A manufatura aditiva surgiu como um dos métodos mais benéficos para a fabricação de peças cerâmicas técnicas. Como um grupo de materiais, as cerâmicas técnicas são caracterizadas por sua dureza excepcional, bem como resistência a altas temperaturas e excelente resistência à corrosão e ao desgaste. No entanto, essas mesmas propriedades também têm sido a fonte de desafios para os processos de produção convencionais, uma vez que os materiais são difíceis de cortar e moldar subtrativamente e podem exigir temperaturas superiores até mesmo às do titânio para derreter.
A manufatura aditiva — e o jato de ligante em particular — apresentaram, portanto, novas oportunidades para aqueles que buscam explorar as propriedades benéficas das cerâmicas técnicas, de P&D a indústrias como aeroespacial, manufatura geral e muito mais, mantendo ao mesmo tempo cronogramas e orçamentos de produção eficientes.
As soluções de jato de ligante da Desktop Metal, apresentando sua tecnologia patenteada Triple ACT, são capazes de processar uma ampla gama de materiais, de compósitos e metais até as cerâmicas técnicas mais resistentes, como carboneto de silício (SiC) e carboneto de tungstênio cobalto (WC-Co). A tecnologia também é conhecida por suas rápidas velocidades de impressão (capaz de produzir peças em taxas até 100 vezes mais rápidas do que os sistemas LPBF) e por imprimir geometrias complexas com tolerâncias apertadas (com tolerâncias dimensionais abaixo de 1% para tiragens de produção otimizadas).
Neste artigo, nos aprofundaremos nos benefícios do jato de ligante para a produção de cerâmica técnica e ilustraremos os recursos avançados de jato de ligante cerâmico da Desktop Metal por meio de um estudo de caso na indústria aeroespacial realizado em parceria com a TECNALIA e a SENER Aerospacial, bem como outros casos de uso que dependem das soluções de jato de ligante cerâmico da empresa.
Carboneto de silício (Si-SiC) para aplicações no espaço
TECNALIA, um centro europeu de pesquisa e desenvolvimento tecnológico de referência sediado na Espanha, tornou-se um parceiro-chave da Desktop Metal no avanço do jato de ligante cerâmico técnico. O centro, que é operado por uma equipe com profundo conhecimento de materiais avançados como cerâmica, foi recrutado para dar suporte à empresa de engenharia SENER Aerospacial e à Agência Espacial Europeia (ESA) no desenvolvimento de um suporte óptico de satélite otimizado.
O objetivo da colaboração era encontrar um processo de produção que permitisse a criação de um componente que pudesse suportar as duras condições do espaço, oferecer alta precisão dimensional, bem como um alto coeficiente de expansão térmica (CTE) e propriedades mecânicas robustas em geral. Para completar, os parceiros aeroespaciais estavam procurando minimizar o peso do componente para reduzir o custo da carga útil. O carboneto de silício (SiC), uma cerâmica técnica dura e leve feita de um composto de silício e carbono, era, portanto, uma escolha clara para a aplicação.
Dito isso, os processos de fabricação tradicionais apresentam desafios ao tentar moldar o SiC devido à dureza excepcional do material. “O grau de complexidade da forma é limitado ao usar processos de produção mais tradicionais, como conformação a frio e sinterização”, disse o Dr. Iñigo Agote, gerente de projeto e líder de grupo na TECNALIA. “As peças exigem usinagem final se a geometria for complexa e a usinagem de cerâmicas como o SiC é um processo difícil e caro.”
A manufatura aditiva foi, portanto, explorada como uma opção para formar componentes de SiC e, finalmente, o jato de ligante foi considerado o processo mais viável. Isso ocorre porque o jato de ligante não enfrentou os mesmos problemas que outros processos de AM ao processar SiC. Por exemplo, tecnologias que exigem cura, como SLA, não são uma boa opção para SiC porque a cor escura do pó não cura por UV, e os processos baseados em laser não são viáveis devido às altas temperaturas necessárias para derreter o material.
Jateamento de ligante Triple ACT
Com o jato de ligante estabelecido como o caminho claro a seguir, a TECNALIA começou a trabalhar para identificar o melhor pó de SiC e controles de processo usando o sistema InnoventX da Desktop Metal, um sistema compacto que está no mercado desde 2016. O InnoventX faz parte da Série X da Desktop Metal e é baseado na tecnologia patenteada de jato de ligante Triple ACT da empresa.
Triple ACT (que significa Advanced Compaction Technology) é uma abordagem para jato de ligante que permite o processamento de muitos tipos de materiais premium, de alumínio e cobre a cermets e cerâmicas técnicas como SiC. Essa versatilidade é alcançada facilitando a deposição de camadas finas e uniformes de pó usando uma combinação de tecnologias para lidar com a distribuição, espalhamento e compactação de pó.
O primeiro passo na tecnologia Triple ACT é um processo de distribuição exclusivo que usa um design de funil com uma tela de distribuição vibratória ultrassônica que garante uma dose controlada de pó em todo o leito de impressão.
A tela também pode ser ajustada para pós de níveis de fluidez variáveis (ou seja, pós mais finos têm menor fluidez, enquanto pós mais grossos têm boa fluidez, mas são mais desafiadores para sinterizar). O segundo passo, espalhamento, é realizado por um rolo com um design de serrilhado exclusivo, que espalha o pó uniformemente em todo o leito de impressão sem compactá-lo. Finalmente, a Desktop Metal desenvolveu um rolo de compactação que pressiona as partículas de pó juntas sem afetar as camadas subjacentes e sem mover o pó uniformemente espalhado.
Embora o InnoventX seja ideal para desenvolvimento de materiais e produtos, uma vez que uma aplicação esteja pronta para escalar, a Desktop Metal tem outros sistemas na Série X que podem atender a demandas de produção mais altas. Especificamente, o X25 Pro, um sistema de jato de encadernação de médio porte com um envelope de construção de 400 x 250 x 250 mm, e o maior X160 Pro, que tem um volume de construção de até 800 x 500 x 400 mm.
Economia de peso e custo
No desenvolvimento do suporte óptico de satélite de SiC, a TECNALIA primeiro avaliou uma gama de graus de pó de SiC, comparando suas propriedades reológicas, bem como as razões de Hausner e o índice de coesão. Os resultados desses vários testes permitiram que a TECNALIA determinasse o grau de pó ideal para a cerâmica técnica, que era imprimível e demonstrava contração mínima pós-sinterização. Críticos para essa exploração foram os parâmetros de impressão personalizáveis do InnoventX, que permitiram que a equipe da TECNALIA encontrasse as configurações de impressão corretas para a aplicação em questão. No final, um formato quase líquido do suporte óptico de satélite pôde ser impresso em apenas três horas.
A TECNALIA também aproveitou as muitas opções de pós-processamento para o componente cerâmico de jato de ligante, empregando um ciclo de impregnação e pirólise de polímero (PIP) e infiltração capilar de silício líquido (CLSI) para melhorar a densificação da peça final.
Para outros tipos de aplicações, as peças Desktop Metal SiC também podem ser processadas de várias outras maneiras, incluindo SiC, ligado por reação (RBSiC); SiC, deposição de vapor (PVD ou CVI); SiC, infiltrado de metal líquido (SiSiC ou AlSiC); SiC, ligado (com materiais como nitreto ou mulita, geralmente para melhoria das propriedades); e SiC, totalmente sinterizado. Após PIP e CLSI, a TECNALIA empregou etapas finais como polimento, que levou 35% menos tempo do que os componentes tradicionais de SiC devido à boa qualidade da superfície da impressão.
No final, a TECNALIA conseguiu entregar uma peça Si-SiC que atendia às especificações CTE, bem como demonstrou propriedades isotrópicas e não tinha tensões residuais. Em termos de redução de peso, o design impresso em 3D resultou em economia de massa de 15%, o que terá um impacto no custo da carga útil para missões espaciais. O Dr. Agote concluiu sobre o estudo de caso: “O processo de jato de ligante nos permitiu obter peças próximas às especificações finais do componente para geometria e qualidade de superfície, e isso reduziu significativamente o custo associado às operações finais.”
Atualmente, a TECNALIA continua trabalhando no desenvolvimento de materiais de SiC para jateamento de ligantes usando a plataforma InnoventX, bem como outras cerâmicas técnicas, como carboneto de tungstênio-cobalto (WC-Co) e alumina.
Novas aplicações, materiais e muito mais
A Desktop Metal, por sua vez , também está trabalhando com outros clientes e parceiros no desenvolvimento de aplicações técnicas de jato de ligante cerâmico. Por exemplo, a empresa revelou recentemente um projeto liderado pela Norimat, sediada na França, que está por trás do inovador processo FAST/SPS (Field Assisted Sintering Technology / Spark Plasma Sintering). A Norimat tem usado o sistema InnoventX da Desktop Metal e o pó de carboneto de silício para produzir uma série de componentes de alta exigência, incluindo uma lâmina de turbina, engrenagem de treliça e ferramenta de corte. A Norimat está então empregando sua tecnologia SPS para densificar os componentes impressos de forma eficiente, sem a necessidade de qualquer infiltração pós-processo.
Outra aplicação notável para o carboneto de silício impresso em 3D está sendo desenvolvida pela Ultra Safe Nuclear (USNC) e envolve o design de peças personalizadas feitas de pó de SiC de grau nuclear para envolver partículas de combustível nuclear.
Carboneto de tungstênio cobalto (WC-Co), um cermet feito de uma combinação de uma cerâmica dura (carboneto de tungstênio) e metal de cobalto, também pode ser processado usando a tecnologia de jato de ligante da Desktop Metal. O material tem aplicações em usinagem e fabricação devido à sua natureza dura e é particularmente interessante para a produção de ferramentas de corte ou perfuração. Juntamente com suas atividades de SiC, a TECNALIA está trabalhando com WC-Co e desenvolvendo ferramentas de perfuração com canais de resfriamento integrados e geometrias personalizadas.
A Fraunhofer IKTS também está estudando jato de ligante e WC-Co com foco particular na “correlação entre morfologias variáveis de pós de partida de WC-Co, sua processabilidade usando [jato de ligante] e as propriedades mecânicas resultantes de componentes sinterizados”. Especificamente, os pesquisadores descobriram que os pós de WC-Co específicos para AM e os materiais de partida comerciais de WC-Co são viáveis para jato de ligante.
A Desktop Metal também está avançando em aplicações de AM cerâmicas em sua sede europeia em Gersthofen, Alemanha. Lá, uma ampla gama de sistemas de impressão a jato de ligantes torna possível aumentar a escala de aplicações cerâmicas.
Outros materiais à base de cerâmica, incluindo alumina (Al₂O₃), nitreto de alumínio (AlN), carboneto de boro impregnado com Al (B4C), carboneto de boro enriquecido (10B4C), nitreto de boro (BN), carbono (C), vidro (SiO2) e areias (naturais e sintéticas), também podem ser impressos em 3D usando jato de ligante de metal de mesa e os clientes de P&D podem qualificar mais pós cerâmicos.
Em última análise, a capacidade de imprimir cerâmicas técnicas — mesmo as tradicionalmente desafiadoras — usando o jato de ligante da Desktop Metal está criando uma nova fronteira na manufatura aditiva de cerâmica que pode abrir muitas novas aplicações interessantes no mundo da manufatura avançada. Para saber mais sobre a técnica acesse o site.
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