Na recente feira Ceramitec em Munique, a ExOne (parte da Desktop Metal) mostrou as primeiras peças de carboneto de silício (SiC) totalmente sinterizadas e totalmente densas feitas por jato de ligante, sem exigir qualquer infiltração pós-processo. Eles foram sinterizados usando FAST/SPS, um acrônimo que significa tecnologia de sinterização assistida em campo/sinterização por plasma por centelha. Mas o que é essa tecnologia e o que ela poderia significar para a AM baseada em sinterização?
FAST/SPS é uma tecnologia de ponta de sinterização por plasma centelhada, pioneira na FCT Systeme, Alemanha, que revoluciona a consolidação de diversos pós em domínios cerâmicos e metálicos, facilitando a criação de materiais significativamente aprimorados ou totalmente inovadores.
Durante a última década, uma abundância de literatura científica e apresentações demonstraram a capacidade da sinterização por plasma centelhante para consolidar rapidamente pós. Esta tecnologia tem sido extensivamente explorada em diversas categorias de materiais, abrangendo metais, ligas, intermetálicos, boretos, carbonetos, nitretos, silicietos, óxidos, compósitos e sistemas de materiais especializados.
Mais recentemente, a partir de 2016, a empresa francesa Norimat comercializou o seu próprio processo FAST/SPS, desenvolvido e otimizado ao longo de 15 anos de investigação e desenvolvimento, para combinar impressão 3D e sinterização por plasma centrífugo. Aplicado às peças impressas em 3D com jato de ligante ExOne, o processo Norimat permite a sinterização rápida em uma única etapa de peças com geometrias complexas. Assim, peças geometricamente complexas, com excelentes características de desempenho são agora possíveis, rapidamente.
No entanto, como salientou a FCT Systeme, embora estas investigações tenham produzido resultados promissores, predominantemente no domínio científico, também revelaram perspectivas tentadoras de transição para a produção à escala industrial. A produção industrial exige equipamentos personalizados capazes de otimizar a eficiência de custos, um desafio distinto da experimentação científica. A implementação industrial bem-sucedida do FAST/SPS depende da disponibilidade de equipamentos meticulosamente adaptados, preparados para atender às demandas exclusivas da produção em grande escala.
FAST/SPS para rápida consolidação de pós
A sinterização por plasma spark, bem como sua versão de última geração, denominada FAST/SPS, são técnicas de sinterização deduzidas da prensagem a quente convencional. Portanto, os sistemas FAST/SPS compreendem um recipiente resfriado a água, um sistema de prensagem hidráulica e um controle de processo auxiliado por computador usando medição e controle de temperatura e força, bem como um sistema para vácuo e controle atmosférico dentro do recipiente, respectivamente.
A grande diferença em relação a uma prensa a quente convencional é a ausência de elemento de aquecimento, bem como o isolamento térmico convencional do recipiente. Em vez disso, um sistema especial de fornecimento de energia alimenta alta corrente nos aríetes da máquina resfriados a água, que dessa forma atuam como eletrodos simultaneamente, alimentando a alta corrente diretamente através da ferramenta de prensagem e do pó compacto que contém.
Esta construção especial leva a um aquecimento de volume homogêneo da ferramenta de prensagem, bem como do pó contido usando calor Joule. Apenas pequenos gradientes térmicos são gerados mesmo em altas taxas de aquecimento, enquanto os métodos convencionais de sinterização são dificultados por gradientes térmicos, permitindo apenas taxas de aquecimento moderadas e exigindo longos tempos de permanência para homogeneização subsequente (mas principalmente incompleta). A vantagem do FAST/SPS é visualizada na Figura abaixo em termos da temperatura do centro TI em comparação com a borda do pó compacto TA durante o ciclo de sinterização.
A Sinterização por Plasma Spark (SPS) pode produzir amostras de alto desempenho com propriedades de material superiores em comparação com processos convencionais. No entanto, à medida que as amostras ficam maiores, é muito mais difícil gerenciar os gradientes térmicos dentro da peça. Isto pode resultar em diversas desvantagens que podem desencorajar o usuário do SPS.
Uma delas é a fusão do material, principalmente de metais, onde a temperatura de sinterização está próxima do ponto de fusão. Outra é a falta de homogeneidade da microestrutura, pois a temperatura afeta fortemente a densificação e o tamanho do grão e, portanto, as propriedades físicas da peça final. Sim, outra é cosmética, pois o uso de pigmentos em alguns materiais é muito sensível à temperatura e pode resultar em uma cor não uniforme da peça final.
Diversas ferramentas estão agora disponíveis ao usuário do SPS para limitar o gradiente térmico dentro de suas peças, mesmo para amostras grandes. A Norimat mostrou dois exemplos que ilustram isso com base no uso de placas reforçadas com fibra de carbono e na otimização do projeto do molde. As placas reforçadas com fibra de carbono são cada vez mais utilizadas na comunidade SPS graças à sua capacidade de limitar o gradiente térmico dentro das peças sinterizadas, bem como reduzir a potência global do SPS.
No caso de uma amostra de zircônia de 100mm, o uso de placas de CFC entre os punções e espaçadores do molde pode reduzir o gradiente térmico em cerca de 75%. No entanto, o gradiente resultante de 51°C ainda pode ser demasiado elevado para certas aplicações. Além das placas CFC, os usuários também podem otimizar o design do seu molde. Para a mesma amostra de zircônia de 100 mm, usar um molde mais alto e um pouco mais fino reduzirá o gradiente térmico para apenas 12°C. Com este nível de diferença de temperatura dentro da zircônia, nenhuma discrepância de densidade ou microestrutura é esperada. Isso torna o SPS um processo valioso e confiável para produzir materiais de alto desempenho.
O FCT Systeme mostra uma vantagem adicional do FAST/SPS na Figura mais abaixo: a potência de aquecimento não só é distribuída homogeneamente pelo volume do pó compacto numa escala macroscópica, mas também é dissipada exatamente nos locais onde a energia é necessária para o processo de sinterização, nomeadamente nos pontos de contato das partículas de pó. Isto resulta em um comportamento de sinterização favorável com menor crescimento de grãos e supressão da decomposição do pó. Dependendo do tipo de pó, efeitos vantajosos adicionais incluem eletromigração ou geração de microplasma.
FAST/SPS para fabricação aditiva
No processo FAST/SPS da Norimat, uma corrente pulsada de alta intensidade passa através de uma ferramenta de grafite, o que torna possível atingir altas taxas de aquecimento e resfriamento de mais de 100°C/min. Isto significa que o processo FAST/SPS pode atingir uma temperatura elevada em apenas alguns minutos, em comparação com várias horas para outras técnicas de sinterização.
A principal vantagem desta tecnologia de metalurgia do pó é a ausência de ligantes orgânicos durante o processo que podem causar defeitos durante a sinterização. A tecnologia limita a tensão residual no material. através do controle eficiente do gradiente térmico da peça durante o processo de sinterização.
Este ciclo de processamento reduzido combinado com a taxa de aquecimento rápida resulta em uma microestrutura de material fino e um aumento nas propriedades mecânicas dos materiais sinterizados. Graças a esses ativos, esse processo exclusivo de sinterização de pó é usado para fabricar facilmente materiais inovadores e de alto desempenho (compósitos, metais duros, ligas metálicas, materiais refratários). Além disso, o processo evita o crescimento de grãos dentro dos materiais, que mantêm uma microestrutura fina e podem densificar qualquer material entre 200°C e 2.400°C para atingir uma densidade de 99,5%, com desperdício de material inferior a 1%. Todo o pó sinterizado no processo é densificado e praticamente não há desperdício de pó ou qualquer outro resíduo.
A Norimat também desenvolveu a tecnologia de sinterização assistida em campo Engemini, ferramenta de simulação de sinterização por plasma Spark (FAST/SPS). Este modelo permite que todos os usuários do FAST/SPS realizem experimentações digitais para determinar a evolução térmica e mecânica de peças e moldes de grafite durante o processo de sinterização física.
Requisitos para aplicação industrial de FAST/SPS
A aplicação industrial do método de sinterização FAST/SPS para a rápida consolidação de novos materiais requer características especiais, que devem ser atendidas pelo equipamento e são até certo ponto diferentes dos requisitos do trabalho científico.
Para garantir um alto rendimento (entre outras coisas), o sistema deve fornecer potência elétrica de saída suficiente. É importante que as perdas elétricas no sistema sejam baixas para gerar alta potência de aquecimento no local onde for necessária. O valor real da potência necessária depende do tamanho e do material do pó compacto e da ferramenta de prensagem, bem como das taxas de aquecimento pretendidas e das temperaturas máximas.
Dependendo do tipo de pó, são possíveis vários mecanismos de sinterização diferentes. O tipo de corrente de aquecimento pode influenciar alguns deles. Portanto, uma fonte de alimentação com alta flexibilidade é importante para alcançar ótimos resultados de sinterização em termos de rendimento e qualidade do material. Os sistemas FAST/SPS são capazes de gerar uma ampla faixa de CC pulsada com parâmetros de pulso arbitrários controlados por computador até o ponto de CC pura.
A temperatura correta de sinterização é o parâmetro de processo mais importante além do tempo e da taxa de aquecimento. Devido a um design especial, os sistemas FAST/SPS medem a temperatura nas proximidades do centro compacto do pó, o que fornece um valor muito mais significativo do que a medição da temperatura da matriz.
Como apontado anteriormente, devido à construção especial dos sistemas FAST/SPS, o sistema de ferramentas de prensagem, composto pelos dois punções de prensagem, a matriz e outros componentes auxiliares, é o “coração” do sistema, porque não contém apenas o pó compacto, mas também atua como “aquecedor” (em interação com o compacto).
Embora os gradientes de temperatura no sistema sejam significativamente mais baixos do que nos métodos convencionais de sinterização, por exemplo, prensagem a quente, a otimização do projeto é vantajosa de qualquer maneira, especialmente se forem desejadas taxas de aquecimento mais altas, tempo de permanência minimizado e qualidade ideal do material.
Uma ferramenta útil para a otimização do projeto é a simulação numérica (método de elementos finitos “FEM”) do comportamento de aquecimento, levando em consideração as propriedades térmicas e elétricas dependentes da temperatura dos materiais da ferramenta aplicada, bem como do pó compacto. A Figura acima mostra a distribuição de temperatura em um sistema de ferramenta de prensagem contendo dois discos circulares compactos de pó de 200 mm de diâmetro após aquecimento a 1500°C dentro de 12 min e 5 min de tempo de permanência. Com o projeto de ferramenta padrão (esquerda), a diferença de temperatura restante no compacto é de 160 K, que pode ser reduzida para 60 K pela otimização do projeto (direita).
O benefício dos sistemas otimizados de ferramentas de prensagem é a qualidade e homogeneidade superiores do material, refletidas, por exemplo, por uma distribuição uniforme de altos valores de dureza ao longo do diâmetro de um disco circular de 200 mm em comparação com a situação da ferramenta de prensagem padrão. Além disso, as taxas de aquecimento mais altas possibilitadas dessa forma são uma condição essencial para a realização de materiais nanoestruturados, que muitas vezes são impossíveis de sinterizar por métodos convencionais devido aos ciclos de sinterização significativamente mais longos.
O chamado “Aquecimento Híbrido” é uma combinação do método FAST/SPS com um ou vários sistemas de aquecimento adicionais, que atuam geralmente do lado de fora dos sistemas de ferramentas de prensagem. Assim, os gradientes térmicos do FAST/ Os SPS, que são direcionados do interior para o exterior, normalmente podem ser compensados pelos gradientes direcionados inversamente do sistema de aquecimento adicional. A superposição dos gradientes (lado esquerdo) resulta em uma extensa minimização desses gradientes (lado direito). Isto permite aumentar ainda mais as taxas de aquecimento com homogeneidade simultaneamente otimizada com todas as vantagens apontadas anteriormente.
Um exemplo prático que mostra o efeito positivo do aquecimento híbrido pode ser encontrado na Figura abaixo, que compara o comportamento de sinterização de placas retangulares feitas de carboneto de tungstênio sem ligante (tamanho 150 x 175 mm). As curvas cinza claro mostram a densificação/densificação pelo uso de FAST/SPS, enquanto as curvas cinza escuro mostram o comportamento de sinterização aprimorado pelo uso de aquecimento híbrido.
A capacidade de produção de um sistema industrial FAST/SPS não é governada apenas pela taxa de aquecimento máxima possível e por um tempo de permanência minimizado, mas também por uma instalação de resfriamento rápido, que permite a descarga antecipada da ferramenta de prensagem concluída. Isto é realizado por uma câmara de resfriamento adicional, separada da câmara de sinterização real por uma porta à prova de gás/vácuo e equipada com cilindros especiais de resfriamento rápido.
Um sistema de manuseio que funciona automaticamente muda o sistema de ferramentas de prensagem a quente da câmara de sinterização para a câmara de resfriamento. Após o fechamento automático da comporta, a câmara de sinterização está pronta para carregar o próximo ciclo de sinterização durante o resfriamento da ferramenta de prensagem anterior.
Para realizar uma aplicação industrial econômica dos sistemas de sinterização FAST/SPS, a automação é um pré-requisito essencial. Um passo importante é o modo de operação semicontínuo mencionado acima em conjunto com o sistema de resfriamento rápido. Devido a uma combinação de robôs e manipuladores, uma operação totalmente automática pode ser realizada. A imagem no topo deste artigo mostra um sistema de produção híbrido FAST/SPS de 250 toneladas equipado com dois robôs industriais ABB para carga e descarga.
Aplicação industrial FAST/SPS de alto rendimento
Uma das primeiras aplicações industriais da tecnologia de sinterização FAST/SPS é a fabricação de artigos semelhantes a placas de grandes áreas, por exemplo, alvos de pulverização catódica para o revestimento de produtos com uma ampla gama de camadas superficiais funcionais. Os sistemas híbridos FAST/SPS mencionados acima são idealmente adaptados para a fabricação de alto rendimento dessas peças.
Para a produção em massa de peças pequenas (5 a 25 mm), a FCT Systeme desenvolveu uma série especial de sistemas FAST/SPS denominada “FAST2” (FAST square = fast FAST), baseada na mais moderna tecnologia de prensagem de pó combinada com o método de sinterização FAST/SPS, realizando uma operação rápida e totalmente automática, incluindo manuseio de pó, enchimento da ferramenta de prensagem integrada e descarga das peças prontamente sinterizadas. O rendimento de tais sistemas pode chegar a seis peças por minuto, dependendo das características de sinterização do material real, bem como do tamanho das peças.
Além de todas as possibilidades mencionadas acima para realizar uma produção industrial com alta eficiência de custos, existe um outro método: o uso de múltiplas ferramentas de prensagem para compactos de pó simples ou múltiplos pode fornecer várias peças em um ciclo de sinterização, aumentando o rendimento efetivo do Sistema FAST/SPS significativamente.
Foi demonstrado que os resultados promissores do FAST/SPS podem ser transferidos para uma produção industrial rentável se o equipamento atender aos respectivos pré-requisitos. Os desenvolvimentos atuais estão relacionados com a produção industrial de geometrias mais complexas, bem como com uma maior otimização da qualidade e dos custos. Para saber mais sobre o sistema acesse o site.
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