Por que o titânio é adequado para a fabricação de aditivos
O titânio é um dos metais mais utilizados na fabricação aditiva, e o motivo é uma combinação de propriedades que nenhum substituto corresponde ao mesmo peso. O titânio e as ligas à base-de titânio oferecem alta resistência mecânica, uma excelente relação resistência-por{3}}peso e melhor resistência à corrosão do que o aço inoxidável, o que os torna atraentes onde quer que a massa seja cara para transportar. Foguetes e aeronaves mais leves queimam menos combustível e transportam mais carga útil; caixas mais leves tornam os smartphones e telas vestíveis mais fáceis de manusear; e os implantes mais leves comportam-se de forma mais confortável dentro do corpo enquanto ainda transportam carga.
Essas qualidades inerentes são apenas metade da história. Quando o titânio é combinado com a liberdade de projeto da fabricação camada{1}}por{2}}camada, as vantagens aumentam: o material é colocado apenas onde é necessário, a geometria interna complexa torna-se fabricável e peças que de outra forma exigiriam ferramentas, padrões de fundição ou vários componentes unidos podem ser produzidas em uma única operação.
Matéria-prima em pó e as principais rotas de impressão
A fabricação aditiva de metal de titânio é quase sempre um processo-baseado em pó. As duas rotas usadas na produção são a fusão em leito de pó a laser, onde um laser derrete sucessivas camadas finas de pó em uma câmara inerte, e a fusão em leito de pó por feixe de elétrons, onde um feixe de elétrons faz o mesmo trabalho no vácuo em temperatura mais alta. A deposição de energia direcionada, na qual pó ou arame é alimentado em uma poça de fusão em movimento, é usada principalmente para grandes formatos próximos à rede e para reparar ou revestir componentes existentes.
| Rota | Fonte de energia e atmosfera | Tamanho típico de pó | Espessura típica da camada | Uso típico |
|---|---|---|---|---|
| Fusão de leito de pó a laser | Laser de fibra, câmara cheia-de argônio | 15–45 µm | 30–60 µm | Detalhes finos, paredes finas, peças médicas e pequenas peças aeroespaciais |
| Fusão em leito de pó por feixe de elétrons | Feixe de elétrons, vácuo, temperatura de construção elevada | 45–105 µm | 50–70 µm | Peças maiores, menor tensão residual, implantes ortopédicos |
| Deposição de energia dirigida | Laser ou feixe de elétrons com pó ou fio alimentado | 45–150 µm | 0,5–2mm | Grandes formatos próximos{0}}de rede, reparos e revestimentos |
A qualidade da matéria-prima determina a qualidade da peça. O pó de produção é atomizado-com gás para produzir partículas esféricas com química controlada e baixo conteúdo intersticial, porque o oxigênio, o nitrogênio e o hidrogênio captados durante a atomização ou reutilização repetida permanecem na peça acabada e reduzem a ductilidade. O grau 5 (Ti–6Al–4V) e sua variante intersticial extra-baixa-grau 23 (Ti–6Al–4V ELI) dominam o mercado, com graus comercialmente puros usados onde a resistência à corrosão é mais importante do que a resistência.
De onde vem o valor: material, peso e liberdade de design
O titânio é um metal caro, portanto a economia de sua impressão depende do uso de muito menos dele. A impressão em metal consome aproximadamente o volume de material que a peça realmente contém, além de uma quantidade modesta de estrutura de suporte, o que é uma vantagem decisiva sobre a usinagem subtrativa que transforma a maior parte de um tarugo em cavacos. O pó não utilizado é normalmente recuperado, peneirado e requalificado para futuras construções.
Otimização de topologiaremove material de regiões de baixa tensão, produzindo peças rígidas e fortes com uma fração da massa convencional.
Canais internospara resfriamento, a hidráulica ou a pneumática podem ser curvadas e divididas de maneiras que a perfuração e a fundição não conseguem reproduzir.
Estruturas ocas e treliçadasreduz o peso enquanto mantém a rigidez e também pode ajustar a absorção de energia ou o comportamento de{0}crescimento ósseo.
Consolidação de montagenssubstitui diversas peças soldadas ou aparafusadas por um único componente impresso, eliminando juntas.
Produção gratuita de ferramentas-torna econômicos componentes-únicos e de baixo{1}}volume, incluindo implantes, protótipos e hardware de pesquisa-específicos para pacientes.
O curto prazo de entrega é o outro benefício comercial. Sem moldes ou acessórios dedicados, as alterações de projeto são implementadas no software, de modo que uma geometria revisada pode ser impressa e testada em poucos dias, em vez de semanas ou meses necessários para cortar novas ferramentas.
Aplicações em produtos aeroespaciais, médicos, automobilísticos e de consumo
A indústria aeroespacial usa titânio impresso para suportes, motores e componentes estruturais, e para dutos que de outra forma seriam montados a partir de muitas peças; cada quilograma removido de um veículo lançador ou aeronave se traduz diretamente em benefícios de combustível e carga útil. A fabricação médica é a maior área de aplicação em termos de complexidade de peças: implantes cranianos e ortopédicos específicos-do paciente, estruturas porosas projetadas para estimular o crescimento ósseo e instrumentos cirúrgicos que devem ser leves, rígidos e resistentes à corrosão. O automobilismo adota titânio impresso para quadros e componentes de suspensão onde a relação rigidez-/{4}}massa domina, e os produtos eletrônicos de consumo o utilizam para carcaças e quadros estruturais que devem parecer leves e permanecer duráveis. Outros produtos de alto-desempenho seguem a mesma lógica sempre que um pequeno número de peças de alta engenharia justifica o custo da matéria-prima.
Titânio impresso qualificado: padrões e pós{0}}processamento
Uma peça fabricada aditivamente é tão boa quanto seu histórico de qualificação. Como as propriedades finais do material dependem do histórico térmico camada-por{2}}camada, a qualificação abrange o pó, a máquina, os parâmetros de construção e o tratamento térmico como um único processo qualificado e não como variáveis independentes.
Controle de pó- química, distribuição de tamanho de partícula, morfologia, fluidez e conteúdo intersticial verificados no recebimento e após cada ciclo de reutilização.
Qualificação de processo- parâmetros de máquina bloqueados e cupons de teste mecânico construídos juntamente com peças de produção usando os mesmos parâmetros e orientação.
Pós{0}}processamento térmico- recozimento de alívio de tensão-, prensagem isostática a quente para fechar a porosidade interna e tratamento de solução mais envelhecimento onde maior resistência é necessária.
Usinagem e acabamento superficial- suportam remoção, usinagem de interface até limites de tolerância e polimento ou jateamento de superfícies que carregam carga de fadiga ou entram em contato com o corpo.
Estrutura de padrões- padrões de especificação, como ASTM F2924 e ASTM F3001 para fusão em leito de pó de Grau 5 e Grau 23, lidos em conjunto com as especificações de material forjado ASTM F1472, ASTM F136 e ASTM F67 e ISO 5832-3 para aplicação em implantes cirúrgicos.
Verificação final- inspeção dimensional, análise química, testes de tração e dureza e exame radiográfico ou tomográfico para defeitos internos.
Perguntas frequentes
P: Por que o titânio é tão amplamente usado na impressão 3D?
Porque a fabricação aditiva remove a maior parte do desperdício de material e do custo de ferramentas que tornam o titânio caro para usinar, enquanto sua alta relação resistência-/-peso e resistência à corrosão justificam o esforço em produtos aeroespaciais, médicos e de alto-desempenho.
P: Quais tipos de titânio são impressos na produção?
O grau 5 (Ti–6Al–4V) é o carro-chefe, o grau 23 (Ti–6Al–4V ELI) é usado onde são necessárias maior ductilidade e resistência à fratura, e graus comercialmente puros são escolhidos para aplicações orientadas à corrosão-.
P: Quanto material a impressão desperdiça?
Apenas o material contido na peça mais uma estrutura de suporte relativamente pequena é consumido na construção, e o pó restante é normalmente recuperado, peneirado e reutilizado após a requalificação.
P: Quais recursos de design se tornam possíveis com a impressão em titânio?
Canais de resfriamento internos, seções ocas e reticuladas-preenchidas, topologia-caminhos de carga otimizados e geometrias consolidadas de montagens de várias-peças - que não podem ser produzidas apenas por fundição, forjamento ou usinagem.
P: Uma peça impressa de titânio é tão forte quanto uma peça forjada?
Após o pós-processamento térmico correto, as peças impressas Grau 5 e Grau 23 atingem níveis de resistência comparáveis ao material forjado, mas as propriedades devem ser demonstradas por cupons construídos com os mesmos parâmetros, orientação e tratamento térmico das peças de produção.
P: O que limita a adoção mais ampla da impressão 3D em titânio?
Custo da matéria-prima, limitações na taxa de construção, o esforço de qualificar um processo em vez de apenas um material e a necessidade de pós-{0}}processamento, como prensagem isostática a quente e usinagem de interfaces críticas.
