Compreendendo os sete tipos de manufatura aditiva

A manufatura aditiva (AM), também conhecida como impressão 3D, constrói peças por meio de um modelo 3D gerado por CAD, adicionando camadas únicas de material e fundindo as camadas. O AM surgiu pela primeira vez em 1987 e vem crescendo constantemente desde então, com mais saltos e limites nos últimos anos. À medida que as empresas inventam e introduzem novas técnicas de AM, elas tendem a criar termos de marketing exclusivos para seu processo, mesmo que as técnicas principais sejam semelhantes. Ter nomes diferentes para métodos semelhantes pode facilmente levar à confusão no mercado. No post, vamos identificar as principais técnicas e suas vantagens e desvantagens.

De acordo com as normas ISO/ASTM, a AM divide as técnicas usadas para criar as camadas em sete categorias, das quais as quatro primeiras da lista são adequadas para metais.

1. Jato de ligante
2. Deposição de energia direcionada
3. Fusão em leito de pó
4. Laminação de chapas
5. Extrusão de materiais
6. Jato de materiais
7. Polimerização de fotos em cuba

1. Jateamento de ligante

Único em AM por não utilizar calor durante o processo de fusão dos materiais. Um líquido de ligação ou ligante é depositado seletivamente, que une o material em pó para formar a peça 3D. Dependendo do tipo de pó, do sistema utilizado ou dos requisitos de aplicação do cliente determinam a seleção do tipo de aglutinante. O processo começa com o material em pó sendo espalhado sobre a plataforma de construção usando um rolo e a cabeça de impressão deposita o aglutinante em cima do pó, onde especificado. A plataforma de construção abaixa para permitir a próxima camada e o processo se repete até que o item seja concluído. Qualquer pó não ligado é removido.

Vantagens do Binder Jetting

• Capacidade de fazer peças com uma variedade de cores diferentes
• Usa uma variedade de materiais:metal, polímeros e cerâmica
• Processo de AM mais rápido
• Sem empenamento ou encolhimento das peças
• Menos desperdício ao reutilizar qualquer pó não utilizado
• Apresenta um método de dois materiais que permite diferentes combinações de aglutinante-pó

Desvantagens do Binder Jetting

• As peças exigem pós-processamento, o que adiciona um tempo significativo ao processo geral
• Baixa resistência da peça, nem sempre adequada para peças estruturais
• Menos preciso que o Jateamento de Materiais

2. Deposição de Energia Dirigida (DED)

DED cria Objetos 3D fundindo e depositando materiais à base de pó ou fios de uma fonte de energia térmica focada, incluindo laser, feixe de elétrons ou arco de plasma. Embora o processo possa fazer peças de metal, cerâmica e polímero, ele é usado principalmente para peças de metal e em fabricação mais híbrida, onde o leito do substrato é móvel para criar formas complexas. O DED também é conhecido como deposição de metal a laser (LMD), revestimento a laser 3D ou fabricação de luz direta devido aos diferentes usos de fontes de energia e uso final. Por fim, com base em como o processo funciona, é usado principalmente para reparar ou recondicionar peças existentes, adicionando material quando necessário.

Vantagens do DED

• Partes fortes e densas
• Taxas de construção rápidas
• Redução no desperdício de material
• Variedade de seleção de materiais:metal, cerâmica e polímero
• Os materiais são facilmente trocados
• Capacidade de fazer peças com ligas personalizadas
• Peças construídas para quase a forma da rede
• Capacidade de construir peças maiores

Desvantagens do DED

• O custo de capital dos sistemas é alto
• As peças têm resolução mais baixa, resultando em um acabamento de superfície inferior, exigindo processamento secundário
• As estruturas de suporte não podem ser usadas durante o processo de criação

3. Fusão em leito de pó (PBF)

O PBF tem quatro categorias de fontes de energia, fundidas a laser, fundidas por feixe de elétrons, fundidas com agente e energia e fundidas termicamente. A fonte de energia derrete partículas de pó de plástico ou metal, que se solidificam e se fundem em um padrão para fazer o objeto. O processo de fusão em leito de pó usa duas câmaras, a câmara de construção e a câmara de pó, e um rolo de revestimento. Para criar os objetos, o rolo de revestimento move e espalha o material em pó pela câmara de construção para depositar uma fina camada de pó. Alguns processos PDF usarão um raspador, lâmina ou rolo de nivelamento após o rolo de revestimento para garantir que a espessura da camada superior do material seja uniforme. Em seguida, a fonte de energia derrete a camada superior depositada da base de pó metálico. Quando essa camada foi digitalizada e fundida, a plataforma de construção é abaixada incrementalmente, simultaneamente a câmara de pó é levantada pela mesma e o processo se repete até que o objeto seja concluído.

Vantagens do PBF

• Baixo custo das máquinas
• Nenhuma ou mínima estrutura de suporte necessária para a construção
• Variedade de seleção de materiais
• Vários materiais podem ser usados
• Capaz de reciclar pó

Desvantagens do PBF

• Tempo de impressão lento e longo
• Tempo de pós-processamento adicional
• Propriedades estruturais mais fracas
• Variações da qualidade da textura da superfície
• A placa de construção de suporte pode ser necessária para evitar deformações
• A velocidade do processo de impressão pode determinar se o pó é reciclável
• Distorção térmica, principalmente para peças de polímero
• As máquinas usam muita energia para criar peças

4. Laminação de folha

AM que constrói objetos 3D empilhando e laminando folhas finas de material por meio de colagem, soldagem ultrassônica ou brasagem. Para criar a forma final do objeto, é usado o corte a laser ou a usinagem CNC. De todas as tecnologias de AM, esta produz peças com a menor resolução aditiva ou quantidade de detalhes, mas fornece baixo custo e tempo de fabricação mais rápido para prototipagem rápida usando material prontamente disponível e de baixo custo.

A laminação de chapas pode ser categorizada em sete tipos:

• Fabricação de objetos laminados (LOM)
• Fabricação de objetos compostos de laminação seletiva (SLCOM)
• Laminação de folha de plástico (PSL)
• Fabricação assistida por computador de materiais laminados de engenharia (CAM-LEM)
• Laminação por Deposição Seletiva (SDL)
• Fabricação aditiva baseada em compostos (CBAM)
• Fabricação aditiva ultrassônica (UAM)

Embora os tipos de laminação da folha sejam ligeiramente diferentes, o princípio geral é o mesmo. O processo começa com uma fina folha de material sendo alimentada do rolo ou colocada na plataforma de construção. A próxima camada pode ou não ser colada à folha anterior, dependendo do processo. A estratificação continua até atingir a altura total. A remoção do bloco de impressão e todas as bordas externas indesejadas completam o objeto.

Vantagens da laminação de chapas

• Custo relativamente baixo
• Área de trabalho maior
• Impressões coloridas
• Integra-se como sistemas de fabricação híbridos
• Facilidade de manuseio de materiais
• Capacidade de colocar vários materiais em camadas
• Não são necessárias estruturas de suporte
• Em algumas laminações de folhas
• Dependendo do tipo de técnica usada, o estado do material permanece inalterado
• Tempo de impressão mais rápido, mas requer pós-processamento

Desvantagens da laminação de chapas

• A altura da camada não pode ser alterada sem alterar a espessura da folha
• Os acabamentos podem variar dependendo do material e podem exigir pós-processamento
• Opções de materiais limitadas disponíveis
• A remoção do excesso de material após a fase de laminação pode ser difícil e demorada
• Pode gerar mais resíduos em comparação com outros métodos de AM
• Peças ocas são difíceis de produzir em alguns tipos de laminação de chapas
• A força de união depende da técnica de laminação utilizada

5. Extrusão de materiais

O processo de AM mais popular em termos de disponibilidade para demanda e qualidade do consumidor em geral, usa um filamento contínuo de material termoplástico ou compósito para construir peças 3D. O material em forma de filamento plástico é alimentado através de um bocal de extrusão, onde é aquecido e depois depositado na plataforma de construção camada por camada.

Vantagens da extrusão de materiais

• Vasta seleção de material impresso
• Técnica de impressão de fácil compreensão
• Método amigável de mudança de material impresso
• Baixos custos iniciais e operacionais
• Tempo de impressão mais rápido para peças pequenas e finas
• Tolerância de impressão de +/- 0,1 (+/- 0,005″)
• Não é necessária supervisão
• Pequeno tamanho do equipamento
• Processo de baixa temperatura

Desvantagens da extrusão de material

• Linhas de camada visíveis
• Cabeça de extrusão em movimento contínuo ou o material sobe
• Suportes podem ser necessários
• Resistência da peça fraca ao longo do eixo Z
• Aumento do tempo de impressão com resolução mais fina e áreas mais amplas
• Suscetível a deformações e outros problemas de flutuação de temperatura
• Materiais de impressão tóxicos

6. Jateamento de materiais

Um processo em que gotículas de materiais semelhantes a cera são depositadas seletivamente em uma plataforma de construção. O material esfria e solidifica, permitindo que camadas de materiais sejam colocadas umas sobre as outras. Após a construção, as estruturas de suporte são removidas mecanicamente ou derretidas.

Vantagens do Material Jetting

• O jateamento de material pode alcançar excelente precisão e acabamentos de superfície
• As peças são boas para uso em padrões para fundição

Desvantagens do Jateamento de Materiais

• Número limitado de materiais semelhantes a cera disponíveis
• As peças são frágeis devido a materiais semelhantes a cera
• Processo de compilação lento

7. Polimerização de fotos de cuba

O processo usado para curar a resina líquida fotopolímero em uma cuba camada por camada, transformando-a em peças de plástico rígido usando um laser ultravioleta (UV). Os três tipos mais comuns dessa tecnologia incluem estereolitografia, processamento digital de luz (DLP) e processamento digital contínuo de luz (CDLP).

Vantagens da polimerização de fotos com cuba

• Alto nível de precisão e bom acabamento
• Processo relativamente rápido
• Grandes áreas de construção

Desvantagens da polimerização de fotos com cuba

• Relativamente caro
• Tempo de pós-processamento prolongado e remoção da resina
• Limitado a materiais de foto-resinas
• Ainda pode ser afetado pela luz UV após a impressão
• Pode exigir estruturas de suporte e pós-cura para que as peças sejam fortes o suficiente para uso estrutural

Conclusão

À medida que as máquinas de manufatura aditiva se tornam mais acessíveis para as oficinas mecânicas, a flexibilidade no design e nas propriedades do material está levando a uma ampla gama de aplicações e usos práticos. As indústrias aeroespacial, automotiva e médica estão vendo os benefícios da manufatura aditiva. Prototipagem rápida, baixo volume de produção e capacidade de reparo de peças são alguns dos motivos do crescimento desse tipo de fabricação.