Câmara fechada

Como referenciado na Secção 2.1.5.1, no processo de LENS, a fusão e solidificação do metal de deposição ocorre numa câmara fechada com recirculação de gás inerte de proteção, tipicamente árgon. Para evitar a oxidação das peças, a concentração de oxigénio no interior da câmara é mantida perto ou abaixo das 10 ppm. Adicionalmente, esta câmara fechada permite proteger o utilizador da inalação

a) ) b) ) c) ) d) ) f) ) e) )

de pequenas partículas com dimensões aproximadas de 100 µm e também permite um melhor controlo da temperatura durante o processo.

3.7.

Sistemas de monitorização e CNC

As primeiras impressoras 3D existentes no mercado, nomeadamente as impressoras de FDM para polímeros, não apresentavam sistemas de monitorização dos parâmetros que constituem o processo. Como tal, são impressoras 3D com sistemas de controlo em anel aberto. Esta característica não permite ajustar automaticamente os seus parâmetros para corrigir possíveis erros ao longo do processo. Por sua vez, um sistema de controlo em anel fechado é necessário numa impressora 3D para metais. Com o desenvolvimento das tecnologias de AM, a implementação de sensores e respetivos sistemas de monitorização está cada vez mais presente nas impressoras 3D de LENS. Estes sistemas referem-se à monitorização do feixe de laser, da área de trabalho e da peça (Tabela 3.3).

Tabela 3.3: Parâmetros de monitorização. Adaptado de [29].

Feixe de laser Área de trabalho Peça

Potência Velocidade Temperatura

Diâmetro Vibração, estabilidade

Trajetória Posição do ponto focal

3.7.1. Trajetória

A noção de múltiplas cabeças introduz novos desafios nunca antes considerados em impressoras 3D com uma cabeça de impressão. Estes novos desafios prendem-se com o planeamento da trajetória para múltiplas cabeças independentes, que por falta de pesquisa e desenvolvimento não se encontra normalizado. Basicamente, assume-se que as diversas etapas do processo são comuns às com uma cabeça, mas cada etapa é mais complexa pelo aumento do número de cabeças de impressão. Frutuoso resume as etapas principais, como sendo: (1) determinação da orientação, (2) determinação dos apoios, (3) slicing, (4) posicionamento da peça, (5) particionamento e (6) geração da trajetória para as múltiplas cabeças [64].

Note-se que a etapa (6) tem de considerar as possíveis colisões entre cabeças de impressão vizinhas. Assim, qualquer algoritmo tem de ser capaz de evitar estas colisões, mesmo que implique uma paragem de qualquer das cabeças.

Por fim, o processamento com uma impressora 3D com múltiplas cabeças independentes compromete as propriedades mecânicas da peça pelo facto de introduzir descontinuidades na deposição do cordão por cabeças vizinhas. Para minimizar este problema, parte da área de processamento de cada cabeça tem de ser partilhada com as cabeças vizinhas. Assim, esta parte é alternadamente ocupada por cada uma das cabeças, camada após camada [40]. A Figura 3.16 representa o resultado da deposição por duas cabeças de impressão vizinhas.

Figura 3.16: Representação da ligação das partes da peça feitas de forma alternada [40].

3.7.2. Temperatura

AM é um processo de deposição de camada após camada. Uma camada é depositada sobre a camada anterior resultando num perfil de temperatura complexo e dependente do tempo durante o processamento da peça. Assim, o material pode experienciar repetidas transformações no estado sólido e líquido-sólido [7].

A monitorização da temperatura é importante no controlo da dureza, dimensões e diluição do cordão. Como tal, implica a variação de determinados parâmetros, nomeadamente, a potência do laser, o diâmetro do feixe e/ou a velocidade [29].

O estudo do gradiente de temperatura é apoiado pela análise de simulação numérica de elementos finitos realizada por Costa et al., cujo resultado se encontra ilustrado na Figura 3.17. A análise consiste na sobreposição de 10 cordões simples com comprimento de 10 mm, espessura de 0.5 mm e largura de 1 mm sobre um substrato. Os parâmetros mantiveram-se constantes ao longo da análise, exceto o intervalo de tempo de deposição entre cordões. Durante este tempo de espera, 𝛥𝑡, o material depositado arrefece, essencialmente devido à condução de calor do substrato. A temperatura baixa até um determinado valor com o aumento de 𝛥𝑡. A uniformidade da distribuição de temperatura antes da deposição de um novo cordão também depende de 𝛥𝑡. Para um 𝛥𝑡 superior, o objeto depositado apresenta uma distribuição de temperatura uniforme, enquanto que esta distribuição é menos uniforme para um 𝛥𝑡 inferior. A diminuição de 𝛥𝑡 aumenta a temperatura média do material depositado durante o processo de deposição, levando a um aumento progressivo das dimensões do banho de fusão [65]. Este aumento da dimensão do banho de fusão compromete a qualidade da peça. Como a distribuição de temperatura ao longo do processamento da peça é desconhecido, independentemente de 𝛥𝑡, é fundamental a implementação de um sistema de monitorização da temperatura.

Assim, a implementação de um sistema em anel fechado de controlo de temperatura permite garantir a qualidade do processo. Griffith et al., para a Sandia Corporation, apresentaram uma patente deste tipo de sistema. Esta consiste na análise em tempo real de imagens térmicas das condições do processo [66].

Figura 3.17: Gradiente de temperatura (ºC) com tempo de espera entre deposições: a) Δt=2s e b) Δt=5s [65]. No mercado encontram-se diversos aparelhos adequados para a leitura e monitorização da temperatura.

3.7.2.1. Termómetros de radiação

Os termómetros de radiação são baseados na lei de Planck da emissão térmica de radiação eletromagnética. Neste grupo de sensores de temperatura sem contacto com o banho de fusão incluem-se os pirómetros e as câmaras de obtenção de imagem térmica infravermelha. Estes sensores estimam a temperatura a partir da quantidade de radiação eletromagnética térmica infravermelha recebida pelo objeto a medir [28].

Relativamente a pirómetros, estes permitem medir valores de temperatura quase instantaneamente. Estes podem ser pirómetros de uma ou de duas cores. A diferença regista-se na medição de energia infravermelha de um ou dois comprimentos de onda, respetivamente [28].

Relativamente a câmaras de obtenção de imagem térmica, nomeadamente CCD, CMOS e EMAqS, a medição é feita sobre uma área que resulta num mapa de temperatura da zona examinada. A câmara pode ser também usada na determinação do comprimento, largura, área do banho de fusão e do feixe de laser [28].

A utilização destes tipos de sensores, por se tratarem de sensores de não-contacto e medirem temperaturas até os 3300ºC, é a mais adequada para a medição e monitorização da temperatura do banho de fusão ao longo de todo o processo [67].

A escolha entre pirómetros e câmaras depende da aplicação e da precisão. O valor de temperatura medido por pirómetros é gerado por uma diferença de potencial de um termopar. O valor é uma média de temperatura da área de ação do pirómetro, pelo que não é possível medir a área do banho de fusão, ou o diâmetro do feixe de laser. No entanto, por ser constituído por um conector, um cabo de fibra ótica e uma placa de processamento de dados, a sua implementação é facilitada. No caso das câmaras de obtenção de imagem térmica, a sua aplicabilidade é dificultada pela estrutura única com dimensões e massa superiores comparativamente aos pirómetros.

Analisando o mercado atual, a empresa Sensortherm dispõe de pirómetros de uma e de duas cores da série Metis H3 para aplicações de AM. Os pirómetros de uma cor efetuam 50 000 medições por segundo e permitem medir temperaturas até 2500º. Por sua vez, os pirómetros de duas cores efetuam 25 000 medições por segundo e permitem medir temperaturas até 3300ºC. Os pirómetros podem ser compostos ou não por fibra ótica. Outras empresas como a LumaSense Technologies, Micro-Epsilon e

DIAS Infrared Systems dispõem de uma gama de câmaras de obtenção de imagem térmica que monitorizam temperaturas que variam desde -20 a 3000ºC, com dimensões de 65 × 160 × 80 mm, um peso de 0.7 kg e com um intervalo de gamas espetrais de 0.8 a 14 µm. Por sua vez, a empresa Stratonics encontra-se especializada em câmaras e respetivos softwares para aplicações em AM, com um intervalo de temperaturas de 1000 a 2500ºC, dimensões de 158 × 165 × 89 mm e um peso de 2.3 kg. Adicionalmente, encontra-se em estudo uma câmara com dimensões e peso inferiores de 86 × 152 × 86 mm e 0.45 kg, respetivamente (Figura 3.18c) [68]–[71]. Na Figura 3.18 encontra-se um pirómetro e duas câmaras de obtenção de imagem térmica de algumas das empresas referidas acima.

a) Pirómetro Sensortherm Metis H3 [67]

b) Câmara LumaSense Technolo- gies MIKRON MCS640 [68]

c) Câmara Stratonics IR Global Heat Flow Sensor [71] Figura 3.18: Exemplos de pirómetro (a) e câmaras (b, c) de obtenção de imagem térmica infravermelha. A montagem e implementação de um pirómetro com fibra ótica na cabeça de impressão pode ser implementada como representa a Figura 3.19. Nos casos de pirómetros sem fibra ótica ou câmaras de obtenção de imagem térmica, a sua montagem e implementação também é semelhante à Figura 3.19.

Figura 3.19: Possíveis montagens e implementações de um pirómetro com fibra ótica numa cabeça de impressão. Traduzido de [67].

3.7.2.2. Pirómetros óticos

Estes sensores são também baseados na lei de Planck. O seu componente principal é um filamento operado a corrente constante. Um filtro de densidade variável provoca alterações na luminosidade do filamento que é detetável pelo utilizador quando comparado com a luminosidade do objeto a medir [28].

3.7.2.3. Pirómetros acústicos

O funcionamento destes sensores consiste na medição da velocidade do som do banho de fusão que é função da temperatura. Os pirómetros acústicos são caracterizados pela sua baixa sensibilidade [28].

Conector Conector Conector Fibra Fibra Fibra Pirómetro Pirómetro Pirómetro

3.7.2.4. Termopares

Estes aparelhos analógicos baseiam-se no efeito termoelétrico, no qual a junção de dois fios metálicos dissimilares gera uma diferença de potencial que é função da temperatura [63]. Os limites de medição da temperatura por termopares de tungsténio-rénio e platina-ródio são 2400 e 1480ºC, respetivamente. No entanto, por se tratarem de sensores de contacto e provocarem perturbações no banho de fusão, não são indicados para o processo de LENS [28].