Em um grande avanço para a fabricação de aditivos metálicos, pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) e seus parceiros acadêmicos desenvolveram um novo método que aumenta significativamente a absortividade óptica de pós metálicos usados na impressão 3D. Este avanço poderá levar a uma produção mais eficiente e de maior qualidade de peças metálicas, especialmente para materiais desafiadores como cobre e tungstênio.
Enfrentando desafios na fabricação de aditivos metálicos
A impressão 3D de steel, especialmente a fusão a laser em leito de pó (LPBF), transformou o cenário da manufatura ao permitir a produção de componentes complexos e personalizados que os métodos tradicionais muitas vezes têm dificuldade para alcançar. No entanto, um problema constante é a elevada refletividade de certos metais, como o cobre, que pode dificultar a absorção de energia durante o processo de impressão. Esta ineficiência não afeta apenas a qualidade de impressão, mas também aumenta o consumo de energia, levando a custos operacionais mais elevados e potenciais danos à máquina.
Para resolver esse problema, uma equipe de cientistas do LLNL, da Universidade de Stanford e da Universidade da Pensilvânia introduziu uma abordagem inovadora chamada ataque químico úmido. Esta técnica modifica a superfície dos pós metálicos criando texturas em nanoescala, permitindo-lhes absorver mais energia durante o processo de fusão a laser. O estudo, publicado na Science Advances, relata que este método aumentou a absortividade de pós metálicos em até 70%.
O processo de corrosão úmida e seu impacto
O processo envolve a imersão de pós metálicos, como cobre e tungstênio, em uma solução especialmente formulada que take away seletivamente o materials da superfície. Isso resulta na formação de sulcos e texturas em nanoescala, aumentando a capacidade do pó de absorver a luz laser. A equipe usou técnicas avançadas de imagem, como nanotomografia de raios X síncrotron, para visualizar as características da superfície dos pós e modelar com precisão como essas modificações influenciam a transferência de energia durante a impressão 3D.
A capacidade de absorção aprimorada permite um uso mais eficiente de energia durante a impressão, o que é especialmente benéfico para materiais como o cobre, que são tradicionalmente difíceis de trabalhar. “Nosso método aumenta a absortividade do cobre sem comprometer suas propriedades desejáveis, como alta condutividade térmica e elétrica”, disse Philip DePond, co-autor principal e cientista de materiais do LLNL. “Demonstramos que as interações laser-pó se estendem além da poça de fusão, o que pode ser vantajoso para o processo de impressão.”
Ganhos de eficiência e fabricação sustentável
A melhor capacidade de absorção dos pós metálicos é um passo significativo para a redução do consumo de energia na fabricação. Os pesquisadores descobriram que, usando menos energia, poderiam imprimir componentes de cobre e tungstênio de alta pureza com densidades relativas de até 99%. Isto não só melhora a qualidade das peças impressas, mas também minimiza o impacto ambiental do processo de fabricação, reduzindo a energia necessária para a produção.
Por exemplo, a equipe conseguiu imprimir estruturas de cobre usando menos de 100 J/mm³ de energia, faixa normalmente usada para materiais como titânio e aço inoxidável. O tungstênio, que geralmente requer alto consumo de energia, foi impresso usando cerca de 700 J/mm³, um terço menos energia do que os métodos tradicionais.
“Essa inovação abre novas possibilidades para as indústrias imprimirem cobre sem a necessidade de máquinas caras e personalizadas”, explicou DePond. “Isso reduz a barreira de entrada para os produtores, tornando a fabricação de aditivos metálicos mais acessível e econômica.”
Amplas implicações para a indústria
A capacidade de imprimir com energia reduzida e maior precisão poderá ter um impacto imediato em diversas indústrias. De acordo com Dan Flowers, líder do Programa de Segurança Energética do LLNL, este método pode beneficiar aplicações que vão desde trocadores de calor até tecnologias de energia limpa. “A impressão eficiente de cobre pode apoiar o desenvolvimento de tecnologias de descarbonização e avançar a nossa missão energética de baixo carbono”, observou Flowers.
Olhando para o futuro, os pesquisadores estão interessados em explorar como esta técnica poderia melhorar a mistura de pós com diferentes requisitos de energia para fusão. Eles também planejam continuar otimizando o processo para permitir a produção de peças metálicas ainda mais complexas e duráveis.
A nova técnica de gravação a úmido marca um grande passo no desenvolvimento de tecnologias de impressão 3D metálicas sustentáveis e eficientes, transformando potencialmente a maneira como as indústrias produzem componentes de alto desempenho com materiais desafiadores.
Para leitura adicional, você pode encontrar o artigo completo intitulado: “Pós nanotexturizados de alta absortividade para fabricação aditiva” no ciência.org.