Poder da manufatura híbrida de metais: Aproveitamento da impressão 3D e dos métodos tradicionais

A manufatura híbrida de metal integra processos aditivos e subtrativos para otimizar o design e a produção de peças de metal. Este artigo detalha como a combinação de impressão 3D, usinagem, conformação e muito mais permite novos designs em setores que buscam componentes metálicos complexos e personalizados com propriedades aprimoradas.

Fabricação de metais híbridos: Combinação de técnicas tradicionais e técnicas

Uma nova abordagem para a fabricação

A fabricação convencional de metais híbridos está sendo transformada pela possibilidade de que os metais Impressão 3D e a manufatura aditiva possuem, no qual permitem o desenvolvimento de novas formas não utilizadas na manufatura. No entanto, essas novas técnicas também são limitadas quanto ao tamanho e à complexidade da construção, à resolução possível e às características do material.

Combinando o melhor dos dois mundos

A abordagem proposta é usar a manufatura aditiva em sinergia com as técnicas convencionais de metalurgia. Estruturas internas complexas podem ser Peças impressas em 3D em volumes de construção maiores. Superfícies externas complexas podem ser usinadas com alta precisão. Diferentes ligas com propriedades otimizadas podem ser unidas.

Essa abordagem híbrida abre novas funcionalidades e melhora o desempenho das peças. Etapas complexas de montagem podem ser reduzidas ou eliminadas por meio do design integral. Componentes mais leves e de alta resistência economizam custos de material e melhoram a sustentabilidade.

O futuro da fabricação de metais híbridos está na combinação eficaz dessas técnicas com base nos requisitos específicos das peças. Tanto os pesquisadores quanto as indústrias estão explorando ativamente novos fluxos de trabalho híbridos para levar a fabricação de metais ao próximo nível.

Histórico e definições

Este documento define a manufatura aditiva (AM), também conhecida como impressão 3D, como tecnologias que envolvem a criação de peças tridimensionais por meio de processos que constroem camadas de material. No caso da AM de metal, isso significa derreter o material com um laser de alta potência ou feixe de elétrons e, ao mesmo tempo, unir os pós metálicos em um processo de camada por camada. As práticas convencionais de trabalho com metal incluem as operações mecânicas, como corte, dobra e perfuração. Os processos de fabricação, como fundição, forjamento, dobra, entre outros, caracterizam a modelagem do metal por meio de moldagem ou pressão mecânica. Técnicas de união, como soldagem e solda, fundem peças metálicas separadas.

A manufatura híbrida de metal combina estrategicamente esses métodos aditivos e tradicionais. A AM é usada para geometrias internas complexas ou estruturas de treliça leves que não são viáveis com outros métodos. A usinagem tradicional fornece as superfícies de alta precisão e as tolerâncias rigorosas necessárias. As ligas usadas em aplicações automotivas, como alta resistência e alta resistência à corrosão, podem ser combinadas sem esforço. Essa integração de abordagens aproveita o melhor de cada método e, ao mesmo tempo, supera seus efeitos, produzindo, assim, produtos funcionais, de alto desempenho e econômicos para uso em aeroespacial, eletrônicos, médicoe outros setores.

Motivação para a fabricação híbrida

Há várias motivações importantes para a adoção de técnicas de fabricação de metais híbridos:

• Ele permite a produção de peças e componentes com geometrias complexas que não são possíveis apenas com os métodos tradicionais.
• As características internas podem ser otimizadas para requisitos de resistência, leveza ou funcionais por meio de técnicas aditivas.
• A precisão e as tolerâncias mais rigorosas para superfícies externas e peças móveis exigem recursos tradicionais de usinagem.
• É possível unir diferentes materiais metálicos otimizados para várias aplicações, como ligas com alta resistência ou resistência à corrosão.
• Em geral, ele permite o projeto e a produção de estruturas com funcionalidade aprimorada a um custo menor em comparação com os métodos tradicionais.
• Escopo da revisão

Esta análise fornecerá uma visão geral das pesquisas e aplicações atuais da fabricação de metais híbridos. Ela delineará algumas das principais técnicas aditivas e tradicionais que estão sendo combinadas em novos fluxos de trabalho inovadores. Também serão analisados alguns exemplos da combinação de diferentes metodologias para a fabricação de peças metálicas complexas para setores como o aeroespacial e a biomedicina. As limitações dessa visão e alguns dos problemas que podem ser encontrados no decorrer de sua implementação também serão destacados.

O objetivo desta revisão é apresentar não apenas o estado atual da arte na próxima geração de fabricação de metais híbridos, mas também discutir os desenvolvimentos futuros que podem ser permitidos pelos métodos híbridos que serão discutidos neste documento.

Classificação da fabricação híbrida

Há várias classificações principais de fabricação de metal híbrido com base nos estágios integrados às técnicas tradicionais:

• Os híbridos de pós-processamento usam métodos subtrativos, como a usinagem, para melhorar o acabamento da superfície de peças fabricadas aditivamente.
• Os híbridos de forma quase líquida visam reduzir os tempos de espera de aditivos por meio da modelagem tradicional inicial antes da impressão 3D de detalhes finos.
• Os híbridos multimateriais unem diferentes ligas fabricadas por AM com propriedades diferentes.
• Os híbridos tolerados aproveitam a precisão da fresagem ou do torneamento para usinar as pré-formas de AM de acordo com os desenhos técnicos.
• Os híbridos de topologia otimizam as estruturas internas por meio da AM e da união tradicional dessa arquitetura.
• Tecnologias de fabricação de metais híbridos

Cronograma de desenvolvimento

Tendo sua origem em 1980, a AM de metal percorreu um longo caminho. As primeiras tecnologias envolviam SLS e impressão 3D de metais com ligantes de polímeros interconectados. A modernização da fusão de leito de pó e da deposição de energia direcionada foi comercializada nos anos 2000. Os últimos anos possibilitaram a AM de ligas de alto desempenho, bem como a impressão multimaterial e impressão 3D multimaterial.

Classificação dos processos de AM

Há dois subgrupos gerais de técnicas de AM de metal: fusão de leito de pó e processos de deposição de energia direcionada. Nos processos de fusão de leito de pó, os pós metálicos são unidos pela aplicação de camadas sucessivamente finas de pós metálicos por meio de energia térmica, como lasers ou feixes de elétrons. Novas camadas de pó são depositadas e, em seguida, fundidas. A deposição de energia direcionada direciona a energia térmica focada (laser ou feixe de elétrons) para fundir materiais (pó ou fio) à medida que são depositados camada aditiva sobre camada.

Processos de fusão em leito de pó

A fusão seletiva a laser (SLM) e a fusão por feixe de elétrons (EBM) são as duas abordagens fundamentais do processo de fusão em leito de pó. No SLM, um laser simplesmente varre o leito de pó para fundir uma determinada partícula a outra partícula. No EBM, os pós metálicos são bem fundidos e fundidos usando um feixe de elétrons focalizado. Os componentes podem ser construídos a partir de níveis hierárquicos variáveis de dados de modelos 3D de forma laminar.

Processos de deposição de energia direcionada

Os processos de deposição de energia direcionada (DED) incluem a modelagem de rede projetada a laser (LENS) e a fabricação de forma livre de feixe de elétrons. A modelagem por deposição fundida Uma fonte de energia térmica é usada para fundir materiais (por exemplo, fio ou pó de metal) à medida que são depositados. O processo permite reparos ou fabricação de metal híbrido por meio da deposição de materiais em uma peça existente. As peças são construídas diretamente, sem a necessidade de estruturas de suporte.

Manufatura aditiva híbrida com várias fontes de energia térmica

Tem havido um interesse crescente em abordagens híbridas de AM que aproveitam várias fontes de energia térmica focadas, como lasers e feixes de elétrons. Isso permite combinar as vantagens de diferentes interações entre energia e material.

GMA-DED / PA-DED assistido por laser

O GMAW-DED ou PAW-DED utiliza um arco de metal a gás ou corte a plasma para depositar o material de solda. Um laser coaxial fornece aquecimento localizado adicional para aumentar a taxa de deposição e o controle. Isso melhora a deposição de ligas reativas e permite a deposição de materiais diferentes.

GTA-DED assistido por laser

O GTAW-DED usa uma tocha de soldagem a arco de gás tungstênio para a deposição de material. Um laser fornece aquecimento suplementar à piscina de solda para melhorar o controle da geometria. Isso facilita a AM de ligas difíceis de soldar com alta condutividade, como o cobre.

Análise e desafios

A utilização de entradas duplas de energia cria mais flexibilidade no projeto, mas introduz complexidade em termos de controle e otimização do processo. Fatores como acoplamento de energia, sequenciamento e posicionamento devem ser considerados. As tensões residuais e a distorção do aquecimento de várias fontes também exigem análise. O trabalho futuro visa a caracterizar totalmente o desempenho do material a partir dessas abordagens avançadas de fabricação de metal híbrido.

Manufatura aditiva híbrida com processos de remoção de material

A integração da remoção de material com a fabricação de metal híbrido expande o espaço de design e melhora a qualidade da peça. Normalmente, isso é feito após a deposição, mas também pode ser incorporado no meio da construção.

Integração durante a sequência de fabricação

Uma abordagem comum envolve a usinagem de desbaste de um substrato ou placa de base antes da AM. Isso estabelece a geometria inicial da peça e as superfícies de fixação para uma fixação segura durante a deposição subsequente.

Como alternativa, as "pré-formas" iniciais de recursos essenciais podem ser construídas de forma aditiva e, em seguida, modeladas com ferramentas subtrativas. Por exemplo, canais de resfriamento complexos podem ser desbastados por deposição de metal a laser antes da usinagem de acabamento para as dimensões finais.

Algumas tecnologias, como a manufatura de deposição de formas (SDM), usam a fresagem entre as camadas de deposição vertical. Isso refina as superfícies inclinadas e ásperas e preserva a precisão da posição para a próxima deposição.

O trabalho também visa a desenvolver recursos de usinagem em processo. Um cabeçote de ferramenta retrátil poderia limpar estruturas de suporte durante a construção ou modificar a trajetória de deposição e a geometria em tempo real.

Desafios e soluções

A integração da remoção de material pode causar danos ou degradação do material depositado. Tecnologia de corte a laser Os lubrificantes e os líquidos de arrefecimento devem ser cuidadosamente selecionados para não reagir com as ligas ou enfraquecê-las.

A robustez da fixação é fundamental para localizar com precisão as peças para pós-usinagem. As abordagens durante o processo exigem sistemas de vários cabeçotes bem coordenados. As tensões residuais do aquecimento e resfriamento localizados complicam ainda mais a estabilidade das peças.

Para resolver isso, muitos processos de fabricação de metal híbrido empregam métodos de usinagem sem contato, como ablação ultrassônica ou a laser, para evitar tensões mecânicas. O monitoramento do processo em tempo real também permite o controle de feedback das várias etapas de fabricação.

Manufatura aditiva híbrida de metal com processos de conformação

Processos de tratamento térmico

As peças fabricadas de forma aditiva geralmente passam por tratamentos térmicos de solubilização e recozimento para aliviar as tensões internas e refinar as estruturas de grãos. Algumas técnicas de fabricação de metal híbrido integram tratamentos térmicos localizados diretamente no processo de AM.

Por exemplo, a deposição direta de metal assistida por laser pode solucionar imediatamente o material na região da poça de fusão à medida que ele se solidifica. Isso melhora a resistência ao escoamento e resolve problemas como a fragilização.

HIP e trabalho a frio

A prensagem isostática a quente (HIP) densifica materiais porosos conforme depositados para densidades próximas às teóricas, melhorando as propriedades. Algumas abordagens usam a HIP no meio da construção para densificar seletivamente áreas como regiões de suporte de carga, preservando as estruturas de rede.

A laminação a frio, o shot peening e outros tratamentos de superfície também são incorporados para proporcionar benefícios de endurecimento por trabalho sem introduzir a distorção do processamento em massa.

Integração com processos de formação de massa

Forjamento

A forja de matriz aberta ou fechada é usada para consolidar e deformar pré-formas formadas aditivamente em componentes de forma líquida ou quase líquida. Os projetos iniciais de AM otimizam a colocação de material para uma formação eficaz sem defeitos.

Dobrar e girar

As técnicas de laminação de chapas ou de deposição linear permitem a formação de peças cilíndricas ou cônicas de fabricação de metais híbridos por meio de operações posteriores de fiação ou dobra, como a formação de fluxo.

Integração com processos de formação de chapas

O material em folha com heterogeneidades projetadas pode ser processado aditivamente e, em seguida, formado em formas 3D complexas usando métodos convencionais de estampagem ou hidroformação. A rigidez graduada obtida por meio da padronização aditiva melhora a ductilidade da formação.

Integração com processos de união por conformação

A AM baseada em extrusão permite a união e a modelagem de subconjuntos de manufatura de metal híbrido semelhantes a forjamento. Os perfis iniciais podem ser depositados de forma aditiva e, em seguida, unidos e consolidados continuamente usando calor e compressão localizados. Isso produz complexos estruturas metálicas integradas.

Conclusão

A manufatura híbrida de metais é um campo em rápida evolução que aproveita os pontos fortes das técnicas aditivas e tradicionais de usinagem de metais. Ao integrar estrategicamente diferentes processos em vários estágios da produção de componentes, os fabricantes podem criar peças metálicas geometricamente complexas com desempenho otimizado. A liberdade de design personalizado e as propriedades dos materiais que podem ser obtidas por meio de fluxos de trabalho híbridos continuam a expandir o potencial de aplicação de produtos metálicos fabricados.

No entanto, ainda é necessário um maior desenvolvimento para que os recursos dessa abordagem sejam totalmente aproveitados. Mais pesquisas sobre sincronização de vários cabeçotes, metodologia de controle de processos para entradas combinadas e soluções robustas de fixação podem aumentar a qualidade das peças e a repetibilidade da fabricação. Novas formulações de ligas metálicas e procedimentos de tratamento térmico também podem ser necessários para atender à demanda de rotas de processamento integradas. Os padrões devem continuar a ser desenvolvidos para qualificar as peças de fabricação de metais híbridos para setores críticos.

Perguntas frequentes

P: Quais são alguns fluxos de trabalho comuns de manufatura híbrida?

R: As abordagens comuns incluem a fabricação híbrida de metal de núcleos e inserções complexas em conjunto com a usinagem tradicional de superfícies externas, camadas aditivas de diferentes ligas unidas por soldagem e integração de formação, tratamento térmico ou união com pré-formas impressas em 3D.

P: Quais são as vantagens da fabricação híbrida?

R: Permite otimizar o projeto de peças para várias técnicas de fabricação de metal híbrido, melhorando as propriedades por meio da integração de multimateriais, reduzindo as etapas de montagem e obtendo tolerâncias mais rígidas em comparação com abordagens exclusivamente aditivas.

P: Quais são os desafios existentes na fabricação híbrida?

R: A integração de diversos processos pode causar danos ou degradação, as tensões residuais do aquecimento/resfriamento em várias etapas são complexas de serem tratadas e os sistemas de vários cabeçotes firmemente sincronizados exigem refinamento do controle do processo.

P: Quais setores estão adotando técnicas híbridas?

R: Os principais setores incluem aeroespacial, saúde, automotivo e energia, nos quais os requisitos de resistência, complexidade e personalização impulsionam métodos inovadores de fabricação de metal.