De acordo com a Secção 2.1, as tecnologias de AM para metais também podem ser categorizadas dependendo da forma inicial do material de processamento: (1) folha, (2) fio e (3) pó. Além da informação exposta na Secção 2.1.1, não foram encontrados artigos científicos que abordam o material de processamento de folha. Assim, a presente secção apenas se refere ao material de processamento de fio e pó.
Os processos de powder-feed/-bed encontram-se mais desenvolvidos quando comparados com os processos de wire-feed, uma vez que os primeiros possuem melhor capacidade em processar peças com uma precisão geométrica superior. As camadas típicas depositadas por powder-bed encontram-se nos 20 – 100 µm e as peças podem atingir precisões dimensionais de ±0.05 mm e uma rugosidade superficial de 9 – 16 µm. Com esta forma de processamento, é possível criar peças com diferentes combinações de materiais. Contudo, a taxa de deposição é baixa, tipicamente 10 g/min, limitando o processamento de peças de tamanho médio a grande. Já nos processos de wire-feed, a taxa de deposição é bastante superior, até 2500 cm3/h (330 g/min no caso de aço inoxidável), e a eficiência do
processo também, até 100%. Logo, é melhor para o ambiente e operadores, uma vez que partículas pequenas podem constituir perigo de inalação. Também em termos de custo, os processos de wire-feed são mais baixos, comparados com os processos de powder-feed/-bed [8]. A Tabela 2.3 apresenta uma comparação entre alguns processos mais relevantes para metais.
Tabela 2.3: Comparação entre processos. Traduzido de [8]
Os processos baseados em powder-bed consistem na aplicação de camadas de partículas metálicas esféricas, tipicamente com diâmetros de 20 – 45 µm e espessuras de camada de 20 – 100 µm, espalhadas uniformemente sobre a mesa de impressão. Primeiro, a camada de pó é depositada e alisada e, por fim, irradiada e processada, repetindo-se sucessivamente. Trata-se de um processo de duas etapas. A fonte de calor é controlada por CNC permitindo um processamento rápido por camada. Porém, devido às etapas e características constituintes dos processos de powder-bed, o processamento total é demorado [28], [31] . Este tipo de processamento permite fabricar peças com maior detalhe, pequenas, com uma rugosidade superficial fina e densidade e propriedades mecânicas
Materiais Processo Espessura da camada (µm) Taxa de deposi- ção (g/min) Precisão dimen- sional (mm) Rugosidade superficial (µm) Pó LC N/A 1 – 30 ±0.025 – ±0.069 1 – 2 SLM 20 – 100 N/A ±0.04 9 – 10 SLS 75 ~0.1 ±0.05 14 – 16 Fio WAAM ~1500 12 ±0.2 200
elevadas. Contudo, além do elevado tempo de processamento, também é limitado pelo elevado custo e peças de reduzidas dimensões [37]. Devido às diversas deflexões dos feixes de laser/eletrões e ângulos incidentes, as propriedades do material da peça variam. Este facto deve-se a reflexões superiores em zonas mais afastadas do centro.
Todavia, o avanço da tecnologia leva a uma evolução rápida do processamento por powder-bed devido ao seu potencial, particularmente no processamento por laser. A evolução a nível da potência e número de fontes de calor permite o processamento de peças com dimensões e velocidades superiores [31]. Relativamente aos casos de powder-feed e wire-feed, o processamento dá-se pela alimentação por injeção de pó com partículas esféricas tipicamente com 50 – 100 µm de diâmetro ou por fio sólido com 1 – 2 mm de diâmetro, respetivamente, diretamente sobre o banho de fusão criado pela fonte de calor do processo em questão. Trata-se de um processo de uma etapa. Os cordões são depositados com uma espessura geralmente 50 – 60% da sua largura [28], [31]. Estes tipos de alimentação processam peças simples e quase-finalizadas e são indicados para o fabrico com taxas de deposição e cadências elevadas. No entanto, o processamento é limitado pela geometria devido à falta de suporte na adição do material, afetando a precisão geométrica e rugosidade superficial, necessitando de um pós-processamento [37].
Com o intuito de se perceber qual destas duas últimas formas é a mais indicada, diversos estudos científicos foram efetuados. Os seguintes estudos foram realizados recorrendo a um processo de DED e uma fonte de calor de laser.
Heigel efetuou uma investigação experimental com o objetivo de caracterizar as diferenças de temperatura e deformação através da deposição de camadas, a partir de substratos e revestimentos de Inconel® 625. Segundo Heigel, a deposição de pó e fio produzem camadas com boa qualidade. No entanto, a espessura de cada camada por deposição de pó é quase o dobro e a diluição também é superior. Através de medições, a alimentação por pó resulta em temperaturas e deformações superiores. Contudo, a caracterização final em relação à distorção mostra que é igual em ambos os casos. Também simulações de deposição de múltiplas camadas mostram que a camada por fio provoca uma deformação total superior, apesar de gerar temperaturas e deformações inferiores que uma camada por pó. Isto resulta da necessidade em depositar duas camadas de modo a perfazer uma espessura igual que a camada por deposição de pó. Considerando os resultados apresentados, Heigel recomenda a escolha do pó em detrimento do fio, quando a aparência superficial não é crítica, porque produz uma distorção inferior para uma dada espessura de camada [38].
Syed realizou igualmente um estudo comparativo em que os substratos utilizados eram de aço macio EN43A e os materiais de adição de aço inoxidável 316L. Relativamente à microestrutura, para ambos os casos, os resultados foram similares. No entanto, encontrava-se presente alguma porosidade na deposição de pó. O estudo foi realizado através de uma deposição lateral, permitindo a variação do ângulo e posição de deposição do material de adição. Por conseguinte, o pó permite depositar com ângulos de 0 – 180º, enquanto que o fio só permite ângulos de 10 – 75º, em relação ao substrato. No caso da alimentação por pó, a posição relativa do nozzle lateral anterior à fonte de laser leva a uma
oxidação inferior e melhor acabamento superficial, enquanto que a posição relativa posterior oferece uma eficiência de 20 – 45% superior. No caso do fio, a posição relativa posterior processa camadas com melhor qualidade que a posição relativa anterior, pois esta provoca serrações. A eficiência de deposição de fio é bastante superior à de deposição de pó. Segundo Syed, os resultados são consistentes com uma instabilidade superior no banho de fusão por alimentação de pó que por fio [39]. Em relação ao fio, é essencial que esteja esticado e armazenado sem deformação plástica, de modo a permitir uma alimentação sem vibrações. Fios metálicos são inferiores em custo e desperdício de material. Em contraste, uma baixa qualidade superficial, porosidade, fraturas e transferência das gotas são alguns dos problemas da alimentação por fio. Devido ao seu diâmetro, este provoca um efeito de sombra sobre o banho de fusão mais significativo que a nuvem de pó criada pela injeção de pó e gás de suspensão [28]. Também pelo diâmetro do fio ser fixo, não é possível alterar automaticamente este parâmetro-chave ao longo do processo. Por sua vez, como o perfil do fluxo pó é variável ao longo do processo, consequentemente, o seu diâmetro também o é. Relativamente ao mecanismo de alimentação, a deposição de fio é lateral, à exceção do GMAW, enquanto que por pó a deposição pode ser lateral ou coaxial. Portanto, estas duas últimas características permite uma flexibilidade de movimento e de variação de parâmetros superior do pó em relação ao fio.