Que fatores determinarão a solução de pós{0}}processamento para impressão 3D de metal?

1. Propriedades do material: limites básicos para pós{1}}processamento
A composição, a microestrutura e as propriedades termofísicas dos materiais metálicos de impressão 3D determinam diretamente a trajetória técnica e os parâmetros do processo de pós{1}}processamento.
As propriedades da composição do material e transições de fase
metais variáveis ​​​​têm temperaturas de transição de fase, coeficientes de expansão térmica e sensibilidades à oxidação muito variáveis. Por exemplo, a liga de titânio (Ti6Al4V) tende a reagir com o oxigênio para formar uma camada de óxido frágil em temperaturas acima de 600 graus, portanto o tratamento térmico deve ser feito em um ambiente de vácuo ou gás inerte. Ligas-à base de níquel-de alta temperatura (como Inconel 718) têm muitos elementos de liga e precisam de controle gradual da precipitação da fase através do tratamento de solução (isolamento de 980-1020 graus por 1 hora) e tratamento de envelhecimento (isolamento de 720 graus por 8 horas) para encontrar um equilíbrio entre resistência e tenacidade
Densidade e propriedades do pó
A densidade inicial dos itens impressos é afetada pelo tamanho das partículas, quão bem elas fluem e quão puro é o pó. Por exemplo, peças de liga de alumínio impressas com pó esférico com tamanho de partícula de 15–45 μm podem ter uma porosidade inicial de 3% a 5%. Para torná-los mais densos que 99,9%, eles precisam ser prensados ​​isostáticos a quente (HIP) a 1200 graus e 100 MPa. As peças impressas com pó em nanoescala podem precisar apenas ser recozidas para eliminar o estresse interno, pois sinterizam muito rapidamente.
Controle que não é o mesmo em todas as direções
A maneira como a impressão 3D de metal empilha camadas umas sobre as outras confere propriedades mecânicas anisotrópicas. Por exemplo, a resistência à tração do aço inoxidável 316L é 10% a 15% menor ao longo da direção de impressão (eixo Z-) do que ao longo da direção vertical (eixo XY). O tratamento térmico, como manter a 750 graus por 2 horas e depois temperar com água, pode ajudar a recristalizar os grãos, reduzir a anisotropia para dentro de 5% e tornar as peças estruturais consistentes.
2. Parte dos requisitos funcionais: pós-processamento com um objetivo em mente
O plano de pós{0}}processamento deve ser muito focado em como as peças serão usadas no final e melhorar as métricas de desempenho com base nisso.
Melhorando o desempenho mecânico
Necessidade de alta resistência: O disco da turbina do motor aeroespacial deve suportar temperaturas extremas de 1.000 graus e tensões de 1.000 MPa. A resistência à tração deve ser elevada para exceder 1.200 MPa pelo método composto de tratamento térmico HIP+ (após 1.220 graus/150 MPa HIP, solução sólida de 1.080 graus+720 graus de envelhecimento).
Altos padrões de resistência: Os implantes ortopédicos, incluindo próteses de quadril, precisam ser fortes e capazes de resistir ao desgaste. O recozimento (manter a 700 graus por 4 horas e depois resfriar lentamente) pode aumentar a taxa de alongamento de 15% para 25% e diminuir o risco de fratura frágil.
Melhor resistência à corrosão
As peças de aço inoxidável 316L usadas na engenharia marítima precisam ser capazes de resistir à corrosão por névoa salina por um longo tempo. O tempo de resistência à névoa salina pode ser aumentado de 240 horas para 2.000 horas usando polimento eletroquímico (que remove a camada de óxido superficial) e anodização (que forma um revestimento de óxido de 10 μm de espessura). Isso atende aos requisitos da norma ISO 9227.
Melhorando a qualidade da superfície
O setor de eletrônicos de consumo tem regras rígidas sobre a aparência das peças. Para tornar a superfície menos áspera, elas precisam ser polidas em várias etapas (desbaste → desbaste fino → polimento espelhado) até atingir Ra0,2 μm ou inferior. O tratamento de jato de areia (partículas de areia de alumina de 200 mesh) é aplicado ao mesmo tempo para criar um acabamento fosco uniforme que atende aos padrões de design.
3. Restrições ao processo de fabricação: o limite do que pode ser feito após o processamento
As especificações do processo de impressão e as capacidades do equipamento limitam imediatamente as opções de tecnologias de pós{0}}processamento.
Controlando o estresse residual
A técnica de fusão em leito de pó a laser (LPBF) deixa tensões residuais que podem chegar a 70% da resistência ao escoamento do material porque ele esfria muito rapidamente. O recozimento de alívio de tensão (isolamento a 500–600 graus por 2 horas) deve ser feito logo após a conclusão da impressão. Caso contrário, as peças poderão deformar ou rachar ao serem cortadas ou usinadas. A tecnologia de fusão por feixe de elétrons (EBM) tem menos tensão residual, pois aquece o substrato a mais de 600 graus antes de derretê-lo. Isso facilita o processo de pós--processamento.
Tirando a estrutura de suporte
O projeto de suporte para peças estruturais complicadas, como as câmaras de combustão em motores de aviação, precisa encontrar um compromisso entre estabilidade durante a impressão e facilidade de uso após a impressão. O uso de materiais de suporte-solúveis em água pode facilitar sua remoção. Por outro lado, os suportes metálicos precisam ser tratados com corte com fio (com precisão de ± 0,05mm) ou ataque químico (para microestruturas) para evitar danos à superfície causados ​​pelo corte mecânico.
Garantia de precisão dimensional
A espessura da camada de impressão (normalmente 20–100 μm) e a abordagem de digitalização (como digitalização em tabuleiro de xadrez) afetam a precisão das peças. Para peças que precisam de uma tolerância de ± 0,02 mm na superfície de contato, a usinagem de articulação de cinco eixos (como fresamento e retificação) é necessária após o tratamento térmico. No entanto, peças estruturais simples podem obter uma precisão superficial de Ra3,2 μm com jato de areia e retificação.
4. Balanço de custo-benefício: fatores econômicos a serem considerados após o processamento
A solução de pós{0}}processamento deve encontrar o melhor equilíbrio entre redução de custos e melhoria de desempenho.
Otimizando custos unitários
Ao fazer muitos implantes médicos, o tratamento HIP pode fazer com que durem mais, mas o custo por unidade aumenta de 30% a 50%. Ao alterar as configurações de impressão (como aumentar a densidade de potência do laser) para diminuir a porosidade inicial, as necessidades de processamento HIP podem ser reduzidas pela metade, o que economiza muito dinheiro.
Retorno do investimento em equipamentos
As empresas aeroespaciais gastam milhões de dólares em equipamentos HIP para processar peças de liga-de alta temperatura. Para evitar ativos fixos ociosos, eles podem trabalhar com provedores de serviços de pós-processamento especializados e cobrar por peça (custo de processamento por peça) de 500 a 2.000.
Melhorando a eficiência do ciclo
A fabricação de moldes de automóveis leva de 7 a 10 dias usando a técnica de "impressão + recozimento + usinagem de precisão". Mas ao otimizar o procedimento de tratamento térmico (por exemplo, aumentando rapidamente a temperatura para 750 graus e mantendo-a assim por uma hora), o ciclo pode ser reduzido para 5 dias, o que torna a entrega mais rápida.