Por que a estrutura metálica de suporte da impressão 3D deve ser removida?

1. A principal função das estruturas de apoio e como elas mudaram ao longo do tempo
Barreiras físicas para controlar a termodinâmica
Durante o processo de impressão 3D de metal, feixes de laser ou elétrons criam temperaturas muito altas (acima de 2.000 graus) em locais pequenos, o que faz com que o material mude de líquido para sólido muito rapidamente. A estrutura de suporte serve dois propósitos neste processo. Primeiro, como meio de condução térmica, ele move rapidamente o calor da área suspensa para o substrato, o que evita o acúmulo de tensão residual devido ao superaquecimento local. Em segundo lugar, ao limitar o fluxo de metal, evita que a poça derretida entre em colapso devido à gravidade. Por exemplo, ao imprimir um impulsor de liga de titânio, a estrutura de suporte pode reduzir a tensão térmica em 60% quando o ângulo de suspensão for inferior a 45 graus. Isto reduz a taxa de deformação por empenamento das peças de 32% para menos de 5%.
O resultado inevitável da iteração do processo
As primeiras máquinas de impressão 3D de metal precisavam de muitas estruturas de suporte porque não conseguiam gerenciar muito bem a densidade de energia. Dispositivos SLM modernos podem fornecer "suporte adaptativo" modificando dinamicamente a densidade de potência do laser graças ao desenvolvimento de tecnologias de modelagem de acoplamento multi-física. O dispositivo LiM{4}}X260A da Leiming Laser, por exemplo, imprimiu com sucesso estruturas suspensas sem qualquer suporte em pequenos ângulos de 5 graus a 35 graus usando algoritmos de digitalização otimizados. Isto reduziu a quantidade de materiais de apoio necessários em 78%. Mas esta tecnologia ainda é útil apenas para certos tipos de materiais e formas.
2. Falhas fatais ainda presentes na estrutura de suporte
Assassinos invisíveis de propriedades materiais
A interface material da estrutura de suporte e do corpo de impressão são muito diferentes entre si em termos de como são organizados. Ao imprimir com aço inoxidável 316L, cristais colunares grossos podem se formar na junção entre o suporte da grade e o sólido. Isso torna a área 15% a 20% mais macia e 40% menos durável. O efeito de "ânodo pequeno e cátodo grande" dos resíduos de suporte pode produzir corrosão eletroquímica, o que é muito ruim para peças importantes como discos de turbina em motores de aeronaves, pois acelera a taxa de corrosão em 3 a 5 vezes.
Efeitos prejudiciais na precisão das formas
O ponto de contato entre a estrutura de suporte e a superfície do componente criará uma camada de transição com 0,1 a 0,3 mm de espessura. É provável que esta camada apresente falhas superficiais quando for removida mecanicamente. Por exemplo, o bico de combustível da GE Aviation possui um canal de fluxo interno com apenas 2 mm de diâmetro. Se houver suporte residual, a seção do canal de fluxo pode dobrar mais de 8%, o que afeta diretamente o efeito de atomização do combustível. Mesmo com técnicas-de ponta, como a dissolução eletroquímica, a corrosão localizada no nível de 0,05 mm ainda pode ocorrer se a densidade da corrente não estiver distribuída uniformemente.
O ponto fraco do controle de custos
O custo do material utilizado para fazer a estrutura de suporte representa aproximadamente 12% a 18% do custo total da impressão 3D de metal. O custo das ligas-à base de níquel para altas-temperaturas é superior a US$ 2.000 por quilograma, e jogar fora materiais extras é muito trabalhoso. O custo de mão de obra da fase de pós-{8}}processamento é muito mais preocupante porque pode chegar a 25% a 30%. Na linha de produção automatizada BMW IDAM, as pessoas ainda precisam ajudar no processo de remoção, o que se tornou um grande gargalo que impede que todo o processo se torne automatizado.
3. Avanços e problemas com tecnologia que ajuda na remoção
Uma revolução na remoção mecânica de precisão
Existem dois problemas principais com os processos mecânicos tradicionais, como corte e fresagem de arame: primeiro, eles são difíceis de alcançar devido às complexas estruturas da cavidade interna e, segundo, são difíceis de controlar no nível micrométrico. O sistema robótico NetShape da Rivelin Robotics pode regular a força de contato em até 0,1N usando um algoritmo de controle de feedback de força. Quando usado com um sistema de posicionamento visual 3D, ele pode localizar e remover automaticamente resíduos de suporte, o que torna a superfície mais lisa (de Ra6,3 μm a Ra1,6 μm) e acelera o processamento em 10 vezes.
Avanço seletivo em ataque químico
A tecnologia de remoção com suporte eletroquímico desenvolvida pela Arizona State University consegue dissolução seletiva através da criação de um campo de potencial diferencial. No sistema de aço inoxidável/aço carbono 304, a combinação de solução de ácido nítrico a 41% em peso e oxigênio pode remover completamente o suporte de aço carbono com 7 mm de espessura em 6 horas. Também mantém a taxa de corrosão do substrato de aço inoxidável abaixo de 0,002 mm/h. Essa tecnologia tem sido utilizada na confecção de implantes médicos, reduzindo o tempo de retirada do suporte de 48 horas para 8 horas.
Usando algoritmos inteligentes para fazer previsões sobre como melhorar as coisas
A startup belga Materialize fabrica um software chamado Magics que pode usar modelos de aprendizado de máquina para construir automaticamente as melhores estruturas de suporte. O sistema aprende com 100.000 conjuntos de dados de processo e pode prever como o estresse térmico se espalhará pelas diferentes formas. Ele também pode alterar a densidade do suporte e a área de contato por conta própria. Ao imprimir uma determinada parte da estrutura de um avião, o método de suporte otimizado reduziu o uso de material em 42% e o tempo de pós-{6}}processamento em 65%.