Explorando a Manufatura Aditiva de Metais: Guia para Iniciantes sobre Sinterização Direta a Laser de Metal (DMLS)

À medida que o desenvolvimento de produtos acelera, as regras de design estão mudando. Em nenhum lugar isso é mais aparente do que na manufatura aditiva de metais. A sinterização direta a laser de metal é uma tecnologia de manufatura aditiva de metal com potencial significativo nas indústrias médica e aeroespacial. Mas requer uma nova maneira de pensar mesmo nas fases iniciais de design. De muitas formas, representa a transição que os designers devem enfrentar ao olhar para novas tecnologias para tornar o design e a fabricação de produtos mais rápidos e inovadores.

Existem vários benefícios do DMLS, principalmente que os designers podem fabricar designs em formas incomuns com economia de tempo e custo. Como outras tecnologias de impressão 3D, o DMLS constrói peças camada por camada, sinterizando pó de metal atomizado com um laser de alta potência.

Por Que Usar Manufatura Aditiva para Peças Metálicas?

Designers e engenheiros de produto frequentemente recorrem ao processo para experimentar formas orgânicas que não podem ser facilmente usinadas. Por exemplo, a capacidade de construir partes implantáveis no corpo que são personalizadas para o receptor. Tradicionalmente, esses implantes normalmente precisariam ser produzidos através de um processo de manufatura subtrativo como máquina CNC de 5 eixos. Agora, a tecnologia existe para escanear a estrutura óssea real de uma pessoa e imprimir uma substituição DMLS direta personalizada para seu corpo.

Outra oportunidade são ferramentas cirúrgicas com características ultrafinas e componentes médicos com formas orgânicas. Esses dispositivos podem ser projetados para moldagem por injeção de metal ou fundição, ambos com custos de ferramental relativamente altos e prazos que podem durar semanas. Mas com DMLS, você pode imprimir um protótipo de ferramenta cirúrgica manual com o peso e resistência exatos do produto final e tê-lo nas mãos de um cirurgião em poucos dias. A moldagem por injeção de metal tradicional ainda é valiosa e terá um preço por peça menor em quantidades maiores, mas ainda são 6 a 12 semanas versus alguns dias.

Aeroespacial é outra indústria que adotou rapidamente a impressão 3D de metal. Materiais frequentemente encontrados na aeroespacial, como Inconel e titânio, estão prontamente disponíveis através do processo DMLS. A capacidade de fabricar peças metálicas complexas com características ocas abre uma gama de possibilidades para designers que tentam aliviar componentes. Outra vantagem da impressão 3D de peças metálicas é a integração de canais de resfriamento internos dentro de uma peça.

Os atributos de tempo, economia de custo e liberdade de design são essenciais para poder experimentar, projetar rapidamente e ver o que funciona. Mas o DMLS requer uma mudança no pensamento de design. Um dos maiores ajustes é como se adaptar à introdução de tensões internas durante o processo de construção. Começando com pó de metal à temperatura ambiente, aplicando calor para fusão instantânea, seguido por resfriamento rápido, causa tensão em cada camada durante o processo de construção. As tensões internas criadas durante uma construção DMLS fazem a peça tentar se curvar para cima enquanto é construída.

Como Projetar Peças Metálicas Impressas em 3D

Agora que discutimos aplicações comuns e benefícios da tecnologia de impressão 3D de metal, vamos dar uma olhada em algumas diretrizes básicas sobre como projetar características em peças metálicas impressas em 3D.

Ângulos Auto-Sustentáveis

Um ângulo auto-sustentável descreve o ângulo da característica em relação à placa de construção. Quanto menor o ângulo, menos provável é que ele se sustente. Cada material se comporta de forma ligeiramente diferente, mas a regra geral é evitar projetar uma característica auto-sustentável com menos de 45 graus. Esta dica servirá bem em todos os materiais disponíveis. Como você pode ver na imagem acima, à medida que o ângulo diminui, o acabamento de superfície da peça fica mais rugoso e eventualmente a peça falhará se o ângulo for reduzido demais.

Balancinhos (Overhangs)

Balancinhos diferem de ângulos auto-sustentáveis no sentido de que são mudanças abruptas na geometria de uma peça — não uma inclinação suave. O DMLS é bastante limitado em seu suporte a balancinhos quando comparado a outras tecnologias de impressão 3D como estereolitografia e sinterização seletiva a laser. Qualquer balancim maior que 0,5 mm (0,020 pol) deve ter suporte adicional para evitar danos à peça. Ao projetar balancinhos, é sensato não ultrapassar os limites, pois grandes balancinhos podem levar à redução no detalhe da peça e, pior, levar a falha completa da construção.

Canais e Furos

Canais e furos internos são um dos principais benefícios do DMLS, pois são impossíveis com outros métodos de fabricação. Canais conformais fornecem resfriamento uniforme em toda a peça e ajudam a reduzir o peso do componente. Recomenda-se que os canais não excedam um diâmetro de 8 mm (0,30 pol). Semelhante a estruturas não suportadas, ao exceder 8 mm, as estruturas voltadas para baixo se tornarão distorcidas. Uma dica para contornar essa restrição é evitar projetar canais circulares. Em vez disso, projete canais com formato de gota ou diamante. Canais que seguem essas formas proporcionarão um acabamento de superfície mais uniforme dentro do canal e permitirão maximizar o diâmetro do canal.

Pontes

Uma ponte é qualquer superfície plana voltada para baixo que é suportada por 2 ou mais características. A distância mínima não suportada permitida que recomendamos é 2,03 mm (0,080 pol). Em relação a outras tecnologias de impressão 3D, esta distância é relativamente curta devido às tensões do aquecimento e resfriamento rápidos. Na imagem abaixo, você verá como a ponte puxa as estruturas de suporte à medida que a distância não suportada aumenta. Peças que excedem este limite recomendado terão qualidade ruim nas superfícies voltadas para baixo e não serão estruturalmente sólidas.

Pós-Processamento de Peças Metálicas Impressas em 3D

Uma vez que uma peça termina de ser construída dentro da máquina, várias etapas podem ser tomadas para melhorar suas propriedades mecânicas, qualidade de acabamento de superfície e garantir que as características da peça estejam dentro da tolerância.

Tratamento Térmico

Passar as peças por um tratamento térmico é necessário após a construção da peça, pois ajudará a aliviar tensões internas que se desenvolvem durante o processo de sinterização. As tensões em uma construção irradiam para fora em direção à borda da peça e se acumulam com cada camada adicional. Por exemplo, peças com seções transversais grossas terão mais tensão. Existem vários processos de tratamento térmico que podem ser usados para abordar isso:

• Forno a vácuo: As peças são colocadas dentro de um forno selado a vácuo e então expostas a um ambiente de alta temperatura, reduzindo assim as tensões internas.
• Prensagem isotérmica a quente (HIP): Comumente referido como HIP, este processo aplica pressão e calor à peça para reduzir porosidade e aumentar densidade.

Usinagem CNC Pós-Construção

Algumas aplicações podem requerer usinagem adicional após o componente metálico ser impresso em 3D. Isso é útil quando tolerâncias apertadas ou qualidade de acabamento de superfície melhorada são requeridas em características específicas, mas a geometria geral requer manufatura aditiva para ser produzida. Por exemplo, um componente de motor de foguete com canais de resfriamento complexos tem uma característica de acoplamento que requer tolerância de +/- 0,025 mm. Em alguns casos, a usinagem CNC pós-construção pode até ser usada para reduzir custos devido a menos cavacos no chão e uso mais eficiente de materiais.

Inspeções de Qualidade

Muitas vezes, peças metálicas construídas com manufatura aditiva requererão validação dimensional ou avaliação da microestrutura do material. Para isso, máquinas de medição por coordenadas (CMM) podem ser usadas para verificar se as características da peça estão dentro da tolerância. Tomografia computadorizada ou escaneamento por raio-X também podem ser usados para examinar características internas e fornecer uma solução não destrutiva para garantir integridade estrutural.

Saiba Mais Sobre Impressão 3D de Metal

Se você gostaria de saber mais sobre DMLS e impressão 3D de metal em geral, temos vários outros recursos disponíveis. Primeiro, comece lendo nosso white paper sobre fabricação de peças metálicas. Isso abrange tanto usinagem quanto impressão 3D e ajudará você a decidir qual processo será melhor para sua aplicação. E para mais detalhes sobre design de peças metálicas para manufatura aditiva, assista nosso webinar sob demanda "Projetando para Impressão 3D de Metal".