p Uma nova pesquisa conduzida na Advanced Photon Source (APS) mostra que a impressão 3-D de componentes de metal sem os poros que enfraquecem sua integridade estrutural não é apenas possível, mas não precisaria de dispositivos adicionais para realizar. p A grande vantagem da manufatura aditiva é a conveniência de fabricar peças geometricamente complexas. Precisa projetar e construir rapidamente um novo componente de motor para um avião? Abra a impressora 3-D e faça uma. Mas com essa conveniência, muitas vezes vem uma desvantagem:as peças impressas em 3D não são tão duráveis ​​quanto as fabricadas por meio de processos de manufatura tradicionais, e não vai resistir a pressões repetidas ao longo do tempo.

p Uma equipe de cientistas agora pode ter a resposta para esse problema. Melhor ainda, sua descoberta fundamental não requer redesenhar e atualizar as máquinas de impressão 3-D. Os pesquisadores dizem que isso pode ser feito com a tecnologia que já temos.

p Fabricação aditiva, comumente chamada de impressão 3-D, é uma realidade há quase 40 anos. Este processo transforma modelos de computador de, Nós vamos, qualquer coisa em estruturas 3D totalmente realizadas feitas de plástico, metais ou outros materiais. Como parte do processo, Contudo, poros microscópicos encontram seu caminho no produto acabado, enfraquecendo a integridade estrutural. Eliminar esses poros das peças de metal impressas em 3D é a chave para o avanço da tecnologia em aplicações mais úteis.

p Como qualquer cientista lhe dirá, o primeiro passo para resolver um problema é dar uma boa olhada em sua causa. Os pesquisadores têm usado a Advanced Photon Source (APS), uma instalação do usuário do Office of Science do Departamento de Energia dos EUA (DOE) localizada no Laboratório Nacional de Argonne do DOE, para estudar o processo de fabricação de aditivos desde 2015. O APS gera raios-X intensamente brilhantes, que pode penetrar nas peças de metal, tirar imagens à medida que o metal é transformado em pó em tempo real.

p "O APS fornece uma maneira de ver as coisas que não podíamos antes, "disse Kamel Fezzaa, um físico na divisão de ciência de raios-X de Argonne, que supervisiona o programa de imagem de alta velocidade na linha de luz APS 32-ID-B. "Em vez de usar amostras estáticas após a conclusão da impressão, somos capazes de ver dentro do processo como ele acontece. "

p Esse processo é chamado de fusão de leito de pó a laser, e envolve o uso de lasers de alta potência para derreter e fundir o material em pó. Usando uma configuração de laser e pó no APS, uma equipe de pesquisadores documentou a formação e o movimento subsequente dos poros - muitos menores do que a largura de um fio de cabelo humano - dentro da poça de fusão. A equipe era liderada por Lianyi Chen, anteriormente na Universidade de Ciência e Tecnologia de Missouri e agora na Universidade de Wisconsin-Madison, e Tao Sun, anteriormente da divisão de ciência de raios-X de Argonne e agora da Universidade da Virgínia.

p O APS permitiu que eles capturassem 135, 776 imagens por segundo, cada imagem durando menos de um microssegundo, e o resultado foi a visão mais detalhada do processo de manufatura aditiva já vista.

p “A APS tem a melhor capacidade de fazer este tipo de estudo, "disse Sun." Seria impossível fazer isso em uma fonte de raios-X baseada em laboratório. Estamos investigando um processo altamente dinâmico, e o APS nos oferece resolução de tempo de nível de nanossegundos. "

p O que esta equipe de pesquisa descobriu surpreendeu até eles. Em um artigo publicado em Nature Communications , o grupo descreveu as três forças que agem sobre os poros dentro da poça de fusão:flutuabilidade, que deve forçar o gás para cima e para fora da área de fusão; arrasto de fluxo de derretimento, que deve girar o gás dentro da poça de fusão; e força termocapilar, o que leva os poros a se moverem ao longo do gradiente de temperatura.

p Destas três forças, eles descobriram que a força termocapilar em certa área da poça de fusão exerce a maior influência sobre onde os poros terminam. O arrasto criado pelo derretimento do metal líquido é o segundo, o que significa que a tendência natural dessas bolsas de gás de se moverem para cima e para fora da área de fusão foi contrariada.

p “Não esperávamos esses resultados, "Disse Chen." À medida que o laser atinge o material, os poros saem da poça de fusão rapidamente na área de interação do laser. "

p A equipe descobriu que é a força termocapilar induzida pelo gradiente de temperatura que arrasta os poros para fora, Chen explicou, então, simplesmente exercer mais controle sobre o gradiente de temperatura durante o próprio processo de impressão 3-D pode mover esses poros para fora da área de fusão, garantindo que a parte de metal resultante é livre de poros.

p "Esta não é uma força que as pessoas pensavam antes, "Disse Sun." Mas podemos utilizar essa força para remover todos os poros em um componente impresso. "

p Fazendo uso desta técnica, pesquisadores dizem, deve ser possível com o equipamento de impressão 3D existente. Controlando a potência e a velocidade do laser, e ajustando para diferentes tipos de material, deve permitir que os fabricantes encontrem as condições certas para moldar a força térmica enquanto o laser realiza seu trabalho.

p Seria necessário um pouco de tentativa e erro, Fezzaa disse, mas não deve exigir um dispositivo adicional para eliminar os poros do produto acabado.

p "Esta é uma prova de conceito, "Fezzaa disse." Um dos principais desafios da impressão 3-D é torná-la tão confiável quanto a fabricação tradicional, e se este conceito pode ser usado como uma ferramenta eficaz em um sistema 3D real, isso seria um salto gigante para a indústria de manufatura de aditivos. "