Existe uma diferença significativa na precisão da impressão 3D entre os diferentes materiais metálicos?

1. Propriedades do material: as características físicas e químicas que afetam a possibilidade de precisão
A precisão da impressão 3D com materiais metálicos se deve principalmente à interação entre o comportamento termodinâmico do material durante o processo de fusão e solidificação e o gerenciamento do processo. As alterações nas propriedades dos quatro materiais comuns a seguir afetam diretamente a precisão de suas impressões:
Liga de titânio (como TC4/Ti-6Al-4V)
As ligas de titânio são fortes, leves e resistentes à ferrugem, porém só podem ser impressas com precisão por dois motivos principais:
Alta taxa de encolhimento térmico: TC4 tem um coeficiente de expansão linear de 8,6 × 10 ⁻⁶/grau, o que significa que pode facilmente causar tensão residual quando esfria rapidamente, o que pode fazer com que as peças deformem e mudem de forma. Por exemplo, se você não utilizar a prensagem isostática a quente (HIP) depois de imprimir um molde para uma pá de motor de aeronave, as dimensões podem estar erradas em até ± 0,3 mm. Após o processamento HIP, as dimensões podem ser alteradas em até ± 0,05 mm.
Baixa taxa de absorção do laser: A liga de titânio pode refletir até 60% da luz do laser, por isso precisa de uma alta densidade de energia (normalmente > 100W/mm²) para derreter uniformemente. No entanto, demasiada energia pode criar salpicos e alterar a rugosidade da superfície. Você pode diminuir a rugosidade da superfície de Ra25 μm para Ra10 μm alterando a técnica de digitalização (como a digitalização em tabuleiro de xadrez).
O aço inoxidável 316L é um exemplo.
O aço inoxidável possui uma grande janela de processo e não é muito sensível a trincas causadas pelo calor, o que o torna melhor para impressão:
Piscina de fusão ampla e estável: 316L derrete a 1375 graus, e uma piscina de fusão estável pode ser feita com uma potência de laser de 50 a 200 W e uma precisão dimensional de ± 0,05 mm. Uma empresa fabricante de dispositivos médicos utilizou a tecnologia SLM para imprimir placas ósseas com tolerância de abertura de ± 0,02 mm, o que atendeu aos requisitos para montagem de implantes ortopédicos.
Uniformidade na organização: a natureza austenítica do 316L torna menos provável que ele se separe durante o processo de impressão. Quando usado com tratamento de solução sólida (isolamento a 1050 graus por 1 hora e têmpera em água), as falhas de ligação entre camadas podem ser corrigidas, o que aumenta a vida à fadiga em 30%.
Liga de alumínio, como AlSi10Mg
O maior problema com a impressão de liga de alumínio é que ela tem alta condutividade térmica e é propensa a rachar quando fica quente.
Rachaduras se formam quando algo esfria rapidamente: AlSi10Mg tem uma condutividade térmica de 150W/(m · K), e a poça de fusão pode esfriar a uma taxa de 10 ⁶ graus/s, o que torna simples a formação de fraturas quentes nos limites dos grãos. A adição de 0,5% do elemento Sc pode tornar o tamanho do grão menor que 1 μm, o que reduz a taxa de fissuração de 15% para 0,5%.
Efeito do filme de óxido de superfície: É provável que a superfície do alumínio gere um filme espesso de óxido (Al ₂ O3), o que faz com que o pó não flua bem e significa que a impressão precisa ser feita com proteção contra gás inerte a vácuo. Depois de melhorar o sistema de circulação de gás, a rugosidade da superfície de um novo suporte de bateria de veículo de energia passou de Ra50 μm para Ra15 μm.
Ligas-à base de níquel para altas-temperaturas, como Inconel 718
O desafio das ligas-de alta temperatura é controlar a microestrutura em temperaturas muito altas:
Tendência de crescimento de cristais colunares: Durante a impressão, o Inconel 718 tende a gerar cristais colunares que se desenvolvem na direção da construção. Isso torna o material anisotrópico. Alterar a velocidade de varredura (600–1000 mm/s) e a espessura da camada (30–50 μm) pode fazer com que o tamanho do grão passe de 500 μm para 100 μm, o que faz com que a resistência à tração aumente em 15%.
Sensibilidade a microfissuras: A fase '(Ni ∝ (Al, Ti)) provavelmente formará depósitos irregulares quando esfriar rapidamente, o que pode causar microfissuras. Mais de 90% das microfissuras podem ser removidas através de tratamento térmico graduado (isolamento de 720 graus por 8 horas, seguido de resfriamento a ar e isolamento de 620 graus por 8 horas).
2. Adaptabilidade do processo: Escolha de um caminho para uma implementação precisa
A precisão da impressão 3D de metal depende do material e da correspondência com o tipo de processo. Os quatro processos comuns a seguir têm níveis de precisão bastante diferentes:
Benefício de precisão da fusão seletiva a laser (SLM): O diâmetro do ponto de laser do SLM pode ser tão pequeno quanto 50 μm, a espessura da camada pode estar entre 20 e 60 μm, a precisão dimensional pode ser tão alta quanto ± 0,05 mm e a rugosidade da superfície Ra pode ser tão baixa quanto 10 μm. Uma empresa de aviação usou SLM para imprimir pás de turbina, certificando-se de que a tolerância do perfil da pá estivesse dentro de ± 0,03 mm, que é o que os motores de aviação precisam para serem montados.
Restrições de materiais: Para fazer com que materiais com alta refletividade (como o cobre) absorvam mais, é necessário usar um laser verde (532 nm) ou um laser azul (450 nm). Porém, o custo do equipamento sobe de 30% a 50%.
Recursos de precisão de fusão por feixe de elétrons (EBM): O EBM funciona no vácuo com muita densidade de energia no feixe de elétrons (até 10 ⁴ W/mm²), o que o torna adequado para impressão de materiais com altos pontos de fusão, incluindo ligas de titânio. Um certo fabricante de implantes ortopédicos usou EBM para imprimir copos para articulações do quadril. A rugosidade da superfície era Ra menor ou igual a 8 μm, não havia camada de óxido e os copos eram mais biocompatíveis do que aqueles feitos com métodos tradicionais.
Controle de tensão térmica: o EBM pode aquecer peças a 700 graus Celsius, o que pode reduzir a tensão residual e o empenamento em 80%.
A Deposição de Energia Direcionada (DED) tem diâmetro de bocal de 0,8 a 2 mm, espessura de camada de 0,5 a 2 mm, precisão dimensional de ± 0,5 mm e rugosidade superficial de Ra20 a 100 μm. Uma certa empresa de motores de aviação usou DED para consertar um disco de turbina. A camada de reparo e o substrato são unidos com resistência metalúrgica de 400MPa, o que atende aos requisitos de serviço.
Vantagem de eficiência: o DED tem uma taxa de sedimentação de 200 cm³/h, que é mais de 10 vezes maior que a do SLM. Isso o torna bom para fixar ou pré-formar peças grandes.
Adesivo em spray (BJ)
Potencial de precisão: BJ tem uma precisão dimensional de ± 0,1 mm e uma rugosidade superficial de Ra20-60 μm. No entanto, precisa ser desengordurado (400-600 graus) e sinterizado (1200-1300 graus) após o tratamento, o que faz com que encolha de 15% a 20%. Uma certa empresa automobilística emprega insertos de molde impressos BJ e, depois de finalizados, o tamanho permanece estável dentro de ± 0,05 mm, que é o necessário para a fabricação em massa.
Vantagem de custo: a peça única da BJ custa de 60% a 70% menos que a SLM, o que a torna ideal para situações onde são necessárias precisão média e grande escala.
3. Exemplo típico: verificação de aplicação prática de discrepâncias de precisão
Lâminas de liga de titânio para motores de aeronaves Impressão usando SLM
Uma empresa de aviação empregou a tecnologia SLM para fabricar lâminas de liga de titânio TC4. Ao melhorar as técnicas de digitalização (como digitalização em espiral) e estruturas de suporte (como suporte de treliça), a tolerância do perfil da lâmina passou de ± 0,1 mm para ± 0,03 mm, e a rugosidade da superfície passou de Ra25 μm para Ra8 μm. Isso tornou o motor 2% mais eficiente.
O aço inoxidável 316L é usado para implantação de dispositivos médicos. Impressão SLM
Uma empresa ortopédica usou SLM para imprimir placas ósseas de aço inoxidável 316L. A tolerância de abertura foi ajustada em ± 0,02 mm e, após o polimento eletrolítico, a rugosidade da superfície Ra < 0,8 μm atendeu ao padrão médico ISO 13485, reduzindo o tempo necessário para a integração do osso em 30%.
Bateria para um veículo de nova energia: AlSi10Mg Impresso com SLM
Uma nova empresa de veículos de energia emprega suportes de baterias impressas em SLM para alterar o tamanho do grão adicionando 0,5% do elemento Sc, o que reduz a taxa de fratura a quente de 15% para 0,5%. A resistência do braquete aumenta 25% e seu peso diminui 30% quando ele é-tratado termicamente com T6 (solução sólida de 530 graus + 170 grau de envelhecimento).