Manufatura Aditiva de Metais: Insights Essenciais para Produção Moderna

A manufatura aditiva transformou a indústria manufatureira desde seu início comercial no final do século XX. À medida que os processos aditivos continuam a tomar a indústria de assalto, a Manufatura Aditiva de Metais (Metal AM) e suas inúmeras aplicações estão indo para a vanguarda da manufatura para produção.

Impulsionada pelo lançamento de novas máquinas de Metal AM com plataformas de materiais abertas e velocidades de impressão mais rápidas, as vendas de sistemas de Metal AM estão crescendo, com o segmento esperado para criar uma oportunidade de receita de quase 4 bilhões até 2024. À medida que os avanços na manufatura aditiva de metais continuam, é importante estar ciente dos benefícios do Metal AM e como as inúmeras aplicações do processo estão mudando a face da manufatura.

Links Rápidos:

• História da Manufatura Aditiva de Metais
• Processos de Manufatura Aditiva de Metais / Impressão 3D
• Técnicas de Manufatura Aditiva de Metais
• Vantagens da Tecnologia Metal AM
• Aproveite a Manufatura Aditiva na Sua Instalação na Califórnia com a CMTC

História da Manufatura Aditiva de Metais

O processo de manufatura aditiva pode traçar suas raízes ao meados dos anos 1980, quando métodos de desenvolvimento de produto mais rápido foram introduzidos. Originalmente chamada de prototipagem rápida, este processo era capaz de produzir modelos dimensionais para criar protótipos mais rápidos para testar o ajuste e função do modelo.

Em 1987, uma nova técnica de processamento de plástico conhecida como Estereolitografia (SLA) tornou-se comercializada, tornando-se a primeira patente em manufatura aditiva. Com SLA, os fabricantes podiam solidificar polímeros líquidos sensíveis à luz UV com um laser, produzindo modelos 3-D mais rápido do que nunca. Este marco nos processos aditivos ofereceu a fabricantes, engenheiros e designers novas oportunidades para criar produtos mais eficientemente do que antes.

No início dos anos 1990, outros processos de manufatura aditiva baseados em polímeros tornaram-se comercialmente disponíveis. Em 1992, a Sinterização Seletiva a Laser (SLS), que funde materiais em pó em um sólido usando um laser, tornou-se disponível. Não muito depois, a manufatura aditiva de metais foi patenteada e disponibilizada ao mercado. Como outros processos de manufatura aditiva, esta tecnologia permitiu a produção rápida de protótipos, produtos e ferramentas de metal. Embora a introdução de processos de manufatura aditiva de metais permitisse a fabricação de peças de metal por sinterização do pó de metal de escolha, o resultado final eram materiais mais comparáveis a compostos do que a ligas, já que materiais com pontos de fusão baixos podiam agora ser combinados com metais de alta resistência, como aço inoxidável.

Processos de Manufatura Aditiva de Metais e Impressão 3D

O processo de manufatura aditiva cria objetos adicionando material camada por camada, seja metal, plástico ou cerâmica. A manufatura aditiva pode aumentar e, em alguns casos, substituir métodos tradicionais de criação de objetos através de usinagem, corte, torneamento, conformação, fresamento e outros processos de manufatura "subtrativos".

Para fazer um objeto usando manufatura aditiva, um design é criado usando software CAD (Design Assistido por Computador) ou digitalizando o objeto que será impresso. O software pode traduzir a digitalização em uma estrutura precisa para a máquina de impressão 3D seguir camada por camada.

A manufatura aditiva de metais, também conhecida como impressão 3D de metal, pega o processo de manufatura aditiva e o aplica exclusivamente a metais. Ao colocar pós metálicos em camadas, seja com uma fonte de energia ou um agente aglutinante, objetos precisos podem ser projetados e construídos. Devido aos avanços em máquinas de manufatura aditiva, objetos que nunca poderiam ter sido criados mesmo alguns anos atrás agora podem ser fabricados com nova resistência e padrões usando uma variedade de materiais.

A ampla gama de pós metálicos disponíveis para técnicas de manufatura aditiva está em constante expansão. Alguns dos materiais metálicos mais comuns incluem graus de aço inoxidável, níquel, cobalto-cromo, ligas de titânio e alumínio. Esta gama crescente de materiais de construção permite que o fabricante escolha o material certo para as especificações e expectativas exatas do objeto.

Técnicas de Manufatura Aditiva de Metais

Os métodos de manufatura aditiva de metais podem ser classificados pelo processo usado para unir o metal, que inclui um aglutinante, bico aquecido ou lasers. Abaixo estão algumas das técnicas mais comuns de manufatura aditiva de metais. Dependendo da técnica empregada, a peça impressa resultante pode ser de forma final (net-shape) ou quase forma final (near-net shape).

Aditivo de Leito de Pó Baseado a Laser

Métodos de fusão de leito de pó (PBF) empregam o uso de um laser ou feixe de elétrons para derreter e fundir o pó de metal em um sólido. Esta técnica inclui os seguintes métodos de manufatura aditiva de metais: Fusão por Feixe de Elétrons (EBM), Sinterização Direta a Laser de Metal (DMLS), Sinterização Seletiva por Calor (SHS) e Fusão Seletiva a Laser (SLM). A Sinterização Seletiva a Laser (SLS) é uma técnica adicional que usa um laser como fonte de energia para sinterizar materiais em pó, embora polímeros, em vez de metais, sejam comumente usados em SLS.

Independentemente do método, todas as técnicas de leito de pó baseadas a laser requerem a espalhamento do pó de metal sobre camadas anteriores, seja através de um rolo ou lâmina. Os metais mais comumente empregados neste processo aditivo são aço inoxidável, titânio, alumínio, aço, cobalto cromo e cobre.

Jateamento de Aglutinante Metálico (Metal Binder Jetting)

Este método de manufatura aditiva de metais é semelhante ao de uma impressora a jato de tinta bidimensional. Pós metálicos são jateados sobre uma plataforma de construção para imprimir objetos usando uma abordagem contínua ou gota sob demanda (DOD). Um aglutinante líquido é aplicado para combinar o pó camada por camada, construindo o objeto desejado. Peças recém-impressas são inicialmente frágeis e requerem sinterização e infiltração de pós-processamento para serem fortalecidas. O resultado final pode passar por um processo de acabamento opcional onde a peça é polida ou banhada com níquel ou ouro.

Um dos benefícios únicos do jateamento de aglutinante é a eliminação de qualquer fusão de pós metálicos, o que pode levar a tensões residuais. Também é uma das técnicas de manufatura aditiva de metais menos caras.

Laminação de Chapas

Este método une chapas de material camada por camada através de colagem, soldagem ultrassônica ou brasagem para construir um objeto. Métodos de laminação de chapas são processos de baixa temperatura e podem unir diferentes materiais. Tipicamente, métodos de laminação de chapas são para modelos visuais e estéticos, em vez de uso estrutural.

Deposição de Energia Direcionada (Directed Energy Deposition)

Um processo de impressão 3D mais complexo, este método opera como seu nome sugere — uma fonte de energia focalizada, como um laser ou feixe de elétrons, é direcionada ao material de construção para derretê-lo enquanto é depositado simultaneamente camada por camada. Esta técnica é comumente usada para reparar ou adicionar material a estruturas existentes. A Deposição de Energia Direcionada (DED) usa um bico aquecido para depositar material derretido — tipicamente titânio ou cobalto cromo — sobre a superfície especificada onde se solidifica.

Vantagens da Tecnologia Metal AM

Nas últimas décadas de sua existência, as tecnologias de manufatura aditiva tiveram um impacto revolucionário no setor manufatureiro como um todo. Esta capacidade de coalescer montagens — imprimir uma peça como uma única unidade em vez de múltiplas peças que devem ser unidas ou fixadas — reduz desperdício de material e tipicamente melhora a qualidade e desempenho geral do produto. Além dessa vantagem de economia de desperdício, os métodos de Metal AM oferecem benefícios únicos que incluem:

Complexidade é "Grátis"

Ao usar processos de manufatura subtrativos tradicionais, o aumento da complexidade no design de uma peça resulta em custos cada vez maiores, pois mais operações de fresamento, contorno e acabamento subtrativos são necessárias. Ao usar Aditivo, a complexidade de um design adiciona pouco custo e muitas vezes reduz o custo da peça. Por exemplo, se a peça é uma peça prismática — um bloco retangular sólido — fresar a partir de um tarugo near-net shape é simples e requer poucas passagens na fresadora e, portanto, baixo custo. Imprimir o bloco usando Aditivo exigiria muitas passagens na máquina para depositar a quantidade necessária de material para construir a forma, resultando em custo muito maior. No entanto, se a peça é uma forma orgânica — pense em uma braçadeira que parece uma estrutura de raiz de árvore — o fresamento provavelmente exigirá fixações personalizadas e muitas passagens na máquina, frequentemente com múltiplas trocas de ferramenta e codificação extensiva de caminho de ferramenta, tudo levando a alto custo. Para imprimir a forma orgânica com Aditivo, o caminho da ferramenta é criado automaticamente usando software e o número de passagens e quantidade de material depositado é muito reduzido, resultando em custo menor para esta peça.

Eliminando Custos Extras

Processos aditivos de metal reduzem desperdício de material comparados a métodos tradicionais. Como a matéria-prima é construída precisamente camada por camada, há pouca necessidade de subtrair ou aparar peças do objeto sólido. Apenas o material necessário é usado e colocado exatamente onde é necessário, tornando as tecnologias Metal AM eficientes em recursos.

Além disso, a manufatura aditiva de metais reduz desperdício eliminando a necessidade de ferramentas caras, economizando dinheiro e tempo para seu negócio. Escolhendo o processo certo de manufatura aditiva de metais, você pode acessar uma ampla variedade de materiais para atender às suas necessidades específicas de produção.

Ampla Gama de Materiais

As propriedades e desempenho geral de um material são determinados por sua composição química, estado cristalino e microarquitetura subjacente. Essas características forçam engenheiros a aceitar certas compensações ao escolher um material para uma aplicação específica. No entanto, esta concessão pode em breve ser coisa do passado devido a avanços na tecnologia de impressão 3D.

Enquanto antes os fabricantes eram limitados aos materiais usados em Metal AM, há uma variedade cada vez maior de pós metálicos capazes de serem usados. Alguns dos materiais metálicos mais comuns disponíveis incluem:

• Aço inoxidável
• Aço
• Titânio
• Alumínio
• Cobre
• Cobalto Cromo
• Ligas de titânio
• Ligas de níquel
• Ouro
• Prata
• Platina
• Paládio

À medida que avanços na manufatura aditiva são feitos, a lista de pós metálicos capazes de serem usados continuará a expandir.

Melhoria nas Capacidades de Design e Otimização Topológica

Com a manufatura aditiva de metais, estruturas únicas e complexas podem ser criadas que de outra forma teriam levado tempo e peças adicionais. Ao coalescer montagens, objetos agora podem ser produzidos como uma única unidade para maior resistência e eficiência, em vez de múltiplas peças que devem ser unidas ou fixadas pós-produção.

Além disso, avanços recentes em design automatizado permitiram a produção de produtos para uma riqueza de aplicações. Software de Otimização Topológica permite que designers especifiquem os parâmetros de uma peça e permitam que o software defina sua arquitetura com base em propriedades estruturais, funcionais, térmicas ou outras desejadas. Os resultados finais são designs que podem ser feitos mais fortes, leves, resistentes e mais resistentes a forças naturais e condições externas.

Redução no Tempo de Produção

Uma das vantagens bem conhecidas da manufatura aditiva de metais é a redução do tempo que leva para produtos transitarem da fase de design para produção final quando comparado à usinagem tradicional. Como há pouca necessidade de usinagem e ferramentas específicas para processar o objeto após ser impresso em 3D, o Metal AM pode criar peças em dias em vez de semanas.

Aproveite a Manufatura Aditiva na Sua Instalação na Califórnia com a CMTC

A manufatura aditiva de metais soa como uma tecnologia que poderia ser aproveitada pelo seu negócio manufatureiro? Como qualquer nova tecnologia, sempre há uma curva de aprendizado. É por isso que no nosso guia Tipos de Processos de Manufatura Aditiva de Metais, nos aprofundamos no funcionamento interno de todos os processos mencionados acima, os materiais usados e os prós e contras de cada um.

Mantenha-se informado e acompanhe outros da indústria baixando o guia gratuito hoje. Enquanto isso, se você tiver alguma dúvida adicional sobre manufatura aditiva, entre em contato com os especialistas da CMTC. Estamos aqui e felizes em ajudar!