3D – Receita técnica para impressão sem “rasuras”

Plástico Moderno, Peça complexa produzida pelo Instituto Renato Archer
Peça complexa produzida pelo Instituto Renato Archer

Especialistas traçam as coordenadas buscando garantir um roteiro bem-sucedido para as rotas de produção por camada

A escolha adequada das matérias-primas e de rotas tecnológicas de produção aliada a fundamentos técnico-científicos que garantam o controle de fatores críticos de qualidade representa a base para o bom desempenho de peças obtidas por meia da impressão 3D. O domínio dessas variáveis de processo e de boas práticas de gestão é apontado por especialistas e empresários como crucial para a alavancagem da manufatura aditiva no Brasil. Dentre essas, destacam-se, por exemplo, o foco em competividade e sustentabilidade, priorizando uma produção mais limpa e de menor impacto ambiental.

Plástico Moderno, Lopes: processo nasce no mundo virtual, em sistemas de CAD
Lopes: processo nasce no mundo virtual, em sistemas de CAD

O ponto de partida para conduzir, com sucesso, as operações nesse sentido é migrar do mundo físico para o virtual, ou seja, converter a inovação que se pretende transformar em produto, primeiramente em representação computacional via CAD. É o que aconselha o pesquisador Jorge Vicente Lopes da Silva, coordenador do Núcleo de Tecnologias 3D do Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer, do Ministério de Ciência e Tecnologia.

Não basta, segundo ele, ter uma excelente ideia descrita em papel; é preciso modelar matematicamente o projeto em conformidade com a linguagem usada pela manufatura aditiva. Por outro lado, como existe uma diversidade de softwares nesse campo, o melhor caminho é optar pela solução mais alinhada às necessidades do projeto e que ofereça o melhor custo-benefício.

Conceitualmente, a manufatura aditiva consiste em um processo que deposita material na forma de camadas impressas obtendo-se a conformação de um produto. Com isso, criam-se geometrias não factíveis por processo convencional, tal como usinagem entre outros, porém complementares, muitas vezes, explica Lopes, doutor em Engenharia Química, bacharel e mestre em Engenharia Elétrica.

Em palestra recente realizada em São Paulo, sobre a evolução global das tecnologias de impressão 3D, particularmente Fusão Seletiva a Laser e Deposição de Metais a Laser, o professor Edson Costa Santos comparou, de forma quantitativa e qualitativa, a presença de peças e máquinas à base de metais e de polímeros no mercado. Em números absolutos, segundo ele, os materiais poliméricos ocupam cerca de 90% e os metais ficam com 10%. Porém, sob a ótica do valor agregado – peças em uso em segmentos de ponta como aeronáutico – a relação praticamente se inverte. Ou seja, há um predomínio qualitativo dos metais, concluiu Santos, ex-pesquisador do Instituto Ânima e atualmente senior manager na Zeiss, em Oberkochen (Alemanha), fornecedora de equipamentos de medição e máquinas voltadas para manufatura aditiva.

Plástico Moderno, Sofia: controle de porosidade evita aparecimento de trincas
Sofia: controle de porosidade evita aparecimento de trincas

A seleção do processo de deposição para fabricação por tecnologias de manufatura aditiva depende das características do componente, em particular sua dimensão e rigor dimensional exigido, informa Ana Sofia C. M. D’Oliveira, coordenadora de P&D na Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-graduação da UFPR. Em geral, diz ela, “peças pequenas com maior detalhamento e em consequência maior rigor dimensional, como é o caso de próteses dentárias, utilizam técnicas que oferecem a possibilidade de processar multicamadas de menor espessura, o que é conseguido com processos de alta densidade de energia, como a deposição por laser ou feixe de elétrons. Tipicamente, estes componentes são fabricados por técnicas de mesa de fusão”, afirma.

Para peças de maiores dimensões, nas quais a se dá prioridade ao requisito produtividade em comparação com os demais, são utilizadas camadas de maior espessura. Nestes casos se recorre a processos de deposição por arco elétrico para a produção das multicamadas, acrescenta Sofia, doutora em metalurgia e materiais e coordenadora, igualmente, do Laboratório de Engenharia de Superfícies, do Departamento de Engenharia Mecânica da UFPR.

A fabricação de peças em camadas tem como fundamento metalúrgico a utilização de materiais diversos em forma de pó, esclarece o engenheiro metalurgista João Batista Ferreira Neto, diretor do Centro de Tecnologia em Metalurgia e Materiais do IPT. No processo de impressão 3D de metais, acrescenta ele, “o fundamento é o da fusão do pó metálico em cada camada, com uma interposição de cada camada fundida com a camada anterior de forma que as propriedades requeridas sejam alcançadas, evitando porosidades, tensões residuais etc.”.A maior parte do pó metálico usado no Brasil é importada e, mesmo assim, não existe oferta de todas as ligas a exemplo do que acontece em rotas convencionais. Para suprir esse gap, muitas vezes se recorre a materiais nobres com propriedades superiores, cujo método de escolha depende muito da aplicação. “Na fusão seletiva a laser temos o processo de fabricação por leito de pó, nesse caso partimos de uma superfície plana para imprimir uma peça. Na LMD (Laser Metal Deposition) podemos partir de uma superfície complexa para impressão 3D, reparo ou revestimento, o que nos dá mais liberdade de trabalho, porém um acabamento pior do que a fusão seletiva a laser”, afirma André Marcon Zanatta, diretor de Inovação dos Institutos Senai de Inovação em Sistemas de Manufatura e de Processamento a Laser (Fiesc).

Plástico Moderno, Equipamento de fusão a laser opera com pós metálicos
Equipamento de fusão a laser opera com pós metálicos

Em relação às opções de uso de matérias-primas, Lopes, do Ministério de Ciência e Tecnologia, esclarece que “ainda não existe resposta precisa e única. Partindo das necessidades de projeto, busca-se a solução mais adequada. Mas essa, muitas vezes, pode ser um conjunto, incluindo outros elementos como custos de aquisição e operacionais etc. Portanto, não é um processo linear, mas sim de análise detalhada durante todo o ciclo de desenvolvimento do produto”.

Essa mistura de fatores também é admitida por Sofia, da UFPR, ao afirmar que “matérias-primas na forma de pós favorecem a escolha de ligas metálicas atomizadas de morfologia esférica, resultando em um maior controle da escoabiliade em processos de deposição”. Porém, dependendo do custo das ligas, é possível optar por outras técnicas de obtenção de pós metálicos, adequando-os aos parâmetros de deposição. Essa segunda escolha pode contribuir, inclusive, para eliminar eventuais variações na escoabilidade, acrescenta a professora.

A Fusão Seletiva a Laser demanda pós metálicos normalmente com formato esférico e distribuição de tamanho de partículas na faixa de 10 a 45 µm. Já fusão por feixe de elétrons ou deposição direta com energia requer a faixa de 45 a 100 µm, informa Neto, do IPT. O tamanho e o formato dessas partículas, segundo os especialistas, determinam tanto a observância de bons fundamentos técnico-científicos, como o controle dos fatores críticos relacionados à qualidade dos produtos. Na prática, essas rotinas se traduzem na escolha adequada das rotas tecnológicas, seguindo os requisitos de propriedades mecânicas, estética e acabamento superficial desejados para as peças e componentes fabricados por impressão 3D.

Plástico Moderno, Manipulação de pós metálicos usados na manufatura aditiva
Manipulação de pós metálicos usados na manufatura aditiva

“Cada matéria-prima com suas respectivas composições químicas, tem diferentes coeficientes de absorção à radiação laser. Seguindo a mesma lógica da especificidade, reage também de forma diferente com relação à transferência de calor, devido ao aquecimento do laser por razão das propriedades termodinâmicas e físico-químicas de cada material”, afirma Sabrina Marques, especialista em manufatura aditiva do Instituto Ânima Sociesc, em Joinville-SC.

Por outro lado, observa “o pó com partículas esféricas tem uma alta densidade de empacotamento, que é favorável para a sinterização e fusão a laser. O formato das partículas também pode influenciar na escoabilidade de deposição do pó durante o processo de fabricação, constituindo-se em uma variável importante para a qualidade de formação das camadas”.

Ao esclarecer que a fabricação de componentes em multicamadas se fundamenta também em conceitos de metalurgia da soldagem e fundição, Sofia, da UFPR, alerta para fatores de risco capazes de causar desconformidades na microestrutura. “Na fabricação de componentes novos por manufatura aditiva as propriedades mecânicas críticas são determinadas pelo tipo de componente e demanda em serviço. É importante controlar eventuais imperfeições, como porosidades, pois dependendo da dimensão em que elas se apresentam, pode ocorrer foco de concentração de tensões causadoras de trincas. Desta forma, a tenacidade é uma propriedade de grande relevância a semelhança do que acontece em componentes mecânicos processados por técnicas convencionais”, justifica.O monitoramento ocorre, segundo ela, “extrapolando conhecimentos de processos de fundição, da soldabilidade do material e do impacto dos parâmetros de deposição por soldagem selecionados. Com isso, obtém-se a otimização das propriedades e o controle de texturas”. Por outro lado, ela recomenta atenção especial aos parâmetros de deposição e dos processos de soldagem selecionado para a fabricação por MA. São eles que determinam, por exemplo, a qualidade dimensional e o acabamento do componente.

Em geral, as peças fabricadas por manufatura aditiva têm menor tenacidade do que as que são usinadas a partir de laminados, observa Américo Scotti, professor-visitante do Centro para Pesquisa e Desenvolvimento de Processos de Soldagem (Laprosolda), da Universidade Federal de Uberlândia. Algumas ligas tratáveis termicamente, segundo ele, (como as de alumínio, por exemplo), podem também apresentar resistência à tração mais baixa. Ressalta, porém, que existem soluções para essas limitações.

O fator mais crítico na manufatura aditiva de metais é a fadiga, afirma Marques, do Instituto Ânima, lembrando que, mesmo uma porosidade de 0,1%, como ocorre nos processos em que o pó é completamente fundido, o impacto é significativo nos resultados de fadiga. Nos casos em que as aplicações demandam uma solução que neutralize essa desconformidade, ela recomenda o tratamento térmico HIP (Hot Isostatic Pressing, prensagem isostática a quente), o qual diminui a porosidade e, consequentemente, aumenta a resistência à fadiga.

Lopes, do Ministério de Ciência e Tecnologia, sugere também, nesse caso, o tratamento superficial por meio de modificação química ou deposição de outros materiais, ou física como lixamento, usinagem etc. Além disso, ele inclui dureza, módulo de elasticidade, resistência à flexão e tração como propriedades que merecem atenção na impressão 3D. Todas essas são particularmente essenciais para a eficácia do desempenho de próteses, acrescenta Neto, do IPT.

A aplicação da peça e seus requisitos são determinantes em qualquer um dos processos de construção e deposição de camadas, segundo Zanatta, diretor de Inovação dos Institutos Senai (Fiesc). “Em um filtro metálico podemos não estar preocupados com a porosidade. Em outros casos, por exemplo, um inserto para molde de injeção de plástico, com canais conformados, já alcançamos 99,97% de densificação. E através de processos de tratamento térmico adequados, obtivemos propriedades como dureza e resistência à tração tão boas ou até melhores que um material produzido pela rota convencional”, afirmou.

Restrições como furação, fresamento, torneamento etc., típicas da manufatura convencional, têm seus efeitos igualmente amenizados pela impressão 3D, segundo Zanatta, acrescentando que uma de suas principais contribuições, em termos de produtividade, é a possibilidade de reúso de quase 100% do pó a cada rodada de impressão. Esse diferencial se torna ainda mais evidente quando comparado, na prática, o consumo de matérias-primas de ambas as rotas tecnológicas para a produção de um determinado produto. No caso da indústria aeronáutica, para obter uma peça de 1 kg, à base de titânio, o processo convencional demanda cerca de 100 kg de material. O mesmo produto consome menos de 1,5 kg de liga, quando produzido por manufatura aditiva, compara Neto, do IPT.

Em outras palavras, muitos componentes aeronáuticos em ligas de titânio podem representar menos que 10% do material inicial, quando usinado na sua forma final, pelo processo convencional. Na prática, gera-se um volume “absurdo de cavacos”, interpreta Lopes, do Ministério da Ciência e Tecnologia. “Assim, gasta-se energia para fazer um bloco, usiná-lo e durante o ciclo de reciclagem, visando reutilizá-lo. No caso do pó, gasta-se energia apenas para obtê-lo, focando o consumo energético somente onde é necessário”, afirma.

Quanto mais material tiver que ser removido por usinagem, menos econômica será operação por impressão 3D, observa Scotti, do Laprosolda, lembrando que a precisão dimensional de uma peça é um indicativo de taxa reduzida de cavacos após a deposição de camadas. No entanto, diz ele, “uma grande ondulação de parede após deposição de camadas também significa uma grande quantidade de material a ser subtraído, mesmo que a dimensão-alvo possa ter sido alcançada”.

Plástico Moderno, Sabrina: importante observar o formato das partículas
Sabrina: importante observar o formato das partículas

O rigor dimensional é um fator de grande impacto, quando se utilizam materiais de elevado custo, complementa Sofia, da UFPR. Ela cita ainda economia gerada pela produção de peças ocas, sem prejuízo das propriedades mecânicas, e o valor agregado por componentes fabricados de forma unitária. Essa condição viabiliza, por exemplo, a manutenção de equipamentos fora de linha, contribuindo para a redução de sucata industrial.

Destaque-se também a fabricação de peças com geometrias extremamente complexas, aliada aos softwares de otimização topológica, conforme observa Marques, do Instituto Ânima. Por meio dessas ferramentas são projetados lotes com quantidades mínimas de materiais e resistência mecânica equivalente às de peças convencionais.

Por tudo isso, afirma Lopes, do Ministério da Ciência e Tecnologia, a manufatura aditiva é considerada uma tecnologia com grande potencial de disruptibilidade. Graças a essa rota tecnológica, surgem portfólios inovadores, com custos operacionais menores e, sobretudo, mais competitivos, compartilhando vantagens e multiplicando resultados. Um exemplo, segundo ele, é o impacto da redução de peso de componentes para a consolidação de uma regra conhecida no segmento aeronáutico. Ou seja, cada quilo de material que deixa de ser usado na produção de um avião de grande porte significa uma redução de US$ 4 mil, ao longo de seu ciclo de vida

Texto: Maroni J. Silva

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