O que é o fabrico aditivo de metal? Métodos, aplicações e materiais

O que é o Fabrico Aditivo de Metais?

O fabrico aditivo de metal, também conhecido como impressão 3D de metal, é um método de fabrico de alta tecnologia em que os objectos são produzidos através da adição de camadas sucessivas de material. A abordagem utiliza uma fonte de energia, por exemplo, um laser ou um feixe de electrões, para fundir o pó metálico ou a forma de fio, formando um objeto sólido. Consequentemente, esta técnica permite o desenvolvimento de designs complexos que não podem ser alcançados ou que são difíceis de alcançar com os processos de fabrico tradicionais.

O fabrico de aditivos metálicos oferece várias vantagens, incluindo uma liberdade de conceção inigualável e a utilização de diferentes metais. Este facto tornou-o indispensável para o crescimento da indústria transformadora, ajudando a melhorar a eficiência, a reduzir os resíduos, a diminuir as emissões e a aumentar as taxas de produção de peças mais substanciais e mais leves. A indústria aeroespacial, automóvel, médica e de bens de consumo foram identificadas como as principais beneficiárias desta tecnologia.

Métodos de fabrico aditivo de metais

Métodos de cama de pó

O método de leito de pó refere-se a quando uma fina camada de pó metálico é espalhada sobre a superfície de um leito. As camadas finas são depois submetidas a fusões selectivas e fundidas a partir de fontes de alta energia, como lasers ou emanações de electrões, para formar o item desejado. Este método permite uma capacidade excecional de gerar geometrias complexas com precisão.

Deposição de Energia Dirigida (DED)

Na deposição por energia dirigida, o material é fundido por um aquecedor enquanto é depositado simultaneamente através de um bocal. Este processo constrói camadas para produzir um objeto sólido. A DED é útil em várias indústrias porque pode reparar peças existentes e adicionar materiais.

Correção de ligantes metálicos

O jato de ligantes metálicos utiliza ligantes líquidos distribuídos por cima de camadas sucessivas de metal em pó, funcionando como cola entre estas partículas. O objeto resultante requer tratamento adicional, normalmente processos de sinterização ou infiltração, para o tornar mais robusto/difícil do que antes, embora mantendo a sua forma sem deformação. Este método é útil para muitas aplicações, especialmente as que envolvem produção em massa, onde são necessárias peças complexas sem aumentar demasiado as temperaturas.

Comparação de diferentes métodos de fabrico aditivo de metais

Métodos de cama de pó

Vantagens

Os métodos de cama de pó são os melhores métodos para construir formas complexas. Este método é altamente preciso e utiliza apenas o pó necessário, poupando assim no desperdício. Pode ser modificado para se adequar a produtos individualizados, pelo que é aplicável a diversos metais e ligas.

Desvantagens

As matérias-primas dispendiosas utilizadas nos processos tornam dispendiosa a aquisição de todas as ferramentas essenciais necessárias. A velocidade é limitada, para além das possíveis restrições de volume durante a produção. Os tratamentos de superfície podem exigir um acabamento adicional após o processamento, além de existirem diretrizes de segurança rigorosas quando se trabalha com pós metálicos.

Correção de ligantes

Vantagens

Os suportes só são necessários por vezes no jato de aglutinante, o que reduz os resíduos e os custos de pós-processamento. Recicla até 99% do pó solto, permitindo desenhos complexos sem aumentar os custos. Podem ser feitas várias peças numa só impressão, poupando tempo e reduzindo custos.

Desvantagens

No entanto, o jato de aglutinante requer equipamento adicional para o pós-processamento, sendo a maioria dos processos pós-impressão manuais, embora a automatização esteja em curso. Além disso, o custo das máquinas de jato de aglutinante é mais elevado do que o de muitos métodos de fabrico convencionais.

Deposição direta de energia (DED)

Vantagens

A DED tem uma taxa de construção mais rápida do que outras tecnologias de AM de metal e cria peças densas com menos desperdício de material. Pode produzir componentes significativos e trabalhar com diferentes materiais.

Desvantagens

Em contrapartida, a DED tem uma resolução de construção baixa, o que resulta em acabamentos de superfície rugosos. As máquinas são bastante caras e não são permitidas estruturas de suporte neste processo, o que significa que não é possível implementar determinadas caraterísticas de design.

Materiais para fabrico aditivo de metais

Pós metálicos comuns

A escolha do material no fabrico aditivo de metal afecta significativamente as propriedades do produto final. Os materiais mais comuns incluem:

• Titânio e ligas de titânio

Alta resistência, resistência à corrosão e biocompatibilidade, ideal para utilizações aeroespaciais, automóveis e médicas.

• Aço inoxidável

Equilíbrio entre força, resistência à corrosão e preço acessível.

• Alumínio e ligas de alumínio

Leve e com boa condutividade.

• Superligas à base de níquel

Resistência superior ao calor e à corrosão para aplicações a altas temperaturas.

• Ligas de cobalto-crómio

Elevada resistência e biocompatibilidade, frequentemente utilizada em aplicações médicas.

• Metais preciosos

São utilizados na joalharia pelas suas qualidades estéticas e resistência à corrosão.

• Aços para ferramentas

Elevada dureza e resistência ao desgaste, ideal para a criação de moldes e ferramentas de corte.

Metais preciosos no fabrico aditivo

Os metais preciosos, como o ouro, a prata, a platina e o ruténio, são utilizados no fabrico aditivo para várias aplicações:

• Prata

Contactos eléctricos e baterias de alta capacidade devido à sua elevada condutividade.

• Ouro

Odontologia, medicina e eletrónica, devido à sua maleabilidade e resistência à oxidação.

• Platina

Jóias, instrumentos cirúrgicos e utensílios de laboratório pela sua densidade e resistência ao ar e à água.

• Ruténio

Indústria eletrónica e química pela sua resistência aos ácidos e ao embaciamento.

Aplicações industriais do fabrico aditivo de metais

Indústria aeroespacial

A indústria aeroespacial foi uma das primeiras a adotar o fabrico de aditivos metálicos porque necessitava de materiais leves e duradouros. Esta tecnologia optimiza os componentes dos motores, as pás das turbinas e os sistemas de combustível. A criação de formas complexas sem falhas internas melhorou drasticamente o desempenho e a funcionalidade das peças aeroespaciais, conduzindo a aeronaves mais leves e a um menor consumo de combustível.

Indústria automóvel

O fabrico aditivo de metal é utilizado na indústria automóvel para prototipagem de metal, peças personalizadas e ferramentas. Os fabricantes de automóveis podem utilizar esta inovação para desenvolver novos projectos que podem ser testados imediatamente, reduzindo os seus ciclos de iteração durante o desenvolvimento. Além disso, a criação de estruturas sólidas leves mas complexas melhora a eficiência dos veículos.

Indústria médica

A produção de implantes médicos e instrumentos cirúrgicos é facilitada pelo fabrico de aditivos metálicos no domínio da medicina. Por exemplo, esta tecnologia cria implantes específicos para cada doente, que se adaptam exatamente à anatomia de um indivíduo, o que resulta em melhores resultados e num tempo de cicatrização mais rápido para os doentes após uma cirurgia ou ferimentos causados por acidentes. Permite também o fabrico de instrumentos cirúrgicos delicados, que aumentam a precisão durante as operações.

Indústria da energia

O fabrico de aditivos metálicos produz componentes para sistemas de energia no sector da energia. Ajuda a fabricar essas peças, que normalmente necessitam de propriedades de elevada resistência e podem resistir a condições ambientais adversas, tornando assim a AM um método perfeito para os seus requisitos de produção. O fabrico aditivo permite-nos conceber geometrias complexas que melhoram a eficiência e a fiabilidade destes sistemas.

Jóias e bens de consumo

A indústria da joalharia foi transformada pelo fabrico aditivo de metal, em que os designs complexos são feitos com muito pouco desperdício de material. Esta técnica permite aos joalheiros criar peças complicadas que seriam impraticáveis ou impossíveis utilizando métodos tradicionais. Além disso, os produtores de bens de consumo utilizam a AM para personalizar artigos com geometrias únicas.

Investigação e Desenvolvimento

No domínio da investigação e desenvolvimento (I&D), o fabrico de aditivos metálicos é necessário para a criação rápida de protótipos durante a experimentação. Por conseguinte, os investigadores podem utilizar este procedimento tecnológico para produzir e testar brevemente novos projectos, o que os ajudará a inovar e a descobrir o desconhecido. A rápida iteração do projeto contribui para o rápido desenvolvimento de novos produtos e tecnologias.

Vantagens do fabrico aditivo de metais

Formas e geometrias complexas

A capacidade de criar formas e geometrias complexas que são difíceis ou impossíveis de realizar utilizando métodos tradicionais é uma das vantagens mais significativas do fabrico aditivo de metal (AM). Isto torna possível a conceção de peças com vazios internos e pormenores intrincados.

Redução de peso

Ao contrário de outros métodos de fabrico, o fabrico aditivo permite a criação de componentes leves sem comprometer a resistência. Os sectores que adoptaram esta redução de peso incluem o automóvel e o aeroespacial, entre outros, onde mesmo uma pequena redução de peso pode levar a poupanças consideráveis nos custos de combustível.

Eficiência em termos de tempo e custos

Em comparação com os processos tradicionais, o fabrico de aditivos metálicos demora menos tempo, uma vez que elimina as ferramentas e as operações secundárias, reduzindo os custos de produção e os prazos de entrega para que os produtores entrem mais rapidamente no mercado. Além disso, o inventário zero reduz as despesas de armazenamento.

Benefícios ambientais

Em comparação com as técnicas subtractivas convencionais, a produção de resíduos da impressão 3D é reduzida, uma vez que apenas é adicionado o material necessário numa área específica. Isto reduz os custos de material e contribui positivamente para a conservação do ambiente. Além disso, a reciclagem do pó não utilizado ajuda a promover a sustentabilidade.

Desafios do fabrico aditivo de metais

Desafios técnicos

As tecnologias de fabrico de aditivos metálicos enfrentam vários desafios técnicos, incluindo a obtenção do acabamento superficial desejado e de uma precisão suficientemente elevada para os fins pretendidos devido à necessidade de pós-processamento adicional, como a maquinagem ou o polimento.

Constrangimentos económicos

Os elevados investimentos iniciais impedem a maioria das empresas de instalar máquinas de AM para metais. Ao mesmo tempo, estas máquinas são caras, juntamente com os requisitos de formação, consumíveis, manutenção, etc. Além disso, os materiais utilizados na impressão 3D tendem a ser dispendiosos, o que significa que haverá elevadas taxas de desperdício de matérias-primas.

Questões regulamentares e de normalização

A tecnologia de fabrico de aditivos metálicos necessita de métodos de ensaio normalizados ou de diretrizes de controlo de qualidade, o que torna a garantia de qualidade uma tarefa difícil, especialmente em áreas como a aeroespacial e a dos dispositivos médicos com requisitos rigorosos.

FAQS

O que são tipos de fusão de cama de pó？

Sinterização selectiva por laser (SLS)

A sinterização selectiva por laser utiliza um laser para sinterizar metal em pó, fundindo-o para obter uma estrutura sólida, sendo a precisão e a eficiência as suas caraterísticas.

Sinterização direta de metais a laser (DMLS)

No entanto, a DMLS é semelhante à SLA, mas centra-se em vários metais e ligas para gerar protótipos e produtos de utilização final com elevada precisão.

Fusão Selectiva por Laser (SLM)

Além disso, a SLM envolve a fusão do pó metálico, conduzindo a um produto final mais denso e mais robusto para aplicações que exigem elevada resistência e durabilidade.

Fusão por feixe de electrões (EBM)

Este processo difere de outras tecnologias de fabrico aditivo. Em vez de um laser, é utilizado um feixe de electrões no vácuo para evitar a oxidação, o que facilita a produção de peças complexas com excelentes caraterísticas materiais.

Conclusão

O fabrico de aditivos metálicos é uma tecnologia transformadora que oferece inúmeras vantagens, incluindo liberdade de conceção, melhorias de eficiência e redução do impacto ambiental. Com vários métodos disponíveis, como a fusão em leito de pó, a deposição de energia dirigida e o jato de ligante, os fabricantes podem escolher a melhor abordagem para as suas necessidades específicas. A vasta gama de materiais utilizados no fabrico de aditivos metálicos permite a criação de peças com diversas propriedades e aplicações.

À medida que o fabrico de aditivos metálicos continua a evoluir, está preparado para revolucionar a indústria transformadora. A capacidade de produzir peças complexas, leves e de alta qualidade de forma rápida e económica irá impulsionar a sua adoção em vários sectores. Embora subsistam desafios, os avanços contínuos e a crescente acessibilidade ajudarão a ultrapassar estes obstáculos, tornando o fabrico de aditivos metálicos uma pedra angular da inovação industrial nos próximos anos.