jan 03

Entenda melhor o que é a manufatura aditiva (MA)

Muitas vezes referida como impressão 3D, a manufatura aditiva é, de fato, uma tecnologia que existe há pelo menos três décadas. Existem, de fato, vários subtipos diferentes de manufatura aditiva, incluindo impressão 3D, mas também prototipagem rápida e manufatura digital direta (DDM). Os recentes avanços nesta tecnologia oferecem possibilidades muito interessantes para o desenvolvimento futuro.

Hayrton Rodrigues do Prado Filho –

A chave para os fundamentos da manufatura aditiva é que, em vez de produzir um resultado final retirando o material, ele é acrescentado. Os métodos tradicionais de fabricação envolvem um material que está sendo esculpido ou moldado no produto desejado, sendo as partes dele removidas de várias maneiras.

A MA é o polo oposto em que as estruturas são feitas pela adição de milhares de camadas minúsculas que se combinam para criar o produto. O processo envolve o uso de um computador e um software CAD especial que pode retransmitir mensagens para a impressora para que ela imprima na forma desejada.

Comum às tecnologias AM é o uso de um computador, software de modelagem 3D (Computer Aided Design ou CAD), equipamento de máquina e material de estratificação. Uma vez que um esboço CAD é produzido, o equipamento AM lê os dados do arquivo CAD e estabelece ou adiciona camadas sucessivas de líquido, pó, material de folha ou outro, em uma camada-a-camada para fabricar um objeto 3D.

O termo MA engloba muitas tecnologias, incluindo subconjuntos como impressão 3D, prototipagem rápida, fabricação direta digital, fabricação em camadas e fabricação aditiva. A sua aplicação é ilimitada. Ela está sendo usada para fabricar produtos de uso final em aeronaves, restaurações dentárias, implantes médicos, automóveis e até mesmo produtos de moda.

Embora a adição da abordagem de camada sobre camada seja simples, existem muitas aplicações da tecnologia MA com graus de sofisticação para atender às diversas necessidades, incluindo: uma ferramenta de visualização no projeto; um meio para criar produtos altamente personalizados para consumidores e profissionais; como ferramentas industriais; para produzir pequenos lotes de peças de produção; e , segundo alguns, no futuro na produção de órgãos humanos

São várias as tecnologias disponíveis. A stereolithography (SLA) ou estereolitografia que utiliza uma plataforma de construção submersa em um tanque translúcido preenchido com resina de fotopolímero líquido. Quando a plataforma de construção é submersa, um laser de ponto único localizado dentro da máquina mapeia uma área da seção transversal (camada) de um projeto através do fundo do tanque solidificando o material.

Depois que a camada foi mapeada e solidificada pelo laser, a plataforma levanta e deixa uma nova camada de resina fluir por baixo da peça. Este processo é repetido camada por camada para produzir uma parte sólida. As peças são tipicamente pós-curadas por radiação UV para melhorar suas propriedades mecânicas.

A direct light processing (DLP) ou processamento de luz direta segue um método quase idêntico de produzir partes quando comparado ao SLA. A principal diferença é que o DLP usa uma tela de projeção digital para fazer uma única imagem de cada camada de uma vez.

Como o projetor é uma tela digital, a imagem de cada camada é composta de pixels quadrados, resultando em uma camada formada a partir de pequenos blocos retangulares chamados voxels. O DLP pode alcançar tempos de impressão mais rápidos em comparação com o SLA de algumas partes, já que cada camada inteira é exposta de uma só vez, em vez de traçar a área da seção transversal com um laser.

A continuous DLP (CDLP) ou processamento contínuo de luz direta que é também conhecido como produção de interface líquida contínua produz peças exatamente da mesma maneira que o DLP. No entanto, ele depende do movimento contínuo da placa de construção na direção Z (para cima). Isso permite tempos de construção mais rápidos, já que a impressora não precisa parar e separar a peça da placa de impressão depois que cada camada é produzida.

A selective laser sintering (SLS) produz peças plásticas sólidas usando um laser para sinterizar camadas finas de material em pó, uma camada por vez. O processo começa por espalhar uma camada inicial de pó sobre a plataforma de construção. A seção transversal da peça é escaneada e sinterizada pelo laser, solidificando-a.

Na plataforma de construção cai então uma camada de espessura e uma nova camada de pó é aplicada. O processo se repete até que uma peça sólida seja produzida. O resultado deste processo é um componente completamente envolto em pó não sinterizado. A peça é removida do pó, limpa e depois está pronta para uso ou posterior pós-processamento.

Tanto a fusão seletiva a laser (SLM) quanto a sinterização direta a laser de metal (DMLS) produzem peças por meio do método similar ao SLS. A principal diferença é que o SLM e o DMLS são usados na produção de peças metálicas. O SLM consegue um derretimento total do pó, enquanto o DMLS aquece o pó a temperaturas de fusão próximas até que elas se fundam quimicamente.

A DMLS só trabalha com ligas, ligas de níquel, Ti64, etc., enquanto a SLM pode usar metais de componente único, como o alumínio. Ao contrário do SLS, o SLM e o DMLS exigem estruturas de suporte para compensar as altas tensões residuais geradas durante o processo de criação. Isso ajuda a limitar a probabilidade de deformação e distorção.

A electron beam melting (EBM) ou fusão de feixe de elétrons usa um raio de alta energia em vez de um laser para induzir a fusão entre as partículas de um pó de metal. Um feixe de elétrons direcionado varre uma fina camada de pó, causando fusão localizada e solidificação em uma área de seção transversal específica. Os sistemas de feixe de elétrons produzem menos tensões residuais nas peças, resultando em menos distorção e menos necessidade de âncoras e estruturas de suporte.

Além disso, a EBM usa menos energia e pode produzir camadas a uma taxa mais rápida do que o SLM e o DMLS, mas o tamanho mínimo do recurso, o tamanho de partícula do pó, a espessura da camada e o acabamento superficial são tipicamente de menor qualidade. A EBM também requer que as peças sejam produzidas em vácuo e o processo só pode ser usado com materiais condutores.

A multi jet fusion (MJF) ou fusão de múltiplos jatos é essencialmente uma combinação das tecnologias SLS e material jetting. Um suporte com bicos de jato de tinta, semelhante aos bicos usados nas impressoras 2D de mesa, passa pela área de impressão, depositando o agente de fusão em uma fina camada de pó de plástico.

Ao mesmo tempo, um agente de detalhamento que inibe a sinterização é impresso perto da borda da peça. Uma fonte de energia UV de alta potência passa, então, sobre o leito de construção e sinteriza as áreas onde o agente de fusão foi dispensado, enquanto deixa o resto do pó intacto. O processo se repete até que todas as partes estejam completas.

NBR ISO/ASTM 52900 de 11/2018 – Manufatura Aditiva – Princípios Gerais – Terminologiaestabelece e define os termos utilizados na tecnologia de manufatura aditiva (MA), que aplica o princípio de modelagem aditiva e, assim, cria geometrias 3D físicas por adição sucessiva de material. Os termos foram classificados em campos específicos de aplicação. Novos termos emergentes do trabalho futuro dentro do ISO/TC 261 e da ASTM F42 serão incluídos nas próximas emendas e visões gerais deste documento.

A manufatura aditiva é o termo geral para estas tecnologias que, com base em uma representação geométrica, cria objetos físicos por adição sucessiva de material. Estas tecnologias são atualmente usadas em várias aplicações na indústria de engenharia, bem como em outras áreas da sociedade, como medicina, educação, arquitetura, cartografia, brinquedos e entretenimento.

Durante o desenvolvimento da tecnologia de manufatura aditiva, houve inúmeros termos e definições diferentes em uso, muitas vezes com referência às áreas de aplicação específicas e marcas registradas. Isso geralmente é ambíguo e confuso, o que dificulta a comunicação e uma aplicação mais ampla desta tecnologia

A intenção deste documento é fornecer uma compreensão básica dos princípios fundamentais para os processos de fabricação aditivos e, com base nisso, fornecer definições claras para os termos e a nomenclatura associados à tecnologia de manufatura aditiva. O seu objetivo é estabelecer a terminologia para fabricação de aditivos é facilitar a comunicação entre pessoas envolvidas neste campo de tecnologia em todo o mundo.

Em linhas gerais, a funcionalidade de um objeto fabricado é derivada da combinação da geometria e propriedades do objeto. Para alcançar essa combinação, um processo de fabricação é constituído por uma série de operações e subprocessos que trazem a forma da geometria pretendida para um material capaz de possuir as propriedades desejadas. A moldagem de materiais em objetos dentro de um processo de fabricação pode ser conseguida por um, ou combinações de três princípios básicos.

—— Moldagem formativa: a forma desejada é adquirida por aplicação de pressão a um corpo de matéria-prima, exemplos: forjamento, dobramento, fundição, moldagem por injeção, compactação de corpos verdes em metalurgia de pó convencional ou processamento cerâmico, etc.

—— Moldagem subtrativa: a forma desejada é adquirida pela remoção seletiva de material, exemplos: fresamento, torneamento, furação, eletroerosão (electrical discharge machining – EDM), etc.

—— Moldagem aditiva: a forma desejada é adquirida pela adição sucessiva de material.

Os objetos, ou peças, com as formas adquiridas podem ser combinados em produtos com formas mais complexas, juntando diferentes partes em uma operação física, química ou mecânica, como soldagem, solda, adesivo, fixadores, etc. A tecnologia de manufatura aditiva aplica o princípio de moldagem aditiva e, assim, cria geometrias 3D físicas por adição sucessiva de material.

Adição de material significa que as unidades do material de alimentação são reunidas e unidas (por exemplo, fundidas ou coladas), mais comumente camada por camada para construir uma peça. O fator determinante para cada processo está na técnica utilizada para adicionar os materiais. Isso determina, por exemplo, quais tipos de materiais são possíveis no processo, uma vez que diferentes materiais têm diferentes princípios de fusão ou adesão.

Basicamente, para o processamento por manufatura aditiva, as propriedades fundamentais dos produtos são determinadas por tipo de material (polímero, metal, cerâmica ou compósito); princípio aplicado para fusão ou ligação (fusão, cura, sinterização, etc.); matéria-prima que é usada para adicionar material (líquido, pó, suspensão, filamento, folha, etc.); e como o material é reunido, ou seja, arquitetura e processo do equipamento.

O processo de adicionar material sucessivamente para construir uma peça torna as propriedades do material nesta peça altamente dependentes do tipo de equipamento e dos parâmetros do processo na operação aditiva. Portanto, não é possível prever com exatidão estas propriedades do material, sem associá-las a um tipo específico de equipamento e aos parâmetros do processo.

Uma abordagem em camadas para a fabricação aditiva de peças também pode causar dependência direcional nas propriedades do material desta peça. Portanto, as propriedades do material em uma peça de MA podem depender da orientação e da posição desta peça no espaço de fabricação, durante o processamento.

Os processos de manufatura aditiva são feitos em uma única etapa e em múltiplas etapas. É raro que um produto acabado possa ser totalmente fabricado dentro de um único princípio de processo. Normalmente, séries de operações e de subprocessos são necessárias para alcançar a combinação pretendida de forma geométrica e propriedades desejadas.

No entanto, no contexto da MA, há uma distinção entre quais operações são indispensáveis ao processo aditivo e quais são mais dependentes das operações de pré-processamento e pós-processamento dos produtos e das aplicações. Quando a manufatura aditiva é aplicada dentro de um sistema de fabricação industrial, esta distinção é necessária para esclarecer qual parte do processo de fabricação constitui realmente o processo de manufatura aditiva, bem como qual parte do sistema de fabricação realmente constitui o sistema de manufatura aditiva, de modo que normas possam ser adequadamente aplicadas.

O princípio fundamental dos processos MA é formar peças tridimensionais pela adição sucessiva de material. Dependendo do processo, as peças podem adquirir a geometria básica e as propriedades fundamentais do material pretendido em uma única etapa do processo, isto é, um processo de única etapa, ou obter a geometria em uma etapa primária do processo e posteriormente adquirir as propriedades fundamentais do material pretendido (por exemplo, propriedades metálicas pretendidas para uma peça metálica e propriedades cerâmicas pretendidas para uma peça de cerâmica), em uma etapa secundária do processo, ou seja, um processo de múltiplas etapas (ver figura baixo).

Por exemplo, o objeto adquire a geometria básica pela junção do material com um aglutinante na etapa primária do processo que é seguido pela consolidação do material por sinterização, com ou sem infiltração, nas etapas subsequentes do processo. Dependendo da aplicação final, tanto a fabricação em única etapa como a em múltiplas etapas podem requerer uma ou mais operações de pós-processamento, como tratamentos térmicos (incluindo HIP), usinagem de acabamento e outros para obter todas as propriedades pretendidas no produto final.

A tecnologia de MA pode ser usada para produzir moldes de ferramentas e padrões para fundição que podem ser aplicados para produzir os produtos pretendidos. Neste cenário, no entanto, os padrões para fundição, moldes ou ferramentas são produzidos pelo processo de MA, não o produto pretendido, e, portanto, convém que estes processos de fabricação sejam considerados mais como uma aplicação da tecnologia de MA do que um processo de produção de MA.

aditiva3

Existem inúmeras maneiras pelas quais unidades de material podem ser unidas para formar uma peça. Diferentes tipos de materiais estão sendo mantidos unidos por diferentes tipos de ligações atômicas: os materiais metálicos são normalmente mantidos unidos por ligações metálicas, moléculas de polímero normalmente por ligações covalentes, materiais cerâmicos normalmente por ligações iônicas e/ou covalentes e materiais compósitos por qualquer combinação dos acima mencionados.

O tipo de ligação fornece as condições mais fundamentais para a forma como este material pode ser unido em um processo aditivo. Além do tipo de material, a operação de junção também depende da forma em que o material é entregue ao sistema e como ele é distribuído.

Para os processos de fabricação aditivos, a matéria-prima em massa que é alimentada no processo, geralmente pode vir na forma de pó (seco, pasta ou em suspensão), filamento, folha, derretido e, para polímeros, também na forma de um material líquido não curado. Dependendo da forma, a matéria-prima pode então ser distribuída camada por camada em um leito de pó, depositada por um bico, aplicada como camadas em uma pilha de folhas, depositada por meio de um cabeçote de impressão ou aplicada como líquido, pasta ou em forma de suspensão em uma cuba.

No que diz respeito às grandes possibilidades de variação em diferentes tipos de materiais, diferentes tipos de materiais de alimentação e meios de distribuição de materiais de alimentação, existe um grande número de princípios possíveis que poderiam ser utilizados para os processos de manufatura aditiva. No entanto, embora existam atividades significativas de pesquisa e desenvolvimento nesta área em todo o mundo, nem todas as soluções potenciais foram aplicadas a um processo de trabalho, e poucas alcançaram o mercado.

FONTE: REVISTA DE NORMAS