O impacto da impressão 3D de metais nas técnicas tradicionais de fabricação de metais

O artigo em análise discute como a impressão 3D de metal produz novas técnicas de metal com impactos em métodos como fundição, usinagem e conformação. A TI também contará como o metal através da impressão 3D personalizada e fornecer uma avaliação geral de seu impacto sobre a cadeia de suprimentos e o custo, as aplicações, as vantagens em relação aos métodos tradicionais e as desvantagens.

O impacto da impressão 3D de metais nas técnicas tradicionais de fabricação de metais

Tecnologia de impressão em metal

Chamamos a tecnologia de impressão 3D em metal simplesmente de manufatura aditiva de metais. Ela se refere ao processo de criação de objetos de metal por meio de uma técnica de fabricação de camadas aditivas. Alguns aspectos importantes a saber sobre a tecnologia de impressão de metais:

Processos: Os processos comuns de impressão 3D de metal são a fusão seletiva a laser (SLM), a sinterização direta a laser de metal (DMLS) e a fusão por feixe de elétrons (EBM). Esses processos funcionam fazendo com que várias camadas finas de pó metálico derretam e se fundam para formar o objeto sólido final.

Materiais: Os materiais utilizados podem ser aço inoxidável, alumínio, titânio, ligas de níquel, cobre, ligas de cobalto-cromo, entre outros. A variedade está crescendo à medida que a atividade está melhorando.

Como funciona: Essa técnica envolve o uso de laser ou feixe de elétrons, por meio do qual camadas de pó metálico ou fio são submetidas à energia e unidas para formar o design planejado. Cada camada subsequente adere solidamente à camada anterior para formar a peça final, camada por camada.

Principais processos de impressão 3D em metal

Os métodos mais conhecidos de impressão em metal 3D usados atualmente são SLM - fusão seletiva a laser, DMLS - sinterização direta de metal a laser e EBM - fusão por feixe de elétrons. No caso do SLM e do DMLS, o processo consiste em usar o feixe de laser para derreter o pó metálico, enquanto no EBM as camadas de pó são derretidas por meio de um feixe de elétrons. A fusão de múltiplos jatos também é usada para a sinterização seletiva a laser. Ela está melhorando à medida que imprime mais rapidamente e é capaz de combinar diferentes materiais durante o processo de impressão.

Materiais de impressão 3D em metal

Os materiais usados na impressão 3D de metal são aço inoxidável, alumínio, ligas de níquel, titânio e cobre. A escolha dos materiais está se expandindo à medida que a tecnologia se desenvolve para atender a mais necessidades e solicitações industriais.

Técnicas de fabricação

Métodos tradicionais de fabricação de metais

Antes do surgimento da manufatura aditiva, as técnicas comuns para moldar o estoque de metal bruto incluíam processos de usinagem, como torneamento, fresamento e retificação; técnicas de conformação, como estampagem, dobra e fiação; e fundição de metal fundido em moldes. Esses métodos subtrativos e formativos removem ou moldam o material a granel para fabricar peças em grandes volumes, mas são limitados pelas geometrias e designs que podem produzir.

Usinagem CNC

A usinagem CNC (controle numérico computadorizado) utiliza ferramentas de corte acopladas a máquinas de múltiplos eixos para remover o excesso de material de peças de metal com base em instruções programadas de código G. Embora ofereça precisão, Usinagem CNC gera resíduos de cavacos e é melhor para a produção de perfis básicos do que para características internas complexas e possibilidades de design leve.

Fundição de metais

As técnicas de fundição, como areia, matriz e fundição de investimento, envolvem o derramamento de ligas metálicas liquefeitas em moldes para solidificar em componentes de forma quase líquida. A fundição produz seções complexas adequadas para produção de baixo a médio volume, mas envolve custos de fabricação de moldes.

Conformação de chapas metálicas

Processos como puncionamento, estampagem, dobra e fiação moldam chapas e placas de metal em peças por meio de forças de compressão aplicadas entre as ferramentas. A conformação em massa fabrica peças idênticas com eficiência, mas tem limitações de design em comparação com os recursos de impressão em metal 3D.

Impacto na fabricação

Cadeias de suprimentos mais curtas

Guia para impressão 3D simplifica as cadeias de suprimentos ao integrar vários estágios de fabricação em um único processo. Não há mais a necessidade de etapas intermediárias, como trabalho a quente/frio, corte, união ou montagem. As peças podem ser produzidas sob demanda onde quer que haja impressão de metal 3D e suprimentos de pó, reduzindo os longos prazos de fabricação e a necessidade de estoques de segurança.

Redução do desperdício e do uso de materiais

Ao depositar apenas o material preciso onde necessário, camada por camada, a impressão 3D de metal minimiza o desperdício em comparação com as técnicas subtrativas que removem o excesso de material em massa. Peças de densidade quase total requerem 5-10% menos material do que as peças tradicionais e até 97% de pó metálico podem ser reutilizados. Isso diminui a energia e os custos, além de reduzir o impacto ambiental.

Custos mais baixos para produção personalizada e em pequenos lotes

Os altos custos fixos das fábricas tradicionais de manufatura em massa são evitados com as impressoras 3D de metal que têm requisitos de CapEx mais baixos. Isso torna a manufatura aditiva atraente para a produção de baixo volume, uma vez que os custos por peça não aumentam significativamente para componentes não padronizados ou personalizados. A produção de séries tão pequenas quanto uma é acessível.

Maior liberdade de projeto e geometrias complexas

As técnicas aditivas impõem menos restrições geométricas ao design da peça em comparação com a usinagem subtrativa ou com os recursos de impressão de metal 3D do processo formativo. Estruturas intrincadas de treliça interna, canais de resfriamento conformes e implantes específicos para pacientes são possíveis sem limites de ferramentas. O peso leve pode ser otimizado para resistência.

Aplicações de impressão em metal

Indústria aeroespacial

A impressão 3D em metal permite que os fabricantes de aeronaves e espaçonaves produzam componentes cada vez mais complexos e de baixo volume, como lâminas de turbina e trocadores de calor. Peças com projetos otimizados que reduzem o peso proporcionam desempenho significativo e economia de combustível. As ligas de titânio e níquel são comumente usadas para atender a especificações mecânicas rigorosas.

Indústria automotiva

Os esportes automobilísticos e os veículos de alto padrão são os primeiros a adotar peças de impressão em metal 3D para aplicações como componentes de motor, devido aos benefícios de velocidade e personalização. Os fabricantes de automóveis de produção em massa também estão investigando oportunidades, como escudos térmicos que utilizam estruturas de treliça leves. As ligas de alumínio são materiais populares.

Setor médico

A produção regulamentada de implantes, próteses e ferramentas cirúrgicas biocompatíveis em titânio e ligas de cobalto-cromo está bem estabelecida. Os dispositivos personalizados melhoram os resultados para os pacientes e a relação custo-benefício em comparação com as alternativas disponíveis no mercado.

Outros setores

A fabricação aditiva usando metais como o aço inoxidável se expande para setores que incluem maquinário industrial, petróleo/gás, defesa e geração de energia. As aplicações especiais aproveitam a liberdade de design, enquanto a fabricação geral explora as eficiências de custo em relação à produção tradicional.

Comparação de processos

Vantagens da impressão 3D em metal

A manufatura aditiva permite maior complexidade geométrica, otimização do projeto e fabricação personalizada em comparação com as técnicas subtrativas. A simplificação da cadeia de suprimentos e a redução de resíduos diminuem os custos, enquanto a escalabilidade da produção beneficia volumes baixos a médios. São possíveis estruturas complexas de treliça interna.

Limitações da impressão 3D em metal

As propriedades mecânicas podem variar de acordo com a orientação da construção. Às vezes, o pós-processamento é necessário. Os custos mais altos do material e os tempos de construção mais longos do que a produção em massa limitam as aplicações. As peças grandes podem exceder as dimensões da impressora. Há menos classes de metal disponíveis em comparação com as ligas forjadas padrão.

Quando usar a manufatura tradicional versus a manufatura aditiva

A fabricação tradicional mantém vantagens para componentes padronizados de alto volume por meio de economias de escala. A fundição complexa é viável para peças especializadas grandes e de baixo volume. A seleção do processo ideal depende do projeto/material da peça, da escala/frequência de produção e do fato de a geometria padrão/personalizada afetar a abordagem de fabricação. Muitas vezes, os dois métodos são integrados nos setores.

Integração de tecnologia

Combinação de métodos tradicionais e aditivos

Em vez de substituir as técnicas antigas, Impressão 3D em prototipagem integra-se aos ecossistemas de fabricação. A fundição de forma quase líquida fornece estoque para usinagem CNC. Os moldes impressos produzem peças fundidas de forma convencional. Os métodos subtrativos completam peças impressas semiacabadas que exigem tolerâncias rígidas. Os processos híbridos aproveitam as vantagens dos respectivos métodos para obter resultados multimateriais e de vários atributos.

Terceirização para fabricantes especializados

Embora os grandes OEMs incorporem recursos internos de impressão de metal 3D, muitos fornecedores se beneficiam da terceirização de trabalhos de aditivo de metal. Os fabricantes contratados oferecem acesso econômico à fabricação avançada sem grandes custos. investimento de capital. Os parceiros oferecem suporte ao desenvolvimento de aplicativos, otimização da produção, pós-processamento, testes e serviços de certificação. Os clientes se concentram em suas competências essenciais, enquanto os especialistas garantem a conformidade técnica e regulamentar para o lançamento de novos produtos

Conclusão

A integração da impressão de metal 3D na fabricação convencional está ganhando impulso à medida que ambas as tecnologias continuam a evoluir rapidamente. Embora a fabricação tradicional continue sendo importante para a produção de alto volume, as vantagens que a manufatura aditiva oferece em relação à complexidade do projeto, à eficácia da cadeia de suprimentos e aos componentes personalizados de baixo volume garantem que ela encontre um papel estabelecido em todos os setores.

À medida que as melhorias no material e na velocidade reduzem os custos da tecnologia, a impressão 3D em metal competirá cada vez mais com a usinagem tradicional, não apenas para protótipos, mas também para peças de produção de uso final. Os benefícios complementares de ambas as abordagens de fabricação também terão maior uso combinado por meio de soluções automatizadas híbridas. Em última análise, a capacidade revolucionária da manufatura aditiva de transformar os fluxos de trabalho de projeto e manufatura impulsionará sua crescente influência nos futuros padrões do setor e na competitividade global.

Perguntas frequentes

Quais materiais podem ser usados para impressão 3D em metal?

Os materiais comuns incluem aço, alumínio, titânio, superligas de níquel e cobre. Uma variedade cada vez maior de ligas metálicas está sendo avaliada e otimizada para processos aditivos.

Quanto tempo leva para imprimir uma peça de metal em 3D?

Os tempos de impressão variam significativamente com base em fatores como material, tamanho da peça e tipo/configurações da impressora. Peças simples podem levar algumas horas, enquanto projetos mais complexos podem exigir vários dias para concluir a construção camada por camada.

É necessário pós-processamento para metais impressos em 3D?

Alguns tipos de pós-processamento, como limpeza, tratamento térmico ou usinagem, podem ser necessários para atingir as propriedades dimensionais e mecânicas finais. Normalmente, a remoção da estrutura de suporte também é necessária.

Quais setores usam peças metálicas impressas em 3D?

Os principais setores incluem aeroespacial, saúde, automotivo, equipamentos industriais e produtos de consumo. Aplicações especializadas são encontradas nos setores de defesa, petróleo/gás, marítimo e outros.

Como os custos da impressão 3D de metal se comparam aos da fabricação tradicional?

Para pequenos lotes e projetos complexos e personalizados, a manufatura aditiva costuma ser mais econômica. Volumes de produção maiores geralmente favorecem as técnicas convencionais devido às suas economias de escala.