Na impressão 3-D, tensão residual pode se acumular nas peças durante o processo de impressão devido à expansão do material aquecido e à contração do material frio, gerando forças que podem distorcer a peça e causar rachaduras que podem enfraquecer ou rasgar uma peça em pedaços, especialmente em metais.

Pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) e da Universidade da Califórnia, Davis está resolvendo o problema usando diodos de laser - lasers de alta potência emprestados de tecnologia criada para o National Ignition Facility (NIF) do LLNL - para aquecer rapidamente as camadas impressas durante uma construção. A nova técnica, descrito em um artigo publicado online pela revista Additive Manufacturing, resultou na redução da tensão residual efetiva em peças de teste impressas em 3-D de metal em 90 por cento, permitindo que os pesquisadores reduzam o gradiente de temperatura (a diferença entre os extremos quentes e frios) e controlem as taxas de resfriamento.

"Em metais, é muito difícil superar essas tensões, "disse o principal autor do artigo, John Roehling." Tem havido muito trabalho tentando fazer coisas como mudar a estratégia de digitalização para redistribuir as tensões residuais, mas basicamente nossa abordagem era nos livrar deles enquanto construímos a peça, então você não tem nenhum desses problemas. Usando essa abordagem, podemos efetivamente nos livrar das tensões residuais a ponto de não haver mais falhas nas peças durante a construção. "

Para efeitos do estudo, O engenheiro e co-autor do LLNL Will Smith construiu pequeno, estruturas semelhantes a pontes de aço inoxidável 316L usando o processo de fusão de leito de pó a laser (LPBF). Ele deixou cada camada solidificar antes de iluminar suas superfícies com os diodos, inicialmente na potência máxima e imediatamente diminuindo a intensidade por um período de 20 segundos. O resultado foi semelhante a colocar a peça em uma fornalha após cada camada, à medida que as temperaturas da superfície atingiram cerca de 1, 000 graus centígrados (1, 832 graus Fahrenheit).

As peças acabadas, com suas pernas grossas e seção saliente fina, permitiu que os pesquisadores medissem quanta tensão residual foi aliviada cortando uma das pernas e analisando o quanto a seção saliente mais fraca se moveu. Quando os diodos foram usados, a ponte não desviou mais, pesquisadores disseram.

"Construir as peças era semelhante ao funcionamento de uma impressora 3-D de metal normal, mas a parte nova de nossa máquina é que usamos um laser secundário que se projeta sobre uma área maior e que pós-aquece a peça depois - ele aumenta a temperatura rapidamente e a esfria lentamente de forma controlada, "Disse Smith." Quando usamos os diodos, vimos que houve uma tendência na redução da tensão residual, e isso comparado ao que é feito tradicionalmente pelo recozimento de uma peça em um forno depois. Este foi um bom resultado, e foi promissor quanto à eficácia de nossa técnica. "

A abordagem é um desdobramento de um projeto anterior em que diodos de laser, desenvolvido para suavizar lasers em NIF, foram usados ​​para imprimir camadas inteiras de metal em 3-D de uma só vez. É melhor que outros métodos comuns para reduzir a tensão residual em peças de metal, como alterar a estratégia de digitalização ou usar uma placa de impressão aquecida, Roehling disse. Porque a abordagem aquece de cima, não há limite para a altura que as partes podem ter.

Em seguida, os pesquisadores realizarão um estudo mais aprofundado, voltando sua atenção para o aumento do número de camadas por ciclo de aquecimento para ver se eles podem reduzir a tensão residual no mesmo grau, tente partes mais complexas e use técnicas mais quantitativas para obter uma compreensão mais aprofundada do processo.

"Essa tecnologia é algo que pode ser ampliado, porque agora estamos projetando em uma área relativamente pequena e ainda há muito espaço para melhorias, "Disse Smith." Adicionando mais lasers de diodo, poderíamos adicionar mais área de aquecimento se alguém quisesse integrar isso em um sistema com uma área de impressão maior. "

Mais importante, Roehling disse, os pesquisadores explorarão o controle das transformações de fase na liga de titânio (Ti64). Tipicamente, ao construir com Ti64, a transformação de fase faz com que o metal se torne extremamente frágil, fazendo com que as peças quebrem. Se os pesquisadores pudessem evitar a transformação resfriando a peça lentamente, poderia tornar o material dúctil o suficiente para atender aos padrões aeroespaciais, Roehling disse, acrescentando que os resultados preliminares são promissores.