Impressão 3D de Metal: Superando Desafios e Aproveitando Soluções Emergentes

A impressão 3D de metal apresenta desafios práticos e oportunidades. Entenda onde esperar dificuldades e como lidar com elas, além de conhecer tecnologias emergentes que podem mudar a direção do mercado.

O futuro chegou na impressão 3D de metal — e seu custo de entrada pode estar criando ventos contrários. Os grandes players da manufatura estão profundamente envolvidos nesta área — e podem precisar da ajuda de uma oficina especializada menor. O que é necessário para adotar a impressão 3D e o metal juntos? Adotar novas abordagens de engenharia e acostumar-se a novos materiais, como pós metálicos, para começar.

A SpaceX constrói peças-chave com ela. NASA, Boeing, Lockheed Martin e GE Aviation também. Esses e outros fabricantes estão imprimindo em 3D peças de metal para uso em aeronaves que nos levam de cidade em cidade, naves espaciais que levam astronautas à órbita terrestre baixa e foguetes que lançam Tesla Roadsters vermelhos ao cinturão de asteroides. Empresas médicas também estão entrando no jogo da manufatura aditiva com implantes impressos em 3D para substituição de quadril e placas de reparo craniano para vítimas de acidentes. Setores automotivo e de bens 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 vá substituir processos tradicionais ou muitos de usinagem CNC e fabricação em nossas vidas, está mudando o cenário das opções de manufatura 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. Um estudo da EY de 2016 descobriu que 52% das empresas pesquisadas escolhem metal na impressão 3D em detrimento de qualquer outro material. O próximo material mais próximo, polímero, obteve 31% da demanda — com 6% esperando imprimir cerâmicas.

"As empresas escolhem [metal] porque permite que produtos sejam impressos a partir de metais preciosos, titânio, aço para ferramentas, aço inoxidável e ligas de alumínio", diz a EY no relatório. "Entre as empresas que já usam impressão 3D de metal, empresas de duas indústrias lideram as listas: aeroespacial e automotiva. 65% dessas empresas usam impressão 3D de metal; essa alta proporção se deve ao enorme número de componentes metálicos em produtos desses setores."

Esteja Preparado para Esperar e Limpar Peças e Componentes Impressos em 3D de Metal

Antes de entrar no negócio de impressão 3D, prepare-se. Pode parecer óbvio, mas construir peças dessa maneira não se parece em nada com desbastar um bloco de alumínio ou tornear um eixo de cobalto-cromo. A ferramenta é um laser, o material é uma pilha de pó metálico e o dispositivo de fixação é uma chapa metálica plana. Carregue o programa, inicie o 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 comparadas à usinagem, mas as peças não estão necessariamente concluídas quando processadas, nem são completamente precisas. Seja conhecida como sinterização a laser direta de metal, fusão por feixe de elétrons ou fusão seletiva a laser, as tolerâncias típicas usando fusão em leito de pó são de cerca de +/- 0,005 polegadas com acabamento superficial comparável a uma fundição de precisão (cerca de 125 Ra, na melhor das hipóteses). Isso significa que a usinagem geralmente é necessária para limpar superfícies críticas, alargar furos, cortar roscas e mais.

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

Quer um fundamento mais básico sobre por que e como a impressão 3D causou impacto? Confira "O Caso da Impressão 3D na Manufatura".

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Está Quente: Estresse da Impressão 3D em Metais

Há também o estresse térmico a considerar. Lasers e feixes de elétrons aquecem partículas de titânio, alumínio, aço inoxidável, cobalto-cromo, aço para ferramentas e dezenas de outras ligas até seus pontos de fusão, que podem exceder 2.700 graus. Uma vez que cada camada é concluída, pó fresco é adicionado e o processo recomeça. Como você pode imaginar, esse aquecimento e resfriamento repetitivo cria tremendo estresse que deve ser controlado durante o processo de construção, depois aliviado pós-construção através de tratamento térmico.

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

Escalabilidade

Até recentemente, a maior impressora 3D de metal mal era grande o suficiente para imprimir uma torradeira. Hoje, máquinas comercialmente disponíveis podem construir peças do tamanho de uma canoa e depositar 9 kg de metal por hora. Que tamanho de máquina você precisa, qual tecnologia é melhor e qual é seu orçamento? Espere custar US$ 1 milhão ou mais, sem contar a curva de aprendizado.

Modelagem

Um dos maiores obstáculos enfrentados por fabricantes aditivos é o design da peça. Engenheiros devem aprender a pensar diferente se quiserem ter sucesso com essa tecnologia — e isso significa abraçar geometrias complexas e "formas orgânicas" que antes eram impossíveis de fabricar. Claro, cabe aos torneiros e engenheiros de manufatura descobrir como fixar as peças de formato estranho que estão chegando.

Camadas

Uma vez que o design foi aprovado, o programador ou operador da impressora 3D deve projetar as estruturas de suporte e determinar a melhor maneira de posicionar e construir a peça. A boa notícia é que há muitos programas de software projetados para esse propósito — e essa tarefa não é nem de longe tão difícil quanto era antes.

Simulação

O leito está cheio 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 surgir, detectar onde 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 3D de metal, a fusão em leito de pó reina suprema — pelo menos por enquanto. Várias novas tecnologias estão avançando no território do leito de pó, incluindo abordagens de pulverização térmica e extrusão prometendo custos menores (na faixa de US$ 120.000 contra US$ 500.000 ou mais), maior precisão e velocidades de construção muito mais rápidas. Uma delas funciona muito como uma impressora a jato de tinta, exceto que a "tinta" é feita de pó metálico misturado com um aglutinante polimérico.

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 injeção de metal com décadas de existência. Como usa o mesmo pó metálico, recebe muito menos escrutínio metalúrgico do que 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 novas, as velocidades de construção são relatadas como 10 a 100 vezes mais rápidas que a concorrência. Custos de máquinas são uma fração dos de leito de pó ou máquinas-ferramenta 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 laser — apenas UV para curar o material aglutinante — e o metal é fornecido em cartuchos compatíveis com impressora que qualquer trabalhador de escritório conheceria, há muito menos preocupações com saúde e segurança.

"A adoção da impressão 3D de metal para fazer peças de uso final tem sido um passo que alguns negócios de usinagem deram, mas não era algo que oficinas em todo lugar pudessem fazer", observa Peter Zelinski, editor-chefe da Modern Machine Shop, no artigo "A Chegada da Manufatura Aditiva de Metal de Baixo Custo?". "Agora, a impressão 3D de metal de menor custo pode significar que oficinas empregarão rotineiramente métodos aditivos e subtrativos para peças de metal. E também pode significar que a gama de peças de metal adequadas para manufatura aditiva está prestes a se expandir."

Você já teve experiência com impressão 3D de metal ou outros processos de manufatura aditiva? Como foi para você e sua oficina?