Usar lasers para “aquecer e bater” aço impresso em 3D pode ajudar a reduzir custos

Os pesquisadores desenvolveram um novo método para impressão 3D de metal que pode ajudar a reduzir custos e fazer uso mais eficiente dos recursos.

O método, desenvolvido por uma equipe de pesquisa liderada pela Universidade de Cambridge, permite que modificações estruturais sejam “programadas” em ligas metálicas durante a impressão 3D, ajustando suas propriedades sem o processo de “aquecimento e batimento” que está em uso há milhares de anos. anos.

O novo método de impressão 3D combina as melhores qualidades dos dois mundos: as formas complexas que a impressão 3D torna possíveis e a capacidade de projetar a estrutura e as propriedades dos metais que os métodos tradicionais permitem. Os resultados são relatado no diário Comunicações da Natureza.

A impressão 3D tem diversas vantagens sobre outros métodos de fabricação. Por exemplo, é muito mais fácil produzir formas complexas usando impressão 3D e utiliza muito menos material do que os métodos tradicionais de fabricação de metal, tornando-o um processo mais eficiente. No entanto, também tem desvantagens significativas.

“Há muitas promessas em torno da impressão 3D, mas ainda não é amplamente utilizada na indústria, principalmente por causa dos altos custos de produção”, disse o Dr. Matteo Seita, do Departamento de Engenharia de Cambridge, que liderou a pesquisa. “Um dos principais impulsionadores desses custos é a quantidade de ajustes que os materiais precisam após a produção”.

Desde a Idade do Bronze, as peças metálicas são fabricadas através de um processo de aquecimento e batimento. Esta abordagem, onde o material é endurecido com um martelo e amolecido pelo fogo, permite ao fabricante moldar o metal na forma desejada e ao mesmo tempo conferir propriedades físicas como flexibilidade ou resistência.

“A razão pela qual o aquecimento e o batimento são tão eficazes é porque alteram a estrutura interna do material, permitindo o controle sobre suas propriedades”, disse Seita. “É por isso que ainda está em uso depois de milhares de anos.”

Uma das principais desvantagens das atuais técnicas de impressão 3D é a incapacidade de controlar a estrutura interna da mesma maneira, razão pela qual são necessárias tantas alterações pós-produção.

“Estamos tentando encontrar maneiras de restaurar parte dessa capacidade de engenharia estrutural sem a necessidade de aquecimento e batidas, o que por sua vez ajudaria a reduzir custos”, disse Seita. “Se você puder controlar as propriedades desejadas nos metais, poderá aproveitar os aspectos mais ecológicos da impressão 3D.”

Trabalhando com colegas em Singapura, Suíça, Finlândia e Austrália, Seita desenvolveu uma nova “receita” para metal impresso em 3D que permite um alto grau de controle sobre a estrutura interna do material à medida que é derretido por um laser.

Ao controlar a forma como o material se solidifica após a fusão e a quantidade de calor gerada durante o processo, os pesquisadores podem programar as propriedades do material final. Normalmente, os metais são projetados para serem fortes e tenazes, de modo que sejam seguros para uso em aplicações estruturais. Os metais impressos em 3D são inerentemente fortes, mas também frágeis.

A estratégia desenvolvida pelos investigadores dá controlo total sobre a resistência e a tenacidade, desencadeando uma reconfiguração controlada da microestrutura quando a peça metálica impressa em 3D é colocada num forno a uma temperatura relativamente baixa. Seu método usa tecnologias convencionais de impressão 3D baseadas em laser, mas com um pequeno ajuste no processo.

“Descobrimos que o laser pode ser usado como um ‘martelo microscópico’ para endurecer o metal durante a impressão 3D”, disse Seita. “No entanto, derreter o metal uma segunda vez com o mesmo laser relaxa a estrutura do metal, permitindo que a reconfiguração estrutural ocorra quando a peça é colocada no forno.”

Seu aço impresso em 3D, que foi projetado teoricamente e validado experimentalmente, foi feito com regiões alternadas de material forte e resistente, tornando seu desempenho comparável ao do aço feito por aquecimento e batimento.

“Acreditamos que este método poderia ajudar a reduzir os custos da impressão 3D de metal, o que poderia, por sua vez, melhorar a sustentabilidade da indústria de fabricação de metal”, disse Seita. “Em um futuro próximo, também esperamos poder contornar o tratamento de baixa temperatura no forno, reduzindo ainda mais o número de etapas necessárias antes de usar peças impressas em 3D em aplicações de engenharia”.

A equipe incluiu pesquisadores da Universidade Técnica de Nanyang, da Agência de Ciência, Tecnologia e Pesquisa (A*STAR), do Instituto Paul Scherrer, do Centro de Pesquisa Técnica VTT da Finlândia e da Organização Australiana de Ciência e Tecnologia Nuclear. Matteo Seita é membro do St John’s College, Cambridge.