 3D só se adapta em determinadas situações para esses fabricantes.

No futuro, indústrias como mineração e petróleo e gás também poderão adotar a impressão 3D de metal, pois esse processo pode ajudar na velocidade de entrega, fator essencial para essas áreas. De acordo com um relatório, 83% das empresas de petróleo e gás estão a pensar em adoptar a impressão 3D ou o fabrico a pedido de peças sobressalentes.

Exemplos de fabricação de aditivos metálicos

Como é isso em termos concretos? Na indústria aeroespacial, a NASA e a SpaceX usaram a manufatura aditiva de metal para fabricar peças de naves espaciais. A NASA usou a técnica para criar uma bomba turbo de motor de foguete que continha 45% menos peças. No caso da SpaceX, as peças impressas em 3D foram para a câmara de combustão do motor da nave SuperDraco.

Existem também exemplos de fabricação de aditivos metálicos na área médica. Em 2016, o FDA aprovou implantes metálicos impressos em 3D para procedimentos médicos, e eles têm sido usados ​​desde então não apenas em implantes de quadril, mas também em uma caixa torácica artificial personalizada e em um implante de crânio. A Xometry ajudou a construir novos protótipos de robôs cirúrgicos por meio de impressão 3D e outros serviços de fabricação, criando peças clinicamente validadas.

Existem alguns exemplos notáveis de outras empresas que adoptaram esta tecnologia; A Ford instalou recentemente um robô autônomo para controlar impressoras, criando peças de uso final, para que pudesse aumentar a produção de impressão. Entretanto, a Volkswagen implementou a impressão a jacto de pasta na sua sede na Alemanha. Vários fornecedores de petróleo e gás também estão experimentando ou implementando a impressão 3D de metal, incluindo a PGV, que tem impresso peças como cunhas de ferramentas e pistões sob demanda o suficiente para reduzir os prazos de entrega em 50-80% e o estoque físico em 50%.

Desvantagens da fabricação de aditivos metálicos

Para se popularizar em mais indústrias, a impressão 3D em metal ainda precisará superar alguns obstáculos. Ambos os tipos de impressão são limitados na quantidade de peças que podem ser impressas simultaneamente pelo tamanho da placa de construção. Para DMLS, o pós-processamento necessário para remover estruturas de suporte é demorado e acrescenta custos. O Binder Jetting não possui estruturas de suporte, permitindo uma produção mais rápida em lotes maiores. No entanto, nenhum dos métodos atingiu ainda a velocidade e o rendimento dos processos de fabricação mais tradicionais, como estampagem ou forjamento. Por isso, é essencial escolher cuidadosamente quais peças produzir usando esse método para garantir que ele proporcione um benefício econômico.

Embora a impressão 3D em metal ofereça vários benefícios, só faz sentido implementá-la em determinadas circunstâncias. É importante investigar se sua empresa se beneficiará com o uso desse processo de fabricação e, em segundo lugar, se você deve terceirizar o processo ou trazê-lo internamente.

Qualquer empresa pode começar a usar peças impressas em 3D, mas aquelas que não são capazes de fazer um investimento inicial em equipamentos e processos de suporte, muitas vezes usarão fabricantes terceirizados de aditivos para fabricar as peças. As empresas que pretendam criar instalações internas de fabrico aditivo terão de ter em conta equipamento adicional e formação para impressoras DMLS (tais como remoção de estrutura de suporte e procedimentos de segurança DMLA) e impressoras de jato de ligante (tais como cozimento e sinterização ou infusão das peças impressas).

Para determinar se vale a pena imprimir em 3D, pergunte-se:

• Quais peças que você produz atualmente se beneficiarão com a impressão 3D?
• Qual será o benefício em termos de custos?
• Qual impacto a impressão 3D terá na sua estratégia de negócios?
• Que impacto esse processo terá nas suas cadeias de fornecimento?
• Quais considerações regulatórias você precisará considerar?

Qualquer empresa que queira começar a usar a manufatura aditiva deve primeiro formar uma equipe para conversar com pessoas de vários departamentos para saber quem são as partes interessadas e quais peças devem ser impressas em 3D primeiro. Se você determinou que sua empresa pode prosseguir com a incorporação da impressão 3D, há outras decisões a serem tomadas sobre usar um fabricante de impressão 3D ou configurar esse processo em sua própria empresa.

As empresas que investem em custos iniciais de impressão 3D descobrirão que economizarão dinheiro no longo prazo e terão mais controle sobre o processo. Embora um bom fabricante de aditivos forneça protecção à propriedade intelectual e segurança cibernética, este controlo adicional pode ser apelativo para empresas que pretendam evitar a partilha de informações. As empresas que desejam fabricar internamente devem considerar se a sua produção será centralizada a partir de um local ou distribuída a partir de vários locais. Muitas empresas que decidem adotar a impressão 3D internamente também começarão com fabricantes terceirizados de aditivos para obter conselhos sobre o que é possível e transferir conhecimento para seus próprios funcionários antes de configurar suas próprias impressoras. 

As empresas que poderão beneficiar mais da terceirização permanente incluirão aquelas sem orçamento para o custo inicial de compra e instalação de todo o equipamento e formação necessários. Além disso, as empresas que desejam produção de baixo volume ou que simplesmente desejam experimentar pequenas tiragens de produtos também serão beneficiadas. Finalmente, se as peças precisarem ser testadas ou analisadas, pode ser mais fácil trabalhar com um fabricante de aditivos que possa fazer isso por você. Qualquer empresa que queira terceirizar a impressão 3D deve decidir se as peças impressas em 3D vêm de OEMs, fornecedores de nível 1 ou outros.

Como projetar para impressão 3D em metal

Esteja você projetando novas peças para impressão 3D ou criando peças que já produz com um processo de fabricação, é vital projetar peças especificamente para o processo de impressão, em vez de transferir designs de outros processos. Caso contrário, as peças impressas custarão, na melhor das hipóteses, mais caro e, na pior das hipóteses, não terão um desempenho tão bom quanto as mesmas peças feitas com outros processos.

Cobrimos mais detalhes sobre design para impressão 3D em nossos guias detalhados para design de jato de ligante de metal, design DMLS e design geral de impressão 3D. No entanto, brevemente, há alguns pontos que é importante lembrar:

• A espessura da parede deve ser de pelo menos 0,7 mm (0,024 polegadas) em recursos autoportantes e de pelo menos 1,2 mm (0,048 polegadas) em recursos não suportados ou de suporte de carga. A espessura da parede também deve permanecer uniforme.
• Mantenha um espaço de pelo menos 0,5 mm (0,020 pol.) entre os recursos das peças.
• Elimine cavidades confinadas no projeto da peça, pois é aqui que o material preso ou as estruturas de suporte podem permanecer e bloquear o material que precisa sair durante o pós-processamento.
• Cantos arredondados para reduzir pontos de tensão e aumentar o desempenho da peça ao longo de sua vida útil.
• Tenha cuidado com os cantilevers, pois eles são delicados em peças impressas em 3D, especialmente as grandes e pesadas.

Serviço de impressão 3D de metal da Xometry

Com desenvolvimentos na impressão de metais que vão desde novas impressoras a materiais e software, este campo oferece oportunidades interessantes para cadeias de produção e fornecimento, independentemente do tamanho da empresa. No entanto, é essencial garantir que este processo seja aplicado a pontos problemáticos que outros métodos de fabricação não conseguem resolver. Se você vê a manufatura aditiva metálica como uma solução para sua empresa, nós podemos ajudar. Confira nossa página de recursos sobre impressão 3D em metal para ver como podemos ajudá-lo ou vá direto para nossa página de orçamento instantâneo para obter sugestões aprimoradas por IA sobre a melhor maneira de criar seus produtos. Depois de enviar seu arquivo e requisitos, você receberá uma cotação e prazo de entrega em um minuto. 

Isenção de responsabilidade

O conteúdo que aparece nesta página é apenas para fins informativos. A Xometry não faz nenhuma representação ou garantia de qualquer tipo, expressa ou implícita, quanto à precisão, integridade ou validade das informações. Quaisquer parâmetros de desempenho, tolerâncias geométricas, características específicas de design, qualidade e tipos de materiais ou processos não devem ser inferidos para representar o que será entregue por fornecedores ou fabricantes terceirizados através da rede da Xometry. Os compradores que buscam cotações de peças são responsáveis ​​por definir os requisitos específicos dessas peças. Consulte nossos termos e condições para obter mais informações.



Dean McClements

Dean McClements é graduado em Engenharia Mecânica com mais de duas décadas de experiência na indústria de manufatura. Sua jornada profissional inclui funções significativas em empresas líderes como Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace e Hyster-Yale, onde desenvolveu um profundo conhecimento de processos e inovações de engenharia.

Leia mais artigos de Dean McClements