Sugino Máquinas Ltda concluiu recentemente o desenvolvimento de uma tecnologia de acabamento de superfície altamente especializada, capaz de remover partículas parcialmente derretidas, detritos e caixas alfa deixadas pela fusão em leito de pó a laser (LPBF) fabricada aditivamente (AM) de ligas de titânio, como 6Al-4V. O acabamento e peening de superfície abrasiva por cavitação (CASF) vai além dos métodos de processamento de linha de visão, como tombamento ou jateamento, uma vez que a poderosa ação da onda de choque ocorre onde quer que as bolhas de vapor implodente da cavitação de água possam ser direcionadas para entrar e ativar. Devido a esta capacidade omnidirecional única, o CASF pode tratar passagens internas tortuosas muito longas, bem como paredes de furos perfurados, furos, cornijas, túneis cortados, canais tubulares, flanges de retorno, saliências e outros abismos profundos.
O CASF foi obtido através de estudos de câmeras de alta velocidade do efeito de cavitação da água criado pela poderosa clava que é usada como arma pelo Camarão Louva-a-deus.
O peening por cavitação a jato de água foi originalmente derivado de estudos de imagens de alta velocidade do altamente evoluído Camarão Mantis, cujo clube especializado gera uma nuvem de cavitação energética na água do mar à medida que acelera a uma taxa igual à de uma bala disparada de uma arma. Quando a onda de impacto do Louva-a-deus atinge a casca externa de sua presa, o resultado é a obliteração instantânea, e isso permite à criatura acesso fácil à deliciosa refeição que ela deseja.
O acabamento e peening de superfície abrasiva por cavitação (CASF) é criado por ondas de choque geradas por um bico que atua através de uma lama de água e abrasivos sobre uma peça de trabalho.
O processo CASF da Sugino é conduzido dentro de uma máquina CNC totalmente automatizada que contém uma câmara de fluido contendo uma mistura agitada de água e abrasivos. Os tipos de meios de corte comercialmente disponíveis são cerâmicas ambientalmente benignas, como granada ou alumina. Dentro do tanque de processamento, a lama é energizada por uma nuvem de milhares de minúsculas bolhas de vapor de cavitação de água, que implodem violentamente à medida que passam por uma transformação de fase de vapor de volta para líquido. A ação das ondas criada pela cavitação também energiza cineticamente as partículas abrasivas – dando-lhes movimento e poder balístico.
A ação de lixamento dos abrasivos corta e take away as partículas AM parcialmente derretidas muito rapidamente. À medida que o steel limpo e descoberto é exposto, o constituinte água da lama atinge a superfície, transmitindo tensões residuais de compressão. A ação das ondas tem resultados semelhantes ao shot peening, mas na escala molecular da água (H2O), com um tamanho de 1,7 Angstrom versus o diâmetro típico do meio de shot peening de ~1 mm +/- ½ mm, e água molecular de cerca de 1/10.000.000o o tamanho da mídia capturada para comparação. O CASF não deixa para trás as impressões semelhantes a crateras associadas ao shot peening e, como o steel não é deslocado no mesmo grau, a distorção dimensional das peças AM é virtualmente eliminada.
O inside de amostras de teste tubulares AM LPBF Ti 6Al-4V construídas com vários diâmetros, pescoços e ângulos de ataque foram tratados com CASF.
Testes recentes realizados em peças tubulares de titânio 6Al-4V AM LPBF com universidades parceiras e parceiros industriais mostraram que o CASF produzirá uma rugosidade superficial interna e externa média Ra em torno de 3-4 vocêm, ao partir de Ra 10-26 vocêm amostras de teste prensadas isostáticas a quente (HIP). Várias peças de protótipo adicionais representativas de {hardware} de produção também foram processadas com sucesso.
O método CASF demonstrou funcionar igualmente bem em outras ligas, como Inconel, aço inoxidável (CRES), aços com alto teor de carbono e alumínio.
A qualidade da superfície AM varia nas peças construídas devido ao efeito que a gravidade tem durante a solidificação das partículas derretidas.
Observou-se que as tensões de compressão, benéficas para evitar o início do início de trincas por fadiga, estão na faixa de -300 a -550 MPa quando partem de quase 0 MPa até +250 MPa, mesmo quando medidas em pontos profundos dentro de áreas aprisionadas. Os dados dos testes de fadiga mostram melhorias significativas na vida útil cíclica quando o CASF é comparado com o as-built e o HIP, e está se aproximando da paridade com superfícies acabadas com métodos convencionais, como lixamento, usinagem e fresamento químico usando substâncias antigas.
Um dos desafios fundamentais associados à AM tem sido o acabamento pós-processo, que pode envolver o uso extensivo de máquinas abrasivas automatizadas não muito eficazes, jateamento com linha de visão, microusinagem, métodos de trabalho handbook (movimento repetitivo) e/ou o uso de misturas sintéticas tóxicas, como ácido fluorídrico nítrico ou soluções de ataque para acabamento de superfície pós-impressão.
CASF é completamente benigno e é uma alternativa verde ao uso de produtos químicos nocivos. A lama utilizada pelo CASF não é tóxica, é segura para contato humano direto e não requer cuidados e descarte de resíduos industriais. A água do processo é filtrada e recirculada dentro da máquina. Um spray de água limpa e secagem com ar quente são tudo o que é necessário para a limpeza pós-CASF de peças AM.
Sugino está atualmente buscando oportunidades de colaboração na indústria AM para testar {hardware} e peças e demonstrar as capacidades do CASF como uma alternativa aos métodos convencionais.
Sobre o autor:
Daniel G. Sanders é vice-presidente de pesquisa e tecnologia da Sugino Machine Ltd. e professor afiliado de engenharia mecânica na Universidade de Washington. Seu trabalho se concentra em processos avançados de fabricação, tecnologias de acabamento superficial e desempenho mecânico de materiais de engenharia, com ênfase explicit em aplicações em fabricação aditiva e componentes metálicos de alto desempenho.
Sugino Machine Ltd. é patrocinadora prata da Estratégias de Fabricação Aditiva (AMS) 2026que acontecerá de 24 a 26 de fevereiro na cidade de Nova York. A AMS reúne líderes da indústria, legisladores e inovadores de todo o ecossistema world de manufatura aditiva. Cadastro agora está aberto.
Imagens cortesia de Sugino
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