Engenheiros da Universidade de Wisconsin-Madison (UW-Madison) alcançaram um grande avanço na fabricação aditiva de metallic ao mitigar três defeitos comuns simultaneamente. Este avanço, liderado pelo professor associado Lianyi Chen e sua equipe de pesquisa, pode abrir caminho para uma adoção mais ampla pela indústria da fusão em leito de pó a laser, uma técnica de impressão 3D proeminente.
Publicada em 16 de novembro de 2024, no Worldwide Journal of Machine Instruments and Manufacture, a pesquisa detalha como a equipe identificou os mecanismos e otimizou as condições de processamento para solucionar defeitos que há muito atormentam a impressão 3D de metallic.
“Pesquisas anteriores normalmente se concentravam na redução de um tipo de defeito, mas isso exigiria o uso de outras técnicas para mitigar os demais tipos de defeitos”, disse Chen. “Desenvolvemos uma abordagem que pode mitigar todos os defeitos – poros, superfícies ásperas e grandes respingos – de uma só vez. Além disso, nossa abordagem nos permite produzir uma peça com muito mais rapidez, sem comprometer a qualidade.”
Superando desafios na impressão 3D de metallic
A fabricação aditiva de metallic oferece a capacidade de criar formas complexas que a fabricação tradicional não consegue alcançar. Isso o torna altamente atraente para setores como aeroespacial, médico e de energia. No entanto, defeitos como poros (vazios), superfícies ásperas e grandes respingos limitaram significativamente a confiabilidade e a durabilidade das peças metálicas impressas em 3D.
Esses defeitos são particularmente problemáticos para aplicações onde a falha de peças não é uma opção. O método da equipe UW-Madison não apenas melhora a qualidade, mas também aumenta a velocidade de produção, abordando dois desafios críticos na fusão de leito de pó a laser.
O papel do feixe de laser em forma de anel
A inovação dependeu da substituição do tradicional feixe de laser em forma de Gauss por um inovador feixe de laser em forma de anel, fornecido pela nLight, uma empresa líder em tecnologia de laser. Este novo formato de feixe desempenhou um papel essential na redução das instabilidades do processo durante a impressão.
Os pesquisadores usaram imagens de raios X síncrotron de alta velocidade na Superior Photon Supply do Argonne Nationwide Laboratory para observar o comportamento do materials durante a impressão. Combinando esses insights com análises teóricas e simulações numéricas, a equipe identificou mecanismos que mitigam defeitos e estabilizam o processo de fusão do leito de pó a laser.
Produtividade aprimorada sem compromissos de qualidade
O feixe de laser em forma de anel também permitiu uma penetração mais profunda do materials sem causar instabilidade, permitindo à equipe imprimir camadas mais espessas de metallic. Esse ajuste aumentou significativamente a produtividade da produção sem sacrificar a qualidade.
“Como entendemos os mecanismos subjacentes, pudemos identificar mais rapidamente as condições de processamento corretas para produzir peças de alta qualidade usando a viga em forma de anel”, disse Chen.
Esta combinação de mitigação de defeitos e aumento de produtividade tem o potencial de transformar a fabricação de peças metálicas de alto desempenho, especialmente para indústrias que exigem confiabilidade livre de falhas.
Trabalho em equipe e inovação impulsionam a impressão 3D de metallic
Este trabalho inovador foi possível através da colaboração entre pesquisadores da UW-Madison, incluindo Qilin Guo, Luis Escano, Ali Nabaa e o professor Tim Osswald, ao lado dos especialistas Samuel Clark e Kamel Fezzaa do Laboratório Nacional de Argonne. Apoiada por financiamento da Nationwide Science Basis e da Wisconsin Alumni Analysis Basis, a equipe abordou desafios críticos na fabricação de aditivos metálicos.
Ao lidar simultaneamente com defeitos como poros, superfícies ásperas e respingos, os pesquisadores não apenas melhoraram a qualidade das peças, mas também alcançaram melhorias significativas de produtividade. Este avanço estabelece um novo padrão para a confiabilidade e eficiência da fusão de leito de pó a laser, tornando-a mais viável para aplicações críticas em indústrias como aeroespacial, médica e de energia.
O inovador feixe de laser em forma de anel e os mecanismos de mitigação de defeitos descobertos pela equipe têm o potencial de impulsionar uma adoção industrial mais ampla da impressão 3D de metallic, melhorando a produção de componentes de alta qualidade e livres de falhas.
Fonte: engenharia.wisc.edu