Vencendo os desafios da impressão 3D com metais – Parte I

A Manufatura Aditiva (MA) tem o potencial de reduzir lixo, reduzir o tempo de chegada do produto no mercado, aumentar o desempenho do produto e promover inovações. A técnica de fabricação camada por camada altera radicalmente os métodos de desenvolvimento de produtos e pode ser usada para obtenção de protótipos e também como parte final do processo de fabricação de um componente. Nesta edição do relatório sobre Impressão 3D, nós vamos explorar os desafios relacionados ao processo de MA e como a pesquisa atual irá possibilitar avanços nessa área pelos próximos cinco anos

A impressão 3D está pegando fogo rapidamente no mundo da manufatura. Apesar das indústrias aeroespacial e de dispositivos médicos terem sido as primeiras a adotarem o processo, todas as indústrias que trabalham com metais estão, agora, começando a se dar conta do potencial da impressão 3D, também conhecida como Manufatura Aditiva (MA). Se ainda há alguma empresa que não começou a explorar a tecnologia – ela deveria, de acordo com Jack Beuth, professor de Engenharia Mecânica na Universidade de Carnegie Mellon – EUA (CMU).

“Quando se trata de Manufatura Aditiva, o relógio está correndo”, disse Beuth, especialista em modelagem de processos e pesquisador da tecnologia de MA há mais de 20 anos. “É importante agir rapidamente porque aqueles que entendem e se preparam para as mudanças que estão por vir em manufatura aditiva superam os que não estão”.

A Manufatura Aditiva tem o potencial de reduzir lixo, reduzir o tempo de chegada do produto no mercado, aumentar o desempenho do produto e promover inovações. A técnica de fabricação camada por camada altera radicalmente os métodos de desenvolvimento de produtos e pode ser usada para obtenção de protótipos e também como parte final do processo de fabricação de um componente. Porém, como ocorre com qualquer tecnologia nova, a MA se depara com desafios em seu caminho para se tornar um modo de fabricação convencional. As empresas se preocupam com a necessidade de melhorias em alguns aspectos dessa tecnologia, como na taxa de construção das peças, resistência à fadiga dos materiais e customização do processo.

Pesquisadores como Beuth e Anthony Rollett, professor de Engenharia e Ciência dos Materiais na CMU, estão confiantes de que essas barreiras logo serão ultrapassadas e de que novas oportunidades para a indústria serão criadas.

“Nos próximos cinco anos haverá uma transformação maior na perspectiva com relação à tecnologia MA”, segundo Rollett. “Exatamente agora existe uma excitação em torno de novos formatos e de peças que podem ser fabricadas, uma vez que temos a habilidade de construí-las camada por camada. Contudo, a verdadeira empolgação surgirá quando as empresas forem capazes de manipular simultaneamente os projetos de peças, os pós usados como matérias primas, variáveis do processo e de pós-processamento.”

O NextManufacturing Center, codirigido por Beuth e Rollett, tem sua atenção focada em transformar este objetivo em realidade e aumentar a ampla adoção da tecnologia. Os pesquisadores do NextManufacturing Center trabalham, no momento, em projetos de pesquisa que visam superar os desafios atuais da área. O centro está desenvolvendo um método inteiramente novo para a MA de metais – a fusão de dados envolvidos em todas as etapas do processo, a fim de criar um entendimento completamente integrado da tecnologia. Clique aqui caso você deseje ver em detalhes uma impressora 3D de metais em ação na Universidade de Carnegie Mellon.

Nesta edição do relatório sobre Impressão 3D, nós vamos explorar os desafios relacionados ao processo de MA e como a pesquisa atual irá possibilitar avanços nessa área pelos próximos cinco anos.

Design de processo

Hoje em dia, processos de MA em metais não oferecem muita customização para o usuário. Os usuários conseguem apenas controlar uma estreita faixa de variáveis de processos, como intensidade do feixe, velocidade de deposição, espessura da camada e temperatura da peça. Beuth salienta que os usuários do equipamento precisam de mais controle do processo para que possam manipular melhor o produto resultante.

“Os usuários precisam ser capazes de controlar o processo de MA com a mesma liberdade que fazem o projeto de geometria da peça”, segundo Beuth. “Essa customização permitiria que empresas otimizassem variáveis de processo específicas, com base em suas necessidades e nas características da peça que eles estão imprimindo”.

Para atender este requisito, Beuth desenvolveu uma tecnologia que está sendo patenteada e que tem o potencial para revolucionar o processo de impressão 3D de metais. Essa tecnologia, chamada mapeamento de processo, pode mapear resultados do processo como acabamento de superfície, microestrutura e porosidade. Ao utilizar o mapeamento do processo as empresas poderão se diferenciar de seus concorrentes através da criação de suas próprias “receitas”, com suas características específicas. Nos próximos cinco anos, essa tecnologia de mapeamento de processos irá permitir que o usuário customize suas operações de acordo com aspectos particulares de suas peças.

Monitoramento e controle

Hoje, os processos de MA não são monitorados de modo significativo. Por exemplo, na maioria das vezes os usuários conseguem controlar apenas a temperatura da câmara de construção da impressora. Outros aspectos importantes, como a precisão com que o pó é distribuído ou a quantidade de material fundido, não podem ser monitorados com consistência. Isso é um problema, uma vez que é um indicativo de que os usuários recebem poucas informações a respeito de suas construções e, portanto, não têm condições de identificar ou corrigir problemas facilmente, como a fusão incompleta do pó.

O NextManufacturing Center está trabalhando no aperfeiçoamento de sensores já existentes e na criação de novos. Em cinco anos os usuários de impressoras 3D poderão monitorar e controlar os processos de MA, o que significa ajustar o processo de impressão às peças que serão construídas.

Manipulação da microestrutura

Propriedades mecânicas como a resistência são determinadas pela estrutura em pequena escala dos metais, conhecida como microestrutura. Atualmente, os usuários não conseguem variar a microestrutura em diferentes regiões de uma peça que foi produzida por manufatura aditiva. Beuth explica que isso logo irá mudar e novas ferramentas serão fornecidas aos engenheiros para que o desempenho das peças seja otimizado. É um avanço, na verdade, que Beuth e sua equipe de pesquisa começaram a perceber apenas neste ano. A equipe de Beuth demonstrou recentemente a habilidade de controlar aspectos chave da microestrutura para dois diferentes tipos de processos aditivos e dois diferentes metais. As suas técnicas estão avançando rapidamente e agora estão sendo transferidas para membros industriais do NextManufacturing Center.

Dentro de cinco anos, usuários serão capazes de modificar a microestrutura e as propriedades de um material em diferentes regiões da peça, por meio da manipulação de variáveis do processo ao mesmo tempo em que a peça é construída.

Pós metálicos, controle de porosidade, conhecimento sobre o equipamento e mais

Fiquem de olho na parte dois desse artigo que será publicada na edição de dezembro do Relatório sobre Impressão 3D. Nele serão explorados os desafios relacionados aos materiais para MA e a pesquisa que irá resolver essas questões nos próximos cinco anos.

Para maiores informações: Hannah Diorio-Torth, gestora de comunicações para a Faculdade de Engenharia da Universidade de Carnegie Mellon; email: hdiorio@andrew.cmu.edu