De acordo com o Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), pesquisadores desenvolveram uma técnica que aumenta a absortividade óptica de pós metálicos usados em impressão 3D. A abordagem inovadora, que envolve a criação de recursos de superfície em nanoescala em pós metálicos, promete melhorar a eficiência e a qualidade de peças metálicas impressas, particularmente para materiais desafiadores como cobre e tungstênio.
Um dos desafios persistentes na impressão 3D de metais por fusão a laser em leito de pó (LPBF) é a alta refletividade de certos metais, o que pode levar à absorção ineficiente de energia durante o processo de impressão e pode até danificar algumas máquinas de impressão. Essa ineficiência geralmente resulta em qualidade de impressão inadequada e aumento no consumo de energia, de acordo com pesquisadores.
Em resposta a essa questão, uma equipe liderada por cientistas do LLNL, da Universidade de Stanford e da Universidade da Pensilvânia introduziu um novo processo de gravação química úmida que modifica a superfície de pós metálicos convencionais. Ao criar ranhuras e texturas em nanoescala, os pesquisadores relataram que aumentaram a absortividade desses pós em até 70% – permitindo uma transferência de energia mais eficaz durante o processo de fusão a laser. O estudo foi publicado como capa de setembro do periódico Science Advances.
“Atualmente, com máquinas comerciais padrão baseadas em laser, a AM de cobre metálico puro de alta qualidade é geralmente considerada inviável”, disse Philip DePond, coautor principal e cientista de materiais do LLNL. “Nosso método combina os efeitos dos tratamentos de superfície tradicionais [que aumentam a absortividade], mas não compromete a pureza ou as propriedades materiais do cobre que o tornam desejável – ou seja, sua alta condutividade térmica e elétrica. Mais fundamentalmente, mostramos que as interações laser-pó se estendem a regiões além do reservatório de fusão. Isso foi demonstrado em simulações, especialmente aquelas de alta fidelidade feitas no LLNL, mas não realmente detalhadas experimentalmente. Demonstramos que essas interações existem e podem ser benéficas para o processo.”
A técnica de gravação úmida é relativamente simples, mas altamente eficaz, disseram os pesquisadores. A equipe imergiu pós metálicos, como cobre e tungstênio, em soluções especialmente formuladas que removem seletivamente o material da superfície. Esse processo resulta na formação de intrincadas características em nanoescala que aumentam a capacidade do pó de absorver luz laser. Para caracterizar as características da superfície dos pós gravados, os pesquisadores empregaram técnicas avançadas de imagem, incluindo nanotomografia de raios X síncrotron, que forneceu representações 3D detalhadas das partículas de pó – permitindo que a equipe analisasse e modelasse com precisão a influência eletromagnética das modificações em nanoescala.
A equipe conduziu experimentos extensivos para demonstrar e atribuir o mecanismo de absortividade aumentada aos pós modificados. Estudos de otimização de processo e, eventualmente, impressão de amostras complexas e em massa foram realizados usando sistemas LPBF personalizados, alojados no Advanced Manufacturing Laboratory do LLNL e no laboratório de interação laser-material MIRILIS.
Os pesquisadores disseram que a absortividade aumentada de pós metálicos é um passo promissor para reduzir o consumo de energia na fabricação, particularmente à medida que a demanda por processos de fabricação mais sustentáveis e eficientes continua a crescer. Uma das principais descobertas da equipe foi que eles conseguiram imprimir estruturas de cobre e tungstênio de alta pureza usando menor entrada de energia – menos de 100 J/mm³ para cobre – que está em torno da faixa para ligas de titânio e aço inoxidável de alta densidade, e ~700 J/mm³ para tungstênio – cerca de 1/3 a menos de energia do que é normalmente empregado.
“Em um sentido amplo, estamos permitindo a impressão de cobre sem o risco de danificar o próprio sistema AM”, disse DePond. “A janela de parâmetros do processo também se torna mais ampla, o que permite que uma variedade maior de condições de digitalização seja explorada, o que geralmente é necessário ao imprimir geometrias complexas. Finalmente, um punhado de fabricantes de máquinas chegou a fazer grandes esforços para criar máquinas inteiramente novas para processar cobre e outros materiais altamente refletivos. Isso acaba custando quase o dobro do custo de uma máquina tradicional, então a barreira de entrada para imprimir esses materiais é proibitivamente alta.”
As potenciais aplicações das descobertas podem ter um impacto imediato na produção. Os pesquisadores disseram que a capacidade de imprimir com menos energia não apenas reduz os custos operacionais, mas também minimiza o impacto ambiental do processo de fabricação e abre a impressão 3D de cobre para um novo contingente de produtores.
“Este método permite que até mesmo máquinas comerciais de saída de potência de laser razoavelmente baixa imprimam cobre, democratizando assim o processo e fornecendo acesso a uma comunidade mais ampla”, disse Dan Flowers, líder do Programa de Segurança Energética no LLNL, acrescentando que espera que o trabalho permita que a indústria utilize melhor o cobre na fabricação avançada. “Da troca de calor à catálise, a impressão mais eficiente de cobre dá suporte ao desenvolvimento de muitas tecnologias de energia limpa e descarbonização. A comunidade do LLNL e nossa missão de energia de baixo carbono podem se beneficiar dessa capacidade.”
A absortividade aprimorada e a dinâmica de pó aprimorada também podem permitir a produção de peças impressas de alta qualidade com maiores densidades relativas. Em seus experimentos, os pesquisadores alcançaram densidades relativas de até 92%, com metade da entrada de energia em comparação a outros componentes de cobre impressos, e mais de 99% com energias mais altas – indicando o potencial para produzir peças de metal mais fortes e duráveis.
Em seguida, a equipe do LLNL está procurando examinar os efeitos da nanotexturização na mistura elementar de pós, como materiais que normalmente precisam de energias drasticamente diferentes para derreter. O financiamento para a pesquisa veio da National Science Foundation, do US Department of Energy’s Office of Science e do LLNL.
Os coautores do artigo incluem Manyalibo ‘Ibo’ Matthews, do LLNL; o coautor principal Ottman Tertuliano e Luc Capaldi, da Universidade da Pensilvânia; e Andrew Lee, Jiho Hong, David Doan, Mark Brongersma, X. Wendy Gu, Wei Cai e Adrian Lew, de Stanford. Para saber mais sobre LLNL e a pesquisa acesse o site.
Para continuar por dentro das principais notícias do mundo da impressão 3D acesse o nosso site.
