Por milênios, os metalúrgicos têm aprimorado meticulosamente os ingredientes do aço para aprimorar suas propriedades. Como resultado, várias variantes de aço existem hoje; mas um tipo, chamado aço martensítico, se destaca de seus primos siderúrgicos por ser mais resistente e de produção mais econômica. Portanto, os aços martensíticos naturalmente se prestam a aplicações no setor aeroespacial, indústrias automotivas e de defesa, entre outros, onde de alta resistência, peças leves precisam ser fabricadas sem aumentar o custo.

Contudo, para esses e outros aplicativos, os metais devem ser construídos em estruturas complexas com perda mínima de resistência e durabilidade. Pesquisadores da Texas A&M University, em colaboração com cientistas do Laboratório de Pesquisa da Força Aérea, desenvolveram agora diretrizes que permitem a impressão 3-D de aços martensíticos em materiais muito resistentes, objetos sem defeitos de quase qualquer formato.

"Aços fortes e tenazes têm aplicações tremendas, mas os mais fortes geralmente são caros - a única exceção são os aços martensíticos que são relativamente baratos, custando menos de um dólar por libra, "disse o Dr. Ibrahim Karaman, Chevron Professor I e chefe do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais. "Desenvolvemos uma estrutura para que a impressão 3-D desses aços duros seja possível em qualquer geometria desejada e o objeto final seja virtualmente livre de defeitos."

Embora o procedimento desenvolvido fosse inicialmente para aços martensíticos, pesquisadores da Texas A&M disseram que tornaram suas diretrizes gerais o suficiente para que a mesma linha de impressão 3-D possa ser usada para construir objetos intrincados de outros metais e ligas também.

Os resultados do estudo foram publicados na edição de dezembro da revista. Acta Materialia .

Os aços são feitos de ferro e uma pequena quantidade de outros elementos, incluindo carbono. Os aços martensita são formados quando os aços são aquecidos a temperaturas extremamente altas e, em seguida, resfriados rapidamente. O resfriamento repentino confina anormalmente átomos de carbono dentro de cristais de ferro, dando ao aço martensítico sua força característica.

Para ter diversas aplicações, aços martensíticos, particularmente um tipo chamado de aços martensíticos de baixa liga, precisam ser montados em objetos de diferentes formas e tamanhos, dependendo de uma aplicação específica. É quando a manufatura aditiva, mais comumente conhecido como impressão 3-D, fornece uma solução prática. Usando esta tecnologia, itens complexos podem ser construídos camada por camada, aquecendo e derretendo uma única camada de pó de metal ao longo de um padrão com um feixe de laser afiado. Cada uma dessas camadas unidas e empilhadas cria o objeto final impresso em 3D.

Contudo, Aços martensíticos de impressão 3-D usando lasers podem introduzir defeitos indesejados na forma de poros dentro do material.

"Porosidades são orifícios minúsculos que podem reduzir drasticamente a resistência do objeto final impresso em 3-D, mesmo que a matéria-prima usada para a impressão 3-D seja muito forte, "disse Karaman." Para encontrar aplicações práticas para o novo aço martensítico, precisávamos voltar à prancheta e investigar quais configurações do laser poderiam evitar esses defeitos. "

Para seus experimentos, Karaman e a equipe da Texas A&M escolheram primeiro um modelo matemático existente inspirado na soldagem para prever como uma única camada de pó de aço martensítico derreteria em diferentes configurações de velocidade e potência do laser. Ao comparar o tipo e o número de defeitos observados em uma única faixa de pó derretido com as previsões do modelo, eles foram capazes de alterar ligeiramente a estrutura existente para que as previsões subsequentes melhorassem.

Depois de algumas dessas iterações, sua estrutura poderia prever corretamente, sem a necessidade de experimentos adicionais, se um novo, um conjunto não testado de configurações do laser levaria a defeitos no aço martensítico. Os pesquisadores disseram que esse procedimento é mais eficiente em termos de tempo.

"Testar toda a gama de possibilidades de configuração do laser para avaliar quais podem levar a defeitos é extremamente demorado, e às vezes, mesmo impraticável, "disse Raiyan Seede, um estudante de pós-graduação na Faculdade de Engenharia e o principal autor do estudo. "Combinando experimentos e modelagem, fomos capazes de desenvolver um simples, rápido, procedimento passo a passo que pode ser usado para determinar qual configuração funcionaria melhor para impressão 3-D de aços martensíticos. "

Seede também observou que, embora suas diretrizes tenham sido desenvolvidas para garantir que os aços martensíticos possam ser impressos sem deformidades, sua estrutura pode ser usada para imprimir com qualquer outro metal. Ele disse que esta aplicação expandida ocorre porque sua estrutura pode ser adaptada para coincidir com as observações de experimentos de pista única para qualquer metal.

"Embora tenhamos começado com foco na impressão 3-D de aços martensíticos, desde então, criamos um canal de impressão mais universal, "disse Karaman." Além disso, nossas diretrizes simplificam a arte de imprimir metais em 3-D para que o produto final fique sem porosidades, que é um desenvolvimento importante para todos os tipos de indústrias de manufatura de aditivos de metal que tornam as peças tão simples como parafusos até outras mais complexas, como trens de pouso, caixas de engrenagens ou turbinas. "