Utilização da impressão 3D na produção de peças metálicas

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1 Utilização da impressão 3D na produção de peças metálicas Rui Neto, Jorge Lino Alves, Teresa Duarte, Frederico Gomes INEGI, Faculdade de Engenharia, Universidade do Porto A tecnologia de Fabrico Aditivo (FA) apresenta inúmeras vantagens, destacando-se a grande liberdade geométrica, com a possibilidade única de desenvolver componentes otimizados com formas impossíveis de obter com qualquer outro processo, e a rapidez de execução, possibilitando a produção de peças isoladas ou pequenas séries com custos competitivos, em comparação com processos convencionais. A sua crescente aplicabilidade nos mais diversos setores industriais, tais como a indústria médica, aeronáutica, automóvel, entretenimento, entre outras, motiva o constante trabalho de investigação e desenvolvimento tanto a nível de equipamentos, como de processos e materiais. De uma forma sucinta, o FA pode ser definido como a fabricação de um determinado modelo tridimensional, gerado por um software CAD 3D, através de sobreposição sucessiva de camadas de material. Com o desenvolvimento desta tecnologia, tornou-se evidente que a sua utilização não só possibilita a obtenção de protótipos mas também de produtos funcionais com elevada qualidade e complexidade [1, 2]. Processos de Fabrico Aditivo de componentes metálicos A produção de componentes metálicos por FA está atualmente disponível com equipamentos que usam diferentes princípios de construção dos protótipos, tal como se indica no esquema da figura 1. A divisão aqui apresentada foi realizada tendo por base diferenças existentes ou no processo de fabrico ou na forma como a matéria-prima é utilizada. Nesta comunicação apenas serão destacados os processos que se baseiam na fusão de camada de pó, pois são os de maior implementação industrial. A figura 2 apresenta três exemplos de peças obtidas por FA de metais. Figura 1 Processos de FA de componentes metálicos [3]. a) b) c) Figura 2 a) Bocal de combustível da GE [4], b) Molde com canais de arrefecimento [5], c) escultura de Bathsheba (

2 Processos de fusão de camada de pó São processos em que o material se encontra na forma de pó metálico e é depositado em camadas. A primeira camada é depositada na área de trabalho e só depois ocorre a junção das partículas através da energia proveniente de um laser, de um feixe de eletrões ou mesmo através de jato de ligante líquido, dependendo do processo utilizado [3, 6]. Tendo em conta a fonte de energia e o mecanismo de união entre os pós metálicos, é possível dividir esta variante de FA em diferentes processos, conforme apresentado na figura 3. Os processos aqui abordados são o DMLS, SLM e EBM na medida em que são os que apresentam melhores resultados em termos de densidade e propriedades mecânicas e podem ser utilizados para produzir peças em titânio tanto para a área médica como aeronáutica ou aeroespacial. Figura 3 Diferentes processos que se baseiam na fusão de camadas de pó metálico [6]. Sinterização direta de metais por laser - DMLS Este processo utiliza um pó metálico sem qualquer revestimento aliado a um laser com uma potência elevada, fazendo com que exista uma sinterização completa durante a fase de construção do componente. Uma conjugação de parâmetros como a potência do laser, as propriedades mecânicas do material e a velocidade de varrimento do feixe fazem com que seja atingida uma densidade relativa de aproximadamente 100% [6]. A figura 4 ilustra o mecanismo de funcionamento e um exemplo de equipamento deste processo. O DMLS utiliza como matériaprima um só material metálico ou uma mistura de dois componentes metálicos, englobando um metal com alto ponto de fusão como metal estrutural e um outro atuando como ligante ou aglomerante do sistema, de ponto de fusão mais baixo sendo a união sempre por fusão parcial [7, 8]. Neste caso, a energia fornecida pelo laser tem de ser suficiente para elevar a temperatura dos pós metálicos para valores compreendidos entre as duas temperaturas de fusão. Figura 4 Esquema do processo DMLS e equipamento EOSINT M280 da EOS [5,

3 Fusão seletiva a laser - SLM Este processo utiliza a fusão total dos pós metálicos recorrendo a um laser como fonte de alta energia para obtenção de um componente com densidade total ou muito próxima sem utilizar qualquer ligante intermediário ou tratamento de acabamento [9, 10]. A figura 5 representa o esquema do processo e um equipamento. A fusão total dos pós metálicos permite uma redução no número de etapas de acabamento, traduzindo-se numa redução do tempo médio de produção. No entanto, potencia elevados gradientes térmicos e taxas de arrefecimento na direção do substrato metálico e das camadas subjacentes à sinterizada e assim o componente produzido apresenta tensões residuais térmicas que podem atingir valores superiores à tensão de rotura do material e, superiores ao processo de DMLS, o que faz com que o aparecimento de fendas e delaminagem das camadas sejam defeitos comuns. Estas tensões são um dos principais motivos pelo qual nem todas as ligas metálicas podem ser processadas por este método. Figura 5 Esquema do processo de SLM [11] e equipamento SLM500 da SLM solutions [ Fusão por feixe de eletrões - EBM Este processo apresenta-se como sendo um dos com maior capacidade de produção de peças metálicas densas com propriedades mecânicas semelhantes ao metal no seu estado forjado [12]. Contrariamente aos processos a laser, a utilização de um feixe de eletrões, obtido por aquecimento de um filamento de tungsténio a altas temperaturas, como fonte energética responsável pela fusão total dos pós metálicos, permite uma alta eficiência energética (90%). A atmosfera de trabalho, em vácuo, potencia um ambiente livre de oxigénio que assegura a pureza do material utilizado, garantindo grande precisão do feixe, uma vez que não há contacto com partículas do ar, e garante um bom isolamento térmico [13]. A alta temperatura da câmara permite a redução de tensões residuais durante o processo, principal limitação do processo de SLM. A facilidade de obter diferentes potências caloríficas faz com que este processo possibilite a obtenção de componentes numa vasta gama de materiais [12]. A união de pós metálicos baseiase na fusão total destes sendo, neste aspeto, semelhante ao SLM. A figura 6 explica o funcionamento deste processo e apresenta um equipamento da ARCAM.

4 Figura 6 Esquema do processo de EBM; cabeça de eletrões e a sua constituição [14]; equipamento ARCAM A2x [ Comparação entre processos Com o objetivo de comparar as propriedades de peças obtidas pelos diferentes processos de FA de metais descritos anteriormente e peças obtidas por fundição de precisão numa liga de titânio Ti6Al4V - foram realizados alguns ensaios: rugosidade, determinação de propriedades mecânicas, precisão dimensional e análise microestrutural. A tabela 1 apresenta um resumo dos resultados obtidos [15]. Tabela 1 Comparação de propriedades obtidas por diferentes processos de FA de metais e por fundição de precisão, utilizando a liga Ti6Al4V [15]. A tecnologia utilizada influencia as microestruturas dos materiais, o que condiciona os resultados obtidos pelos diferentes processos. Uma fase irregular, denominada martensítica e caraterística do processo DMLS e SLM, promove uma resistência mecânica superior à obtida pelo EBM sendo que este, ao permitir a formação de microestrutura bifásica lamelar, apresenta uma maior ductilidade. A anisotropia, ao nível do comportamento mecânico, ficou também evidenciada sendo a orientação do grão e o seu refinamento justificações para as diferenças obtidas. O processo DMLS destacou-se dos dois restantes processos ao nível de rigor dimensional. Em termos de rugosidade, o processo de SLM apresenta melhores resultados em relação ao DMLS e ao EBM. Apesar de apresentarem uma qualidade superficial bastante limitada, os provetes obtidos por EBM apresentam uma densidade relativa superior aos obtidos pelos outros dois processos, o que influencia diretamente as propriedades mecânicas.

5 Conclusões As técnicas de FA que utilizam metais estão continuamente a evoluir em termos de qualidade superficial das peças produzidas bem como as suas propriedades mecânicas, o que torna estes processos extremamente desafiantes para a sua utilização nos mais variados setores industriais, uma vez que possibilitam a produção de peças com design e tempos de fabrico que são impossíveis de obter com processos convencionais. Agradecimentos Projeto SAESCTN-PII & DT/1/2011 co- -financiado pelo Programa Operacional Regional do Norte (ON.2 - O Novo Norte), sob Quadro de Referência Estratégico Nacional (QREN), através do Fundo de Desenvolvimento EUROPEU Regional (FEDER). Referências Bibliográficas [1] K. G. Cooper, Rapid Prototyping Technology, NY, USA: Marcel Dekker, [2] D. W. R. I. Gibson, B. Stucker, Additive Manufacturing Technologies, NY, USA, Springer, [3] T. Wohlers, Wohlers Report, Wohlers Associates, Colorado, USA, [4] G.E. (09/03/2014). Additive Manufacturing [5] A. Simchi, F. Petzoldt, and H. Pohl, "On the development of direct metal laser sintering for rapid tooling", J. of Mat. Proc. Tec., vol. 141, pp , [6] A. B. K. P. Karunakaran, S. Suryakumar, Lucas Dembinski, Georges Taillandier, "Rapid manufacturing of metallic objects", Rapid Prototyping J., vol. 18 [4], pp , [7] Fernando J. L. Alves, Manuel Simão, Rui Neto, Teresa Duarte, Protoclick - Prototipagem Rápida, Protoclick, Porto, [8] Y. P. Kathuria, "Microstructuring by selective laser sintering of metallic powder, Surface and Coatings Tec., vol , pp , [9] B. Song, S. Dong, S. Deng, H. Liao, and C. Coddet, "Microstructure and tensile properties of iron parts fabricated by selective laser melting, Optics & Laser Tec., vol. 56, pp , [10] L. T. I. Yadroitsev, Ph. Bertrand, I. Smurov, "Strategy of manufacturing components with designed internal structure by selective laser melting of metallic powder, Applied Surface Science, vol. 254, pp , [11] E. Brinksmeier, G. Levy, D. Meyer, and A. B. Spierings, "Surface integrity of selectivelaser-melted components, CIRP Annals - Manufacturing Technology, vol. 59, pp , [12] A. Safdar, "Microstructures and surface roughness of EBM produced Ti - 6Al - 4V," Licentiate Dissertation, Materials Science, Malmo University, Sweden, Lund, Sweden, [13] S. Biamino, A. Penna, U. Ackelid, S. Sabbadini, O. Tassa, P. Fino, et al., "Electron beam melting of Ti 48Al 2Cr 2Nb alloy: Microstructure and mechanical properties investigation", Intermetallics, vol. 19, pp , [14] M. Koike, K. Martinez, L. Guo, G. Chahine, R. Kovacevic, and T. Okabe, "Evaluation of titanium alloy fabricated using electron beam melting system for dental applications", J. Mat. Proc. Tec., vol. 211, pp , [15] F. S. Gomes, Comparação de Processos de Fabrico Aditivo que Utilizam Metais, Tese de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica, FEUP, julho 2014.