De acordo com o MIT, os pesquisadores desenvolveram uma técnica de fabricação aditiva que pode imprimir rapidamente com metal líquido – produzindo peças em grande escala, como pernas de mesas e estruturas de cadeiras, em questão de minutos. A técnica de impressão em metal líquido (LMP) envolve a deposição de alumínio fundido ao longo de um caminho predefinido em um leito de minúsculas esferas de vidro, com o alumínio endurecendo rapidamente em uma estrutura 3D. Os pesquisadores dizem que o LMP é pelo menos 10x mais rápido do que um processo AM de metal comparável, e o procedimento para aquecer e derreter o metal é mais eficiente do que alguns outros métodos.
A técnica sacrifica a resolução em prol da velocidade e da escala – embora possa imprimir componentes maiores do que aqueles normalmente feitos com técnicas aditivas mais lentas e a um custo menor, não consegue atingir altas resoluções. Por exemplo, as peças produzidas com LMP seriam adequadas para algumas aplicações em arquitetura, construção e design industrial, onde componentes de estruturas maiores muitas vezes não requerem detalhes extremamente finos. Também poderia ser utilizado de forma eficaz para prototipagem rápida com metal reciclado ou sucata.
Num estudo recente, os investigadores do MIT demonstraram o procedimento imprimindo molduras de alumínio e peças para mesas e cadeiras que eram suficientemente fortes para suportar a maquinação pós-impressão. Eles mostraram como os componentes feitos com LMP poderiam ser combinados com processos de alta resolução e materiais adicionais para criar móveis funcionais.
“Esta é uma direção completamente diferente na forma como pensamos sobre a fabricação de metal, que apresenta enormes vantagens. Também tem desvantagens. Mas a maior parte do nosso mundo construído – as coisas que nos rodeiam, como mesas, cadeiras e edifícios – não precisa de uma resolução extremamente alta. Velocidade e escala, e também repetibilidade e consumo de energia, são métricas importantes”, disse Skylar Tibbits, professor associado do Departamento de Arquitetura e codiretor do Laboratório de Automontagem do MIT, autor sênior de um artigo que apresenta o LMP .
Tibbits é acompanhado no artigo pelo autor principal Zain Karsan SM ’23, que agora é estudante de doutorado na ETH Zurique; bem como Kimball Kaiser SM ’22 e Jared Laucks, cientista pesquisador e codiretor de laboratório. A pesquisa foi apresentada na Conferência da Association for Computer-Aided Design in Architecture e recentemente publicada nos anais da associação.
Alta velocidade
A fabricação aditiva de arco de arame (WAAM), um método de impressão com metais comum na construção e arquitetura, também é capaz de produzir estruturas grandes e de baixa resolução. No entanto, estes podem ser suscetíveis a rachaduras e empenamentos porque algumas porções devem ser fundidas novamente durante o processo de impressão.
O LMP, por outro lado, mantém o material fundido durante todo o processo, evitando alguns dos problemas estruturais causados pela refusão. Com base no trabalho anterior do grupo sobre impressão líquida rápida com borracha, os pesquisadores construíram uma máquina que derrete alumínio, retém o metal fundido e o deposita através de um bico em alta velocidade. Peças em grande escala podem ser impressas em apenas alguns segundos e, em seguida, o alumínio fundido esfria em alguns minutos.
“Nossa taxa de processo é muito alta, mas também é muito difícil de controlar. É mais ou menos como abrir uma torneira. Você tem um grande volume de material para derreter, o que leva algum tempo, mas depois de derreter é como abrir uma torneira. Isso nos permite imprimir essas geometrias muito rapidamente”, disse Karsan.
A equipe escolheu o alumínio porque é comumente usado na construção e pode ser reciclado de forma barata e eficiente. Pedaços de alumínio do tamanho de um pão são depositados em um forno elétrico, “que é basicamente como uma torradeira ampliada”, disse Karsan. Bobinas de metal dentro do forno aquecem o metal a 700° Celsius, um pouco acima do ponto de fusão de 660° do alumínio.
O alumínio é mantido a alta temperatura em um cadinho de grafite e, em seguida, o material fundido é alimentado por gravidade através de um bico de cerâmica até uma base de impressão ao longo de um caminho predefinido. Eles descobriram que quanto maior a quantidade de alumínio que pudessem derreter, mais rápido a impressora poderia funcionar.
“O alumínio fundido destruirá quase tudo em seu caminho. Começamos com bicos de aço inoxidável e depois passamos para o titânio antes de terminarmos com os de cerâmica. Mas mesmo os bicos de cerâmica podem entupir porque o aquecimento nem sempre é totalmente uniforme na ponta do bico”, disse Karsan.
Ao injetar o material fundido diretamente em uma substância granular, os pesquisadores não precisam imprimir suportes para segurar a estrutura de alumínio à medida que ela toma forma.
O processo
Os pesquisadores experimentaram vários materiais para preencher a base de impressão, incluindo pós de grafite e sal, antes de selecionar contas de vidro de 100 mícrons. As minúsculas esferas de vidro, que podem suportar a temperatura extremamente alta do alumínio fundido, atuam como uma suspensão neutra para que o metal possa esfriar rapidamente. “As contas de vidro são tão finas que parecem seda na mão. O pó é tão pequeno que não altera realmente as características da superfície do objeto impresso”, disse Tibbits.
A quantidade de material fundido retido no cadinho, a profundidade da base de impressão e o tamanho e formato do bico têm os maiores impactos na geometria do objeto final. Por exemplo, partes do objeto com diâmetros maiores são impressas primeiro, uma vez que a quantidade de alumínio que o bico distribui diminui à medida que o cadinho se esvazia. Alterar a profundidade do bico altera a espessura da estrutura metálica.
Para auxiliar no processo LMP, os pesquisadores desenvolveram um modelo numérico para estimar a quantidade de material que será depositado na mesa de impressão em um determinado momento. De acordo com Tibbits, como o bico empurra o pó de vidro, os pesquisadores não conseguem observar o alumínio fundido conforme ele é depositado, então eles precisavam de uma forma de simular o que deveria acontecer em determinados pontos do processo de impressão.
Os pesquisadores usaram o LMP para produzir rapidamente estruturas de alumínio com espessuras variáveis, que eram duráveis o suficiente para suportar processos de usinagem como fresamento e mandrilamento. Eles demonstraram uma combinação de LMP e essas técnicas de pós-processamento para fazer cadeiras e uma mesa composta de peças de alumínio e outros componentes de impressão rápida e de baixa resolução, como peças de madeira.
Seguindo em frente, a equipe do MIT deseja continuar iterando na máquina para permitir um aquecimento consistente no bico para evitar que o material grude e também obter melhor controle sobre o fluxo do material fundido. Diâmetros de bicos maiores podem levar a impressões irregulares, portanto ainda há desafios técnicos a serem superados.
“Se pudéssemos tornar esta máquina algo que as pessoas pudessem realmente usar para derreter alumínio reciclado e imprimir peças, isso mudaria o jogo na fabricação de metal. No momento, não é confiável o suficiente para fazer isso, mas esse é o objetivo”, disse Tibbits.
“Na Emeco, viemos do mundo da fabricação muito analógica, portanto, ver a impressão de metal líquido criando geometrias diferenciadas com potencial para peças totalmente estruturais foi realmente atraente”, disse Jaye Buchbinder, que lidera o desenvolvimento de negócios da empresa de móveis Emeco e foi não envolvido com este trabalho. “A impressão em metal líquido realmente segue os limites em termos de capacidade de produzir peças metálicas em geometrias personalizadas, mantendo ao mesmo tempo um retorno rápido que você normalmente não consegue em outras tecnologias de impressão ou conformação. Definitivamente, há potencial para a tecnologia revolucionar a maneira como a impressão e a conformação de metais são tratadas atualmente”. Para saber mais sobre a tecnologia acesse o site.
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