Os desafios e soluções únicos na impressão 3D de metal

A impressão 3D de metal tem seus desafios e oportunidades práticos. Obtenha uma compreensão mais profunda de onde esperar problemas e como lidar com eles. Além disso, saiba mais sobre tecnologias emergentes que podem mudar a direção do mercado.

O futuro chegou na impressão 3D de metal – e seu preço de entrada pode estar fazendo ventos contrários. Os grandes da manufatura estão nessa área muito profundamente – e podem precisar da ajuda de uma loja especializada menor. O que é preciso para adotar 3D e metal juntos? Abraçar novas abordagens de engenharia e se acostumar com novos materiais, como pós metálicos, para começar.

A SpaceX constrói peças-chave com ele. Assim como a NASA, Boeing, Lockheed Martin e GE Aviation. Esses e outros fabricantes estão imprimindo em 3D peças de metal para uso nas aeronaves que nos transportam de cidade em cidade, nas espaçonaves que levam os astronautas à órbita próxima à Terra e nos foguetes que lançam os Tesla Roadsters vermelhos ao cinturão de asteróides. As empresas médicas também estão entrando no jogo da manufatura aditiva com implantes impressos em 3D para substituições de quadril e placas de reparo do crânio para vítimas de acidentes. Produtos automotivos e de consumo também estão se alinhando.

Se você é um fabricante subcontratado de uma dessas grandes empresas aeroespaciais, já entende os desafios que acompanham essa tecnologia complexa. Embora não substitua os tradicionais ou muitos processos de usinagem e fabricação CNC em nossas vidas, está mudando o cenário das opções de fabricação disponíveis.

Veja os números:a pesquisadora de mercado IDTechEx prevê que a impressão 3D de metal crescerá para uma indústria de US$ 12 bilhões até 2028 – acima de cerca de US$ 2,5 bilhões em 2018. . O próximo material mais próximo, o polímero, obteve 31% da demanda – com 6% esperando imprimir cerâmica.

“As empresas o escolhem [metal] porque permite que os produtos sejam impressos a partir de metais preciosos, titânio, aço ferramenta, aço inoxidável e ligas de alumínio”, diz a EY no relatório. “Entre as empresas que já utilizam impressão 3D em metal, empresas de dois setores lideram as listas:aeroespacial e automotiva. Sessenta e cinco por cento dessas empresas usam impressão 3D de metal; essa alta proporção se deve ao grande número de componentes metálicos em produtos desses setores.”

Esteja preparado para esperar e limpar peças e componentes de metal impressos em 3D

Antes de entrar no negócio de impressão 3D, prepare-se. Pode parecer óbvio, mas construir peças dessa maneira não é nada como monopolizar um bloco de alumínio ou girar um eixo de cromo-cobalto. A ferramenta é um laser, o material é uma pilha de pó de metal e o acessório é uma placa de metal plana. Carregue o programa, aperte o início do ciclo – e horas ou dias depois, sua peça está pronta. Quase.

Aqui está o problema:não apenas as velocidades de construção com impressão 3D de metal são glacialmente lentas em comparação com a usinagem, mas também as peças não são necessariamente concluídas quando processadas, nem são completamente precisas. Quer você conheça como sinterização direta a laser de metal, fusão por feixe de elétrons ou fusão seletiva a laser, as tolerâncias típicas usando a fusão em leito de pó são em torno de +/- 0,005 polegadas com um acabamento de superfície comparável a uma fundição de investimento (figura em torno de 125 Ra, na melhor das hipóteses ). Isso significa que a usinagem geralmente é necessária para limpar quaisquer superfícies críticas, furos, roscas cortadas e muito mais.

Além disso, a fusão em leito de pó requer estruturas como andaimes para apoiar a peça de trabalho durante o processamento. Isso significa que esmerilhamento, jateamento e usinagem adicional podem ser necessários para remover esses suportes.

Você quer uma base mais fundamental sobre por que e como o 3D causou impacto? Confira “O caso da impressão 3D na manufatura”.

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Está quente:estresse de impressão 3D em metais

Há também estresse térmico a considerar. Lasers e feixes de elétrons aquecem partículas de titânio, alumínio, aço inoxidável, cromo cobalto, aço ferramenta e dezenas de outras ligas até seus pontos de fusão, que podem exceder 2.700 graus. Uma vez que cada camada está completa, o pó fresco é adicionado e o processo começa novamente. Como você pode imaginar, esse aquecimento e resfriamento repetitivos criam um estresse tremendo que deve ser controlado durante o processo de construção e depois recozido após a construção por meio de tratamento térmico.

Isso é muito para pensar e gerenciar. Além disso, aqueles que buscam uma estratégia de impressão 3D devem observar a escalabilidade, modelagem, camadas e simulação.

Escalabilidade

Até recentemente, a maior impressora 3D de metal mal era grande o suficiente para imprimir uma torradeira. Hoje, as máquinas disponíveis comercialmente podem construir peças do tamanho de uma canoa e depositar 20 libras de metal por hora. Qual o tamanho da máquina que você precisa, qual tecnologia é melhor e qual é o tamanho do seu orçamento? Você pode calcular que custará US $ 1 milhão ou mais, sem contar a curva de aprendizado.

Modelagem

Um dos maiores obstáculos enfrentados pelos fabricantes de aditivos é o design das peças. Os engenheiros devem aprender a pensar de forma diferente se quiserem ter sucesso com essa tecnologia – e isso significa adotar geometrias complexas e “formas orgânicas” que antes não podiam ser fabricadas. Claro, cabe aos maquinistas e engenheiros de fabricação descobrir como fixar as peças de formato estranho que estão surgindo.

Estratificação

Uma vez aprovado o projeto, o programador ou operador da impressora 3D deve projetar as estruturas de suporte e determinar a melhor forma de posicionar e construir a peça. A boa notícia é que existem muitos programas de software projetados para essa finalidade - e essa tarefa não é nem de longe tão difícil quanto antes.

Simulação

A cama está cheia de pó, a placa de construção está limpa e o metal está pronto para derreter. Antes de apertar o botão, porém, é importante avaliar o processo de construção usando simulação de software. Isso ajudará a identificar áreas onde o estresse térmico pode aumentar sua cabeça feia, detectar onde as estruturas de suporte são necessárias (ou desnecessárias) e confirmar se o design da peça existente é adequado para impressão 3D.

Metal impresso em 3D, conheça seu novo amigo, polímero

No mundo da impressão em metal 3D, a fusão em leito de pó reina suprema – pelo menos por enquanto. Várias novas tecnologias estão entrando no território do leito de pó, incluindo abordagens de pulverização térmica e extrusão que prometem custos mais baixos (na faixa de US$ 120.000 em oposição a US$ 500.000 e acima), maior precisão e velocidades de construção muito mais rápidas. Uma delas funciona como uma impressora a jato de tinta, exceto que a “tinta” é feita de pó de metal misturado com um aglutinante de polímero.

A peça é construída em um estado “verde” antes de ser colocada em um forno para sinterização, que é um pouco diferente do processo de moldagem por injeção de metal de décadas. Como usa o mesmo pó metálico, não recebe tanto escrutínio metalúrgico quanto outros pós aditivos. E como todas as tecnologias de impressão 3D de metal, produz peças totalmente densas.

Semelhante à tecnologia “binder-jet” usada em algumas impressoras de polímero mais recentes, as velocidades de construção são supostamente 10 a 100 vezes mais rápidas do que a concorrência. Os custos da máquina são uma fração dos custos de leito de pó ou máquinas-ferramentas híbridas. Há pouca necessidade de estruturas de suporte, e as que são usadas podem ser removidas facilmente após a sinterização. E como não há luz de laser - apenas UV para curar o material do aglutinante - e o metal é fornecido em cartuchos de impressão com os quais qualquer funcionário de escritório estaria familiarizado, há muito menos preocupações com saúde e segurança.

“Adotar a impressão 3D de metal para fazer peças de uso final foi um passo que algumas empresas de usinagem deram, mas não era algo que as lojas em todos os lugares pudessem fazer”, observa Peter Zelinski, editor-chefe da Modern Machine Shop, no artigo “A chegada do Low-Cost Metal AM?” “Agora, a impressão 3D de metal de baixo custo pode significar que as lojas empregarão rotineiramente métodos aditivos e subtrativos para peças metálicas. E também pode significar que a gama de peças metálicas adequadas para aditivos está se preparando para expandir.”

Você já teve alguma experiência com impressão 3D de metal ou qualquer outro processo de manufatura aditiva? Como tem sido para você e sua loja?