Impressora 3D para fabrico de peças de grandes
dimensões em metal
João Miguel Henriques Silva
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Mecânica
Orientadores: Prof. António Manuel Relógio Ribeiro
Prof. Marco Alexandre de Oliveira Leite
Júri
Presidente: Prof. Luís Filipe Galrão dos Reis
Orientador: Prof. António Manuel Relógio Ribeiro
Vogal: Prof. Rogério Anacleto Cordeiro Colaço
Agradecimentos
Em primeiro lugar quero agradecer aos meus orientadores, o Prof. Marco Leite e o Prof. António Relógio Ribeiro, pela disponibilidade, orientação, contribuição, ajuda e conhecimentos transmitidos na concretização deste documento.
Ao Professor Rui Vilar, pela disponibilidade em poder trabalhar no sistema de deposição de pó assistido por laser que me ajudou na compreensão do funcionamento do processo.
Aos meus colegas que me acompanharam e contribuíram no sucesso do meu percurso académico. Por fim, os meus sinceros agradecimentos à minha família por todo o apoio e confiança durante estes anos, principalmente nestes anos passados no Instituto Superior Técnico.
Resumo
A manufatura aditiva consiste em processos de adição de material, camada após camada, no fabrico de objetos tridimensionais. Trabalhos nesta área pretendem aumentar a qualidade e aumentar a rapidez de processamento da peça, para diversos materiais. A impressão de peças de grandes dimensões é um tema pouco explorado, no entanto é uma área de grande interesse industrial. Atualmente, não é comercializado nenhum sistema que permita fabricar peças de grandes dimensões sem comprometer a qualidade e rapidez de processamento das mesmas. Existem patentes publicadas onde esta problemática é abordada, mas não para aplicações em metal.
Neste documento são levantadas, expostas e justificadas as características, sistemas, equipamentos e parâmetros-chave fundamentais para o desenvolvimento de uma impressora 3D de LENS de múltiplas cabeças de impressão independentes para o fabrico de peças de grandes dimensões em metal.
De modo a obter um conhecimento próprio e prático do processo de LENS, é efetuada uma análise crítica ao sistema de deposição de pó assistida por laser do Laboratório de Laser do Instituto Superior Técnico da Universidade de Lisboa para a sua utilização em aplicações de manufatura aditiva. Para tal, foi desenvolvido um nozzle coaxial contínuo de altura regulável com o feixe de laser do sistema. Por fim, são apresentados conceitos de impressoras 3D de LENS de múltiplas cabeças de impressão independentes para o fabrico de peças de grandes dimensões em metal considerando a informação exposta ao longo do documento.
Palavras-chave
Manufatura aditiva, metal, LENS, múltiplas cabeças de impressão independentes, fabrico de peças de grandes dimensões, nozzle coaxial contínuo.
Abstract
Additive manufacturing consists of material addition processes, layer upon layer, in the manufacture of three-dimensional objects. Developments in this area aim to increase the quality and reduce the build time of the part, for several materials. The printing of large parts is an unexplored subject. However, it is an area of great industrial interest. Currently, no system is being commercialized that allows to manufacture large parts without compromising the quality and built time. There are registered patents where this problem is addressed, but not for metal applications.
In this document, characteristics, systems, equipment and key parameters are exposed and justified for the development of a multiple independent print head LENS 3D printer for the manufacture of large metal parts.
To obtain a proper and practical knowledge of the LENS process, a critical analysis is performed on the Laser Assisted Powder Deposition System of the Laser Laboratory of the Instituto Superior Técnico at the University of Lisbon for its use in additive manufacturing applications. To achieve this, a continuous coaxial nozzle of adjustable height with the laser beam of the system is developed.
Finally, concepts are presented of multiple independent print heads LENS 3D printers for the manufacture of large metal parts considering the information exposed throughout the document.
Key-words
Additive manufacture, metal, LENS, multiple independent print heads, manufacture of large parts, continuous coaxial nozzle.
Índice
Agradecimentos ...i Resumo ... ii Palavras-chave ... ii Abstract... iii Key-words ... iii Índice ... ivÍndice de Figuras ... viii
Índice de Tabelas ...x Lista de Símbolos ... xi Abreviações ... xi Nomenclatura ... xii 1. Introdução ... 1 1.1. Motivação ... 1 1.2. Objetivos ... 2 1.3. Estrutura do documento ... 2 2. Estado da arte ... 3
2.1. Tecnologias de processamento para metais ... 3
2.1.1. Laminação de Folhas (Sheet Lamination) ... 4
2.1.1.1. Manufatura de Objetos Laminados (Laminated Object Manufacturing)... 5
2.1.1.2. Consolidação por Ultrassons (Ultrasonic Consolidation) ... 5
2.1.2. Extrusão de Material (Material Extrusion) ... 5
2.1.2.1. Modelação por Deposição de Fundido Metálico (Fused Deposition Modelling of Metal) ………6
2.1.3. Impressão 3D Aglutinante (Binder Jetting) ... 6
2.1.4. Fusão por Cama de Pó (Powder Bed Fusion) ... 7
2.1.4.1. Sinterização Seletiva por Laser (Selective Laser Sintering) ... 8
2.1.4.2. Fusão Seletiva por Laser (Selective Laser Melting) ... 8
2.1.4.3. Fusão por Feixe de Eletrões (Electron Beam Melting)... 8
2.1.5. Deposição por Energia Direcionada (Directed Energy Deposition) ... 9
2.1.5.2. Fabricação em Formato Livre por Feixe de Eletrões (Electron Beam Freeform
Fabrication) ... 11
2.1.5.3. Manufatura Aditiva por Fio e Arco Elétrico (Wire and Arc Additive Manufacturing) .. 11
2.2. Fontes de calor: arco elétrico, feixe de eletrões e laser ... 12
2.2.1. Arco elétrico ... 12
2.2.2. Feixe de eletrões ... 12
2.2.3. Feixe de laser ... 13
2.3. Formas do material de processamento: folha, fio e pó ... 15
2.4. Múltiplas cabeças de impressão ... 17
3. Características de uma impressora 3D com múltiplas cabeças independentes para metais ... 21
3.1. Sistema de laser ... 22
3.1.1. Fonte de potência ... 22
3.1.2. Fibra ótica e conectores ... 24
3.1.3. Comutador e shutter ... 25 3.2. Sistema ótico ... 26 3.2.1. Lente colimadora ... 27 3.2.2. Lente focal ... 27 3.3. Sistema de alimentação ... 28 3.3.1. Alimentador de pós ... 28 3.3.2. Nozzle ... 30 3.4. Guias motorizadas ... 32
3.5. Configurações de uma impressora 3D com múltiplas cabeças independentes ... 33
3.6. Câmara fechada ... 34 3.7. Sistemas de monitorização e CNC ... 35 3.7.1. Trajetória ... 35 3.7.2. Temperatura ... 36 3.7.2.1. Termómetros de radiação ... 37 3.7.2.2. Pirómetros óticos ... 38 3.7.2.3. Pirómetros acústicos ... 38 3.7.2.4. Termopares ... 39
3.8. Cabeça de impressão completa ... 39
3.9.1. Parâmetros combinados de densidade de energia e de deposição de pó ... 42
3.9.1.1. Parâmetros combinados para feixes de laser contínuos ... 42
3.9.1.2. Parâmetros combinados para feixes de laser pulsados... 43
3.9.1.3. Influência dos parâmetros combinados ... 44
3.9.2. Densidade de potência em função do tempo ... 44
3.9.3. Considerações finais ... 45
4. Sistema de deposição de pó assistida por laser existente no CeFEMA ... 46
4.1. Descrição dos equipamentos existentes no CeFEMA ... 46
4.1.1. Laser de fibra IPG YLR 200 AC ... 46
4.1.2. Sistema ótico ... 46
4.1.3. Alimentador de pós PLASMA TECHNIK AG TWIN 10 COMPACT ... 49
4.1.4. Nozzle lateral e respetivas guias linear e angular ... 50
4.1.5. Guias OWIS LTM 80F-150 ... 50
4.1.6. Câmara de luvas e antecâmara ... 51
4.1.7. Sistema CNC ... 52
4.2. Propostas de melhoramento ... 53
4.2.1. Sistema CNC ... 53
4.2.2. Seleção do nozzle ... 54
4.2.3. Isolamento das zonas roscadas ... 54
5. Nozzle coaxial... 56
5.1. Design do nozzle coaxial ... 56
5.2. Projeto dos cones do nozzle coaxial contínuo ... 59
5.3. Projeto do nozzle coaxial contínuo ... 61
5.3.1. Estrutura principal ... 61
5.3.2. Bloqueador, tubo roscado interior e tubo roscado rotativo ... 61
6. Impressoras 3D de LENS com múltiplas cabeças de impressão independentes para metal ... 64
6.1. Requisitos e especificações iniciais ... 64
6.2. Conceitos de arquitetura ... 65
6.2.1. Conceito de arquitetura com a configuração E ... 65
6.2.2. Conceito de arquitetura com a configuração F ... 66
7. Conclusão ... 69
7.1. Trabalhos futuros ... 70
Bibliografia ... 72
Índice de Figuras
Figura 1.1: Problema atual de AM. ... 1
Figura 2.1: Representação simplificada do processo de LOM. Traduzido de [11]. ... 5
Figura 2.2: Representação de um sistema de FDM. Traduzido de [2]. ... 6
Figura 2.3: Esquema do processo de BJ. Traduzido de [2]. ... 7
Figura 2.4: Representação do processo de PBF. Traduzido de [14]. ... 8
Figura 2.5: Esquema do processo de LENS. Traduzido de [2]. ... 10
Figura 2.6: Absorção teórica como função do comprimento de onda para diversos metais. Traduzido de [32]. ... 14
Figura 2.7: Impressoras FDM de múltiplas cabeças. ... 18
Figura 2.8: Representação das duas arquiteturas desenvolvidas por Zhang e Khoshnevis [44]. ... 19
Figura 2.9: Impressora FDM The Cronus com múltiplos pórticos [46]. ... 19
Figura 2.10: Impressora de FDM desenvolvida por Boto com dois sistemas de cremalheiras e três cabeças e mesas de impressão [47]. ... 20
Figura 3.1: Esquema de um laser de díodo-Nd:YAG. Traduzido de [28]. ... 23
Figura 3.2: Esquema de um laser de fibra. Traduzido de [28]. ... 23
Figura 3.3: Fontes de potência de laser. ... 24
Figura 3.4: a) Esquema da entrada e saída do feixe na fibra ótica. Traduzido de [52]; b) Conectores de fibra ótica IPG Photonics [53]. ... 25
Figura 3.5: Exemplo de configuração entre um shutter, uma fonte de potência e uma cabeça de processamento. Traduzido de [54] ... 26
Figura 3.6: Exemplo de configuração e ligações com um comutador de 4 canais de saída. Adaptado de [54]. ... 27
Figura 3.7: Esquematização do fenómeno de colimação. Adaptado de [55]. ... 27
Figura 3.8: Representação de parâmetros de uma lente focal plano-convexa. Adaptado de [56]. ... 28
Figura 3.9: Lentes convergentes: a) plano-convexa e b) côncavo-convexa [52]. ... 28
Figura 3.10: Sistema de alimentador baseado por gravidade com dois subsistemas independentes [57]. ... 29
Figura 3.11: Diferentes configurações de nozzles no processo de LENS [31]. ... 30
Figura 3.12: Nozzle coaxial contínuo a) COAX 8 e b) COAX 9, Fraunhofer ILT [59], [60]. ... 32
Figura 3.13: Exemplos de guias lineares. ... 32
Figura 3.14: Mesa giratória HRT160 da HAAS [62]. ... 33
Figura 3.15: Configurações de sistemas com três graus de liberdade lineares [63]. ... 34
Figura 3.16: Representação da ligação das partes da peça feitas de forma alternada [40]. ... 36
Figura 3.17: Gradiente de temperatura (ºC) com tempo de espera entre deposições: a) Δt=2s e b) Δt=5s [65]. ... 37
Figura 3.18: Exemplos de pirómetro (a) e câmaras (b, c) de obtenção de imagem térmica infravermelha. ... 38
Figura 3.19: Possíveis montagens e implementações de um pirómetro com fibra ótica numa cabeça de impressão. Traduzido de [67]. ... 38
Figura 3.20: Sistemas disponível para LENS da empresa KUKA. ... 40
Figura 3.21: Representação do kit de construção do sistema modular da Laserline. Traduzido de [74]. ... 40
Figura 3.22: Parâmetros de entrada e saída e processos de LENS. Traduzido e adaptado de [28], [75]. ... 41
Figura 3.23:Correlação entre a energia específica, densidade de deposição de pó e os seus efeitos num cordão de liga de cobalto num substrato de aço. Traduzido de [28]. ... 43
Figura 3.24: Correlação entre a densidade efetiva de energia e a densidade efetiva de deposição de pó para um revestimento de liga de ferro sobre aço macio. Traduzido de [28]. ... 44
Figura 3.25: Correlação entre a densidade de potência e tempo de interação para diferentes técnicas a laser. Traduzido e adaptado de [28]. ... 45
Figura 4.1: Sistema de deposição de pó assitida por laser do CeFEMA. ... 47
Figura 4.2: Sistema ótico do sistema de deposição a laser do CeFEMA. ... 48
Figura 4.3: Registo das cinco marcas com menor diâmetro resultantes da análise experimental. ... 48
Figura 4.4: Alimentador de pós TWIN 10 COMPACT da PLASMA TECHNIK AG [83]. ... 49
Figura 4.5: Nozzle lateral do sistema de deposição a laser do CeFEMA. ... 50
Figura 4.6: Guias manuais linear e angular para reposicionamento do nozzle lateral [83]. ... 50
Figura 4.7: Disposição das três guias lineares LTM 80F-150 da OWIS [83]. ... 51
Figura 4.8: Controlador do alimentador de pós desenvolvido por Torres. ... 52
Figura 4.9: Rotinas implementadas por Torres no controlo do sistema de deposição assistido por laser [83]. ... 53
Figura 4.10: Ligação roscada danificada (C), contaminada (E) e danos durante a desmontagem (A, B e D). ... 55
Figura 4.11: Exemplo de o-ring de borracha [85]. ... 55
Figura 5.1: Representações de patentes de nozzles coaxiais. ... 57
Figura 5.2: Representação do nozzle coaxial contínuo de Freneaux et al. [92]. ... 58
Figura 5.3: Esquemas representativos do fluxo de pó à saída dos dois cones com (a) as especificações preferenciais e (b) com 𝑙 = 1.6 mm. ... 59
Figura 5.4: Esquema representativo do fluxo de pó à saída dos dois cones com os parâmetros geométricos finais. ... 60
Figura 5.5: Cones do nozzle coaxial contínuo. ... 60
Figura 5.6: Representação da secção transversal da estrutura principal, cones coaxiais, tampa e conectores CMa6522 6-M5. ... 61
Figura 5.7: Representação da secção transversal dos tubos interior e rotativo e bloqueador. ... 62
Figura 5.8: Nozzle coaxial contínuo desenvolvido e maquinado. ... 63
Figura 6.1: Conceito do autor baseado no conceito de Boto. ... 66
Índice de Tabelas
Tabela 2.1: Classificações de AM para metais. ... 4
Tabela 2.2: Benefícios e desvantagens de fontes de calor em AM. Traduzido de [19]. ... 12
Tabela 2.3: Comparação entre processos. Traduzido de [8] ... 15
Tabela 3.1: Vantagens e desvantagens das configurações de nozzles. Traduzido de [31]. ... 31
Tabela 3.2: Especificações dos nozzles coaxiais contínuos COAX 8 e COAX 9, Fraunhofer ILT. Adaptado de [59], [60]. ... 31
Tabela 3.3: Parâmetros de monitorização. Adaptado de [29]. ... 35
Tabela 3.4: Especificações e comparações entre MWO-I Powder e Motorized Powder Zoom-Optics [72], [73]. ... 39
Tabela 4.1: Características óticas e gerais do laser de fibra IPG YLR 200 AC. Traduzido de [80]. ... 47
Tabela 4.2: Características inerentes do alimentador de pós TWIN 10 COMPACT da PLASMA TECHNIK AG. Traduzido de [82]. ... 49
Tabela 4.3: Parâmetros constituintes das três guias lineares LTM 80F-150 da OWIS. Traduzido de [84]. ... 51
Tabela 6.1: Especificações definidas para uma impressora 3D com múltiplas cabeças para metais. Adaptado de [95]. ... 65
Lista de Símbolos
Abreviações
3D Tridimensional
3DP Powder Bed and Inkjet 3D Printing
AM Manufatura Aditiva (Additive Manufacturing) ASTM American Society for Testing and Materials BJ Impressão 3D Aglutinante (Binder Jetting)
CAD Desenho Assistido por Computador
CeFEMA Centro de Física e Engenharia de Materiais Avançados
CNC Computador de Controlo Numérico
DED Deposição por Energia Direcionada (Directed Energy Deposition) DLF Directed Light Fabrication
DMD Direct Metal Deposition
EBF3 Fabricação em Formato Livre por Feixe de Eletrões (Electron Beam Freeform
Fabrication)
EBM Fusão por Feixe de Eletrões (Electron Beam Melting)
FDMm Modelação por Deposição de Fundido Metálico (Fused Deposition Modelling of Metals)
HIP Pressão Isostática a Quente (Hot Isostatic Pressing) IST Instituto Superior Técnico
LC Laser Consolidation
LENS Fabricação de Forma Final a Laser (Laser Engineered Net Shaping) LMD Laser Metal Deposition
LOM Manufatura de Objetos Laminados (Laminated Object Manufacturing) ME Extrusão de Material (Material Extrusion)
MJ Material Jetting
PBF Fusão por Cama de Pó (Powder Bed Fusion) SL Laminação de Folhas (Sheet Lamination)
SLM Fusão Seletiva por Laser (Selective Laser Melting)
SLS Sinterização Seletiva por Laser (Selective Laser Sintering) UC Consolidação por Ultrassons (Ultrasonic Consolidation) VP Vat Photopolymerization
WAAM Manufatura Aditiva por Fio e Arco Elétrico (Wire and Arc Additive Manufacturing)
ZAC Zona Afetada pelo Calor
Nomenclatura
𝛼 Semiângulo do Cone de Injeção
∆ℎ Altura do cone da zona útil de deposição 𝛥𝑡 Tempo de Espera na Deposição entre Cordões 𝜓𝑒𝑓 Densidade de Deposição de Pó Efetiva
𝐴𝑒𝑓 Área Efetiva por Segundo Irradiada pelo Feixe de Laser e Fluxo de Pó
𝐷 Diâmetro Médio do Anel de Injeção
𝐸 Energia do Pulso
𝐸𝑒𝑠𝑝 Densidade de Energia Específica
𝐸𝑒𝑓 Densidade de Energia Efetiva
𝐹 Frequência do Pulso
𝐺 Densidade de Deposição de Pó
ℎ Altura do Cordão
ℎ𝑚á𝑥 Altura Máxima da Trajetória de Fluxo do Pó à Saída dos Cones de Injeção
ℎ𝑚𝑖𝑛 Altura Mínima da Trajetória de Fluxo do Pó à Saída dos Cones de Injeção
𝑗 Limite de Diluição
𝑙 Largura do Anel de Injeção
𝑚̇ Taxa de Deposição de Pó
𝑃 Potência do Feixe de Laser
𝑅 Refletividade
𝑠 Coeficiente de Sombra
𝑈 Velocidade
𝑤 Largura do Cordão
1. Introdução
Os processos de manufatura aditiva (additive manufacturing, AM) são processos de adição de material, camada após camada, no fabrico de objetos tridimensionais (3D), contrariamente a processos de remoção de material. Para tal, recorre-se a um equipamento denominado por “impressora 3D”. Nos recentes anos, as impressoras 3D têm oferecido um novo meio de processamento em diversas aplicações, algumas delas nunca antes possíveis. Por exemplo, estas podem ser utilizadas, quer numa fase de prototipagem de um produto, quer na fase de produção final do mesmo. Adicionalmente, a sua utilização tem aumentado significativamente, prevendo-se uma continuação do seu crescimento.
1.1.
Motivação
Os processos de AM, aquando do fabrico de uma peça, encontram-se limitados por três critérios: (1) rapidez de processamento, (2) dimensões e (3) qualidade (precisão geométrica e propriedades mecânicas) da peça. Na tomada de decisão, é necessário optar entre uma peça com uma boa qualidade, mas com rapidez reduzida, e uma peça fabricada com elevada rapidez, mas com pior qualidade. No fabrico de uma peça por AM com boa qualidade e num curto espaço de tempo terá, necessariamente, dimensões reduzidas. A Figura 1.1 indica este problema: apenas é possível escolher dois critérios, comprometendo o terceiro.
Figura 1.1: Problema atual de AM.
Uma solução para este problema passa pelo desenvolvimento de uma impressora 3D com múltiplas cabeças de impressão. Estas impressoras 3D aumentam o volume de produção e/ou as dimensões da peça a processar com uma boa qualidade. No entanto, o mercado é escasso e com foco em aplicações de polímeros. Por outro lado, uma vez que os materiais metálicos assumem um destaque especial na indústria, torna-se relevante e aliciante conhecer e contribuir para o desenvolvimento de uma impressora 3D com múltiplas cabeças de impressão para aplicações de metais.
Pelas razões apresentadas, o presente documento aborda o tema exposto como Dissertação de Mestrado.
1.2.
Objetivos
Com este trabalho pretende-se introduzir os conceitos fundamentais e as necessidades no desenvolvimento de uma impressora 3D com múltiplas cabeças de impressão para o fabrico de peças de grandes dimensões em metal. Para tal, são analisadas as tecnologias existentes em AM de metais que mais se adequam ao tema exposto anteriormente. Após a sua seleção e justificação, são explorados os conceitos teóricos e arquitetónicos e as especificações relevantes.
Para tal, é efetuada uma análise crítica aos componentes existentes no mercado mais adequados às opções selecionadas.
1.3.
Estrutura do documento
Esta dissertação está dividida em sete capítulos. No primeiro capítulo é feita uma introdução à dissertação, assim como a justificação da escolha do tema e enunciam-se os principais objetivos. No segundo capítulo é efetuada uma revisão ao estado da arte. São apresentadas as tecnologias de AM para metais, fontes de calor, formas de deposição de material e arquiteturas de impressoras 3D com múltiplas cabeças de impressão.
No terceiro capítulo é justificada a escolha do processo no desenvolvimento de uma impressora 3D com múltiplas cabeças de impressão. Seguidamente, são apresentados os sistemas fundamentais, assim como os parâmetros-chave característicos.
O quarto capítulo expõe a análise crítica ao sistema de deposição de pó assistido por laser do Laboratório de Laser do IST.
O quinto capítulo trata uma das necessidades apontadas no capítulo anterior, nomeadamente o desenvolvimento de um nozzle coaxial contínuo.
O sexto capítulo apresenta dois conceitos de arquitetura para uma impressora 3D com múltiplas cabeças para o fabrico de peças de grandes dimensões em metal. Também são apresentadas as suas especificações e requisitos.
Finalmente, no sétimo capítulo retiram-se as conclusões do trabalho desenvolvido e dão-se propostas de possíveis trabalhos futuros, com base do que foi feito no presente trabalho.
2. Estado da arte
Manufatura aditiva é o termo técnico adotado pela American Society for Testing and Materials (ASTM) que descreve o processo de adição de material com o objetivo de criar um objeto 3D [1]. Pela sua popularidade, também é designando por impressão 3D. O processo de manufatura aditiva recorre ao uso de máquinas para o efeito, denominadas de “impressoras 3D”. Este processo relativamente recente permite criar objetos de geometria complexa, que de outro modo não seriam possíveis [2]. Em termos de economia e sustentabilidade, a AM oferece múltiplas vantagens em relação a métodos convencionais: (1) redução de resíduos, (2) consumo de energia, (3) carbon footprint e (4) time-to-market e (4) produção just-in-time [3].
O conceito-chave que melhor descreve a AM é que o processamento das peças se dá através da deposição de camadas finas sucessivas, geralmente horizontais, de material criadas a partir de um desenho assistido por computador (CAD) tridimensional. Quanto mais fina a camada, mais próxima da realidade a peça se torna quando comparada com o modelo CAD, mas a sua rapidez de processamento diminui [2].
A utilização das diversas tecnologias de processamento de AM permite o uso de diversos tipos de materiais, geralmente cerâmicos, polímeros e metais, mas também compósitos [2] e biomateriais [4]. As suas aplicações também são distintas, onde se incluem as aplicações industriais (automóvel e aeroespacial), médicas, arquitetónicas, artísticas e lúdicas [5].
No entanto, de um modo geral, peças processadas por AM apresentam um comportamento à fadiga inferior que os outros métodos de processamento de material, devido a defeitos como a porosidade e rugosidade superficial. Contudo, pós-processamentos, como a aplicação de uma pressão isostática a quente (Hot Isostatic Pressing, HIP), podem mitigar os defeitos assinalados [6], [7].
Adicionalmente, ainda existem desafios a ultrapassar: (1) utilização de um número limitado de materiais, (2) pouca precisão relativamente às técnicas subtrativas causada pelo efeito de escada e pelas tensões residuais, (3) repetibilidade insuficiente e inconsistência nas peças processadas e (4) falta de metodologias qualificadas e certificadas [3].
2.1.
Tecnologias de processamento para metais
De acordo com a ASTM, as tecnologias de AM são essencialmente classificadas em Vat Photopolymerization (VP), Material Jetting (MJ), Sheet Lamination (SL), Material Extrusion (ME), Binder Jetting (BJ), Powder Bed Fusion (PBF) e Directed Energy Deposition (DED) [1]. Apenas as tecnologias de SL, ME, BJ, PBF e DED são aplicáveis a AM para metais. Cada classificação apresenta múltiplos processos ou vertentes, Tabela 2.1 [8]. De acordo com o estado inicial do material a processar, as tecnologias de AM para metais também podem ser divididas em três categorias: (1) folha, (2) fio e (3) pó [9].
Tabela 2.1: Classificações de AM para metais.
Classificação Processos Material
Sheet Lamination Laminated Object Manufacturing (LOM) Folha Ultrasonic Consolidation (UC) Folha Material Extrusion Fused Deposition Modelling of Metals (FDMm) Fio Binder Jetting Powder Bed and Inkjet 3D Printing (3DP) Pó Powder Bed Fusion Selective Laser Sintering (SLS) Pó Selective Laser Melting (SLM) Pó
Electron Beam Melting (EBM) Pó
Directed Energy Deposition Laser Engineered Net Shaping (LENS) Pó Electron Beam Freeform Fabrication (EBF3) Fio
Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM) Fio
2.1.1. Laminação de Folhas (Sheet Lamination)
O processo consiste em unir folhas de material de modo a criar um objeto, havendo uma variedade de mecanismos distintos. Um laser ou uma lâmina são usados para cortar os contornos do objeto na respetiva camada. De seguida, a plataforma é rebaixada a uma distância igual à espessura da folha e aplica-se uma nova camada. O processo repete-se até a peça ser criada e finalizada [10].
As folhas podem ser cortadas pelos contornos da camada e depois aplicadas (form-then-bond) ou vice-versa (bond-then-form). O processamento também pode ser categorizado consoante o mecanismo utilizado na união das camadas: (a) ligação por adesivo, (b) ligação térmica, (c) aperto e (d) ultrassons [2].
Os processos de form-then-bond apresentam vantagens como: (a) construção de cavidades e canais, sendo dificultada nos processos de bond-then-form, (b) não existe perigo em danificar as camadas anteriores e (c) o processamento é rápido. Contudo, é necessário aplicar suportes externos, ferramentas de alinhamento e mecanismos flexíveis de manuseamento independentes da geometria da camada [2].
Em relação aos processos de bond-then-form, as vantagens são: (a) peças com baixa contração, tensão residual e distorção, (b) as peças de grandes dimensões podem ser processadas rapidamente, (c) número elevado de materiais a processar, (d) não-tóxico, (e) estável e (f) baixo custo de materiais, máquinas e processamento relativamente a outras tecnologias de AM. No entanto, requer um elevado controlo na aplicação da folha e as propriedades mecânicas e térmicas não são homogéneas [2]. Os dois processos acima apresentados podem ser aplicados pelos quatro mecanismos de união assinalados. Na união por adesivo, as folhas são ligadas por efeito de um adesivo. Na união térmica, é aplicada pressão por rolos aquecidos na ligação das camadas. Este tipo de união torna-se mais eficiente quando aplicado em conjunto com adesivos. Na união por aperto, as camadas são ligadas por
parafusos ou mecanismos de aperto mecânico. Por fim, na união por ultrassons, as camadas são soldadas por aplicação de um sonótrodo [2].
2.1.1.1. Manufatura de Objetos Laminados (Laminated Object Manufacturing)
LOM, esquematizado na Figura 2.1, foi uma das primeiras técnicas de AM a ser comercializada, em 1991, pela empresa Helisys Inc. que já não se encontra em funcionamento. Inicialmente, o processo consistia na aplicação de folhas de papel. Cada uma representava a camada seccionada pelo modelo CAD e posteriormente cortada com o auxílio de um laser de CO2. Atualmente, é possível processar
uma variedade de materiais, incluindo polímeros e papel, e menos comuns os metais e cerâmicos, com ferramentas de corte, tais como lâminas e lasers [2].
A metodologia consiste na alimentação continua da folha de material para a mesa de impressão, onde rolos de pressão aquecidos varrem a folha unida por um adesivo. Uma lâmina ou um laser são controlados por um computador de controlo numérico (CNC) que cortam a folha segundo a contorno desejado. LOM é um processo de bond-then-form. Depois de aplicada a camada, a plataforma é rebaixada e a mesa de impressão é realimentada com folha de material, repetindo-se o processo até o fabrico da peça [11].
Figura 2.1: Representação simplificada do processo de LOM. Traduzido de [11].
2.1.1.2. Consolidação por Ultrassons (Ultrasonic Consolidation)
UC é um processo híbrido que combina mecanismos de soldadura por ultrassons e fresagem por CNC, comercializado inicialmente pela empresa Solidica Inc., em 2000. Durante o processo, um sonótrodo rotativo viaja ao longo da folha metálica oscilando transversalmente a uma frequência constante de 20 kHz. Após a deposição, tipicamente, de quatro folhas, uma fresadora CNC corta os contornos. Trata-se também de um processo de bond-then-form. Novas folhas são depositadas e o processo repete-se até o fabrico da peça [2].
2.1.2. Extrusão de Material (Material Extrusion)
ME consiste na extrusão de um filamento de material. Este é alimentado por um par de rolos e extrudido por um nozzle. A abordagem mais comum, aquando da deposição do material, é a utilização de calor para controlar o estado físico do material [2].
Espelho móvel Laser Rolos
aquecidos
Peça
Rolo de material Desperdício
Câmara fechada Chaminé
A tecnologia de ME é a mais popular no mercado para aplicações poliméricas. Contudo, no caso de metais apresenta diversas limitações.
2.1.2.1. Modelação por Deposição de Fundido Metálico (Fused Deposition Modelling of
Metal
)
O processo de FDMm aplica os mesmos conceitos que o FDM para polímeros. No caso presente são utilizadas as mesmas impressoras 3D de FDM. A Figura 2.2 representa um sistema de FDM.
Figura 2.2: Representação de um sistema de FDM. Traduzido de [2].
Mireles et al. efetuaram estudos com o auxílio da impressora Stratasys FDM 3000. Apenas foi bem-sucedido na deposição de fios de liga de estanho e bismuto, com ponto de fusão abaixo dos 170ºC. A principal aplicação destes materiais é a sua utilização em soldadura de placas de circuitos [12].
Uma vez que o FDMm recorre a impressoras 3D para polímeros, a sua aplicabilidade encontra-se limitada: (a) as impressoras 3D atingem apenas temperaturas até os 300ºC e (b) dificuldade em controlar o processo, relativamente na obtenção e controlo de temperaturas elevadas ao nível de ligas de aço e titânio [10], [12].
2.1.3. Impressão 3D Aglutinante (Binder Jetting)
O nome original registado para BJ era Three-Dimensional Printing (3DP). Também é conhecido por Powder Bed and Inkjet 3D Printing. Foi inventado pelo Massachusetts Institute of Technology, em 1993. Em 1995, a empresa Z Corporation obteve os direitos exclusivos da tecnologia e, em 2011, foi comprada pela empresa 3D Systems [2], [13].
A tecnologia consiste no uso de uma cabeça que deposita seletivamente um aglomerante sobre uma camada de partículas em pó, sob a forma de powder-bed. Seguidamente, a mesa de impressão é rebaixada e outra camada de partículas é depositada, sendo que um rolo alisa a camada recomeçando o processo [10]. A Figura 2.3 apresenta um esquema do processo de BJ.
Quando o processo termina, a peça encontra-se envolvida por partículas soltas num contentor. O contentor é transferido para uma câmara de remoção das partículas onde estas são removidas por ar
Material de filamento Sistema de alimentação Ponta do nozzle Eixos X-Y Eixo Z Mesa de impressão Peça Sistema de aquecimento
comprimido. Estas câmaras, geralmente, são parte constituinte das impressoras 3D de BJ funcionando como circuito fechado que reciclam e reaproveitam as partículas removidas anteriormente [10].
Figura 2.3: Esquema do processo de BJ. Traduzido de [2].
O processo de BJ apresenta algumas vantagens, como: (a) não necessita de estruturas de suporte, uma vez que as camadas de partículas soltas depositadas anteriormente são usadas para o efeito, (b) consoante o envelope de trabalho, podem ser processadas camadas de múltiplas peças, (c) as peças criadas por BJ apresentam, geralmente, menor custo e (d) é capaz de processar em diversas cores [2], [10]. No entanto, para aumentar a densidade ou melhorar as propriedades mecânicas da peça, tipicamente são acrescentados aditivos [2].
Relativamente a metais, a empresa ExOne aplicou o conceito de BJ para o fabrico de peças metálicas, nomeadamente em bronze, aços inoxidáveis, ligas de cobalto e crómio e ligas de níquel. O sistema é ainda constituído por uma lâmpada de aquecimento que seca a camada. De seguida, é adicionada uma nova camada. O objeto necessita, numa primeira fase, de um pós-processamento de cura, a 175º C, durante 24 horas, por ser frágil e poroso. Por conseguinte, a vaporização da humidade aumenta a rigidez do aglomerante. De seguida, as partículas soltas são removidas, mas o objeto ainda é constituído por 60% de metal e 40% de ar. Por isso, é adicionado metal dentro de um reservatório e levado a um forno, durante 24 horas, a 2000º C. O metal adicionado infiltra-se no objeto tornando-o 99.9% constituído por metal [10].
2.1.4. Fusão por Cama de Pó (Powder Bed Fusion)
De um modo geral, o PBF, representado na Figura 2.4, partilha algumas características básicas entre os seus processos e a tecnologia de BJ. Caracteriza-se por possuir uma fonte de calor estática que induz a união entre partículas de pó. As fontes de calor mais comuns são os lasers, existindo também feixes de eletrões, entre outros [2]. Outras características incluem o mecanismo de powder-bed e rebaixamento da mesa de impressão.
Teoricamente, qualquer metal capaz de ser fundido é um possível candidato ao processo. Metais como o aço inoxidável, titânio e suas ligas, ligas de níquel, algumas ligas de alumínio e ligas de cobalto e crómio podem ser processados e encontram-se no mercado. Também se encontram empresas que comercializam metais preciosos, como o ouro e a prata [2].
Peça Eixos X-Y Cabeça de impressão Pó não-processado Mesa de impressão Difusor de pó Gotas de aglomerante Eixo Z
Figura 2.4: Representação do processo de PBF. Traduzido de [14].
O tamanho das partículas e as condições de processamento influenciam fortemente a precisão e acabamento superficial da peça. Partículas pequenas permitem obter melhores resultados, mas dificultam o manuseamento e a deposição. Porém, partículas grandes são mais fáceis de manusear, mas obtêm-se acabamentos e precisões inferiores. Peças processadas por PBF tipicamente possuem 3 – 4% de contração provocando distorções. O tempo de processamento é superior a outros processos de AM, devido aos ciclos envolvidos de aquecimento e arrefecimento [2]. Para evitar oxidação, o PBF encontra-se numa câmara com gás inerte ou vácuo [5], [15].
2.1.4.1. Sinterização Seletiva por Laser (Selective Laser Sintering)
O SLS foi desenvolvido pela Universidade do Texas e foi o primeiro processo de PBF a ser comercializado [2]. O processo consiste em aplicar uma camada de pó que é alisada por um rolo. Seguidamente, um feixe de laser, defletido mecanicamente com espelhos, varre a secção transversal da camada. O calor fornecido pelo laser sinteriza os grãos de pó a uma temperatura próxima à da fusão, levando à sua fusão parcial. A mesa de impressão é rebaixada e o processo repete-se [5], [10]. No caso dos metais, é necessário aplicar um aglomerante polimérico, que posteriormente é removido por vaporização num forno, ou um aglomerante metálico com uma temperatura de fusão inferior ao material da peça [2], [5].
Contudo, o SLS possui os mesmos problemas que o BJ, sendo necessário aplicar um pós-processamento semelhante [2], [5], [10].
2.1.4.2. Fusão Seletiva por Laser (Selective Laser Melting)
Contrariamente ao SLS, no SLM, o laser funde totalmente os grãos de pó criando peças mais densas. No processo de SLM não é necessário aplicar os mesmos pós-processamentos que em SLS. O processo dá-se num ambiente com árgon ou nitrogénio que, além de proteger contra a oxidação, permite uma eficiente condução de calor e arrefecimento [2], [5], [15].
2.1.4.3. Fusão por Feixe de Eletrões (Electron Beam Melting)
O processo foi primeiro desenvolvido pela Universidade Técnica Chalmers e foi comercializado pela empresa Arcam AB, em 2001 [2].
Sistema de digitalização X-Y Peça Mesa de impressão Sistema de alimentação de pó Rolo Cama de pó Feixe de laser Eixo Z Laser Contentor
Em contraste aos processos de PBF baseados em lasers, o EBM acelera os eletrões graças ao fornecimento de uma energia elétrica elevada com tensões de 30 a 60 kV. Os eletrões são focados com lentes eletromagnéticas levando à fusão das partículas num ambiente em vácuo. O feixe de eletrões efetua múltiplas passagens pela camada de pó a uma velocidade de 104 mm/s com elevada
corrente (~30 mA), pré-aquecendo a camada até 80% da temperatura de fusão. A passagem final é reduzida para uma velocidade de 102 mm/s e a corrente também (5 – 10 mA) [2], [5], [10], [15]. As
tensões residuais são baixas devido às elevadas temperaturas que minimizam os gradientes de temperatura durante a fusão localizada e solidificação [6]. Em geral, peças processadas por EBM apresentam uma microestrutura muito fina com alguma porosidade que pode ser eliminada, na sua maioria, por HIP [16]. Uma das grandes vantagens do EBM é a capacidade de mover o feixe de eletrões quase instantaneamente. Assim, permite manter múltiplos banhos de fusão [2].
2.1.5. Deposição por Energia Direcionada (Directed Energy Deposition)
DED permite o processamento da peça enquanto o material está a ser depositado. Apesar do material de deposição ser predominantemente usado sob a forma de pó, tipicamente em metal, também é possível depositar sob a forma de fio metálico. Ao contrário dos processos de BJ e PBF, DED não é um processo de powder-bed, mas sim de powder-feed e/ou wire-feed [2].
O processamento por DED requer o uso de energia dirigida. Isto é, um feixe de laser, um feixe de eletrões ou um arco elétrico são focados na região que se pretende depositar material, levando à fusão simultânea do material de adição e do substrato. Deste modo é criando o banho de fusão. Como substrato entende-se uma base plana na qual se processa uma nova peça, ou uma peça pré-existente na qual uma nova geometria é criada ou reparada, ou a camada anterior durante o processamento da peça. No caso de processamento de peças com uma geometria complexa são necessários materiais de suporte, cabeças de deposição com múltiplos eixos e, de um modo geral, impressoras 3D mais sofisticadas [2].
A tecnologia de DED é, entre as referenciadas anteriormente, a que possui um maior campo de aplicabilidade a nível industrial para peças de grandes dimensões, entre outros. Por conseguinte, no caso de fontes de calor por laser, existem diversas classificações de DED. Porém, os princípios e conceitos básicos são semelhantes, devido ao desenvolvimento da tecnologia por diferentes instituições. Como tal, das mais conhecidas destacam-se o Laser Engineered Net Shaping, Directed Light Fabrication (DLF), Direct Metal Deposition (DMD), Laser Consolidation (LC) e Laser Metal Deposition (LMD). Relativamente aos princípios e conceitos básicos comuns, existem diferenças comparativamente à potência do laser, diâmetro do foco de laser, tipo de laser, método de alimentação de material e esquemas de controlo. Também de modo geral, a cabeça de deposição é tipicamente constituída por um conjunto de lentes óticas, tubos de alimentação de material de adição, nozzle e sensores [2]. No entanto, também existem outros processos semelhantes que recorrem a uma fonte de eletrões (EBF3), ou arco elétrico (WAAM).
Os processos de DED são capazes de (a) produzir peças densas com estruturas microscópicas altamente controláveis, (b) produzir peças constituídas por diferentes metais, (c) reparar com elevada
qualidade e (d) aplicar camadas finas protetoras à corrosão e desgaste. Porém, apresenta algumas limitações: (a) baixa precisão e acabamento superficial, (b) pode necessitar de tratamento térmico de relaxamento de tensões e (c) não é capaz de processar peças tão complexas como o PBF. Contudo, para se obter melhores precisões e acabamentos são necessários feixes de energia com diâmetros e taxas de deposição inferiores, e vice-versa. No entanto, no primeiro caso, resulta em tempos de fabrico superiores. Na obtenção de precisões e taxas de deposição superiores, alterações na potência do laser e velocidade relativa da cabeça à mesa de impressão podem afetar a microestrutura. Portanto torna-se necessário encontrar o ponto ótimo entre as condições de velocidade de processamento, precisão e microestrutura [2].
2.1.5.1. Fabricação de Forma Final a Laser (Laser Engineered Net Shaping)
LENS, esquematizado na Figura 2.5, foi um dos primeiros processos de DED a ser comercializado. Foi desenvolvido pela Sandia National Laboratories e comercializado pela Optomec. O processo consiste na fusão de pó metálico com o auxílio de um feixe de laser. A fusão e solidificação ocorre numa câmara fechada com recirculação de gás inerte, tipicamente árgon, de modo que a concentração de oxigénio se mantenha perto ou abaixo das 10 ppm. Trata-se de um processo mais limpo que os processos de PBF [2]. Devido ao aquecimento e arrefecimento desigual ao longo de toda a peça, um dos problemas inerentes a LENS é a formação de tensões residuais. Estas podem ser significantes no processamento de peças de alta precisão, como pás de turbina [5]. Comparado com WAAM, LENS apresenta vantagens, tais como: (a) baixa entrega térmica, que leva a uma baixa distorção e fadiga térmica, (b) pequena zona afetada pelo calor (ZAC), (c) baixa diluição e (d) microestrutura mais fina. O facto de recorrer a uma fonte de laser estável, permite uma alta repetibilidade e fiabilidade do processo [17], [18].
Figura 2.5: Esquema do processo de LENS. Traduzido de [2]. Feixe de laser Mesa de impressão Nozzle Cabeça de impressão Peça Substrato Sensor 1 Sensor 2
2.1.5.2. Fabricação em Formato Livre por Feixe de Eletrões (Electron Beam Freeform
Fabrication)
EBF3 foi desenvolvido pela NASA Langley como um processo de fabrico e/ou reparação de estruturas
aeroespaciais e comercializada pela Sciaky. Ao contrário do LENS, o EBF3 é um processo de wire-feed
e recorre a uma fonte de feixe de eletrões como fonte de calor na fusão do fio metálico [2].
O desenvolvimento de um processo que recorre a feixe de eletrões e fio metálico, para aplicações espaciais, deve-se que (a) os feixes de eletrões são mais eficientes na conversão de energia elétrica num feixe do que a maioria dos lasers, (b) os feixes de eletrões apresentam uma eficiência elevada no processamento em vácuo e (c) o pó é mais difícil de conter num ambiente com baixa gravidade, sendo preferível o uso de fio [2]. O processo é capaz de depositar grandes quantidades de material (cerca de 2500 cm3/h), mas também deposições precisas, a taxas menores, sendo apenas limitado pela precisão
de posicionamento e capacidade de alimentação do fio [8].
2.1.5.3. Manufatura Aditiva por Fio e Arco Elétrico (Wire and Arc Additive Manufacturing)
WAAM é também um processo de wire-feed, onde as peças são processadas através de pistolas de soldadura [19]. Como tal, o processo de WAAM aplica conceitos de soldadura, nomeadamente Gas Metal Arc Welding (GMAW), Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) ou Plasma Arc Welding (PAW), na fusão do material de deposição. GMAW é um processo de soldadura no qual o arco elétrico é criado entre o substrato e o fio consumível que se encontra, geralmente, numa posição vertical ao substrato. No GTAW e PAW é usado um elétrodo de tungsténio não-consumível na criação do banho de fusão. Nestes, a posição do fio é variável. A ZAC pelo arco de PAW é mais estreita que pelo arco de GTAW resultando num cordão de soldadura mais estreito. A energia envolvente no processo de PAW pode ser até três vezes a energia envolvente no GTAW. Isto, provoca menores distorções e deposita cordões com velocidade superior [8].
O processamento por WAAM é (a) extremamente flexível, (b) a taxa de deposição é elevada e (c) é um processo com boa relação custo-eficiência. Contudo, o processo é afetado por (a) tensões residuais, (b) distorção, ambos devido a uma entrega térmica elevada, mas também (c) porosidade, (d) undercutting, (e) humping, (f) fissuras, (g) inclusões e (h) fusão incompleta [19]–[21]. Apesar da presença destes aspetos, é possível atenuar os seus efeitos principalmente nas tensões residuais e distorções, que são os mais críticos.
Como tal, podem ser usadas estratégias de mitigação antes, durante ou depois do processamento. De acordo com Ding et al., as estratégias de pré-processamento são a otimização de parâmetros e estratégias de deposição. As estratégias de deposição afetam fortemente a redução da distorção. Por sua vez, a otimização de parâmetros apresenta um peso bastante inferior. Por fim, as estratégias aplicadas durante o processo são as que levam a melhores resultados [22]. No caso das tensões residuais provocadas pela distorção aquando da separação com o substrato, a estratégia mais promissora é a aplicação de rolos de pressão durante o processamento [21]. A aplicação destes apresenta benefícios, tais como (a) a redução das tensões residuais de 600 MPa para 250 MPa, (b) a
redução de humping e (c) aumento das propriedades microscópicas, graças ao refinamento do grão [21], [23], [24].
2.2.
Fontes de calor: arco elétrico, feixe de eletrões e laser
A maioria das tecnologias e respetivos processos descritos na Secção 2.1 recorrem a fontes de calor no processamento de metal, onde se incluem o feixe de laser, feixe de eletrões e arco elétrico. Portanto, torna-se relevante analisar e comparar as diferentes fontes. A Tabela 2.2 compara as três fontes de calor apresentando alguns dos benefícios e desvantagens.
Tabela 2.2: Benefícios e desvantagens de fontes de calor em AM. Traduzido de [19].
Fontes de calor Vantagens Desvantagens
Laser Bom acabamento superficial Depende da qualidade do pó Taxa de deposição baixa Investimento alto
Feixe eletrões Pode ser usado para metais condutores e ligas refletoras
Acabamentos superficiais piores que por laser
Boas propriedades mecânicas Investimento elevado Arco elétrico Possibilidade de processar
superligas
Não tão preciso que por feixe de eletrões e laser
Taxa de deposição elevada
2.2.1. Arco elétrico
O arco elétrico é o resultado de um fluxo de corrente elétrica (eletrões) entre dois pontos separados por um gás. Os dois pontos são denominados de elétrodos. Os gases são geralmente maus condutores, isto é, os átomos ou moléculas não contêm eletrões livres. Porém, esta situação pode ser alterada caso haja energia suficiente para ionizar o meio (criação de plasma). Estas partículas carregadas possibilitam que o gás se torne condutor. A elevada corrente elétrica associada ao fenómeno promove uma elevada temperatura [25].
Porém, a interação entre os campos elétrico e eletromagnético promovem o arc blow que afeta a estabilidade e deflete o arco. Assim, provoca instabilidade na zona de processamento e do plasma e uma transferência irregular do material de deposição [26].
Parâmetros como a velocidade de alimentação e diâmetro do fio, material de deposição, corrente, tensão, ângulo de incidência, velocidade e tipo de gás estão correlacionados com o fenómeno do arco elétrico [26].
2.2.2. Feixe de eletrões
O bombardeamento de eletrões deve-se ao aquecimento de um filamento de tungsténio. Os eletrões são manipulados através dos campos elétrico e magnético formando um feixe, num meio em vácuo. O facto de o processo se realizar num meio em vácuo, eleva o custo de investimento que pode inviabilizar
o processamento por feixe de eletrões. A velocidade elevada dos eletrões resulta numa energia cinética igualmente elevada. Logo, a interação com o material leva ao aumenta da sua temperatura [27]. O processamento dá-se numa câmara em vácuo. Uma vez que se trata de uma radiação por eletrões, a observação do processo e a estabilidade é dificultada [15], [16] .
2.2.3. Feixe de laser
A palavra “laser” é um acrónimo que significa “Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation”. Um feixe de laser é (a) monocromático, (b) coerente, (c) direcional e (d) focável. O feixe de laser gerado pode ser conduzido através de espelhos e fibras óticas, desde a fonte de potência até à zona de processamento [28].
Os numerosos tipos de laser podem ser categorizados consoante parâmetros físicos e operacionais envolventes na geração do feixe de laser. Também há diferentes classificações de lasers, sendo o mais comum o estado físico do material ativo. Segundo este critério, lasers podem ser categorizados como: (a) lasers de gás, (b) lasers de estado sólido, (c) lasers de corante e (d) laser de eletrões livres [29]. Os lasers mais comuns são os de Nd:YAG, fibra (ambos de estado sólido) e CO2 (laser de estado gasoso).
Tipicamente, os laser de Nd:YAG e fibra requerem apenas metade da potência para atingir as mesmas taxas de deposição, relativamente ao de CO2. Os feixes de laser de Nd:YAG e fibra podem ser
conduzidos através de fibra ótica, enquanto que os de CO2 apenas podem ser manipulados com
espelhos refletores. Deste modo, os laser de Nd:YAG e fibra são mais flexíveis. Adicionalmente, nesta última década, têm surgido lasers de díodo (laser de estado sólido) com potências médias interessantes para aplicações de AM. O feixe pode ser também conduzido por fibra ótica. Por fim, os laser de díodo são os que apresentam uma eficiência energética superior, enquanto que os lasers de fibra são os que apresentam uma qualidade do feixe superior [29], [30].
O recurso de lasers em AM apresenta benefícios, como: (a) capacidade em emitir feixes num elevado intervalo de comprimento de onda, (b) capacidade em produzir um elevado nível de irradiância (potência por unidade de área) na superfície da peça, através de uma interação sem contacto, (c) facilidade em manipular o feixe de laser através de técnicas de CNC, uma vez que não tem massa, nem contacto mecânico com a peça, (d) capacidade em configurar o feixe de luz na peça, espacial e temporariamente [31].
Quando um feixe de laser incide na superfície do material - seja este sólido, pó ou líquido - uma parte da luz é refletida, outra absorvida e outra transmitida. Isto dependendo das propriedades óticas do material e da respetiva peça. A fração do feixe de laser que é absorvido pela superfície do material, no caso dos metais, é transformado em calor através da interação eletrão-fonão, que provoca um aumento da temperatura da superfície necessária à fusão para a AM [31].
O comprimento de onda é um parâmetro-chave na escolha do laser mais indicado para o processamento em particular. A Figura 2.6 apresenta a taxa de absorção de alguns dos metais mais comuns, em função do comprimento de onda. Para metais, menores comprimentos de onda, no espetro infravermelho, tipicamente resultam em maiores absorções de radiação laser. O ângulo de incidência
do feixe de laser com a superfície e a sua polarização determinam quanto da energia incidente é refletida [31], [32].
A distribuição espacial do feixe na superfície do material afeta o máximo de irradiância obtido e a distribuição de temperatura resultante. Geralmente, são utilizados quatro tipos de lasers com diferentes distribuições espaciais no processamento de material: (1) gaussiano, (2) multimodo, (3) quadrado (ou retangular) e (4) top hat. Um laser gaussiano é mais indicado para aplicações de corte ou soldadura em comparação a tratamentos de superfície. Pois, este é uma “ferramenta aguçada” e tende a vaporizar e fundir o substrato profundamente. Este facto deve-se à intensidade máxima situada no centro. Por conseguinte, a temperatura do banho de fusão é superior no centro que na fronteira provocando um gradiente de temperatura e, consequentemente, um gradiente de tensão superficial. Em contraste, as distribuições espaciais de multimodo, quadrado e top hat são usadas, preferencialmente, em aplicações de superfície [31]–[33].
Figura 2.6: Absorção teórica como função do comprimento de onda para diversos metais. Traduzido de [32]. Relativamente ao perfil temporal, os lasers podem ser contínuos, pulsados ou quasi-contínuos. Com lasers contínuos, o banho de fusão tipicamente demonstra um comportamento estacionário. Em contrário, lasers pulsados levam a padrões periódicos de fonte de calor, variações de temperatura e movimentos do banho de fusão. Os lasers pulsados apresentam algumas vantagens sobre os lasers contínuos, uma vez que melhoram a qualidade superficial e promovem uma microestrutura refinada e uma menor diluição do cordão. No caso dos lasers pulsados, os períodos desligados levam a uma redução do fluxo de Marangoni, a uma fraca convecção e a uma solidificação multidirecional em direção ao centro do banho de fusão. Pulsos de laser periódicos resultam num banho de fusão com uma forma mais circular em comparação ao laser contínuo. A variação da temperatura também é diferente em ambos os casos. Primeiro, existe uma flutuação periódica de temperatura com a mesma frequência com o laser pulsado. Segundo, com lasers pulsados as taxas de arrefecimento são quase o dobro que os lasers contínuos [34]. Por fim, lasers quasi-contínuos geram uma sucessão de pulsos com uma taxa de repetição elevada que se assemelha a um feixe contínuo. As fontes de potência de laser quasi-contínuo permitem emitir feixes quasi-contínuos ou pulsados. Esta funcionalidade aumenta o seu campo de
Comprimento de onda (µm) T ax a d e a bs orç ão ( %) Laser de fibra 1,06 µm Laser de díodo 808 nm 30 25 20 15 10 5 0 1 10 T ax a d e a bs orç ão ( %) Comprimento de onda (µm) Comprimento de onda (µm) T ax a d e a bs orç ão ( %) Laser de fibra 1.06 µm Laser de díodo 808 nm 30 25 20 15 10 5 0 1 10 Prata Cobre Aço Ferro Alumínio
aplicações. Assim, possuem todos os benefícios dos lasers contínuos e a potência de pico, em modo pulsado, é aumentada por um fator de 10 vezes sobre a potência média [35], [36].
2.3.
Formas do material de processamento: folha, fio e pó
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.
2.4.
Múltiplas cabeças de impressão
Os avanços tecnológicos inerentes a AM, nomeadamente nas impressoras 3D, focam-se na melhoria da qualidade e aumento da rapidez de processamento da peça. Porém, no processamento de peças com grandes dimensões estes avanços são insatisfatórios. Com o objetivo de conciliar os três critérios, é necessário alterar a arquitetura das impressoras 3D já existentes, de modo a aumentar a sua produtividade. Na sua maioria, as impressoras que se encontram disponíveis no mercado são constituídas apenas por uma cabeça de impressão, existindo, no entanto, registos de impressoras 3D com múltiplas cabeças, nomeadamente no processo de FDM para polímeros. Logo, torna-se relevante apresentar os seus avanços. Em alguns dos casos, a sua adaptação e aplicação nos processos de AM para metais pode ser possível. Aumentando o número de cabeças resulta num aumento de produtividade. Teoricamente, impressoras 3D com N cabeças de impressão, reduzem o tempo de fabrico num fator de N.
Wachsmuth desenvolveu uma estrutura com múltiplas cabeças independentes capazes de partilhar a mesa de impressão. A estrutura é constituída por módulos de impressão responsáveis pelo processamento nas direções X, Y e Z. A Figura 2.7a representa a estrutura no plano XY. Devido ao design do módulo de impressão, a estrutura é constituída apenas por dois subsistemas. A Figura 2.7a representada apenas quatro módulos em cada um dos subsistemas. No entanto, pode-se acrescentar um certo número de módulos até que, mecanicamente, a estrutura seja capaz de suportar os esforços impostos. Deste modo, a impressora 3D permite processar peças com dimensões elevadas na direção X [40].
Uzan e Yakubov registaram uma patente de uma estrutura formada por uma mesa de impressão e múltiplas cabeças cujos módulos são movimentados a partir de fusos paralelos (eixo X), podendo ser
partilhados pelas diversas cabeças (Figura 2.7b). Cada módulo possui um fuso individual (eixo Y). O conjunto de fusos permite o deslocamento das cabeças de impressão no plano XY. A adição/remoção de fusos paralelos e a sua partilha permite reconfigurar a impressora consoante o pretendido. A adição de camadas resulta do movimento vertical descendente da mesa de impressão única. Isto implica que o início do processamento pelas cabeças de impressão se dê ao mesmo tempo [41].
Jian apresentou uma patente de um sistema rotacional cujas cabeças se encontram uniformemente distribuídas entre si no plano XY (Figura 2.7c). Cada cabeça de impressão movimenta-se independentemente sobre carris perpendiculares ao eixo Z de rotação. A presença de um eixo vertical no centro da mesa de impressão apenas permite o fabrico de peças simétricas processadas envolto do eixo de rotação [42].
Fontaine criou e patenteou uma estrutura, aplicada pela empresa Stacker, constituída por um sistema modular configurável pelo utilizador que consiste em duas ou mais cabeças de impressão dispostas segundo o eixo X (Figura 2.7d). Assim, apenas é possível fabricar peças iguais e simultaneamente. A adição de camadas segundo Z é efetuada através do movimento vertical descendente da mesa de impressão [43].
a) Wachsmuth [40] b) Uzan e Yakubov [41]
c) Jian [42] d) Fontaine [43]
Figura 2.7: Impressoras FDM de múltiplas cabeças.
O trabalho desenvolvido por Zhang e Khoshnevis é aplicado à construção civil, nomeadamente para estruturas em cimento (Figura 2.8). São apresentadas duas arquiteturas de máquinas: (a) composta por múltiplos pórticos, cada um com uma cabeça de impressão e (b) composta por uma plataforma em pórtico integrada com múltiplas cabeças de impressão coplanares. Na arquitetura (a), os pórticos são independentes entre si. Na arquitetura (b), a deposição por cada cabeça é independente apenas no plano XY [44]. x y x y z x
