O suporte solúvel é viável na impressão 3D de metal?

1. Princípio técnico: Ânodo de sacrifício para avanço eletroquímico
O método de proteção do ânodo sacrificial, que utiliza a diferença de potencial entre dois metais no eletrólito para causar corrosão seletiva, é a base para a tecnologia de suporte solúvel. Na impressão 3D de metal, esta técnica é usada de uma nova maneira para separar o corpo da peça da estrutura de suporte:
Escolhendo os materiais certos: use metais que não enferrujam (como aço inoxidável) para as peças e metais que enferrujam (como aço de baixo-carbono) para os suportes. Por exemplo, a equipe da Arizona State University usou uma mistura de aço inoxidável AISI 431 (para peças) e aço de baixo carbono Metco 91 (para suportes) para dissolver os suportes em ácido nítrico sem danificar as superfícies das peças.
Aceleração eletroquímica-: usar simplesmente ácido nítrico faz com que a corrosão aconteça mais lentamente (ele dissolve apenas 1,4 mm de aço carbono em 10 horas), mas adicionar bolhas de oxigênio faz com que isso aconteça 6 vezes mais rápido. O oxigênio quebra a camada de passivação na superfície do aço carbono, acelera o desenvolvimento da corrente de corrosão e dissolve completamente os últimos 7 mm do aço carbono em 6 horas.
Controle seletivo: Para materiais de suporte, os eletrólitos devem ter uma seletividade de solubilidade superior a 100:1. Por exemplo, o ácido nítrico corrói o aço carbono mais de 1000 vezes mais rápido do que o aço inoxidável, o que significa que o corpo do componente não é danificado.
2. Compatibilidade de Materiais: Limitações Metalúrgicas e Soluções
Para utilizar suporte solúvel na indústria, dois grandes problemas na ciência dos materiais precisam ser resolvidos:
Compatibilidade metalúrgica: As seguintes condições devem ser atendidas tanto pelos materiais de suporte quanto pelos materiais componentes:
Similaridade estrutural do cristal: para evitar fissuras por tensão na interface que podem ocorrer quando os coeficientes de expansão térmica são diferentes. Por exemplo, o aço de baixo-carbono e o aço inoxidável têm estruturas cúbicas-de face centrada e uma diferença de coeficiente de expansão térmica inferior a 10%. Isso significa que eles podem lidar com mudanças de alta temperatura durante a impressão 3D de metal.
Fique longe de compostos intermetálicos: Algumas combinações de materiais, como ligas de titânio e alumínio, têm maior probabilidade de se tornarem frágeis em altas temperaturas. Para evitar isso, é necessário regular os parâmetros do processo ou construir uma camada intermediária.
Expansão do sistema de materiais: pesquisas atuais mostram que o sistema de aço inoxidável-aço carbono é possível e que outras combinações de materiais precisam ser feitas no futuro.
Liga-de alta temperatura: o Inconel 718 e determinados materiais de ânodo de sacrifício podem ser usados ​​juntos para fabricar peças quentes para motores de aeronaves.
Liga de titânio: ao ajustar-a fórmula do eletrólito, o Ti6Al4V e o suporte solúvel podem trabalhar juntos.
Metais refratários: para remover o suporte de metais com alto ponto de -ponto de fusão-, como tungstênio e tântalo, precisamos criar sistemas eletroquímicos que funcionem em altas temperaturas.
3, Otimização de processos: saltando do laboratório para a linha de produção
Para industrializar a tecnologia de suporte solúvel, três importantes gargalos de processo devem ser superados:
Melhorando a eficiência da corrosão: Tecnologia eletroquímica de pulso: ajuda a remover produtos de corrosão e impede a formação de camadas de passivação, ligando e desligando a corrente. Por exemplo, a tensão pulsada pode fazer com que o aço carbono corroa três vezes mais rápido.
Ajuda ultrassônica: Adicionar ondas ultrassônicas ao eletrólito acelera a transferência de massa, causando cavitação, o que reduz o tempo de corrosão em mais de 50%.
Controle de qualidade da superfície:
Sistema para eletrólitos circulantes: O bombeamento de eletrólitos circulantes evita que a rugosidade da superfície piore, evitando discrepâncias de concentração local. Por exemplo, um tanque de corrosão por pulverização pode tornar a superfície dos itens menos áspera, de Ra10 μm a Ra2 μm.
Polimento após tratamento: a corrosão eletroquímica, juntamente com métodos sem-contato, como o polimento magnetoreológico, pode tornar uma superfície tão lisa quanto um espelho (Ra<0.1 μ m).
Integração automatizada:
Sistema para encontrar coisas on-line: o Industrial CT permite o monitoramento-em tempo real dos resíduos de suporte e o ajuste dinâmico dos parâmetros de corrosão. Por exemplo, o sistema Smart Clean da GE Additive pode encontrar automaticamente pontos de apoio e melhorar a distribuição da densidade de corrente.
Controle de circuito fechado: Use métodos de aprendizado de máquina para desenvolver um modelo que preveja a taxa de corrosão para que os parâmetros do processo possam ser alterados automaticamente. Depois que uma empresa aeronáutica utilizou essa técnica, a taxa de remoção de suporte subiu de 70% para 99%.
4. Perspectivas de aplicação industrial: de estruturas complicadas à produção em massa
Na produção-real, a tecnologia de suporte solúvel mostrou-se bastante útil:
Na área aeroespacial, a GE Aviation utiliza impressão de suporte solúvel para fabricar a câmara de combustão do Inconel 718. Isso reduz o tempo de remoção do suporte de 40 horas para 8 horas, e não há marcas de danos mecânicos na superfície.
Um fabricante de satélites imprimiu com sucesso um trocador de calor com 2.000 microcanais utilizando tecnologia de suporte solúvel. Os canais têm apenas 0,5 mm de largura e a taxa de resíduo de pó é inferior a 0,1%.
Implantes médicos: Articulação do quadril personalizada: a Johnson&Johnson Medical emprega suporte solúvel para imprimir articulações do quadril Ti6Al4V com rugosidade superficial de Ra0,8 μm. Isso atende aos padrões de implantes ortopédicos e evita dificuldades de endurecimento superficial que podem ocorrer com a usinagem tradicional.
Implantes dentários: Uma empresa odontológica reduziu o tempo necessário para imprimir implantes de três dias para um dia usando tecnologia de suporte solúvel. Isso reduziu os preços em 40%.
Fabricação de moldes: Um molde de resfriamento flexível é feito combinando aço para molde (como H13) com um suporte solúvel. Isso permite imprimir canais de resfriamento complicados. Quando esta técnica foi usada em uma determinada fábrica de moldes para automóveis, a eficiência de resfriamento do molde aumentou em 30% e o tempo necessário para fazer um molde caiu em 25%.