Alguns dizem que estamos à beira de outra revolução industrial, a saber, a descentralização da fabricação anunciada pelo crescimento da tecnologia de manufatura aditiva (Additive Manufacturing – AM). O Doutor em Tratamento Térmico concorda.

Então, o que é manufatura aditiva, como ela difere de outras tecnologias de fabricação convencionais e como isso afetará a comunidade de tratamento térmico?

Vamos aprender mais?

A metalurgia do pó sempre foi uma alternativa atraente à fabricação tradicional de produtos de materiais forjados, e a sinterização (a união de partículas de pó adjacentes para formar um componente de metal coeso) é o método de tratamento térmico associado a essa tecnologia.

A indústria automotiva, em particular, adotou seu uso. Quando maiores densidades são necessárias, outros métodos de sinterização, como Moldagem por Injeção de Pós Metálicos (Metal Injection Molding – MIM), são usados.

O Que é Manufatura Aditiva?

A manufatura aditiva não é nova, tendo sido introduzida pela primeira vez na década de 1980 e desenvolvida para peças plásticas tridimensionais com um polímero termofixo endurecido por luz ultravioleta.

Inicialmente, a tecnologia era muito lenta para produção em massa e usada principalmente para prototipagem rápida. Hoje, os metais foram adicionados à lista de materiais que podem ser usados, e a velocidade do processo se acelerou até o ponto em que é viável para fabricação em grande volume.

Uma das versões mais promissoras de Manufatura Aditiva com metal atualmente é a tecnologia de jateamento de ligantes (binder jetting technology). A sinterização a laser e os métodos de feixe de elétrons são alternativas. [4]

Processo:

O jateamento de ligantes de metais é um processo no qual um agente aglutinante líquido é depositado seletivamente em um leito de partículas de pó-metal à medida que as camadas da parte componente são construídas.

O objetivo é reduzir a quantidade de aglutinante líquido usado, pois o menor aglomerante permite um acesso mais fácil aos poros e uma remoção mais rápida do aglutinante.

Um cabeçote de impressão móvel (Fig. 1) mistura estrategicamente o aglutinante no pó enquanto ele está sendo depositado no leito de impressão. Após cada passagem, a altura do leito é reduzida pela espessura de uma camada de impressão, 25-100μm, e outra camada de pó e ligante é adicionada em cima da anterior. Quando isso é repetido, as camadas de metal colado são sucessivamente depositadas até que a peça totalmente formada seja criada.

Após a impressão, é necessária a sinterização em um forno a vácuo, o mesmo que com a tecnologia MIM. O jateamento de ligantes é usado para criar peças feitas de Inconel, aço inoxidável, carboneto de tungstênio, titânio, cobre, latão e alumínio, entre outros.

Como as camadas impressas podem ser extremamente finas, a peça resultante pode ser produzida em um nível extremamente alto de detalhes com recursos físicos muito precisos. Tolerâncias e especificações típicas da tecnologia de jateamento de ligantes metálicos incluem: [2]

• Envelope de construção máxima de 4.000 mm x 2.000 mm x 1.000 mm
• Tamanho mínimo de recurso de 0,1 mm
• Tolerância típica de ± 0,13 mm
•  Espessura mínima da camada de 0,09 mm
•  Velocidade de construção rápida (em comparação com outras tecnologias aditivas)

O Binder Jetting é o método de Manufatura Aditiva Metálica mais rápida disponível. A velocidade máxima de construção é atualmente de aproximadamente 2.500 cm3 / hora, e um fabricante planeja introduzir uma máquina de 8.200 cm3 / hora em 2019.

Carrocerias de carros e outras peças de compósito plástica de grande porte foram impressas usando a tecnologia AM, e é apenas uma questão de tempo antes que isso se expande para a impressão de metal. A AM é considerada pela maioria na indústria como uma tecnologia “disruptiva”; em que revolucionará muitos setores industriais à medida que se torna mais rápido e mais barato. Ela também afetará fundamentalmente como, quando e onde o tratamento térmico é realizado, uma vez que a sinterização se tornará parte de uma célula de fabricação de AM.

Binder Jetting

1. À medida que a AM se torna mais sofisticada e a compreensão e a conscientização crescerem entre os fabricantes, as usinagens, como as conhecemos atualmente, serão fundamentalmente alteradas. AM oferece claras vantagens nisso:
2.  Pequenas tiragens de peças únicas ou complexas podem ser produzidas rapidamente e com baixo custo. Ao contrário do MIM, fundição ou forjamento, não são necessários moldes caros. Isso reduz o tempo de comercialização, uma mercadoria muito valiosa hoje.O encolhimento é significativamente menor que o das peças produzidas pelo MIM, aumentando a precisão e a repetibilidade. Uma descrição da AM é que é um processo MIM sem a distorção.
3. A AM tem a capacidade de buscar novas inovações sem estender o ciclo de design. Isso permite muitas gerações de alterações de design no tempo que normalmente levaria para fazer uma única alteração usando tecnologias convencionais. Esse pode ser o aspecto mais revolucionário da tecnologia.
4. Projetos de favo de mel são possíveis, reduzindo o peso da peça enquanto mantém ou até aumenta a resistência.
5. AM oferece a capacidade de fazer alterações dinâmicas. Se há uma coisa com a qual os engenheiros de projeto podem contar, são as revisões do cliente e as mudanças no projeto. Com a tecnologia AM, o designer simplesmente faz uma alteração no modelo digital 3D e é baixado para a impressora para fabricação.
6. Peças altamente complexas podem ser produzidas (Fig. 2) o que seria literalmente impossível com qualquer outra tecnologia. Existem algumas formas e recursos intrincados que não podem ser moldados, moldados ou usinados, mas podem ser impressos. Isso abre novas possibilidades para os designers.
7. Um alto grau de personalização é possível sem adição de custo. A tecnologia AM permite a fabricação de projetos únicos, como implantes médicos feitos sob medida para um indivíduo específico.
8. AM não gera desperdício. Como é uma tecnologia aditiva, somente o material necessário é realmente usado. Ao imprimir metais muito caros, como o titânio, isso faz uma enorme diferença no preço do produto acabado e na viabilidade do projeto.

Conclusão:

AM sempre foi uma opção atraente quando os volumes de produção são baixos, as mudanças são frequentes e a complexidade é alta. À medida que a velocidade de impressão aumenta e os custos diminuem, as aplicações em AM se expandem para incluir mais componentes de componentes principais.

As oficinas mecânicas e os departamentos internos de fabricação serão capazes de escolher a tecnologia com melhor custo-benefício, com a sinterização sendo realizada como parte da célula de fabricação de AM, em oposição a um departamento de tratamento térmico ou um local terceirizado. Isso levará a novas oportunidades e desafios para os tratadores térmicos, porque mais peças exigirão extração secundária dos ligantes e sinterização sob vácuo.

Por exemplo, um dos principais desafios para fornos a vácuo (Fig. 3) usado para sinterização é lidar com o aglomerante liberado do material durante o processo de extração secundária dos ligantes. Bombas secas são preferidas, pois o aglutinante pode contaminar o óleo usado em bombas rotativas vedadas a óleo, exigindo mudanças frequentes de óleo.

Também deve haver provisões para remover o ligante Uma abordagem é instalar uma “armadilha” de ligantes antes da bomba, que coleta o aglutinante e requer a remoção e limpeza periódicas.

Armadilhas manuais ou automatizadas estão disponíveis – o último aquece para liquefazer o resíduo aglutinante, que então flui para o fundo da armadilha. Uma válvula é aberta para permitir a coleta de resíduos. Um terceiro método envolve o uso de um filtro de condensação.

Resumindo

A revolução na manufatura aditiva começou! Em breve terá um impacto em todos os tipos de indústrias e suas estratégias de fabricação, representando uma mudança de paradigma no design e engenharia que afetará todos os processos da fábrica, incluindo o tratamento térmico.

Observação: A coluna Software de Simulação III virá na próxima edição.

Referências

[1] Centorr Vacuum Industries (www.vacuum-furnaces.com), correspondência privada
[2] Additively – Additive Manufacturing for Innovative Design and Production, MIT, (https://additivemanufacturing.mit.edu)
[3] Rapid Ready Technology (www.rapidreadytech.com)
[4] Herring, Daniel H., Vacuum Heat Treatment, Volume II, BNP Media, 2016

Nome do Autor: Daniel H. Herring

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