Tecnologia Selective Laser Melting

2.2.1 Introdução à tecnologia

A tecnologia Laser Melting trata-se de um processo inserido no universo da manufatura aditiva no qual se formam peças densas através da fusão de partículas de pó Este processo representa uma evolução da tecnologia Laser Sintering desenvolvida e patenteada por Carl Deckard and Joe Beaman na Universidade do Texas em Austin na década de oitenta para a produção de protótipos plásticos. O sucesso desta tecnologia, que provavelmente, se trata da tecnologia com o maior crescimento relativo no seio da prototipagem rápida e manufatura por camada, deve-se essencialmente da sua capacidade de criar componentes metálicos com formas muito complexas, canais internos ou estruturas porosas [2–4].

2.2.2 Vantagens e desvantagens da tecnologia

A tecnologia SLM permite a produção de componentes com geometrias complexas assegurando propriedades mecânicas iguais ou superiores às propriedades dos componentes produzidos por métodos convencionais como a fundição (facto comprovado ao longo deste estudo). As principais vantagens e desvantagens desta tecnologia comparativamente as métodos convencionais de produção apresentam-se na lista que se segue:

 Provada qualidade dos componentes produzidos: densificação aproximadamente de 100%, boas propriedades mecânicas, metalúrgicas e de desgaste;

 Total liberdade de forma e dimensão:

o Permite a produção de ferramentas com canais internos de arrefecimento; o Permite a produção de estruturas complexas possíveis de aplicar na indústria

aeroespacial;

o Não requer o uso de ferramentas para produzir componentes padronizados.  Embora o custo por componente seja superior ao custo dos métodos convencionais para produções elevadas quando se analisa o custo para pequenas séries de produção, para produtos com grande complexidade e em termos de redução de peso verifica-se a capacidade desta tecnologia;

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 Permite o projeto dos componentes de acordo com os locais onde existem concentrações de tensões. Ou seja, maior quantidade de material onde é preciso e menor onde não faz falta.

 Permite a adaptabilidade das propriedades mecânicas face à função que o componente irá desempenhar;

 Bons resultados provados para os diferentes materiais, desde metais e suas ligas, cerâmicos e materiais compósitos.

2.2.3 Compreensão da tecnologia e dos seus elementos diferenciadores

A tecnologia SLM revela-se particularmente interessante na medida em que permite o processamento de componentes com propriedades mecânicas melhores ou, no mínimo, comparáveis com os restantes componentes produzidos através dos processos tradicionais como fundição. Diversos estudos encontrados na literatura provam o que acaba de ser referido.

Attar et al. [5] demonstraram que a técnica de Laser Melting permite a produção de peças Ti de resistência superior aos processos convencionais como consequência do refinamento da microestrutura (formação de martensite α’).

Ng et al. [6] demonstrou que os valores da dureza e módulo de elasticidade de amostras de magnésio produzidas por Laser Melting era comparáveis com os componentes comuns produzidos por fundição. Prashanth el al. [7] fabricou amostras de Al-12Si com uma resistência duas vezes superior e menor ductilidade comparativamente aos valores correspondeste do mesmo material fundido como consequência dos microconstituintes presentes na microestrutura.

A figura 2, que se apresenta de seguida, pretende tornar percetível a evolução do processamento camada após camada característico desta tecnologia.

Figura 2 – Evolução o processamento por SLM (adaptado de [[8])

A compreensão da figura anterior torna possível perceber de uma forma mais lógica os diferentes parâmetros de processamento inerentes a este processo. Os principais parâmetros de

Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica

9 processamento podem ser resumidos na seguinte lista (os algarismos presentes em cada parâmetro apresentam uma correspondência na figura 3):

 Potência de laser (1);

 Velocidade de laser (2) corresponde ao tempo que o feixe de laser leva a percorrer uma determinada distância como, por exemplo, o caminho de A até B;

 Espessura de camada (3) corresponde ao valor que é aumentado no eixo z após o final do processamento de uma camada e o início da outra. Este valor está inteiramente dependente do método como o pó da nova camada é disperso e da dimensão das partículas de pó;

 Distância entre as passagens de laser (4);  Diâmetro do feixe laser (5);

 Caminho de processamento (6).

Figura 3 – Esquema ilustrativo dos parâmetros de processamento

Deste modo, percebe-se que o processamento através desta tecnologia requer um conhecimento aprofundado dos parâmetros de processamento para que dessa forma seja possível obter componentes com densificação praticamente total e boas propriedades mecânicas. Os principais parâmetros da tecnologia que é necessário otimizar para o processamento de cada material são os seguintes: Potência de laser (P), Velocidade de laser (v); Distância entre passagens consecutivas de laser (d); Espessura de camada (e). Sendo que existem outras variáveis que têm relevante importância como a atmosfera, a temperatura da plataforma e a estratégia de passagem do laser.

Posto isto, na literatura encontram-se muitos estudos que têm procurado encontrar os parâmetros de processamento ótimos que permitem a produção de componentes via SLM com boas propriedades mecânicas, microestruturais e de desgaste para diferentes materiais. J. P. Kruth et al. [9] estudaram o efeito de diferentes estratégias de laser nas propriedades mecânicas,

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microestruturais e na densificação de amostras produzidas a partir de diferentes partículas de pó metálico. J. W. Xie et al [10] investigaram o efeito da das estratégias de laser na densificação de amostras de 316L onde concluíram que os valores ótimos de distância entre passagens de laser (0,10mm) e velocidade de laser seriam compreendidos entre 100 e 150 mm/s para uma potência de 90W.

Kurian Antony et al. [11] estudaram o efeito dos parâmetros de laser na geometria, morfologia e na homogeneidade de amostras de Aço 316L produzidas pela tecnologia SLM onde concluíram que os parâmetros ótimos seriam os seguintes: P = 150W; v = 2,4 m/min. Ruidi Li et al. [12] fizeram uma investigação na qual compreenderam as relações entre os vários níveis de velocidade de laser e a porosidade e a resistência mecânica para o material Aço 316L produzido via SLM.

Y. Sun et al. [13] investigaram as propriedades microestruturais e tribológicas de amostras de Aço 316L produzidas via SLM para diferentes velocidades de laser e obtiveram resultados semelhantes aos de Aço 316L obtido por fundição. Jianfgen Sun et al. [14] realizaram uma análise estatística com o intuito de descobrir os parâmetros que permitem ótima densificação de amostras de Ti6Al4V produzidas via SLM. Sendo estes os seguintes: potência de laser de 80W, velocidade de laser de 200mm/s e espessura de camada de 0,02mm para uma diâmetro do feixe laser de 0,08mm.

Ruben Wauthle et al. [15] estudaram o efeito da orientação do crescimento de amostras porosas de Ti6Al4V produzidas via SLM nas propriedades mecânicas e microestruturais e concluíram que estruturas porosas com crescimento horizontal devem ser evitadas a menos que a direção da aplicação do esforço a que o componente esteja sujeito assim o justifique.

Nos últimos anos têm vindo a ser realizadas investigações relativamente a estruturas “ultra- leves” graças à liberdade que a tecnologia oferece em comparação com processos de manufatura tradicionais. Um exemplo é a construção de estruturas porosas. Sheng Zhang et al. [16] estudaram o efeito da distância entre passagens consecutivas de laser nas propriedades de amostras porosas de Ti6Al4V produzidas via SLM. Chunze Yan et al. [17] investigaram propriedades mecânicas de amostras celulares de Aço 316L produzidas via SLM. S. McKown et al [18] investigaram também a potencialidade de estruturas criadas com porosidade induzida na resposta a solicitações mecânicas. Os três estudos que de referiram anteriormente relativamente a estruturas porosas provam que através de otimização de parâmetros a tecnologia SLM permite a produção de estruturas porosas com reduzida porosidade cujas propriedades como o Módulo de Elasticidade

Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica

11 podem ser modeladas consoante os parâmetros de processamento usados. Estas investigações têm levado a um rápido crescimento relativamente à porosidade induzida como forma de produção para reduzir o peso e manter boas características mecânicas.

Importa também compreender que os diferentes equipamentos presentes no mercado para o processamento de materiais através da tecnologia Laser Melting diferenciam-se pelos tipos de laser. Para os materiais metálicos usam-se os lasers de fibra e os lasers Nd (YAG e YVO) enquanto para os materiais não metálicos os lasers de CO2. Estes lasers distinguem-se pelo comprimento

de onda que faz com que cada material tenho uma maior ou menor absorção da energia de cada tipo de laser.

Deste modo, percebe-se que a tecnologia SLM trata-se de uma técnica que já adquiriu o estatuto de processo alternativo aos processos tradicionais, para pequenas series de produção, sendo que apresenta como principal elemento diferenciador o fato de permitir a produção de peças complexas com boas propriedades mecânicas partindo de um modelo tridimensional CAD

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