De acordo com a University College London (UCL), uma equipe de pesquisadores da UCL e da University of Greenwich desenvolveu uma nova técnica de impressão 3D que reduz substancialmente as imperfeições no processo de fabricação. A técnica foi desenvolvida após a equipe usar imagens avançadas de raios X para observar as causas das imperfeições que se formaram em componentes complexos de liga metálica impressos em 3D. Se essa técnica for amplamente implantada, ela poderá tornar uma variedade desses componentes – de articulações artificiais do quadril a peças de aeronaves – mais fortes e duráveis.
O estudo, publicado na Science, observa as forças em jogo durante a impressão 3D baseada em laser de ligas metálicas em detalhes sem precedentes e em tempo real. Para fazer isso, a equipe realizou imagens de raios X de síncrotron de alta velocidade do processo de fabricação no síncrotron Advanced Photon Source (APS) em Chicago, para registrar a interação complexa entre o feixe de laser e a matéria-prima metálica em escalas de tempo de muito menos de um milésimo de segundo.
Isso permitiu que eles vissem a criação de pequenos poros em formato de buraco de fechadura no componente como resultado do vapor gerado quando o laser derreteu as ligas metálicas e a causa das instabilidades no buraco de fechadura que levam a defeitos em peças impressas em 3D.
A equipe então observou o processo de fabricação com um campo magnético aplicado às ligas metálicas conforme a peça é formada, o que eles hipotetizaram que poderia ajudar a estabilizar o ponto em que o laser atinge o metal fundido – reduzindo imperfeições. Essa teoria provou estar correta, com uma redução de 80% na formação de poros em componentes impressos enquanto um campo magnético apropriado era aplicado.
“Quando o laser aquece o metal, ele se torna líquido, mas também produz vapor. Esse vapor forma uma pluma que empurra o metal fundido para longe, formando uma depressão em forma de J. A tensão superficial causa ondulações na depressão e a parte inferior dela se quebra, resultando em poros no componente acabado”, disse o Dr. Xianqiang Fan, o primeiro autor do estudo da UCL Mechanical Engineering. “Quando aplicamos um campo magnético a esse processo, as forças termoelétricas causam um fluxo de fluido que ajuda a estabilizar o furo para que ele se assemelhe a um formato de ‘I’, sem cauda para quebrar quando ele ondula.”
Na impressão 3D de ligas metálicas baseada em laser, um laser controlado por computador derrete camadas de pó metálico para formar formas sólidas complexas. Isso permite a produção de componentes de liga com complexidade inigualável para uso em produtos de alto valor em uma ampla gama de setores – de peças de bicicleta de titânio a próteses biomédicas.
Para obter camadas espessas em altas velocidades, o laser é altamente focado para aproximadamente a espessura de um fio de cabelo humano – criando uma poça derretida com uma depressão de vapor em forma de buraco de fechadura perto da frente. No entanto, esse buraco de fechadura pode ser instável e criar bolhas que se tornam poros no componente final – impactando a durabilidade mecânica.
“Embora os poros em forma de buraco de fechadura nesses tipos de componentes sejam conhecidos há décadas, as estratégias para evitar sua formação permaneceram em grande parte desconhecidas. Uma coisa que demonstrou ocasionalmente ajudar é aplicar um campo magnético, mas os resultados não foram repetíveis e o mecanismo pelo qual ele funciona é contestado”, disse o professor Peter Lee, autor sênior do estudo da UCL Mechanical Engineering.
“Neste estudo, conseguimos observar o processo de fabricação em detalhes sem precedentes, capturando imagens mais de 100.000 vezes por segundo, com e sem ímãs, para mostrar que as forças termoelétricas podem ser usadas para reduzir significativamente a porosidade do buraco de fechadura. Em termos reais, isso significa que temos o conhecimento necessário para criar componentes impressos em 3D de alta qualidade que durarão muito mais e expandirão o uso para novas aplicações críticas de segurança, da indústria aeroespacial à Fórmula 1. ”
Antes que os insights deste estudo possam ser aplicados, os fabricantes precisarão superar vários desafios técnicos para incorporar campos magnéticos em suas linhas de produção. Os autores dizem que essa tradução provavelmente levará vários anos, mas que o impacto de fazê-la será significativo.
“Nossa pesquisa lança luz sobre as forças físicas envolvidas neste tipo de fabricação, onde há uma dinâmica intrincada entre a tensão superficial e as forças viscosas. A aplicação do campo magnético interrompe isso e introduz ainda mais amortecimento eletromagnético e forças termoelétricas e, neste trabalho, o último atua para estabilizar beneficamente o processo”, disse o professor Andrew Kao, autor sênior do estudo da Universidade de Greenwich.
“Com esta nova ferramenta poderosa, podemos controlar o fluxo de fusão sem a necessidade de modificar materiais de matéria-prima ou formato do feixe de laser. Estamos muito animados para ver como podemos aplicar esta ferramenta para desenvolver microestruturas exclusivas adaptadas para uma variedade de aplicações de uso final. Seja fabricando quadris artificiais ou baterias para veículos elétricos, as melhorias na fabricação aditiva tornarão mais rápido e barato produzir componentes impressos em 3D que também sejam de maior qualidade”. Para saber mais sobre o processo acesse o site.
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