Impressão de Metal a Laser: Fatos-Chave para Fabricação de Peças de Precisão

A Fabricação de Peças de Precisão Está Pronta para Impressão 3D?

O tópico de impressão 3D aditiva a laser de metal está frequentemente nas notícias. Então você pode se perguntar: Quando a Metal Cutting Corporation vai falar sobre impressão a laser? Afinal, frequentemente falamos sobre vários outros métodos para fazer peças metálicas.

Na Metal Cutting fazemos peças que são muito pequenas, para nosso exemplo aqui frequentemente com dimensões de 1 mm (0,039") por 2 mm (0,079"), e fazemos MUITAS delas. Estas peças geralmente não têm muitas características complexas ou vazios internos. Elas podem ser um tubo ou podem ser sólidas.

Então, nossa pergunta para os especialistas em impressão 3D a laser é: você pode usar impressão 3D a laser de metal para tais grandes quantidades de peças tão pequenas?

Métodos Básicos de Impressão 3D a Laser de Metal

Para começar, vamos dar uma olhada rápida nos três métodos primários para impressão 3D aditiva a laser de metal.

Sinterização Direta a Laser de Metal (DMLS)

Este método mais popular basicamente derrete um design 2D sobre uma cama achatada de pó, fundindo o pó e então adicionando camada sobre camada para construir o objeto. DMLS permite designs até então impossíveis. No entanto, o processo é muito lento e produz metalurgia que se aproxima, mas não em toda instância iguala a fabricação tradicional. DMLS também é conhecido como sinterização seletiva a laser (SLS) ou fusão seletiva a laser (SLM).

Deposição de Energia Direcionada (DED)

Neste método alimentado a pó, um fluxo de pó metálico altamente concentrado é lentamente liberado através de um extrusor e é fundido conforme encontra um laser, formando camadas na superfície da peça. DED é altamente preciso para impressão 3D a laser de metal e também é usado para reparar peças quebradas. Este método é conhecido como deposição de metal a laser (LMD).

Jateamento de Ligante Metálico

Este método envolve aplicar uma resina ligante líquida sobre um material metálico em pó. As camadas são, em efeito, "coladas" juntas e então sinterizadas em um forno de alta temperatura. Este processo é mais rápido e menos caro que os outros dois métodos; no entanto, os resultados não são nem de longe tão fortes ou densos quanto os resultados que você obtém com DMLS ou DED.

Algumas Aplicações para Impressão a Laser de Metal

A impressão a laser de metal tornou-se popular para várias aplicações. Estas incluem tudo desde prototipagem a peças de componentes funcionais em várias indústrias, a produção em massa personalizada de itens do dia a dia como joias e utensílios de cozinha.

A impressão a laser de metal é altamente popular em aplicações de implantes dentários e ortopédicos. Permite que estes produtos sejam personalizados para atender necessidades individuais de pacientes. (Você pode ler mais em nosso blog Polimento de Peças Metálicas para Dispositivos Médicos Impressos em 3D.) A impressão a laser de metal também é amplamente usada para a indústria aeroespacial. Por exemplo, o motor a jato LEAP de próxima geração tem bicos de combustível impressos em 3D.

Alguns Erros Comuns

As pessoas fazem algumas suposições incorretas quando se trata de impressão 3D a laser de metal. Parece bobo, mas vale notar que só porque um produto é projetado usando modelagem CAD 3D não o torna "pronto para impressão 3D"; processos de impressão 3D a laser requerem pós-processamento único.

Como com qualquer método de fabricação, as propriedades do material específico a ser usado também devem ser consideradas. Por exemplo, uma suposição é que a impressão a laser de metal é um substituto para fundição de metal. Pelo contrário, o laser é ótimo para peças únicas e complexas que não podem ser fundidas. As propriedades de um objeto metálico impresso em 3D a laser são diferentes das propriedades do objeto "mesmo" quando fundido em metal.

Além disso, a impressão a laser de peças metálicas projetadas para um processo como fresamento CNC seria muito cara. Isso é porque peças produzidas subtrativamente têm mais massa e volume, e seus designs não são otimizados para as vantagens inerentes da fabricação 3D — essencialmente, vazios e estruturas leves de alta resistência.

Vantagens da Impressão a Laser de Metal

Da perspectiva de um engenheiro, provavelmente as vantagens mais significativas da impressão 3D a laser de metal são:

• A capacidade de produzir vazios totalmente fechados e outras características que são impossíveis de usinar subtrativamente
• Estruturas que produzem resistência extraordinária da peça e um design leve que era anteriormente impossível de alcançar

Para uma indústria como a aviação, onde peso reduzido de uma aeronave significa menor consumo de combustível, leveza é um objetivo importante.

Da perspectiva de uma aplicação, a vantagem mais significativa da impressão a laser de metal seria a "personalização em massa" que a impressão 3D aditiva a laser trouxe para indústrias que variam desde peças de reposição da aviação até coroas e pontes da odontologia, inovações ortopédicas e protéticas, e claro, todo o negócio de prototipagem. Algumas destas formas únicas nunca poderiam ser produzidas subtrativamente. Mesmo para aquelas que poderiam ser usinadas ou fundidas a um custo por peça menor, nenhum dos métodos poderia concebivelmente se aproximar dos tempos de entrega quase instantâneos que a impressão 3D a laser de metal tornou possíveis.

A impressão a laser de metal também pode reduzir a quantidade de material desperdiçado no processo de produção. Onde métodos de corte subtrativos tradicionais envolvem a remoção de material para criar uma forma, a impressão 3D a laser de metal alcança uma forma através da adição de apenas o material necessário.

Enquanto o pó metálico estiver disponível, a impressão 3D a laser é flexível em termos dos metais que pode usar. Eles incluem titânio, aço inoxidável, Inconel e cobalto-cromo, bem como latão, cobre, bronze e metais preciosos como ouro, prata e platina. No entanto, embora os desafios da impressão 3D a laser em atmosfera inerte tenham sido superados, permanece impossível recozinhar adequadamente certos metais. Por exemplo, embora o tungstênio possa ser "construído" via impressão 3D, o bloco resultante de metal tungstênio é frágil demais para ser utilizável.

Desvantagens da Impressão a Laser para Peças Metálicas

A impressão 3D aditiva a laser é certamente famosa por tornar o impossível possível, mas e a precisão? A impressão 3D é um bom método para fazer peças metálicas pequenas de precisão?

Vamos olhar para DMLS, o método mais maduro e bem desenvolvido, onde as variáveis importantes que impulsionam a precisão dimensional são:

• O tamanho das partículas do pó
• Os intervalos de altura dos degraus do elevador
• O tamanho do feixe do laser

Cada um destes fatores determina tolerâncias dimensionais. Tamanho grande de partícula de pó metálico faz degraus maiores. A altura de cada camada de pó similarmente determina as tolerâncias que podem ser alcançadas. E provavelmente a variável mais importante é o tamanho do laser. Este é onde um feixe minúsculo dá maior precisão, e um feixe maior produz dimensões mais imprecisas. O problema é, um feixe de laser menor gera menos calor — e isso significa que vai levar mais tempo para fazer seu trabalho. Então, você pode ter uma peça que é muito precisa e/ou muito pequena, mas vai demorar muito mais para produzir. Isso, por sua vez, aumenta o custo.

Há outras maneiras nas quais a impressão a laser de metal é demorada. Olhe novamente para o muito popular DMLS, onde cada peça tem um minúsculo ponto de fixação, como o minúsculo fio que mantém um ninho de vespa suspenso de um alpendre. Se você tem 10.000 peças impressas a laser, isso significa que você tem 10.000 pontos de fixação que devem ser separados. Esta tarefa de separação da base é geralmente realizada usando EDM; mas qualquer que seja o método usado, fazê-lo 10.000 vezes derrota a maioria se não todas as vantagens aditivas.

A realidade é que a verdadeira produção em massa ainda não é possível com impressão 3D a laser de metal. Isso a torna impraticável e custosa para produzir dezenas de milhares de peças muito pequenas. Além disso, há o alto custo inicial da impressora 3D: pelo menos $100.000 para algumas das mais novas mesas, que visam desestabilizar os desestabilizadores anteriores, até mais de $1 milhão para as impressoras de atmosfera controlada usadas com metais como titânio ou os grandes gabinetes requeridos para máquinas projetadas para fazer peças de aviação. Esse alto custo significa que qualquer aplicação para a qual a impressora a laser é proposta precisa "adicionar" algo realmente único para "subtrair" do valor dos métodos tradicionais de fabricação de metal.

O que o Futuro Reserva?

Não queremos que você pense que estamos sendo teimosos ou resistentes à mudança. De fato, gostaríamos de dar um reconhecimento ao nosso amigo Scott Cohen e sua parceira, David Bell, no New Lab. Eles conhecem o futuro tão bem quanto qualquer um, e não duvidamos que alguém no New Labs um dia resolverá alguns dos problemas que estamos vendo agora.

Embora o desenvolvimento de impressoras 3D a laser de tamanho desktop — em vez de máquinas enormes de tamanho industrial — torne a tecnologia mais acessível, ainda não vemos a impressão a laser de metal como adequada para altos volumes de peças pequenas de precisão. Neste caso, máquinas pequenas não fazem peças pequenas. Mas claro, um dia podemos ser provados errados!

Para algumas dicas úteis sobre como escolher o melhor método de corte de metal de precisão para seu projeto de fabricação de metal, baixe nosso white paper Escolha com Confiança: Comparando Métodos de Corte de Precisão de 2 Eixos.