Materiais por receita: Kit de pó para maior flexibilidade e diversidade de materiais na impressão 3D

25 de julho de 2022

por Martina Ohle, Sociedade Fraunhofer

A fusão por feixe de laser à base de pó (LPPF) é provavelmente o processo AM mais conhecido e tem grande potencial para aplicações industriais. Mas como contornar a gama limitada de materiais para este processo e expandir ainda mais o potencial do mercado? Esta questão foi abordada pelo IWM da RWTH Aachen University e pelo Fraunhofer IFAM no projeto "LPBF Powder Kit" financiado pela AiF. O resultado foi o desenvolvimento de uma solução sustentável para o processamento individual e robusto de misturas de pós metálicos, de modo que o usuário possa cobrir as propriedades desejadas do material com uma pequena seleção de pós metálicos e ajustar as ligas de maneira flexível.

A impressão 3D permite máxima liberdade de design na construção e produção de componentes. Essas vantagens permitiram que as tecnologias de impressão 3D se tornassem bem estabelecidas em áreas técnicas como automotiva e aeroespacial. No entanto, os diferentes campos de aplicação exigem não apenas a melhor geometria projetada possível, mas também propriedades otimizadas do material. Isto requer um material adequadamente adaptado. No entanto, a investigação sobre materiais para produção aditiva ainda está numa fase inicial. Até agora, os materiais que foram qualificados pelos fabricantes de equipamentos para seus processos foram amplamente processados, a fim de estabelecer os diversos processos de fabricação aditiva na indústria. Esta gama de materiais é bastante pequena e não pode ser comparada em termos de diversidade aos materiais convencionais, que são produzidos principalmente por metalurgia de fusão. Nos processos de fabricação subtrativos convencionais, existem centenas de diferentes aços, ligas de alumínio, ligas de cobalto-cromo resistentes ao desgaste e muito mais para cada aplicação específica. Na impressão 3D, a escolha entre todos os materiais metálicos é limitada a menos de 30 materiais, portanto nem todos os requisitos podem ser atendidos.

A gama de materiais pode ser especificamente ampliada com o "kit de pó LPBF", que consiste, por exemplo, em pós à base de ferro com e sem carbono, cromo, níquel, molibdênio e carboneto de titânio. As propriedades do material frequentemente exigidas incluem, por exemplo, resistência à corrosão, resistência, dureza e condutividade térmica. Muitas ligas de aço consistem nos mesmos elementos, como carbono, cromo e níquel, mas diferem em suas respectivas proporções. O processo desenvolvido inclui a seleção da composição da liga com base no perfil de requisitos específicos do material, a determinação da composição do pó utilizando métodos de simulação termodinâmica e a preparação do pó utilizando processos adaptados de mistura e homogeneização. Os parâmetros ideais do processo são então determinados e o material é qualificado por caracterização microestrutural e teste de propriedades mecânicas. Depois que o pó é misturado, a liga é criada pelo processo subsequente de fusão por feixe de laser. A energia do laser derrete as partículas de pó metálico e cria a liga desejada. No final do processo está o componente acabado com propriedades de material personalizadas.

A primeira aplicação concreta dentro do projeto foi a produção de aços inoxidáveis ​​personalizados resistentes à corrosão para perfis de propriedades especificamente ajustados por meio de liga no "kit de pó LPBF". Durante o trabalho de desenvolvimento, os fatores que influenciam a formação de uma liga com boa resistência à corrosão foram identificados e a qualidade da liga foi testada de maneira orientada para a aplicação. Como resultado, foi demonstrado que a ferramenta resistente à corrosão e os aços duplex ligados no processo LPBF são mais resistentes que o respectivo pó base e que alcançaram as propriedades desejadas. Outra vantagem é oferecida pela possibilidade de ajuste da microestrutura por meio de parâmetros de laser adaptados. Um exemplo disso são os diferentes tamanhos de carbonetos na estrutura dos aços ferramenta. Dependendo da aplicação, são necessários tamanhos diferentes. Com o kit de construção em pó desenvolvido, estes podem ser variados e processados ​​de forma eficiente em componentes homogêneos. Os resultados deste subprojeto podem ser disponibilizados mediante solicitação.