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No que diz respeito à impressão 3D, vale a pena falar da impressão 3D em metal devido à elevada resistência e durabilidade dos metais. Em primeiro lugar, a impressão 3D em metal é sinónimo de fabrico aditivo, que consiste em criar produtos através da construção de camadas uma a uma.
Existem várias técnicas de impressão 3D em metal. Assim, é possível escolher entre tipos de materiais para obter uma combinação perfeita de durabilidade, custo, acabamento de superfície e velocidade. Aqui está um guia completo sobre o processo, funcionamento, tipos e aplicações da impressão 3D em metal.
O que é a técnica de impressão 3D em metal e como funciona?
A impressão 3D de metal é uma tecnologia de fabrico aditivo que produz peças de metal sob a forma de camadas por sinterização, fusão e soldadura. A impressão 3D em metal utiliza normalmente pó metálico para o funcionamento. Geralmente, a impressão 3D em metal envolve uma grande variedade de ligas metálicas e metais, incluindo a impressão 3D em aço inoxidável, alumínio, cobalto-cromo e titânio.
O trabalho do metal para impressoras 3D gira principalmente em torno de SLM e DMLS. Vejamos então como funciona:
Antes de avançarmos para o processo de impressão 3D em metal, permitam-me que apresente a plataforma de construção. Normalmente, as peças metálicas são fixadas à plataforma através de estruturas de suporte feitas do mesmo material que as peças. A plataforma de construção evita principalmente a distorção ou a flexão devido a temperaturas elevadas.
Passo 1
O primeiro passo é minimizar a probabilidade de oxidação do pó metálico, enchendo a câmara de construção com gás inerte, ou seja, árgon. Em seguida, a câmara de construção é aquecida a uma temperatura óptima.
Passo 2
Depois de espalhar a fina camada de pó metálico, a secção transversal do componente é digitalizada com um laser de alta potência.
Consequentemente, as partículas de metal fundem-se e dão origem a outra camada. Da mesma forma, toda a área da peça metálica é monitorizada para garantir a formação de um produto totalmente sólido.
Passo 3
Assim que o processo de digitalização termina, a plataforma de construção desloca-se para baixo e espalha uma segunda camada fina de metal utilizando um recoater. O processo continua a repetir-se até à formação do produto final.
Passo 4
Quando o produto é formado e o contentor arrefece até à temperatura ambiente, o excesso de pó metálico tem de ser removido manualmente pelos técnicos. Posteriormente, a peça é tratada termicamente sem a retirar da plataforma de construção. Aqui, a plataforma de construção serve para aliviar as tensões residuais da peça.
Finalmente, é altura de separar o componente da plataforma de construção através de maquinação ou corte. Agora, pode utilizar a peça para o pós-processamento posterior.
Quais são os diferentes tipos de técnicas de impressão 3D em metal?
Tal como referido anteriormente, o pó metálico é um elemento-chave das máquinas de impressão em metal. Por conseguinte, a diferença entre todos os tipos de técnicas de impressão 3D em metal reside na fusão do pó em peças metálicas. Estas técnicas envolvem diferentes fontes para o funcionamento de uma impressora 3D de metal.
|
Classificação das técnicas de impressão 3D em metal |
|||||||
| Tipos |
Fusão de cama de pó |
Jato de ligante | Jato de material | Extrusão de materiais | Polimerização em cuba | Deposição direta de energia |
Laminação de folhas |
| Sub-tipos |
DMLS SLS MJF |
Jato de ligante | Jato de materiais DOD | FDM
FFF |
SLA
DLP CLIP |
Laser DED
Arco DED Feixe de electrões DED |
LOM SLCOM PSL SDL |
| Materiais | EBM de aço,
Aço inoxidável, Titânio, Cobre-cobalto, Alumínio |
Carboneto de tungsténio, ligas à base de níquel Aço inoxidável |
Aço inoxidável |
Ligas de titânio, ligas de níquel, ligas de alumínio, cobre, aço inoxidável |
Resinas |
Aço inoxidável, ligas de níquel, ligas de titânio, ligas de cobalto |
Papel, metais, cerâmica, polímeros, |
De seguida, veremos os seus principais tipos, o seu funcionamento e as suas utilizações:
1. Fusão em leito de pó
A fusão em leito de pó é a técnica de impressão 3D direta em metal mais frequentemente utilizada. O princípio de funcionamento destas máquinas é que espalham uma fina camada de pó e utilizam uma fonte térmica para fundir uma secção transversal da peça numa camada de pó.
Para obter informações aprofundadas sobre este processo, deve analisar os seus tipos populares. Sempre que se trata das melhores impressoras 3D de metal, as primeiras imagens que surgem na mente são DMLS e SLS. Normalmente, SLM (Selective Laser Sintering), DMLS (Diret Metal Laser Sintering) e MJF (Multi Jet Fusion) são tipos de fusão de leito de pó. Vamos analisar estes tipos um a um:
● DMLS
A sinterização direta de metais a laser é mais elevada porque pode fabricar peças a partir de qualquer liga metálica. Enquanto outros métodos de impressão 3D só são compatíveis com ligas metálicas específicas ou materiais à base de polímeros. Embora o funcionamento da DMLS seja bastante semelhante ao da SLS, a diferença reside no nível molecular. Em vez de fundir o pó metálico, este é apenas sinterizado. Em última análise, obtém-se peças menos porosas em comparação com a técnica de fusão.
Além disso, é necessária menos energia no caso desta impressora 3D de sinterização de metal, uma vez que não necessita de calor para fundir o pó metálico. O processo é utilizado especificamente para criar produtos com cortes inferiores, cavidades e ângulos de inclinação. Pode encontrar as suas principais aplicações em protótipos funcionais, ferramentas e dispositivos ou instrumentos médicos.
● SLS
Utilizando este método, é possível obter objectos impressos extremamente densos e resistentes. Normalmente, é utilizado um laser de alta potência para unir as pequenas partículas de pó numa peça tridimensional. Assim que uma camada é fundida, um rolo é movido sobre a cama para assegurar a distribuição da camada de pó seguinte. Mais tarde, a maior parte do pó solto é removida por escovagem manual.
As impressoras SLS para metal são ideais para lidar com peças mecânicas, incluindo hélices e engrenagens. Além disso, este processo fabrica as peças para as indústrias automóvel, aeroespacial e médica.
● MJF
A tecnologia Multi Jet Fusion utiliza braços de varrimento. Em primeiro lugar, um braço de varrimento aplica a camada de pó e, em seguida, o segundo braço, que consiste em jactos de tinta, deposita seletivamente um agente aglutinante sobre a peça de trabalho específica. Além disso, o jato de tinta proporciona superfícies lisas e precisas, aplicando um agente de pormenorização em torno do aglutinante.
Vantagens do PBF
Seguem-se algumas vantagens comuns do método de fusão em leito de pó:
- É possível fabricar uma vasta gama de geometrias.
- Proporciona as melhores propriedades mecânicas aos produtos.
Desvantagens
Este método tem algumas desvantagens, como despesas elevadas, tamanhos de construção limitados, produção de resíduos e manuseamento perigoso de pós metálicos.
2. Jato de ligante
A técnica de jato de aglutinante na impressão 3D foi desenvolvida na década de 1990. O objetivo era criar um metal imprimível de baixo custo que pudesse também ser altamente eficaz.
O método começa quando o tipo inicial de material de impressão 3D é depositado na impressora sob a forma de pó, como areia, pó metálico, cerâmica ou polímero. Em seguida, o agente aglutinante é aplicado através de jato de tinta e cada camada é impressa na plataforma de construção. À medida que o processo se repete, o pó é revestido de novo após cada camada até a impressão estar concluída.
Esta técnica pode produzir um grande número de peças e ferramentas de maquinagem de alta qualidade num curto espaço de tempo. Além disso, pode encontrar as suas aplicações no fabrico de moldes de fundição em areia, modelos realistas e protótipos de baixo custo.
Vantagens
Ao utilizar esta técnica pode esperar os seguintes benefícios:
- Baixo custo.
- Precisão dimensional de 2 mm.
- Excelente produção de cores.
Desvantagens
Para além dos seus benefícios notáveis, os resultados ainda não são satisfatórios. Só pode ser utilizado para aplicações de baixa intensidade.
3. Jato de material
O jato de material, também conhecido como poli-jato, é uma técnica bastante popular nas chapas metálicas para impressoras 3D. Utiliza materiais fotoreactivos viscosos, como ceras e fotopolímeros (líquidos), como materiais normalmente utilizados devido à sua viscosidade. Devido à sua natureza viscosa, formam gotículas finas para formar camadas. Geralmente, o método utiliza luz UV para solidificar o material nas peças. O produto é essencialmente fabricado camada a camada até estar concluído.
Esta técnica pode ser utilizada em aplicações como a prototipagem para criar protótipos com um visual brilhante para diferentes marcas e modelos médicos.
Vantagens
- A precisão pode ser tão elevada como 0,01 milímetros por camada fina.
- Proporciona um acabamento de superfície suave.
- O processo oferece uma ampla gama de cores para peças de material.
Desvantagens
As desvantagens do jato de material são o facto de não ser adequado para aplicações mecânicas e de ser um processo de impressão a baixa velocidade.
4. Extrusão de materiais
Como o nome sugere, esta técnica de impressão 3D funciona com base no princípio da extrusão, em que o material próximo do seu ponto de fusão é passado através de uma pequena abertura. Esta técnica funciona através da deposição de filamentos 3D de metal composto e materiais termoplásticos num caminho pré-determinado para formar camadas. Os materiais comuns para a extrusão de materiais são PLA, PA, ABS, TPU, fibra de carbono, entre outros.
Normalmente, a extrusão de material em peças metálicas impressas em 3D é aplicável a caixas electrónicas, padrões de fundição de investimento, acessórios, etc.
Existem dois subtipos de extrusão de material:
- FDM (Modelação por deposição fundida)
- FFF (Fused Filament Fabrication)
1) FDM
A tecnologia FDM lida com filamentos de plástico que são primeiro liquidificados e depois re-solidificados numa forma pretendida (já definida por um modelo CAD). Normalmente, o aquecimento de um bocal de extrusão é responsável pela fusão do plástico. O material derretido tende a formar camadas e, após o endurecimento, resulta num objeto 3D.
2) FFF
A tecnologia FFF é exatamente semelhante à FDM. No entanto, as peças FDM são consideradas mais fortes do que as peças FFF. No que diz respeito ao funcionamento da FFF, falta-lhe um ambiente de impressão aquecido, o que é um fator-chave para resultados menos precisos dos produtos.
Vantagens
Eis algumas das grandes vantagens da extrusão de metais:
- Baixo custo
- Pode ser facilmente operado com elevada segurança.
- Proporciona uma impressão rápida para peças delicadas.
Desvantagens
A extrusão de material não é preferível em termos de precisão e velocidade devido ao raio limitado do bocal. Além disso, os técnicos precisam de manter a qualidade do acabamento final do produto.
5. Polimerização em cuba
A fotopolimerização em cuba é um dos processos de fabrico aditivo que utiliza apenas o fotopolímero como material significativo para esta técnica. Normalmente, a resina de fotopolímero está disponível em várias cores. Normalmente, utiliza luz UV para curar a resina e proporciona um acabamento de superfície perfeito.
Além disso, o processo de fotopolimerização ocorre quando as moléculas de fotopolímeros líquidos são expostas a diferentes comprimentos de onda de luz. Como resultado, unem-se rapidamente e endurecem num sólido.
As técnicas de polimerização em cuba são comuns para a produção de peças com detalhes finos, como trabalhos de joalharia e diferentes aplicações dentárias e clínicas.
Esta técnica 3D tem outros tipos diferentes:
- SLA (Estereolitografia)
- DLP (Processamento Digital de Luz)
- CDLP (Processamento Digital Contínuo de Luz)
1) SLA
O SLA é mais conhecido por proporcionar resistências apertadas, níveis elevados de pormenor e acabamentos de superfície suaves. O trabalho deste tipo envolve uma plataforma de construção que é mergulhada num recipiente cheio de resina. Durante este processo, apenas uma camada de altura é deixada entre o fundo do tanque de resina e a plataforma de construção. Posteriormente, um galvanómetro com a ajuda do código G traça o feixe laser no caminho, que é responsável pela criação de uma camada na peça.
Mais tarde, a secção transversal de uma determinada peça é novamente revestida com material novo. Seguindo os mesmos passos, podem formar-se novos revestimentos nesta superfície revestida de novo.
2) DLP
Como o nome sugere, o método de processamento digital de luz utiliza luz e polímeros fotossensíveis para a impressão. Difere do SLA apenas pela fonte de luz. Utiliza diferentes fontes de luz projectada, tais como lâmpadas de arco. Além disso, é considerado mais rápido do que o SLA.
A DLP é ideal para imprimir padrões intrincados em resinas para formar brinquedos, moldes dentários, moldes de jóias, estatuetas e muitos outros produtos de detalhes finos.
3) CDLP
O CLIP é a técnica de polimerização VAT mais rápida que produz objectos com faces lisas de várias formas. Esta tecnologia utiliza explicitamente um projetor UV, oxigénio e resina fotossensível para produzir um objeto 3D.
A plataforma de construção está ligeiramente submersa num poço de resina fotossensível. Quando esta plataforma de construção sobe, a luz UV reage com a resina, resultando no endurecimento do material. Nesta altura, a luz UV e o oxigénio são ajustados para alterar a forma da peça enquanto esta sai do poço de resina. Um dos objectivos importantes do CDLP é gerar propriedades mecânicas em peças verdadeiramente isotrópicas.
Vantagens
- Proporciona um trabalho pormenorizado e de elevada qualidade.
- Além disso, permite uma impressão rápida.
Desvantagens
Para além das vantagens da polimerização em cuba, também não tem resistência e a luz UV pode afetar a resina mesmo após a impressão. Além disso, com o tempo, a resina pode deformar-se e dobrar-se.
6. Deposição direta de energia:
A deposição direta de energia na impressão 3D é uma técnica complexa, normalmente utilizada na reparação de peças industriais. Neste processo, apenas é utilizado metal sob a forma de fio ou pó. Além disso, não requer qualquer estrutura de suporte adicional e utiliza uma fonte de alta energia, como um laser ou um feixe de electrões, para fundir o material em simultâneo com a impressão.
No entanto, consoante as diferentes aplicações, esta técnica é também conhecida por DMD, LENS, EBAM, etc.
As aplicações desta técnica no sector industrial são a reparação de pás danificadas ou de pás de turbinas.
Vantagens
- Peças maiores podem ser fabricadas com maior eficiência.
- Permite uma impressão rápida em comparação com outros serviços de impressão 3D em metal.
- O processo cria produtos de alta densidade com excelentes propriedades mecânicas.
Desvantagens
Sem dúvida, o desempenho global deste método é excelente, mas é relativamente muito caro. Além disso, funciona sem utilizar estruturas de apoio, eliminando a possibilidade de saliências.
7. Laminação de folhas
A laminação de chapas segue o fenómeno de camada por camada para formar uma peça metálica 3D. Neste método, as folhas de metal finas são empilhadas e laminadas, terminando numa única peça que pode ser convertida num objeto 3D por corte. A laminação pode incluir soldadura por ultra-sons, brasagem ou colagem. Uma vez concluído o processo de impressão através deste método, os produtos resultantes são modificados por maquinagem ou perfuração.
Vantagens
- Os materiais são fáceis de manusear
- Não é necessário qualquer sistema de apoio adicional
- A utilização de material normalizado permite reduzir os custos
- Após o pós-processamento, oferece um tempo de impressão mais rápido
Desvantagens
A tecnologia de laminação de chapas oferece opções limitadas de materiais. Além disso, pode ser difícil remover o excesso de material após a laminação. Acima de tudo, este método gera muitos resíduos.
Caraterísticas da impressão 3D em metal relativamente à SLM e à DMLS
1. Parâmetros da impressora 3D
Os parâmetros já estão definidos numa impressora pelos fabricantes de máquinas. Normalmente, é utilizada uma altura de camada de 20 a 50 mícrones. Por outro lado, o tamanho geral de construção do sistema é de cerca de 250 * 150 * 150 mm, mas também estão disponíveis no mercado sistemas maiores.
Além disso, durante a SLM e a DMLS, menos de 5% de metal em pó é desperdiçado sob a forma de estruturas de suporte. No entanto, o máximo de pó pode ser reciclado.
2. Adesão das camadas
As peças produzidas pelas impressoras 3D DMLS e SLM que podem imprimir metal têm caraterísticas térmicas e mecânicas isotrópicas elevadas. Estas peças sólidas apresentam uma porosidade interna muito ligeira. Possuem maior resistência e dureza em comparação com outras técnicas tradicionais.
No entanto, a sua elevada rugosidade superficial torna-os propensos à fadiga.
3. Estruturas ligeiras
Na impressão 3D de metal, é normalmente utilizada uma estrutura de rede para obter peças leves. Além disso, pode recorrer a algoritmos de otimização de topologia para obter designs orgânicos e leves.
4. Estruturas de apoio
As estruturas de suporte são cruciais para que as impressoras 3D SLM e DMLS enfrentem as consequências das altas temperaturas de processamento. As três funções significativas destas estruturas são as seguintes:
- Servem para fixar a peça de trabalho às placas de construção para evitar deformações.
- Ajuda a formar a camada seguinte a ser construída.
- Desempenham um papel vital na extração do calor do componente. Assim, este arrefece a um ritmo rápido.
Veredicto final
Deve ter observado que, para além das várias vantagens das diferentes técnicas de impressão 3D em metal, existem algumas desvantagens. Especialmente quando se considera o custo relativamente elevado das impressoras 3D e dos pós metálicos, a melhor solução é obter impressões 3D personalizadas a pedido.
